廢鋁分級分選機工藝參數優化

汪前進，韓文博，韋 帆，吳 軍，丁文捷，張佃平，李宏燕

(1. 寧夏大學 機械工程學院，寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏瑞銀有色科技金屬有限公司，寧夏 銀川 750499)

廢鋁熔煉過程中，由于夾雜著大量輕質雜質和灰塵，許多品質好的鋁材被迫降級使用，導致資源浪費和環境污染極其嚴重[1]，因此，在廢鋁熔煉之前，需要對破碎后的廢鋁進行分選，以便去除輕質雜質和灰塵，并針對不同大小鋁塊進行分級。

常用的廢鋁篩分設備有滾筒篩、 固定篩和振動篩[2]。其中，滾筒篩因為具有連續的篩分面積而產能較大，篩分特性穩定[3-4]，在礦類篩選、 垃圾分類等方面應用較多。

倪永春[5]設計了一種三段分級篩孔滾筒，延長了廢鋁原料在筒體上部的滯留時間,對廢鋁原料按不同大小分類，實現了對廢鋁原料的初級分選。苗連魁等[6]通過液壓伸縮機構調整篩筒的傾角，提高了對物料的分選效率。施昱等[7]針對垃圾分類過程進行離散元仿真模擬試驗，計算出滾筒篩的工作效率，并分析了轉速和篩板角度對篩分效率的影響。Jahani等[8]利用離散元法研究了傾角、 振幅、 振動頻率、 模擬時間和進料粒度分布等參數對篩網的篩分性能的影響。侯惠萍等[9]借助數據分析發現，廢鋁的比表面積對輕質雜質和灰塵產量有較大影響，應該根據不同品種廢鋁的比表面積分別采用不同時間周期組織生產。Alter等[10]推導出滾筒尺寸和轉速的預測方程，可以對篩分效率和滾筒篩的傾角、 轉速、 進料速度等進行預測分析。等直徑滾筒篩結構簡單，設計成本低，方便維護，用作分級分選設備較為合適[11]。

為了對破碎后的鋁塊去除輕質雜質和灰塵，并進行大小分級，實現按照比表面積對廢鋁塊進行分類重熔，本文中設計一款廢鋁分級分選機，篩分性能以分級率和分級時間為主要指標，工藝參數主要以篩筒轉速和圓孔篩傾角為代表。首先采用離散化軟件EDEM進行模擬分析，然后實驗研究滾筒篩的轉速和圓孔篩傾角對廢鋁分級率和分級時間的影響，從而確定廢鋁分級分選機的最佳工藝參數。

1 實驗

1.1 材料

實驗材料選用破碎后的廢雜鋁塊，如圖1所示。

圖1 破碎后的廢雜鋁塊Fig.1 Broken waste aluminum block

1.2 廢鋁分級分選一體機

廢鋁的分級分選一體機實物模型如圖2所示，廢鋁分級分選一體機主要由進料機構、 滾筒篩、 小塊廢鋁出料口、 中等廢鋁出料口、 大塊廢鋁出料口和機架等組成。滾筒篩通過電機帶動旋轉，篩網安裝位置設有可拆卸結構，可隨時更換篩網[12]。滾筒篩直徑為600 mm、 長度為3 000 mm，在工作過程中需要保持篩網孔通暢。

1—進料機構； 2—滾筒篩； 3—小塊廢鋁出料口； 4—中等廢鋁出料口； 5—大塊廢鋁出料口； 6—機架。圖2 廢鋁分級分選一體機實物模型Fig.2 Physical model of waste aluminum classification and sorting machine

圓孔篩結構示意圖如圖3所示。廢鋁原料大多呈不規則形狀，篩網選用篩分效果較好的圓孔形；篩孔分布直接影響分級效率和分級質量，篩孔按照排列孔數最多的正三角形進行排列。這樣的篩網設計方案能夠均勻分布篩孔間應力，延長滾筒篩的使用壽命[13-15]。

圖3 圓孔篩結構示意圖Fig.3 Structure diagram of round hole screen

2 仿真試驗

2.1 幾何與物理建模

由于實驗成本較高，故首先通過仿真分析初步優化和確定工藝參數。在EDEM仿真軟件前處理階段設置顆粒模型[16-18]。一共創建3組顆粒模型，代表三大類篩分材料，小、 中、 大顆粒的粒徑范圍分別為0～40、 41～60、 61～80 mm，質量分數分別為10%、 40%、 50%。顆粒模型如圖4所示。顆粒模型參數如表1所示。

a)小顆粒b)中顆粒c)大顆粒圖4 顆粒模型Fig.4 Particle model

表1 顆粒模型參數Tab.1 Parameters of particle model

仿真試驗結束后，通過EDEM后處理功能進行結果分析。為了便于比較，仿真時間統一設置為60 s； 由于試驗目的是獲取篩分機的分級率，仿真結果只統計小顆粒和中顆粒的數據。廢鋁分級分選一體機三維幾何模型如圖5所示。

圖5 廢鋁分級分選一體機三維幾何模型Fig.5 Three dimensional geometry model of waste aluminum classification and sorting machine

2.2 結果分析

根據生產實踐經驗，第1組仿真試驗設定篩筒轉速為20 r/min，圓孔篩傾角依次設置為5°、 6°、 7°、 8°、 9°，圓孔篩傾角對分級率的影響如圖6所示。由圖仿真結果可知，當傾角逐漸增大，一些小顆粒會直接滑落，無法分離，使分離效率降低； 在圓孔篩傾角為6°時，中、 小顆粒的分級率都達到最高。

圖6 仿真試驗中圓孔篩傾角對分級率的影響Fig.6 Effect of angle of circular hole screen on classification rate in simulation test

第2組篩分試驗設定圓孔篩傾角為6°，篩筒轉速依次設置為20、 25、 30、 35、 40 r/min。篩筒轉速對分級率的影響如圖7所示。由圖仿真結果可知，由于受到離心力作用，隨著篩分過程的進行，篩面孔堵塞加重，開孔率降低，因此轉速越高，分級率越低；當轉速為25 r/min時，小顆粒分級率最高可達100%，中顆粒分級率可達95%，因此，可在外部設置一撞擊機構[19]，通過撞擊產生的沖擊力震落堵塞的顆粒。

圖7 仿真試驗中篩筒轉速對分級率的影響Fig.7 Effect of rotating speed of drum screen on classification rate in simulation test

第3組試驗固定篩筒轉速為25 r/min，圓孔篩傾角依次設置為4°、 5°、 6°、 7°、 8°，圓孔篩傾角對分級率和分級時間的影響如圖8所示。由圖可知，轉速為25 r/min、傾角為6°時，小顆粒分級率達100%，中顆粒分級率約為95%，而且分級時間最短約為48 s。

a)分級率b)分級時間圖8 仿真試驗中圓孔篩傾角對篩分性能的影響Fig.8 Effect of angle of round hole screen on screening performance in simulation test

3 篩分實驗

為了驗證仿真試驗結果，確定滾筒轉速和圓孔篩傾角對分離率和分級時間的影響，滾筒的轉速分別設為20、 30、 40 r/min時，圓孔篩傾角分別取為5°、 6°、 7°、 8°、 9°[20]，分別篩分相同質量的廢鋁塊，滾筒轉速和圓孔篩傾角對分級時間和分級率的影響如圖9所示。由圖9 a)可知，在同一種滾筒篩轉速條件下時，隨著圓孔篩傾角的增大，分級率先緩慢增大然后逐漸減??；滾筒篩的轉速為25 r/min、 圓孔篩傾角為為6°時，分級率最高可達96.7%。由圖9 b)可知，滾筒篩的轉速為20～30 r/min時，當圓孔篩傾角為為6°時，篩分時間最短約為48 s。

a)分級率b)分級時間圖9 實驗中滾筒轉速和圓孔篩傾角對篩分性能的影響Fig.9 Effect of rotating speed of drum screen and inclination angle of round hole screen on screening performance

篩分實驗結果證明了仿真試驗的可靠性；而且，在實驗過程發現，篩網的長度和篩孔的孔徑對分級率有一定的影響，設計合適的尺寸可以提高分級率。

4 結論

1)滾筒式分級分選一體機，不但可以對破碎后的廢鋁塊進行分級篩分，還能去除混雜的輕質雜質以及灰塵。

2)EDEM仿真分析結果發現，滾筒式分級分選一體機的最佳工作傾角是6°，最佳工作轉速為20～30 r/min。

3)經篩分實驗證明，當圓孔篩的傾角為6°、 滾筒篩的轉速為25 r/min時，分級率最高為96.7%，篩分時間最短為48 s。