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Die Erfindung betrifft die magnetische Trennung von Materialgemischen,
bei der die Unterschiede in der Magnetisierbarkeit der Gemischbestandteile ausgenutzt
werden.
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Bekannt sind Vorrichtungen zur Magnet-Trennung von Materialgemischen
mit Hilfe von umlaufenden, abwechselnd voll positiv und voll negativ gepolten Magneten,
an denen das zu sortierende Material unter durch die Magnetfeldwirkung hervorgerufener
rollender Bewegung der magnetisierbaren Teilchen vorbeigeführt wird, nach Art der
USA.-Patentschrift 3 083 830. Bei diesen wird das Materialgemisch auf einer horizontalen
Unterlage an den Magnetpolen vorbeigeführt. Dabei kommen die magnetisierbaren Teilchen
durch den abwechselnden Vorbeigang an den verschieden gepolten Magneten in eine
rollende Bewegung. Das bewirkt eine allmähliche Trennung von den nichtmagnetisierbaren
Teilchen, welche solcheImpulse nicht empfangen. Dieses allmähliche Herauslösen der
magnetisierbaren von den nichtmagnetisierbaren Bestandteilen erfolgt aber verhältnismäßig
langsam und auch nicht immer mit der wünschenswerten Vollständigkeit. Als Grund
wurde von den Erfindern die mangelhafte, nämlich durch die horizontale Unterlage
beschränkte gegenseitige Beweglichkeit der im Gemisch vorliegenden Teilchen bei
der geschilderten bekannten Trennvorrichtung erkannt.
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Andere bekannte Magnet-Trennvorrichtungen nach Art der USA.-Patentschrift
3 289 836, bei denen das Zusammenklumpen der in einem Trägermedium suspendierten
magnetisierbaren und der nichtmagnetisierbaren Teilchen durch die Einwirkung umlaufender
Magnetsysteme mit wechselnder Polfolge verhindert werden soll, führten zu apparativ
außerordentlich aufwendigen Geräten mit so umständlicher Führung der zu behandelnden
Materialsuspension, komplizierter Magnetanordnung und erheblichem Raumbedarf, daß
keine wirtschaftlich tragbare Anwendung auch für Anlagen stark unterschiedlicher
Durchsatzmengen gegeben war.
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Ziel der Erfindung ist es demgemäß, eine Vorrichtung zur Magnet-Trennung
von Materialgemischen zu schaffen, die bei einfachem, leicht zu bedienenden und
gleicherweise im Labor- wie Betriebsmaßstab anzuwendendem Grundaufbau eine bessere,
schnellere und vollständigere Trennung ermöglicht, als es mit den bisher bekannten
Vorrichtungen der Fall war.
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Zu diesem Zweck wird bei einer Vorrichtung zur Magnet-Trennung von
Materialgemischen der eingangs genannten Art, die also mit umlaufenden, abwechselnd
voll positiv und voll negativ gepolten Magneten arbeitet, an denen das zu sortierende
Material unter durch die Magnetfeldwirkung herbeigeführter rollender Bewegung der
magnetisierbaren Teilchen vorbeigeführt wird, erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen,
daß die Magnetpole ringartig um eine vertikale Achse angeordnet und durch eine koaxiale
zylindrische Scheidewand von dem von der Materialsuspension durchflossenen Scheideraum
abgeteilt sind. Bei dieser Anordnung entfallen die für die Auflösung von Materialagglomerationen
hinderlichen horizontalen Auflageflächen, die den Teilchen bei den Vorrichtungen
der eingangs genannten Gattung nur eine im wesentlichen auf zwei Dimensionen beschränkte
Beweglichkeit ließen.
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Demgegenüber erhalten nämlich bei der angegebenen
neuen Anordnung die
in der Suspension schwimmen den Festteilchen des zu trennenden Materialgemisches
eine dreidimensionale freie Beweglichkeit, die dazu führt, daß sich in dem von der
Materialsuspension durchflossenen Scheideraum in der Nähe der vertikalen Scheidewand
aus den in rollender Bewegung befindlichen magnetisierbaren Materialbestandteilen
eine in Höhe der Magnetpole frei im Trägerfluidum schwebende, entgegen dem Drehsinn
des Magnetfeldes langsam umlaufende Ringschicht bildet. Aus dieser können nun die
in großer Reinheit anfallenden magnetisierbaren Festbestandteile durch eine Abführungseinrichtung
leicht herausgeführt und von den nichtmagnetisierbaren Bestandteilen der Suspension
getrennt werden. Mit hohem Wirkungsgrad läßt sich mittels der geschilderten einfachen
Anordnung gleicherweise im kleinen wie im industriellen Maßstab die Magnet-Trennung
weit besser und schneller durchführen, als es mit allen bisher bekannten, demselben
Zweck dienenden Einrichtungen möglich war.
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Es sind verschiedene Ausführungsformen je nach dem Verwendungszweck
im Rahmen von Untersuchungsgeräten oder von halb- oder vollindustriellen Anlagen
möglich. So kann die Vorrichtung ein im Innern eines zylindrischen Behälters um
dessen vertikale Achse umlaufendes System von Permanentmagneten oder Elektromagneten
gleichbleibender Polung enthalten, welchem jenseits der die Scheidewand bildenden
Behälterwandung eine den Behälter umgebende Troganordnung gegenübersteht, in welche
fortlaufend eine z. B. wäßrige Aufschwemmung des feingemahlenen zu behandelnden
Materials einführbar ist und welche Abzugsorgane für die in Höhe der Magnetpole
sich voneinander trennenden tauben, d. h. nichtmagnetisierbaren, und die magnetisierbaren
Bestandteile enthält. Dabei wird bemerkt, daß die Magnetpole als solche natürlich
nicht den Gegenstand der Erfindung bilden, sondern nur die Gesamtheit dieser Pole
im Rahmen der geschilderten Vorrichtung.
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Eine andere Ausführungsform arbeitet mit einer an der die Scheidewand
bildenden zylindrischen Wandung eines Behälters angeordneten Gruppe von feststehenden
Elektromagneten mit abwechselnd positiven und negativen Polen, denen auf der anderen
Seite der Wandung in dem dortigen, von der Materialsuspension durchflossenen Scheideraum
Organe, z. B. Rührer, zur Erzeugung einer Umlaufbewegung für die fortlaufend im
Niveau der Elektromagnete zugeführte Aufschwemmung des feingemahlenen zu behandelnden
Materials gegenüberstehen, verbunden mit Abzugsorganen für die in Höhe wider Magnete
sich voneinander trennenden tauben, d. h. nichtmagnetisierbaren und die magnetisierbaren
Bestandteile.
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Die Elektromagnete können also entweder außerhalb des Behälters angeordnet
sein, wobei dann die Zuführung der z. B. wäßrigen Aufschwemmung der zu trennenden
Materialbestandteile innerhalb des Behälters erfolgt. Oder die Elektromagnete können
im Innern des Behälters angeordnet sein, wobei dann die genannte Aufschwemmung in
den an der Außenseite des Behälters liegenden Scheideraum zugeführt wird. Der Durchmesser
des zylindrischen Behälters und die Anzahl der Magnete werden zweckmäßig so zueinander
abgestimmt, daß ein einziger Umlauf des zu behandelnden Materials zu seiner Reinigung
ausreicht.
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Mit einem im Innern des Raumes erzeugten magnetischen Feld läßt sich
die gute Stabilität des aus den magnetisierbaren Bestandteilen bestehenden Ringes
nur bis zu einem gewissen Durchmesser des den Magneten enthaltenden Raumes in der
Größenordnung von einigen zehn Zentimetern erreichen.
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Über diesen Durchmesserwert hinaus werden dann mehrere Magnete benutzt.
Auf diese Welse vermeidet man das Heruntergleiten der Materialien, die zuerst an
der Scheidewand festgehalten wurden, wobei diese Materialien dann zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Durchgängen des Magneten der magnetischen Einwirkung entzogen
werden würden. Die verwendeten Magnete können Dauermagnete oder Elektromagnete sein,
wobei die zuletzt genannten den Vorteil einer genauen Regelung der Stärke des magnetischen
Feldes besitzen, Von dem im folgenden beschriebenen Vorrichtungen zur Durchführung
der Magnet-Trennung ist die erste besonders für Laboratoriumszwecke geeignet, während
die weiteren Ausführungsformen für die Magnet-Trennung in technischem Maßstab in
fortlaufender Arbeitsweise geeignet sind.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
beschrieben, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind. In diesen stellen dar
F i g. 1 und 2 ein vertikales Schnittbild und einen Horizontalschnitt durch eine
Magnet-Trennvorrichtung zur Veranschaulichung des Erfindungsprinzips, F i g. 3 eine
Aufsicht auf ein derartiges Gerät mit mehreren permanenten Magneten, F i g. 4 eine
weitere Ausführungsform mit Elektromagneten, die außen um das Behandlungsgerät angebracht
sind, F i g. 5 eine andere Ausführungsform der Gruppierung von außen angehrachten
festen Elektromagneten, F i g. 6 ein schematisches Bild eines Trenngerätes nach
der Erfindung, das besonders für Laboratoriums- und Forschungsarbeiten bestimmt
ist, Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Behanadlungsgerätes für fortlaufende
Arbeitsweise nach der Erfindung und F i g. 8 eine Aufsicht auf einen Teil des Gerätes
nach F i g. 7.
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In den F i g. 1 und 2 sieht man den Dauermagneten 1, der fest an
einer Stange aus diamagnetischem Material 2 sitz und im Inneren des Behälters 3
aus ebenfalls diamagnetischem Material umläuft. Die Oberfläche des Behälters ist
glatt, vorzugsweise poliert und taucht in das Wasserbad 4 ein. Mit Hilfe einer Pipette
wird in den Wasserbehälter 4 zum Niveau des Magneten eine wäßrige Aufschwemmung
des zu trennenden Materialgemisches eingeführt. Die magnetisierbaren Bestandteile
bleiben an der äußeren Fläche des Behälters 3 hängen und bilden einen zusammenhängenden
Ring Welcher, auf der Wandung 3 gleitend, in entgegengesetztem Sinne umläuft wie
der Magnet. Die Drehgeschwindigkeit des Ringes ist viel kleiner als diejenige des
Magnets, aber sie ist ihr proportional. Die Teilchen, die diesen Schichtring bilden,
werden auf diese Weise für sehr kurze Zeit einer sehr großen Anzahl von Umkehrimpulsen
ausgesetzt. Die Ring ist vollkommen stabil. Man kann ihn also der Wirkung des variablen
magnetischen Feldes ebenso lange aussetzen, wie es nötig ist, um eine gute Reinigung
zu erhalten.
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Im Falle der F i g. 3, bei deren Beschreibung im folgenden die entsprechenden
Bezugsziffern aus der Fig. 1 verwendet werden, sind mehrere Dauer magnete 1 gleichmäßig
um die Drehachse 2 angeordnet, um einem größeren Durchmesser des Behälters 3 Rechnung
zu tragen und für die Stabilität des sich bildenden Ringes 5. zu sorgen.
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Bei einem Gerät großer Abmessungen kann man beispielsweise die Anordnungen
der Fig. 4 und 5 verwenten. Man erkennt dort die Elektromagnete I bis VIII (Fig.
4) und I bis XII (Fig. 5), ebenso wie wiederum den Behälter 3. Die bennehbarten
Ma gnete haben abwechselnd ihre positiven und negativen Pole nach der Seite des
Behälters 3 zu gerichtet.
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Im Falle der F i g. 4 erfolgt die Erregung der -Elek tromagnetgruppen
I-IV, II-V, III-VI, IV-VII, V-VIII; im Falle der Fig. 5 erfolgt die aufeinanderfolgende
Erregung der Gruppen in der Reihenfolge I-IV-VII-X, II-V-VIII-XI, III-VI-X-XII (Fig.
4), was zur Bildung eines magnetischen Feldes führt, welches im Uhrzeigersinne umläuft.
Der entstehende Materialring läuft in entgegengesetztem Sinne um, und es wird die
Gesamtheit der Oberfläche des Behälters 3 ausgenutzt und zwar mit einer sehr allgemein
verwendbaren vereinfachten Konstruktion und verringertem Energiebedarf, wobei die
aufeinanderfolgende Umpolung dieser Gruppen durch irgendwelche bekannten Mittel
erfolgen kann, die nicht näher dargestellt sind, z. B. -auf elektromechanische oder
elektronische Weise.
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Das in Fig. 6 dargestellte Laboratoriumsgerät ist in folgenden Abmessungen
ausgeführt worden: Es enthält einen zylindrischen Behälter mit rundem Boden aus
Glas 6, dessen äußerer Durchmesser 60 mm beträgt. Im Inneren befindet sich der Dauermagnet
7, dessen Tragkraft 1,5 kg/cm² beträgt und der fest an einer Kupferstange 8 sitzt,
die durch einen Motor mit variabler Geschwindigkeit in nicht näher dargestellter
Weise in Drehung versetzt wird.
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Der gleichsige Behälter 9, ebenfalls aus Glas, lenkt einen Wasserstrom
nach oben, der längs des Ringes aus magnetisierbarem Material 10 fließt und die
nichtmagnetisierbaren Produkte in den Aufnahmbehälter 11 im unteren Teile befördert,
dessen Wasser durch die Pumpe 12 zurückgeführt wird und dabei das Filter 13 durchläuft,
in welchem die nichtmagnetisierbaren Anteile zurückgehalten werden, also nicht mehr
in den Behälter 9 zurückkehren.
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Mit diesem Gerät -ist beispielsweise die Reinigung von synthetischem
Magnetit studiert worden, der erhalten wurde durch Reduktion von näturlichem Hämatit,
Das Produkt enthielt 85,4'Je Magnetit Fe3O4, während die restlichen 14,6% diamagnetische
Bestandteile waren-und im wesentlichen aus Kieselsäure bestanden.
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Dieser synthetische Magnetit war so fein gemahlen worden, daß -er
vollständig durch ein -0,5-mm-Maschensieb ging. Der wurde mit 9 Gewichsteilen Wasser
in einem mit Rührer versehenen Becher vermischt, wobei die Aufschwemmung so mechanisch
homogen gehalten wurde. Mittels einer Pipette wurdem 10 ml, d.h. mit einem Gehalt
von 1 g Trockensubstanz, entnommen und auf die åußere Fläche des Behälters 6 aufgebracht
zur Bildung des Ringes 10, dessen Stärke 5 mm betrug. Die Beschickung war also 0,1
g/cm2. Durch Beeinflussung der Geschwindigkeit der Pumpe 12 wurde der Wasserdurchsatz
auf
etwa 1 1/Minute eingeregelt, wodurch das diamagnetische Material
herausgenommen wurde.
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Es wurden vier Versuche angestellt, indem jedesmal 1 g des Produktes
aufgegeben wurde, und die Behandlungszeit wurde nach Bildung des Materialringes
allmählich verlängert von 0,5 auf 1,0, 1,5 und 2,0 Minuten, wobei der gereinigte
Magnetit mit Hilfe eines Mantelmagnets herausgezogen wurde.
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Die vier gereinigten Magnetitmuster wurden durch Titration bestimmt
mit einem Fe8O4-Gehalt von 98,5, 99,2, 99,2 und 99,2°/o. Die Reinigung hatte also
bereits nach 1 Minute ihren Höchstwert erreicht.
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Nun wurden 20mal, während einer Minute, 20 g Roh-Magnetit behandelt,
und man erhielt 16,0 g gereinigten Magnetit von 99,2°/o Fe304 und 3,8 g weniger
magnetisierbarer Produkte, die im Filter 13 zurückgehalten wurden und deren Gehalt
durch Titration zu 31,50/o Fe,O4 bestimmt wurde. Sie wurden in vier Portionen in
die Trennapparatur zurückgeschickt, indem der Wasserdurchsatz auf '/21/Minute durch
entsprechende Drosselung der Pumpendurchsatzmenge 12 vermindert wurde. Man sammelte
nunmehr im Filter 13 1,10 g diamagnetischen Materials, welches weniger als 1 0/o
Fe8O4 enthielt, und im Ring 10 0,90 g eines Produktes von 66,70/0 Fe3O4.
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Eine mikroskopische Prüfung dieses Produktes zeigte, daß es vollständig
aus gemischten Körnern bestand.
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Die Mahlung war also nicht weit genug geführt worden.
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Nun wurden zwei neue Muster von je 20 g behandelt,- die derart gemahlen
waren, daß sie durch Siebe von 0,2 bzw. 0,1 Tun Maschenweite gingen. In dem ersten
Fall erhielt man bei einem Durchgang von 1 Minute 16,5g gereinigten Magnetit von
99,50/0 Fe3O4 und 3,5 g taubes Material von 19,10/0 Fe3O4, was also einen Verlust
an Je304 von etwa 40/0 in dem tauben Material bedeutet.
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In dem zweiten Fall erhielt man unter denselben Arbeitsbedingungen
16,8 g Magnetit von 99,60/0 Fe3O4 und 3,2 g taubes Material mit 9,00/oFe,O,, was
einem Verlust von weniger als 20/o entspricht.
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Zieht man die zusätzlichen Kosten in Betracht, die notwendig wären
für das Mahlen bis auf eine Feinheit von 0,1 mm, so ergibt sich, daß die Mahlung
auf 0,2 mm das wirtschaftliche Optimum darstellt.
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In F i g. 7 ist ein schematisches Prinzipschema einer industriellen
Anlage für elektromagnetische Trennung dargestellt, welches abgeleitet ist aus den
vorstehend berichteten Ergebnissen der Laboratoriumsversuche.
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Der polierte Kupfertrog 14 ist umgeben von zwölf Elektromagneten
I bis XII, die auf zwölf Seiten eines Dreizehnecks angebracht sind, wobei die dreizehnte
Seite die Stellung der Abzugseinrichtung 15 einnimmt. Die zwölf Elektromagnete sind
in folgende drei Gruppen unterteilt: I-IV-VII-X, II-V-VIII-XI und III-VI-IX-XII.
Die vier Magnete ein und derselben Gruppe werden gleichzeitig durch nicht dargestellte
Mittel erregt. Die drei Gruppen werden nacheinander in einem Rhythmus erregt, den
man willkürlich variieren kann. Das magnetische Feld läuft auf diese Weise in entgegengesetztem
Uhrzeigersinne um. Der gebildete Ring von magnetisiertem Material auf der inneren
Wandung des Behältertroges 14 läuft also im Uhrzeigersinne um. Der Behälter 14 wird
mit Wasser gefüllt gehalten, welches durch einen Rührer 16 in Bewegung gehalten
wird, der im selben Sinne umläuft wie das Magnetfeld.
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Man kann die Geschwindigkeit des Wassers variieren, indem man die
Steigung der Rührerflügel verändert.
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Das zu behandelnde Produkt wird gegenüber dem Magnet MI eingeführt
durch einen Verteiler 17 und das Rohr 18, welches von einem Vibrator 19 beaufschlagt
wird. Das Produkt geht nacheinander an den Elektromagneten XII, XI ... II, I vorbei.
Da das magnetische Feld ungefähr 100mal schneller umläuft als der gebildete Materialriug,
so werden dessen Teilchen mehr als 100 Umkehrimpulsen ausgesetzt.
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Das gereinigte Produkt durchläuft die Zone zwischen den Magneten 1
und XII, wo, da dort kein magnetisches Feld herrscht, das Produkt nach unten geleitet
wird. Eine Art Wellenbrecher 20 verhindert, daß das Produkt durch Trägheit in das
Feld des Magneten XII gerät. Jetzt wird das Produkt durch das magnetische Förderband
15 aufgenommen und in den Trichter 41 geleitet, von wo es in die Einrichtungen zur
Abschlußbehandlung gelangt.
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Ein wesentlicher Anteil der diamagnetischen Produkte wird nicht durch
den Magnet XII zurückgehalten und bleibt in dem Wasser aufgeschwemmt, welches im
entgegengesetzten Sinne wie der Materialring zirkuliert.
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Aus diesem Grunde ist oberhalb des Magnets XII ein Überlauf 22 angebracht,
der das mit Verunreinigungen beladene Wasser dem Filter 23 zuführt. Die diamagnetischen
Produkte werden bei 24 gesammelt, und eine Leitung 25 führt das klare Wasser durch
die Pumpe 26, welche es unterhalb des Transportbandes 15 wieder zurückschickt, so
daß der gereinigte Produktextrakt nicht in die Gefahr gerät, durch das im Behälter
kreisende wirbelnde Wasser wieder aufgerührt zu werden.
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Die für die Anlage erforderlichen Regeleinrichtungen, mit welchen
die verschiedenen Variablen beeinflußt werden, sind folgende: Die Stärke des magnetischen
Feldes - die Umlaufgeschwindigkeit des magnetischen Feldes (also auch die Drehgeschwindigkeit
des gebildeten Materialschichtringes) - die horizontale Geschwindigkeit des Wassers
(Rührer 16) sowie seine vertikale Geschwindigkeit (Pumpe 26), also der Gehalt an
diamagnetischen Bestandteilen in der Aufschwemmung - die Geschwindigkeit der Zufuhr
des zu behandelnden Produktes (Verteiler 17) und infolgedessen für eine gegebene
Geschwindigkeit des Ringes auf der Stärke der Schicht, welche ihn bildet. Die Geschwindigkeit
des Transportbandes 15 muß proportional sein der Beschickungsmenge aus dem Verteiler
17.
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In diesem Beispiel verwendet man für einen Durchsatz-von 500 kg/Stunde
einen Durchmesser des Troges 14 von 1,5 m: Sein Gesamtumfang beträgt also 4,71 m,
und sein wirksamer Umfang von 12/13 beträgt 4,35 m. Die Form der Magnete wurde so
gewählt, daß die Höhe des Ringes 1 m beträgt. Seine Oberfläche war also 4,35 m2.
Durch geeignete Regelung der Stärke des magnetischen Feldes so, daß seine Tragkraft
etwa 2,5 k/cm2 ist, kann man eine doppelte Aufgabebeschickung derjenigen zulassen,
mit der das Gerät nach F i g. 6 betrieben wurde, nämlich 0,2 g/cm2 oder 2 kg/m2.
Die Drehgeschwindigkeit des Feldes wird so einreguliert, daß das Produkt 1 Minute
lang in dem Trenngerät verbleibt.
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Der Durchsatz beträgt also 520 kg/h, berechnet auf das Trockenprodukt.
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Es sei bemerkt, daß man in gewissen Fällen, um
den
Durchsatz zu verbessern, auch dazu übergehen kann, den Behälter, welcher den aus
magnetisierbarem Material bestehenden gebildeten Ring trägt, auch noch umlaufen
zu lassen. Man kann diesen Behälter im Sinne der Drehung des Ringes umlaufen lassen
und auf diese Weise die Dauer des Aufenthaltes des Produktes verkürzen, und indem
man den Behälter im entgegengesetzten Sinne der Drehung des Ringes umlaufen läßt,
kann man diese Aufenthaltsdauer verlängern.
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Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Magnet-Trennung von Materialgemischen
mit Hilfe von umlaufenden, abwechselnd voll positiv und voll negativ gepolten Magneten,
an denen das zu sortierende Material unter durch die Magnetfeldwirkung herbeigeführter
rollender Bewegung der magnetisierbaren Teilchen vorbeigeführt wird, d a d u r c
h g e -kennzeichnet, daß die Magnetpole ringartig um eine vertikale Achse angeordnet
und durch eine koaxiale zylindrische Scheidewand (3 bzw. 6 bzw. 14) von dem von
der Materialsuspension durchflossenen Scheideraum abgeteilt sind.