涡电流分选在报废汽车中的应用研究 Research on the Application of Eddy Current Separation in End-of-life Vehicles

贾有东JIA You-dong 刘剑雄 LIU Jian-xiong 陈玲CHEN Ling 胡志明 HU Zhi-ming 程国东 CHENG Guo-dong

摘要：从国内外分选工艺流程可知，涡电流分选（Eddy Current Separation ECS）是分选有色金属的有效手段之一，且作为主要方法和手段广泛应用于废旧电子产品中有色金属的回收利用。本文综述了国内报废汽车的回收现状及国内外在涡电流分选方面的研究工作，对涡电流分选在报废汽车中的应用做了总结与展望。

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.

关键词：报废汽车;涡电流;有色金属

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

中图分类号：U472.32                      文献标识码：A                       文章编号：1674-957X（2021）22-0036-02

0  引言

随着社会的发展，汽车消费逐年增长，根据公安部在2018年9月底发布的信息，我国汽车保有量约2.35亿辆，比上一年同时期增长约为12.0%[1];与此同时，废旧汽车的报废量也在与日俱增，尤其是从2011年开始。目前我国汽车实际报废量已经超过1300万辆，到2025年将超过1500万辆，按每辆可实现约3000元回收收入计算，整个报废汽车拆解市场规模可达450亿元[2]，在中国具有很大的市场空间。在废旧汽车的拆解过程中，废弃物中的废油、废液及重金属会流入土壤，渗透到地下水对土壤及地下水造成污染，因此，废旧汽车的回收利用刻不容缓。

目前国内报废汽车处理主要通过拆解、破碎及分选等几个步骤[3，4]，主要是先将黑色金属和有色金属分选出来，跟欧美发达国家相比技术水平上相差甚大，他们先是采用磁选机，先将磁性颗粒吸附在磁辊上而达到与其他非磁性材料分离的目的[5-6]，对于剩下的非磁性材料，尤其是有色金属。

据统计，近几年生产的乘用车的材料组成大致为：钢铁65-70%，有色金属10-15%，非金属材料20%左右。尽管我国有色金属矿产资源种类多，蕴藏量丰富，但一些重要的支柱性矿产如铝、铜等的保有储量占世界总量的比例较低，仅有3.9%和2.3%[5]，与此同时，由于消费量巨大，铝、铜等有色金属主要还是进口，其进口量分别达到了47%[6]、59%[7]。目前，国内对于磁性材料的回收较为成熟，但传统的涡流分离器由于颗粒特性复杂，分离效率较低，因此对于有色金属的回收利用还存在一定的空间。

自1889年，托马斯爱迪生申请了交流磁场涡流分离器专利，用于分离有色金属和非金属以来，国内外学者一直基于涡电流的分选原理，无论从降低成本还是从提高分选效率等方面进行设计研究，本文就涡电流在报废汽车回收有色金属，尤其是大粒径有色金属的回收进行总结与展望。

1  研究现状

1.1 涡电流分选原理  当有色金属颗粒经过一个交变磁场时，这些有色金属本身就会产生感应涡流，涡电流产生的涡流力与磁场力之间的推力从而达到分离有色金属颗粒的目的[8]。基于这一分选原理，国内外学者设计出了各式各样的涡流分选机，并提出了涡流分选设计，磁辊由永磁体南北极依次绕在轴上。

1.2 涡电流分选设备研究  Shunli Zhang等人[9]为了分选电子废弃物中的铝，开发出了一种全新的强力涡流分选机，并对实验参数进行了探索，實验表明废料的粒径、形状、导电率、进给速度、分离位置对分选效率影响显著，同时验证了该设备对回收电子产品中的铝是一种行之有效的方法，这对于回收个人电脑及电路板里中的有色金属（主要是铜、铝）有很好的启示作用， Z. Schlett[10]设计了一种带倾斜磁盘的涡电流分离装置，该设备主要由直径为260mm铁磁盘及内嵌有20块NeFeB永磁体，设计用于分离5mm（主要是2-4mm）以下的Cu-Pb、Cu-Al不规则混合物，观察其分离效果，实验结果表明该装置能高效分离混合物，即使对于铜铝混合物也有很好的分离效果，并且与常规分离装置相比，成本更低。

A.Salama等[11]设计了一种辊式静电分离器，用于分析从废电线中回收铜和铝的不同。通过考虑颗粒与电极之间的影响，使用高速相机对粒子轨迹进行可视化，作者开发的数值模型对于分离过程的模拟和其可行性的评估非常有效，数值模拟与粒子轨迹实验观察的一致性较好。68.6%的铜被回收，纯度达到99%，21.3%的铝被回收，纯度为73.7%。

FRANCESCA SETTIMO等在根據传统的涡电流分选原理，提出了新的涡电流分选设备，但主要针对的是小于5mm颗粒回收效率低下的问题。

目前世界上涡电流分选主要设备商有意大利的SGM公司，德国的STEINERT公司、To Tech公司，美国的Eriez公司，挪威Titech公司等;在国内，从事涡电流分选研发和生产的厂家主要有抚顺隆基电磁科技有限公司、山东科特机电设备有限公司及湖南万容科技股份有限公司等。潍坊科特机电设备有限公司生产的强磁场涡电流分选机，该设备对有色金属的分选效率可高达90%以上，并且能耗及维修费用较低。

1.3 涡电流分选理论研究

Rem 等给出了涡流分选机柱坐标（r，φ，z）内磁场强度的计算方程，得出颗粒粒径、形状、导电性与颗粒运动轨迹的关系。

Bz=0

式中 k、ωdrum、bn、Rdrum为别为分选机磁铁对数、为磁辊转速、傅里叶系数及磁辊半径，n 为自然常数。

Zhang 和 Forssberg在分析涡流分选过程中颗粒所受涡流力的切向力和径向力时提出了如下计算模型。

式中的 s、V、τ、μ0、Ba、k、ωdrum、Ω、w分别表示颗粒形状因素、颗粒体积、颗粒导电性、为真空磁导率、磁辊磁场强度、磁辊磁极对数、磁辊转速、颗粒运动角速度、磁辊中单个磁极的宽度。

Maraspin 和 Rem研究了非磁性金属颗粒在涡电流中的水平抛射距离，提出了颗粒在涡流分选中所受的力矩计算模型。

式中 k 、B、r、V、μ0分别表示磁极个数、磁辊磁场强度、颗粒到磁辊轴心的径向距离、为颗粒的体积及真空磁导率，而形状因素、磁辊转速、颗粒运动角速度、颗粒垂直于磁辊磁场径向方向的最大横截面积分别用R（ζ）

I（ζ）、ωdrum、Ω 、σ 和d 来表示。

Lungu 和 Schlett提出颗粒所受到的径向力和切向力计算模型。

模型中的s、μ0、ω、Ω、σ、R、λ、V、r、j、B分别表示颗粒形状因素、真空磁导率、磁辊转速，为颗粒运动角速度、颗粒导电性、垂直于磁辊磁场径向方向的最大横截面积、磁辊单个磁极宽度、颗粒体积、颗粒到磁辊轴心的径向距离、颗粒内部产生的涡电流强度及磁辊磁场强度。

阮菊俊博士研究废弃硒鼓、废旧冰箱箱体的资源化利用工艺时，涡电流分选中颗粒的进出磁场的力和运动分析、脱离角的建模计算，阮菊俊博士的研究对废弃电子产品的回收利用有很好的指导意义。

王全强利用涡电流分选机对铜、铝和塑料的标准样进行了分选，通过调节进料速度、转子速度和皮带转速，可以得到分选效率达到95%以上。

2  结论

①本文综述了涡电流分选的分选原理，并基于这一原理的常见涡电流分选设备，主要针对有色金属的分选设备。②理论研究方面，国内外学者的主要贡献是颗粒在ECS中所受磁偏斥力的力学模型、多因素复合影响下的分选效率等方面。③研究对象主要针对小颗粒（一般2至4mm）回收效率的研究，对报废汽车这样的大颗粒有色金属的回收鲜有涉及。本文对报废汽车有色金属的回收有一定的指导意义和参考价值。

参考文献：

[1]2020年中国汽车报废数量、报废汽车回收拆解行业现状及行业发展趋势分析[图][EB/OL].（2020-1-21）https：//www.chyxx.com/industry/202001/831297.html.

[2]报废机动车市场现状及发展方向如何？[EB/OL].（2021-7-3）https：//www.163.com/dy/article/GDV5CFNS05372ER2.html.

[3]陈思.报废汽车的回收、拆解与再利用[J].汽车工艺与材料，2007（07）：6-9.

[4]吴兆仁，周自强，戴国洪.报废汽车车身破碎分选技术的发展现状[J].常熟理工学院学报，2012，26（10）：15-17，22.

[5]周国宝.中国有色金属矿产资源现状和矿业可持续发展的建议[J].中国金属通报，2005（35）：2-5.

[6]杨兵.中国有色金属矿产对外依存度与资源可供性之辨析[J].矿产勘查，2013，4（1）：8-11.

[7]袁纬芳，郑明贵.基于BP神经网络的我国铝矿资源需求情景分析[J].资源与产业，2014，16（1）：132-137.

[8]何亚群，段晨龙，王海锋，宋树磊，等.电子废弃物资源化处理[M].化学工业出版社，2006.

[9]ShunliZhang.Simulation of Eddy-Current Separators.IEEE Transactions on Magnetic ，1998，34（4）：2280-2286.

[10]Schlett Z，Lungu M. Eddy-current separator with inclined magnet1c disc[J]. Minerals Eng.2002，15（5） ：365.

[11]A， Salama;， G， Richard;et al. Distinct recovery of copper and aluminum from waste electric wires using a roll-type electrostatic separator[J]. Waste Management， 2018， （76）： 207-216.