报废汽车有色金属涡电流分选研究进展

蒋明江，刘剑雄

（650000 云南省 昆明市 昆明理工大学）

0 引言

随着汽车工业的迅猛发展，中国的汽车保有量连年增加，2020 年我国汽车保有量已达2.81 亿辆。由于汽车保有量不断上升，报废汽车数量也在不断提升。2020 年我国理论报废汽车1 851 万辆，但实际回收数量仅217.7 万辆，回收率较低。目前，我国报废汽车回收拆解企业主要包括北京华宏再生资源利用有限公司、北京首特钢报废机动车综合利用有限公司、信阳中南金属回收有限责任公司和山西安顺锦程报废汽车回收拆解有限公司等。

目前国内对报废汽车的处理流程主要包括前处理、拆解、破碎和分选等4 个步骤。其中常用的分选方式有磁分选、涡电流分选、重介质分选、风选和人工拣选等。而涡电流分选作为分离有色金属的基础手段，在整个分选流程中扮演着不可替代的作用。

1 涡电流分选原理

涡电流分选的基本原理如图1 所示。永磁体按N-S-N 极交替排布在转轴上，转轴高速旋转，在空间中激发一个交替变化的磁场。当导电的非磁性金属通过交变磁场时，金属内部会产生闭合环形感应电流，称其为涡电流。涡电流自身也会产生一个交变磁场，该磁场方向与磁辊磁场方向相反，金属颗粒受到磁辊的排斥力，运行过程中发生跳跃，使金属颗粒从混合物中分离开。

图1 涡电流分选原理图Fig.1 Schematic diagram of eddy current separation

2 涡电流分选研究现状

2.1 国外研究现状

涡电流分选起源于美国，完善于欧洲，北欧和西欧国家的大学和科研院所做的工作最多，如英国的索尔福德大学、荷兰的代尔夫特理工大学、瑞典的吕勒奥理工大学、罗马尼亚的蒂米什瓦拉西部大学等。

1991 年，英国学者Fletcher 等[1-3]针对有色金属的分离问题，研制了单磁场边界式涡电流分选机，通过建立二维数学模型，得到了圆形和矩形金属颗粒分离过程中的理论轨迹，以及不同分离参数下的具体行为。通过实验，对该装置的分离潜能进行了评估，表明单磁场边界涡电流分选机可以产生更强的涡流斥力。1992 年，又利用单磁场边界式涡电流分选机，对矩形和圆形金属颗粒的行为模型进行了实验研究，对前文理论模型的正确性进行了验证。将该理论模型扩展到任意形状的金属颗粒，通过实验结果对扩展后的理论模型进行对比，证明该理论模型对金属颗粒轨迹和行为的预测合理可靠。1993年，针对单磁场边界式涡电流分选机，提出了预测金属可分离性的方法，并通过矩形铝、铜和黄铜颗粒进行了实验，证明了该预测方法的正确性。

1997 年，荷兰学者Rem 等[4-6]通过求解金属颗粒磁矩的一阶线性微分方程，得到了磁辊磁场的分布规律，如式（1）所示。进而建立了分离过程中金属颗粒的运动学模型，并通过数值积分求解了简单形状金属颗粒的运动轨迹方程，从该运动学模型中得出粒径、形状和电导率是影响颗粒轨迹的主要因素。1998 年，又通过实验测试了给定尺寸、形状、材料金属颗粒的分选品位和回收率，并于理论计算结果进行对比，证明了该理论模型可以准确预测分离的品位和回收率，并在此基础上首次提出分选过程自动化控制的可能性。1998 年，通过考虑分选过程中的机械作用力和气动力，对金属颗粒磁矩的一阶微分方程进行了改进，对分选过程中金属颗粒的运动学模型进行了优化，使理论模型与实验结果更加接近。

式中：Br、Bθ、Bz——柱坐标系中磁通密度的轴向分量；bn——傅里叶系数；Rdrum——磁辊半径；k——磁极对数；n——自然数；ωdrum——磁辊转速。

1998 年，瑞典学者Zhang 等[7-9]针对个人电脑和印刷电路板回收问题，研发了新型高强度涡电流分选机（HFECS），如图2 所示。使用该分选机对上述碎片进行分选，个人电脑废料中的铝品位为85%，回收率为90%。1999 年，又利用ECSIM 软件对双鼓式涡电流分选机的颗粒轨迹进行了仿真分析，并通过实验证明了仿真结果的正确性。在仿真结果的基础上，讨论了双鼓式涡电流分选机改进优化的潜能。1999 年，利用研制的高强度涡电流分选机，研究了金属-非金属和金属-金属之间的分离机理，提出了一种实现不同材料有效分离的分离方法，并在此基础上提出了用于金属间分离的4个分离准则。

图2 HFECS 示意图Fig.2 Schematic diagram of HFECS

2001 年，罗马尼亚学者Lungu[10-13]等提出了一种下部进料式涡电流分选机（如图3 所示），用于毫米级铜铝混合物的分离。分选过程中，金属颗粒自身旋转，使分选过程中的水平位移增加，分离效果得到增强。2002 年，又提出了一种倾斜磁转盘式涡电流分选机（如图4 所示），用于小尺寸有色金属颗粒的分离，并用该装置分别对铜-铅、铝-橡胶和铜-铝的分离品位和回收率进行了测试。2002 年，提出了一种倾斜滚筒式涡电流分选机（IDECS）（如图5 所示），用于有色金属颗粒的分离。该分选机由倾斜的旋转滚筒组成，上表面覆盖有永磁体。金属颗粒进入磁场，在涡流斥力作用下发生偏转，用该装置对小尺寸铜-铅和铜-铝混合物进行实验，测量了分离的品位和回收率。2005 年，提出了一种角鼓式涡电流分选机（ADECS）（如图6 所示），用于分离小尺寸有色金属颗粒。水平磁辊轴和传送带位移方向成一定的夹角，当有色金属颗粒经过磁辊磁场时，发生跳跃，产生不同的运动轨迹。

图3 下部进料式ECS 示意图Fig.3 Schematic diagram of low-feeding ECS

图4 倾斜磁转盘式ECS 示意图Fig.4 Schematic diagram of inclined magnetic disc ECS

图5 IDECS 示意图Fig.5 Schematic diagram of IDECS

图6 ADECS 示意图Fig.6 Schematic diagram of ADECS

2013 年，荷兰学者Rahman 等[14]在城市垃圾焚烧炉底灰回收过程中，通过在涡电流分选的颗粒流中加传感器（如图7 所示），实现对分选过程的实时监测，准确测量了回收金属的品位和回收率；通过前后调整传感器位置，采集不同位置数据，研究颗粒尺寸和密度对分离效果的影响。通过传感器单元实现了在线质量控制和分选参数的自动控制。

图7 传感器单元示意图Fig.7 Schematic diagram of sensor unit

2017 年，美国学者Nakul 等[15]提出了一种利用交流电磁铁代替旋转磁辊的涡电流分选新技术，如图8 所示。该技术除了进料机构外，不需要其它的运动部件，并且能在50 kHz 的激励频率下工作。实验证明，该技术的品位和回收率为85%～95%。

图8 电动分离系统示意图Fig.8 Schematic diagram of electrodynamic sorting system

国外对涡电流分选的研究较早，相对成熟，主要针对小尺寸有色金属颗粒的分离。高校和科研院所设计出新颖的分选装置，通过试验法观察其分选效果，以探究其工业化应用的潜能。或通过计算磁辊磁场分布规律，对涡电流分选过程中的涡流斥力进行求解，建立涡电流分选的运动学模型，实现对分选过程中影响参数的优化。近年来，国外学者也开始对涡电流分选自动控制系统的研究，但还处于起步阶段，在精确控制算法、紧凑硬件结构、控制系统搭建等方面还有很多工作要做。

2.2 国内研究现状

国内对涡电流分选的研究相对较晚。2000 年后，由于国内对有色金属回收利用的迫切需要，国内学者开始积极引进设备开展研究。研究机构主要是高校和科研院所，其代表分别有中国矿业大学、上海交通大学、中山大学、北京矿冶研究院等。研究内容主要包括分选机理、分选效率、分选设备等。

2004 年，陈禄政等[16]推导了交变磁场中涡流斥力的数学模型，利用该模型确定了影响涡电流分离效果的主要因素，并通过分离实验证明了该数学模型的可靠性，表明涡电流分离技术具有十分广阔的应用前景。

2005 年，王全强等[17]基于金属颗粒导电率和密度2 个因素，研究了铜-铝分离问题。证明相同条件下，不同金属的运行轨迹不同，同时金属颗粒的形状和尺寸对分离结果的影响也较大，并借助高速动态分析系统建立了分选过程中的动力学模型。

2008 年，吴彩斌等[18]采用涡电流分选，对废弃电路板破碎和风选后的混合物进行了试验研究，表明涡电流分选对电路板中有价金属回收优势较大，通过合理调节涡电流分选设备的操作参数，能获得质量较高的金属富集体。

2011 年，阮菊俊等[19-21]针对涡电流分选塑料-铝品位和效率低的问题，建立了新的涡流斥力模型（如式（2）所示），用于指导塑料-铝的分离过程，通过对比分离角的计算和实验结果，验证了该模型的正确性。2011 年，又针对废旧碳粉盒的回收问题，提出了一种机械生产线，包括剪切、磁分选和涡电流分选过程，钢、碳粉、铝、塑料的回收率分别为98.4%、95%、97.5% 和98.8%。2014 年，针对电子垃圾的回收问题，建立了有色金属颗粒的运动轨迹模型。为了提高涡电流分离对电子垃圾的回收率，给出了破碎工艺、分选机设计、分选机运行方面的一些建议。

式中：Br——径向磁通密度；k——磁极对数；ωdrum——磁辊转速；Rdrum——磁辊半径；v——皮带线速度；σ——有色金属电导率；V——有色金属体积；S——有色金属横截面积；R——分选滚筒半径；α——分离角。

2019 年，毕海俊等[22]以废磷酸锂电池破碎产物的涡电流分离为基础，建立了分离过程中涡流斥力模型和运动学模型，通过迭代法来提高模型的精度，并以位移间隔为分离指标，提高了模型的直观性和实用性。

2020 年，陈大林等[23]构建了一种新型Halbach 阵列磁辊，如图9 所示。通过建立单个永磁体磁场的计算模型，研究了磁辊磁场的分布规律，表明Halbach 阵列磁辊产生的磁场更强，作用距离也更远，更利于大尺寸铜铝件的分离。

图9 Halbach 阵列磁辊Fig.9 Halbach array magnetic roller

2021 年，曹彬等[24]提出将Halbach 阵列用于涡电流分选，提出面积场强和磁体效率密度的新概念，并对磁辊的磁场强度和磁体利用效率做了定量的评价。利用有限元工具，系统地研究了磁辊的结构参数对面积场强和磁体效率密度的影响，建立了面积场强、磁体效率密度和磁极数的多目标优化模型，应用多目标遗传算法得到结构参数的最优组合。

目前，国内主要是通过试验法对具体应用中的分选机的品位和分选效率进行研究，对分选机理和大尺寸有色金属分离的研究较少，还有待完善和提高。

3 涡电流分选应用领域

涡电流分选机的设计初衷是用于有色金属的分离，故目前涡电流分选机都是应用在有色金属的回收利用领域，主要包括3 方面：（1）城市固体废弃物，主要是生活垃圾的处理；（2）汽车破碎料有色金属回收；（3）电子废弃物的回收，主要包括废弃家电、印刷电路板，以及新能源电池。

4 结语

目前，对涡电流分选的研究主要集中在分选过程中力学模型的建立、具体分选机分选品位和效率的研究，以及小尺寸有色金属的分离，研究方法以试验法为主。在涡电流分选研究方面，国内可通过加强理论研究、优化分选工艺流程、关注大尺寸有色金属分离问题、引进国外先进设备等，不断提升自主研发的能力。

涡电流分选发展的主要趋势有：针对细粒物料的涡电流分选技术和装备的发展；为解决有色金属涡电流分选困难的问题，拣选技术和装备的发展；分离材料由纯金属向合金转变的发展。涡电流分选方法将越来越广泛应用于有色金属资源化回收行业，且正向高度自动化控制方向转变。