蔣明江，劉劍雄

（650000 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，中國(guó)的汽車保有量連年增加，2020 年我國(guó)汽車保有量已達(dá)2.81 億輛。由于汽車保有量不斷上升，報(bào)廢汽車數(shù)量也在不斷提升。2020 年我國(guó)理論報(bào)廢汽車1 851 萬輛，但實(shí)際回收數(shù)量?jī)H217.7 萬輛，回收率較低。目前，我國(guó)報(bào)廢汽車回收拆解企業(yè)主要包括北京華宏再生資源利用有限公司、北京首特鋼報(bào)廢機(jī)動(dòng)車綜合利用有限公司、信陽中南金屬回收有限責(zé)任公司和山西安順錦程報(bào)廢汽車回收拆解有限公司等。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)報(bào)廢汽車的處理流程主要包括前處理、拆解、破碎和分選等4 個(gè)步驟。其中常用的分選方式有磁分選、渦電流分選、重介質(zhì)分選、風(fēng)選和人工揀選等。而渦電流分選作為分離有色金屬的基礎(chǔ)手段，在整個(gè)分選流程中扮演著不可替代的作用。

1 渦電流分選原理

渦電流分選的基本原理如圖1 所示。永磁體按N-S-N 極交替排布在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，在空間中激發(fā)一個(gè)交替變化的磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)電的非磁性金屬通過交變磁場(chǎng)時(shí)，金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生閉合環(huán)形感應(yīng)電流，稱其為渦電流。渦電流自身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)方向與磁輥磁場(chǎng)方向相反，金屬顆粒受到磁輥的排斥力，運(yùn)行過程中發(fā)生跳躍，使金屬顆粒從混合物中分離開。

圖1 渦電流分選原理圖Fig.1 Schematic diagram of eddy current separation

2 渦電流分選研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

渦電流分選起源于美國(guó)，完善于歐洲，北歐和西歐國(guó)家的大學(xué)和科研院所做的工作最多，如英國(guó)的索爾福德大學(xué)、荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)、瑞典的呂勒奧理工大學(xué)、羅馬尼亞的蒂米什瓦拉西部大學(xué)等。

1991 年，英國(guó)學(xué)者Fletcher 等[1-3]針對(duì)有色金屬的分離問題，研制了單磁場(chǎng)邊界式渦電流分選機(jī)，通過建立二維數(shù)學(xué)模型，得到了圓形和矩形金屬顆粒分離過程中的理論軌跡，以及不同分離參數(shù)下的具體行為。通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)該裝置的分離潛能進(jìn)行了評(píng)估，表明單磁場(chǎng)邊界渦電流分選機(jī)可以產(chǎn)生更強(qiáng)的渦流斥力。1992 年，又利用單磁場(chǎng)邊界式渦電流分選機(jī)，對(duì)矩形和圓形金屬顆粒的行為模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)前文理論模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。將該理論模型擴(kuò)展到任意形狀的金屬顆粒，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)擴(kuò)展后的理論模型進(jìn)行對(duì)比，證明該理論模型對(duì)金屬顆粒軌跡和行為的預(yù)測(cè)合理可靠。1993年，針對(duì)單磁場(chǎng)邊界式渦電流分選機(jī)，提出了預(yù)測(cè)金屬可分離性的方法，并通過矩形鋁、銅和黃銅顆粒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了該預(yù)測(cè)方法的正確性。

1997 年，荷蘭學(xué)者Rem 等[4-6]通過求解金屬顆粒磁矩的一階線性微分方程，得到了磁輥磁場(chǎng)的分布規(guī)律，如式（1）所示。進(jìn)而建立了分離過程中金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過數(shù)值積分求解了簡(jiǎn)單形狀金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，從該運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中得出粒徑、形狀和電導(dǎo)率是影響顆粒軌跡的主要因素。1998 年，又通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了給定尺寸、形狀、材料金屬顆粒的分選品位和回收率，并于理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該理論模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分離的品位和回收率，并在此基礎(chǔ)上首次提出分選過程自動(dòng)化控制的可能性。1998 年，通過考慮分選過程中的機(jī)械作用力和氣動(dòng)力，對(duì)金屬顆粒磁矩的一階微分方程進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)分選過程中金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化，使理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。

式中：Br、Bθ、Bz——柱坐標(biāo)系中磁通密度的軸向分量；bn——傅里葉系數(shù)；Rdrum——磁輥半徑；k——磁極對(duì)數(shù)；n——自然數(shù)；ωdrum——磁輥轉(zhuǎn)速。

1998 年，瑞典學(xué)者Zhang 等[7-9]針對(duì)個(gè)人電腦和印刷電路板回收問題，研發(fā)了新型高強(qiáng)度渦電流分選機(jī)（HFECS），如圖2 所示。使用該分選機(jī)對(duì)上述碎片進(jìn)行分選，個(gè)人電腦廢料中的鋁品位為85%，回收率為90%。1999 年，又利用ECSIM 軟件對(duì)雙鼓式渦電流分選機(jī)的顆粒軌跡進(jìn)行了仿真分析，并通過實(shí)驗(yàn)證明了仿真結(jié)果的正確性。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，討論了雙鼓式渦電流分選機(jī)改進(jìn)優(yōu)化的潛能。1999 年，利用研制的高強(qiáng)度渦電流分選機(jī)，研究了金屬-非金屬和金屬-金屬之間的分離機(jī)理，提出了一種實(shí)現(xiàn)不同材料有效分離的分離方法，并在此基礎(chǔ)上提出了用于金屬間分離的4個(gè)分離準(zhǔn)則。

圖2 HFECS 示意圖Fig.2 Schematic diagram of HFECS

2001 年，羅馬尼亞學(xué)者Lungu[10-13]等提出了一種下部進(jìn)料式渦電流分選機(jī)（如圖3 所示），用于毫米級(jí)銅鋁混合物的分離。分選過程中，金屬顆粒自身旋轉(zhuǎn)，使分選過程中的水平位移增加，分離效果得到增強(qiáng)。2002 年，又提出了一種傾斜磁轉(zhuǎn)盤式渦電流分選機(jī)（如圖4 所示），用于小尺寸有色金屬顆粒的分離，并用該裝置分別對(duì)銅-鉛、鋁-橡膠和銅-鋁的分離品位和回收率進(jìn)行了測(cè)試。2002 年，提出了一種傾斜滾筒式渦電流分選機(jī)（IDECS）（如圖5 所示），用于有色金屬顆粒的分離。該分選機(jī)由傾斜的旋轉(zhuǎn)滾筒組成，上表面覆蓋有永磁體。金屬顆粒進(jìn)入磁場(chǎng)，在渦流斥力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，用該裝置對(duì)小尺寸銅-鉛和銅-鋁混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了分離的品位和回收率。2005 年，提出了一種角鼓式渦電流分選機(jī)（ADECS）（如圖6 所示），用于分離小尺寸有色金屬顆粒。水平磁輥軸和傳送帶位移方向成一定的夾角，當(dāng)有色金屬顆粒經(jīng)過磁輥磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)生跳躍，產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 下部進(jìn)料式ECS 示意圖Fig.3 Schematic diagram of low-feeding ECS

圖4 傾斜磁轉(zhuǎn)盤式ECS 示意圖Fig.4 Schematic diagram of inclined magnetic disc ECS

圖5 IDECS 示意圖Fig.5 Schematic diagram of IDECS

圖6 ADECS 示意圖Fig.6 Schematic diagram of ADECS

2013 年，荷蘭學(xué)者Rahman 等[14]在城市垃圾焚燒爐底灰回收過程中，通過在渦電流分選的顆粒流中加傳感器（如圖7 所示），實(shí)現(xiàn)對(duì)分選過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確測(cè)量了回收金屬的品位和回收率；通過前后調(diào)整傳感器位置，采集不同位置數(shù)據(jù)，研究顆粒尺寸和密度對(duì)分離效果的影響。通過傳感器單元實(shí)現(xiàn)了在線質(zhì)量控制和分選參數(shù)的自動(dòng)控制。

圖7 傳感器單元示意圖Fig.7 Schematic diagram of sensor unit

2017 年，美國(guó)學(xué)者Nakul 等[15]提出了一種利用交流電磁鐵代替旋轉(zhuǎn)磁輥的渦電流分選新技術(shù)，如圖8 所示。該技術(shù)除了進(jìn)料機(jī)構(gòu)外，不需要其它的運(yùn)動(dòng)部件，并且能在50 kHz 的激勵(lì)頻率下工作。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)的品位和回收率為85%～95%。

圖8 電動(dòng)分離系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of electrodynamic sorting system

國(guó)外對(duì)渦電流分選的研究較早，相對(duì)成熟，主要針對(duì)小尺寸有色金屬顆粒的分離。高校和科研院所設(shè)計(jì)出新穎的分選裝置，通過試驗(yàn)法觀察其分選效果，以探究其工業(yè)化應(yīng)用的潛能。或通過計(jì)算磁輥磁場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)渦電流分選過程中的渦流斥力進(jìn)行求解，建立渦電流分選的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)分選過程中影響參數(shù)的優(yōu)化。近年來，國(guó)外學(xué)者也開始對(duì)渦電流分選自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，但還處于起步階段，在精確控制算法、緊湊硬件結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)搭建等方面還有很多工作要做。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)渦電流分選的研究相對(duì)較晚。2000 年后，由于國(guó)內(nèi)對(duì)有色金屬回收利用的迫切需要，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始積極引進(jìn)設(shè)備開展研究。研究機(jī)構(gòu)主要是高校和科研院所，其代表分別有中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、中山大學(xué)、北京礦冶研究院等。研究?jī)?nèi)容主要包括分選機(jī)理、分選效率、分選設(shè)備等。

2004 年，陳祿政等[16]推導(dǎo)了交變磁場(chǎng)中渦流斥力的數(shù)學(xué)模型，利用該模型確定了影響渦電流分離效果的主要因素，并通過分離實(shí)驗(yàn)證明了該數(shù)學(xué)模型的可靠性，表明渦電流分離技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2005 年，王全強(qiáng)等[17]基于金屬顆粒導(dǎo)電率和密度2 個(gè)因素，研究了銅-鋁分離問題。證明相同條件下，不同金屬的運(yùn)行軌跡不同，同時(shí)金屬顆粒的形狀和尺寸對(duì)分離結(jié)果的影響也較大，并借助高速動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)建立了分選過程中的動(dòng)力學(xué)模型。

2008 年，吳彩斌等[18]采用渦電流分選，對(duì)廢棄電路板破碎和風(fēng)選后的混合物進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明渦電流分選對(duì)電路板中有價(jià)金屬回收優(yōu)勢(shì)較大，通過合理調(diào)節(jié)渦電流分選設(shè)備的操作參數(shù)，能獲得質(zhì)量較高的金屬富集體。

2011 年，阮菊俊等[19-21]針對(duì)渦電流分選塑料-鋁品位和效率低的問題，建立了新的渦流斥力模型（如式（2）所示），用于指導(dǎo)塑料-鋁的分離過程，通過對(duì)比分離角的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該模型的正確性。2011 年，又針對(duì)廢舊碳粉盒的回收問題，提出了一種機(jī)械生產(chǎn)線，包括剪切、磁分選和渦電流分選過程，鋼、碳粉、鋁、塑料的回收率分別為98.4%、95%、97.5% 和98.8%。2014 年，針對(duì)電子垃圾的回收問題，建立了有色金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡模型。為了提高渦電流分離對(duì)電子垃圾的回收率，給出了破碎工藝、分選機(jī)設(shè)計(jì)、分選機(jī)運(yùn)行方面的一些建議。

式中：Br——徑向磁通密度；k——磁極對(duì)數(shù)；ωdrum——磁輥轉(zhuǎn)速；Rdrum——磁輥半徑；v——皮帶線速度；σ——有色金屬電導(dǎo)率；V——有色金屬體積；S——有色金屬橫截面積；R——分選滾筒半徑；α——分離角。

2019 年，畢?？〉萚22]以廢磷酸鋰電池破碎產(chǎn)物的渦電流分離為基礎(chǔ)，建立了分離過程中渦流斥力模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過迭代法來提高模型的精度，并以位移間隔為分離指標(biāo)，提高了模型的直觀性和實(shí)用性。

2020 年，陳大林等[23]構(gòu)建了一種新型Halbach 陣列磁輥，如圖9 所示。通過建立單個(gè)永磁體磁場(chǎng)的計(jì)算模型，研究了磁輥磁場(chǎng)的分布規(guī)律，表明Halbach 陣列磁輥產(chǎn)生的磁場(chǎng)更強(qiáng)，作用距離也更遠(yuǎn)，更利于大尺寸銅鋁件的分離。

圖9 Halbach 陣列磁輥Fig.9 Halbach array magnetic roller

2021 年，曹彬等[24]提出將Halbach 陣列用于渦電流分選，提出面積場(chǎng)強(qiáng)和磁體效率密度的新概念，并對(duì)磁輥的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁體利用效率做了定量的評(píng)價(jià)。利用有限元工具，系統(tǒng)地研究了磁輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)面積場(chǎng)強(qiáng)和磁體效率密度的影響，建立了面積場(chǎng)強(qiáng)、磁體效率密度和磁極數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，應(yīng)用多目標(biāo)遺傳算法得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。

目前，國(guó)內(nèi)主要是通過試驗(yàn)法對(duì)具體應(yīng)用中的分選機(jī)的品位和分選效率進(jìn)行研究，對(duì)分選機(jī)理和大尺寸有色金屬分離的研究較少，還有待完善和提高。

3 渦電流分選應(yīng)用領(lǐng)域

渦電流分選機(jī)的設(shè)計(jì)初衷是用于有色金屬的分離，故目前渦電流分選機(jī)都是應(yīng)用在有色金屬的回收利用領(lǐng)域，主要包括3 方面：（1）城市固體廢棄物，主要是生活垃圾的處理；（2）汽車破碎料有色金屬回收；（3）電子廢棄物的回收，主要包括廢棄家電、印刷電路板，以及新能源電池。

4 結(jié)語

目前，對(duì)渦電流分選的研究主要集中在分選過程中力學(xué)模型的建立、具體分選機(jī)分選品位和效率的研究，以及小尺寸有色金屬的分離，研究方法以試驗(yàn)法為主。在渦電流分選研究方面，國(guó)內(nèi)可通過加強(qiáng)理論研究、優(yōu)化分選工藝流程、關(guān)注大尺寸有色金屬分離問題、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備等，不斷提升自主研發(fā)的能力。

渦電流分選發(fā)展的主要趨勢(shì)有：針對(duì)細(xì)粒物料的渦電流分選技術(shù)和裝備的發(fā)展；為解決有色金屬渦電流分選困難的問題，揀選技術(shù)和裝備的發(fā)展；分離材料由純金屬向合金轉(zhuǎn)變的發(fā)展。渦電流分選方法將越來越廣泛應(yīng)用于有色金屬資源化回收行業(yè)，且正向高度自動(dòng)化控制方向轉(zhuǎn)變。