黃艱生，盧劍鋒，謝衛(wèi)寧

（江蘇華宏科技股份有限公司，江蘇 江陰214400）

隨著中國汽車產(chǎn)品大量進(jìn)入國民的日常生活，鋁、鋁合金和鎂鋁合金作為汽車制造的重要原材料也得到大規(guī)模應(yīng)用[1]。由于采用鋁、鋁合金和鎂鋁合金制造的構(gòu)件能夠提高整車的力學(xué)性能，降低車體重量，因此當(dāng)下越來越多的汽車部件采用鋁、鋁合金和鎂鋁合金原料制造。目前我國生產(chǎn)的汽車中，鋁、鋁合金和鎂鋁合金應(yīng)用比例達(dá)到15%，而歐美國家采用這些材質(zhì)制造的部件的應(yīng)用比例更是達(dá)到25%[2]。

廢舊汽車破碎產(chǎn)品中的鋁和鎂鋁合金具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。如何實(shí)現(xiàn)該部分資源的重新利用，成為研究者思考的關(guān)鍵所在。目前鋁、鋁合金和鎂鋁合金的回收主要通過人工揀選和濕法分選相結(jié)合的方法進(jìn)行。人工揀選是對(duì)報(bào)廢汽車進(jìn)行一次破碎之后，將大的零部件通過人工方式分別挑選出來的方法。這種方法人工成本高，效率低下，且不適用于粒徑較小的部件回收。濕法相對(duì)人工揀選效率較高，但是由于需要使用大量的水，造成水資源的浪費(fèi)和污染，因此濕法在環(huán)保領(lǐng)域面臨巨大挑戰(zhàn)。

立式氣流分選柱長期被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)及礦業(yè)方面對(duì)有價(jià)金屬、廢棄塑料等的處理中，取得了較好的結(jié)果[3]，是一種通過向設(shè)備中周期性通入氣流，實(shí)現(xiàn)被分選物料按照密度分開的一種設(shè)備[4]。顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)受到自身密度、粒度、形狀多方面的影響，因此，傳統(tǒng)立式脈動(dòng)氣流分選柱無法克服顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互重疊，導(dǎo)致分選效率差[5]。為解決該問題，脈動(dòng)氣流于20 世紀(jì)80年代被引入氣流分選中，取得了較好的結(jié)果。該方法的使用在一定程度上克服了密度之外因素對(duì)分選精度的影響[6]。因此國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)脈動(dòng)氣流分選脈動(dòng)頻率、阻尼塊形狀、設(shè)備管徑等方面展開了詳細(xì)的研究，并將脈動(dòng)氣流分選應(yīng)用于塑料、電子廢棄物、煤炭等多方面[7-13]。采用脈動(dòng)氣流分選的方法對(duì)鋁和鋁合金進(jìn)行分選研究，以探討脈動(dòng)氣流法在鋁和鋁合金分選中應(yīng)用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)物料和分選流程

實(shí)驗(yàn)物料由南京華宏科技股份有限公司提供。為了準(zhǔn)確得知物料組成及性質(zhì)，對(duì)物料進(jìn)行肉眼觀察和密度測(cè)試。肉眼觀察得知，物料可以分為鋁、鋁合金以及外觀有差異的3 種鎂鋁合金，密度組成如表1所示。為準(zhǔn)確確定不同類別物料元素組成，將物料使用濃硝酸溶解，并稀釋1000 倍進(jìn)行ICP-MS 測(cè)試，獲得如表2所示的測(cè)試結(jié)果。從表2可以看出，鋁和鋁合金是兩種以鋁為主體元素的材料，并包含一些其他元素。鋁合金中鋁的含量相對(duì)較低，且含有較多的鐵、銅、鋅、硅元素。合金1，2，3 均為成分相似的鎂鋁合金。

表1 物料密度g·cm-3

表2 ICP-MS 測(cè)試結(jié)果%

為了選擇合適的破碎機(jī)械將物料處理成適合分選的粒度，首先使用SEM 對(duì)不同物料的截?cái)嗝娣e進(jìn)行觀察，并對(duì)破碎產(chǎn)物使用篩孔直徑為16 mm，11.2 mm，8 mm，4 mm，2 mm，0.5 mm 篩子進(jìn)行篩分，最后采用如圖1所示的脈動(dòng)氣流分選柱分別在蝶閥頻率保持35 Hz，風(fēng)機(jī)頻率為35 Hz，40 Hz，45 Hz，50 Hz 的條件下對(duì)物料進(jìn)行分選，并計(jì)算分選結(jié)果的溢流產(chǎn)率和底流產(chǎn)率。

圖1 脈動(dòng)氣流分選系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果討論

2.1 斷面分析

根據(jù)計(jì)算顆粒動(dòng)力學(xué)（CPFD）的基礎(chǔ)理論可知，脈動(dòng)氣流分選主要依靠氣流的脈動(dòng)引起不同密度顆粒運(yùn)動(dòng)的周期性變化，導(dǎo)致不同密度顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)上的差異，從而引起顆粒的分離。因此，相同的粒度區(qū)間控制對(duì)于使用脈動(dòng)氣流分選鋁、鋁合金和鎂鋁合金起到關(guān)鍵的作用。顆粒的破碎主要通過機(jī)械提供的剪切力或正向壓力實(shí)現(xiàn)，而不同的破碎機(jī)械其起主導(dǎo)作用的力是不同的，因此，需要對(duì)物料進(jìn)行端面分析，以選擇合適的破碎機(jī)械。圖2所示為不同物料的自然斷面SEM圖。由折斷面掃描電鏡結(jié)果可以看出，鋁的自然折斷面較為平整致密，為塑性斷裂斷面形態(tài)；而鋁合金和兩種鎂鋁合金的自然折斷面凹凸不平，為脆性斷裂斷面形態(tài)。基于鋁、鋁合金和鎂鋁合金的力學(xué)性能和斷面分析，可以看出，若使用以沖擊式的正應(yīng)力為主要作用力的破碎機(jī)械，會(huì)導(dǎo)致鋁的破碎狀態(tài)與鋁合金、鎂鋁合金的破碎結(jié)果有較大區(qū)別，從而導(dǎo)致破碎產(chǎn)物在分選過程中不僅會(huì)以密度分選且會(huì)發(fā)生粒度分離，導(dǎo)致分選效果變差，因此選擇剪切式破碎機(jī)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行處理，以保證破碎粒度保持一致。

2.2 篩分結(jié)果

使用剪切式破碎機(jī)對(duì)所有物料進(jìn)行破碎處理，再進(jìn)行篩分，得到的結(jié)果如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可以看出，鋁和鎂鋁合金破碎產(chǎn)物均集中在4~16 mm，分別占總原料的89.61%和84.94%。使用剪切式破碎機(jī)破碎的物料沒有選擇破碎性，破碎后的物料85%左右集中在11.2~16 mm 兩個(gè)粒度級(jí)中，所以分選實(shí)驗(yàn)對(duì)8~11.2 兩個(gè)粒度級(jí)的物料進(jìn)行分選。

圖2 不同物料自然斷面圖

表3 篩分結(jié)果

2.3 分選條件探索

根據(jù)鋁、鋁合金和鎂鋁合金密度的不同，使用脈動(dòng)氣流分別對(duì)鋁、鋁合金和鎂鋁合金物料進(jìn)行分選。實(shí)驗(yàn)中控制蝶閥的變頻器在35 Hz 不變，得到的分選結(jié)果如表4、表5所示。

表4 脈動(dòng)氣流單獨(dú)分選鋁

表5 脈動(dòng)氣流單獨(dú)分選鎂鋁合金

由脈動(dòng)氣流分選結(jié)果可以得到分選時(shí)風(fēng)機(jī)的變頻器頻率控制在40~50 Hz，風(fēng)機(jī)變頻器頻率為45 Hz時(shí)，單獨(dú)分選鋁得到的溢流和底流產(chǎn)品中均含有鋁和鋁合金，并且從粒度和形狀上看無區(qū)別，這是因?yàn)槠扑楹蟮匿X合金和鋁形狀沒有差異，并且兩種鋁的密度僅相差0.1025 g/cm3，單獨(dú)分選鋁的溢流和底流產(chǎn)品也有較大區(qū)別。對(duì)鋁和鎂鋁合金進(jìn)行分選的結(jié)果可以看出，當(dāng)?shù)y頻率為35 Hz 時(shí)，選擇風(fēng)機(jī)頻率處于40~45 Hz可以得到較為理想的產(chǎn)品，但是由于粒度對(duì)結(jié)果影響較大，需要對(duì)不同粒級(jí)物料選用不同條件進(jìn)行分選。選用40 Hz 流量對(duì)8~11.2 mm 物料進(jìn)行分選時(shí)，可以得到理想的鎂鋁合金溢流產(chǎn)物，通過對(duì)底流產(chǎn)物的進(jìn)一步分選，可以獲得純凈的鋁、鋁合金混合物料和鎂鋁合金物料。而選擇45 Hz 流量對(duì)11.2~16 mm 物料進(jìn)行分選時(shí)，可以得到理想的鋁和鋁合金混合底流產(chǎn)物，通過對(duì)溢流產(chǎn)物施加進(jìn)一步的脈動(dòng)氣流分選，可以獲得純凈的鋁、鋁合金混合物料和鎂鋁合金物料。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，鋁、鋁合金和鎂鋁合金的自然斷面差異明顯，鋁呈現(xiàn)塑性斷裂表面形態(tài)，而鋁合金和鎂鋁合金呈現(xiàn)脆性斷裂表面形態(tài)。破碎機(jī)械的選擇是粒度控制的關(guān)鍵，為控制破碎粒度，需要選擇剪切式破碎機(jī)對(duì)物料進(jìn)行處理。篩分結(jié)果可以看出，經(jīng)過破碎的物料粒度范圍窄，粒度控制效果顯著。風(fēng)量的控制對(duì)于不同粒度物料的分選效果影響差異顯著，需要分別控制，多次分選。由于鋁和鋁合金密度差異小，鋁和鋁合金的分離效果不明顯。