DE102012222434A1

DE102012222434A1 - Magnetische Separierung von Eisen aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungsschmelzen

Info

Publication number: DE102012222434A1
Application number: DE102012222434A
Authority: DE
Inventors: Guangling Song; Jan F. Herbst; Anil K. Sachdev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: US8673048B2; CN103160694B; DE102012222434B4; US20130145899A1; CN103160694A

Abstract

Eisenverunreinigungen können aus Volumina von geschmolzenen Aluminium- oder Magnesiummetallen oder geschmolzenen Aluminium- oder Magnesiumlegierungen entfernt werden, indem ein statischer Magnetfeldgradient an jedes von den geschmolzenen Metallvolumina oder Schmelzen angelegt wird. Der Magnetfeldgradient wird an jede von den Schmelzen derart angelegt, dass sich Eisenverunreinigungen mit separater Phase, die darin fein verteilt sind, in die Richtung des angelegten Magnetfelds bewegen und in einem vorbestimmten Bereich der Schmelzen konzentriert werden, wodurch ein eisenreicher Bereich gebildet wird. Der übrige an Eisen verarmte Bereich von jeder der Schmelzen kann von dem zuvor gebildeten eisenreichen Bereich physikalisch separiert und in geformte Herstellungserzeugnisse oder in Halbzeuge zur weiteren Verarbeitung gegossen werden. Solche Erzeugnisse weisen einen geringeren Eisengehalt als die ursprünglichen geschmolzenen Metallvolumina auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Verfeinern von Nichteisenmetallen oder Nichteisenlegierungen, wie beispielsweise Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Spezieller betrifft diese Erfindung Verfahren zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten an ein Volumen eines geschmolzenen Nichteisenmetalls, um Eisenverunreinigungen mit separater Phase aus dem geschmolzenen Metall zu entfernen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Legierungen, die aus einem Basismetall und einem oder mehreren anderen Metallen oder Nichtmetallen bestehen, werden hergestellt, um die mechanischen oder chemischen Eigenschaften des Basismetalls zu verändern. Das Legieren kann beispielsweise ausgeführt werden, um dem Basismetall Härte, Zähigkeit, Dehnbarkeit, Korrosionsbeständigkeit oder andere gewünschte Eigenschaften zu verleihen. In der Praxis werden die Legierungen formuliert und verwendet, um gegossene oder geschmiedete Metallteile zu erzeugen, die bestimmte wünschenswerte Eigenschaften aufweisen, welche deren endgültiger Verwendung entsprechen. Aluminiumlegierungen (Al-Legierungen) und Magnesiumlegierungen (Mg-Legierungen) werden üblicherweise verwendet, um gegossene oder geschmiedete Kraftfahrzeugteile herzustellen, wie beispielsweise Sandguss-Motorblöcke, da diese Nichteisenlegierungen (im Vergleich zu Gusseisen oder Stahl) relativ leichtgewichtig und korrosionsbeständig sind.
Das Vorhandensein von Verunreinigungen in diesen Legierungszusammensetzungen kann jedoch die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Legierungsteile signifikant beeinflussen. Beispielsweise wird elementares Eisen als eine Verunreinigung in Aluminiumlegierungsteilen angesehen, die in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet werden, da Eisen in hohen Konzentrationen die Dehnbarkeit und Zugfestigkeit des Legierungsteils verringert. In Magnesiumlegierungen wird Eisen ebenso als eine Verunreinigung angesehen, da es das Legierungsteil empfindlicher gegenüber Korrosion macht. Hochreine Metalle, wie beispielsweise Aluminium und Magnesium, sind jedoch nicht leicht verfügbar. Daher kann es erforderlich sein, dass diese Metalle und ihre Legierungselemente vor anschließenden Gieß- oder Formverfahren verfeinert oder gereinigt werden.
Ein Verfahren zum Entfernen von Eisenverunreinigungen aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen ist das Aufheizen der Legierungen zum Bilden von Schmelzen und das anschließende Abscheiden eisenreicher Zwischenmetallpartikel, auch bekannt als ”Schlamm”, aus den Schmelzen. Bei diesem Verfahren werden die eisenreichen Zwischenmetallphasen in den Schmelzen gebildet, indem zu den Schmelzen bestimmte Metallelemente hinzugefügt werden, wie beispielsweise Mangan, Chrom oder Zink. Die Schmelzen werden anschließend abgekühlt, um eine Keimbildung und Kristallisation von eisenhaltigen Zwischenmetallpartikeln aus den eisenreichen Phasen auszulösen. Die eisenhaltigen Partikel werden aus den Schmelzen abgeschieden und anschließend entfernt, beispielsweise durch ein Abscheiden mittels Gravitation oder eine Filterung.
Die Menge an Mangan, Chrom oder Zink, die zu der jeweiligen Schmelze hinzugefügt wird, ist jedoch kritisch für die Bildung des Schlamms, sie ist aber schwierig zu steuern. Zusätzlich sind die Verfahren zum Separieren von abgeschiedenen Partikeln aus Schmelzen von Aluminium und Magnesium nicht effizient, und beliebige Metalle, die während des Abscheidungsprozesses hinzugefügt werden und in den Schmelzen bleiben, können die mechanischen und chemischen Eigenschaften der gegossenen Legierungsteile nachteilig beeinflussen. Es besteht daher eine Notwendigkeit für ein effizienteres Verfahren zum effektiven Entfernen von Eisen aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung schafft ein effizientes und effektives Verfahren zum Entfernen von Eisenverunreinigungen aus Volumina von geschmolzenen Nichteisenmetallen oder -legierungen, beispielsweise aus Volumina von geschmolzenen Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Ein statisches Magnetfeld wird in einem vorbestimmten Bereich eines geschmolzenen Volumens oder einer Schmelze eines eisenhaltigen Nichteisenmetalls erzeugt. Das statische Magnetfeld ist ein Gradientenfeld, und es wird an die Schmelze angelegt, um dadurch eine Bewegung von eisenhaltigen Massen in der Schmelze in Richtung eines vorbestimmten Orts zu bewirken. Der Gradient des statischen Magnetfelds wird für eine Zeitspanne an die Schmelze angelegt, um einen eisenreichen Bereich in der Schmelze zu bilden, der von dem übrigen an Eisen verarmten Bereich der Schmelze physikalisch separiert werden kann.
Dieses Reinigungsverfahren erfordert keine Veränderungen der Schmelzenzusammensetzung, um große eisenhaltige Abscheidungen zu bilden, die von einer ausreichenden Dichte sein müssen, um aus der Schmelze abgeschieden zu werden, oder einen ausreichenden Durchmesser aufweisen müssen, um aus der Schmelze gefiltert zu werden. Zusätzlich kann die Rate, mit der die eisenhaltigen Massen aus der Schmelze des Nichteisenmetalls separiert werden, gesteuert werden, indem die Stärke und der Gradient des angelegten Magnetfelds gesteuert werden. Nach der physikalischen Separierung von dem eisenreichen Teil der Schmelze kann der an Eisen verarmte Teil anschließend in geformte Erzeugnisse oder in Halbzeuge zur weiteren Verarbeitung gegossen werden. Solche Erzeugnisse weisen einen viel geringeren Eisengehalt als die ursprüngliche Schmelze auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein eisenhaltiges Nichteisenmetall zur Verfeinerung vorbereitet, indem das Nichteisenmetall oder die Nichteisenlegierung in einem geeigneten Gefäß aufgeheizt wird, um eine Schmelze zu bilden. Das Nichteisenmetall oder die Nichteisenlegierung wird anschließend geeignet auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der das Nichteisenmetall im Wesentlichen als eine Flüssigkeit vorliegt, und es existieren Eisenverunreinigungen in dem Metall als diskrete flüssige oder feste eisenhaltige Phasen. Die Eisenverunreinigungen können beispielsweise in der Form von Eisenpartikeln oder eisenhaltigen Partikeln vorliegen, die in der Schmelze fein verteilt sind und die sich nicht auf natürliche Weise am Boden der Schmelze absetzen oder leicht aus dieser abzuscheiden sind. Obgleich das Nichteisenmetall meistens in flüssiger Form vorliegt, können feste Partikel, die kein Eisen umfassen, ebenso in der Schmelze fein verteilt sein.
Anschließend wird ein Magnetfeldgradient an der Schmelze angelegt und verwendet, um die eisenhaltigen Phasen in einem vorbestimmten Bereich der Schmelze einzuschließen. Unter der Anwesenheit des angelegten Magnetfelds erfahren die eisenhaltigen Phasen in der Schmelze eine Kraft proportional zu dem Gradienten des Magnetfelds in der Richtung des angelegten Feldes. Gleichzeitig erfahren die eisenhaltigen Phasen eine Kraft, die gegen ihre Bewegung durch die Schmelze Widerstand leistet und als viskose Reibung bekannt ist. Wenn der Gradient des angelegten Magnetfelds stark genug ist, bewegen sich die eisenhaltigen Phasen dementsprechend durch die Schmelze aus einem Bereich mit geringerem Magnetfeldgradient in einen Bereich mit größerem Magnetfeldgradient.
Der Magnetfeldgradient wird für eine Zeitspanne in einem vorbestimmten Bereich der Schmelze auf geeignete Weise erzeugt, um die eisenhaltigen Phasen innerhalb des Volumens der Metallschmelze in einem vorbestimmten Bereich einzuschließen. Anschließend kann das mit Eisen angereicherte Volumen der Schmelze von dem gereinigten Volumen der Schmelze physikalisch separiert werden, wie beispielsweise durch Entfernen des eisenreichen Volumens aus der Schmelze oder umgekehrt. Jeder Teil der Schmelze kann aus dieser durch eine Vielzahl von Verfahren entfernt werden, wie es in der Technik zweifellos bekannt ist. Wenn die Schmelze beispielsweise in einem Schmelztiegelofen gehalten wird, kann ein Teil der Schmelze aus dieser mittels Schöpfen, Schütten, Abzapfen oder durch die Verwendung von Pumpen oder Saughebern entfernt werden. Eine physikalische Barriere zwischen dem eisenreichen Bereich und dem an Eisen verarmten Bereich kann während des Prozesses zum Entfernen in der Schmelze angeordnet werden. Zusätzlich kann das Magnetfeld aufrechterhalten werden, wenn es erforderlich ist, um das relativ kleine Volumen der eisenhaltigen Phasen während der Separierungs- und Entfernprozesse in einem Bereich der Schmelze zu halten.
Das Nichteisenmetall kann in einem Behälter aufgeheizt werden, der zum Schmelzen und/oder Gießen von Nichteisenmetallen und Nichteisenlegierungen geeignet ist. Der Behälter kann aus einem Material bestehen, das die Größe oder die Richtung des angelegten Magnetfelds nicht signifikant beeinflusst. Oder es kann der Behälter aus einem Material gebildet sein, welches das Magnetfeld verzerren kann, wie beispielsweise dann, wenn der Behälter aus Eisen hergestellt ist. In dem ersten Fall kann sich der Magnetfelderzeuger in der Nähe, aber außerhalb des Behälters und der Schmelze befinden. In dem zweiten Fall kann der Magnetfelderzeuger in dem Behälter angeordnet sein und sich möglicherweise in direktem Kontakt mit der Schmelze befinden, so dass der Behälter die Separierungs- oder Entfernprozesse nicht stört.
Der Magnetfeldgradient kann in der Schmelze unter Verwendung einer beliebigen Einrichtung erzeugt werden, die in der Lage ist, sogar bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei bis zu 900°C, ein ausreichend starkes Magnetfeld zu erzeugen. Derartige bekannte Einrichtungen umfassen Permanentmagnete und Elektromagnete. Zusätzlich kann der Magnetfelderzeuger von der Schmelze thermisch isoliert sein und/oder während der Separierungs- und Entfernprozesse gekühlt werden, so dass die Einrichtung während der Separierungs- und Entfernprozesse in dem vorbestimmten Bereich der Schmelze des Nichteisenmetalls ein Magnetfeld mit ausreichendem Gradienten kontinuierlich und effektiv erzeugt.
Das Magnetfeld kann an das gesamte Volumen der Schmelze oder an einen Abschnitt der Schmelze angelegt werden. Wenn das Magnetfeld nur an einen Abschnitt der Schmelze angelegt wird, können thermische Strömungen in der Schmelze für eine ausreichende Mischung der Eisenverunreinigungen in der Schmelze sorgen, die dem Magnetfeldgradienten ausgesetzt werden sollen. Das Magnetfeld kann für den gesamten Separierungsprozess an einen Bereich in der Schmelze angelegt werden, oder es kann die Lage des Magnetfeldgradienten variiert werden, beispielsweise unter Verwendung eines extern gesteuerten magnetischen Generators. Zusätzlich kann gleichzeitig mehr als ein Magnetfeld an die Schmelze angelegt werden, um die Bewegung der Eisenverunreinigungen in der Schmelze weiter zu steuern.
Nichteisenmetalle oder -legierungen, die gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung verfeinert sind, können in Blöcke oder Gussteile gegossen oder für weitere Schmelz-, Halte- oder Gießprozesse in ein anderes Gefäß übertragen werden. Das Gießen von geschmolzenen Aluminium- oder Magnesiumlegierungen wird typischerweise durchgeführt, indem das flüssige geschmolzene Metall oder die flüssige geschmolzene Legierung in eine Gießform übertragen werden, in der es bzw. sie abkühlt und verfestigt.
Der Ausdruck ”Nichteisenmetall” wird in dieser Beschreibung derart verwendet, dass er ein beliebiges leichtes Metall bezeichnet, das keine nennenswerten Mengen an Eisen enthält. Zusätzlich zu Aluminium und Magnesium sind beispielsweise Kupfer (Cu), Zink (Zn), Zinn (Sn), Silber (Ag) und Gold (Au) allesamt Nichteisenmetalle, die gemäß den hierin offenbarten Ausführungsformen gereinigt werden können.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden nachstehend beschrieben, während noch andere für Fachleute basierend auf den Beschreibungen, die in dieser Anmeldung vorgesehen sind, leicht offensichtlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Schmelze eines eisenhaltigen Nichteisenmetalls, die in einem Schmelztiegel oder Tiegelofen gehalten wird.
2 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Schmelztiegels oder Tiegelofens, der in 1 gezeigt ist, wobei ein Magnetfelderzeuger an dem Sockel des Schmelztiegels angeordnet ist. Ein Magnetfeldliniendiagramm wurde von dem Magnetfelderzeuger nach außen gerichtet eingezeichnet, um den Gradienten in der Schmelze des eisenhaltigen Nichteisenmetalls symbolisch zu veranschaulichen. In Wirklichkeit erstreckt sich der Magnetfeldgradient jedoch von dem Magnetfelderzeuger nach außen in alle Richtungen, nicht nur innerhalb der Schmelze. Die Magnetfeldlinien nehmen bezüglich der Dichte in der Nähe des Magnetfelderzeugers zu, um symbolisch zu veranschaulichen, wie die Stärke des magnetischen Gradienten innerhalb der Schmelze zunimmt. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass die Magnetfeldlinien eingezeichnet wurden, ohne irgendeine Verzerrung zu berücksichtigen, die an dem Magnetfeld auftreten kann, wenn dieses durch das Material des Sockels oder des Schmelztiegels hindurchtritt.
3 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Schmelztiegels oder Tiegelofens, der in 2 gezeigt ist, nachdem der Magnetfeldgradient für eine Zeitspanne an die Schmelze des eisenhaltigen Nichteisenmetalls angelegt wurde, um eine Konzentration an Eisenverunreinigungen am Boden des Schmelztiegels in der Nähe des Magnetfelderzeugers zu bilden. Wie es gezeigt ist, wird ein isoliertes Rohr in die Schmelze eingetaucht, und ein Luftrohr ist oberhalb der Oberfläche der Schmelze derart angeordnet, dass die Atmosphäre oberhalb der Schmelze unter Druck gesetzt werden kann und das an Eisen verarmte Nichteisenmetall aus dem Schmelztiegel abgeleitet werden kann, wobei die Eisenverunreinigungen am Boden des Schmelztiegels zurückgelassen werden.
4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Schmelztiegels oder Tiegelofens, der in 1 gezeigt ist, wobei ein Magnetfelderzeuger an der Oberfläche der Schmelze angeordnet ist. Ein Magnetfeldgradient wurde für eine Zeitspanne an die Schmelze des eisenhaltigen Nichteisenmetalls angelegt, um eine Konzentration an Eisenverunreinigungen an der Oberseite der Schmelze in der Nähe des Magnetfelderzeugers zu bilden. Wie es gezeigt ist, ist eine Ablassöffnung derart am Boden des Schmelztiegels angeordnet, dass der an Eisen verarmte Bereich der Schmelze aus dem Schmelztiegel fließen kann, wobei die Konzentration an Eisenverunreinigungen zurückgelassen wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Schmelzen, die Nichteisenmetalle oder -legierungen umfassen, werden oft zu dem Zweck vorbereitet, geformte Herstellungserzeugnisse zu gießen oder Halbzeuge zu gießen, wie beispielsweise Blöcke, Barren, Vorblöcke oder Platten. Solche Schmelzen können vorbereitet werden, indem das Nichteisenmetall oder die Nichteisenlegierung in einem geeignet aufgeheizten Behälter angeordnet wird. In der Praxis wird typischerweise eine feste oder flüssige Füllung, die aus dem Nichteisenmetall und beliebigen Legierungselementen besteht, in einem Schmelzherd oder einem Schmelztiegel eines mit Brennstoff befeuerten oder elektrischen Ofens angeordnet. Übliche Öfen, die zum Schmelzen und Gießen von Nichteisenmetallen und -legierungen verwendet werden, umfassen kernlose und Kanal-Induktionsöfen, Schmelztiegel- und Siemens-Martin-Flammöfen sowie elektrische Widerstands- und elektrische Strahlungsöfen. Der Typ des verwendeten Ofens hängt von der Verfügbarkeit und den Kosten des Brennstoffs, der gewünschten Schmelzgeschwindigkeit und dem gewünschten Volumen der Schmelze ab. Geeignete Öfen zum Schmelzen von Nichteisenmetallen oder -legierungen gemäß den Ausführungsformen dieser Erfindung weisen Kapazitäten in dem Bereich von ungefähr 50–2000 lbs (22,68–907,18 kg) auf.
Zur Veranschaulichung ist ein geeigneter Schmelztiegel oder Tiegelofen 10 zum Schmelzen von Nichteisenmetallen und -legierungen in 1 gezeigt. Dieser Typ des Ofens 10 ist konstruiert, um ein Gefäß aufzunehmen, das als ein Schmelztiegel 12 bekannt ist und auf einem Stehlager oder einem Sockel 14 in einer Brennkammer 16 ruht. Der Ofen 10 weist ein Metallgehäuse mit Außenwänden 18 und einem Boden 20 auf. Der Boden 20 des Metallgehäuses ist geeignet mit Schamottestein oder einem anderen feuerfesten Material 22 ausgekleidet, und die Außenwände 18 sind mit einem isolierenden Material 24 geeignet ausgekleidet. Zusätzlich wird typischerweise eine weitere Schicht von feuerfestem Material 26 verwendet, um die Brennkammer 16 des Ofens 10 auszukleiden. Der Ofen 10 kann einen Deckel oder eine Abdeckung aufweisen, der bzw. die ausgebildet ist, um auf den Seitenwänden des Ofens zu gleiten oder von diesen abgehoben zu werden. Der Deckel oder die Abdeckung kann eine äußere Schicht eines Metalls 28 und eine innere Schicht eines feuerfesten Materials 30 aufweisen.
Der Schmelztiegel 12 wird durch einen Brenner (nicht gezeigt) aufgeheizt, der mit einem Brennstoff wie etwa Öl oder Gas versorgt wird und in einem Brennereinlassloch 32 angeordnet ist, das sich unten in der Seitenwand des Ofens 10 befindet. Brenner werden typischerweise derart angeordnet, dass eine Flamme aus dem Brenner tangential zu dem Schmelztiegel 12 verläuft. Die Brennkammer 16 weist auch eine Entlüftung auf (nicht gezeigt), die ausgebildet ist, um die Verbrennungsprodukte aus dem Ofen 10 wegzubringen. In der Praxis wird eine Füllung in dem Schmelztiegel 12 angeordnet, wo diese aufgeheizt wird, um eine Schmelze eines geschmolzenen Metalls 34 zu bilden. Die Füllung kann in der Form von zurückgeführten Angüssen und Speisern, Rücklieferungen von maschinellen Bearbeitungsvorgängen, vorlegierten Blöcken, geschmolzenem Metall oder dergleichen vorliegen.
Der Schmelztiegel 12 kann ein Schmelztiegel zum Schöpfen sein, der stationär ist, und eine Schöpfkelle kann verwendet werden, um kleine Mengen an geschmolzenem Metall 34 für Gießvorgänge zu entnehmen. Alternativ kann der Schmelztiegel 12 ein Schmelztiegel zum Herausheben sein, und er kann eine Gießschnauze aufweisen, so dass der gesamte Schmelztiegel 12 beispielsweise mit Zangen aus dem Ofen 10 gehoben und als eine Gießpfanne verwendet werden kann. Wenn der Ofen ein Schmelztiegelofen zum Kippen ist, kann der gesamte Ofen 10 gekippt werden, um zu ermöglichen, dass die Schmelze 34 direkt in eine Transportpfanne (nicht gezeigt) geschüttet wird. Andere geeignete Mittel, um das geschmolzene Metall 34 aus dem Schmelztiegel 12 zu einem Gießvorgang zu bringen, werden Fachleuten wohlbekannt sein.
Geeignete Schmelztiegel 12 zum Schmelzen und Halten von Aluminiumschmelzen können aus einem feuerfesten Material oder aus mit feuerfestem Material beschichtetem Gusseisen hergestellt sein. Feuerfeste Schmelztiegel weisen dicke Wände auf, um Festigkeit zu schaffen, und sie sind gegenüber Schmelztiegeln aus Eisen bevorzugt, um eine Eisenverunreinigung von Aluminiumschmelzen zu verhindern. Die meisten feuerfesten Schmelzöfen zum Schmelzen von Aluminium sind aus kohlenstoffgebundenem Siliziumcarbid hergestellt, sie können aber auch mit Hochtonerdeziegeln ausgekleidet sein, die mit Phosphorsäure gebunden sind, wenn ein Schmelztiegel aus Gusseisen verwendet wird. Magnesiumlegierungsschmelzen werden typischerweise in einem Schmelztiegel aus Edelstahl aufgeheizt. Geeignete Edelstähle, die zum Handhaben von Magnesiumschmelzen verwendet werden, umfassen Edelstähle der Serie 400. Magnesiumschmelzen können in einem Schmelzofen aufgeheizt werden, der mit einer reaktionsträgen Beschichtung ausgekleidet ist, wie beispielsweise mit Bornitrid. Schamottestein und feuerfeste Materialien werden typischerweise nicht verwendet, um Schmelztiegel für Magnesiumschmelzen auszukleiden. Werkzeuge, die beim Schmelzen, Halten und Gießen von geschmolzenem Aluminium oder Magnesium verwendet werden, sind vorzugsweise aus Stahl, Gusseisen oder Edelstählen hergestellt, die mit einer reaktionsträgen Beschichtung beschichtet sind, wie beispielsweise mit Bornitrid.
Während des Schmelzprozesses kann die Aluminium- oder Magnesiumschmelze mit Gasen in der Atmosphäre 36 oberhalb der Schmelze wechselwirken, wie beispielsweise mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen, wodurch unerwünschte Verbindungen in der Schmelze 34 gebildet werden. Um diese unerwünschten Wechselwirkungen zu vermeiden, kann ein Schutzgas oder eine schützende Strömung zum Abdecken der Schmelze verwendet oder zu der Schmelze hinzugefügt werden, wenn diese aufgeheizt wird (nicht gezeigt). Übliche Entgasungsströmungen, die beim Schmelzen von Aluminium in eine Gießerei verwendet werden, umfassen Chlor und Fluor enthaltende Salze; übliche Abdeckungsströmungen umfassen ein Gemisch aus NaCl und KCl und können ebenso einige Beigaben an CaC₂, CaF₂ oder KF enthalten. Beim Schmelzen von Magnesium in einer Gießerei wird üblicherweise Schwefeldioxid als eine Strömung oder als Gas verwendet.
Eine Schmelze 34 eines Nichteisenmetalls oder einer Nichteisenlegierung, die eine unerwünschte Menge an Eisen enthält, wird zur Verfeinerung vorbereitet, indem die Schmelze auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der das Nichteisenmetall oder die Nichteisenlegierung hauptsächlich als eine Flüssigkeit vorliegt und das Eisen als diskrete flüssige oder feste eisenhaltige Phase vorliegt, wie beispielsweise als Partikel 38. Die Temperatur, bei der sich ein solches heterogenes Gemisch bildet, hängt von der Zusammensetzung des Nichteisenmetalls oder der Nichteisenlegierung und von der Verfestigungsrate ab. Beispielsweise weisen elementares Aluminium und elementares Magnesium Schmelzpunkte von 660°C bzw. 650°C auf. Legierungen von Aluminium und Magnesium weisen jedoch typischerweise geringere Schmelzpunkte auf, und sie können bei einer gegebenen Temperatur mehr als eine diskrete Phase enthalten. Bei Ausübungen dieser Erfindung können Schmelzen aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen auf Temperaturen in dem Bereich von ungefähr 550–850°C, bevorzugter in dem Bereich von ungefähr 600–750°C, aufgeheizt werden.
Sobald das Eisen in der Schmelze 34 als diskrete flüssige oder feste eisenhaltige Phase 38 vorliegt, wird ein Magnetfelderzeuger 40 verwendet, um einen Magnetfeldgradienten zumindest an einen Abschnitt der Schmelze 34 anzulegen. Bei einer Ausführungsform kann das Magnetfeld an die Schmelze 34 angelegt werden, indem der Magnetfelderzeuger 40 in der Nähe des Sockels des Schmelztiegels 12, wie es in 2 und 3 gezeigt ist, in der Nähe der Oberfläche der Schmelze 34 oder in der Schmelze 34 selbst, wie es in 4 gezeigt ist, angeordnet wird.
2 zeigt ein Magnetfeldliniendiagramm, das von dem Magnetfelderzeuger 40 nach außen gerichtet eingezeichnet wurde, um den Magnetfeldgradienten symbolisch zu veranschaulichen, der in der Schmelze 34 des eisenhaltigen Nichteisenmetalls erzeugt wird. In Wirklichkeit erstreckt sich das Magnetfeld jedoch von dem Magnetfelderzeuger 40 in alle Richtungen nach außen, nicht nur innerhalb der Schmelze 34. Die Magnetfeldlinien 42 sind in der Nähe des Magnetfelderzeugers 40 mit zunehmender Dichte gezeigt, um symbolisch zu veranschaulichen, wie die Stärke des Magnetfeldgradienten in der Schmelze 34 zunimmt. Wenn die Dichte der Feldlinien 42 zunimmt, nimmt die Stärke des magnetischen Gradienten ebenso zu. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass die Magnetfeldlinien 42 eingezeichnet wurden, ohne irgendeine Verzerrung zu berücksichtigen, die an dem Magnetfeld auftreten kann, wenn dieses durch das Material des Schmelztiegels 12 hindurchtritt.
In Anwesenheit des angelegten Magnetfelds erfahren die diskreten eisenhaltigen Phasen 38 eine magnetische Nettokraft proportional zum Gradienten des Magnetfelds in der Richtung des angelegten Feldes, wie es durch den Pfeil 44 in 2 gezeigt ist. Die Nichteisenmetallphasen oder die Nichteisenlegierungsphasen der Schmelze 34 erfahren ebenso eine magnetische Nettokraft in der Richtung des angelegten Feldes. Die Kraft, die durch die eisenhaltigen Phasen 38 wahrgenommen wird, wird jedoch aufgrund der Unterschiede im magnetischen Verhalten dieser Phasen viel größer sein als die Kraft, die auf die Nichteisenphasen ausgeübt wird.
Zur gleichen Zeit, zu der die eisenhaltigen Phasen 38 die magnetische Kraft erfahren, werden diese ebenso eine entgegengesetzte Kraft aufgrund der Viskosität der Schmelze erfahren. Damit die eisenhaltigen Phasen eine Nettokraft in der Richtung des angelegten Feldes erfahren, muss die magnetische Kraft daher größer als die Kraft der viskosen Reibung sein. Zusätzlich muss das Magnetfeld für eine Zeitspanne an die Schmelze 34 angelegt werden, um zumindest einen Teil der eisenhaltigen Phasen 38 in einem Bereich der Schmelze 34 zu konzentrieren. Die Zeitspanne, die erforderlich ist, um die eisenhaltigen Phasen 38 in einem Bereich der Schmelze zu konzentrieren, wird von bestimmten Eigenschaften der Schmelze und der Größe des Magnetfeldgradienten abhängen. Wenn die Temperatur der Schmelze beispielsweise über die Curietemperatur von Eisen (770°C) ansteigt, nimmt die magnetische Kraft auf die eisenhaltigen Phasen ab. Bei höheren Temperaturen nimmt jedoch die Viskosität der Schmelze ab, wodurch auch die Reibungskraft abnimmt, welche die eisenhaltigen Phasen erfahren.
Das Magnetfeld wird derart an die Schmelze 34 angelegt, das sich die eisenhaltigen Phasen 38 durch die Schmelze 34 aus einem Bereich mit geringem Feldgradienten in einen Bereich mit höherem Feldgradienten bewegen. Nachdem das Magnetfeld für eine ausreichende Zeitspanne an die Schmelze 34 angelegt wurde, bildet sich eine Konzentration von eisenhaltigen Phasen 38 oder ein ”eisenreicher” Bereich 46 in der Schmelze in der Nähe des Magnetfelderzeugers 40, wie es in 3 und 4 gezeigt ist. Der übrige Teil der Schmelze 34 umfasst folglich ein Nichteisenmetall oder eine Nichteisenlegierung, die an Eisen verarmt oder ”verfeinert” ist. Dieser Bereich wird hierin als ein ”an Eisen verarmter” Bereich bezeichnet.
Dieses Verfahren der magnetischen Separierung kann verwendet werden, um Eisen- oder eisenhaltige Phasen aus einer Schmelze eines Nichteisenmaterials effektiv und effizient zu separieren. Zusätzlich erfordert dieses Verfahren keine Veränderung der Schmelzenzusammensetzung, um große eisenhaltige Ausscheidungen zu bilden, die von einer ausreichenden Dichte sein müssen, um aus der Schmelze abgeschieden zu werden, oder von einem ausreichenden Durchmesser sein müssen, um aus der Schmelze gefiltert zu werden. Ferner ermöglicht dieses Verfahren die Separierung von festen eisenhaltigen Partikeln und auch von flüssigen eisenhaltigen Phasen aus einer Nichteisenschmelze.
Das verfeinerte Nichteisenmetall oder die verfeinerte Nichteisenlegierung kann anschließend von den eisenhaltigen Phasen 38 separiert werden, indem der eisenreiche Teil 46 oder der an Eisen verarmte Teil der Schmelze 34 aus dem Schmelztiegel 12 entfernt wird. Um ein Vermischen der Schmelze während des Entfernprozesses zu vermeiden, kann der eisenreiche Bereich 46 physikalisch in einen Bereich der Schmelze 34 eingeschlossen werden, wie beispielsweise durch eine physikalische Barriere 48. Bei geeigneten Ausführungsformen kann die physikalische Barriere 48 in die Konstruktion des Schmelztiegels 12 integriert werden, und sie kann derart konstruiert sein, dass sie eine Bewegung der eisenhaltigen Phasen durch die Schmelze während des magnetischen Separierungsprozesses ermöglicht. Die physikalische Barriere 48 kann auch ausgebildet sein, um zu schließen, nachdem sich eine Konzentration an eisenhaltigen Phasen 38 oder ein eisenreicher Bereich 46 innerhalb der Grenzen der Barriere gebildet hat.
Die Ausrüstung zum Entfernen eines der Teile der Schmelze 34 wird Fachleuten wohlbekannt sein. Der Ofen kann beispielsweise derart konstruiert sein, dass das geschmolzene Metall 34 durch Schöpfen entfernt werden kann, entweder manuell oder mechanisiert, oder es kann der Ofen derart konstruiert sein, dass ein Kippen zum Ausschütten in Gießpfannen ermöglicht wird. Der Ofen kann eine Ablassöffnung aufweisen, die geöffnet werden kann, um zu ermöglichen, dass das geschmolzene Metall in Gießpfannen oder in ein beliebiges anderes geeignetes Behältnis strömt. Saugheber oder Pumpen können ebenso verwendet werden, um einen Teil des geschmolzenen Metalls aus dem Schmelztiegel zu entfernen. Geeigneterweise werden alle Rohre, Tröge und Gießpfannen gut mit feuerfestem Material isoliert, um Wärmeverluste während der Entfern- und Transportprozesse zu minimieren.
Bei einer Ausführungsform, wie sie in 3 gezeigt ist, wird das verfeinerte Nichteisenmetall oder die verfeinerte Nichteisenlegierung aus einem oberen Abschnitt der Schmelze 34 abgeleitet, während die Konzentration an eisenhaltigen Phasen 38 in einem unteren Abschnitt der Schmelze 34 eingeschlossen ist, beispielsweise durch die physikalische Barriere 48. Bei dieser Ausführungsform wird eine isolierte Rohrleitung 50 bis zu einer vorbestimmten Tiefe in die Schmelze 34 eingefügt. Die Rohrleitung 50 erstreckt sich aus der Schmelze 34 und dem Ofen 10 heraus und schafft einen Weg für das geschmolzene Metall, um aus dem Ofen 10 wegtransportiert zu werden. Die Atmosphäre oberhalb der Schmelze 36 wird unter Druck gesetzt, indem ein Gas durch ein Rohr 52 in den Ofen 10 gepumpt wird. Die unter Druck stehende Atmosphäre oberhalb der Schmelze 36 bewirkt, dass das geschmolzene Metall 34 aus dem Schmelztiegel 12 herausströmt.
Bei einer noch anderen Ausführungsform, wie sie in 4 gezeigt ist, wird der Magnetfelderzeuger 40 in der Schmelze 34 angeordnet, und die Konzentration an eisenhaltigen Phasen 38 wird in der Nähe des Erzeugers 40 gehalten, beispielsweise durch die physikalische Barriere 48. Der Magnetfelderzeuger 40, die eisenhaltigen Phasen 38 und die physikalische Barriere 48 können gemeinsam aus der Schmelze 34 entfernt werden, bevor oder nachdem eine Ablassöffnung 54, die im Boden des Schmelztiegels 12 und des Ofens 10 angeordnet ist, geöffnet wird, so dass das verfeinerte Nichteisenmetall oder die verfeinerte Nichteisenlegierung durch die Ablassöffnung hindurchtreten kann.
Das verfeinerte Nichteisenmetall oder die verfeinerte Nichteisenlegierung kann aus dem Ofen entfernt und in Blöcke oder Gussteile gegossen werden, oder es bzw. sie kann für weitere Schmelz-, Halte- oder Gießprozesse in ein anderes aufgeheiztes Gefäß übertragen werden. Das Gießen von geschmolzenen Aluminium- oder Magnesiumlegierungen wird ausgeführt, indem die flüssige geschmolzene Metalllegierung in eine Gießform übertragen wird, wo sie abgekühlt wird und verfestigt. Beispiele von bekannten Gießverfahren, die in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet werden, umfassen das Formgießen, das Sandgießen, das Strukturgießen, das Strukturformgießen, das Strukturgießen mit permanenter Form und das Gießen mit permanenter Form. Zusätzliche Gießverfahren können verwendet werden, und sie sind Fachleuten zweifellos bekannt.
Der Magnetfelderzeuger 40 kann einen Permanentmagnet, einen Elektromagnet oder eine andere geeignete Einrichtung umfassen, die in der Lage ist, ein Magnetfeld sogar bei hohen Temperaturen zu erzeugen, wie beispielsweise bei solchen eines geschmolzenen Metalls. Ein geeigneter Permanentmagnet kann beispielsweise aus Alnico hergestellt werden. Alnicomagnete können Magnetfelder bei Temperaturen unterhalb ihres Curiepunkts erzeugen, der so hoch wie 900°C sein kann (Alnico 5). Elektromagnete sind geeignet, solange sie ein starkes Magnetfeld bei hohen Temperaturen erzeugen können. Zusätzlich kann der Magnetfelderzeuger 36 während des magnetischen Verfeinerungsprozesses isoliert oder gekühlt werden, so dass er während des gesamten Separierungsprozesses betreibbar bleibt.
Kraft auf ein magnetisches Material in einem Magnetfeldgradienten
Wie vorstehend in dieser Beschreibung diskutiert wurde, erfahren eisenhaltige Phasen in einer Nichteisenschmelze unter Anwesenheit eines Magnetfeldgradienten eine Kraft in der Richtung des angelegten Magnetfelds. Die eisenhaltigen Phasen erfahren diese magnetische Kraft aufgrund des inhärenten magnetischen Verhaltens von Eisen. Die Nichteisenphasen in der Schmelze erfahren ebenso eine Kraft in die Richtung des angelegten Magnetfelds. Die Kraft, die auf die eisenhaltigen Phasen ausgeübt wird, ist jedoch um mehrere Größenordnungen größer als die Kraft, die auf die Nichteisenphasen ausgeübt wird.
Materialien werden in Abhängigkeit von ihrem magnetischen Verhalten in einem äußeren Magnetfeld B als diamagnetisch, paramagnetisch oder ferromagnetisch klassifiziert. Eisen, Kobalt und Nickel werden bei Temperaturen unterhalb ihrer Curietemperaturen als ferromagnetisch klassifiziert. Die meisten Nichteisenmetalle, wie beispielsweise Aluminium und Magnesium, werden als paramagnetisch klassifiziert, wie dies Fe, Co und Ni bei Temperaturen oberhalb ihrer Curietemperaturen sind.
Magnetfelder, die durch Ströme erzeugt werden, werden im Allgemeinen als Magnetfelder B charakterisiert, die in Tesla gemessen werden. Wenn die erzeugten Felder jedoch durch magnetische Materialien hindurchtreten, die selbst innere Magnetfelder beitragen, können Zweideutigkeiten darüber entstehen, welcher Teil des Feldes von den äußeren Strömen und von dem Material selbst stammt. Daher wird ein anderes Magnetfeld H verwendet, und dessen Wert gibt den treibenden magnetischen Einfluss von äußeren Strömen in einem Material unabhängig von dem magnetischen Ansprechen des Materials an. Das Magnetfeld H wird in Ampere pro Meter (A/m) gemessen.
Jedes Atom eines paramagnetischen Materials weist ein permanentes magnetisches Moment auf. Wenn die Momente in einem paramagnetischen Material zufällig ausgerichtet sind, weist das Material kein magnetisches Nettomoment auf. Wenn das paramagnetische Material jedoch in einem äußeren Magnetfeld angeordnet wird, werden sich die atomaren magnetischen Momente teilweise ausrichten, und das Material wird ein magnetisches Nettomoment m in derselben Richtung wie das äußere Magnetfeld entwickeln. Das magnetische Moment m ist ein Vektor und weist sowohl eine Richtung als auch einen Betrag auf. Wenn das Feld ein Gradientenfeld ist (was auch als ein nicht einheitliches oder inhomogenes Feld bezeichnet wird), wird das paramagnetische Material aus einem Bereich mit geringerem Feld in Richtung eines Bereichs mit größerem Magnetfeld angezogen. Das magnetische Nettomoment eines paramagnetischen Materials nimmt mit einer Zunahme des Betrags des äußeren Magnetfelds zu.
Jedes Atom eines ferromagnetischen Materials weist ebenso ein permanentes magnetisches Moment auf. Anders als bei den paramagnetischen Materialien sind jedoch einige der magnetischen Momente der Atome in einem ferromagnetischen Material aufgrund eines Quanteneffekts ausgerichtet, der als Austauschkopplung bekannt ist, sogar in der Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds. Eine solche Ausrichtung erzeugt Bereiche in dem Material (Domänen) mit starken magnetischen Momenten. Ein äußeres Magnetfeld kann die magnetischen Momente jeder Domäne in einem ferromagnetischen Material weiter ausrichten, wodurch das magnetische Nettomoment des Materials erhöht wird. Eine magnetische Sättigung M_S tritt auf, wenn praktisch alle Domänen ausgerichtet sind, so dass weitere Erhöhungen des angelegten Magnetfelds die Domänen nicht weiter ausrichten. Wenn das äußere Feld nicht einheitlich ist, erfährt das ferromagnetische Material eine Kraft (proportional zu dem Magnetfeldgradienten), und es wird aus einem Bereich mit geringerem Feld in Richtung eines Bereichs mit größerem Magnetfeld angezogen.
Die Kraft, die aufgrund eines Magnetfelds H (ein Vektor, der sowohl einen Betrag als auch eine Richtung aufweist) auf ein paramagnetisches oder ferromagnetisches Material wirkt, kann unter Verwendung des Gilbert-Modells angenähert werden: F = (m·∇)H (1)
Wenn m und H beide in dieselbe Richtung zeigen, beispielsweise in die z-Richtung, dann ist die magnetische Kraft auf das Partikel: F = m(∂H_z/∂z) (2)
Folglich muss man zur Ermittlung der Kraft zuerst das magnetische Nettomoment m des paramagnetischen oder ferromagnetischen Materials in dem Magnetfeld H berechnen.
Das Gilbert-Modell wird verwendet, um die Kraft auf ein magnetisches Material aufgrund eines nicht einheitlichen Magnetfelds zu berechnen, anders als die Gleichung für die Lorenz-Kraft, welche die Kraft auf ein geladenes Partikel berechnet, das sich in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld bewegt. Wie durch die vorstehende Gleichung gezeigt wird, erfährt ein magnetisches Material, wie beispielsweise Eisen, eine Nettokraft aufgrund eines angelegten Magnetfeldgradienten sogar dann, wenn das magnetische Material keine positive oder negative elektrische Nettoladung trägt und sich nicht bewegt.
Wenn ein Material in einem Magnetfeld angeordnet wirst, werden einige der magnetischen Momente des Materials in der Richtung des angelegten Feldes ausgerichtet, und das Material wird magnetisiert. Diese Magnetisierung (M) eines Materials ist ein Vektor und kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden: M = m / V, (3) wobei m die gesamte Vektorsumme aller magnetischen Momente in einem gegebenen Volumen V (in m³) des Materials ist. Für paramagnetische Materialien ist M proportional zu H. Wenn das angelegte Magnetfeld zunimmt, nimmt die Magnetisierung des Materials ebenso zu. Dies liegt daran, dass ein stärkeres Magnetfeld eine größere Anzahl von magnetischen Momenten ausrichtet.
Die Magnetisierung eines diamagnetischen oder paramagnetischen Materials aufgrund des angelegten Magnetfelds kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden: M = χH, (4) wobei χ eine dimensionslose Proportionalitätskonstante ist, die als magnetische Suszeptibilität eines Materials bekannt ist und den Grad der Magnetisierung eines Materials in Ansprechen auf ein angelegtes Magnetfeld angibt.
Die magnetische Suszeptibilität eines paramagnetischen Materials ist umgekehrt proportional zur Temperatur, und sie verläuft linear. Die magnetische Suszeptibilität eines paramagnetischen Materials kann unter Verwendung der folgenden Formel abgeschätzt werden: χ = C/T, (5) wobei C die Curie-Konstante ist, die unabhängig von der Temperatur und für jedes Material verschieden ist. Folglich wird die Magnetisierung eines paramagnetischen Materials mit einer Erhöhung in der Temperatur linear abnehmen. Das Magnetfeld, das durch die ausgerichteten magnetischen Momente von paramagnetischen Materialien erzeugt wird, verstärkt das äußere Feld. Im Allgemeinen ist die magnetische Suszeptibilität eines paramagnetischen Materials relativ klein und positiv. Die magnetischen Suszeptibilitäten von Al und Mg betragen beispielsweise 2,2 × 10^–5 bzw. 1,2 × 10^–5 bei 20°C.
Die magnetische Suszeptibilität M eines ferromagnetischen Materials ist nicht immer proportional zu H und hängt davon ab, ob sich das Material oberhalb oder unterhalb seiner Curie-Temperatur Tc befindet. Oberhalb einer Curie-Temperatur eines ferromagnetischen Materials hört dieses auf, spontan magnetisiert zu werden. Stattdessen verhält sich das Material wie ein paramagnetisches Material und zeigt eine paramagnetische Suszeptibilität. Die Curie-Temperatur für Eisen beträgt ungefähr 770°C. Die paramagnetische Suszeptibilität eines ferromagnetischen Materials ist im Allgemeinen relativ groß und positiv. Die magnetische Suszeptibilität von Eisen bei 900°C (oberhalb von Tc von Eisen) beträgt beispielsweise 1,8 × 10^–3.
Bei ferromagnetischen Materialien hängt die Beziehung zwischen M und H unterhalb deren Curie-Temperatur von dem Zustand der Magnetisierung des Materials und auch von dessen Temperatur ab. Die Magnetisierung von Eisen im Volumen bei verschiedenen Temperaturen kann jedoch angenähert werden, wenn die Sättigungsmagnetisierung Ms von Eisen über einen Bereich von Temperaturen bekannt ist. Beispielsweise weist Eisen bei 20°C (unterhalb von Tc von Eisen) eine Magnetisierung von M = 1,7 × 10⁶ A/m auf.
Zum Vergleich weist Mg-Metall bei 20°C in einem vernünftig großen Feld von H = 1000 A/m eine Magnetisierung von M = χH = (1,2 × 10^–5) × 1000 A/m = 1,2 × 10^–2 A/m auf. Und sogar oberhalb der Curie-Temperatur von Eisen ist die magnetische Suszeptibilität von Eisen weiterhin viel größer als diejenige eines paramagnetischen Materials. Daher erfährt ein eisenhaltiges Material in einem gegebenen angelegten Feld H ein viel größeres induziertes magnetisches Moment als ein paramagnetisches Material in demselben Feld. Somit ist die Kraft F = m(∂H_z/∂z), die auf ein ferromagnetisches Material aufgrund eines nicht einheitlichen äußeren Magnetfelds wird, stets viel größer als die Kraft, die in demselben Feld auf ein paramagnetisches Material wirkt.
Kraft auf ein Objekt (oder Reibung an diesem), das sich durch eine Flüssigkeit bewegt
Zu derselben Zeit, zu der die eisenhaltigen Phasen an Kraft in der Richtung des angelegten Magnetfelds erfahren, erfahren sie ebenso eine Kraft entgegengesetzt zu ihrer Bewegung durch die flüssige Schmelze. Der Betrag dieser entgegengesetzten hydrodynamischen Kraft hängt von der Geschwindigkeit, mit der sich die eisenhaltigen Phasen durch die Schmelze bewegen, und von der Viskosität der Schmelze ab. Um die Eisenatome oder -partikel tatsächlich durch die Schmelze zu belegen, muss daher die Kraft aufgrund des angelegten Magnetfelds größer als die entgegengesetzte hydrodynamische Kraft sein.
Unter der Annahme, dass die eisenhaltigen Phasen Partikel sind und sich mit relativ kleinen Geschwindigkeiten ohne Turbulenz durch die Schmelze bewegen, kann die Kraft der Reibung unter Verwendung des Stokesschen Gesetzes berechnet werden: F_d = –6πηrv, (6)
Wobei η die Viskosität des Fluids ist, r der Stokessche Radius des Partikels ist und v die Geschwindigkeit des Partikels ist. Die dynamische Viskosität η von Al bei dessen Schmelzpunkt von 660°C (933 K) ist bekannt und beträgt 1,3 × 10^–3 Pa·s. Die dynamische Viskosität η von Mg bei dessen Schmelzpunkt von 924 K beträgt bekannterweise 1,25 × 10^–3 Pa·s.
Nettokraft eines ferromagnetischen Materials in einem Magnetfeldgradienten
Die Nettowirkung des Magnetfeldgradienten auf ein ferromagnetisches Partikel kann unter der Annahme geschätzt werden, dass die magnetische Kraft und die viskose Reibung die einzigen vorhandenen Kräfte sind, so dass die Bewegungsgleichung lautet:
wobei m die Masse des magnetischen Partikels ist; a, v und r die Beschleunigung, die Geschwindigkeit bzw. der Radius des Partikels sind; und η die dynamische Viskosität der Schmelze ist.
Unter der Annahme, dass v und die Position z der Verunreinigung zu der Zeit t = 0 beide Null sind, kann diese Gleichung umgeformt werden, so dass sich ergibt:
wobei v₀ die thermische Geschwindigkeit des Partikels in diesem Modell ist, die in einer Zeit von der Größenordnung 1/α erreicht wird.
Die vorstehenden Gleichungen können verwendet werden, um die Zeitspanne zu ermitteln, die erforderlich ist, um die Eisen- oder eisenhaltigen Phasen aus einer Schmelze eines Nichteisenmetalls effektiv zu separieren, wenn die Stärke des Magnetfeldgradienten bekannt ist. Wenn die Stärke des Magnetfeldgradienten bekannt ist, können diese Gleichungen zusätzlich verwendet werden, um die Größe der eisenhaltigen Partikel zu ermitteln, die in der Schmelze gebildet werden müssen, um eine Separierung zu erreichen.

Claims

Verfahren zum Separieren von Eisen aus eisenhaltigen Aluminium- oder Magnesiumlegierungsschmelzen, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Schmelze gebildet wird, die geschmolzenes Aluminium oder Magnesium und Eisen umfasst und in der das Eisen als diskrete flüssige oder feste eisenhaltige Phasen vorliegt, die in der Schmelze fein verteilt sind; ein Magnetfeldgradient für eine Zeitspanne an die Schmelze angelegt wird, um die eisenhaltigen Phasen von dem geschmolzenen Aluminium oder Magnesium zu separieren, indem die eisenhaltigen Phasen gezwungen werden, sich durch die Schmelze derart aus einem Bereich mit einem geringeren Magnetfeldgradienten in einen Bereich mit einem größeren Magnetfeldgradienten zu bewegen, dass sich ein eisenreicher Bereich und ein an Eisen verarmter Bereich in der Schmelze bilden; und anschließend der eisenreiche Bereich von dem an Eisen verarmten Bereich physikalisch separiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Magnetfeldgradient an die Schmelze angelegt wird, indem ein Permanentmagnet und/oder ein Elektromagnet in der Nähe der Schmelze angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die diskreten flüssigen oder festen eisenhaltigen Phasen feste Eisenpartikel oder eisenhaltige Partikel umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der eisenreiche Bereich in der Schmelze nicht aufgrund von Gravitationskräften bildet, die auf die eisenhaltigen Phasen wirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eisenhaltigen Phasen keine elektrische Nettoladung besitzen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: ein äußeres Magnetfeld an die Schmelze angelegt wird, das bezüglich der Stärke von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich allmählich derart zunimmt, dass sich die eisenhaltigen Phasen durch die Schmelze von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich der Schmelze bewegen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: der Magnetfeldgradient an die Schmelze angelegt wird und der Magnetfeldgradient in der Schmelze aufrechterhalten wird, während der an Eisen verarmte Bereich und der eisenreiche Bereich physikalisch separiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: eine isolierte Rohrleitung bis zu einer vorbestimmten Tiefe in die Schmelze eingefügt wird; und die Atmosphäre oberhalb der Schmelze derart unter Druck gesetzt wird, dass der an Eisen verarmte Bereich oder der eisenreiche Bereich aus der Schmelze abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: ein Weg zum Entfernen des an Eisen verarmten Bereichs oder des eisenreichen Bereichs aus der Schmelze geschaffen wird; und ermöglicht wird, dass der an Eisen verarmte Bereich oder der eisenreiche Bereich der Schmelze aufgrund der Gravitation die Schmelze über den Weg verlässt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Magnetfeldgradient in dem Bereich von ungefähr 1 bis 1000 Oe/cm liegt.