DE1147197B

DE1147197B - Vorrichtung zum Reinigen von bei der Schmelztemperatur den elektrischen Strom nicht- oder schlecht-leitenden Stoffen durch Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE1147197B
Application number: DEK43183A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dr Joseph Cremer; Dr Rer Nat Harri Kribbe; Dipl-Chem Dr Franz Rodis
Original assignee: Knapsack AG
Current assignee: Knapsack AG
Priority date: 1961-03-14
Filing date: 1961-03-14
Publication date: 1963-04-18
Also published as: FR1317646A; NL122355C; NL275885A; US3238024A; BE615104A; GB994475A

Description

Es ist bereits bekannt, Stoffe, die den elektrischen Strom sehr gut oder gut leiten, wie Legierungen und sogenannte Halbleiter, im Zonenschmelzverfahren dadurch zu reinigen, daß man sie in ein senkrecht stehendes Rohr füllt und eine induktiv erzeugte Schmelzzone entlang der Rohrachse bewegt. Dieses Verfahren läßt sich nach naturgemäßer Weise nicht bei Stoffen anwenden, die den elektrischen Strom bei der Schmelztemperatur nicht oder nur schlecht leiten.

Um solche Stoffe zonenzuschmelzen, wurde ein Ring aus leitendem Material, beispielsweise ein Graphitring, zwischen der Induktionsspule und dem umzuschmelzenden Stab angebracht und die Schmelzzone durch Strahlung erzeugt.

Die hierzu verwendeten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß sie nur mit relativ kleinen Substanzmengen zu arbeiten gestatten und eine Vergrößerung der Kapazität nur schwer zulassen. Eine Erhöhung des Durchsatzes ist nur dadurch möglich, daß man ao mehrere Einheiten nebeneinander laufen läßt, da sich ja die Wandergeschwindigkeit der Schmelzzone nicht willkürlich erhöhen läßt. Bei Vergrößerung der Kapazität durch Vergrößerung des Rohrquerschnittes ist es mit den bisher beschriebenen Vorrichtungen nicht möglich, eine scharf begrenzte Schmelzzone konstanter Breite über den ganzen Querschnitt zu erzeugen.

Diese Nachteile werden vermieden, wenn eine Vorrichtung zum Reinigen von bei der Schmelztemperatur den elektrischen Strom nicht oder schlecht leitenden Stoffen durch Zonenschmelzen, bestehend aus einem senkrechten, den zu reinigenden Stoff enthaltenden Rohr, das von einer nach oben und unten bewegbaren Induktionsspule umgeben ist, verwendet wird, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Rohr ein ferromagnetischer Körper vorgesehen und außerhalb des Rohres ein mit der Induktionsspule verschiebbares magnetisches oder elektromagnetisches Haltesystem angeordnet ist.

Dabei ist vorteilhaft der ferromagnetische Körper, der Natur des jeweils zu reinigenden Stoffes entsprechend, mit einem Überzug aus einem jeweils chemisch nicht angreifbaren Metall oder einem chemisch und thermisch beständigen Kunststoff oder einer keramischen Masse überzogen. Er kann weiter mit parallel zu seiner Bewegungsrichtung eingearbeiteten Bohrungen versehen und nach Form und Ausbildung der jeweils gewünschten Form der Schmelzzone angepaßt sein. Zur Behandlung besonders wärmeempfindlicher Stoffe ist der Körper aus einem ferromagnetischen Werkstoff mit niedrigem Curie-Punkt angefertigt, beispielsweise aus einer Heusler-Vorrichtung zum Reinigen
von bei der Schmelztemperatur
den elektrischen Strom nicht- oder schlechtleitenden Stoffen durch Zonenschmelzen

Anmelder:

Knapsack-Griesheim Aktiengesellschaft,
Knapsack bei Köln

Dipl.-Chem. Dr. Joseph Cremer, Hermülheim,

Dr. rer. nat. Harri Kribbe
und Dipl.-Chem. Dr. Franz Rodis,

Knapsack bei Kohl,
sind als Erfinder genannt worden

Ein weiterer Miterfinder hat beantragt,
nicht genannt zu werden

sehen Legierung oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit etwa 25 bis 35% Nickel.

Durch Anordnung von Dämpferringen, deren Ebenen senkrecht zur Richtung des hindurchtretenden elektromagnetischen Kraftflusses stehen, läßt sich die Temperaturverteilung innerhalb des ferromagnetischen Körpers ändern.

Zum Halten des ferromagnetischen Körpers in einer in bezug auf das elektromagnetische Erregersystem definierten Höhenlage kann zusätzlich ein permanentes oder ein mit Gleichstrom erregtes Magnetfeld vorgesehen werden.

Die auswechselbaren elektromagnetischen Erregersysteme sind für Frequenzen von 50 Hz bis 50 MHz ausgelegt.

Das zur Aufnahme des zu reinigenden Stoffes bestimmte Rohr ist aus einem elektrisch und magnetisch nichtleitenden Werkstoff hergestellt und an beiden Enden verschließbar.

Es ist am oberen Ende mit einer die Durchleitung eines Inertgases unter Ausschluß der Außenluft ermöglichenden Kappe versehen.

Für besondere Fälle kann es zweckmäßig sein, das Rohr mit einem Mantel zu umgeben, so daß durch

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den Zwischenraum zwischen Mantel und Rohr ein Medium zu Kühl- oder auch Heizzwecken hindurchgeleitet werden kann.

Für eine kontinuierliche Betriebsweise kann in geeigneten Fällen die Anordnung so getroffen werden, daß unmittelbar an das Ende des seinen Durchlauf durch Erreger- und Haltesysteme abschließenden Rohres der Anfang eines neuen Rohres angefügt wird.

Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch die ganze Vorrichtung, wobei Teile, die im vorliegenden Zusammenhang vergleichsweise unwichtig sind,

durch den Luftspalt zwischen den Polschuhen 15 und 16 geführt. In dieser Substanz ist der ferromagnetische Körper 17 so eingebettet, daß er sich bei Beginn des Reinigungsverfahrens zwischen den beiden Polschuhen 15 und 16 befindet. Nach Einschalten des Erregerstromes erhitzt er sich durch die in ihm bei seiner fortgesetzten Ummagnetisierung entstehenden Hysterese- und Wirbelstromverluste und bringt dabei die in seiner unmittelbaren Nachbarschaft befindlichen Anteile der zu reinigenden Substanz zum Schmelzen. Durch den Längszug der magnetischen Kraftlinien wird er dabei in gleichbleibender Lage in bezug auf das Erregersystem gehalten. Dies gilt auch für den Fall des Vorliegens einer Relativbewegung

weggelassen oder nur angedeutet sind;

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Längs- 15 zwischen Rohr 2 und dem Erregersystem, wobei dann schnitt durch den Teil der Vorrichtung, der den ferro- die Schmelzzone langsam durch das Rohr hindurchmagnetischen Körper nebst dem elektromagnetischen wandert. Es ist dabei grundsätzlich gleichgültig, ob Erregersystem enthält; das Rohr 2 feststeht und das Erregersystem bewegt

Fig. 3 ist ein hierzu senkrechter Schnitt, und wird oder ob bei stillstehendem Erregersystem das

Fig. 4 gibt eine Draufsicht auf eine Ausführungs- so Rohr bewegt wird,

form eines ferromagnetischen Körpers wieder. Wenn im kontinuierlichen Betrieb gearbeitet wer-

Gemäß Fig. 1 bis 3 ist die zu reinigende Substanz 1 den soll, so kann es zweckmäßig sein, das Rohr zur in das aus nichtleitendem Material, wie Glas, Quarz, Aufnahme des zu reinigenden Stoffes zum Anein-Keramik, Kunststoff, bestehende Rohr 2 eingefüllt. anderreihen weiterer Rohrlängen, die dann bereits Der Querschnitt des Rohres kann je nach der Menge 35 gefüllt sein können, einzurichten.
des zu reinigenden Stoffes einige Millimeter bis In den ferromagnetischen Körper 17 sind nach mehrere Dezimeter betragen. Dieses Rohr 2 ist am Fig. 2 bis 4 Bohrungen 18 parallel zu seiner Beunteren Ende mit einer verschließbaren öffnung 3 wegungsrichtung eingearbeitet, die das Durchtreten versehen, während auf dem oberen Ende eine Kappe 4 der Schmelze zum Beispiel von der Unterseite des luftdicht aufgesetzt ist, die zur Durchleitung eines 30 Körpers 17 nach der Oberseite, oder auch umgekehrt,

durch Rohrstutzen 5 eingeführten und durch Rohrstutzen 6 abgeführten Stromes eines Inertgases dient. Das Rohr 2 ist in dem gezeigten Beispiel an dem über die Rollen 7 und 8 geführten und auf die Seiltrommel 10 aufgewickelten Seil 9 aufgehängt. Die Seiltrommel 10 sei etwa durch einen (nicht dargestellten) auf der feststehenden Tischplatte 11 angeordneten Elektromotor mit stufenlos regelbarem Getriebe mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit in der

ermöglichen sollen.

Das Rohr 2 kann von einem Heiz- oder Kühlmantel umgeben sein, so daß eine zusätzliche Beheizung oder Kühlung des Rohrinhaltes möglich ist.

Zieht man, nachdem der ferromagnetische Körper induktiv erhitzt wurde und sich um ihn herum in dem zu reinigenden Stoff eine scharf begrenzte Schmelzzone ausgebildet hat, das Rohr durch die Magnetspule hindurch, so wandert der Körper und damit die

einen oder anderen Richtung angetrieben. Dies hat 40 Schmelzzone durch das Material hindurch, da ja der dann auch das Heben bzw. Senken des Rohres 2 zur Körper durch das Magnetfeld immer innerhalb der Folge. Spule festgehalten wird. Bei größeren und ent-Ebenfalls auf der Tischplatte 11 ist das elektro- sprechend schweren Rohren wird man zweckmäßigermagnetische Erregersystem angebracht, das im weise das Magnetsystem mit einer geeigneten Vorwesentlichen aus dem Eisenkern 12 und den Erreger- 45 richtung auf und ab bewegen. Man kann natürlich wicklungen 13 und 14 besteht. Bei richtiger Polung mehrere Magnetspulen mit zugehörigen Magnetder mit dem gleichen Einphasen-Wechselstrom ge- körpern an demselben Rohr anbringen, um eine Verspeisten Erregerwicklungen 13 und 14 entstehen zwei vielfachung der Reinigungswirkung zu erzielen. Die elektromagnetische Teilflüsse Φ₁ und Φ₂, die in jedem Verunreinigungen, die sich in den meisten Fällen in Zeitelement einander entgegengesetzt sind und als 50 der Schmelze ansammeln, kann man beim Durchgang

resultierender Gesamtfluß abwechselnd beispielsweise von Polschuh 15 durch den Luftraum nach Polschuh 16, bzw. umgekehrt, verlaufen.

Ein permanentmagnetisches Haltesystem zur Unterstützung der Wirkung des elektromagnetischen Wechselstrom-Erregersystems in bezug auf das Halten des ferromagnetischen Körpers ergibt sich, wenn in Aussparungen, die in die Polbohrung von 15 und 16 eingearbeitet sind, Dauermagnete 19 und 20, vorzugs-

von oben nach unten einfach unten am Rohr ablaufen lassen. Bei umgekehrtem Durchgang muß die Schmelze am oberen Ende des Rohres durch eine entsprechende Vorrichtung abgesaugt werden.

Sollte die zum Heizen des Körpers erforderliche Stromstärke so klein werden, daß sie nicht mehr ausreicht, den Körper im Magnetfeld schwebend zu halten, kann dies durch ein zusätzliches Magnetfeld, das durch Gleichstromwicklungen oder Permanent-

weise solche keramischer Natur, etwa aus Barium- 60 magnete erzeugt wird, bewirkt werden.

ferrit bestehend, fest eingesetzt werden. Man hat es in der Hand, durch entsprechende

Ein elektromagnetisches Haltesystem kann dagegen Formgebung des ferromagnetischen Körpers die Ausaus Gleichstromwicklungen bestehen, die zusätzlich bildung der Schmelzzone zu beeinflussen. Beispielszu den Wechselstrom-Erregerwicklungen 13 und 14 weise kann man den Außenrand durch Anbringung neben, über oder unter denselben auf dem Eisenkern 65 von Dämpferringen aus gut leitendem Metall, etwa 12 angebracht werden. aus Kupfer, besonders stark erwärmen, wenn sich

Das mit der zu reinigenden Substanz gefüllte herausstellen sollte, daß die Abstrahlung nach außen

Rohr 2 ist senkrecht zur Ebene des Eisenkerns 12 zu stark sein sollte.

Claims

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Ein weiterer Vorteil ist, daß in der beschriebenen aber eine Zeitersparnis, da dann weniger Durchgänge

Vorrichtung besonders gut auch schwierig zu hand- notwendig sind,

habende luft- oder feuchtigkeitsempfindliche orga- Beispiel 1
nische oder anorganische Stoffe, wie beispielsweise

gelber Phosphor, behandelt werden können. Das 5 a) In einem Glasrohr von 40 mm Durchmesser und

Rohr kann nach dem Einbringen der Substanz und 800 mm Länge wurde gelber Phosphor unter Stick-

der Magnetkörper unter Schutzgas, z. B. Wasserstoff, stoff als Schutzgas behandelt, wobei ein galvanisch

Stickstoff, Argon, entweder ganz verschlossen werden. versilberter Weicheisenkörper von 10 mm Dicke, der

oder der Oberteil des Rohres kann mit einem Schutz- neunzehn Bohrungen von 5 mm Durchmesser enthielt,

gas durchspült werden. io verwendet wurde. Der Elektromagnet wurde mit

Das Material des ferromagnetischen Körpers kann 50 Hz Wechselstrom erregt. Bei einmaligem Durch-

der zu behandelnden Substanz angepaßt werden. So gang der Schmelzzone verringerte sich die Summe der

können verwendet werden: Eisen und seine ferro- anorganischen Verunreinigungen, die größtenteils aus

magnetischen Legierungen, Nickel, Kobalt und deren Arsen und Schwermetallphosphiden bestanden, von

Legierungen sowie Ferrite (homogene Verbindungen 15 0,26 °/o im Ausgangsprodukt auf 0,01 .%> und die

von Eisenoxyd mit einem oder mehreren Oxyden Summe der organischen Verunreinigungen, die sich

anderer Metalle, z. B. Mangan, Nickel, Zink). Sollen hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen zusammen-

besonders agressive Stoffe behandelt werden, so kann setzten, von 0,54 auf 0,1°/»·

man die ferromagnetischen Körper mit einem Über- b) In einem zweiten Durchgang verringerte sich die zug aus einem geeigneten Metall, aus einem thermisch 20 Summe der anorganischen Verunreinigungen auf und chemisch resistenten Kunststoff, bei höheren weniger als 0,001 °/o und die Summe der organischen Temperaturen auch aus einem keramischen Material Verunreinigungen auf 0,02 °/o. Die Wanderungsversehen. Von Metallen können je nach Lage des geschwindigkeit der Schmelzzone betrug hier — wie einzelnen Falles beispielsweise Gold, Silber, Platin auch beim vorhergehenden Beispiel — 20 mm/Std. u. a. verwendet werden, von Kunststoffen z. B. Poly- 25

vinylchlorid, Phenolharz, Polyäthylen, Polytetrafluor- Beispiel _
äthylen u. a., von keramischen Stoffen beispielsweise In einem Rohr mit Kühlmantel von ebenfalls Glas, Email, Sinterkorund u. dgl. In jedem Fall richtet 40 mm Durchmesser wurde bei einer Füllhöhe von sich die spezielle Auswahl ganz nach der jeweils er- 500 mm Reinbenzol behandelt unter Verwendung forderlichen chemischen und thermischen Wider- 30 eines Körpers aus Weicheisen und 50 Hz Wechselstandsfähigkeit, strom. Als Kühlmittel diente eine Eis-Wasser-

Man kann ferner die Eigenschaft der ferromagne- Mischung. Dabei wurde die Schmelzzone von unten

tischen Stoffe, oberhalb des Curie-Punktes ihre ferro- nach oben bewegt. Nach jedem Durchgang wurde

magnetischen Eigenschaften zu verlieren, ausnützen, oben eine Schicht von etwa 40 mm Höhe abgesaugt

um gegen Überhitzung empfindliche Stoffe zu 35 und verworfen. In dem jeweils übrigbleibenden Teil

schützen. Durch Wahl eines Körpers aus einem wurde der Fortgang der Reinigung durch Ermittlung

Material entsprechend der Curie-Temperatur, bei- des Schmelzpunktes bestimmt. Der Schmelzpunkt der

spielsweise der Heuslerschen Legierungen aus Kupfer, Ausgangsprobe sowie seine Erhöhung nach jedem

Mangan und Aluminium oder von Nickel-Eisen- Durchgang ist in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Legierungen mit etwa 25 bis 35 % Nickel, wird der ₄o Ausgangsprobe 5,06° C

Korper bei Überschreitung dieser Temperatur von ^ Durchsang 5 19° C

dem Magnetfeld nicht mehr bewegt und kühlt ab.
2 Durcheane 5 31° C

Der Querschnitt des Rohres kann je nach der 3' £)_U1-_Cha_ang 542° C

durchzusetzenden Menge frei gewählt werden. Er ₄' D_urcng_ang 5 50° C

kann bis zu einigen Quadratdezimetern betragen. 45 5 Durchgang 550° C

Außer den ferromagnetischen Körpern, die in den

meisten Fällen aus Eisen sein können, sind nur eine Der Schmelzpunkt für reinstes Benzol liegt laut

Vorschubvorrichtung, die Magnetspule mit dem Literaturangaben zwischen 5,49 und 5,52° C. Für die

Eisenkern und das Rohr, das den Stoff aufnimmt. Reinigung genügen also vier Durchgänge.
erforderlich. 50

An das Rohr werden keine besonderen Anforde- Patentansprücherungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit gestellt,

da es — im Gegensatz zu den bekannten Vorrich- 1. Vorrichtung zum Reinigen von bei der tungen — immer kalter als die Schmelze bleibt. Die Schmelztemperatur den elektrischen Strom nicht Verwendung eines Rohres hat den großen Vorteil, 55 oder schlechtleitenden Stoffen durch Zonendaß unter Ausschluß von Sauerstoff und Feuchtigkeit schmelzen, bestehend aus einem senkrechten, den gearbeitet werden kann, was bei vielen Produkten er- zu reinigenden Stoff enthaltenden Rohr, das von forderlich ist. Weiterhin ist es leicht möglich, Stoffe einer nach oben und unten bewegbaren Indukmit Schmelzpunkten unterhalb Normaltemperatur zu tionsspule umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, behandeln, indem man das Rohr doppelwandig macht 60 daß in dem Rohr (2) ein ferromagnetischer und eine Kühlflüssigkeit hindurchleitet. Bei solchen Körper (17) vorgesehen und außerhalb des Rohres Stoffen mußte bisher die ganze Apparatur in einem ein mit der Induktionsspule (13,14) verschiebgroßen Thermostaten untergebracht werden. bares magnetisches oder elektromagnetisches

Darüber hinaus werden bei der vorliegenden Vor- Haltesystem (19, 20) angeordnet ist.
richtung die Kanäle des Magnetkörpers von der 65 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch geflüssigen Phase durchströmt, wodurch eine bessere kennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper Durchmischung und somit eine gute Trennwirkung mit einem Überzug aus einem jeweils chemisch erreicht wird. Eine bessere Trennwirkung bedeutet nicht angreifbaren Metall, beispielsweise Silber,

Gold oder Platin, oder einem chemisch und thermisch hinreichend beständigen Kunststoff, wie Polyvinylchlorid, Phenolharz oder Polytetrafluoräthylen, oder einer keramischen Masse, wie Email, Glas oder Sinterkorund, überzogen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper mit parallel zu seiner Bewegungsrichtung eingearbeiteten Bohrungen (18) versehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper aus einem ferromagnetischen Werkstoff mit

niedrigem Curie-Punkt, beispielsweise einer Heuslerschen Legierung oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit etwa 25 bis 35% Nickel, angefertigt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des ferromagnetischen Körpers aus einem den elektrischen Strom gut leitenden Metall besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1014 332;
französische Patentschrift Nr. 1132 101.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen