基于脉动气流分选的铝和镁铝合金分选研究

黄艰生，卢剑锋，谢卫宁

（江苏华宏科技股份有限公司，江苏 江阴214400）

随着中国汽车产品大量进入国民的日常生活，铝、铝合金和镁铝合金作为汽车制造的重要原材料也得到大规模应用[1]。由于采用铝、铝合金和镁铝合金制造的构件能够提高整车的力学性能，降低车体重量，因此当下越来越多的汽车部件采用铝、铝合金和镁铝合金原料制造。目前我国生产的汽车中，铝、铝合金和镁铝合金应用比例达到15%，而欧美国家采用这些材质制造的部件的应用比例更是达到25%[2]。

废旧汽车破碎产品中的铝和镁铝合金具有巨大的经济效益和环境效益。如何实现该部分资源的重新利用，成为研究者思考的关键所在。目前铝、铝合金和镁铝合金的回收主要通过人工拣选和湿法分选相结合的方法进行。人工拣选是对报废汽车进行一次破碎之后，将大的零部件通过人工方式分别挑选出来的方法。这种方法人工成本高，效率低下，且不适用于粒径较小的部件回收。湿法相对人工拣选效率较高，但是由于需要使用大量的水，造成水资源的浪费和污染，因此湿法在环保领域面临巨大挑战。

立式气流分选柱长期被应用于农业及矿业方面对有价金属、废弃塑料等的处理中，取得了较好的结果[3]，是一种通过向设备中周期性通入气流，实现被分选物料按照密度分开的一种设备[4]。颗粒在气流中的运动受到自身密度、粒度、形状多方面的影响，因此，传统立式脉动气流分选柱无法克服颗粒在气流中运动时的相互重叠，导致分选效率差[5]。为解决该问题，脉动气流于20 世纪80年代被引入气流分选中，取得了较好的结果。该方法的使用在一定程度上克服了密度之外因素对分选精度的影响[6]。因此国内外诸多学者对脉动气流分选脉动频率、阻尼块形状、设备管径等方面展开了详细的研究，并将脉动气流分选应用于塑料、电子废弃物、煤炭等多方面[7-13]。采用脉动气流分选的方法对铝和铝合金进行分选研究，以探讨脉动气流法在铝和铝合金分选中应用的可行性。

1 实验物料和分选流程

实验物料由南京华宏科技股份有限公司提供。为了准确得知物料组成及性质，对物料进行肉眼观察和密度测试。肉眼观察得知，物料可以分为铝、铝合金以及外观有差异的3 种镁铝合金，密度组成如表1所示。为准确确定不同类别物料元素组成，将物料使用浓硝酸溶解，并稀释1000 倍进行ICP-MS 测试，获得如表2所示的测试结果。从表2可以看出，铝和铝合金是两种以铝为主体元素的材料，并包含一些其他元素。铝合金中铝的含量相对较低，且含有较多的铁、铜、锌、硅元素。合金1，2，3 均为成分相似的镁铝合金。

表1 物料密度g·cm-3

表2 ICP-MS 测试结果%

为了选择合适的破碎机械将物料处理成适合分选的粒度，首先使用SEM 对不同物料的截断面积进行观察，并对破碎产物使用筛孔直径为16 mm，11.2 mm，8 mm，4 mm，2 mm，0.5 mm 筛子进行筛分，最后采用如图1所示的脉动气流分选柱分别在蝶阀频率保持35 Hz，风机频率为35 Hz，40 Hz，45 Hz，50 Hz 的条件下对物料进行分选，并计算分选结果的溢流产率和底流产率。

图1 脉动气流分选系统示意图

2 结果讨论

2.1 断面分析

根据计算颗粒动力学（CPFD）的基础理论可知，脉动气流分选主要依靠气流的脉动引起不同密度颗粒运动的周期性变化，导致不同密度颗粒运动学上的差异，从而引起颗粒的分离。因此，相同的粒度区间控制对于使用脉动气流分选铝、铝合金和镁铝合金起到关键的作用。颗粒的破碎主要通过机械提供的剪切力或正向压力实现，而不同的破碎机械其起主导作用的力是不同的，因此，需要对物料进行端面分析，以选择合适的破碎机械。图2所示为不同物料的自然断面SEM图。由折断面扫描电镜结果可以看出，铝的自然折断面较为平整致密，为塑性断裂断面形态；而铝合金和两种镁铝合金的自然折断面凹凸不平，为脆性断裂断面形态。基于铝、铝合金和镁铝合金的力学性能和断面分析，可以看出，若使用以冲击式的正应力为主要作用力的破碎机械，会导致铝的破碎状态与铝合金、镁铝合金的破碎结果有较大区别，从而导致破碎产物在分选过程中不仅会以密度分选且会发生粒度分离，导致分选效果变差，因此选择剪切式破碎机对产物进行处理，以保证破碎粒度保持一致。

2.2 筛分结果

使用剪切式破碎机对所有物料进行破碎处理，再进行筛分，得到的结果如表3所示。由表3数据可以看出，铝和镁铝合金破碎产物均集中在4~16 mm，分别占总原料的89.61%和84.94%。使用剪切式破碎机破碎的物料没有选择破碎性，破碎后的物料85%左右集中在11.2~16 mm 两个粒度级中，所以分选实验对8~11.2 两个粒度级的物料进行分选。

图2 不同物料自然断面图

表3 筛分结果

2.3 分选条件探索

根据铝、铝合金和镁铝合金密度的不同，使用脉动气流分别对铝、铝合金和镁铝合金物料进行分选。实验中控制蝶阀的变频器在35 Hz 不变，得到的分选结果如表4、表5所示。

表4 脉动气流单独分选铝

表5 脉动气流单独分选镁铝合金

由脉动气流分选结果可以得到分选时风机的变频器频率控制在40~50 Hz，风机变频器频率为45 Hz时，单独分选铝得到的溢流和底流产品中均含有铝和铝合金，并且从粒度和形状上看无区别，这是因为破碎后的铝合金和铝形状没有差异，并且两种铝的密度仅相差0.1025 g/cm3，单独分选铝的溢流和底流产品也有较大区别。对铝和镁铝合金进行分选的结果可以看出，当蝶阀频率为35 Hz 时，选择风机频率处于40~45 Hz可以得到较为理想的产品，但是由于粒度对结果影响较大，需要对不同粒级物料选用不同条件进行分选。选用40 Hz 流量对8~11.2 mm 物料进行分选时，可以得到理想的镁铝合金溢流产物，通过对底流产物的进一步分选，可以获得纯净的铝、铝合金混合物料和镁铝合金物料。而选择45 Hz 流量对11.2~16 mm 物料进行分选时，可以得到理想的铝和铝合金混合底流产物，通过对溢流产物施加进一步的脉动气流分选，可以获得纯净的铝、铝合金混合物料和镁铝合金物料。

3 结论

通过实验可以看出，铝、铝合金和镁铝合金的自然断面差异明显，铝呈现塑性断裂表面形态，而铝合金和镁铝合金呈现脆性断裂表面形态。破碎机械的选择是粒度控制的关键，为控制破碎粒度，需要选择剪切式破碎机对物料进行处理。筛分结果可以看出，经过破碎的物料粒度范围窄，粒度控制效果显著。风量的控制对于不同粒度物料的分选效果影响差异显著，需要分别控制，多次分选。由于铝和铝合金密度差异小，铝和铝合金的分离效果不明显。