Using Rotating Permanent Magnets for Pumping Aluminium in a Liquid Metal Loop

Abstract

Aluminiumindustrien er avhengig av å pumpe flytende metall under resirkuleringsprosesser. På grunn av de høye korrosive egenskapene til flytende aluminium, må de eksisterende metodene for pumping unngå kontakt mellom pumpeutstyr og aluminium. Dette gjøres hovedsakelig ved bruk av elektromagnetiske rørere og pumper som en erstatning for konvensjonell mekanisk pumping, som fortsatt brukes i dagens industri. Å undersøke mulighetene for å bruke permanente magneter i stedet har vært et tema for debatt, men få har brukt faktisk flytende aluminium i utstyr som ligner industristandard for akademisk undersøkelse. En observasjon av markedet viser noen få kommersielle leverandører som tilbyr permanente magnetløsninger for pumping, men de har hittil vært en sidesak. Avhandlingen undersøker denne muligheten ved å utføre forsøk på fast og flytende aluminium i en spesialtilpasset oppstilling som arbeider mot implementering av designet til en permanent magnetpumpe i en løkke med flytende metal for semi-industriell akademisk forskning. I tillegg lages en FEM simulering av systemet, ved bruk av Comsol Multiphysics®, utført for å sammenligne den teoretiske og den eksperimentelle tilnærmingen til dette problemet. Ved å bruke en permanent magnet (NdFeB type) med en indre magnetisering på 1.45T, roterende med en definert hastighet og avstand, var det mulig å oppnå toppkrefter på 37N retningsbestemt skyvekraft på solid aluminium. Kraften avhenger i stor grad av ledningsevnen til aluminiumet og avstanden fra magneten til aluminiumet. Det var mulig å skape bevegelse på overflaten av et flytende aluminiumsbad, hvor magneten ble holdt under smelten. Videre var FEM-simuleringen tilstrekkelig nøyaktig til å bekrefte funnene om størrelsen på interaksjonsvolumet til magnetfeltet i aluminiumet. Dette peker mot muligheten for å bruke roterende permanente magneter til å røre flytende aluminium i full industriskala.

The aluminium industry is dependent on pumping liquid metal during recycling processes. Due to the high corrosive characteristics of liquid aluminium, the existing methods for pumping need to avoid contact between the pumping equipment and the aluminium itself. This is done mainly by using electromagnetic stirrers and pumps, as a substitute for conventional mechanical pumping, which are still used in today’s industry. Investigating the possibilities of using permanent magnets instead has been a topic for debate, but few have used actual liquid aluminium in equipment that resembles industrial grade for academic investigation. Observing the market shows a few commercial vendors offering permanent magnetic solutions for pumping and even for stirring, but they are a side occurrence up to today. This thesis investigates this possibility using a combination of solid and liquid aluminium trails in a custom setup working towards implementing the design of a permanent magnetic pump in a Liquid Metal Loop for semi-industrial academic research. Additionally, a finite element modelling (FEM) simulation of the system, using Comsol Multiphysics®, is made to compare the theoretical and the experimental approach to this problem. Using a permanent magnet (NdFeB type) with an inner magnetization of 1.45T, rotating it at a defined speed and distance, 37N of directional thrust force on solid aluminium billets was achieved. The force largely depends on the conductivity of the aluminium and the distance from the magnet to the aluminium. It was possible to create motion on the surface of a liquid aluminium bath, where the magnet was held below the melt. Furthermore, the FEM simulation was sufficiently accurate to verify the findings about the size of the interaction volume of the magnetic field in the aluminium. This points towards the feasibility of using rotating permanent magnets to stir liquid aluminium on a full industrial scale.