HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Kupfer
hohen Reinheitsgrades aus Kupferdraht mit einem Lacküberzug, aus sogenanntem
lackierten Kupferdraht, insbesondere in gewickelter Form und als Wicklung.
STAND DER TECHNIK
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Als Antrieb für Haushaltsgeräte und Industriemaschinen werden häufig Motoren
verwendet. Seit einiger Zeit sind Umweltschutz und Erschöpfung der Resourcen
von hohem sozialen Interesse, und die mit der effektiven Nutzung und
Wiederverwertung von Stoffen befasste technische Entwicklung muß stark beschleunigt
werden; in diesem Zusammenhang sind auch Motoren von Interesse.
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Die Anordnung eines Motors für Haushaltsgeräte oder Industriemaschinen ist
schematisch als Querschnitt in Fig. 1 dargestellt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht,
umfaßt der Motor einen Stator 1, einen Rotor 2, eine Welle 3 des Rotors 2, ein
Lager 4 und eine Lagerbrücke 5 als Motormantel sowie ein Gehäuse 6. Stator 1
weist eine Wicklung 8 auf, die aus auf einen Kern 10 aufgewickelten lackiertem
Kupferdraht 7 vorbestimmter elektrischer Spezifikation besteht. Draht 7 ist mit
einer Außenlackierung versehen, die als Isolierung wirkt. Beim Anlegen eines
elektrischen Stroms von außen an die Wicklung wird eine elektromagnetische Kraft
erzeugt, die den Rotor 2 zum Rotieren bringt.
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Häufig wird der Stator 1 zur verbesserten Isolierung und mechanischen
Verstärkung der Wicklung 8 mit einer Lacktränkung versehen. Oft werden sogenannte
vergossene Motoren verwendet, bei denen ein Stator 1 in einem Harzkörper 9
eingegossen ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Solche Motoren werden als
Lüftermotoren verwendet, weil sie besonders klein sind und bei Verwendung in
beispielsweise Klimageräten für Geräuscharmut und Zuverlässigkeit sorgen. In
Staubsaugern werden Kollektormotoren als Antrieb verwendet. In einem
Kollektormotor weist ein Rotor (oder ein Anker) mit Kollektor ebenfalls eine getränkte
Wicklung auf.
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Bei den oben genannten Motoren ist eine Demontage und Trennung der Wicklung
8 vom Kern 10 nicht einfach, da die Wicklung 8, die aus dem lackierten
Kupferdraht 7 besteht, verklebt oder in Harz 9 eingebettet ist. Damit ist es schwierig,
Metalle von als Abfall gesammelten Motoren ökonomisch zurückzugewinnen. Aus
dem Grunde bleibt nur die Möglichkeit, die gesammelten verbrauchten Motoren als
kontaminierten Metallschrott zu entsorgen oder sie, so wie sie sind, als
Industrieabfall zu deponieren. Die insbesondere für Motoren verwendeten Wicklungen
lohnen eine Wiederverwendung, da sie aus elektrolytischem Kupfer bestehen,
dessen Reinheitsgrad sehr hoch ist (z. B. nicht weniger als 99,9% des Gewichtes),
um Kupferverluste zu verringern und die Motoreffizienz zu erhöhen.
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Es ist ein Verfahren zum Trennen von mindestens metallischen Elementen
elektromagnetischer Bauteile wie Wicklungen, Kerne und so weiter aus einer
Harzzummantelung bekannt, bei dem der Rotor mit der Harzummantelung in eine
Alkalilösung getaucht wird, um die Harzummantelung als alkalischem Wege aufzulösen (s.
japanisches Patent Kokai Publication No. 8-340661). Bei diesem Verfahren wird die
Harzummantelung der elektromagnetischen Bauteile durch die alkalische Zersetzung
lediglich zerbrochen, so dass die Metallteile gesammelt werden können. Bei dem
Verfahren kann Harz an den Metallteilen haften bleiben und letzen Endes kann das
gesammelte Metall nur als Metallschrott minderer Qualität behandelt werden.
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GB-A-1351448 beschreibt ein Verfahren zum Wiedergewinnen von Kupfer aus
Draht- und Kabelschrott, der Isoliermaterialien wie PVC, PE und Gummi enthält,
indem der Schrott in ein Bad aus alkalischem Metallhydroxid und einer Temperatur
eingetaucht wird, in dem das Isolierbeschichtungsmaterial weich wird oder zerfällt
oder sich zersetzt, vorzugsweise in ein Bad aus schmelzflüssigem Alkali oder einer
konzentrierten Natriumhydroxidlösung bei einer Temperatur von mindestens 150º.
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EP-A-0142139 stellt das Schmelzen von Kupfermaterial durch Vakuuminduktion
in einem Verfahren zur Herstellung von Kupferdraht im Stranggußverfahren dar.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum wirksamen
Wiedergewinnen von Kupfer mit hohem Reinheitgrad aus Wicklungen
vorzuschlagen, die aus lackiertem Kupferdraht bestehen.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Wiedergewinnung von
Kupfer aus Wicklungen vorgeschlagen, das ein Untertauchen (oder Eintauchen) der
Wicklung aus lackiertem Kupferdraht mit einer darauf angebrachten
Isolierbeschichtung auf Polyester- und/oder Polyurethanbasis in eine Alkalilösung mit einer
Temperatur im Bereich von 30º bis 100º sowie das Entfernen des anhaftenden
(oder verbleibenden) Alkalis von der Wicklung sowie das Schmelzen der Wicklung
mit Hilfe von Hochfrequenzerwärmung (Induktion) umfaßt.
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In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck lackierter Kupferdraht einen
Kupferdraht mit einer Beschichtung auf Polyester- und/oder Polyurethanbasis zur
elektrischen Isolierung. Eine Wicklung aus einem solchen lackierten Kupferdraht
wird in die Alkalilösung getaucht, so dass die Isolierbeschichtung hydrolysiert und
zersetzt wird; das Alkali wird dann von der Wicklung entfernt, bevor die Wicklung
mit Hilfe von Hochfrequenzinduktionserhitzung (d. h. ein Schmelzen durch
Hochfrequenz) zur Wiedergewinnung des Kupfers geschmolzen wird. Üblicherweise ist
die Isolierbeschichtung thermisch gehärtet. Für die industrielle Nutzung der
vorliegenden Erfindung kann der lackierte Kupferdraht mit einem sehr dünnen Film
(einer Dicke von beispielsweise im Bereich von 1 bis 3 um) um seinen Umfang aus
einem anderen Harz wie einem Polyamid versehen sein, ohne dass ein solcher Film
bei der vorliegenden Erfindung unangenehme Auswirkungen hätte; die Wirkung der
vorliegenden Erfindung kann also problemlos erzielt werden. So kann der lackierte
Kupferdraht beispielsweise einen Nylondünnfilm zur Verbesserung seiner
Bearbeitungseigenschaften aufweisen.
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Da mit der vorliegenden Erfindung das Beschichtungsmaterial von Wicklungen aus
lackiertem Kupferdraht in einer Alkalilösung hydrolysiert wird, sind diese
Wicklungen nach der Zersetzung der Beschichtung während der Behandlung mit der
Alkalilösung ohne Schwierigkeiten zurückzugewinnen. Da solche Wicklungen einem
Hochfrequenzschmelzvorgang unterzogen werden, wird eine Kupfermenge
zurückgewonnen, die im wesentlichen der Gesamtmenge der Wicklung entspricht und
weniger Eisenschrott oder Beschichtungslackreste enthält. Außerdem wird, weil bei
dem Schmelzen mit Hochfrequenz im wesentlichen nur die entfernte Wicklung
erhitzt und geschmolzen wird, Kupfer hohen Reinheitsgrades auf wirtschaftliche
Weise und mit hohem Ertrag wiedergewonnen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt die schematische Ansicht eines Motors im Querschnitt und
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Fig. 2 die schematische Ansicht eines eingegossenen Motors im
Querschnitt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei der vorliegenden Erfindung kann die aus lackiertem Kupferdraht bestehende
Wicklung aus jeder beliebigen Quelle stammen, vorausgesetzt sie weist
Kupferdraht in Form einer Wicklung auf, die mit einer Isolierbeschichtung auf einer
Polyester- und/oder Polyurethanharzbasis versehen ist. Bei einer solchen Wicklung kann
es sich um eine Wicklung handeln, die durch das Wickeln eines lackierten
Kupferdrahtes mit Polyester- und/oder Polyurethanharzbeschichtung hergestellt wurde,
und die Wicklung kann für einen Stator oder Rotor eines Motors verwendet worden
sein. Andererseits kann es sich bei der Wicklung um eine Spule handeln, die
beispielsweise in einem Transformator verwendet wird. Bei der vorliegenden
Erfindung muß der lackierte Kupferdraht nicht notwendigerweise in gewickelter
Form vorliegen, sondern kann jede Form haben. Die gewickelte Form ist jedoch zu
bevorzugen, da dabei Kupfer mit hoher Dichte vorhanden ist, was den
Wiedergewinnungsertrag erhöht. Die Wicklung kann beispielsweise die Form eines Blockes
aus Drahtstücken haben, die durch das Aufteilen eines Drahtmasse der Wicklung
in mehrere Teile entsteht, wie dies weiter unten in Beispielen beschrieben wird.
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Für die "Isolierbeschichtung auf Polyester- und/oder Polyurethanbasis" gibt es
nach der vorliegenden Erfindung keine spezifische Einschränkung, solange so eine
Beschichtung aus einem Harz besteht, das üblicherweise für Isolierbeschichtungen
auf dem Gebiet der elektrischen Geräte verwendet wird und bei vorhandenem
Alkali hydrolysiert wird. Es kann sich dabei um ein wärmeaushärtendes Harz
handeln. Die Beschichtung, kann zusätzlich zu einem Harz einen Farbzusatz, ein
Gleitmittel (oder Wachs) usw. enthalten.
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Ein lackierter Kupferdraht, der beispielsweise die Wicklung für einen Motor bildet,
der in einem Haushaltsgerät oder einer kleinen industriellen Maschine verwendet
wird, enthält im allgemeinen Draht, der mit Polyester beschichtet ist (PEW), mit
Polyurethan beschichtet (UEW) ist, mit Polyesterimid beschichtet (EIW) ist, mit
Polyamid beschichtet (AIW) ist, mit Polyimid beschichtet (PIW) ist oder
dergleichen. Außerdem können für diese Drähte Beschichtungen kombiniert werden, um
eine Doppelschichtbeschichtung zu bilden, oder es kann ein anderes Material mit
der Beschichtung verwendet werden, so dass, abhängig von der
Wärmebeständigkeit und/oder dem Verwendungszweck des Drahtes, eine modifizierte Beschichtung
entsteht.
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Von den oben erwähnten Drähten gehören zu den bei der vorliegenden Erfindung
bevorzugt verwendeten beschichteten Drähten PEW und UEW sowie ein
modifizierter PEW und ein modifizierter UEW. Dabei bedeutet der Ausdruck "modifiziert",
dass ein Teil des Molekulargefüges eines Grundbestandteiles durch eine andere
Komponente mit anderem Molekulargefüge ersetzt wird, um die Eigenschaften des
Harzes zu verändern. Solche Drähte werden kommerziell für praktische Zwecke als
Allzweckdraht angeboten; ihre Beschichtung enthält hydrolysierbare
Esterbindungen als wichtigstes Molekulargerüst und kaum lmidbindungen, die thermisch und
chemisch widerstandbehaftet sind und nicht hydrolysieren. Mit der vorliegenden
Erfindung wird die Wiedergewinnungseffizienz dieser Drähte also verbessert.
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Für die Alkalilösung gibt es bei der vorliegenden Erfindung keine spezifische
Einschränkung, vorausgesetzt, dass sie die Isolierbeschichtung von lackiertem
Kupferdraht hydrolysiert. Bei der Alkalilösung handelt es sich im allgemeinen um eine
wässerige Lösung mit einer Alkalikonzentration im Bereich von 0,1 bis 10 N
(normal), vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 N. Bei dem Alkali kann es sich
beispielsweise um NaOH und KOH handeln; eine wässerige Lösung daraus ist
besonders vorteilhaft. Ist die Alkalikonzentration zu niedrig, schreitet die Hydrolyse
sehr langsam voran, so dass die Wiedergewinnung des Kupfers wenig effektiv ist.
Andererseits wird bei einer zu hohen Alkalikonzentration die Alkalilösung zu viskös
und ihre Fähigkeit, in die Beschichtung einzudringen, verringert sich, so dass durch
die hohe Konzentration kein bemerkenswerter Effekt erzielt wird.
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Die Hydrolyse vollzieht sich bei normaler Temperatur, schreitet jedoch nur langsam
voran. Um die Hydrolyse zu beschleunigen, wird die Alkalilösung, in die die
Wicklung eingetaucht wird, vorzugsweise erwärmt. Je höher die Temperatur, desto
besser sind die Ergebnisse hinsichtlich der Hydrolyse; die Hydrolyse wird also
vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die am oder nahe am Siedepunkt
der Alkalilösung liegt. Dabei müssen allerdings auch andere Faktoren wie Erhöhung
der Kosten oder Energieverbrauch bei der höheren Temperatur berücksichtigt
werden. Die Wahl einer geeigneten Hydrolysetemperatur (d. h. der Temperatur bei
dem Tauchbad in die Alkalilösung) sollte also damit im Zusammenhang stehende
Faktoren berücksichtigen. Die Wicklung wird in eine Alkalilösung mit einer
Temperatur im Bereich zwischen 30 und 100ºC, vorzugsweise im Bereich zwischen 80
und 100ºC getaucht.
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Um die Fähigkeit der Alkalilösung zu verbessern, in die Beschichtung aggressiv
einzudringen, kann eine Alkalilösung verwendet werden, die statt Wasser eine
Mischung aus Wasser und einem Alkohol (beispielsweise Methanol oder Ethanol)
enthält.
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Vorzugsweise wird eine solche Menge an Alkalilösung verwendet, dass die
Wicklungen darin vollständig eingetaucht sind. Außenliegende Beschichtungsflächen der
Wicklungen sind also vorteilhafterweise während der Tauchzeit immer in Kontakt
mit der Alkalilösung.
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Nach dem Tauchbad in der Alkalilösung zur Hydrolyse wird die Wicklung aus der
Alkalilösung herausgenommen und anhaftendes oder auf den Wicklungen
verbleibendes Alkali (und/oder Alkalilösung) entfernt. Das Entfernen des Alkalis kann
auf jede geeignete Weise geschehen. Generell kann ein geeigneter Waschvorgang
mit Wasser durchgeführt werden. Es können beispielsweise die folgenden
Vorgehensweisen gewählt werden: die Wicklung wird in ein Wasserbad gelegt; Wasser
kann auf die Wicklung gegossen werden; die Wicklung wird in fließendes Wasser
eingetaucht. Der Vorgang des Entfernens von Alkali wird fortgesetzt, bis auf der
Wicklung im wesentlichen kein Alkali mehr vorhanden ist. Das kann durch die
Überwachung des pH-Wertes des Waschwassers erkannt werden, wobei der
Waschvorgang so lange durchgeführt wird, bis der pH-Wert einen neutralen Wert
(beispielsweise nicht größer als 9) anzeigt oder sich ihm nähert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann beim Entfernen des Alkalis eine
hydrolysierte Beschichtung (oder Harz) (die manchmal als "abgebaute Beschichtung
oder Harz" bezeichnet wird) gleichzeitig entfernt werden. Es besteht keine
Einschränkung hinsichtlich des Ausmaßes der Entfernung der abgebauten
Beschichtung, es ist jedoch allgemein vorteilhaft, die abgebaute Beschichtung so weit wie
möglich zu entfernen. Das Entfernen der abgebauten Beschichtung kann auf
mechanischem Wege geschehen, wenn der Waschvorgang zum Entfernen des
Alkalis abläuft. So kann zum Beispiel während des Waschvorganges das Wasser
bewegt oder die Wicklung vibriert oder hin und her geschwungen werden. Wird
also Wasser verwendet, um das Alkali zu entfernen, so wird zumindest ein Teil der
abgebauten Beschichtung ebenfalls entfernt.
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Alternativ kann die abgebaute Beschichtung mechanisch vor, während und/oder
nach dem Entfernen des Alkalis entfernt werden. Die abgebaute Beschichtung kann
beispielsweise abgeschnitten, abgewischt oder abgerieben werden. Bei einer
Ausführungsform, bei der die abgebaute Beschichtung vor dem Entfernen des
Alkalis entfernt wird, wird zumindest ein Teil des an der Wicklung haftenden
Alkalis mit der abgebauten Beschichtung entfernt.
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Da beim Vorhandensein abgebauter Beschichtung häufig bei dem nachfolgenden
Hochfrequenz-Schmelzvorgang Schlacke und/oder Gas entsteht, ist es günstiger,
die abgebaute Beschichtung vor dem Schmelzvorgang zu entfernen. Das
mechani
sche Entfernen der abgebauten Beschichtung ist besonders effektiv, wenn Kupfer
aus Wicklungen zurückgewonnen wird, die, wie nachfolgend beschrieben, in
eingegossenen Motoren verwendet wurden.
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Danach wird die Wicklung, von der das Alkali oder wahlweise das Alkali sowie die
abgebaute Beschichtung entfernt wurde, geschmolzen und als Kupferresource
wiedergewonnen. Der Ausdruck "Kupferresource" bedeutet, dass das
wiedergewonnene Kupfer als Rohmaterial zur Herstellung unterschiedlicher
Kupfererzeugnisse verwendet werden kann.
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Zum Schmelzen der Wicklung wird vorzugsweise ein
Hochfrequenz-Induktionsschmelzvorgang verwendet. Bei diesem Prozess wird ein feuerfester Tiegel (oder
ein Muffelrohr) in einer spiralenförmige Elektrodenspule angeordnet, durch die ein
elektrischer Strom hoher Frequenz geleitet wird, während das zu bearbeitende
Metall, wie die Wicklung, in den Tiegel eingeführt wird; dadurch wird durch den
elektromagnetischen Induktionseffekt im Metall Induktionsstrom erzeugt und das
Metall durch Joulesche Wärme geschmolzen wird. Die Frequenz des verwendeten
elektrischen Stromes wird abhängig von Art und Form des zu bearbeitenden
Metalls ausgewählt. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung wird ein
elektrischer Wechselstrom verwendet, dessen Frequenz generell im Bereich zwischen
etwa 200 und 10000 Hz liegt, vorzugsweise zwischen einigen Hundert und einigen
Tausend Hz, beispielsweise bei etwa 3000 Hz, liegt.
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Um eine Oxidation des Kupfers während des Schmelzvorganges zu verhindern,
wird der Hochfrequenz-Schmelzvorgang vorzugsweise in einer
Schutzgasatmosphäre durchgeführt und/oder in einer Atmosphäre mit verringertem Druck. Wird der
Schmelzvorgang in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt, wird vorzugsweise
der Innenraum einer Schmelzvorrichtung mit einem Schutzgas gefüllt wie Stickstoff
oder Argon und/oder durch das Schutzgas hermetisch verschlossen. Wird der
Schmelzvorgang bei verringertem Atmosphärendruck durchgeführt, sollte der beim
Vorgang herrschende Arbeitsdruck vorzugsweise nicht höher als 5 Torr sein,
beispielsweise nicht höher als 0,5 Torr. Besonders günstig ist es, eine Kombination
von Schutzgasatmosphäre und verringertem Atmosphärendruck vorzusehen. Wird
der Hochfrequenz-Schmelzvorgang unter solchen Bedingungen durchgeführt, wird
eine Oxidation des Kupfers während und nach dem Schmelzen verhindert, so dass
eine direkte Wiedergewinnung elektrolytischen Kupfers möglich ist, dessen
Reinheitsgrat im allgemeinen nicht unter 99,9% liegt. Auf diese Weise schafft die
vorliegende Erfindung ebenfalls ein Verfahren zur Rückgewinnung von Kupfer.
Werden die oben beschriebenen Bedingungen jedoch nicht eingehalten, wenn
beispielsweise kein Schutzgas verwendet wird und der vorhandene Druck über
0,5 Torr liegt, oxidiert das Kupfer, so dass das wiedergewonnene Kupfer
möglicherweise nicht mehr den Reinheitsgrad elektrolytischen Kupfers einhält.
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Für den Hochfrequenz-Schmelzvorgang wird ein Tiegel (oder Schmelzofen)
verwendet, der im allgemeinen adiabatisch isoliert ist und aufgrund der Tatsache, dass
im wesentlichen das zu bearbeitende Metall selbst und seine unmittelbare
Umgebung selektiv aufgeheizt werden, energiewirtschaftlich sparsam ist, so dass ein
solches Verfahren in der vorliegenden Erfindung ein sehr günstiges
Schmelzverfahren darstellt. Zur Durchführung eines solchen Hochfrequenz-Schmelzvorganges
kann eine kommerziell erwerbbare Hochfrequenz-Vakuumschmelzvorrichtung
verwendet werden, bei der die Elektrodenspule und der Tiegel in einer
abgedichteten Vakuumkammer untergebracht sind.
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Nach Beendigung des Schmelzvorganges, wenn das geschmolzene Kupfer gekühlt
werden soll, wird vorzugsweise ein Schutzgas wie Argon oder Stickstoff in die
Schmelzvorrichtung geleitet, insbesondere in den Tiegel, damit das geschmolzene
Kupfer auf eine vorbestimmte Temperatur abkühlt.
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Während des Schmelzvorganges vergasen noch an der Wicklung vorhandene
Beschichtung oder Harz oder sie bilden zusammen mit beispielsweise oxidiertem-
Kupfer Schlacke (d. h. schwimmendem Schmelzabfall). Sich bildendes Gas wird
beispielsweise während des Schmelvorganges evakuiert. Da die Schlacke als eine
obere Schicht auf dem geschmolzenen Kupfer im Tiegel schwimmt, kann sie durch
ein Neigen des Tiegels entfernt werden, indem die Schlacke abgeschüttet wird,
während das Kupfer schmilzt.
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Bei einer anderen Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung ist die
Wicklung mit Lack behandelt. In dieser Erfindung bedeutet "Lackbehandlung", dass die
Wicklung aus beschichtetem Draht in einen Lack getaucht wurde, der nach diesem
Bad durch Wärme gehärtet wurde, so dass die Wicklung als Ganzes mit einer
Lackbeschichtung versehen ist. Der Ausdruck "Lack" bezeichnet eine Harzlösung,
wie sie generell auf dem Gebiet elektrischer Geräte für die Behandlung solcher
Wicklungen verwendet wird. Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich um einen
Lack für Wicklungen handeln, bei dem ein Polyesterharz in einem
kopolymarisierbaren Monomer (wie Styren oder 2-Hydroxyethylmethacrylat) gelöst ist, oder um
einen Lack, bei dem ein Polyurethanharz in einer Lösung (wie Xylen oder
Propylalkohol) gelöst ist. Die Lackbeschichtung kann außer dem Harz noch andere Additive
wie beispielsweise ein Verdickungsmittel und einen Farbstoff enthalten,
vorzugsweise in Form einer innigen Mischung.
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Wird die Erfindung in dieser zuletzt beschriebenen Ausführungsform ausgeführt,
dann werden die Polyester- und/oder Polyurethanharze in der Lackbeschichtung mit
der Alkalilösung hydrolysiert. Auch bei Vorhandensein der anderen Komponenten
in der Lackbeschichtung kann das Lackharz nicht seine ursprüngliche
Beschichtungsform behalten. Die Lackbeschichtung wird zu einer abgebauten
Lackbeschichtung aufgebrochen, so dass die darunterliegende Isolierbeschichtung um den
Kupferdraht ebenfalls hydrolysiert, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Die
Hydrolysebedingungen dieser zuletzt beschriebenen Ausführungsform können die
gleichen sein wie die für die Hydrolyse des isolierbeschichteten Kupferdrahtes oben
beschriebenen Bedingungen.
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Danach wird das Alkali entfernt und wahlweise die abgebaute Lackbeschichtung
und, wenn erforderlich, die abgebaute Isolierbeschichtung mechanisch entfernt, um
an die Wicklung zu gelangen; danach folgt der Hochgrequenz-Schmelzvorgang der
Wicklung wie oben beschrieben.
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Bei einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung liegt eine
Wicklung vor aus mit Isolierlack beschichtetem Kupferdraht, der in ein Material aus
Polyesterharz und/oder Polyesterharz eingebettet ist. Eine solche Wicklung wird oft
für sogenannte vergossene Motoren verwendet. Ein solcher Motor kann
beispielsweise einen Rotor oder einen Stator aufweisen, deren Wicklung in ein Material
eingebettet sind, das aus ungesättigtem Polyesterharz besteht.
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Bei dieser weiteren Ausführungsform wird das Vergußmaterial ebenfalls in der für
die Hydrolyse verwendeten Alkalilösung abgebaut, wie dies bei der Wicklung mit
Lackbeschichtung der Fall ist. Die darunterliegende Isolierlackbeschichtung des
Kupferdrahtes wird also ebenfalls hydrolysiert. Die Hydrolysebedingungen dieser
genannten weiteren Ausführungsform können die gleichen sein wie für die weiter
oben beschriebenen Bedingungen für den mit Isolierlack versehenen Kupferdraht.
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Danach wird das Alkali entfernt und wahlweise das abgebaute Vergußmaterial
sowie, wenn erforderlich, die abgebaute Lackbeschichtung mechanisch entfernt,
um an die Wicklung zu gelangen; danach folgt der Hochfrequenz-Schmelzvorgang
der Wicklung, wie er oben beschrieben wurde.
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Hinsichtlich des verwendeten Vergußmaterials, wie es allgemein auf dem Gebiet
elektrischer Geräte verwendet wird, gibt es keine spezifischen Einschränkungen,
wenn es ein Harz auf Polyester und/oder Polyurethan enthält. Bei dem
Vergußmaterial kann es sich um ein ungesättigtes Polyesterharz handeln und er kann,
zusätzlich zum Harzanteil, andere Komponenten enthalten.
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Zu diesen weiteren Komponenten gehören verschiedene Additive wie: andere
Harzarten (z. B. Polystyren, Polyvinylazetat), Füllstoffe (z. B. Kalziumkarbonat,
Aluminiumhydroxid), Einlagen (z. B. Glasfasern), Trennmittel (z. B. Zinkstearat,
Kalziumstearat) und ein Farbstoff (z. B. Ruß).
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Als ein allgemein verwendetes Vergußmaterial kann eine sogenannte
Bulk-Formmasse (bulk molding compound BMC) als Beispiel herangezogen werden, die aus
einer Harzkomponente von etwa 15 bis 25% des Gewichtes als Basis besteht, die
mit einem ungesättigten Polyesteralkyd (im allgemeinen auf der Basis von
Isophthalsäure oder Orthophthalsäure), Styren als kopolymerisierbarem Monomer, einem
thermoplastischen Harz als das Schrumpfen verhindernder Wirkstoff und einem
organalschen Peroxid als Polymerisationsinitiator auf geeignete Weise vermischt
ist, und etwa 75 bis 85% des Gewichtes aus Kalziumkarbonat,
Aluminiumhydroxid, Glasfasern und anderen Füllstoffen und Additiven besteht.
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Für die Durchführung des hier beschriebenen Prozesses hat es sich als wirksam
erwiesen, ein Vergußmaterial für die Wicklung zu verwenden, dessen Material die
folgenden Zusätze enthält: ein Monomer einer Hydroxidgruppe, die
kopolymerisierfähig ist (z. B. 2-Hydroxyethylmethacrylat, HEMA) zur Verbesserung des
Eindringens der Alkalilösung in das Vergußmaterial, und/oder ein aliphatisches Polyester
einer Estergruppe, die ein Schrumpfen unterdrückenden Wirkstoff darstellt (wie
Polykaprolakton) zur Verbesserung der Hydrolyseeigenschaften.
BEISPIELE
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Die vorliegende Erfindung wird weiter im Detail unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen Beschrieben.
Beispiel 1
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Als Wicklung, die nach der vorliegenden Erfindung bearbeitet werden sollte, wurde
ein Stator 1 eines vierpoligen 25 W-Motors in vergossener Ausführung nach Fig.
2 verwendet. Bei der Wicklung 8 des Stators 1 handelte es sich um einen
lackierten Kupferdraht, der aus einem Kern (Durchmesser 0,32 mm) und einer darauf
angebrachten Polyurethanbeschichtung (Dicke 0,016 mm) bestand, der weiter
einen Überzug aus Nylon (Dicke 1 bis 2 um) aufwies, um den
Verarbeitungswiderstand zu verbessern (ein solcher Draht wird als 1-UEWN-Draht bezeichnet).
Der 1-UEWN-Draht war für den Stator um einen Kern 10 (mit einem
Innendurchmesser von 40 mm, einem Außendurchmesser von 88 mm und einer Axiallänge (I&sub1;)
von 25 mm) mit vorbestimmten Wicklungen gewickelt, um die die Wicklung 8 um
den Kern 10 zu erzielen. Das Ganze war danach in ein Vergußmaterial auf
ungesättigter Polyesterbasis eingebettet, um den vergossenen Stator 1 zu bilden (mit
einem Innendurchmesser von 40 mm, einem Außendurchmesser von 92 mm und
einer Axiallänge (I&sub2;) von 49 mm).
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Bei dem hierbei verwendeten Vergußmaterial handelte es sich um ein BMC auf der
Basis eines ungesättigten Polyesters, das auf einer isophthalischen Säure basierte
und durch Kneten der folgenden Komponenten zubereitet wurde:
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25% des Gewichtes ungesättigtes Polyesteralkyd auf der Basis von
isophthalischer Säure in Styrenlösung 13,1 Gewichtsteile
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HEMA 3,8 Gewichtsteile
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65% des Gewichtes Polykaprolakton in Styrenlösung 3,9 Gewichtsteile
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t-Butylperoxybenzoat (Polymerisationsinitiator) 0,2 Gewichtsteile
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Kalziumkarbonat (Teilchengröße 50 bis 500 um) 40,0 Gewichtsteile
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Kalziumkarbonat (Teilchengröße unter 15 um) 29,0 Gewichtsteile
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Glasfasern 7,0 Gewichtsteile
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Zinkstearat 1,0 Gewichtsteile
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Polyethylenpulver 2,0 Gewichtsteile
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Der vergossene Stator wurde 120 Stunden lang in eine auf 80ºC erwärmte
wässerige 4 N NaOH-Lösung getaucht, dann aus der Lösung herausgenommen und
nachfolgend mit Wasser normaler Temperatur abgewaschen, um das Alkali auf
ausreichende Weise zu entfernen. Das Vergußmaterial war zu einer Beschaffenheit
wie Ton oder Lehm aufgeweicht/abgebaut. Dieses Vergußmaterial wurde
abgeschabt und mit einem Bambusspatel mechanisch entfernt, um den äußeren und
inneren Umfang von Wicklung Kern des Motors freizulegen.
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In diesem Zustand war bei einem Meßvorgang mit einem Testgerät zwischen allen
Oberflächen der Wicklung elektrische Leitfähigkeit vorhanden. Es wurde ein
Spulenblock (als Aggregat aus Wicklungsteilen) vom Kern entfernt und mit Wasser
abgewaschen, um das abgebaute Vergußmaterial und die abgebaute
Isolierlackbeschichtung zu entfernen, bevor er dem Hochfrequenz-Schmelzvorgang zugeführt
wurde. 240 g der Wicklung wurden von einem geschmolzenen Stator erzielt, was
bedeutet, dass fast die gesamte Wicklung wiedergewonnen wurde, denn der Stator
enthielt eine Wicklung mit einem Gewicht zwischen 240 g und 245 g.
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Mit der so gewonnenen Motorwicklung wurde dann der
Hochfrequenz-Schmelzvorgang durchgeführt.
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Für den Hochfrequenz-Schmelzvorgang mit einer Leistung von 20 kW und einer
Frequenz von 3000 Hz wurde eine Vorrichtung verwendet, bei der ein Schmelzofen
in einer abgedichteten Vakuumkammer angeordnet war (kommerziell erwerbbar von
Fujidempa Kogyo Co., Ltd als FTH-20-3M).
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Die gewonnene Wicklung (400 g) wurde in einen feuerbeständigen Tiegel
(Innenvolumen etwa 250 ccm) gegeben und zum Schmelzen nach der Evakuierung 30
Minutenlang erhitzt. Danach wurde der Tiegel geneigt und das geschmolzene
Kupfer (d. h. die Kupferschmelze) in eine Kohlenstoffpfanne gegossen, wobei keine
schwimmende Schlacke zurückgelassen wurde. Danach ließ man das Kupfer
abkühlen und erhielt einen Kupfer-Ingot mit einem Gewicht von 380 g.
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Während des Aufheiz-/Schmelzvorganges wurden 1,9 kW/h an elektrischer
Leistung verbraucht und es herrschte ein maximaler Druck von 0,5 Torr und ein
durchschnittlicher Druck von 0,25 Torr während des Arbeitsvorganges. Nach dem
Abkühlen der Schmelze wurde Argongas in die abgedichtete Kammer eingeleitet,
in der der Schmelzkörper angeordnet war, und zwar bis zu einem Druck von etwa
300 Torr, um den Kühlvorgang zu beschleunigen.
Beispiel 2
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Es wurde wie im Beispiel 1 ein Stator hergestellt, der eine Wicklung aus
beschichtetem Kupferdraht enthielt und der anstelle einer Harzeinbettung einer
Lackbehandlung unterzogen wurde.
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Das dabei verwendete Harz war ein ungesättigtes Polyesteralkydharz auf der Basis
von isophthalischer Säure, die mit HEMA als kopolymerisierbares Monomer
gemischt war. Der Stator wurde in den Lack getaucht, so dass er damit imprägniert
war. Die Viskosität des Lacks betrug 30 cP bei einer Temperatur von 25ºC.
Ausgehärtet wurde eine Stunde lang bei einer Temperatur von 130ºC.
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Der Stator wurde in eine Alkalilösung (5 N NaOH wässerige Lösung) getaucht, die
20 Stunden lang auf einer Temperatur von 90ºC aufgeheizt gehalten wurde.
Danach folgte das Entfernen des Alkali durch eine Wäsche mit Wasser und ein
Herausschneiden der Spulenblöcke aus dem Stator, um die Wicklung
herauszulösen. Danach wurde die Wicklung weiter mit Wasser abgewaschen und das sich
noch an der Wicklung befindende abgebaute Harz wurde entfernt, bevor die
Wicklung dem Hochfrequenz-Schmelzvorgang zugeführt wurde. Davor wurden die
Spulenblöcke herausgeschnitten. Zwischen allen Oberflächen der Wicklung bestand
wie im Beispiel 1 elektrische Leitfähigkeit.
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Der Hochfrequenz-Schmelzvorgang wurde wie im Beispiel 1 und mit der gleichen
Vorrichtung durchgeführt. Aus der Wicklung von 500 g wurde ein Kupfer-Ingot von
490 g erzielt. Der Arbeitsdruck während des Schmelzvorganges betrug 1,333 Pa
(0,01 Torr) als Maximum und 0,133 Pa (0,001 Torr) im Durchschnitt.
Beispiel 3
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Mit der im Beispiel 1 erzielten Wicklung wurde der Hochfrequenz-Schmelzvorgang
nach dem Tauchbad in der Alkalilösung in einer Umgebungsatmosphäre (d.h. in
Luft bei 1 atm.) durchgeführt. Die dafür verwendete Vorrichtung war kommerziell
erwerbbar von Fujidempa Kogyo Co., Ltd als FTH-30. Die Wicklung von 1660 g
wurde in einen Tiegel mit einem Volumen von 11 00 ccm gegeben und
geschmolzen: es ergab sich ein Kupfer-Ingot von 1575 g. Die schwimmende Schlacke betrug
65 g.
Vergleichsbeispiel 1
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Es wurde der gleiche eingegossene Stator wie im Beispiel 1 verwendet. Ohne
Hydrolyse in der Alkalilösung wurde der Stator direkt zerbrochen, um an die
Wicklung zu gelangen. Die Wicklung wurde einem Hochfrequenz-Schmelzvorgang
in der gleichen Vorrichtung unterzogen wie im Beispiel 3.
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Die Wicklung von 1000 g wurde in den Tiegel gegeben und ergab einen Kupfer-
Ingot von 402 g.
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Bei diesem Beispiel wurde das Herauslösen der Wicklung durch ein Zerbrechen des
Stators mit Hilfe eines rotierenden Scherbrechwerks in grobe Stücke erreicht. Die
Stücke wurden durch ein Sieb geführt, um solche zu sammeln, die durch eine
Öffnung von 20 mm Durchmesser passten. Mit einem Elektromagneten wurden
diese gesammelten Stücke in Eisenstücke und Nicht-Eisen-Stücke getrennt. Diese
zuletzt genannten Stücke wurden erneute gesiebt und dabei Stücke gesammelt, die
eine Sieböffnung 9 passierten; daraus wurden Wicklungsstücke herausgesammelt.
Vergleichsbeispiel 2
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Es wurde der gleiche lackgetränkte Stator 1 wie im Beispiel 2 verwendet. Die
Wicklung wurde mit Hilfe einer Maschine zerschnitten; danach wurde der Kern
zerschnitten und mit Hilfe eines Werkzeuges wie einer Zange herausgezogen, um
Spulenblöcke zu erreichen, die mit einer Lackbeschichtung versehen waren. Diese
wurden einem Hochfrequenz-Schmelzvorgang bei Umgebungsatmosphäre
unterzogen. Die Wicklung von 1000 g wurde in einen Tiegel gegeben und es ergab sich
ein Kupfer-Ingot von 496 g.
Vergleichsbeispiel 3
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Wie im Vergleichsbeispiel 2 wurde mit Hilfe eines Werkzeuges, z. B. einer Zange,
der Kern zerschnitten und aus dem Stator 1 des Beispieles 1 herausgezogen, vor
einem Vergußverfahren (d. h. der Stator war mit Kupferdrahtwicklung versehen und
es war weder eine Lackbehandlung noch ein Vergußverfahren durchgeführt). Wie
im Beispiel 1 wurde der Hochfrequenz-Schmelzvorgang bei Umgebungsatmosphäre
durchgeführt. Die Wicklung von 1000 g wurde in den Tiegel gegeben und ergab
einen Kupfer-Ingot von 580 g.
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Obgleich in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 Kupfer-Ingots gewonnen wurden,
flammte die Wicklung während des Schmelzvorgangen, und es wurde eine größere
Menge schwimmender Schlacke in der Schmelze festgestellt als in den Beispielen
1 bis 3, in denen ein Tauchbad in Alkalilösung durchgeführt wurde.
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Bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 mußte die Schmelze gewonnen werden, die
Schlacke jedoch ausgeschieden werden. Dadurch waren die
Wiedergewinnungserträge für das Kupfer niedriger und einiges Kupfer blieb an der Schlacke haften.
Die Ergebnisse der oben beschriebenen Beispiele und Vergleichsbeispiele sind in
Tabelle 1 zusammengefasst:
Tabelle 1 Ergebnisse der Experimente
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* 1 Torr = 0,1333 kPa
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Bei den Beispielen 1 und 2 wurden die Reinheit des wiedergewonnenen Kupfers
sowie die mitgerissenen Verunreinigungssubstanzen analysiert. Für das Beispiel 3
und die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurde lediglich die Reinheitsanalyse
durchgeführt.
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Die in den Beispielen 1 und 2 erzielten Kupfer-Ingots wiesen einen Reinheitsgrad
von nicht unter 99,9% auf, was beweist, dass das Tauchbad in der Alkalilösung
und der Hochfrequenz-Schmelzvorgang unter verringertem Druck zu einer direkten
Wiedergewinnung von elektrolytischem Kupfer aus der Motorwicklung führt. Die
oben aufgeführten Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung besonders wirksam ist bei Motorwicklungen mit einer dünnen
Beschichtung (z. B. bei einer Lackbeschichtung mit einer Dicke von nicht über 1 mm)
gegenüber einer Wicklung aus einem vergossenen Motor, der mit einer Harzschicht
bedeckt ist, die eine Dicke von beispielsweise 6 bis 10 mm hat.
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Als Verunreinigungen, die im Ingot vorhanden sein konnten, wurden die folgenden
Elemente festgestellt: O, As, Bi, Sb und Pb, die im Kupfer nicht festkörperlöslich
sind; P, Al, Fe und Sn, die die Leitfähigkeit des Kupfers verringern können; und Si
und C. Die Konzentration dieser Elemente lag nicht über 0,02 Gewichtsprozent und
ist damit unproblematisch.
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Im Beispiel 3 wurde eine Wicklung verwendet, die vom gleichen harzvergossenen
Stator stammte wie die im Beispiel 1. Der Reinheitsgrad des Kupfers war aufgrund
der bei Umgebungsatmosphäre eingesetzten Hochfrequenz jedoch schlechter.
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Wie aus einem Vergleich des Beispiels 1 mit dem Vergleichsbeispiel 1 und dem
Beispiel 2 mit dem Vergleichsbeispiel 2 hervorgeht, führt das Fehlen des
Tauchbades in Alkalilösung zu einer vermehrten Bildung von Schlacke, was den
Wiedergewinnungsertrag an Kupfer extrem verringert.
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Der Unterschied bei dem Wiedergewinnungsertrag der Vergleichsbeispiele 1 bis 3
ist auf das Verbleiben von Isolierlackbeschichtung, Lackbeschichtung und Harz an
der Wicklung vor dem Schmelzvorgang zurückzuführen. Daraus geht hervor, dass
das Tauchbad in Alkalilösung (und wahlweise das Entfernen der verbleibenden
Abbauprodukte nach dem Tauchbad) nach der vorliegenden Erfindung zur
Verbesserung des Rückgewinnungsertrages an Kupfer bemerkenswert effektiv ist.
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In den Beispielen 3 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3, in denen der Hochfrequenz-
Schmelzvorgang bei Umgebungsatmosphärendruck durchgeführt wurde, geschah
das Abkühlen ebenfalls bei Umgebungsatmosphärendruck, so dass die Oberflächen
der resultierenden Kupfer-Ingots mit einer dunkelpurpurnen Oxidschicht bedeckt
waren. Selbst nach dem Entfernen der Schicht waren die Oberflächen immer noch
dunkelpurpurn gefärbt. Das zeigt an, dass zum Erzielen von Kupfer mit hohem
Reinheitsgrad ein Sauerstoffausschluss (d. h. eine Abdichtung gegenüber
Sauerstoff) erforderlich ist.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
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Wie aus den oben beschriebenen Beispielen hervorgeht, wird ein nur geringer Anteil
an Schlacke beim Hochfrequenz-Schmelzvorgang erreicht, wenn lackierter
Kupferdraht vor dem Schmelzen mit einer Alkalilösung behandelt wird; dies führt zu einem
hohen Rückgewinnungsgrad des Kupfers. Kupfer mit einem hohen Reinheitsgrad
wird wiedergewonnen, wenn der Hochfrequenzschmelzvorgang bei verringertem
Atmosphärendruck (oder im Vakuum) vorgenommen wird.
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Die vorliegende Erfindung ist bei Wicklungen aus lackierten Kupferdraht
anwendbar, der zusätzlich lackbeschichtet wurde oder in Harz eingebettet ist, wie dies bei
vergossenen Motoren der Fall ist. Damit ist das vorliegende Verfahren ein
wirtschaftlich effektiver Rückgewinnungsprozess für Kupfer, der allgemein für
Wicklungen aus lackierten Kupferdraht anwendbar ist.