渦電流分選在報廢汽車中的應用研究 Research on the Application of Eddy Current Separation in End-of-life Vehicles

賈有東JIA You-dong 劉劍雄 LIU Jian-xiong 陳玲CHEN Ling 胡志明 HU Zhi-ming 程國東 CHENG Guo-dong

摘要：從國內(nèi)外分選工藝流程可知，渦電流分選（Eddy Current Separation ECS）是分選有色金屬的有效手段之一，且作為主要方法和手段廣泛應用于廢舊電子產(chǎn)品中有色金屬的回收利用。本文綜述了國內(nèi)報廢汽車的回收現(xiàn)狀及國內(nèi)外在渦電流分選方面的研究工作，對渦電流分選在報廢汽車中的應用做了總結(jié)與展望。

Abstract： From the separation process at home and abroad， Eddy Current Separator （ECS） is an important means of sorting non-ferrous metals.Although a lot of industrial sorting equipment such as metal separator and alloy separator have been developed， eddy current sorting is still widely used as the main method of sorting non-ferrous metals.In this paper， the present situation of scrap car recycling in China and the research work of eddy current sorting at home and abroad are reviewed， and the application of eddy current sorting in scrap car is summarized and prospected.

關(guān)鍵詞：報廢汽車;渦電流;有色金屬

Key words： end-of-life vehicles;nonlinear systems;non-ferrous metals

中圖分類號：U472.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0036-02

0? 引言

隨著社會的發(fā)展，汽車消費逐年增長，根據(jù)公安部在2018年9月底發(fā)布的信息，我國汽車保有量約2.35億輛，比上一年同時期增長約為12.0%[1];與此同時，廢舊汽車的報廢量也在與日俱增，尤其是從2011年開始。目前我國汽車實際報廢量已經(jīng)超過1300萬輛，到2025年將超過1500萬輛，按每輛可實現(xiàn)約3000元回收收入計算，整個報廢汽車拆解市場規(guī)?？蛇_450億元[2]，在中國具有很大的市場空間。在廢舊汽車的拆解過程中，廢棄物中的廢油、廢液及重金屬會流入土壤，滲透到地下水對土壤及地下水造成污染，因此，廢舊汽車的回收利用刻不容緩。

目前國內(nèi)報廢汽車處理主要通過拆解、破碎及分選等幾個步驟[3，4]，主要是先將黑色金屬和有色金屬分選出來，跟歐美發(fā)達國家相比技術(shù)水平上相差甚大，他們先是采用磁選機，先將磁性顆粒吸附在磁輥上而達到與其他非磁性材料分離的目的[5-6]，對于剩下的非磁性材料，尤其是有色金屬。

據(jù)統(tǒng)計，近幾年生產(chǎn)的乘用車的材料組成大致為：鋼鐵65-70%，有色金屬10-15%，非金屬材料20%左右。盡管我國有色金屬礦產(chǎn)資源種類多，蘊藏量豐富，但一些重要的支柱性礦產(chǎn)如鋁、銅等的保有儲量占世界總量的比例較低，僅有3.9%和2.3%[5]，與此同時，由于消費量巨大，鋁、銅等有色金屬主要還是進口，其進口量分別達到了47%[6]、59%[7]。目前，國內(nèi)對于磁性材料的回收較為成熟，但傳統(tǒng)的渦流分離器由于顆粒特性復雜，分離效率較低，因此對于有色金屬的回收利用還存在一定的空間。

自1889年，托馬斯愛迪生申請了交流磁場渦流分離器專利，用于分離有色金屬和非金屬以來，國內(nèi)外學者一直基于渦電流的分選原理，無論從降低成本還是從提高分選效率等方面進行設計研究，本文就渦電流在報廢汽車回收有色金屬，尤其是大粒徑有色金屬的回收進行總結(jié)與展望。

1? 研究現(xiàn)狀

1.1 渦電流分選原理? 當有色金屬顆粒經(jīng)過一個交變磁場時，這些有色金屬本身就會產(chǎn)生感應渦流，渦電流產(chǎn)生的渦流力與磁場力之間的推力從而達到分離有色金屬顆粒的目的[8]?；谶@一分選原理，國內(nèi)外學者設計出了各式各樣的渦流分選機，并提出了渦流分選設計，磁輥由永磁體南北極依次繞在軸上。

1.2 渦電流分選設備研究? Shunli Zhang等人[9]為了分選電子廢棄物中的鋁，開發(fā)出了一種全新的強力渦流分選機，并對實驗參數(shù)進行了探索，實驗表明廢料的粒徑、形狀、導電率、進給速度、分離位置對分選效率影響顯著，同時驗證了該設備對回收電子產(chǎn)品中的鋁是一種行之有效的方法，這對于回收個人電腦及電路板里中的有色金屬（主要是銅、鋁）有很好的啟示作用， Z. Schlett[10]設計了一種帶傾斜磁盤的渦電流分離裝置，該設備主要由直徑為260mm鐵磁盤及內(nèi)嵌有20塊NeFeB永磁體，設計用于分離5mm（主要是2-4mm）以下的Cu-Pb、Cu-Al不規(guī)則混合物，觀察其分離效果，實驗結(jié)果表明該裝置能高效分離混合物，即使對于銅鋁混合物也有很好的分離效果，并且與常規(guī)分離裝置相比，成本更低。

A.Salama等[11]設計了一種輥式靜電分離器，用于分析從廢電線中回收銅和鋁的不同。通過考慮顆粒與電極之間的影響，使用高速相機對粒子軌跡進行可視化，作者開發(fā)的數(shù)值模型對于分離過程的模擬和其可行性的評估非常有效，數(shù)值模擬與粒子軌跡實驗觀察的一致性較好。68.6%的銅被回收，純度達到99%，21.3%的鋁被回收，純度為73.7%。

FRANCESCA SETTIMO等在根據(jù)傳統(tǒng)的渦電流分選原理，提出了新的渦電流分選設備，但主要針對的是小于5mm顆?；厥招实拖碌膯栴}。

目前世界上渦電流分選主要設備商有意大利的SGM公司，德國的STEINERT公司、To Tech公司，美國的Eriez公司，挪威Titech公司等;在國內(nèi)，從事渦電流分選研發(fā)和生產(chǎn)的廠家主要有撫順隆基電磁科技有限公司、山東科特機電設備有限公司及湖南萬容科技股份有限公司等。濰坊科特機電設備有限公司生產(chǎn)的強磁場渦電流分選機，該設備對有色金屬的分選效率可高達90%以上，并且能耗及維修費用較低。

1.3 渦電流分選理論研究

Rem 等給出了渦流分選機柱坐標（r，φ，z）內(nèi)磁場強度的計算方程，得出顆粒粒徑、形狀、導電性與顆粒運動軌跡的關(guān)系。

Bz=0

式中 k、ωdrum、bn、Rdrum為別為分選機磁鐵對數(shù)、為磁輥轉(zhuǎn)速、傅里葉系數(shù)及磁輥半徑，n 為自然常數(shù)。

Zhang 和 Forssberg在分析渦流分選過程中顆粒所受渦流力的切向力和徑向力時提出了如下計算模型。

式中的 s、V、τ、μ0、Ba、k、ωdrum、Ω、w分別表示顆粒形狀因素、顆粒體積、顆粒導電性、為真空磁導率、磁輥磁場強度、磁輥磁極對數(shù)、磁輥轉(zhuǎn)速、顆粒運動角速度、磁輥中單個磁極的寬度。

Maraspin 和 Rem研究了非磁性金屬顆粒在渦電流中的水平拋射距離，提出了顆粒在渦流分選中所受的力矩計算模型。

式中 k 、B、r、V、μ0分別表示磁極個數(shù)、磁輥磁場強度、顆粒到磁輥軸心的徑向距離、為顆粒的體積及真空磁導率，而形狀因素、磁輥轉(zhuǎn)速、顆粒運動角速度、顆粒垂直于磁輥磁場徑向方向的最大橫截面積分別用R（ζ）

I（ζ）、ωdrum、Ω 、σ 和d 來表示。

Lungu 和 Schlett提出顆粒所受到的徑向力和切向力計算模型。

模型中的s、μ0、ω、Ω、σ、R、λ、V、r、j、B分別表示顆粒形狀因素、真空磁導率、磁輥轉(zhuǎn)速，為顆粒運動角速度、顆粒導電性、垂直于磁輥磁場徑向方向的最大橫截面積、磁輥單個磁極寬度、顆粒體積、顆粒到磁輥軸心的徑向距離、顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的渦電流強度及磁輥磁場強度。

阮菊俊博士研究廢棄硒鼓、廢舊冰箱箱體的資源化利用工藝時，渦電流分選中顆粒的進出磁場的力和運動分析、脫離角的建模計算，阮菊俊博士的研究對廢棄電子產(chǎn)品的回收利用有很好的指導意義。

王全強利用渦電流分選機對銅、鋁和塑料的標準樣進行了分選，通過調(diào)節(jié)進料速度、轉(zhuǎn)子速度和皮帶轉(zhuǎn)速，可以得到分選效率達到95%以上。

2? 結(jié)論

①本文綜述了渦電流分選的分選原理，并基于這一原理的常見渦電流分選設備，主要針對有色金屬的分選設備。②理論研究方面，國內(nèi)外學者的主要貢獻是顆粒在ECS中所受磁偏斥力的力學模型、多因素復合影響下的分選效率等方面。③研究對象主要針對小顆粒（一般2至4mm）回收效率的研究，對報廢汽車這樣的大顆粒有色金屬的回收鮮有涉及。本文對報廢汽車有色金屬的回收有一定的指導意義和參考價值。

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