DE102007010130B4

DE102007010130B4 - Verfahren und Anordnung zur Separation von magnetischen Teilchen aus einer Substanz

Info

Publication number: DE102007010130B4
Application number: DE102007010130A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Rührig
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: WO2008104445A1; EP2125237B1; PE20081812A1; ZA200904612B; BRPI0807986A2; EP2125237A1; AU2008220931A1; DE102007010130A1; AU2008220931B2; AR065489A1; ATE552050T1; PL2125237T3

Abstract

Verfahren zur magnetischen Separation von magnetischen bzw. magnetisierbaren Teilchen aus einer Substanz, insbesondere zur Reinigung von Magnetteilchen enthaltenden Flüssigkeitsgemischen, wie Suspensionen, Schlämmen oder dgl., mit folgenden Verfahrensschritten:
– die Substanz, insbesondere das Flüssigkeitsgemisch, wird in Kontakt gebracht mit festen Materialien, die bereichsweise magnetisch bzw. magnetisierbar oder nichtmagnetisch bzw. nichtmagnetisierbar sind,
– im Abschnitt des magnetisierbaren Materials werden aus der zu reinigenden Substanz kontinuierlich die magnetischen Bestandteile entnommen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur magnetischen Separation von magnetischen Teilchen aus einer Substanz, insbesondere zur Reinigung von Magnetteilchen enthaltenden Flüssigkeitsgemischen, wie Suspensionen, Schlämmen oder dgl.. Daneben bezieht sich die Erfindung bezieht auch auf zugehörige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Magnetische Separatoren werden benutzt, um in industriellen Prozessen magnetische Bestandteile von unmagnetischen zu trennen. Dabei kann es sich um unerwünschte Verunreinigungen, z. B. Eisen- in Aluminiumschrott beim Aluminium-Recycling, unerwünschte Eisenbestandteile in der Holzverarbeitung oder in der Altreifenverarbeitung, oder speziell um eine gezielte Verwertung bzw. Wiederverwertung von magnetischen Bestandteilen, z. B. Baustahl im Betonrecycling, handeln.
Typischerweise besteht ein derartiger Separator aus einer Einrichtung mit der starke Magnetfeldgradienten generiert werden. Dabei kommen sowohl Elektromagnete als auch Dauermagnete zum Einsatz. Letztere haben den Vorteil, keine eigene Energieversorgung zu benötigen. In einem Magnetfeldgradienten wird auf einen magnetischen Körper eine Kraft ausgeübt, die der Magnetisierung des Körpers und dem Gardienten des Magnetfelds proportional ist. Magnetisch können Körper entweder dadurch sein, dass sie ein eigenes magnetisches Moment tragen, oder durch ein externes Magnetfeld, z. B. das des Gradientenfeldes, magnetisiert werden.
Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Separation von magnetischen bzw. magnetisierbaren Teilchen anzugeben und eine zugehörige Anordnung zu schaffen.
Bezüglich des Verfahrens wird die wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Bezüglich der zugehörigen Anordnung ist die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 7 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur magnetischen Separation von magnetischen Teilchen aus einer Substanz, bei dem die Substanz in Kontakt mit festen Materialien, die bereichsweise magnetisch bzw. magnetisierbar oder nichtmagnetisch bzw. nichtmagnetisierbar sind, gebracht wird und in den Abschnitten des magnetisierbaren Materials aus der zu reinigenden Substanz kontinuierlich die magnetischen Bestandteile entnommen werden.
Vorzugsweise erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Reinigung von Magnetteilchen enthaltenden Gemischen mit fluidischer Konsistenz, wie Suspensionen, Schlämmen oder dgl., wobei sich in diesem Fall die einzelnen Verfahrensschritte einfach ausführen lassen. Insbesondere bewegen sich dabei die magnetisierbaren Bereiche relativ zu der zu reinigenden Substanz in gegenläufige Richtung, d. h. es wird ein Gegenstromprinzip realisiert. Dabei wird vorteilhafterweise das magnetisierbare Material wechselweise in einem ersten Schritt durch eine erstes Feld aufmagnetisiert und in einem zweiten Schritt durch ein zweites Feld abmagnetisiert. Daneben können auch noch weiterreichende Gradientenfelder benutzt werden, um weitere Teilchen, die sich nicht in unmittelbarerer Nähe des magnetisierbaren Materials befinden, anzuziehen.
Bei einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, ein sich kontinuierlich bewegendes endloses Band aus zumindest teilweise in Abschnitten aus magnetisierbarem Material auszubilden, über welches Material die zu reinigenden bzw. zu trennenden Substanzen geführt werden, wobei jeweils kontinuierlich aus den Substanzen die magnetischen Bestandteile entnommen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind insbesondere folgende vorteilhaften Eigenschaften realisiert:

– Beim Bandmaterial handelt es sich vorzugsweise um eine Eisen(Fe)-Basislegierung und zwar typischerweise eine Eisen/Chrom(FeCr)-Legierung mit weiteren Bestandteilen. Als Material kommt also Edelstahl in Betracht, der beispielsweise infolge einer mechanischen Bearbeitung, typischerweise einer Kaltverformung, z. B. Walzen, in einer Kristallstruktur vorliegt, die magnetisch ist. Bei Edelstahl ist dies in der Regel die martensitische Phase, die durch die Kaltverformung ausgebildet bzw. verstärkt wird (sog. Verfestigungsmartensit). Vorteilhafterweise wird dieses Edelstahlband lokal derart modifiziert, dass es seine Magnetisierbarkeit verliert, d. h. unmagnetisch bzw. paramagnetisch wird. Als erfindungsgemäße Modifizierung kommt eine lokale Erwärmung durch elektromagnetische Strahlung (Laser, Infrarotheizer), durch eine induktive Heizung oder durch direkten Kontakt mit einem Heizelement in Betracht. Bei geeigneter Prozessführung kann es dabei zu einer Umwandlung der martensitischen Phase in die austenitische Phase kommen, wobei sich die martensitische Phase insbesondere durch eine andere Kristallstruktur, nämlich eine kubische Struktur, auszeichnet. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist wesentlich, dass die Umwandlungsphase unmagnetisch ist, d. h. nicht magnetisierbar ist.
– Weiter ist eine Magnetisierungseinrichtung vorgesehen, die dem Transportband eine remanente Magnetisierung einprägt, z. B. ein Elektromagnet oder ein Dauermagnet über den das Band geführt wird.
– Durch eine abschnittsweise Wärmebehandlung des Materials ergeben sich eine lokale Variation der Magnetisierung des Materials und damit ein Magnetisierungsgradient was wiederum in einen Feldgradienten in einem austretenden Streufeld verursacht.
– Bringt man das zu separierende Material – wie erwähnt in Form einer Suspension, eines dünnflüssigen Schlammes oder dgl. – auf das Band, so werden die magnetischen Bestandteile des Materials in diesen lokal vorhandene Feldgradienten angezogenen und zu einem gewissen Grad festgehalten. Sie bewegen sich also mit dem Streufeldgradienten des Bandes mit. Erfolgt das Aufbringen im Gegenstrom, reichern sich die Partikel mehr und mehr an, bis eine Art Sättigung erreicht wird.
– Wird das derart mit magnetischen Partikel beladene Band aus dem Bereich des Magnetisierungsfeldes herausgezogen, bleiben die magnetischen Bestandteile auf dem Band, haften, sofern die magnetischen Eigenschaften des Bandmaterials so gewählt wurden, dass eine remanente Magnetisierung auch im feldfreien Zustand erhalten bleibt (hohes Remanenz(Br)/Sättigungs(B_s)-Verhältnis).
– Bei typischen, kaltgewalzten Edelstahlblechen wird letztere Eigenschaft bei Magnetisierung in Band/Walzrichtung erzeugt
– Die derartig separierten Teilchen bleiben auch haften, nachdem das Bandmaterial die Flüssigkeit verlassen hat.
– Erst wenn in einem zweiten Magnetisierungsschritt durch Entmagnetisierung z. B. im Gegenfeld oder in einem abnehmenden Wechselfeld das magnetische Moment des Bandmaterials zum Verschwinden gebracht wird, verschwinden auch der Gradient und damit auch die auf die Partikel wirkenden Kräfte. In diesem Zustand ist es relativ leicht möglich, z. B. durch einen Luftstrom oder mechanisch durch Bürsten, die magnetischen Partikel vom Band zu entfernen.
– Nach diesem Schritt ist das Band wieder bereit erneut magnetisiert zu werden, und erneut Partikel aus der darüber hinweg strömenden Suspension aufzunehmen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines verbesserten magnetischen Separators mit einem umlaufenden Gurtförderer,
2 die Draufsicht auf das für den Gurtförderer verwendetes Material,
3 eine Draufsicht auf lokal wärmebehandelte Bereiche des Materials gemäß 2 und
4 einen Querschnitt des Material gemäß 3 zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Wirkungsweise mit zugehörigen Teilchen im Magnetfeld und einen zugehörigen Ausschnitt im Bereich des Magnetfeldgradienten.
Einrichtungen zur Trennung von magnetischen Bestanteilen aus einer Substanz, insbesondere Substanzen mit fluidischer Konsistenz, sind in vielen Technologiefeldern einsetzbar und werden als magnetische Separatoren bezeichnet. Technisch besonders interessant sind Separatoren, die kontinuierlich arbeiten, und wartungsarm sind.
Nachfolgend wird eine neuartiges Konzept beschrieben, mit dem sich eine Art Flachbett-Separator aus bandförmigen material realisieren lässt, der in der Lage ist, aus über das Flachbettmaterial geleiteten Suspensionen magnetische Partikel zu entnehmen und außerhalb abzulagern. Der Vorteil dieses Separators ist der geringe Energiebedarf, die kontinuierliche Prozessführung, ein geringer Wartungsaufwand und eine hohe Prozesssicherheit.
In 1 ist zur Verwendung als magnetischer Separator eine beispielhaft ausgebildete Fördereinrichtung 1 dargestellt. Diese besteht in bekannter Weise aus einem über zwei Endrollen 2 bzw. 2' umlaufenden Endlosgurtband 3. Das Material des Bandes 3 ist magnetisierbar, worauf weiter unten noch eingegangen wird.
Innerhalb des Gurtbandes 3 sind ein Magnetisierer 4 und ein Entmagnetisierer 5 an geeigneter Stelle angebracht. Magnetisierer 4 und Entmagnetisierer 5 können in bekannter Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Dauermagnet oder als Elektromagnet. Insbesondere der Magnetisierer 4 kann dabei auch so ausgeführt werden, dass er zusätzlich einen hohen Feldgradienten erzeugt, um damit auch Partikel, die sich außerhalb des relativ rasch abfallenden Gradientenfeldes der Fördereinrichtung befinden, in den Wirkbereich des Separators zu bewegen
Es ist weiterhin ein Trichter 6 zur Beschickung des Förderbandes mit einer Substanz 10, die magnetische und/oder magnetisierbare Verunreinigungen enthält, vorhanden. Die Verunreinigungen sind als kleine Kügelchen schematisch dargestellt und beispielhaft mit 11_i bezeichnet. Weiterhin ist eine Aufnahmeeinheit 7 für die von den Verunreinigungen befreite Substanz, die mit 10' bezeichnet ist, vorhanden.
Anhand 2 wird verdeutlicht, dass als Ausgangsmaterial für den magnetischen Separator ein gewalztes Edelstahlblech verwendet werden kann. Beispielsweise ist ein FeCr-Stahl (DIN 4140) geeignet, der nach einer typischerweise vorgenommenen Kaltwalzung martensitisch ist und somit ferromagnetische Eigenschaften hat. Ein solches Band ist mit 21 bezeichnet.
In 3 ist dargestellt, dass ein zur Verwendung beim Separator geeignetes Band 21 unbehandelte Bereiche 22 aufweist, die also entsprechend 2 martensitisch und damit ferromagnetisch sind. Durch lokale Wärmebehandlung mit einer Einrichtung 25 werden in dem Band 21 lokal wärmebehandelte Bereiche erzeugt, die austenitisch und damit paramagnetisch bzw. unmagnetisch sind. Die Einrichtung 25 wird beispielsweise durch einen Laser, durch eine induktive Heizvorrichtung, durch einen Heizdraht oder dergleichen strombetriebene Vorrichtungen gebildet.
Die Wirkung des so vorbehandelten Ausgangsmaterials ergibt sich aus 4: Im Band 21 sind getrennte Bereiche 22 und 23 vorhanden, an dessen Grenzen sich Gradientenfelder bilden. Durch einen Magneten wird ein Magnetfeld in Bandrichtung entsprechend Pfeil 41 eingeprägt, wobei an den Grenzen der Bereiche 22 und 23 jeweils Gradientenfelder 42 ausgeprägt sind.
Anhand der Ausschnittdarstellung der 4 wird verdeutlicht, dass sich die magnetischen bzw. magnetisierbaren Partikel jeweils in Nord-Süd- bzw. Süd-Nord-Richtung ausrichten und dass dabei eine resultierende Kraft entsteht, deren Größe proportional zum Feldgradienten ist. Durch die Einwirkung des Dauermagneten mit umgekehrter Polurig Nord-Süd können somit die Teilchen separiert werden.
Neben der beschriebenen Anordnung, bei der die Teilchen aus einer Substanz auf ein Förderband gebracht werden, lässt sich auch ein umgekehrter Prozess darstellen, bei dem in eine Flüssigkeit mit magnetischen Verunreinigungen, die sich in einem Behälter befindet, eine Einrichtung gebracht wird, welche die oben beschriebenen magnetischen Phänomene aufzeigt. Damit können ebenfalls die magnetischen bzw. magnetisierbaren Teilchen aus der Substanz herausgelöst und separiert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist besonders vorteilhaft, dass sich ein kontinuierlicher Prozess darstellen lässt, bei dem eine einfache Prozessführung vorliegt. Dafür gilt:

– die Magnetisierung und die Entmagnetisierung sind zwei räumlich und örtlich getrennte Prozesse, womit eine einfache Separation erfolgen kann;
– es ist nur ein geringer Energieaufwand notwendig, insbesondere wenn Dauermagnete eingesetzt werden;
– das Band aus Edelstahl ist gleichermaßen korrosions/temperaturbeständig und leitfähig, so dass keine statischen Aufladungen auftreten;
– das verendete Bandmaterial kann ein hohes magnetisches Moment besitzen, z. B. Fe-Legierungen mit 1,5 Tesla Sättigungsmagnetisierung; dadurch lassen sich auf engen Raum hohe Magnetfeldgradienten darstellen (z. B. > 100 T/m), sofern die Dicke der Suspensionsschichtströmung typischerweise wenige mm beträgt;
– die Oberfläche des Bandes ist glatt und eben; sie kann aber auch perforiert werden, um z. B. gezielt Turbulenzen für eine gute Durchmischung einzustellen.

Claims

Verfahren zur magnetischen Separation von magnetischen bzw. magnetisierbaren Teilchen aus einer Substanz, insbesondere zur Reinigung von Magnetteilchen enthaltenden Flüssigkeitsgemischen, wie Suspensionen, Schlämmen oder dgl., mit folgenden Verfahrensschritten: – die Substanz, insbesondere das Flüssigkeitsgemisch, wird in Kontakt gebracht mit festen Materialien, die bereichsweise magnetisch bzw. magnetisierbar oder nichtmagnetisch bzw. nichtmagnetisierbar sind, – im Abschnitt des magnetisierbaren Materials werden aus der zu reinigenden Substanz kontinuierlich die magnetischen Bestandteile entnommen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Verunreinigungen enthaltende Substanz kontinuierlich über eine Strecke geführt wird, die einzelne Abschnitte aus magnetisierbaren Material enthalten,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Behälter mit einem magnetische Verunreinigungen enthaltendem Flüssigkeitsgemisch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Entnahme die magnetischen Bestandteile eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abschnitt des magnetisierbaren Materials Gradientenfelder entstehen, die auf die magnetischen Bestandteile der zu reinigenden Substanz im Sinne einer Separation einwirken.
Verfahren mach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die magnetisierbaren Bereiche relativ zu der zu reinigenden Substanz in gegenläufige Richtung bewegen und eine Reinigung der Substanz im Gegenstromprinzip erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material wechselweise in einem ersten Schritt durch eine erstes Feld aufmagnetisiert und in einem zweiten Schritt durch ein zweites Feld abmagnetisiert wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich kontinuierlich bewegbares Endlosband (3) vorhanden ist, das zumindest einzelne Abschnitte (22, 23) aus magnetisierbarem Material enthält, über das kontinuierlich die magnetischen Bestandteile (11_i ) aus der zu reinigenden Substanz (10) entnommen werden.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das sich endlos bewegende Band ein umlaufendes Förderband (3) ist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das umlaufende Band (3) in einem ersten Schritt zumindest abschnittsweise durch ein erstes äußeres Feld magnetisierbar ist und die Magnetisierung auch nach Abschalten des ersten äußeren Feldes zumindest teilweise erhalten bleibt.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Magnetfeld ein Gradientenfeld ist, dass die zu reinigende Substanz zumindest teilweise durchdringt.
Anordnung nach Anspruch 7 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das umlaufende Band (3) in einem zweiten Schritt durch ein zweites äußeres Feld entmagnetisiert wird, sodass die Magnetisierung näherungsweise verschwindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein statisches Feld und ein Wechselfeld vorhanden sind.
Anordnung nach einem Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, dass Mittel (4, 5) vorhanden sind, um Magnetfelder zu erzeugen, die wechselweise auf ein umlaufendes Band (1–3) einwirken
Anordnung nach Anspruch 7 oder einem der sich daran anschließenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das umlaufende Band (3) aus Edelstahl besteht und eine martensitische Kristallstruktur aufweist, die durch Kaltverformung ausgebildet und/oder verstärkt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetisierbare Abschnitte (22) mit hoher remanenter Magnetisierung entlang einer ersten Richtung jeweils durch einen Abschnitt (23) getrennt sind, der eine deutlich geringere remanente Magnetisierung entlang der ersten Richtung aufweist, als die benachbarten Abschnitte (22).
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (23) paramagnetisch sind
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (22) eine remanente Magnetisierung aufweisen, die in ein zweite Richtung gerichtet ist, die näherungsweise senkrecht zu ersten Richtung zeigt.
Anordnung nach Anspruch 15 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung in Längsachse des Bandes (21) zeigt
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das umlaufende Band (3) aus Edelstahl zumindest partiell eine austenitische Phase hat, die sich durch eine kubische Kristallstruktur auszeichnet.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die austenitische Phase durch lokale Wärmebehandlung erzeugt wird
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abschnitten (23) mit lokaler Wärmebehandlung ein magnetisches Gradientenfeld vorliegt.
Anordnung nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr zur lokalen Wärmebehandlung elektrisch, durch direkten Wärmekontakt, durch Strahlung und/oder induktiv erfolgt.