基于脈動氣流分選的鋁和鎂鋁合金分選研究

黃艱生，盧劍鋒，謝衛寧

（江蘇華宏科技股份有限公司，江蘇 江陰214400）

隨著中國汽車產品大量進入國民的日常生活，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模應用[1]。由于采用鋁、鋁合金和鎂鋁合金制造的構件能夠提高整車的力學性能，降低車體重量，因此當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。目前我國生產的汽車中，鋁、鋁合金和鎂鋁合金應用比例達到15%，而歐美國家采用這些材質制造的部件的應用比例更是達到25%[2]。

廢舊汽車破碎產品中的鋁和鎂鋁合金具有巨大的經濟效益和環境效益。如何實現該部分資源的重新利用，成為研究者思考的關鍵所在。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合的方法進行。人工揀選是對報廢汽車進行一次破碎之后，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，造成水資源的浪費和污染，因此濕法在環保領域面臨巨大挑戰。

立式氣流分選柱長期被應用于農業及礦業方面對有價金屬、廢棄塑料等的處理中，取得了較好的結果[3]，是一種通過向設備中周期性通入氣流，實現被分選物料按照密度分開的一種設備[4]。顆粒在氣流中的運動受到自身密度、粒度、形狀多方面的影響，因此，傳統立式脈動氣流分選柱無法克服顆粒在氣流中運動時的相互重疊，導致分選效率差[5]。為解決該問題，脈動氣流于20 世紀80年代被引入氣流分選中，取得了較好的結果。該方法的使用在一定程度上克服了密度之外因素對分選精度的影響[6]。因此國內外諸多學者對脈動氣流分選脈動頻率、阻尼塊形狀、設備管徑等方面展開了詳細的研究，并將脈動氣流分選應用于塑料、電子廢棄物、煤炭等多方面[7-13]。采用脈動氣流分選的方法對鋁和鋁合金進行分選研究，以探討脈動氣流法在鋁和鋁合金分選中應用的可行性。

1 實驗物料和分選流程

實驗物料由南京華宏科技股份有限公司提供。為了準確得知物料組成及性質，對物料進行肉眼觀察和密度測試。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 倍進行ICP-MS 測試，獲得如表2所示的測試結果。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 測試結果%

為了選擇合適的破碎機械將物料處理成適合分選的粒度，首先使用SEM 對不同物料的截斷面積進行觀察，并對破碎產物使用篩孔直徑為16 mm，11.2 mm，8 mm，4 mm，2 mm，0.5 mm 篩子進行篩分，最后采用如圖1所示的脈動氣流分選柱分別在蝶閥頻率保持35 Hz，風機頻率為35 Hz，40 Hz，45 Hz，50 Hz 的條件下對物料進行分選，并計算分選結果的溢流產率和底流產率。

圖1 脈動氣流分選系統示意圖

2 結果討論

2.1 斷面分析

根據計算顆粒動力學（CPFD）的基礎理論可知，脈動氣流分選主要依靠氣流的脈動引起不同密度顆粒運動的周期性變化，導致不同密度顆粒運動學上的差異，從而引起顆粒的分離。因此，相同的粒度區間控制對于使用脈動氣流分選鋁、鋁合金和鎂鋁合金起到關鍵的作用。顆粒的破碎主要通過機械提供的剪切力或正向壓力實現，而不同的破碎機械其起主導作用的力是不同的，因此，需要對物料進行端面分析，以選擇合適的破碎機械。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；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。基于鋁、鋁合金和鎂鋁合金的力學性能和斷面分析，可以看出，若使用以沖擊式的正應力為主要作用力的破碎機械，會導致鋁的破碎狀態與鋁合金、鎂鋁合金的破碎結果有較大區別，從而導致破碎產物在分選過程中不僅會以密度分選且會發生粒度分離，導致分選效果變差，因此選擇剪切式破碎機對產物進行處理，以保證破碎粒度保持一致。

2.2 篩分結果

使用剪切式破碎機對所有物料進行破碎處理，再進行篩分，得到的結果如表3所示。由表3數據可以看出，鋁和鎂鋁合金破碎產物均集中在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 兩個粒度級中，所以分選實驗對8~11.2 兩個粒度級的物料進行分選。

圖2 不同物料自然斷面圖

表3 篩分結果

2.3 分選條件探索

根據鋁、鋁合金和鎂鋁合金密度的不同，使用脈動氣流分別對鋁、鋁合金和鎂鋁合金物料進行分選。實驗中控制蝶閥的變頻器在35 Hz 不變，得到的分選結果如表4、表5所示。

表4 脈動氣流單獨分選鋁

表5 脈動氣流單獨分選鎂鋁合金

由脈動氣流分選結果可以得到分選時風機的變頻器頻率控制在40~50 Hz，風機變頻器頻率為45 Hz時，單獨分選鋁得到的溢流和底流產品中均含有鋁和鋁合金，并且從粒度和形狀上看無區別，這是因為破碎后的鋁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，單獨分選鋁的溢流和底流產品也有較大區別。對鋁和鎂鋁合金進行分選的結果可以看出，當蝶閥頻率為35 Hz 時，選擇風機頻率處于40~45 Hz可以得到較為理想的產品，但是由于粒度對結果影響較大，需要對不同粒級物料選用不同條件進行分選。選用40 Hz 流量對8~11.2 mm 物料進行分選時，可以得到理想的鎂鋁合金溢流產物，通過對底流產物的進一步分選，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11.2~16 mm 物料進行分選時，可以得到理想的鋁和鋁合金混合底流產物，通過對溢流產物施加進一步的脈動氣流分選，可以獲得純凈的鋁、鋁合金混合物料和鎂鋁合金物料。

3 結論

通過實驗可以看出，鋁、鋁合金和鎂鋁合金的自然斷面差異明顯，鋁呈現塑性斷裂表面形態，而鋁合金和鎂鋁合金呈現脆性斷裂表面形態。破碎機械的選擇是粒度控制的關鍵，為控制破碎粒度，需要選擇剪切式破碎機對物料進行處理。篩分結果可以看出，經過破碎的物料粒度范圍窄，粒度控制效果顯著。風量的控制對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。