ZT900 Separier- und Filtermagnetsysteme

Separier- und Filtermagnetsysteme

Abstract

Metallische Verunreinigungen fallen in vielen industriellen Produktionsbereichen an. Schütt- und Fördergüter sowie Luftströme, Stäube oder Flüssigkeiten müssen häufig von unerwünschten Kontaminationen befreit werden, bevor sie zur Weiterverarbeitung Mühlen, Mischern oder Pumpen zugeführt werden dürfen. Auch aus ökologischen Gründen bietet sich eine Aufreinigung und Sammlung eisenhaltiger Rohstoffe in Receycling-Anlagen und Wertstoff-Sortieranalagen an, um der Wiederverwertung zugeführt werden zu können. In allen Fällen, in denen die anfallenden Metalle magnetisch sind, kann eine problemlose und kostengünstige Trennung über Separiermagnetsysteme erfolgen.

Einleitung

Noch vor wenigen Jahren erfolgte die Auslegung von Magnetsystemen weitestgehend auf herkömmliche Weise durch Erfahrungswerte. Diese Methodik war ausschließlich vom know-how der Konstrukteure abhängig. Es gab keine Garantie für die Funktionsfähigkeit und die optimale Lösung eher eine Seltenheit. Mit Hilfe der immer leistungsfähiger werdenden Computersysteme besteht heute die Möglichkeit, selbst sehr komplizierte Magnetsysteme mit größter Genauigkeit über numerische Verfahren rechnerisch festzulegen. Unabhängig von der Art des Rechenverfahrens ist es trotz allem bisher nicht möglich, rechnergestützt neue Prinzipien und Konstruktionen entwerfen zu lassen. Ausgehend von intuitiven oder bekannten Lösungen wird die magnetische Optimierung durch Versuch und Irrtum vom Rechner ermittelt. Bei der systematischen Suche nach verbesserten Konstruktionen kann der Computer dabei seine ganze Überlegenheit ausspielen. Derartige Finite Elemente Berechnungen (FEM) werden seit Beginn der 80er Jahre zunehmend genutzt und haben bereits zur Optimierung vieler Anwendung geführt. Die Ergebnisse ließen sich in einigen Fällen dazu verwenden, völlig neue Anwendungsfelder zu eröffnen. Der Erfolg spiegelt sich in leistungsfähigeren, präziseren, sichereren und kostengünstigeren Produkten wieder, da die Entwicklungskosten gesenkt und viele Unsicherheitsquellen ausgeschaltet werden konnten. Für viele magnetischen Trennprobleme existieren heute auf dem Markt bereits vorgefertigte und komplett ausgelegte Standardlösungen. Einen kurzen Überblick über die gängigsten Systeme soll dieser Bericht geben.

Auswahl des geeigneten Magnetwerkstoffes

In der Regel werden Separier- und Filtermagnetsysteme mit sogenannten Dauermagnetischen Kernen ausgestattet. Für Spezialfälle existieren elektromagnetische Separiersysteme, die jedoch bei dieser Betrachtung, ebenso wie Wirbelstrom-Separiersysteme, unberücksichtigt bleiben. Dauermagnetkerne gibt es in vier grundsätzlich verschiedenen magnetischen Qualitäten.In der Regel werden Separier- und Filtermagnetsysteme mit sogenannten Dauermagnetischen Kernen ausgestattet. Für Spezialfälle existieren elektromagnetische Separiersysteme, die jedoch bei dieser Betrachtung, ebenso wie Wirbelstrom-Separiersysteme, unberücksichtigt bleiben. Dauermagnetkerne gibt es in vier grundsätzlich verschiedenen magnetischen Qualitäten.

AlNiCo

AlNiCo-Magnete, aus den Hauptlegierungsbestandteilen Aluminium, Nickel, Cobalt, Eisen, Kupfer und Titan, sind metallische Magnete, die bereits in den 30er Jahren entwickelt wurden und stellt damit den ältesten noch verwendeten Magnetwerkstoff dar. Die Magnetkraft ist im Vergleich zu anderen gängigen Magnetwerkstoffen relativ schwach. Außerdem können AlNiCo Magnete leicht wieder entmagnetisiert werden. Der größte Vorteil von AlNiCo-Magneten ist der kleine Temperaturkoeffizient von 0,02% pro °C und der große Tepmeratureinsatzbereich von -270 bis +400°C. Diese Magnete werden deshalb vorwiegend dort eingesetzt, wo ein konstantes Magnetfeld über einen großen Temperaturbereich aufrecht erhalten werden muß. Aufgrund der magnetischen Kenndaten dieses Werkstoffes, sollten AlNiCo-Magnete immer ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser L:D von mindestens 4:1 aufweisen. Bei diesem Dimensionierungsverhältnis lassen sich für AlNiCo-Magnete die besten Haftkräfte bei vorgegebenem Magnetvolumen erreichen. Alle Anwendungsbereiche, in denen Magnete in Stabform eingesetzt werden können, sind daher die Haupteinsatzgebiete für AlNiCo-Magnete. Dazu gehören vor allem der Einsatz in Filterstäben, Filterkerzen und Magnetgittern.

Hartferrit

Hartferrite werden aus ca. 80% Eisenoxid und 20% Barium- oder Strontiumferrit hergestellt. Wegen der großen Verfügbarkeit der zugrundeliegenden Rohstoffe sind Hartferrite sehr kostengünstige Materialien, so daß sich der Einsatz dieses Magnetmaterials immer dort auszahlt, wo keine erhöhten Anforderungen an das Magnetmaterial gestellt werden müssen. Deshalb sind Hartferrite immer noch die weltweit am häufigsten eingesetzten Dauermagnetkerne. Sie sind als keramische Werkstoffe spröde und schlagempfindlich. Allerdings sind sie auch unempfindlich gegen Oxidation und Witterungseinflüsse. Grundsätzlich sind keramische Materialen lebensmittelecht. Die Magnete können bei Temperaturen von -40°C bis +200°C eingesetzt werden.
Anders als AlNiCo Magnete erfordern Hartferrite aufgrund der Werkstoffkenndaten eine Dimensionierung mit einer möglichst großen Magnetpolfläche. Sie kommen daher und wegen ihres günstigen Preises vor allem in volumenintensiven Plattenfängern, Über-Band-Magneten und Kaskadenmagnetsytemen zum Einsatz.

Hochenergie-Magnete der Seltenen Erden

Magnetwerksoffe aus Elementen der Seltenen Erden werden als Legierungen von Samarium und Kobalt (SmCo) oder von Neodym, Eisen und Bor (NdFeB) hergestellt. Auch wenn die Bezeichnung Seltene Erden dies vermuten ließe, sind die Rohstoffvorkommen keineswegs selten. Die aufwendige Herstellung mit dem geforderten hohen Reinheitsgrad ist für SmCo- und NdFeB-Legierungen immer noch preisbestimmend. Sowohl SmCo- als auch NdFe-B-Legierungen weisen gegenüber AlNiCo oder Hartferrit ein deutlich höheres Energieprodukt auf. Damit sind einerseits wesentlich kleinere technische Lösungen bei gleicher Magnetleistung oder aber bei gegebenem Volumen deutlich höhere Magnetkräfte realisierbar. Im Vergleich mit der möglichen Reduzierung des notwendigen Magnetvolumens, kann NdFeB aber heute schon durchaus wirtschaftlicher sein, als der Einsatz von Hartferrit. Außerdem ist die Magnetleistung auch durch hohe Gegenfelder nicht beeinflußbar. Die Magnete behalten ihre Magnetkraft ein Leben lang. SmCo-Legierungen sind bis 250°C (in Sonderfällen bis max. 350°C) , NdFeB-Legierungen bis 120°C (in Sonderfällen bis max. 220°C) einsetzbar. Vor allem aufgrund der besseren magnetischen Eigenschaften ist die Nachfrage nach NdFeB heute wesentlich höher als nach SmCo, sodaß mittlerweile NdFeB als Magnetwerkstoff auch preislich äußerst attraktiv und durchaus konkurrenzfähig geworden ist.

Bauformen

Dauermagnetkerne können nicht oder nur mit Spezialwerkzeug nachbearbeitet werden. Gewinde lassen sich nicht direkt einbringen und auch Bohrungen sind nachträglich mit vertretbarem Aufwand nicht realisierbar. Aus diesem Grund, und um die Magnete vor mechanischen Schädigungen zu schützen, werden die Kerne in der Regel in Stahl- oder Edelstahlgehäuse eingebettet. Die Bauform des Gehäuses ist dabei von der für das Separationsproblem vorgegebenen Geometrie abhängig und wird auch vom zu verwendeden Magnetmaterial bestimmt. Die Vorzugsgeometrien für einzelne Magnetwerkstoffe wurden schon im ersten Abschnitt diskutiert. Für spezielle Anforderungen in der Lebensmitteltechnologie können problemlos Gehäuse in Edelstahl verwendet werden. Meist werden einfache Geometrien in Form von rechteckigen Blöcken oder runden Stäben gewählt. Daneben existieren noch spezielle Formen zum Einsatz in Rohrleitungssystemen oder als Filterkerzen. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit in Spritzgußtechnik komplizierte Geometrien herzustellen. Für den Einsatz als Separier- oder Filtermagnet findet diese Technik jedoch kaum Anwendung.

Faktoren, die die Separationsleistung bestimmen

Für die Auswahl des geeignetes Separiermagneten sind verschiedene Faktoren wichtig, die die erforderliche Separationsleistung des Magnetsystems bestimmen. Alle Kraftvektoren, die auf das zu separierende Partikel wirken und die einen vom Anziehungskraftvektor abweichenden Winkel haben, müssen hier berücksichtigt werden. In der Regel hat der Anwender es mit mehreren der folgenden Faktoren zu tun, die sich gegenseitig überlagern und daher nicht isoliert voneinander betrachtet werden dürfen:WerkstoffGrundsätzlich können nur ferromagnetische Werkstoffe über magnetische Einrichtungen separiert werden. Je höher der Anteil an technisch reinem Eisen im Material ist, um so größer ist dessen Abscheidefähigkeit. Außerdem beeinflussen darüber hinaus Wärmebehandlungen die magnetischen Eigenschaften des Materials in ungünstiger Weise.siehe auch Physikalische Grundlagen der magnetischen Spanntechnik Fanghöhe - Abstand zum ProduktstromProduktströme, gleich welcher Art, sind in keinem Fall unendlich flach. Es ist daher immer erforderlich, den Separiermagneten in einem gewissen Abstand zum Separiergut anzubringen. Luft, oder jedes beliebige andere nicht magnetisierbare Medium, ist ein guter magnetischer Isolator. Für die Praxis bedeutet dies, das die Haftkraft eines Magnetsystems mit der Entfernung abnimmt. Schon geringe Entfernungen zum Magneten lassen die Haftkraft und damit die effektive Fangfeldtiefe sehr stark abfallen, wie die nachstehende Abbildung beispielhaft dargestellt ist.

Je nach verwendetem Magnetmaterial fällt dieser Effekt unterschiedlich stark aus. Für extreme hohe Fangfeldtiefen stehen heute die sehr energiereichen Magnetwerkstoffe aus den Seltenen Erden zur Verfügung, die die Einsatzbreite dieser Systeme in den letzten 10 Jahren deutlich erweitern konnten. Aus Gründen der Effizienz ist es in jedem Fall vorteilhaft, den Magneten so nah wie irgend möglich an das zu separierende Gut heranzubringen.Die Fanghöhen für eisenhaltige Materialien reichen im Standard je nach Größe der Fremdkörper und verwendetem Magnetsystem bis zu 280 mm. Dabei haben Form und Größe des zu separierenden Materials einen weiteren entscheidenden Einfluß. Großvolumige Eisenteile wie Schrauben oder Muttern lassen sich deutlich besser auffangen als kleine und kleinste Partikel wie Späne und Stäube.Magnetisierbare Materialien wie Eisen oder weichmagetische Werkstoffe im Raum zwischen Magnet und Separiergut hätten einen magnetischen Kurzschluß zur Folge und würden die Separierwirkung komplett aufheben. TransportgeschwindikeitEng mit der Betrachtung der Fanghöhe verknüpft ist die Durchlaufgeschwindigkeit des Separiergutes druch das Separiersystem. Je höher die Transportgeschwindikeit des zu reinigenden Gutes ist, um so höher muß auch die Leistung des Separiersystems ausgelegt sein. Werden kleine Eisenteile noch von darüberliegenden größeren nicht magnetisierbaren Teilen überlagert, ergeben sich weitere Probleme. Ebenso müssen Reibungswiderstände in Flüssigkeiten oder anderen Medien berücksichtigt werden. Die Probleme lassen sich grundsätzlich auf zwei Wegen lösen. Entweder wird die Magnetkraft pro Raumeinheit in ausreichender Weise erhöht, oder man erhöht die effektive Wirkstrecke des Magneten. D.h. dessen effektive Fangfläche muß, evtl. durch Einsatz mehrerer hintereinander geschalteter Systeme, gesteigert werden. Hier sind Beschränkungen vor allem durch den konstruktiven Rahmen und den vorhandenen Raum vorgegeben, in den das Separiersystem integriert werden muss. Die größten Separationsprobleme treten bei kleinen Teilchen und hohen Durchlaufgeschwindigkeiten auf. Sättigung des SepariersystemsPermanentmagnetische Separiersyteme verlieren durch sich anlagernde Eisenteile mit der Zeit scheinbar immer mehr Ihrer Separierleistung. Dieser Vorgang ist reversibel und ist zu vergleichen mit einem magnetischen Kurzschluß des Magneten. Aus diesem Grund müssen derartige Systeme von Zeit zu Zeit gereinigt werden. Dies kann manuell oder vollautomatisch geschehen. Die Zeitintervalle für die Reinigung hängen bei gegebener Kapazität des Magnetsystems ausschließlich von der anfallenden Menge an Verunreinigung und den Anforderungen an die Reinheit des Produktes ab.

Magnetsysteme für den Einsatz über/neben dem Produktstrom

Plattenmagnete sind speziell dazu entwickelt, Fremdkörper aus kontinuierlichen Produktströmen zu entfernen. Sie finden vor allem als Über-Band-Magnet über Förderbändern, beim freien Fall, in vertikal oder schräg angeordneten Rohrleitungen, unter Rutschen, auf Gleitbahnen usw. Verwendung.

Die Systeme werden in der Regel als rechteckiger Magnetblock angefertigt. Das Magnetsystem ist von einem robusten Gehäuse mit den entsprechenden Befestigungsmöglichkeiten umgeben. Das Gehäuse kann wasserdicht oder in Edelstahl gefertigt werden. Meist kommen Ferrite als Magnetmaterial zum Einsatz. Für erhöhte Anforderungen werden zudem NdFeB-Legierungen eingesetzt.

Die Magnete können manuell gereinigt oder auch über entsprechende Pneumatik-Einrichtungen voll automatisch gereinigt werden.

Für den Einsatz in der Textilindustrie zur Enteisenung von Textilrohstoffen sind spezielle Plattenmagnete mit NdFeB-Legierungen konstruiert, die auch extrem kleine Eisenpartikel einfangen können.

Kaskadenmagnete bieten durch die sequentielle Anordnung mehrerer Magnete einen enorm hohen Wirkungsgrad beim Abscheiden eisenhaltiger Metalle. Sie können daher speziell zur Abscheidung kleinster Eisenpartikel eingesetzt werden. Auch diese System sind mit automatische Reinigungsfunktion erhältlich.

Kopfwalzenmagnete ersetzten die Antriebswalze am Ausgang von Förderbändern.

Die Systeme sind wartungsfrei und benötigen keine Energieversorgung. Gängige Durchmesser liegen zwischen 200 und 500 mm bei Förderbandbreiten von 400 bis 1500 mm. Die Kapazitäten reichen von 10 bis 250 m3/h.

Separiertrommeln bestehen aus einer magnetischen und einer nicht magnetische Hälfte. Diese Systeme sind in einer sich drehenden Trommel eingeschlossen, an der der Produktstrom vorbeigeführt wird. Der Trommelmantel enthält Führungsrippen, um eine gute Separierung zu erreichen. Das transportierte Material wird durch die Trommel in eisenhaltige und nicht eisenhaltige Teile getrennt. Unter dem Einfluß des Magnetfeldes bleiben eisenhaltige längere Zeit auf der Trommel und fallen ab, nachdem sie die Magnetzone verlassen haben.

Weitere Einsatzbeispiele:

Vollwalzen für flüssige Medien, in Zentralanlagen für Kühlmittelreinigung
Schneidewalzen zur automatischen Separierung von Schüttgütern aller Art, wie Strahlmittel, Kohle, Kali, Steine, Zement
Nullzonenwalzen für Trümmerschutt, Getreide, Tabak, Wolle, Gummi
Separierrutschen für automatische Reinigung Schüttgütern aller Art, u.a. Getreide, Futtermittel, Kunststoffgranulate
Elektromagnetische Separiertrommeln für Autoverschrottungsanlagen
Bandrollen für den Einsatz bei geringen Platzverhältnissen in Bandförderern zur Separierung von Schüttgütern
Über-Band-Magnete zur automatischen Separierung und Austrag von Eisenteilen aus Schüttgütern, in der Nahrungs- und Futtermittelindustrie, bei Schrott- und Müllverarbeitung, bei Erzaufbereitung
Magnetrollen zum Transport von Stangenmaterial

Systeme für den Einsatz im Produktstrom

Für den Einsatz direkt im Produktstrom, z.B. um eisenhaltige Fremdkörper aus Flüssigkeiten, Luftströmen und körnigen Produktströmen zu separieren, sind verschiedene spezielle Bauformen von Separiermagneten entwickelt worden.
Magnetische Filterstäbe können an jeder gewünschten Stelle im Materialstrom flüssiger oder fester Medien integriert werden. Magnetfilterstäbe werden z.B. in Öl- und Kühlmittelanlagen eingesetzt, um eisen- oder stahlhaltige Schleifrückstände auszufiltern. Gehäuse und Abschlußkappen sind in der Regel aus korrosionsbeständigem Edelstahl gefertigt und dicht abgeschlossen, sodaß keine Partikel in das Innere des Systems gelangen können. Alternativ ist eine Epoxidbeschichtung möglich. Gängige Durchmesser liegen zwischen 16 und 40 mm bei Längen von 50 bis 1000 mm. An den Stirnseiten werden im Gehäuse meist Gewindebohrungen oder Gewindezapfen angebracht, um die Stäbe fixieren zu können. Die Reinigung erfolgt in der Regel durch Abstreifen von Hand.
Magnetgitter finden in Rohrsystemen, Trichtern, Rutschen usw. Verwendung. Hier erfolgt die Abscheidung eisenhaltiger Partikel von Materialien wie z.B. Granulaten beim Durchfluß der Systeme. Magnetgitter bestehen aus einer Kombination von mehreren Magnetfilterstäben. Durch die sorgfältig ausgewählten Abmessungen der runden, rechteckigen oder quadratischen Systeme ist sichergestellt, daß der Zuflußwiderstand der durchlaufenden Medien gering und die Möglichkeit der Brückenbildung minimal ist. Spezielle Bauformen mit herausziehbaren Magnetkernen erleichtern die Reinigung der Systeme.
Zum Einbau in bereits vorhandene Rohrleitungssysteme sind komplette Enteisenungssystem in Stahlblechgehäusen mit Flanschen verfügbar.

Solche Systeme können je nach Anforderung leicht mit zwei oder mehreren übereinander angeordneten Magnetgittern ausgerüstet werden. Durch Reinigungsöffnungen sind die Magnetgitter auf einfache Weise herausnehmbar. Es existieren auch vollautomatische Systeme mit pneumatischer Reinigungsfunktion und kontinuierlicher Eisenabscheidung.
Des weiteren sind Plattenmagnete mit schräggestellten Magnetpolen, hinter denen sich die Eisenverunreinigungen ansammeln oder solche mit in das Medium hereinragenden Polfingern für den Einsatz im Medium geeignet.

Rohrmagnete und Magnetfilter

Für größere Rohrleitungssysteme und Schächte eignen sich spezielle Rohrmagnete mit Durchmessern von 100 bis 500 mm, die bereits in mit Flanschen versehenen Gehäusen geliefert werden können, sodaß dem einfachen Einbau in vorhandene Systeme nichts mehr im Wege steht.
Für automatisierte Anlagen an schwer zugänglichen Orten stehen elektromagnetische Systeme mit vollautomatischer Reinigungsfunktion zur Verfügung. Magnetfilter verschiedener Bauformen werden vor allem in Flüssigkeiten z.B. in der Nahrungsmittelindustrie oder in Hydraulikaggregaten verwendet. Derartige Systeme werden in einer Reihe von Spezialausführungen angeboten, z.B. für die Separierung von Eisen aus flüssiger Schokolade oder Käse oder auch für Großraumsysteme mit Kapazitäten von 1000 bis 8500 l/min in denen Drücke bis zu 8 bar auftreten.

Weitere Einsatzbeispiele sind:

Verschlußschrauben für die Automobil-, Motoren- und Getriebeindustrie
Filterkerzen für Schmier- und Hydrauliköl der Automobil-, Motoren- und Getriebeindustrie
Filterstäbe für Feinstfilterung von Schmier- und Hydraulikölen
Durchlauffilter für Hon-, Läpp- und Schleifmaschinen, sowie für Wasserleitungssysteme zur Enteisenung
Filterroste für Kühlöl an Werkzeugmaschinen, Schmieröl in Großbetrieben und Turbinen, für Wasseraufbereitungsanlagen in Walzwerken, in Kondensat-Kraftwerks-Anlagen, etc.
Kühlmittelreinigungsanlagen und Magnetfilterautomaten für die automatische Reinigung von Kühlflüssigkeiten, Schneidölen, Emulsionen an Schleifmaschinen und Automaten
Filterstäbe zum Separieren von gemahlenen Gütern für Mühlen, Farbstoffherstellung, etc.
Filterroste zur Separierung von Schüttgütern, Getreide, Mehl, Zement, Keramikmasse, Kunstoffgranulat

Zusammenfassung

In den letzten Jahren konnten durch Einsatz moderner Computersoftware über numerische Annäherungen die Leistung der heute angebotenen Separiermagnetsysteme deutlich verbessert und spezieller auf bestimmte Aufgaben abgestimmt werden. Für den Anwender steht daher eine fast unüberschaubare Vielfalt verschiedener Systeme für alle Bereiche industrieller Produktion zur Verfügung.

Zur Auswahl eines Separiersystems geeigneter Kapazität sind neben den Materialeigenschaften des zu separierenden metallischen Werkstoffes vor allem dessen Größe, seine Transportgeschwindigkeit und die Art des Transportmediums ausschlaggebend.