CN101104158A - 混合金属颗粒在高压静电场中提纯、分选方法 - Google Patents

Abstract

混合金属颗粒在高压静电场中提纯、分选方法涉及混合金属提纯、分选技术领域。公开了一种提纯、分选方法，首先选择粒径在0.1mm～3mm的两种或两种以上混合金属颗粒，接通小型高压提纯机的高压直流电源，根据混合颗粒的密度、半径以及接地柱状电极的半径等参数选择施加电压值U_A，将混合料送入加料槽，在高压静电场的作用下实现提纯和分选。本发明具有结构简单，耗能小，提纯过程无损失，提纯金属颗粒品位高等特点。这种新的混合金属提纯的方法适用于有一定密度差、本身为颗粒状或可破碎成颗粒状的两种或多种混合金属的提纯、分选。主要用于废汽车和电子废弃物等的金属材料回收等领域。

Description

混合金属颗粒在高压静电场中提纯、分选方法

技术领域

本发明属于混合金属提纯、分选技术领域，特别是涉及一种混合金属颗粒在高压静电场中提纯、分选的混合金属提纯方法。

技术背景

随着人们对环保意识的提高，要求在汽车废金属回收领域、电子废弃物金属回收领域，采矿分选领域以及粉末冶金领域等产生混合金属粉末或混合金属颗粒材料进行有效的提纯回收，利用现有技术难以进行单种金属提纯回收。例如采用物理方法(风选等)的汽车废弃物或电子废弃物(电路板)回收后，会产生铜粉、锡球以及铝球等混合金属，类似的情况，严重影响了金属品位，影响了铜粉等的价格。

而目前的密度浮选、涡流电选、静电分选等方法多用于金属与非金属间的提纯分选，无法进行金属间提纯。更进一步无法进行小颗粒的金属间提纯(0.1mm～3mm)。

振动浮选的方法是利用振动来使混合颗粒分层来达到提纯目的，但混合金属颗粒密度相差不大，操作参数难以控制，且提纯效果不好，提纯金属品位低。

熔炼提纯方法把混合金属熔炼，部分金属作为熔渣除去，剩余部分得以提纯，该提纯方法耗能大，成本高，金属损失较多，不适合中小规模的金属提纯。

专利公开号为CN1071353的“由废金属料中选出特定金属的分选方法”提出了一种从非金属料中提纯金属的方法，但该方法需要用特定金属矿粉与水配置重质液，成本高且会产生水体污染，需要洗涤烘干等流程复杂。

发明内容

本发明的目的利用不同密度的金属颗粒在高压静电场中承受的电场力、在接地电极表面的离心力以及自身密度等的差异，致使两种或多种金属颗粒的运动行为的不同，即一种金属颗粒从混合颗粒中飞出并被单独收集，没有从混合颗粒飞出的颗粒亦被单独收集，进而对混合颗粒达到提纯、分选。

本发明与上述方法完全不同，它是一种完全干式提纯方法，不产生水体或大气污染，耗能小(电压高，但电流几乎为零)、无金属损失、无环境污染、可以进行中小规模的金属提纯，且可用于金粉末等贵金属的提纯。

本发明的目的所采用技术方案是，其提纯、分选方法步骤如下：

a原料准备：粒径在0.1mm～3mm的两种或两种以上混合金属颗粒，该混合密度颗粒的密度(kg/m³)以一定的差异；

b加料：小型高压提纯机的高压柱状电极与0～120KV的高压直流电源接通，选择施加电压值U_A，在高压柱状电极与接地柱状电极之间形成高压静电场，然后将混合金属颗粒送入小型高压提纯机的加料槽内，在槽内有加料振动辅助装置进行振动，使混合金属颗粒能均匀地进入接地柱状电极的表面，转速范围为5～30r/min；

c收集：在高压静电场作用下，相对密度小的金属颗粒从接地柱状电极的表面飞离到小型高压提纯机的收集槽b内，而相对密度大的金属颗粒在装置毛刷或刮板的作用下脱离接地柱状电极的表面，落入收集槽a内；

d出料：当提纯、分选结束后，关掉高压直流电源，停止接地柱状电极的转动，分别打开小型高压提纯机的收集槽a、收集槽b的仓门，取出不同密度的金属颗粒，进行包装。

本发明选择施加电压值U_A，U_A需满足U_L(ρ₁，r₂)＜U_A＜U_L(ρ₂，r₁)，即U_A取U_L(ρ₁，r₂)和U_L(ρ₂，r₁)之间的任一值，其中ρ₁代表相对密度小的金属颗粒的密度，ρ₂代表相对密度大的金属颗粒的密度，r₂代表待提纯的混合金属颗粒的最大粒径，r₁代表待提纯的混合金属颗粒的最小粒径，U_L代表金属颗粒的起浮电压，即单个颗粒能从接地柱状电极与高压柱状电极最短距离处的接地柱状电极表面点飞离的临界电压值，起浮电压U_L由颗粒的重力G、离心力F_w以及电场力F_q决定，当颗粒在接地柱状电极与高压柱状电极最短距离处的接地柱状电极表面点受力平衡时，即 $\stackrel{\→}{G}+{\stackrel{\→}{F}}_w+{\stackrel{\→}{F}}_q=0$ 时，起浮电压U_L可由计算机程序求得，颗粒受力公式如下：

G＝mg

F_w＝mw²R₁

Q_m＝(2π³/3)ε₀r²E

$E=\sqrt{{E_{\mathrm{qx}}}^2+{E_{\mathrm{qy}}}^2}$

$E_{\mathrm{qx}}=U_L[\frac{y_1}{{(a-h_1+x_1)}^2+y_1^2}-\frac{y_1}{{(a+h_1-x_1)}^2+y_1^2}]/\ln \frac{(h_1+a-R_1)(h_2+a-R_2)}{(R_1+a-h_1)(R_2+a-h_2)}$

$E_{\mathrm{qy}}=U_L[\frac{a-h_1+x_1}{{(a-h_1+x_1)}^2+y_1^2}+\frac{a+h_1-x_1}{(a+h_1-x_1)+y_1^2}]/\ln \frac{(h_1+a-R_1)(h_2+a-R_2)}{(R_1+a-h_1)(R_2+a-h_2)}$

F_qx＝kQ_mE_qx

F_qy＝kQ_mE_qy

式中：m为颗粒质量，w为节地柱状电极的角速度，可由转速求得，ε₀为空气介电常数，r为金属颗粒半径，k＝1.h₁＝(L²+R₁ ²-R₂ ²)/(2L)，h₂＝(L²-R₁ ²+R₂ ²)/(2L)，x₁＝ρcos()，y₁＝ρsin()，a＝(h₁ ²-R₁ ²)^1/2，R₁为接地柱状电极半径，R₂为高压柱状电极半径，L为接地柱状电极与高压柱状电极的轴间距，＝90度，通过以上公式以及计算机程序可对U_L进行计算。进而得到U_L(ρ₁，r₂)和UL(ρ₂，r₁)，然后确定U_A。

本发明的工作过程，具体提纯过程为：先开启高压电源，由计算程序根据待提纯金属颗粒的特征，计算施加电压值U_A，并将高压电源电压调至由计算得到的施加电压值U_A，利用加料装置将混合金属颗粒(二元混合金属颗粒，密度分别为ρ₁和ρ₂，且ρ₂＞ρ₁，两种金属形状相同或相近)加入到接地柱状转动电极表面，由于接地柱状转动电极绕辊轴转动，以及颗粒与转动电极表面的静摩擦作用，混合金属颗粒静止于转动电极表面并随其一起转动，由于颗粒受到的电场力、接地电极转动而产生离心力、重力等合力作用，相对密度小的金属颗粒(密度为ρ₁)飞离接地柱状，最后通过收集槽b收集，而相对密度大的金属颗粒(密度为ρ₂)则由于密度相对大，重力大因而继续被“吸附”在接地柱状表面并随着接地柱状转动，最终通过毛刷或刮板使其脱离接地柱状，并落于收集槽a中，被收集槽a收集，进而实现两种金属颗粒的分选提纯。其分选流程示意图详见图1以及实施例示意图5。

本方法适用于粒径在0.1mm～3mm的混合金属颗粒的分选提纯。本发明中，要求待提纯的金属必须为颗粒或粉末状，或金属易于破碎成粉末状，且混合金属有一定的密度差，且不限于两种金属。

本发明中，很重要的一个参数是U_A，这个参数的设定直接影响高压电场强度的分布以及金属颗粒的受力，进而影响金属提纯的效果，施加电压的设定与本发明方法应用设备的众多参数和待提纯颗粒有直接关系。这里要提出一个金属颗粒的起浮电压概念，即金属颗粒在接地柱状电极与高压柱状电极最短距离处的接地柱状电极表面点浮起时的临界电压值，既为U_L，与两柱状电极曲率、柱状电极间距、待提纯颗粒半径以及待提纯颗粒密度等有关，见附图2和附图3，提纯的起伏电压与金、铜、锡和铝等密度的关系如附图4，并U_L是这些参数的函数，可以通过相应程序计算获得。对于一个本发明方法对应的提纯机构(结构参数已知)，此时U_L只是待提纯颗粒半径以及待提纯颗粒密度的函数即U_L(ρ，r)。对于一组混合金属颗粒，其半径范围为r₁＜r＜r₂，密度范围为ρ₁＜ρ＜ρ₂，则如果存在U_A∶U_L(ρ₁，r₂)＜U_L(ρ₂，r₁)，则本组混合金属颗粒可提纯，U_A可定为U_L(ρ₁，r₂)与U_L(ρ₂，r₁)间的任一值；如果U_L(ρ₁，r₂)＞U_L(ρ₂，r₁)，即不存在U_L(ρ₁，r₂)＜U_L(ρ₂，r₁)，则因为粒径范围过大，U_A无法取值，需要对本组混合金属颗粒进行一次尺寸筛分，尺寸筛分是一种很简单且成熟的操作，可由振动筛完成。筛分后再次比较筛分后尺寸后的颗粒组的起浮电压值，以确定施加电压。

本发明中的高压电场由直流高压电源产生，其能够产生电压值范围为0～120kv或者更高，其电压值可调节。接地柱状表面有较大粗糙度，接地柱状表面摩擦作用可阻止金属颗粒在接地柱状表面滚动或滑动，并可带动相对密度大的金属颗粒一起转动。接地柱状的转动有3个作用：1)将金属颗粒带入分选提纯区；2)使金属颗粒产生离心力，利于相对密度小的金属颗粒飞离接地柱状表面，当金属颗粒离开接地柱状表面后，不再存在离心力，在电场力、重力以及空气阻力作用下更容易被收集槽收集；3)将相对密度大的金属颗粒带入收集槽a。

本发明的优点在于利用物理方法将混合的金属颗粒或粉末提纯，耗能小(电压高，但电流几乎为零)、无金属损失、无环境污染、结构简单可以进行中小规模的金属提纯，也可用于金银等贵金属粉末的提纯。这种新的混合金属提纯的方法适用于有一定密度差、本身为颗粒状或可破碎成颗粒状且颗粒形状相近的两种或多种混合金属的分选/提纯。本发明在破碎的电子废弃物的金属材料回收提纯、破碎的废旧汽车的金属材料回收提纯、贵金属粉末的提纯或两种颗粒形状相近的混合金属粉末的提纯等方面有一定的应用前景。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是本发明实施在小型高压提纯机的提纯、分选流程及结构示意图；

图中：1-屏蔽装置(绝缘外罩)，2-接地柱状电极，3-电动机，4-高压柱状电极，5-收集槽a(带毛刷或刮板)，6-高压直流电源，7-加料振动辅助装置，8-加料槽，9-收集槽b，10-挡板，11-金属颗粒a，12-金属颗粒b，13-金属颗粒b分选轨迹。

图2是本发明一个实施例起浮电压U_L与金属密度的关系曲线图；

图中：R₁为接地柱状电极半径，R₂为高压柱状电极半径，L为两平行电极轴间距；

图3是本发明一个实施例起浮电压U_L与金属颗粒半径的关系曲线图；

图中R₁为接地柱状电极半径，R₂为高压柱状电极半径，L为两平行电极轴间距；

图4是本发明一个实施例以铝颗粒粒径为1mm的起浮电压U_L与接地柱状电极半径的关系曲线图；

图中r_p为金属颗粒半径，ρ_p为金属颗粒密度，R₂为高压柱状电极半径，L为两平行电极轴间距；

图5为本发明一个实施例的分选轨迹示意图。

图中r_p为金属颗粒半径，GE为柱状接地电极，HVE为柱状高压电极。

具体实施方式

下面结合一个实施例进一步说明本发明。

选以近球形粉末状的Cu和Al混合金属为例，尺寸范围为直径0.6～1.6mm，根据小型高压提纯机的接地柱状半径R₁为11.4cm，高压柱状电极半径R₂为1.9cm，两电极轴之间的距离L为21cm的结构参数、混合金属颗粒的半径和密度，以及接地柱状电极转速，经过计算机计算确定施加电压为70KV，将小型高压提纯机的高压直流电源开通并将高压直流电源电压调至70KV，将铜铝混合颗粒倒入小型高压提纯机的加料槽，通过加料槽的振动辅助装置，以及接地柱状电极的转动，将混合金属颗粒均匀地加到接地柱状电极表面，在高压静电场的作用下，提纯、分选，铝颗粒的相对密度较小，分选到收集槽b内，铜颗粒的密度相对较大，通过毛刷或刮板分选到收集槽a内，见图1和图5，当提纯、分选结束后，关掉高压直流电源，停止接地柱状电极的转动，分别打开小型高压提纯机的收集槽a、收集槽b的仓门，取出不同密度的金属颗粒，进行包装。

实施例1提纯后金属纯度(数量比)及品位(质量比)

金属粉末	实施例1纯度(Q.％)	实施例1品位(wt.％)
			Cu	86～91	88～93
Al	91～95	89～94

提纯、分选后，分别取出收集槽a与收集槽b的金属粉末进行纯度分析，其方法为：从收集槽a中用小药勺随机(不同位置)取出3份铜粉末，每份体积大致相等，再分别对每份用放大镜人工分离铜颗粒、铝颗粒，分离后数铜颗粒的数量n₁，取出的该份总颗粒数n，则铜的纯度为n₁/n，对每份都如此计算，然后取平均值。同时对数量为n₁的铜颗粒以及对取出的该份质量进行称量，分别为m₁和m，则铜的品位为m₁/m，对每份都如此计算，然后取平均值，该测量重复3次，得到纯度及金属品位范围。收集槽b中的铝金属粉末的纯度及品位计算方法类同，结果见表，本结果是一次提纯的结果，未经过多次反复提纯。

图1表明，是本发明实施例所采用的小型高压提纯机的结构示意图，它是由屏蔽装置1(绝缘外罩)、接地柱状电极2、电动机3、高压柱状电极4、收集槽a5(带毛刷或刮板)、高压直流电源6、加料振动辅助装置7、加料槽8、收集槽b9、挡板10组成，图1中，密度相对小的金属颗粒a11、密度相对大的金属颗粒b12、分选轨迹金属颗粒b13。

图2表明，起浮电压U_L随着颗粒密度的增大而增大。

图3表明，起浮电压U_L随着颗粒半径的增大而增大。

图4表明，起浮电压U_L随着节地柱状电极的半径增大而减小。

图5表明，铝铜混合金属颗粒在高压静电场作用下的铝和铜颗粒分选轨迹路线图。

Claims (2)

1.一种混合金属颗粒在高压静电场中提纯、分选方法，其特征是提纯、分选方法步骤如下：

a原料准备：粒径在0.1mm～3mm的两种或两种以上混合金属颗粒，该混合密度颗粒的密度(kg/m³)以一定的差异；

b加料：小型高压提纯机的高压柱状电极与0～120KV的高压直流电源接通，选择施加电压值U_A，在高压柱状电极与接地柱状电极之间形成高压静电场，然后将混合金属颗粒送入小型高压提纯机的加料槽内，在槽内有加料振动辅助装置进行振动，使混合金属颗粒能均匀地进入接地柱状电极的表面，转速范围为5～30r/min；

c收集：在高压静电场作用下，相对密度小的金属颗粒从接地柱状电极的表面飞离到小型高压提纯机的收集槽b内，而相对密度大的金属颗粒在装置毛刷或刮板的作用下脱离接地柱状电极的表面，落入收集槽a内；

d出料：当提纯、分选结束后，关掉高压直流电源，停止接地柱状电极的转动，分别打开小型高压提纯机的收集槽a、收集槽b的仓门，取出不同密度的金属颗粒，进行包装。

2.根据权利要求1所述的一种混合金属颗粒在高压静电场中提纯、分选方法，其特征是选择施加电压值U_A，U_A需满足U_L(ρ₁，r₂)＜U_A＜U_L(ρ₂，r₁)，即U_A取U_L(ρ₁，r₂)和U_L(ρ₂，r₁)之间的任一值，其中ρ₁代表相对密度小的金属颗粒的密度，ρ₂代表相对密度大的金属颗粒的密度，r₂代表待提纯的混合金属颗粒的最大粒径，r₁代表待提纯的混合金属颗粒的最小粒径，U_L代表金属颗粒的起浮电压，即单个颗粒能从接地柱状电极与高压柱状电极最短距离处的接地柱状电极表面点飞离的临界电压值，起浮电压U_L由颗粒的重力G、离心力F_w以及电场力F_q决定，当颗粒在接地柱状电极与高压柱状电极最短距离处的接地柱状电极表面点受力平衡时，即 $\stackrel{\→}{G}+{\stackrel{\→}{F}}_w+{\stackrel{\→}{F}}_q=0$ 时，起浮电压U_L可由计算机程序求得，颗粒受力公式如下：

G＝mg

F_w＝mw²R₁

Q_m＝(2π³/3)ε₀r²E

$E=\sqrt{{E_{\mathrm{qx}}}^2+{E_{\mathrm{qv}}}^2}$

$E_{\mathrm{qx}}=U_L[\frac{y_1}{{(a-h_1+x_1)}^2+y_1^2}-\frac{y_1}{{(a+h_1-x_1)}^2+y_1^2}]/\ln \frac{(h_1+a-R_1)(h_2+a-R_2)}{(R_1+a-h_1)(R_2+a-h_2)}$

$E_{\mathrm{qy}}=U_L[\frac{a-h_1+x_1}{{(a-h_1+x_1)}^2+y_1^2}-\frac{a+h_1-x_1}{(a+h_1-x_1)+y_1^2}]/\ln \frac{(h_1+a-R_1)(h_2+a-R_2)}{(R_1+a-h_1)(R_2+a-h_2)}$

F_qx＝kQ_mE_qx

F_qy＝kQ_mE_qy

式中：m为颗粒质量，w为节地柱状电极的角速度，可由转速求得，ε₀为空气介电常数，r为金属颗粒半径，k＝1.h₁＝(L²+R₁ ²-R₂ ²)/(2L)，h₂＝(L²-R₁ ²+R₂ ²)/(2L)，x₁＝ρcos()，y₁＝ρsin()，a＝(h₁ ²-R₁ ²)^1/2，R₁为接地柱状电极半径，R₂为高压柱状电极半径，L为接地柱状电极与高压柱状电极的轴间距，＝90度，通过以上公式以及计算机程序可对U_L进行计算。进而得到U_L(ρ₁，r₂)和U_L(ρ₂，r₁)，然后确定U_A。

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