DE3843368A1

DE3843368A1 - Verfahren zur elektromagnetischen bearbeitung von stoffen

Info

Publication number: DE3843368A1
Application number: DE3843368A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Aleksandrov Abrosimov; Viktor Fedorovic Luzev; Vladimir Nikolaevic Ljapunov; Jurij Nikolaevic Kuznecov; Vladimir Borisovic Manerov; Leon Martynovic Skuins
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1990-07-05
Also published as: US4995730A; FR2641200A1; GB8900231D0; GB2226773A; FR2641200B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die elektromagnetische Bearbeitung von Stoffen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen.

Die Erfindung kann zum Dispergieren, Emulgieren bzw. Umrühren von Suspensionen vorwiegend in der chemischen Industrie angewendet werden.

Es ist ein Verfahren zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen (US, A, 32 19 318) bekannt, das in der Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes besteht, unter dessen Einwirkung magnetische Elemente in eine chaotische Bewegung gesetzt werden und einen der Arbeitszone zugeführten Stoff - eine Suspension, eine Emulsion - bearbeiten, z. B. dispergieren oder umrühren.

Dieses Verfahren wird zur Bearbeitung von Stoffen in kleinen Gefäßen, beispielsweise in Reagenz- bzw. Bechergläsern angewendet.

Die zur Durchführung dieses Verfahrens verwendeten Einrichtungen enthalten eine elektrische Wicklung, mit deren Hilfe in der Arbeitszone ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, eine Arbeitskammer aus einem unmagnetischen Werkstoff mit darin untergebrachten magnetischen Elementen. Die Anzahl der in der Arbeitskammer untergebrachten magnetischen Elemente wird so gewählt, daß sie sich bei ihrer Bewegung in ausreichend großen Abständen voneinander befinden und keinen häufigen gegenseitigen Zusammenstößen sowie keinem durch diese Zusammenstöße bedingten Verschleiß unterliegen.

Diese Anzahl der magnetischen Elemente ist kleiner als jene, die für eine Verteilung der Elemente in einer Monoschicht auf der gesamten Kammerbodenfläche notwendig ist.

Der Nachteil des Verfahrens ist ein niedriger Wirkungsgrad infolge einer unvollständigen Ausnutzung der Magnetfeldenergie im Arbeitsvolumen aufgrund der erwähnten geringen Anzahl der magnetischen Elemente sowie eine Abnahme der spezifischen Arbeitsleistung und der Bearbeitungseffektivität bei einer Vergrößerung der Abmessungen und des Volumens der Arbeitskammer und eine schroffe Erhöhung des Energieaufwandes, was es nicht erlaubt, effektive Einrichtungen mit hoher Arbeitsleistung zu schaffen.

Es ist ein Verfahren zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen (US, A, 39 87 967) bekannt, das darin besteht, daß auf einen in der Arbeitszone befindlichen Stoff magnetische Elemente einwirken, welche sich unter Einfluß eines magnetischen Wechselfeldes chaotisch bewegen und in der Arbeitszone als eine Schicht untergebracht sind, deren Höhe durch geometrische Abmessungen der magnetischen Elemente, deren magnetische Kennwerte, Dichte sowie durch die Stärke und die Frequenz des Magnetfeldes bedingt ist.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in einer niedrigen Bearbeitungsgüte von Stoffen im kontinuierlichen Betrieb, einem hohen Energieaufwand und einer geringen Intensität. Dies ist dadurch bedingt, daß bei der Bearbeitung, z. B. einer Suspension, im kontinuierlichen Betrieb ein erheblicher Teil derselben durch die Schicht bzw. über die Schicht der magnetischen Elemente hindurchfällt, ohne den erforderlichen Bearbeitungsgrad erhalten zu haben. Die Wahrscheinlichkeit für ein Hindurchfallen der nicht bearbeiteten Suspension verringert sich mit einer Vergrößerung der Höhe der Schicht der in der Arbeitszone untergebrachten magnetischen Elemente. Allerdings ist die Höhe der Schicht der magnetischen Elemente im bekannten Verfahren gering und kann 20 bis 30 cm infolge eines dabei entstehenden hohen Widerstandsmomentes für die Bewegung der magnetischen Elemente, das durch die Schwerkraftwirkung bedingt wird, praktisch nicht überschreiten, d. h., bei der Aufgabe der magnetischen Elemente in die Arbeitszone bis zum Ausbilden einer Schicht dieser Elemente mit einer Höhe von über 20 bis 30 cm bleiben die in der Schicht unten liegenden magnetischen Elemente unbeweglich und verrichten also keine Nutzarbeit.

Darüber hinaus kann bei diesem Verfahren, die optimal mögliche Höhe der Schicht der magnetischen Elemente beim Betrieb nicht kontrolliert und aufrechterhalten werden, weil während der Bearbeitung von Stoffen, insbesondere von Schleifsuspensionen und -pasten, ein Verschleiß der magnetischen Elemente stattfindet und die Verschleißprodukte mit den bearbeiteten Stoffen fortgetragen werden, wodurch sich die Masse und die Höhe der Schicht der magnetischen Elemente in der Arbeitszone verringern und folglich die Bearbeitungseffektivität und -güte verschlechtert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen zu entwickeln, durch das die erforderlichen Bearbeitungsverhältnisse je nach der maximalen Wirkleistung, die von der Schicht sich chaotisch bewegender magnetischer Elemente bei einem kontinuierlichen Betrieb verbraucht wird, verwirklicht und aufrechterhalten werden können.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß in einem Verfahren zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen, das darin besteht, daß ein Strom des zu bearbeitenden Stoffes einer Arbeitszone kontinuierlich zugeführt wird, in der eine Schicht magnetischer Elemente untergebracht und ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, unter dessen Einwirkung durch die Schicht der sich chaotisch bewegenden magnetischen Elemente der zugeführte Stoff bearbeitet wird, erfindungsgemäß der Durchsatz des zuzuführenden Stoffes 0,8 bis 2,5 des Durchsatzes beträgt, der der maximalen von der Schicht der sich chaotisch bewegenden magnetischen Elemente verbrauchten Wirkleistung entspricht, wobei der Stoff von unten unter die Schicht der magnetischen Elemente zugeführt wird.

Zweckmäßigerweise wird ferner im vorliegenden Verfahren die Höhe der Schicht der magnetischen Elemente nach der Feldstärkendifferenz des magnetischen Wechselfeldes im oberen und unteren Teil der Arbeitszone aufrechterhalten, in der sich die magnetischen Elemente bewegen.

Im folgenden wird die Erfindung durch konkrete Durchführungsbeispiele derselben unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, in der ein Diagramm der experimentell gefundenen Abhängigkeit des Dispersitätsgrades der bearbeiteten Suspension von deren Durchsatz in relativen Einheiten dargestellt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen besteht darin, daß mit Hilfe einer elektrischen Wicklung ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, ein Gehäuse mit einer darin untergebrachten Schicht magnetischer Elemente in dieses Magnetfeld eingebracht und unter die Schicht der magnetischen Elemente ein Strom eines zu bearbeitenden Stoffes - einer Flüssigkeit, Suspension bzw. Emulsion - zugeführt wird. Mit Hilfe eines Wattmeters wird die Leistung gemessen, die von der Schicht der sich chaotisch bewegenden magnetischen Elemente verbraucht wird, und danach der Durchsatz des zuzuführenden Stoffes in Grenzwerten von 0,8 bis 2,5 des Durchsatzes, der der maximalen Wirkleistung entspricht, eingestellt. Dabei wird die Nennhöhe der Schicht der magnetischen Elemente in der Arbeitszone des Gehäuses nach der Feldstärkendifferenz des magnetischen Wechselfeldes im oberen und unteren Teil der Arbeitszone aufrechterhalten.

In der Zeichnung veranschaulicht die Kurve 1 die experimentell gefundene Abhängigkeit des Dispersitätsgrades der bearbeiteten Suspension von deren Durchsatz in relativen Einheiten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, die Kurve 2 aber dieselbe Abhängigkeit gemäß einem bekannten Verfahren.

Nachstehend sind konkrete Durchführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt.

Beispiel 1. Durchgeführte Bearbeitung: Dispergierung einer Lackfarbensuspension mit folgender Zusammensetzung in Masse%:

Eisenmennige
13,3
Talk	8,5
Zinktetrahydroxychromat	8,5
Zinkweiß	7,6
Bentonit	0,5
Phenol-Öl-Lack	49,6
White Spirit	6
Xylol	6

Die Bearbeitung wurde in einem Gehäuse aus einem unmagnetischen Werkstoff mit einem Innendurchmesser von 15 cm und einer Länge von 80 cm durchgeführt.

Als magnetische Elemente benutzte man Körner aus Bariumhexaferrit mit einer magnetischen Induktion von 1600 Gauß, einer magnetischen Feldstärke von 2000 Oersted, einer mittleren Größe von 0,2 cm und einer Dichte von 4,8 g/cm³.

Die Amplitude der magnetischen Feldstärke mit 50 Hz-Frequenz war für die benutzten magnetischen Elemente die maximal mögliche und betrug 1600 Oersted.

Die magnetischen Elemente in einer Menge von 18 kg wurden in das Gehäuse aufgegeben. Das Gehäuse wurde in einem als elektrische Wicklung dienenden Induktionsapparat, der aus 6 aus Kupferdraht gefertigten Spulen mit einer Dicke von 15 cm besteht, untergebracht. Dem Induktionsapparat wurde ein elektrischer Strom mit einer Spannung von 380 V und einer Frequenz von 50 Hz zugeführt.

Die Suspension wurde bearbeitet, indem sie unter die Schicht der magnetischen Elemente bei vertikal stehendem Gehäuse kontinuierlich zugeführt wurde. Dabei betrug die Höhe der Schicht der im Gehäuse befindlichen magnetischen Elemente 76 cm.

Durch Änderung der Förderleistung der suspensionszuführenden Pumpe und Verfolgung der Anzeigen eines in den Stromkreis der elektrischen Wicklung geschalteten Wattmeters wurde der maximal mögliche Wert der dem Netz entnommenen, die elektrische Wicklung speisenden Wirkleistung erzielt.

Der maximale Leistungswert betrug 4600 Watt, der diesem Wert entsprechende Suspensionsdurchsatz - 160 kg/h. Der Dispersitätsgrad der auf diese Weise bearbeiteten Suspension betrug 20 µm bei einem Anfangsdispersitätsgrad von 150 µm. Der Energieaufwand betrug 28,75 kW · h je 1000 kg. Bei Suspensionsdurchsätzen von 128 kg/h und 400 kg/h, die jeweils 0,8 und 2,5 des der maximalen Wirkleistung entsprechenden Durchsatzes gleich waren, betrug der Suspensionsdispersitätsgrad 30 µm und 50 µm, der Energieaufwand aber 21,3 kW · h und 8,2 kW · h je 1000 kg.

Zum Vergleich wurde mit Hilfe derselben magnetischen Elemente eine Suspension in einem bekannten Verfahren bearbeitet indem sie durch die Schicht der magnetischen Elemente hindurch beim waagerecht liegenden Gehäuse zugeführt wurde, wobei die für dieses Verfahren maximale Höhe der Schicht der magnetischen Elemente 13,5 cm betrug.

Die Menge der in das Gehäuse aufgegebenen magnetischen Elemente betrug, wie im ersten Fall, 18 kg. Eine ähnliche Suspensionsgüte (20 µm Dispersitätsgrad) wurde bei einem Suspensionsdurchsatz durch die Kammer hindurch von 70 kg/h und einem Energieaufwand von 52 kW · h je 1000 kg erzielt, Dispersitätsgrade von 30 µm und 50 µm wurden bei jeweiligen Durchsätzen von 120 kg/h und 380 kg/h sowie bei jeweiligen Energieaufwandsgrößen von 30 kW · h und 11,9 kW · h je 1000 kg erzielt.

Aus dem angeführten Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und der das Verfahren veranschaulichenden Zeichnung ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei der Zuführung des Stoffstroms unter die Schicht der magnetischen Elemente es gestattet, eine intensivere und effektivere Bearbeitung von Suspensionen mit einem geringeren Energieaufwand durchzuführen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bleiben bei einem Durchsatz des zu bearbeitenden Stoffes in Grenzwerten von 0,8 bis 2,5 des Durchsatzes bestehen, der der maximalen von der Schicht der magnetischen Elemente verbrauchten Wirkleistung entspricht.

Bei einem Stoffdurchsatz, der kleiner als 0,8 des der maximalen Wirkleistung entsprechenden Durchsatzes ist, reicht der Stau des Stoffstromes zum Ausgleich der Schwerkraftwirkung nicht aus, die magnetischen Elemente im unteren Schichtteil bewegen sich nicht, was die Bearbeitungsgüte verschlechtert und den Energieaufwand erhöht.

Bei einem Stoffdurchsatz, der größer als 2,5 des der maximalen Wirkleistung entsprechenden Durchsatzes ist, nimmt der Abstand einzelner magnetischer Elemente voneinander zu, infolge eines hohen Staus des Stoffstroms aber wird die verbrauchte Wirkleistung geringer, es kommt zum Hindurchfallen des nicht bearbeiteten Stoffes, und die Bearbeitungsqualität wird schlechter.

Beispiel 2. Durchgeführte Bearbeitung: Dispergierung einer Lackfarbensuspension mit folgender Zusammensetzung in Masse%:

Technischer Kohlenstoff
15,5
Glyptallack	34
Karbamidharz	18,5
Xylol	32

Die Bearbeitung wurde in einem Gehäuse aus einem unmagnetischen Chromnickelstahl durchgeführt. Die Innengröße des Gehäuses betrug 220 mm, die Höhe 1400 mm. Als magnetische Elemente wurden Kugelmagneten aus Bariumhexaferrit mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 2,5 mm verwendet. Zunächst wurden die magnetischen Elemente in das Gehäuse in einer Menge von 120 kg aufgegeben. Das Gehäuse wurde in der Arbeitszone, u. z. in einem vertikal stehenden Induktionsapparat, der aus 12 einzelnen Sektionen bestand untergebracht. Die Gesamthöhe des Induktionsapparates betrug 1200 mm, die Höhe der Schicht der magnetischen Elemente 1160 mm. Dem Induktionsapparat wurde ein elektrischer Strom mit einer Spannung von 380 V, einer Frequenz von 50 Hz zugeführt, es wurde ein magnetisches Wechselfeld mit einer Intensität von 1600 Oersted erzeugt.

Die Bearbeitung der Suspension geschah durch deren kontinuierliche Zuführung unter die Schicht der magnetischen Elemente mit Hilfe einer Pumpe. Die Geschwindigkeit des Stromes der zu bearbeitenden Suspension änderte man durch Regelung der Förderleistung der suspensionszuführenden Pumpe, und indem man die Anzeigen eines in den Stromkreis der elektrischen Wicklung geschalteten Wattmeters verfolgte, wurde der maximale Betrag der dem Netz entnommenen, die elektrische Wicklung speisenden Wirkleistung erzielt und aufrechterhalten.

Der maximale Wirkleistungswert betrug 15 bis 17 kW. Man maß ferner die Feldstärkendifferenz des magnetischen Wechselfeldes im oberen und unteren Teil der Arbeitszone, in der sich die magnetischen Elemente bewegen, mit Hilfe eines Voltmeters durch Vergleichen der Spannungsabfälle an den Sektionen der elektrischen Wicklung, die den oberen Arbeitszonenteil umgeben, und an den Sektionen, die den unteren Arbeitszonenteil umgeben.

Die Differenz der Spannungsabfälle muß mindestens zwischen zwei Sektionen der elektrischen Wicklung gemessen werden, von denen die eine den oberen und die andere den unteren Arbeitszonenteil umgibt. Die Sektionen sind in Reihe geschaltet und besitzen beispielsweise die gleiche Windungszahl und somit die gleiche Induktivität. Parallel einer jeden Sektion ist ein Voltmeter geschaltet, das den Spannungsabfall an der jeweiligen Sektion anzeigt. Wenn die Arbeitszone bis zum oberen Rand der oberen Sektion mit magnetischen Elementen gefüllt ist, werden die Anzeigen der beiden Voltmeter die gleichen sein, weil die induktiven Widerstände der beiden Sektionen einander gleich sind. Also ist die Differenz der Spannungsabfälle zwischen ihnen nahe Null.

Bei geringeren Höhen der aufgegebenen Schicht der magnetischen Elemente in der Arbeitszone nimmt infolge eines Verschleißes derselben während des Betriebes der das Verfahren realisierenden Einrichtung der induktive Widerstand der oberen Sektion ab, weil magnetische Elemente mit einer größeren magnetischen Permeabilität als l die Funktion eines ferromagnetischen Kernes erfüllen. Also vermindert sich der Spannungsabfall an der oberen Sektion, und er vergrößert sich an der unteren Sektion, weil der Gesamtstrom im Serienstromkreis größer wird. Zwischen den Anzeigen des unteren und des oberen Voltmeters tritt eine Differenz auf, die mit der Verringerung der Höhe der Schicht der aufgegebenen magnetischen Elemente infolge eines Verschleißes derselben während des Betriebes der das erfindungsgemäße Verfahren realisierenden Einrichtung zunehmen wird. Ausgehend von dieser Differenz der Voltmeteranzeigen werden in die Arbeitskammer magnetische Elemente zusätzlich aufgegeben, so daß sich die Voltmeteranzeigen ausgleichen, d. h., den ursprünglichen Wert erreichen, wenn der Füllstand der in die Arbeitskammer aufgegebenen magnetischen Elemente optimal ist. Die zusätzliche Aufgabe der magnetischen Elemente kann automatisch oder von Hand erfolgen.

Die Bearbeitung des Stoffes erfolgte durch dessen kontinuierliches Durchpumpen durch die Schicht der magnetischen Elemente von unten nach oben.

Die Nenngeschwindigkeit des Stromes des zu bearbeitenden Stoffes wurde nach den Anzeigen des in den Stromkreis der elektrischen Wicklung geschalteten Wattmeters durch Regelung der Pumpenförderleistung aufrechterhalten.

Es wurden 4 t Lackfarbensuspension der oben angegebenen Zusammensetzung bearbeitet. Die gesamte Bearbeitungsdauer betrug 8 Stunden. Nach einer Stunde änderte sich die Differenz der an den Voltmetern angezeigten Spannungen von ursprünglich 0,2 auf 3 V.

Zur Verringerung der Differenz der Voltmeteranzeigen bis auf den Anfangswert wurden in die Arbeitszone zusätzlich 2 kg magnetischer Elemente aufgegeben. Je nach den Voltmeteranzeigen, d. h., je nach der Feldstärkendifferenz des magnetischen Wechselfeldes im oberen und unteren Teil der Arbeitszone, in der sich die magnetischen Elemente bewegen, wurde die jeweils notwendige zusätzliche Aufgabe der magnetischen Elementen durchgeführt und dadurch die optimale Höhe der Schicht dieser Elemente aufrechterhalten. Insgesamt wurden während 8 Stunden Betrieb 15,8 kg magnetischer Elemente zusätzlich aufgegeben. Der Dispersitätsgrad der auf diese Weise bearbeiteten Suspension betrug 10 µm beim anfänglichen Dispersitätsgrad von 150 µm. Der Energieaufwand betrug 32 kW · h je l t. Die Höhe der Schicht der magnetischen Elemente war am Bearbeitungsende der anfänglichen Höhe gleich.

Zum Vergleich wurden 4 t einer ähnlichen Suspension unter denselben Bedingungen, aber ohne zusätzliche Aufgabe magnetischer Elemente, d. h., ohne Aufrechterhaltung der optimalen Höhe der Schicht der magnetischen Elemente in der Arbeitszone bearbeitet.

Dabei betrug die gesamte Bearbeitungsdauer bis zur Erzielung des vorerwähnten Dispersitätsgrades von 10 µm 11,5 Stunden, der Energieaufwand aber erreichte 43 kW · h je l t. Die Höhe der Schicht der magnetischen Elemente in der Arbeitszone verringerte sich am Bearbeitungsende gegenüber der Anfangshöhe um 15%.

Die angeführten Beispiele zeugen davon, daß durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen eine gleichmäßige und intensive Bearbeitung von Stoffen in einer Schicht magnetischer Elemente gewährleistet wird, die von der Schichthöhe nicht abhängt, und es kann dabei die erforderliche Bearbeitungsgüte bei einem geringeren Energieaufwand bei einer höheren Arbeitsleistung erzielt werden.

Claims

1. Verfahren zur elektromagnetischen Bearbeitung von Stoffen, das darin besteht, daß ein Strom des zu bearbeitenden Stoffes einer Arbeitszone kontinuierlich zugeführt wird, in der eine Schicht magnetischer Elemente untergebracht und ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, unter dessen Einwirkung durch die Schicht der sich chaotisch bewegenden magnetischen Elemente der zuzuführende Stoff bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz des zuzuführenden Stoffes 0,8 bis 2,5 des Durchsatzes beträgt, der der maximalen von der Schicht der sich chaotisch bewegenden magnetischen Elemente verbrauchten Wirkleistung entspricht, wobei der Stoff von unten unter die Schicht der magnetischen Elemente zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Schicht der magnetischen Elemente nach der Feldstärkendifferenz des magnetischen Wechselfeldes im oberen und unteren Teil der Arbeitszone aufrechterhalten wird, in der sich die magnetischen Elemente bewegen.