DE19649154C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Trennschärfe von Wirbelstromscheidern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Trennschärfe von Wirbelstromscheidern, mit dem vereinzelte Teilchen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit aus einem Gutsstrom in einem bewegten Magnetfeld abgeschieden werden, das unter dem Gutstrom erzeugt und in horizontaler Richtung bewegt wird.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld induziert in einem Leiter eine Spannung. Der so erzeugte Stromfluß, Wirbelstrom genannt, erzeugt wiederum ein Magnetfeld, das dem erzeugenden Magnetfeld entgegengerichtet ist. Bewegt sich das erzeugende Magnetfeld in geeigneter Weise oder besitzen die Feldlinien des erzeugenden Feldes eine geeignete Form, so wird auf den Leiter eine Kraft ausgeübt, die im folgenden als Induktionskraft bezeichnet wird.

Zum Stand der Technik gehören nach diesem Prinzip arbeitende Wirbelstromscheider, die jedoch erst seit den letzten Jahren Anwendung finden, da erst in dieser Zeit ausreichend starke permanentmagnetische Werkstoffe zur Verfügung stehen. Heute ist die Wirbelstromscheidung neben der Magnetscheidung ein wichtiges Verfahren in der Recyclingtechnik.

Auf Grund dieser Verfahren wurde in den 70-er Jahren ein Rutschenscheider entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Rutsche mit schräg aufgebrachten Magnetstreifen, die die auf der Rutsche sich bewegenden elektrisch leitenden Teilchen aus der Fallinie heraus ablenken. Für die technische Anwendung ist aber zum einen die Kraftwirkung auf die elektrisch leitenden Teilchen zu gering, zum anderen ist der Durchsatz nicht ausreichend.

Verschiedene weitere Ansätze führten über Linearmotoren und pulsierende Elektromagneten zum permanentmagnetbestückten Rotor. Hierbei sitzt im Kopf eines Förderbandes ein in bezug auf die Förderbandbewegung um ein Vielfaches schneller rotierender magnetbestückter Rotor, ein sogenannter Magnetrotor, der die leitenden Teilchen in Förderbandrichtung aus dem Gutstrom heraus beschleunigt, wie in Fig. 2 der Zeichnung gezeigt. Siehe hierzu die folgenden Druckschriften:
DE 34 16 504 A1
Andres, U.: Trennung von Nichteisen­ metallschrott (Abschnitt 3.1) In: Aufbereitungstechnik 35 (1994) Nr. 2, S. 73
Tiltmann, K. O.: Recycling betrieblicher Abfälle Teil 5/2.2.1, S. 1 bis 6
WEKA Fachverlag für technische Führungskräfte GmbH, Augsburg, Okt. 1993.

Eine Variation dieser Bauart besteht darin, den Magnetrotor in der Kopfbandrolle exzentrisch und beweglich anzuordnen, wie in Fig. 3 der hier beigefügten Zeichnung dargestellt. Dadurch läßt sich die Rotorposition aufgabegutsspezifisch optimieren. Einen ähnlichen Effekt erzielen andere Hersteller, indem sie das Förderband und damit die Gutsaufgabe nicht horizontal gestalten. Eine horizontal verschiebbare Rolle ermöglicht die Variation des Bandwinkels in einem Bereich zwischen ca. 5° und 15°, wie aus Fig. 4 der hier beigefügten Zeichnung ersichtlich.

Die obigen bekannten Verfahrensweisen und Vorrichtungen zu ihrer Durchführung können jedoch insgesamt, sowohl was Wirkungsgrad als auch was technische Brauchbarkeit anbelangt, nicht voll befriedigen, wie im folgenden im Hinblick auf die Wirkungsweise der Wirbelstromscheidung näher erläutert wird.

Die unterschiedliche Flugbahn der Teilchen, speziell die Wurfweite, ermöglicht die Separation der Teilchen. Auf das Teilchen wirken dabei die Gewichtskraft F_G, die Induktionskraft F_I und die Widerstandskraft F_η ein. Primär von Bedeutung sind Gewichtskraft und Induktionskraft. Die Form der Teilchen sowie die Stoffeigenschaften, wie Leitfähigkeit κ und Dichte ρ, bestimmen das Verhältnis von Induktionskraft zu Gewichtskraft. Das Trennkriterium bei der Abscheidung der Teilchen aus einem Teilchenstrom ist demnach das Verhältnis κ/ρ. Die Gewichtskraft wirkt zu jedem Zeitpunkt in Fallrichtung auf das Teilchen. Die Induktionskraft wirkt immer in Bewegungsrichtung des Magnetfeldes, d. h. bei Verwendung eines Magnetrotors tangential zur Rotationsrichtung. Je nach Position des Teilchens ergibt sich eine andere Richtung der Induktionskraft im x/y-Koordinatensystem bzw. relativ zur Gewichtskraft. Bei der Bauweise der bekannten Wirbelstromscheider variiert der Winkel, den die beiden Kräfte im Verlauf der Teilchenflugbahn einschließen, um nahezu 180°. Bis zum Abheben des Teilchens wirkt die Induktionskraft nahezu entgegengesetzt zur Gewichtskraft. Befindet sich das Teilchen über dem Magnetrotor, so wirkt die Kraft horizontal in Förderbandbewegungsrichtung, das Teilchen wird somit in x-Richtung aus dem Gutsstrom herausbeschleunigt. Befindet sich das Teilchen auf der anderen Seite des Magnetrotors, so wird es sogar in Richtung der Gewichtskraft beschleunigt. Zu beachten ist weiterhin, daß die Induktionskraft exponential mit dem Abstand zur Magnetpoloberfläche abnimmt. Wird der Magnetrotor gegenläufig betrieben, was insbesondere bei kleinen Teilchen notwendig ist, so dreht sich die Richtung der Induktionskraft um. Die Wirkung der sich in Abhängigkeit von der Zeit ändernden Richtung der Induktionskraft bleibt jedoch in gleichem Maße bestehen.

Betrachtet man zwei Teilchen mit unterschiedlicher Ausprägung des Trennfaktors κ/ρ, so hebt das Teilchen mit dem größeren Trennfaktor früher vom Förderband ab und wird schneller gegen die Gewichtskraft aus dem Gutsstrom heraus beschleunigt. Im für die Flugweite mitentscheidenden Bereich ist das Teilchen jedoch weiter von der Poloberfläche entfernt, so daß die Beschleunigung in Förderbandrichtung wesentlich geringer sein kann als bei Teilchen mit einem kleineren Trennfaktor. Dies kann dazu führen, daß Teilchen mit kleinerem Trennfaktor eine höhere Flugweite erzielen. Es existiert demnach ein optimaler Trennfaktor in bezug auf die Wurfweite. Bin höherer oder niedrigerer Faktor führt zu geringeren Wurfweiten. Daraus ergibt sich, daß eine Trennung nach dem Trennfaktor in den bisher bekannten Wirbelstromscheiderkonstruktionen nicht möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Wirbelstromscheiderbauart zu entwickeln, die eine Trennung entsprechend dem stofflichen Trennfaktor κ/ρ ermöglicht. Um die Trennschärfe bei der Wirbelstromsortierung entscheidend zu verbessern, muß also eine Vorrichtung so konzipiert werden, daß Beschleunigung und Auslenkung der Teilchen aus dem Gutsstrom entsprechend dem Trennfaktor erfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, was das Verfahren anbelangt, durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1 gelöst, und was die Vorrichtung anbelangt, durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 4.

Abstrahiert man die obigen Lösungsmerkmale, so ist festzustellen, daß die Induktionskraft, die auf ein Teilchen im relevanten Bereich wirkt, senkrecht zu seiner Gewichtskraft einwirken sollte, und der Winkel, der die Vektoren dieser Kräfte einschließt, für verschieden ausgeprägte Trennfaktoren im relevanten Bereich konstant gehalten wird, um eine optimale Abscheidung bzw. Trennung der verschiedenen Teilchen beim Wirbelstromscheiden sicherzustellen.

Dadurch wird der Einfluß der bisher beim Stande der Technik aufgetretenen Faktoren, die sich durch die drei folgenden Erscheinungen kennzeichnen lassen, nämlich die Änderung der Richtung der Induktionskraft auf der Flugbahn des Teilchens, die Änderung des Abwurfpunktes je nach Ausprägung des Trennfaktors und die exponentielle Abnahme der magnetischen Flußdichte in radialer Richtung der Magnettrommel, vollständig eliminiert.

Da die Schwerkraft immer in vertikaler Richtung wirkt, sollte die Induktionskraft erfindungsgemaß horizontal wirken. Dies gilt vor allem in dem Bereich des Scheiders, in dem die Teilchen aus ihrer Schwerkraftbewegung ausgelenkt werden. Dieser Bereich ist gleichzeitig der Bereich der größten Krafteinwirkung. Die Kombination dieser verfahrenstechnischen Merkmale wird erfüllt, wenn der zu separierende bzw. fraktionierende Gutsstrom nicht horizontal sondern vertikal geführt wird, und das Magnetfeld sich horizontal unter dem Gutsstrom hindurchbewegt. In diesem Fall wirkt die Induktionskraft immer senkrecht zur Gewichtskraft, insbesondere bei Beginn der Auslenkung oder Ablenkung des Teilchens aus dem Gutsstrom.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. So hat sich beispielsweise als besonders zweckmäßig erwiesen, das bewegte Magnetfeld durch eine rotierende Permanentmagnettrommel zu realisieren. Hierzu wird die Trommel unterhalb des Gutsstroms angeordnet. Dadurch erreicht man, daß die Induktionskraft mit Beginn der Auslenkung leitfähiger Teilchen am größten ist und mit größerer Auslenkung abnimmt.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber an Hand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, das in Fig. 1 ein Verfahrensschema zeigt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, muß das Aufgabegut dem Scheider vereinzelt zugeführt werden, um die gegenseitige störende Beeinflussung der Teilchen weitgehend zu verhindern. Der Gutsstrom wird deshalb zur Vereinzelung über eine Vibrorinne 1 auf ein angetriebenes Förderband 2 aufgegeben, das über die Umlenkrollen 8, 9 läuft. Am Ende der Förder- und Vereinzelungsstrecke, also im Bereich der hinteren Umlenkrolle 8, wird dem aus den Teilchen 7 bestehenden Gutsstrom eine vertikale Bewegung aufgeprägt. Dies wird durch eine mit Förderbandgeschwindigkeit gegensinnig rotierende Trommel 3 erreicht, die mit Abstand hinter der Umlenkrolle 8 angeordnet ist. Der Gutsstrom muß in diesem Fall den ausreichend großen Spalt zwischen Förderband 2 bzw. Umlenkrolle 8 und Trommel 3 passieren und befindet sich dabei in freiem Fall. An Stelle der Trommel 3 lassen sich für den genannten Zweck auch vertikale, den Spalt begrenzende Platten benutzen. Die Spaltweite wird der maximalen Teilchengröße angepaßt. Die Teilchengröße liegt ca. zwischen 3 mm und 40 mm.

Wie bereits erläutert, bewegt sich das Magnetfeld in horizontaler Richtung. Dies wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine in der Fallinie des Teilchens befindliche, senkrecht unterhalb des Spaltes angeordnete rotierende Magnettrommel 4 erreicht. Das Förderband 5 dient dazu, die durch das Magnetfeld angezogenen, magnetisierbaren Teilchen, die aus Eisen bestehen oder zumindest Eisen enthalten, aus dem Feld zu transportieren, da sie anderenfalls am Magnetrotor haften bleiben wurden. Die innerhalb der Kopftrommel des Förderbandes (5) angeordnete Magnettrommel (4) rotiert mit wesentlich höherer Geschwindigkeit als die Kopftrommel. Teilchen mit höherer Leitfähigkeit κ werden starker in horizontaler Richtung beschleunigt. Gleichzeitig werden Teilchen mit geringerer Dichte ρ in vertikaler Richtung langsamer beschleunigt, so daß die Teilchen mit dem größten Trennfaktor κ/ρ als erste und am stärksten aus der Fallinie in horizontaler Richtung ausgelenkt werden. Seitlich der Fallinie, zwischen dem von der Trommel 3 und der Rolle 8 gebildeten Spalt und der Magnettrommel 4, sind Trennbleche 6 angebracht, die wie eine Fraktioniereinrichtung arbeiten und je nach Abstand und Anzahl die fallenden Teilchen auf die mit Abstand übereinanderliegenden Trennbleche lenken, an deren Enden entsprechende, nicht dargestellte Sammelcontainer angeordnet sein können.

Das bewegte Magnetfeld sollte möglichst nahe unterhalb des Förderbandes 2 angeordnet sein, um die vertikale Geschwindigkeit der Teilchen gering zu halten und die Auslenkung durch die Induktionskraft zu verstärken. Sowohl die Magnettrommel 4 mit ihrem Förderband 5 als auch die Trennbleche 6 sind horizontal und vertikal verstellbar, so daß sich die Abstände an die jeweiligen optimalen Bedingungen anpassen lassen.

Die obenbeschriebene Vorrichtung bewirkt gegenüber den herkömmlichen Bauarten eine signifikante Erhöhung der Trennschärfe, da die Sortierung nach den Stoffeigenschaften nicht durch die beschriebenen störenden Einflußfaktoren überlagert wird.

Claims (14)

1. Verfahren zur Steigerung der Trennschärfe von Wirbelstromscheidern, mit dem vereinzelte Teile oder Teilchen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit aus einem Gutsstrom in einem bewegten Magnetfeld abgeschieden werden, das unter dem Gutsstrom erzeugt und in horizontaler Richtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gutsstrom eine vertikale Bewegung aufgeprägt wird und sich das Magnetfeld darunter in horizontaler Richtung bewegt, so daß er sich im freiem Fall bewegt, wobei die Teile oder Teilchen mit höherer elektrischer Leitfähigkeit κ unter dem Einfluß des Magnetfeldes stärker in horizontaler Richtung und die Teile oder Teilchen mit geringerer Dichte ρ langsamer in vertikaler Richtung beschleunigt werden, so daß die Teile oder Teilchen mit dem größten Trennfaktor κ/ρ als erste und am stärksten aus der Fallinie in horizontaler Richtung ausgelenkt werden und der Gutsstrom dadurch entsprechend fraktioniert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der horizontalen Beschleunigung der Teilchen auf Grund des auf sie einwirkenden Magnetfeldes eine Fraktionierung der Teilchen nach ihrer Größe, Form oder Masse vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des aus den vereinzelten Teilchen bestehenden Gutsstromes an die maximale Teilchengröße angepaßt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch eine den zu behandelnden Gutsstrom aufnehmende und die Teilchen dieses Gutsstroms vereinzelnde Förderstrecke, an deren Ende eine einen Förderspalt bildende Vorrichtung angeordnet ist, durch die die vereinzelten Teilchen im freien Fall vertikal oder nahezu vertikal hindurchfallen, sowie durch eine einen elektrischen Wirbelstrom erzeugende Einrichtung unterhalb des Spaltes, die auf die leitfähigen Teilchen eine Kraft ausübt und aus dem Magnetfeld transportiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderstrecke aus einer Vibrorinne (1) und einem angetriebenen Förderband (2) besteht, auf das die mit Hilfe der Vibrorinne vereinzelten Teilchen des Gutsstroms fallen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Förderspalt bildende Vorrichtung von einer entgegen der Förderbandbewegungsrichtung rotierenden Trommel (3) und eine das Förderband (2) am Ende der Förderstrecke umlenkenden Rolle (8) gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltvorrichtung am Ende der Förderstrecke von einer vertikalen Begrenzungsplatte und eine dieser mit Abstand gegenüberliegenden, das Förderband (2) am Ende der Förderstrecke umlenkenden Rolle (8) gebildet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite der den Spalt bildenden Vorrichtung an die Teilchengröße anpaßbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die das auf die leitfähigen Teilchen einwirkende Magnetfeld erzeugende Einrichtung eine rotierende Magnettrommel (4) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnettrommel (4) in bezug auf die den Spalt bildende Vorrichtung horizontal und vertikal verstellbar angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnettrommel (4) in der Kopfrolle eines separat angetriebenen Förderbandes (5) angeordnet ist, das die durch das Magnetfeld angezogenen magnetisierbaren Teilchen aus dem Feld transportiert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnettrommel (4) wesentlich schneller rotiert, als der Geschwindigkeit des Förderbandes (5) entspricht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktioniereinrichtung, die zwischen der das auf die leitfähigen Teilchen einwirkende Magnetfeld erzeugenden Vorrichtung und der Spaltbildungsvorrichtung angeordnet ist, sich seitlich neben der Fallinie der Teilchen befindet und in bezug aufeinander einen Abstand aufweisende Trennbleche (6) besitzt, die die durch das Magnetfeld in Abhängigkeit vom Trennfaktor aus dem freien Fall abgelenkten Teilchen aufnehmen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennbleche (6) horizontal und vertikal verstellbar sind.