ITMI20102098A1 - Cernitrice per materiali ferromagnetici con rullo magnetico eccentrico - Google Patents
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Description
CERNITRICE PER MATERIALI FERROMAGNETICI CON RULLO MAGNETICO ECCENTRICO
La presente invenzione riguarda le macchine per la cernita dei materiali in base alle loro proprietà magnetiche, ed in particolare una cernitrice con rullo magnetico eccentrico avente posizione e velocità regolabile.
È noto che una cernitrice magnetica à ̈ studiata per estrarre da un flusso di materiali misti tutte quelle parti che hanno permeabilità magnetica, in modo da separarle dal resto del materiale inerte. Una tipica cernitrice per materiali ferromagnetici à ̈ costituita essenzialmente da una puleggia magnetica, avente funzione di rullo motore, che trascina un nastro il quale convoglia una miscela di materiali, il nastro essendo chiuso ad anello su un rullo folle di rinvio.
Per la selezione del materiale si utilizzano pulegge magnetiche a vario gradiente di campo magnetico in grado di separare materiali con alta o bassa permeabilità magnetica. Con un basso gradiente di campo si attraggono solo materiali con alta permeabilità magnetica, mentre con un alto gradiente di campo si attraggono materiali sia ad alta permeabilità magnetica che a bassa permeabilità magnetica.
Un problema delle cernitrici di tipo noto, in particolare quelle con puleggia ad alto gradiente di campo, à ̈ che il materiale trattenuto dalle polarità corrispondenti rimane vincolato a tali polarità fino a che il nastro trasportatore si allontana dal rullo determinando un distacco del materiale attratto in una zona molto ristretta. Ne consegue che sia il materiale a bassa permeabilità magnetica che il materiale ad alta permeabilità magnetica cadono nella stessa zona e devono essere successivamente separati.
Un altro inconveniente deriva dal fatto che i materiali magnetici portano con sé una parte del materiale inerte, poiché questo resta pinzato fra l’induttore (le polarità alterne del rullo) e l’indotto (il materiale magnetico attratto). Anche in questo caso à ̈ quindi necessaria una ulteriore lavorazione per migliorare la qualità del materiale selezionato.
Un altro tipo di cernitrice magnetica à ̈ la cernitrice a correnti di Foucalt che viene usata per separare i materiali amagnetici ma elettricamente conduttivi quali alluminio, rame, ottone, etc. In questo caso à ̈ previsto un rullo magnetico che ruota ad alta velocità all’interno di un tubo amagnetico sul quale si avvolge il nastro trasportatore.
La velocità di rotazione del rullo deve essere molto elevata (almeno 1500 giri/min) per indurre nei materiali conduttori le correnti di Foucalt che a loro volta per effetto della rapida variazione del campo magnetico generano una repulsione di tali materiali che vengono così separati dalla miscela. Inoltre per avere la massima efficienza operativa lo spazio tra il rullo magnetico ed il tubo amagnetico deve essere il minimo possibile, e ciò può provocare problemi di surriscaldamento a causa della elevata velocità di rotazione relativa tra i due elementi.
La richiedente ha già ideato una cernitrice per materiale ferromagnetici, descritta in WO 2005/120714, in cui il rullo di rinvio funge da rullo motore del nastro che si avvolge su un tubo folle in materiale amagnetico all’interno del quale un rullo magnetico può ruotare ad una velocità differente da quella del tubo. La struttura di una tale cernitrice à ̈ quindi analoga alla struttura di una cernitrice a correnti di Foucalt ma in questo caso i mezzi che regolano la velocità del rullo magnetico lo fanno ruotare in un intervallo di velocità completamente differente, poiché la velocità angolare del rullo magnetico à ̈ compresa in un intervallo tra l’1% ed il 200% della velocità angolare del nastro ed in ogni caso diversa dal 100% della velocità angolare del nastro.
Il controllo della velocità del rullo rispetto alla velocità del nastro permette di ottenere uno scorrimento relativo che riduce di molto l’effetto di pinzatura e quindi la probabilità di trascinare materiale inerte insieme con il materiale magnetico. Inoltre, lo scorrimento controllato permette anche di ottenere una selezione immediata dei materiali che hanno diversa permeabilità magnetica, aprendoli a ventaglio nella zona di scarico con un rilascio progressivo dei materiali a permeabilità crescente.
Questa cernitrice costituisce un grande miglioramento rispetto alle cernitrici di tecnica nota aventi una struttura tradizionale, tuttavia presenta ancora l'inconveniente di non essere in grado di separare con precisione materiali con piccole differenze di permeabilità magnetica. In altre parole, la sola regolazione dello scorrimento relativo à ̈ insufficiente ad ottenere una efficace separazione di materiali con magneticità molto simile. Inoltre, l'intervallo dei valori di permeabilità magnetica entro il quale la cernitrice può operare à ̈ limitato da tale regolazione dello scorrimento relativo.
Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire una cernitrice che sia esente da tali inconvenienti. Detto scopo viene conseguito mediante una cernitrice avente una struttura analoga a quella descritta in WO 2005/120714 ma comprendente inoltre mezzi per la regolazione della posizione del rullo magnetico in modo tale che la distanza di quest'ultimo dal nastro decresce progressivamente tra la posizione angolare in cui il nastro entra in contatto con il tubo folle e la posizione angolare in cui il nastro si allontana dal tubo folle, così da determinare un progressivo aumento del campo magnetico e del conseguente gradiente di campo.
Il vantaggio principale di questa cernitrice deriva dal fatto che la regolazione della eccentricità del rullo magnetico permette di ottimizzare la separazione dei materiali più o meno magnetici anche quando le differenze di magneticità sono molto piccole.
Un secondo grande vantaggio di tale regolazione à ̈ la possibilità di ottenere questa ottimizzazione anche a differenti velocità del nastro trasportatore e quindi per diverse portate del materiale da selezionare.
Un terzo importante vantaggio risulta dalle numerose combinazioni possibili tra i tre parametri operativi della macchina: eccentricità del rullo magnetico, velocità del rullo magnetico e velocità del nastro trasportatore. Tali combinazioni consentono alla presente cernitrice di operare efficacemente su una vasta gamma di prodotti con permeabilità magnetica molto diversa, dai materiali a media-elevata permeabilità magnetica (macinatura di veicoli, ceneri, etc.) ai materiali a bassa permeabilità magnetica quali i materiali usati nel settore minerario per l’estrazione e concentrazione dell’ematite (Fe2O3).
Ulteriori vantaggi e caratteristiche della cernitrice secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:
la Fig.1 Ã ̈ una vista schematica in sezione longitudinale che mostra la struttura generale della cernitrice;
la Fig.2 Ã ̈ una vista schematica in sezione longitudinale che mostra come agiscono le forze sul materiale da separare ed il risultante effetto di separazione e selezione del materiale ottenuto con la suddetta cernitrice;
la Fig.3 à ̈ una vista frontale parzialmente in sezione della disposizione del rullo magnetico all’interno del tubo folle;
la Fig.4 Ã ̈ una vista laterale degli elementi di Fig.3; e
la Fig.5 Ã ̈ una vista schematica prospettica del rullo magnetico.
Facendo riferimento alle figg.1 e 2, si vede che una cernitrice magnetica secondo la presente invenzione comprende tradizionalmente un nastro trasportatore 1 che forma un anello chiuso attorno ad un rullo magnetico 2 e ad un rullo di rinvio 3 per convogliare una miscela di materiali. In tale miscela le proprietà magnetiche dei materiali sono state graficamente indicate nel modo seguente: l’asterisco per il materiale a bassa permeabilità magnetica, il cerchio per il materiale a media permeabilità magnetica ed il triangolo per il materiale ad alta permeabilità magnetica.
Come accennato in precedenza, questa cernitrice per materiali ferromagnetici ha una struttura analoga alla cernitrice descritta in WO 2005/120714: il nastro 1 non à ̈ mosso dal rullo 2 ma dal rullo di rinvio 3 che à ̈ motorizzato, e non si avvolge direttamente sul rullo 2 ma su un tubo folle 4 in metallo amagnetico (es. acciaio inox) all’interno del quale à ̈ disposto il rullo 2.
L'aspetto innovativo della presente invenzione à ̈ dato dalla presenza di mezzi di regolazione della posizione del rullo magnetico 2 all’interno del tubo folle 4 in modo tale che il nastro 1 si avvicini progressivamente alla superficie del rullo magnetico 2 durante il suo percorso lungo l'arco di 180° in cui à ̈ in contatto con il tubo folle 4.
Le forze che agiscono sul materiale da separare sono illustrate nello schema di Fig.2 come segue:
Fc = forza centrifuga
Fa = forza di attrazione magnetica
Fg = forza di gravitÃ
R = risultante
Delle tre suddette forze che si combinano nella risultante R, due sono costanti lungo l'arco di contatto del nastro 1 col tubo 4 mentre la terza cresce progressivamente. Infatti la forza di gravità Fg à ̈ ovviamente costante in modulo e direzione, poichà ̈ dipende solo dalla massa del materiale, e la forza centrifuga Fc à ̈ sempre perpendicolare alla superficie del tubo 4 orientata verso l'esterno come direzione ed à ̈ costante in modulo poiché dipende solo dalla velocità Vn del nastro 1.
Al contrario, la forza di attrazione magnetica Fa à ̈ sempre perpendicolare alla superficie del tubo 4 orientata verso l'interno come direzione ma varia come modulo lungo il percorso poiché à ̈ direttamente proporzionale al prodotto del campo magnetico per il gradiente di campo magnetico. Ne consegue che con il progressivo diminuire della distanza tra la superficie del rullo magnetico 2 e la superficie del nastro 1 tale prodotto può crescere da poche decine di migliaia di Oe<2>/cm fino ad oltre 20 milioni di Oe<2>/cm, per cui la cernitrice à ̈ in grado di agire efficacemente su materiali contigui in un amplissimo spettro di permeabilità magnetica.
Si noti che Fa dipende anche da altri fattori, ovvero lo scorrimento relativo tra il rullo magnetico 2 ed il nastro 1 ed il fattore di forma del singolo pezzo di materiale ferromagnetico, ma una volta impostati tutti i tre parametri di funzionamento della cernitrice (Vn, posizione e velocità del rullo magnetico 2) la variazione della risultante R che agisce su ciascun pezzo di materiale dipende solo dalla posizione che il pezzo ha raggiunto nel suo percorso attorno al rullo magnetico 2.
Nell'esempio illustrato in Fig.2 si vede che per il materiale a bassa permeabilità magnetica indicato con l'asterisco la forza centrifuga à ̈ predominante e ne provoca rapidamente l'allontanamento dal nastro 1 lungo una tangente dopo un arco di circa 45°, per il materiale a media permeabilità magnetica indicato con il cerchio la forza centrifuga vince la forza di attrazione magnetica dopo un arco di circa 90° ed il materiale cade quasi verticalmente, e per il materiale ad alta permeabilità magnetica indicato con il triangolo la forza di attrazione magnetica à ̈ così elevata da vincere sulla forza centrifuga e sulla forza di gravità , per cui il materiale si distacca dal nastro 1 solo dopo un arco di circa 180°.
Come illustrato nelle figure 3 e 4, il rullo magnetico 2 à ̈ sostenuto nelle parti terminali del suo albero 6 da cuscinetti 5 alloggiati in supporti eccentrici 7 che possono essere ruotati e poi bloccati nella posizione voluta mediante ganasce 8. In questo modo, gli assi di riferimento A-A dei supporti eccentrici 7 possono essere ruotati di ±90° rispetto alla verticale per determinare l’andamento dell’azione magnetica del rullo 2 nella zona operativa secondo lo schema di fig.2.
Il tubo folle 4 in metallo amagnetico à ̈ a sua volta sostenuto alle estremità da supporti ad anello 10 montati su cuscinetti 9 disposti sulla superficie esterna dei supporti eccentrici 7. Questi cuscinetti 9 reggono quindi il tubo folle 4 e gli permettono di ruotare sul proprio asse fisso, trascinato dal nastro 1, indipendentemente dal rullo magnetico 2 la cui velocità à ̈ controllata tramite un motoriduttore 11, o simili, in modo che la velocità angolare del rullo magnetico 2 sia compresa fra lo 0% ed il 200% della velocità angolare del nastro 1. Nel caso in cui la velocità angolare del rullo magnetico 2 sia la stessa del tubo folle 4 e quindi del nastro 1 non vi sarà scorrimento relativo, mentre se tale velocità angolare à ̈ diversa dal 100% la differenza di velocità si traduce in una rotazione relativa tra il rullo 2 ed il tubo 4.
Lo scopo di questa differenza à ̈ quello di ottenere due superfici con scorrimento relativo e quindi due diverse velocità tali per cui il materiale attratto, durante il percorso individuato nei 180° di tangenza alla zona magnetica, a causa dell’arretramento o avanzamento delle polarità magnetiche tende a ruotare indietro o in avanti rispetto alla direzione di movimento del nastro. Questo effetto sul materiale attratto favorisce il summenzionato rilascio progressivo dei materiali a permeabilità crescente, con un distacco a ventaglio che li porta a cadere in distinte zone di caduta, senza che l’effetto di pinzatura provocato da materiali a maggiore permeabilità magnetica influenzi la zona di caduta.
Si noti che sebbene la forma realizzativa preferita preveda l’uso del motoriduttore 11 per regolare la velocità del rullo 2, tale velocità potrebbe pure essere regolata (anche se su un intervallo di velocità minore) semplicemente tramite una frizione calettata sull’albero 6 del rullo 2. Infatti, in assenza del motoriduttore 11, il passaggio stesso del materiale ferromagnetico sul nastro 1 tende a trascinare in rotazione il rullo 2 che essendo folle ha solo l’attrito di rotolamento dei cuscinetti 5, una volta superata l’inerzia iniziale.
Ovviamente ciò à ̈ possibile solo se la miscela di materiale da separare presenta una sufficiente concentrazione di materiale ferromagnetico, mentre se la concentrazione à ̈ bassa o il materiale presente ha bassa permeabilità magnetica il rullo 2 potrebbe essere del tutto privo di mezzi di motorizzazione o frizione dato che à ̈ sufficiente l’attrito dei cuscinetti 5 e/o l’inerzia a mantenere la sua velocità inferiore alla velocità del nastro 1.
Chiaramente in questi due casi la velocità del rullo 2 può solo essere inferiore a quella del nastro 1, ma in generale anche con il motoriduttore 11 risulta preferibile far ruotare il rullo 2 ad una velocità inferiore al nastro 1 anche se la motorizzazione gli può consentire di ruotare ad una velocità superiore qualora ciò fosse utile per una più efficace selezione dei materiali.
Indipendentemente dal tipo di rullo 2 utilizzato (motorizzato, frizionato o folle), esso à ̈ preferibilmente composto da un cilindro ferromagnetico 12 sulla cui superficie esterna sono montate file longitudinali a polarità alterne Nord-Sud, in senso circonferenziale, di magneti permanenti a forma di parallelepipedo realizzati in terre rare (per esempio Ferro-Boro-Neodimio) come nella forma realizzativa illustrata in fig.5.
Un'altra possibile forma realizzativa, non illustrata, à ̈ con i magneti disposti a scacchiera, ovvero con polarità alterne Nord-Sud anche in senso longitudinale in una stessa fila, ma essa non à ̈ preferita poiché la variazione del gradiente di campo anche in senso longitudinale può rendere meno omogenea la separazione del materiale lungo la larghezza del nastro 1.
Si noti che sebbene nell'esempio illustrato l'eccentricità del rullo magnetico 2 rispetto al tubo folle 4 sia solo in direzione verticale, sarebbe possibile prevedere anche una eccentricità in direzione orizzontale. Inoltre, benché in generale le file di magneti siano disposte lungo l'intera circonferenza del cilindrico ferromagnetico 12, per la separazione di materiali ad alta e altissima permeabilità magnetica il rullo magnetico 2 potrebbe anche stare fermo per cui le file di magneti potrebbero essere disposte anche solo lungo un arco di 180°-210°.
In pratica, la cernitrice secondo la presente invenzione può operare su una miscela di materiali ferromagnetici ottenuta mediante la summenzionata cernitrice nota descritta in WO 2005/120714 e tramite una corretta taratura dei suoi parametri di funzionamento ottenere una precisa separazione di tali materiali. Infatti la presente cernitrice riesce a far staccare dal nastro per traiettoria naturale il materiale a minor permeabilità magnetica quale ruggine e inerti intrisi di polvere di ferro (asterisco), poi a far cadere quasi verticalmente i pezzi di acciaio ferromagnetico conglobati fisicamente in pezzi di inerte (cerchio) che finirebbero per sporcare l’acciaio commerciabile ed alla fine, nella zona di recupero, l’acciaio commerciabile (triangolo) in cui la forza di attrazione magnetica prevale nella sommatoria delle forze.
Grazie a questa innovativa cernitrice la percentuale di recupero e concentrazione dell'acciaio commerciabile à ̈ molto elevata, indicativamente maggiore del 90%, e per questo tipo di materiali il rullo magnetico 2 preferibilmente rimane fermo per cui il motoriduttore 11 può essere assente ed i magneti possono coprire anche un arco limitato del cilindro 12, per esempio 210° come sopra menzionato. Inoltre, la variazione del prodotto del campo magnetico per il gradiente di campo magnetico à ̈ preferibilmente compresa fra 50.000 Oe<2>/cm e 6.000.000 di Oe<2>/cm.
All'estremo opposto, la stessa cernitrice può operare per la separazione e concentrazione dell’ematite (Fe2O3) che in natura si trova in forma di terriccio concentrato al 60 ÷ 70% mischiato con un 25 ÷ 30% di ossido di silicio (SiO2), il resto essendo formato da ossido di alluminio (Al2O3), ossido di manganese ed altri ossidi. Per rendere utilizzabile l’ematite nella produzione della ghisa senza l'uso di altoforni à ̈ necessario raggiungere una concentrazione attorno al 90%, che attualmente viene ottenuta partendo da minerali molto rari e costosi in cui l'ematite à ̈ già presente al 75 ÷ 80% e tramite l'impiego di grossi cernitrici magnetiche (ad esempio i modelli "Ferrous Wheel" della Eriez di Erie, PA-USA) in cui à ̈ necessario l’uso di acqua per separare l’ematite concentrata dal resto del materiale.
La presente invenzione permette di superare tali limiti delle cernitrici note e di operare a secco partendo dal terriccio a minore concentrazione, rendendo quindi l’operazione più semplice ed economica. In questo caso il rullo magnetico 2 à ̈ completamente ricoperto da magneti e viene fatto ruotare ad una velocità angolare che può essere identica o molto prossima alla velocità angolare del nastro 1. La forza di attrazione magnetica in questo caso varia all'incirca nell'intervallo 3 ÷ 23 * 10<6>Oe<2>/cm e quindi à ̈ in grado di agire su materiali a bassa e bassissima permeabilità magnetica.
Alla luce di quanto sopra risulta evidente che i materiali a media-alta permeabilità magnetica si separano preferibilmente a velocità angolare del rullo magnetico 2 prossima allo 0% della velocità del nastro 1 mentre i materiali a bassa-bassissima permeabilità magnetica si separano preferibilmente ad una velocità angolare del rullo magnetico 2 prossima al 100% della velocità del nastro 1. Di conseguenza, i materiali a permeabilità magnetica intermedia sono preferibilmente separati a velocità angolare del rullo magnetico 2 proporzionalmente intermedia fra lo 0% ed il 100% della velocità del nastro 1, ma à ̈ possibile prevedere l’uso di velocità >100% fino ad un massimo del 200% in alcuni casi particolari.
È chiaro che le forme realizzative della cernitrice magnetica secondo l'invenzione sopra descritte ed illustrate costituiscono solo esempi suscettibili di numerose variazioni. In particolare, il rullo 2 à ̈ preferibilmente del tipo a magneti permanenti e può essere realizzato con magneti di diversa natura e con circuitazioni magnetiche diverse, ma potrebbe anche essere di tipo elettromagnetico.
Analogamente, il nastro 1, il tubo 4 ed il rullo motore 3 possono essere modificati secondo specifiche esigenze costruttive, e può essere previsto più di un rullo di rinvio a seconda della forma e/o della lunghezza del nastro 1.
Claims (8)
- RIVENDICAZIONI 1. Cernitrice per materiali ferromagnetici comprendente un nastro trasportatore (1) che forma un anello chiuso attorno ad un rullo magnetico (2) e ad almeno un rullo di rinvio (3) motorizzato, detto nastro trasportatore (1) non avvolgendosi direttamente su detto rullo magnetico (2) ma su un tubo folle (4) in metallo amagnetico all’interno del quale il rullo magnetico (2) à ̈ disposto e rispetto al quale può scorrere, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi per la regolazione della posizione del rullo magnetico (2) in modo tale che la distanza di quest'ultimo dal nastro trasportatore (1) decresce progressivamente tra la posizione angolare in cui il nastro trasportatore (1) entra in contatto con detto tubo folle (4) e la posizione angolare in cui il nastro trasportatore (1) si allontana dal tubo folle (4).
- 2. Cernitrice secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi per controllare la velocità angolare del rullo magnetico (2) in un intervallo tra lo 0% ed il 200% della velocità angolare del nastro (1).
- 3. Cernitrice secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che i mezzi per controllare la velocità angolare del rullo magnetico (2) consistono in un motoriduttore (11).
- 4. Cernitrice secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che i mezzi per controllare la velocità angolare del rullo magnetico (2) consistono in una frizione calettata sull’albero (6) del rullo magnetico (2).
- 5. Cernitrice secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il rullo magnetico (2) Ã ̈ sostenuto nella parte terminale del suo albero (6) da cuscinetti (5) alloggiati in supporti eccentrici (7) che possono essere ruotati e poi bloccati nella posizione voluta mediante ganasce (8).
- 6. Cernitrice secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che il tubo folle (4) à ̈ sostenuto alle estremità da supporti ad anello (10) montati su cuscinetti (9) disposti sulla superficie esterna dei supporti eccentrici (7).
- 7. Metodo di funzionamento di una cernitrice per materiali ferromagnetici comprendente un nastro trasportatore (1) che forma un anello chiuso attorno ad un rullo magnetico (2) e ad almeno un rullo motorizzato di rinvio (3), detto nastro (1) avvolgendosi su un tubo folle (4) in metallo amagnetico all’interno del quale detto rullo magnetico (2) à ̈ disposto e rispetto al quale può scorrere, mezzi essendo previsti per la regolazione della posizione del rullo magnetico (2), detto metodo comprendendo le fasi di: a) posizionare il rullo magnetico (2) in modo tale che la distanza di quest'ultimo dal nastro (1) decresce progressivamente tra la posizione angolare in cui il nastro (1) entra in contatto con detto tubo folle (4) e la posizione angolare in cui il nastro (1) si allontana dal tubo folle (4), e b) azionare il rullo motorizzato di rinvio (3) in modo tale che il nastro (1) avanzi ad una velocità (Vn) desiderata.
- 8. Metodo di funzionamento di una cernitrice per materiali ferromagnetici secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre la fase di: c) ruotare il rullo magnetico (2) ad una velocità angolare compresa in un intervallo tra lo 0% ed il 200% della velocità angolare del nastro (1).
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