交變磁場感應渦電流分離條件實驗研究

交變磁場感應渦電流分離條件實驗研究

1配裝箱標準及應用隨著社會生產(chǎn)力的快速發(fā)展，社會財富的急劇增加，人們的生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利。同時，固體殘渣也難以自然分解，這已成為社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的障礙。有色金屬在人類的生產(chǎn)和生活方面有廣泛的應用,這一情況使得在環(huán)境中存在各種各樣的有色金屬污染,更重要的是造成大量有色金屬資源浪費。交變磁場渦電流分離技術作為一項具有十分廣闊應用前景的固廢資源化技術,在許多發(fā)達國家得到成功應用,而在國內(nèi)有關該方面的研究極少。許多工業(yè)廢棄物都可用渦電流分離技術處理,目前國外最主要的應用之一是廢棄汽車的處理,這在發(fā)達國家是非常普遍的。對汽車的處理主要是回收其中的廢鋼鐵(約占總重量的80%)。廢鋼鐵的價值取決于其純度,若含有鋁、銅、鋅等都將嚴重影響其價值,故在熔煉前需將這些成分除去。渦電流分離技術在國外的另一個主要應用是從工業(yè)和生活廢棄物中回收有色金屬資源,如廢銅(鋁)電力電纜、鋁制品、非鐵金屬碎料、印刷電路板、含非鐵金屬玻璃碴、電子廢品、多金屬(Al、Cu、Pb、Zn等)混合物、鑄銅(鋁)型砂及鋁碴等。其他工業(yè)廢棄物,如廢棄電腦和其他廢棄電子元器件中有色金屬的回收、煤灰渣中有色金屬的回收、鋁冶煉廢渣中鋁的回收等,都可用渦電流分離技術來實現(xiàn)。渦電流分離技術作為一種物理單元操作技術,跟其他分離方法相比,具有分離效果優(yōu)異、無二次污染和應用范圍廣等許多優(yōu)點。2渦流分離設備工作原理的概念渦電流分離技術基于2個重要的物理定律,即電磁感應定律和畢奧-薩伐爾定律。電磁感應定律表明變化磁場產(chǎn)生電場,畢奧-薩伐爾定律表明磁場會對載流導體或線圈產(chǎn)生力的作用。換言之,就是交變磁場在金屬導體內(nèi)感應渦電流,渦電流產(chǎn)生磁場,渦電流產(chǎn)生的磁場與外施場相互作用而使金屬導體受到渦電流力的作用,從而達到有色金屬物料與非金屬物料之間或有色金屬物料之間相互分離的目的。這就是渦電流分離的基本原理。渦電流分離基本原理可用圖1所示渦電流分離設備的工作原理加以解釋。圖中交變磁系主體為一個能旋轉(zhuǎn)圓筒,圓筒表面嵌布有極性交替排列的高性能永磁材料NdFeB。分離時,物料從斜板上某一高度處下滑至設備外轉(zhuǎn)筒表面,設備轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)并在筒外空間產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的交變磁場,該交變磁場對滑至筒面上的金屬導體產(chǎn)生渦電流斥力作用。金屬導體除受渦電流斥力作用外,還要受重力、離心力、機械力等力的作用。在這些力的共同作用下,金屬導體迅速飛離設備轉(zhuǎn)筒表面,沿不同下落曲線落至設備的產(chǎn)品收集箱中。分離過程中,渦電流斥力起主要作用。對不同金屬導體,它們受到的渦電流斥力不同,因此它們的下落曲線也將不同。下落曲線不同導致金屬導體在圖示X軸方向上具有不同的下落距離并落入不同的收集箱中,從而達到金屬與非金屬或金屬與金屬之間相互分離的目的。將不同收集箱上的物料收集起來,即可得到不同產(chǎn)品。3理想條件下的渦流分離從渦電流分離基本原理知道,渦電流分離主要取決于作用在金屬導體上的渦電流力大小。研究表明,作用在金屬體上的渦電流力跟許多因素有關,這些因素主要包括:金屬導體物理性質(zhì)(如金屬種類、導電率、密度、大小、形狀等)、設備性能(如設備磁系表面的磁場分布等)和分離操作條件(如給料初始速度、交變磁場變化頻率等)。因此,要準確描述實際情形下任意金屬導體在交變磁場中受渦電流力非常困難。為了計算交變磁場作用在導體上的渦電流力大小,需要作一些簡化,假設:(1)金屬導體形態(tài)規(guī)則、質(zhì)地均勻,且金屬體的大小遠遠小于磁周期長(磁系中一對磁極所含夾角在筒面上形成的周向長度叫做一個磁周期長)。因此,可以認為金屬導體內(nèi)磁場性質(zhì)處處相同;(2)渦電流自己的磁場作用在其自身上的力為零,即忽略金屬導體在交變磁場中的自感作用;(3)將塊狀金屬導體看成是單獨孤立的,盡管金屬導體之間不可避免地會發(fā)生相互作用(如碰撞作用),且物料分離時,看成是單層的;(4)不考慮金屬導體在交變磁場中受到轉(zhuǎn)矩作用而引起的逆向自旋運動(這種自旋運動對渦電流力是起抵消作用的)。滿足以上4點假設的金屬導體渦電流分離過程叫做理想條件下的渦電流分離。在此理想條件下,理論推導得出渦電流力數(shù)學表達式為:Fe=k1k2αe·ω·(?B)2(1)式中:Fe—金屬導體受渦電流力,N;k1—金屬導體形狀修正系數(shù);k2—設備屬性修正系數(shù);ω—交變磁場旋轉(zhuǎn)角速度,r/min;αe—金屬導體分離因子,主要跟金屬導體的導電率、密度、大小、形狀及金屬導體在交變磁場中的取向等有關,各種理想金屬導體的αe表達式可推導得出;(?B)2—磁系所在圓筒表面外空間的“磁感應強度”。從(1)式可以看出,渦電流力主要跟金屬物理性質(zhì)αe、設備性能(?B)2、操作條件(交變磁場旋轉(zhuǎn)角速度)相關。4x-ct分離條件的確定渦電流分離條件實驗的實驗指標為金屬導體在設備分離區(qū)X軸方向上的分離距離X(cm),實驗目的是定量分析不同實驗條件對渦電流分離效果的影響。4.1金屬導電大小對渦流分離效果的影響給定2種金屬:鋁合金和金屬銅,它們形狀相同,均為長方體,2種金屬厚度分別為:鋁合金0.6mm,銅0.4mm。固定其他實驗因素,作金屬導體大小對渦電流分離效果的影響實驗,實驗結(jié)果如圖2所示(D表示邊長)。實驗結(jié)果分析:從圖2可以看出,在一定粒度范圍內(nèi),隨著金屬導體尺寸的增大,金屬導體的分離距離增大,兩者基本上呈線性關系。因此,得出結(jié)論:固定其他實驗條件,在一定粒度范圍內(nèi),金屬導體尺寸越大,受渦電流力越大,分離距離也越大。4.2交變磁場與金屬進行分離給定3種金屬導體:鋁合金、正方體銅和圓環(huán)銅。固定其他實驗因素,作交變磁場旋轉(zhuǎn)角速度(以交變磁場變化頻率f替代)對渦電流分離效果的影響實驗,實驗結(jié)果如圖3所示。3種形狀金屬導體尺寸分別為:鋁合金,邊長×邊長×厚=18mm×18mm×6.0mm;長方體銅,邊長×邊長×厚=20mm×20mm×2.0mm;圓環(huán)銅,外環(huán)直徑×內(nèi)環(huán)直徑×高=14mm×10mm×10.6mm。實驗結(jié)果分析:從圖3可以看出,交變磁場變化頻率增大,金屬導體的分離距離增大,且當頻率增加到一定程度后,金屬分離距離增加的程度開始下降,最后趨于平穩(wěn)的趨勢。其原因可能有:(1)交變磁場增大引起金屬導體逆向自旋而削弱原磁場的作用;(2)交變磁場在金屬體內(nèi)的“趨膚效應”作用。因此,得出如下結(jié)論:通過提高交變磁場變化頻率來提高渦電流分離效果所起的作用有限。4.3各金屬分離距離給定4種金屬導體:正方體鋁合金、正方體銅、圓環(huán)銅和圓盤鎳。固定其他實驗因素,作“磁感應強度”(以磁系外延半徑r替代)對分離效果的影響實驗,實驗結(jié)果如圖4所示。4種金屬導體幾何尺寸分別為:長方體鋁(合金),邊長×邊長×厚=20mm×20mm×0.8mm;長方體銅,邊長×邊長×厚=20mm×20mm×2.0mm;圓環(huán)銅,外環(huán)直徑×內(nèi)環(huán)直徑×高=14mm×10mm×10.6mm;圓盤鎳,直徑×高=22mm×1.8mm。從圖4可以看出,(?B)2不同,各金屬的分離距離也不同。隨著r的增大((?B)2減小),各金屬導體的分離距離呈直線下降,兩者之間基本上呈線性關系。因此,可以得出結(jié)論:固定其他實驗條件,“磁感應強度”(?B)2越大,金屬受渦電流力越大,分離距離越大。4.4初始速度a的確定給定3種金屬導體:長方體鋁、長方體銅和圓環(huán)銅。固定其他實驗因素,作給料初始速度對分離效果的影響實驗,實驗結(jié)果如圖5所示。3種不同金屬導體幾何尺寸分別為:長方體鋁,邊長×邊長×厚=18mm×18mm×6mm;長方體銅,邊長×邊長×厚=20mm×20mm×0.4mm;圓環(huán)銅,外環(huán)直徑×內(nèi)環(huán)直徑×高=14mm×10mm×10.6mm。從圖5可以看出,給料初始速度越大,各金屬體的分離距離越大。當給料初始速度達到某一值后,金屬體的分離距離與給料初始速度之間成嚴格的線性增長關系,且增加的幅度下降,此時分離距離的增加可能完全靠金屬下滑時獲得重力勢能的作用。5金屬產(chǎn)品的回收率測定按重量比Al占30.0%,非金屬(塑料)占70.0%人工混合組成Al-非金屬混合物料,用圖1所示實驗型渦電流分離設備,作渦電流分離含有色金屬混合物料實驗。物料分離產(chǎn)品為:非金屬產(chǎn)品塑料和金屬產(chǎn)品鋁。物料處理量為0.2～0.3kg/min。實驗結(jié)果見表1。由實驗結(jié)果可以看出,交變磁場變化頻率改變時,金屬產(chǎn)品純度變化不大,有最大值98.19%(在f=1200Hz時)。金屬產(chǎn)品回收率變化的幅值較大,f=20Hz時,達到最大值93.14%。可以這樣分析,當交變磁場變化頻率較低時,渦電流力能將混合物料中的較大金屬體回收,但不能回收小顆粒金屬體。隨著交變磁場變化頻率增大,作用在小顆粒金屬體上的渦電流力逐漸克服其他競爭力的作用,夾帶少許非金屬導體,一并落入金屬產(chǎn)品中。因此,金屬產(chǎn)品回收率呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象,而金屬產(chǎn)品純度則出現(xiàn)一定的波動現(xiàn)象。6實驗基礎奠定了某(1)渦電流分離技術基于2個重要的物理定律——電磁感應定律和畢奧-薩伐爾定律。理想條件下,推導得出渦電流力數(shù)學表達式,為渦電流分離條件實驗奠