汪前進(jìn)，韓文博，韋 帆，吳 軍，丁文捷，張佃平，李宏燕

(1. 寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(zhì)雜質(zhì)和灰塵，許多品質(zhì)好的鋁材被迫降級使用，導(dǎo)致資源浪費和環(huán)境污染極其嚴(yán)重[1]，因此，在廢鋁熔煉之前，需要對破碎后的廢鋁進(jìn)行分選，以便去除輕質(zhì)雜質(zhì)和灰塵，并針對不同大小鋁塊進(jìn)行分級。

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

倪永春[5]設(shè)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(xiàn)了對廢鋁原料的初級分選。苗連魁等[6]通過液壓伸縮機(jī)構(gòu)調(diào)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(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)料粒度分布等參數(shù)對篩網(wǎng)的篩分性能的影響。侯惠萍等[9]借助數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，廢鋁的比表面積對輕質(zhì)雜質(zhì)和灰塵產(chǎn)量有較大影響，應(yīng)該根據(jù)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(chǎn)。Alter等[10]推導(dǎo)出滾筒尺寸和轉(zhuǎn)速的預(yù)測方程，可以對篩分效率和滾筒篩的傾角、 轉(zhuǎn)速、 進(jìn)料速度等進(jìn)行預(yù)測分析。等直徑滾筒篩結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計成本低，方便維護(hù)，用作分級分選設(shè)備較為合適[11]。

為了對破碎后的鋁塊去除輕質(zhì)雜質(zhì)和灰塵，并進(jìn)行大小分級，實現(xiàn)按照比表面積對廢鋁塊進(jìn)行分類重熔，本文中設(shè)計一款廢鋁分級分選機(jī)，篩分性能以分級率和分級時間為主要指標(biāo)，工藝參數(shù)主要以篩筒轉(zhuǎn)速和圓孔篩傾角為代表。首先采用離散化軟件EDEM進(jìn)行模擬分析，然后實驗研究滾筒篩的轉(zhuǎn)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(jī)的最佳工藝參數(shù)。

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(jī)

廢鋁的分級分選一體機(jī)實物模型如圖2所示，廢鋁分級分選一體機(jī)主要由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、 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(jī)架等組成。滾筒篩通過電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，篩網(wǎng)安裝位置設(shè)有可拆卸結(jié)構(gòu)，可隨時更換篩網(wǎng)[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(wǎng)孔通暢。

1—進(jìn)料機(jī)構(gòu)； 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(jī)架。圖2 廢鋁分級分選一體機(jī)實物模型Fig.2 Physical model of waste aluminum classification and sorting machine

圓孔篩結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。廢鋁原料大多呈不規(guī)則形狀，篩網(wǎng)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(zhì)量，篩孔按照排列孔數(shù)最多的正三角形進(jìn)行排列。這樣的篩網(wǎng)設(shè)計方案能夠均勻分布篩孔間應(yīng)力，延長滾筒篩的使用壽命[13-15]。

圖3 圓孔篩結(jié)構(gòu)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(yōu)化和確定工藝參數(shù)。在EDEM仿真軟件前處理階段設(shè)置顆粒模型[16-18]。一共創(chuàng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、 40%、 50%。顆粒模型如圖4所示。顆粒模型參數(shù)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(shù)Tab.1 Parameters of particle model

仿真試驗結(jié)束后，通過EDEM后處理功能進(jìn)行結(jié)果分析。為了便于比較，仿真時間統(tǒng)一設(shè)置為60 s； 由于試驗?zāi)康氖谦@取篩分機(jī)的分級率，仿真結(jié)果只統(tǒng)計小顆粒和中顆粒的數(shù)據(jù)。廢鋁分級分選一體機(jī)三維幾何模型如圖5所示。

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

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，第1組仿真試驗設(shè)定篩筒轉(zhuǎn)速為20 r/min，圓孔篩傾角依次設(shè)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(jié)果可知，當(dāng)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(dá)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(shè)定圓孔篩傾角為6°，篩筒轉(zhuǎn)速依次設(shè)置為20、 25、 30、 35、 40 r/min。篩筒轉(zhuǎn)速對分級率的影響如圖7所示。由圖仿真結(jié)果可知，由于受到離心力作用，隨著篩分過程的進(jìn)行，篩面孔堵塞加重，開孔率降低，因此轉(zhuǎn)速越高，分級率越低；當(dāng)轉(zhuǎn)速為25 r/min時，小顆粒分級率最高可達(dá)100%，中顆粒分級率可達(dá)95%，因此，可在外部設(shè)置一撞擊機(jī)構(gòu)[19]，通過撞擊產(chǎn)生的沖擊力震落堵塞的顆粒。

圖7 仿真試驗中篩筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為25 r/min，圓孔篩傾角依次設(shè)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(zhuǎn)速為25 r/min、傾角為6°時，小顆粒分級率達(dá)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(jié)果，確定滾筒轉(zhuǎn)速和圓孔篩傾角對分離率和分級時間的影響，滾筒的轉(zhuǎn)速分別設(shè)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(zhì)量的廢鋁塊，滾筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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小；滾筒篩的轉(zhuǎn)速為25 r/min、 圓孔篩傾角為為6°時，分級率最高可達(dá)96.7%。由圖9 b)可知，滾筒篩的轉(zhuǎn)速為20～30 r/min時，當(dāng)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(zhuǎn)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(jié)果證明了仿真試驗的可靠性；而且，在實驗過程發(fā)現(xiàn)，篩網(wǎng)的長度和篩孔的孔徑對分級率有一定的影響，設(shè)計合適的尺寸可以提高分級率。

4 結(jié)論

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

2)EDEM仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滾筒式分級分選一體機(jī)的最佳工作傾角是6°，最佳工作轉(zhuǎn)速為20～30 r/min。

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