破碎電路板高壓靜電分選電場分布的計算機模擬

1、 破碎電路板高壓靜電分選電場分布的計算機模擬1劉淑舒，李佳，許振明*上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，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，本文根據高壓靜電理論，利用MATLAB軟件模擬了高壓靜電分選機內的電場分布，并通過實驗驗證高壓電場的分布對分選結果的影響規(guī)律。結果表明：增大電壓、減小電極與轉輥軸心距可以改善分選效果；當電暈電極和轉輥軸心連線與水平面的夾角恒定，靜電極和轉輥軸心連線與水平面的夾角減小時，可以提高電場強度，優(yōu)化電場分布，金屬回收率降低，但純度提高；當不變時，隨著的減小，金屬收集純度降低。模擬結果與實驗結果吻合，采用電場模擬

2、方法可以用來指導破碎電路板高壓靜電分選技術中的工藝參數優(yōu)化和電選機的結構設計。關鍵詞：電路板，高壓靜電分選，MATLAB，電場分布中圖分類號：TD457；X7051. 引言隨著經濟的不斷發(fā)展，作為電子工業(yè)的基礎，同時也是各種電子產品的核心部件，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對環(huán)境造成嚴重危害的物質2（如多氯聯苯），這些物質也嚴重的危害了人們的健康。因此，對印刷電路板進行回收利用，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主要有火法、濕法、機械處理及生物處理等。機械處理中的高壓靜電分選曾廣泛應用于選礦工業(yè)中，與目前應用分離破碎電路板中金屬和非金屬顆粒的氣流風選和濕法重力分選比，具有成本低、高效、結構簡單、無污染等特點3。研究發(fā)現，廢棄電路板破碎到0.6mm以下時金屬基體基本上達到100%的解離4,5。而在此粒徑范圍內靜電分選6,7是最有效的。高壓靜電分選的基礎是被分選物料導電性差異，導致受力不同而引起的顆粒的運動軌跡的差異，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強度以及其他的機械因素。其中，空間電場強度是十分關鍵的因素，而高壓電極位置及電壓強度是決定空間電場強

4、度的兩個重要的參數。由于印刷線路板顆粒性質與礦物有顯著差異，分離的影響因素復雜，因此，利用計算機軟件模擬分離過程簡單方便，直觀形象。目前關于利用計算機軟件來模擬印刷線路板的靜電分離的研究并未見報道。為此，本文利用MATLAB軟件模擬了高壓靜電分選機中的空間電場分布，研究了高壓靜電分選時電場分布規(guī)律、物料顆粒的受力和運動規(guī)律，并通過實驗驗證，優(yōu)化實驗參數，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。2. 實驗材料和方法廢棄印刷線路板經兩級破碎得到金屬、非金屬混合顆粒，從中篩分出粒徑為0.60.8mm的顆粒作為實驗材料8。高壓靜電分離的原理如圖19所示。本實驗通過電子振動加料

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

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

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

8、#176;，=30° 圖3 不同電壓下的電場分布 Fig.3 Electric-field strength distributions on the rotating roll under different voltages用Adobe Photoshop CS中的角度測量工具以通過轉輥軸心的水平線為角度計量起點，逆時針方向為正值測量角度。以每點所對應的角度為橫坐標，電場強度為縱坐標就得出不同電壓下電場分布情況（圖3）。由圖3可知：隨著電壓的增大，電場強度的峰值相應增大，但角度不變。因為隨著電壓的增大，電暈放電加劇，產生的空間負電荷數量增加，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的分布可以提高分選效率，改善分選結果。但是，,實際應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：電壓-20kV，=60°，=30° 圖4 不同中心距離下的電場分布 Fig.4 Electric-field strength distributions on the rotating roll of different distances- 4 - 靜電極軸心與接地轉輥軸心之間的距離對分選空間的電場分布有很大影響。如圖4所示，在不同的中心距離下，電場分布

10、差別明顯。隨著中心距離的增大，場強峰值減小，但角度不變。因此，減小中心距離也可以提高場強，改善分選效果，其結果與增大電壓相同。但實際上,中心距離過小容易在起始電暈放電時發(fā)生火花放電，破壞分選過程。因此為了彌補增大中心距離使場強減小，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強度，改善分選結果。實際應用中一般采用高電壓、大中心距離的操作參數。3.1.3 不同電極位置3.1.3.1 不變，減小模擬參數：電壓-20kV，中心距離210mm 圖5 不變，減小時的電場分布 Fig.5 Electric-field strength distributions on the rot

11、ating roll圖5為不變，減小時圓輥表面電場分布。由圖5可知：不變時，隨著減小，電場峰值大小不變，但角度隨靜電極相應旋轉。所以，不變減小時，金屬的脫離受到影響，導致金屬回收率降低，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，減小時圓輥表面電場分布。由圖6可知：不變時，隨著減小，電場分布基本沒有變化。所以，電暈電極位置的變化對電場分布無明顯改善。但是，不變減小時，顆粒帶電過程逐漸縮短，導致帶電不充分，使a槽中回收量提高，但純度降低。- 5 -模擬參數：電壓-20kV，中心距離210mm 圖6 不變，減小時的電場分布 Fig.

12、6 Electric-field strength distributions on the rotating3.1.3.3 、同時減小相同值模擬參數：電壓-20kV，中心距離210mm 圖7 、同時減小相同值時的電場分布 Fig.7 Electric-field strength distributions on the rotating roll圖7是、同時減小相同值轉輥表面電場分布的變化。由圖7可知：電場峰值大小不變，但隨靜電極旋轉相應角度，造成了整體電場的偏轉。綜合以上分析，在工業(yè)應用中應采用高電壓、大中心距離的操作參數。而由于其多采用二級或多級分選，即兩個或多個一次分選的跌價，由一次

13、分選所得規(guī)律仍然適用，所以在第一次分選時，應該增大靜電極的角度，以提高回收率，使盡可能多的金屬進入金屬收集槽，增大二次分選的入料量；二次分選時，應減小靜電極的角度，提高金屬收集的純度。- 6 - 3.2 實驗驗證高壓靜電分選機中，在不同的實驗條件下，進行物料的分選，將分選結果與模擬結果相比較。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實驗條件：電暈電極半徑0.15mm，圓形靜電極半徑19mm，轉輥半徑114mm，中心距離210mm，=60°，=30°表1為不同電壓下的高壓靜電分選結果。由表可以看出：(1) 15kV是一個轉

15、折，各收集槽都出現了明顯的變化。因為從15kV開始電暈放電現象才開始明顯，使非金屬能帶足量電荷，從而緊緊依附在轉輥上，隨著轉輥轉動至非導體收集區(qū)才開始掉落或被刷子刷落，這與理論計算出的電暈開始放電電壓12.31kV10吻合。(2) b在15kV時明顯減小。在1520kV時，b中物料的質量減小，可能因為b中的非金屬被排斥到其它收集槽中，2030kV基本保持不變，20kV時的電場對0.6-0.8mm的非金屬物料已經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，改善了分選結果，這與模擬結果圖3得出的結論一致。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 實驗條件：電暈電極半徑0.15mm，圓形靜電極半徑19mm，轉輥半徑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果，由表所示：(1) 當不變，減小時（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，這與模擬結果圖5所得結論一致：金屬回收量降低，但收集純度提高。(2) 當不變，減小時（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，導致顆粒帶電不充分，大量非金屬落入a、b槽，致使其質量劇增，同時e中含量減少。所以，不變，減小時，分選效果變差，金屬的收集純度降低，回收量增加。這與模擬結果圖6所得結果一致。(3) 當、 同時減小相同值時（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。這與模擬結果圖7有所不同，這是因為實驗過程中還受到其它因素的影響，相應的研究將進一步進行。由實驗結果可以看出，應用電壓和電極位置的改變可以影響電場分布，從而影響分離效果。所以，對電場分布的模擬可以實現工藝參數的優(yōu)化。分離結果如圖8所示。4. 結論 實驗條件：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 、同時減小相同值時的電場分布 Fig.8 Re

20、sults of separating waste PCBs(1) 通過計算機模擬和實驗得出，提升電壓、減小電極與轉輥軸心距可以提高電場強度，優(yōu)化電場分布，可改善分選結果。(2) 當不變時，隨著的減小，金屬回收率降低，但純度提高；當不變時，隨著的減小，金屬收集純度降低。(3) 計算機模擬結果與實驗結果吻合。當電壓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，分離效果最好。因此，可以采用計算機模擬來指導破碎電路板的高壓靜電分選技術中的工藝參數優(yōu)化和電選機的結構設計。-

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