EP0162834B1

EP0162834B1 - Magnetscheider

Info

Publication number: EP0162834B1
Application number: EP19850890117
Authority: EP
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Fillunger; Stephan Dr. Gründorfer
Original assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Current assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Priority date: 1984-05-22
Filing date: 1985-05-21
Publication date: 1988-07-27
Also published as: ATA168484A; DE3563916D1; AT379525B; EP0162834A2; EP0162834A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetscheider, vorzugsweise zur Trennung von Materialien mit geringen Unterschieden in der magnetischen Suszeptibilität, bestehend aus Erregerspulen zur Schaffung eines Magnetfeldes im Scheidevolumen, in dem die zu trennenden Teilchen einer Gegenkraft und einer Komponente der Magnetkraft ausgesetzt werden.
Die heute industriell verwendeten Magnetscheider sind im allgemeinen gut geeignet, Materialien mit ferromagnetischen oder stark paramagnetischen Eigenschaften von anderen Materialien mit diamagnetischen oder schwach paramagnetischen Eigenschaften zu trennen. Eine Trennung von Materialien mit nur geringen Unterschieden in ihren paramagnetischen Eigenschaften gelingt nur in einigen für Laboratoriumszwecke geeigneten Magnetscheidern.
Aus der US-PS Nr. 2.056.426 über ein derartiges Gerät ist bekannt, daß zur weitgehenden Trennung von Materialien mit geringen Unterschieden in ihren paramagnetischen Eigenschaften ein Magnetfeld notwendig ist, bei den die Kräfte auf Teilchen mit einer bestimmten Volumssuszeptibilität _Ks unabhängig sind vom Ort im betrachtetem Scheidevolumen. Dazu muß ein Gleichgewicht herrschen zwischen der magnetischen Kraft und einer entgegengesetzt gerichteten Gegenkraft auf die Teilchen. Die magnetische Kraft auf ein Teilchen mit der Volumssuszeptibilität _K und dem Teilchenvolumen V ist:
Die Feldgröße f = /B/ - grad H ist eine Beschreibung des Magnetfeldes, sie hat die Dimension einer Kraftdichte (N/m³) und wird als Scheidekraftdichte bezeichnet. Bei dem in der genannten US-PS beschriebenen Magnetscheider wird die Schwerkraft als Gegenkraft benützt, weshalb gefordert wird, daß die Scheidekraftdichte f über das Scheidevolumen konstant sein soll. Das Magnetfeld, das diese Bedingungen erfüllt, wird in dieser Druckschrift als isodynamisches Magnetfeld bezeichnet. Ein solches Magnetfeld wird durch speziell geformte Magnetpolkontur eines Elektromagneten mit Eisenjoch angenähert. Will man als Gegenkraft eine andere Größe wie z. B. die Fliehkraft heranziehen, so muß die Scheidekraftdichte f die gleiche räumliche Verteilung wie die Gegenkraft haben.
Bei Magnetscheidern mit Magnetflußführung durch ein Eisenjoch ist zur Formung des notwendigen Magnetfeldes eine entsprechende Kontur des Eisenjoches notwendig. Bei solchen Magnetscheidern ist die Höhe der magnetischen Induktion im wesentlichen auf die Sättigungsinduktion des Eisenjoches beschränkt. Im Verein mit einer gewünschten Geometrie des Volumens, in dem die Materialien getrennt werden sollen, ist somit die größtmögliche Scheidekraftdichte definiert.
Sind größere Scheidekraftdichten notwendig, so muß bei gleichbleibender Geometrie die maximale magnetische Induktion erhöht werden oder bei gleichbleibender maximaler Induktion die geometrische Abmessung verringert werden.
Eine Vergrößerung der geometrischen Abmessungen zum Zwecke eines größeren Durchsatzes und/oder der Scheidung größerer Kornklassen bedingt eine Erhöhung der maximalen Induktion, wenn die Scheidekraftdichte unverändert bleiben soll. Das hat zur Folge, daß zur Formung des Magnetfeldes nicht mehr ausschließlich das Eisenjoch verwendet werden kann. Die Form des Magnetfeldes wird mit zunehmender Stärke der magnetischen Induktion mehr und mehr von der Lage und der Form der Erregerspulen bestimmt. Die Erhöhung der Induktion erfordert hohe Amperewindungszahlen.
Aus der FR-A-2 467 020 ist ein Verfahren zur Trennung magnetischen von unmagnetischen Teilchen bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein zur Magnetscheidung verwendbarer Magnet beschrieben, der durch seine Anordnung ein hauptsächlich radiales und ein schwaches axiales Magnetfeld im Scheidevolumen erzeugt. Die zu trennenden Teilchen bewegen sich dabei senkrecht zum Magnetfeld und zum Magnetfeldgradienten unter dem Einfluß der Schwerkraft. Die in diesem Magnetscheider entstehenden Magnetfelder und Magnetfeldgradienten sind daher nicht auf die von der Schwerkraft gebildeten Gegenkräfte abgestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magnetscheider zu schaffen, der die Nachteile der obengenannten Magnetfelder vermeidet und ein Magnetfeld erzeugt, bei dem für eine bestimmte Volumssuszeptibilität die hervorgerufene Scheidekraft einer entsprechenden Gegenkraft angepaßt ist, ohne dabei durch die Sättigungsinduktion eines Eisenjoches beschränkt zu sein.
Der erfindungsgemäße Magnetscheider ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Kräftegleichgewicht zwischen der magnetischen Kraft und der entgegengesetzt gerichteten Gegenkraft auf die im Scheidevolumen befindlichen Teilchen erzeugt wird, wobei das Magnetfeld im überwiegenden Ausmaß durch die Form und Lage der Erregerspulen induziert ist.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, die der Erfindung gestellte Aufgabe optimal einer Lösung zuzuführen. Eine kontinuierliche Scheidemöglichkeit für unterschiedlich paramagnetische Materialien ist dadurch gegeben. Darüberhinaus wird eine hohe Trennschärfe bei industriell benötigtem großem Durchsatz erzielt.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Magnetfeld durch rotationssymmetrische Spulen induziert, die symmetrisch zum Scheidevolumen angeordnet und in Bezug auf die Symmetrieebene gegensinnig stromdurchflossen sind und das Scheidevolumen umfassen und der Radius des Zentrums des Scheidevolumens kleiner ist, als der größte Radius der Erregerspulen, jedoch größer als der kleinste Radius der Erregerspulen. Dadurch ist eine einfache Lösung des Problems gegeben, die Geometrie der Magnetspulen festzulegen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Magnetfeld durch langgestreckte Spulen induziert, wobei die Spulenlängsseiten symmetrisch zu einer Symmetrieebene angeordnet sind und das symmetrisch zur Symmetrieebene angeordnete Scheidevolumen umfassen. Diese Merkmale beziehen sich auf eine Scheidekanalanordnung in nicht rotationssymmetrischer Geometrie. Für diese Bedingungen liefert die Spulenanordnung optimale Konstanz der Scheidekraftdichte.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Erregerspulen aus normalleitendem Material hergestellt. Für gewisse Scheideprobleme ist diese Ausführung ausreichend. Sie ist eine wirtschaftlich vertretbare Lösung.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Erregerspulen aus Supraleitern hergestellt. Schwach magnetische Materialien lassen sich nur mit aus Supraleitern erzeugbaren Magnetfeldern trennen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind zur Erhöhung der magnetischen Induktion oder zur Verringerung der Amperewindungszahl ein oder mehrere Eisenkerne oder Eisenjoche vorgesehen. Ebenso sind zur Abschirmung des magnetischen Feldes ein oder mehrere Eisenjoche oder eine normalleitende oder ein supraleitende Fläche vorgesehen. Der Vorteil dieser beiden Merkmale liegt darin, daß eine Verminderung des Streufeldes und eine Erhöhung des Nutzfeldes dadurch gegeben ist.
In der Zeichnung ist an Hand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert.
In der Fig. ist eine rotationssymmetrische Erregerspulenanordnung dargestellt, wobei mit 1 die Rotationsachse und mit 2 die Symmetrieebene bezeichnet ist.
Die Erregerspulen 3 und 5, die oberhalb der Symmetrieebene 2 angeordnet sind, sind z. B. im positivem Sinn stromdurchflossen, die Erregerspulen 4 und 6, die unterhalb der Symmetrieebene 2 angeordnet sind, sind dementsprechend im negativen Sinn stromdurchflossen. Durch diese gegensinnige Durchflutungsanordnung wird der gesamte magnetische Fluß der oberen bzw. der unteren beiden Spulen zwischen den Spulenpaaren 3, 5 und 4, 6 hindurchgedrückt und erzeugt dadurch im ringkanalförmigen Scheidevolumen 7 eine annähernd konstante Scheidekraftdichte. Die Gegenkraft ist in diesem Beispiel die Fliehkraft, die im ringkanalförmigen Scheidevolumen 7 auf die mit der Transportgeschwindigkeit bewegten Teilchen wirkt. Die Überlagerung der Fliehkraft mit den Schleppkräften in der Trägerflüssigkeit, gemeinsam mit der kleinen radialen Ausdehnung des Scheidevolumens, ergeben eine annähernd räumlich konstante Gegenkraft, sodaß sich für Teilchen einer bestimmten Volumssuszeptibilität _Ks durch Einstellung der Durchflußgeschwindigkeit v_o (damit der Fliehkraft) und der Größe der magnetischen Induktion (damit der magnetischen Scheidekraft) ein Kräftegleichgewicht unabhängig vom Ort innerhalb des Scheidevolumens erreichen läßt.
Die magnetische Scheidekraftdichte übt infolge der unterschiedlichen Volumssuszeptibilitäten der zu scheidenden Materialien auf die unterschiedlichen Materialteilchen eine unterschiedliche Kraft aus. Diese magnetische Kraft steht in Konkurrenz zu der für alle Teilchen annähernd gleichen Gegenkraft. Für Materialteilchen mit größerer Volumssuszeptibilität als _Ks überwiegt die magnetische Kraft, während für Materialteilchen mit kleinerer Volumssuszeptibilität als _Ks die Gegenkraft überwiegt.
Wird die Erregerspulenanordnung von der Fig. nicht als rotationssymmetrisches Gebilde betrachtet, sondern als langgestrecktes Gebilde, so ist die Gegenkraft eine Überlagerung der Schleppkräfte im Trägerfluid mit der Schwerkraft.
Aus der Fig. ist weiters ersichtlich, daß im allgemeinen das Scheidevolumen zwischen die Erregerspulen zu liegen kommt. Setzt man konstante Stromdichte über die Querschnitte der Erregerspulen voraus, so läßt sich mit einem Spulenpaar mit nicht rechteckigem Querschnitt bzw. mit mehreren Spulenpaaren mit rechteckigem Querschnitt die gewünschte Konstanz der Scheidekraftdichte über das Scheidevolumen bzw. die gewünschte Anpassung an die räumlich veränderliche Gegenkraft erreichen. Bei verwendung von Spulenpaaren mit unterschiedlichen Stromdichten in den einzelnen beliebig geformten Spulenteilquerschnitten läßt sich die gewünschte Konstanz der Scheidekraftdichte über das Scheidevolumen bzw. die gewünschte Anpassung an die räumlich veränderliche Gegenkraft erreichen.

Claims

1. Magnetscheider, vorzugsweise zur Trennung von Materialien mit geringen Unterschieden in der magnetischen Suszeptibilität, bestehend aus Erregerspulen (3, 5 bzw. 4, 6) zur Schaffung eines Magnetfeldes im Scheidevolumen (7), in dem die zu trennenden Teilchen einer Gegenkraft und einer Komponente der Magnetkraft ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kräftegleichgewicht zwischen der magnetischen Kraft und der entgegengesetzt gerichteten Gegenkraft auf die im Scheidevolumen (7) befindlichen Teilchen erzeugt wird, wobei das Magnetfeld im überwiegenden Ausmaß durch die Form und Lage der Erregerspulen (3, 5 bzw. 4, 6) induziert ist.

2. Magnetscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch rotationssymmetrische Spulen (3, 5 bzw. 4, 6) induziert ist, die symmetrisch zum Scheidevolumen (7) angeordnet und in Bezug auf die Symmetrieebene (2) gegensinnig stromdurchflossen sind und das Scheidevolumen (7) umfassen und der Radius des Zentrums des Scheidevolumens (7) kleiner ist als der größte Radius der Erregerspulen (5, 6), jedoch größer als der kleinste Radius der Erregerspulen (3, 4).

3. Magnetscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch langgestreckte Spulen induziert ist, wobei die Spulenlängsseiten symmetrisch zu einer Symmetrieebene angeordnet sind und das symmetrisch zur Symmetrieebene angeordnete Scheidevolumen umfassen.

4. Magnetscheider nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen (3, 4, 5, 6) aus normalleitendem Material hergestellt sind.

5. Magnetscheider nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen (3, 4, 5, 6) aus Supraleitern hergestellt sind.

6. Magnetscheider nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der magnetischen Induktion oder zur Verringerung der Amperewindungszahl ein oder mehrere Eisenkerne oder Eisenjoche vorgesehen sind.

7. Magnetscheider nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung des Magnetfeldes ein oder mehrere Eisenjoche oder eine normalleitende oder eine supraleitende Fläche vorgesehen sind.