CN114011571B - 一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置，包括：机架、料仓、给料螺旋杆、匀料盘、磁力联轴器、Halbach磁辊、电动机、分隔板和集料槽；料仓固定在机架顶部，料仓内部设置给料螺旋杆，给料螺旋杆与匀料盘紧固在一起，给料螺旋杆下端连接磁力联轴器，磁力联轴器的另一端与Halbach磁辊的动力轴相连接，动力轴连接电动机输出轴；分隔板设在机架内部的分选区域内，位于Halbach磁辊外侧，分选装置设置至少2个集料槽，分别设置在分隔板两侧；Halbach磁辊上全部或部分永磁体磁块以二维Halbach阵列方式布置；所述二维Halbach阵列由多个一维Halbach阵列平行或相交布置。该装置可实现小粒径非磁性金属混合物的绿色、高效分选。

Description

一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置

技术领域

本发明属于固体废弃物的回收处理技术领域，具体涉及一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置。

背景技术

合理地回收固体废弃物对资源的可持续利用和环境保护都至关重要。此外，回收固体废弃物中金属组分也可以节省大量能源，如再生铝的能耗仅为原铝生产能耗的5％，因此可以大幅减小温室气体的排放。

在回收过程中，固体废弃物通常先经由拆解、破碎、分级等工艺过程，然后由磁选机选出其中的铁磁性金属，再由涡电流分选实现非磁性金属与非金属间的分离。非磁性金属混合物后续经过光学类分选或重力类分选技术实现不同非磁性金属(如铜、铝)间的分离，分选出来的非磁性金属再经过熔炼等工序转化成再生金属原料。其中非磁性金属混合物的分选通常由X射线分选机、激光诱导击穿光谱分选机完成，但是这类光学分选设备价格较为昂贵，且仅适用于粒径大于10～20mm的物料。粒径较小的物料由重介质分选等重力类分选技术处理，但常用的重介质分选的分选效率较低(一般低于90％)，且生产成本也较高。因此，亟需研发一种替代性的技术来实现小粒径非磁性金属间的分选。

涡电流分选的分选机理主要基于物料间的导电性差异，因此一些研究也关注涡电流分选在非磁性金属间的分选应用。如论文《立式涡流分选性能的影响因素分析》(周宗强，东北大学)中通过分选试验对比了立式转鼓型涡流分选机和传统的带式(卧式)转鼓型涡流分选机，发现立式转鼓型涡流分选机更适用于非磁性金属间的分选，但是由于物料下落时没有紧贴磁辊表面，且磁辊表面附近的磁场衰减较快，因此立式转鼓型涡流分选机中非磁性金属物料的偏斥距离较小。涡流分选技术主要依靠非磁性金属颗粒受到的涡流力，而涡流力随着颗粒尺寸的减小急剧下降，但是会随着磁场强度、梯度、频率的增加而增加。因此，在处理粒径较小的物料时需提高磁辊表面的磁感应强度、梯度及其交变频率。此外，涡电流分选技术的新构造对磁辊磁场的径向有效作用深度也有了更高的要求，如上述的立式转鼓型涡流分选机需要更大的磁场径向有效作用深度来解决物料下落时不紧贴辊面的问题。

现有的涡电流分选机磁辊上的磁体在周向方向上以N、S极交替(即S-N-S-N)的方式布置，且磁化方向为径向，故被称为径向阵列(Radial Array)。这种磁系配置下磁辊表面的磁感应强度较低，且径向有效作用深度较小。为此，市场上常见的带式转鼓型涡流分选机往往只能采用厚度较小的传送带来尽量减小物料与磁辊表面的距离，从而使颗粒物料受到更大的涡流力，但是这又造成了传送带易损坏失效的问题，生产过程中需要频繁的更换传送带，因而制约了涡流分选的生产效率和小粒径颗粒物料的分选效率。为了扩大涡流分选机的可分选粒径范围，实际生产中的涡流分选机还常常采用非均匀的径向阵列，即NS、NNSS的径向阵列布置各占一半。然而这种非均匀的布置也会增加涡流力的波动性，导致非磁性金属物料的落点分布更加分散，因此该磁系应用于非磁性金属间的分选时，无法获得理想的分选效果。此外，为使磁辊表面附近形成更高的场强，并提高永磁体的利用效率，传统的径向阵列背面需设置一定厚度的铁芯(背铁)起导磁作用，这增加了磁辊的重量，对磁辊的动力学性能有负面影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种分离不同非磁性金属的涡电流分选装置，从而实现小粒径非磁性金属混合物的绿色、高效分选。

本发明提供一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置，包括：机架、料仓、给料螺旋杆、匀料盘、磁力联轴器、Halbach磁辊、电动机、分隔板和集料槽；所述料仓固定在机架顶部，料仓内部设置给料螺旋杆，给料螺旋杆与匀料盘紧固在一起，给料螺旋杆下端连接磁力联轴器，磁力联轴器的另一端与Halbach磁辊的动力轴相连接，所述动力轴连接电动机输出轴；所述分隔板设在机架内部的分选区域内，位于Halbach磁辊外侧，所述分选装置设置至少2个集料槽，分别设置在分隔板两侧；所述Halbach磁辊上全部或部分永磁体磁块以二维Halbach阵列方式布置；所述二维Halbach阵列由多个一维Halbach阵列平行或相交布置形成。

在本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置中，Halbach磁辊包括动力轴、磁体安装台架、套筒、外壳和多个永磁体磁块；所述动力轴位于中心位置，动力轴外部固定安装磁体安装台架，磁体安装台架的外周面上阵列布置多块永磁体磁块，通过套筒将永磁体磁块包裹固定在磁体安装台架上，所述外壳套设在外部不随动力轴旋转。

在本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置中，当各个永磁体磁块的磁化方向在圆柱截交线上以“→⊙←×→⊙←×→”的顺序布置时，磁辊的永磁体磁块在该截交线上构成外侧磁场增强的一维Halbach阵列。

在本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置中，所述分选装置设有内、外两层分隔板，分隔出3个集料区，每个集料区内放置1个集料槽。

在本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置中，所述分隔板由多片弧形板首尾相连围成圆形且与Halbach磁辊同圆心布置，所述弧形板为可伸缩的嵌套结构，弧形板端部设有滑轮，所述滑轮能够沿径向布置的滑槽内滑动进而以调节分隔板的径向位置，进而调整各个集料区的位置。

在本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置中，所述料仓底部的出料口呈漏斗形，所述匀料盘位于料仓出料口下方，在所述匀料盘四周设有环形导料板。

在本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置中，通过调节磁力联轴器内的气隙能够改变匀料盘和给料螺旋杆的转速。

在本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置中，所述机架外设有模块化的机箱外壳。

本发明的一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置，至少具有以下有益效果：

(1)机箱外壳可以一定程度屏蔽Halbach磁辊产生的高强度交变磁场，同时也可以防飞溅、粉尘，从而减少设备运行过程对工作人员或其他设备产生的负面影响和安全隐患；

(2)Halbach磁辊给非磁性金属物料提供的涡流力量级较大、波动性较小，使非磁性金属物料的落点更远、更集中，因此可以将该设备应用于不同非磁性金属间的分选(以前的涡流分选机都是用于非磁性金属与非金属间的分选)；

(2)Halbach磁辊的磁场有效作用距离较大，可以一定程度解决立式转鼓结构设计中物料不紧贴磁辊表面的问题，同时也可以为非磁性金属物料提供时间更长的涡流力；

(3)二维海尔贝克阵列可以在磁辊表面形成磁感应强度较高的加强磁场，同时较大的磁极对数配合高转速可以保证交变磁场频率达到较高水平，可使非磁性金属颗粒在分选过程中受到更大的涡流斥力，从而提高小粒径物料的分选效率；

(4)Halbach阵列和立式转鼓两种结构都具有适用非磁性金属间分选的特点，整合两种结构可以获得针对非磁性金属混合物料的涡流分选装置；

(5)二维海尔贝克阵列形成表面磁场增强和背面磁场减弱的单边磁场，可减少铁芯或永磁体材料的使用，甚至无需配置铁芯，因此磁体安装台架的材质不需要局限于铁磁性材料，这可以大幅减轻磁辊的自身重量，从而增强磁辊的动力学性能；

(6)料仓内的物料受重力和给料螺旋的作用被输送到匀料盘上，并由匀料盘均匀布料。相较于专利[1]，该设备处理量大幅增加，且物料进入分选区域时，分布也较为均匀。

(7)分隔板结构较为简单、可靠性高，其径向位置可以通过其端部滑轮和中部的嵌套结构自由调节，由此可以满足不同混合物料的分选需要。

附图说明

图1是本发明的一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置的结构示意图；

图2是分隔板结构示意图；、

图3是本发明的Halbach磁辊的永磁体磁块的磁化方向示意图；

图4是本发明中实施例1的二维Halbach阵列磁系布置示意图；

图5是本发明中实施例2的二维Halbach阵列磁系布置示意图；

1-机架、2-料仓、3-给料螺旋杆、4-匀料盘、5-磁力联轴器、6-环形导料板、7-Halbach磁辊、8-电动机、9-内分隔板、10-外分隔板、11-内集料槽、12-中集料槽、13-外集料槽、14-控制箱、17-滑槽、18-滑轮、19-弧形板。

具体实施方式

海尔贝克阵列(Halbach Array)利用特殊的磁体单元排列可以形成单边磁场(one-sided field)。同等体积下，一维的海尔贝克阵列的加强侧表面磁感应强度约为传统径向阵列的1.4倍，且Halbach阵列还具有较大的磁场梯度、径向有效作用深度。此外，我们通过数值模拟试验对比了N-S、NN-S、NN-SS、Halbach阵列，结果显示Halbach阵列条件下非磁性金属颗粒受到的涡流力量级较大、波动性较小。这说明Halbach阵列条件下非磁性金属颗粒的偏斥距离更远，且落点分布更为集中，因此采用Halbach磁辊处理小粒径非磁性金属混合物时更具优势。

本发明主要通过创新设计的涡流分选机和二维Halbach磁辊技术，制造一种适合分选非磁性金属混合物的涡电分选装置。在此基础上为磁辊设置较多的磁极对数和较高的转速，从而提高小粒径非磁性金属间的分选效率。该技术方案可以为小粒径非磁性金属间的分选提供一种新的技术途径，并有效地解决现有技术存在的一些问题。本发明的具体技术方案如下。

如图1所示，本发明的一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置，包括：机架1、料仓2、给料螺旋杆3、匀料盘4、磁力联轴器5、Halbach磁辊7、电动机8、分隔板和集料槽。机架1外设有模块化的机箱外壳。料仓2固定在机架1顶部，料仓2内部设置给料螺旋杆3，给料螺旋杆3与匀料盘4紧固在一起，给料螺旋杆3下端连接磁力联轴器5，磁力联轴器5的另一端与Halbach磁辊7的动力轴相连接，所述动力轴连接电动机8的输出轴，通过调节磁力联轴器5内的气隙能够改变匀料盘4和给料螺旋杆3的转速。所述料仓2的底部的出料口呈漏斗形，匀料盘4位于料仓2的出料口下方，在匀料盘4周围设有环形导料板6。所述分隔板设在机架1内部的分选区域内，位于Halbach磁辊7外侧，所述分选装置设置至少2个集料槽，分别设置在分隔板两侧。Halbach磁辊7上全部或部分永磁体磁块以二维Halbach阵列方式布置，二维Halbach阵列由多个一维Halbach阵列平行或相交布置形成。混合有至少2种非磁性金属的物料经由给料螺旋杆3、匀料盘4均匀布料后通过环形导料板6围成的环形间隙落入分选区域。在分选区域，由于不同非磁性金属物料间导电率/密度的差异，不同非磁性金属间或非磁性金属与非金属间开始分离，随后由分隔板分开，最终落入不同的集料槽里。分隔板与水平面的夹角通常小于90度。

所述Halbach磁辊7包括动力轴、磁体安装台架、不锈钢套筒、外壳和多个永磁体磁块。所述动力轴位于中心位置，动力轴外部固定安装圆柱铁芯，磁体安装台架上阵列布置多块永磁体磁块，通过不锈钢套筒将永磁体磁块包裹固定在磁体安装台架上，所述外壳套设在外部不随动力轴旋转。

如图1和2所示，分选装置设有内分隔板9和外分隔板10，两层分隔板。分隔出3个集料区，每个集料区内放置1个集料槽，如图1中的内集料槽11、中集料槽12和外集料槽13，用于盛装经分选的不同非磁性金属或非金属。分隔板由多片弧形板19首尾相连围成圆形且与Halbach磁辊7同圆心布置，所述弧形板19为可伸缩的嵌套结构，弧形板19端部设有滑轮18，所述滑轮18能够沿径向布置的滑槽17内滑动进而调节内分隔板9和外分隔板10的径向位置，进而调整各个集料区的位置。

Halbach磁辊7上全部或者部分的永磁体磁块以二维Halbach阵列方式布置，从而在磁辊外表面一侧形成加强磁场。如图3所示，“→”标识所在永磁体磁块为副磁极，且该永磁体磁块的磁化方向为箭头所指的方向。“⊙”和“×”标识所在永磁体磁块为主磁极，且“⊙”和“×”分别代表由内向外和由外向内的磁化方向。当各个永磁体磁块的磁化方向在圆柱截交线上以“→⊙←×→⊙←×→”的顺序布置时，磁辊永磁体在该截交线上构成外侧磁场增强的一维Halbach阵列。如果同时在另一条与之相交或平行的圆柱截交线上也形成外侧磁场增强的一维Halbach阵列，就可以形成二维Halbach阵列。这种由多个一维Halbach阵列相交或平行形成的二维Halbach阵列磁系布置可以极大地增强磁辊表面的磁感应强度及其径向有效作用深度。与此同时，在磁辊圆周方向上保持6对(12极)以上的磁极对数，使Halbach磁辊7旋转时容易实现较高的交变磁场频率，因而可以有效的改善涡流分选设备的分选效率。下面通过两个实施例具体说明一下Halbach磁辊的结构。

实施例1

Halbach磁辊7包含动力轴、磁体安装台架、磁块、套筒和外壳等。所述动力轴位于磁辊中心位置，动力轴外布置磁体安装台架，磁体安装台架上安装稀土永磁体磁块(NdFeB)，并采用不锈钢螺丝固定，用不锈钢套筒包裹、固定上述部件，使磁辊可以安全地高速旋转。外壳和两端分别采用玻璃钢筒和压盖进行安装固定。如图4所示，各主磁极“⊙、×”通过共用顶角位置的副磁极在相互垂直的两条圆柱截交线上分别形成连续的一维Halbach阵列，从而构成二维的Halbach阵列。其余磁块的磁化方向指向邻近的“⊙”主磁极或背离邻近的“×”主磁极，从而进一步增强磁辊表面的磁感应强度和径向有效作用深度。控制极矩大小为20～80mm，且保持主、副磁极宽的比率为1～3.5，磁极数超过12极(6对磁极)，从而保证磁辊兼具有改善分选效率所需的高磁场和高频率。

实施例2

Halbach磁辊包含转轴、内磁筒、磁块、和外壳等。转轴位于内磁筒中心位置，磁块粘附在内磁筒上，磁块表面包覆碳素纤维布，最外部是玻璃钢筒外壳。如图5所示，各个永磁体磁块的磁化方向在磁辊轴向方向上以“→⊙←×→⊙←×→”的顺序布置，形成相互平行的二维Halbach阵列，使磁辊表面具有较大的磁场强度及作用深度。与此同时，在周向方向上，主磁极“⊙”出来的磁感线倾向于指向邻近对角位置的主磁极“×”。这部分磁感线在整体上与磁辊轴线成一定夹角(α≠90°或180°)，在轴向方向上会有分量，磁辊旋转时可以对非磁性金属物料产生轴向方向上的涡流力，这对改善一些新型的涡流分选设备的分选效率有积极影响，在本发明的分选机中，这样的磁系布置使物料受到轴向方向的涡流力，可以增加非磁性金属物料受磁场作用的时间，进而提高分选效率。

本发明的分离不同非磁性金属的涡流分选装置，可用于分选不同的非磁性金属，同时也可以用于非磁性金属与非金属间的分选。在实际应用中本发明的分选装置可以将三种非磁性金属混合物分开成三种物料，也可以将两种非磁性金属和非金属的混合物分成三种物料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分离不同非磁性金属的涡流分选装置，其特征在于，包括：机架、料仓、给料螺旋杆、匀料盘、磁力联轴器、Halbach磁辊、电动机、分隔板和集料槽；所述料仓固定在机架顶部，料仓内部设置给料螺旋杆，给料螺旋杆与匀料盘紧固在一起，给料螺旋杆下端连接磁力联轴器，磁力联轴器的另一端与Halbach磁辊的动力轴相连接，所述动力轴连接电动机输出轴；所述分隔板设在机架内部的分选区域内，位于Halbach磁辊外侧，所述分选装置设置至少2个集料槽，分别设置在分隔板两侧；所述Halbach磁辊上全部或部分永磁体磁块以二维Halbach阵列方式布置；所述二维Halbach阵列由多个一维Halbach阵列平行或相交布置形成；

所述Halbach磁辊包括动力轴、磁体安装台架、套筒、外壳和多个永磁体磁块；所述动力轴位于中心位置，动力轴外部固定安装磁体安装台架，磁体安装台架上阵列布置多块永磁体磁块，通过套筒将永磁体磁块包裹固定在磁体安装台架上，所述外壳套设在外部不随动力轴旋转；

当各个永磁体磁块的磁化方向在圆柱截交线上以“→⊙←×→⊙←×→”的顺序布置时，磁辊的永磁体磁块在该截交线上构成外侧磁场增强的一维Halbach阵列。

2.如权利要求1所述的分离不同非磁性金属的涡流分选装置，其特征在于，所述分选装置设有内、外两层分隔板，分隔出3个集料区，每个集料区内放置1个集料槽。

3.如权利要求2所述的分离不同非磁性金属的涡流分选装置，其特征在于，所述分隔板由多片弧形板首尾相连围成圆形且与Halbach磁辊同圆心布置，所述弧形板为可伸缩的嵌套结构，弧形板端部设有滑轮，所述滑轮能够沿径向布置的滑槽内滑动进而以调节分隔板的径向位置，进而调整各个集料区的位置。

4.如权利要求1所述的分离不同非磁性金属的涡流分选装置，其特征在于，所述料仓底部的出料口呈漏斗形，所述匀料盘位于料仓出料口下方，在所述匀料盘四周设有环形导料板。

5.如权利要求1所述的分离不同非磁性金属的涡流分选装置，其特征在于，通过调节磁力联轴器内的气隙能够改变匀料盘和给料螺旋杆的转速。

6.如权利要求1所述的分离不同非磁性金属的涡流分选装置，其特征在于，所述机架外设有模块化的机箱外壳。

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