破碎電路板高壓靜電分選電場(chǎng)分布的計(jì)算機(jī)模擬

1、 破碎電路板高壓靜電分選電場(chǎng)分布的計(jì)算機(jī)模擬1劉淑舒，李佳，許振明*上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海（200240）E-mail：摘 要：為了開發(fā)破碎電路板的無污染、高效的高壓靜電分選技術(shù)，本文根據(jù)高壓靜電理論，利用MATLAB軟件模擬了高壓靜電分選機(jī)內(nèi)的電場(chǎng)分布，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高壓電場(chǎng)的分布對(duì)分選結(jié)果的影響規(guī)律。結(jié)果表明：增大電壓、減小電極與轉(zhuǎn)輥軸心距可以改善分選效果；當(dāng)電暈電極和轉(zhuǎn)輥軸心連線與水平面的夾角恒定，靜電極和轉(zhuǎn)輥軸心連線與水平面的夾角減小時(shí)，可以提高電場(chǎng)強(qiáng)度，優(yōu)化電場(chǎng)分布，金屬回收率降低，但純度提高；當(dāng)不變時(shí)，隨著的減小，金屬收集純度降低。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，采用電場(chǎng)模擬

2、方法可以用來指導(dǎo)破碎電路板高壓靜電分選技術(shù)中的工藝參數(shù)優(yōu)化和電選機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：電路板，高壓靜電分選，MATLAB，電場(chǎng)分布中圖分類號(hào)：TD457；X7051. 引言隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，作為電子工業(yè)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是各種電子產(chǎn)品的核心部件，印刷電路板也以驚人的速度增加。印刷電路板中含有多種貴重金屬(金、銀和鈀等) 、稀有金屬(鈮和鉭等)和大量的基本金屬(銅、鐵和鋁等)1，是重要的資源。此外，廢棄電路板中也含有大量能夠?qū)Νh(huán)境造成嚴(yán)重危害的物質(zhì)2（如多氯聯(lián)苯），這些物質(zhì)也嚴(yán)重的危害了人們的健康。因此，對(duì)印刷電路板進(jìn)行回收利用，不僅僅是有限資源的再生利用的需要，更是保護(hù)環(huán)境，防治污染的必然要求。

3、廢棄印刷電路板的回收處理技術(shù)主要有火法、濕法、機(jī)械處理及生物處理等。機(jī)械處理中的高壓靜電分選曾廣泛應(yīng)用于選礦工業(yè)中，與目前應(yīng)用分離破碎電路板中金屬和非金屬顆粒的氣流風(fēng)選和濕法重力分選比，具有成本低、高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無污染等特點(diǎn)3。研究發(fā)現(xiàn)，廢棄電路板破碎到0.6mm以下時(shí)金屬基體基本上達(dá)到100%的解離4,5。而在此粒徑范圍內(nèi)靜電分選6,7是最有效的。高壓靜電分選的基礎(chǔ)是被分選物料導(dǎo)電性差異，導(dǎo)致受力不同而引起的顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡的差異，而決定被分選物料的受力差別的主要因素是物料本身的電性和空間電場(chǎng)強(qiáng)度以及其他的機(jī)械因素。其中，空間電場(chǎng)強(qiáng)度是十分關(guān)鍵的因素，而高壓電極位置及電壓強(qiáng)度是決定空間電場(chǎng)強(qiáng)

4、度的兩個(gè)重要的參數(shù)。由于印刷線路板顆粒性質(zhì)與礦物有顯著差異，分離的影響因素復(fù)雜，因此，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬分離過程簡(jiǎn)單方便，直觀形象。目前關(guān)于利用計(jì)算機(jī)軟件來模擬印刷線路板的靜電分離的研究并未見報(bào)道。為此，本文利用MATLAB軟件模擬了高壓靜電分選機(jī)中的空間電場(chǎng)分布，研究了高壓靜電分選時(shí)電場(chǎng)分布規(guī)律、物料顆粒的受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，為破碎廢棄電路板中金屬與基板材料非金屬的高壓靜電分離提供理論依據(jù)。2. 實(shí)驗(yàn)材料和方法廢棄印刷線路板經(jīng)兩級(jí)破碎得到金屬、非金屬混合顆粒，從中篩分出粒徑為0.60.8mm的顆粒作為實(shí)驗(yàn)材料8。高壓靜電分離的原理如圖19所示。本實(shí)驗(yàn)通過電子振動(dòng)加料

5、器實(shí)現(xiàn)加料，其振幅可1本課題得到教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”；十一五國(guó)家高科技計(jì)劃（863）專題”（2006AA06Z364）和教育部博士點(diǎn)基金 (20060248058)的資助。- 1 - 調(diào)，保證了單層加料。金屬和非金屬混合顆粒通過加料器進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的接地轉(zhuǎn)輥表面，受到電暈電極所產(chǎn)生的負(fù)離子轟擊而帶電，金屬顆粒通過接地轉(zhuǎn)輥迅速失去負(fù)電荷，在靜電極吸引及在重力作用下金屬顆粒飛離轉(zhuǎn)輥表面，落入金屬收集槽a中；而非金屬顆粒則保持所帶負(fù)電荷，在電場(chǎng)力作用下緊貼在轉(zhuǎn)輥表面，隨轉(zhuǎn)輥一起轉(zhuǎn)動(dòng)至后方，被毛刷刷下，落入非金屬收集槽e中；中間體則落入bd槽中，從而實(shí)現(xiàn)分離。圖1 靜電分選的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1

6、 Corona electrostatic separator如圖2所示，、分別是電暈電極、靜電極和轉(zhuǎn)輥軸心連線與水平面的夾角，L是靜電極與轉(zhuǎn)輥軸心距，即中心距離；D是電暈電極與轉(zhuǎn)輥軸心距。本實(shí)驗(yàn)中只考慮L與D相等的情況。各電極簡(jiǎn)化成曲率不同的圓柱，利用MATLAB的電磁場(chǎng)模擬工具對(duì)電暈電極與接地電極間的電場(chǎng)、靜電極與接地電極間的電場(chǎng)以及三者的耦合電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布進(jìn)行模擬，邊界條件為：接地電極的電勢(shì)為0，電暈電極和靜電極的電勢(shì)為施加電壓值，四周為屏蔽。根據(jù)以下假設(shè)條件：1） 忽略電暈放電產(chǎn)生的空間電荷對(duì)電場(chǎng)的影響；2）忽略顆粒自身產(chǎn)生的電場(chǎng)；3）忽略顆粒間相互作用。利用電勢(shì)V與電場(chǎng)強(qiáng)度E之間

7、的關(guān)系V=E，以及麥克斯韋方程D=和關(guān)系式D=E得到泊松方程(V)= (1)式中為界電系數(shù)，為空間電荷密度。利用MATLAB定性模擬不同狀況下的耦合電場(chǎng)分布。在電場(chǎng)分布模擬中，接地電極半徑R1=114mm，電暈電極半徑R2=0.15mm，靜電極半徑R3=19mm，相鄰電場(chǎng)線的間距為5000V/m 。- 2 -3. 結(jié)果分析與討論3.1 電場(chǎng)分布模擬3.1.1 不同電壓 圖2 電極結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Electrode configuration（a）-20kV （b）-25kV（c）-30kV （d）-35kV- 3 -（e）轉(zhuǎn)輥表面電場(chǎng)分布曲線 模擬參數(shù)：中心距離L=210mm，=60&

8、#176;，=30° 圖3 不同電壓下的電場(chǎng)分布 Fig.3 Electric-field strength distributions on the rotating roll under different voltages用Adobe Photoshop CS中的角度測(cè)量工具以通過轉(zhuǎn)輥軸心的水平線為角度計(jì)量起點(diǎn)，逆時(shí)針方向?yàn)檎禍y(cè)量角度。以每點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角度為橫坐標(biāo)，電場(chǎng)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)就得出不同電壓下電場(chǎng)分布情況（圖3）。由圖3可知：隨著電壓的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值相應(yīng)增大，但角度不變。因?yàn)殡S著電壓的增大，電暈放電加劇，產(chǎn)生的空間負(fù)電荷數(shù)量增加，待選顆粒帶電充足，從而可以提高分選效率

9、，使分選效果明顯。因此，通過提高電極電壓改變電場(chǎng)的分布可以提高分選效率，改善分選結(jié)果。但是，,實(shí)際應(yīng)用中不能無限提高電壓。保持其它條件不變，提高電壓到一定值會(huì)發(fā)生火花放電，破壞分選過程。3.1.2 不同中心距離模擬參數(shù)：電壓-20kV，=60°，=30° 圖4 不同中心距離下的電場(chǎng)分布 Fig.4 Electric-field strength distributions on the rotating roll of different distances- 4 - 靜電極軸心與接地轉(zhuǎn)輥軸心之間的距離對(duì)分選空間的電場(chǎng)分布有很大影響。如圖4所示，在不同的中心距離下，電場(chǎng)分布

10、差別明顯。隨著中心距離的增大，場(chǎng)強(qiáng)峰值減小，但角度不變。因此，減小中心距離也可以提高場(chǎng)強(qiáng)，改善分選效果，其結(jié)果與增大電壓相同。但實(shí)際上,中心距離過小容易在起始電暈放電時(shí)發(fā)生火花放電，破壞分選過程。因此為了彌補(bǔ)增大中心距離使場(chǎng)強(qiáng)減小，可以提高電壓。綜上所述，提高電壓、減小靜電極中心距離都可以提高電場(chǎng)強(qiáng)度，改善分選結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中一般采用高電壓、大中心距離的操作參數(shù)。3.1.3 不同電極位置3.1.3.1 不變，減小模擬參數(shù)：電壓-20kV，中心距離210mm 圖5 不變，減小時(shí)的電場(chǎng)分布 Fig.5 Electric-field strength distributions on the rot

11、ating roll圖5為不變，減小時(shí)圓輥表面電場(chǎng)分布。由圖5可知：不變時(shí)，隨著減小，電場(chǎng)峰值大小不變，但角度隨靜電極相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。所以，不變減小時(shí)，金屬的脫離受到影響，導(dǎo)致金屬回收率降低，但非金屬所受排斥作用更加明顯，更緊的附著于轉(zhuǎn)輥上，使金屬的收集純度提高。3.1.3.2 不變，減小圖6為不變，減小時(shí)圓輥表面電場(chǎng)分布。由圖6可知：不變時(shí)，隨著減小，電場(chǎng)分布基本沒有變化。所以，電暈電極位置的變化對(duì)電場(chǎng)分布無明顯改善。但是，不變減小時(shí)，顆粒帶電過程逐漸縮短，導(dǎo)致帶電不充分，使a槽中回收量提高，但純度降低。- 5 -模擬參數(shù)：電壓-20kV，中心距離210mm 圖6 不變，減小時(shí)的電場(chǎng)分布 Fig.

12、6 Electric-field strength distributions on the rotating3.1.3.3 、同時(shí)減小相同值模擬參數(shù)：電壓-20kV，中心距離210mm 圖7 、同時(shí)減小相同值時(shí)的電場(chǎng)分布 Fig.7 Electric-field strength distributions on the rotating roll圖7是、同時(shí)減小相同值轉(zhuǎn)輥表面電場(chǎng)分布的變化。由圖7可知：電場(chǎng)峰值大小不變，但隨靜電極旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，造成了整體電場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)。綜合以上分析，在工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)采用高電壓、大中心距離的操作參數(shù)。而由于其多采用二級(jí)或多級(jí)分選，即兩個(gè)或多個(gè)一次分選的跌價(jià)，由一次

13、分選所得規(guī)律仍然適用，所以在第一次分選時(shí)，應(yīng)該增大靜電極的角度，以提高回收率，使盡可能多的金屬進(jìn)入金屬收集槽，增大二次分選的入料量；二次分選時(shí)，應(yīng)減小靜電極的角度，提高金屬收集的純度。- 6 - 3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高壓靜電分選機(jī)中，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行物料的分選，將分選結(jié)果與模擬結(jié)果相比較。3.2.1 不同電壓表1 不同電壓下的各收集槽的物料質(zhì)量百分比Tab.1 the mass percentage of particles in different collectors under different voltages （%）收集槽 電壓(kV)b 18.73 35.22 38.68 2

14、9.2421.8219.5420.7621.10 21.55 19.93c 0.94 1.87 3.71 7.82 6.58 4.86 4.48 3.95 4.14 4.14 d 0.45 0.37 0.76 2.39 3.16 3.33 3.06 3.05 2.95 2.90 e 1.97 2.41 4.22 27.1940.1346.8750.3552.45 54.41 55.87實(shí)驗(yàn)條件：電暈電極半徑0.15mm，圓形靜電極半徑19mm，轉(zhuǎn)輥半徑114mm，中心距離210mm，=60°，=30°表1為不同電壓下的高壓靜電分選結(jié)果。由表可以看出：(1) 15kV是一個(gè)轉(zhuǎn)

15、折，各收集槽都出現(xiàn)了明顯的變化。因?yàn)閺?5kV開始電暈放電現(xiàn)象才開始明顯，使非金屬能帶足量電荷，從而緊緊依附在轉(zhuǎn)輥上，隨著轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動(dòng)至非導(dǎo)體收集區(qū)才開始掉落或被刷子刷落，這與理論計(jì)算出的電暈開始放電電壓12.31kV10吻合。(2) b在15kV時(shí)明顯減小。在1520kV時(shí)，b中物料的質(zhì)量減小，可能因?yàn)閎中的非金屬被排斥到其它收集槽中，2030kV基本保持不變，20kV時(shí)的電場(chǎng)對(duì)0.6-0.8mm的非金屬物料已經(jīng)具有了很好的分選效果。(3) e在15kV之后不斷的上升。說明加大電壓可以使非金屬的淘汰率增加，提高金屬的收集純度，改善了分選結(jié)果，這與模擬結(jié)果圖3得出的結(jié)論一致。3.2.2 不同電極位

16、置表2 不同電極位置下的各收集槽的物料質(zhì)量百分比Tab.2 the mass percentage of particles in collectors under electrodes of different locations %收集槽 電極位置(,)52°,40° 52°,30° 52°,20° 45°,32° 45°,20° 32°,20°b 23.65 11.49 10.09 35.34 14.39 39.17 c 16.77 10.1 6.74 17.43 7.

17、51 11.32 d 5.97 7.24 6.2 4.94 5.28 4.15 e 28.64 49.88 58.79 14.38 52.56 16.98 實(shí)驗(yàn)條件：電暈電極半徑0.15mm，圓形靜電極半徑19mm，轉(zhuǎn)輥半徑114mm，中心距離210mm，電壓-20kV表2為不同電極位置下的靜電分選結(jié)果，由表所示：(1) 當(dāng)不變，減小時(shí)（52°,40°；52°,30°；52°,20°），a、b、c中物料含量都不斷減小，d基本保持不變，e中含量增加，而據(jù)觀察，a中非金屬明顯減少，說明非金屬受到映像力的- 7 - 影響顯著，而提高了金屬的

18、收集純度，這與模擬結(jié)果圖5所得結(jié)論一致：金屬回收量降低，但收集純度提高。(2) 當(dāng)不變，減小時(shí)（52°,20°；45°,20°；32°,20°），a、b、c中物料含量都增加，d保持不變，e含量減少，特別是（32°,20°）處，可能由于兩電極距離太近且角度偏下，導(dǎo)致顆粒帶電不充分，大量非金屬落入a、b槽，致使其質(zhì)量劇增，同時(shí)e中含量減少。所以，不變，減小時(shí)，分選效果變差，金屬的收集純度降低，回收量增加。這與模擬結(jié)果圖6所得結(jié)果一致。(3) 當(dāng)、 同時(shí)減小相同值時(shí)（52°,40°；45°,

19、32°；32°,20°），a、b、c中物料含量增加，d中減少，e中含量先減小后略增大。這與模擬結(jié)果圖7有所不同，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中還受到其它因素的影響，相應(yīng)的研究將進(jìn)一步進(jìn)行。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，應(yīng)用電壓和電極位置的改變可以影響電場(chǎng)分布，從而影響分離效果。所以，對(duì)電場(chǎng)分布的模擬可以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。分離結(jié)果如圖8所示。4. 結(jié)論 實(shí)驗(yàn)條件：電壓-20-30kV，中心距離L=210mm，接地電極半徑R1=114mm，電暈電極半徑R2=0.15mm，靜電極半徑R3=19mm，=60°，=20° 圖8 、同時(shí)減小相同值時(shí)的電場(chǎng)分布 Fig.8 Re

20、sults of separating waste PCBs(1) 通過計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)得出，提升電壓、減小電極與轉(zhuǎn)輥軸心距可以提高電場(chǎng)強(qiáng)度，優(yōu)化電場(chǎng)分布，可改善分選結(jié)果。(2) 當(dāng)不變時(shí)，隨著的減小，金屬回收率降低，但純度提高；當(dāng)不變時(shí)，隨著的減小，金屬收集純度降低。(3) 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。當(dāng)電壓U=-20-30kV，中心距離L=210mm，接地電極半徑R1=114mm，電暈電極半徑R2=0.15mm，靜電極半徑R3=19mm，=60°，=20°時(shí)，分離效果最好。因此，可以采用計(jì)算機(jī)模擬來指導(dǎo)破碎電路板的高壓靜電分選技術(shù)中的工藝參數(shù)優(yōu)化和電選機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。-

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