废铝熔炼过程中，由于夹杂着大量轻质杂质和灰尘，许多品质好的铝材被迫降级使用，导致资源浪费和环境污染极其严重[1]，因此，在废铝熔炼之前，需要对破碎后的废铝进行分选，以便去除轻质杂质和灰尘，并针对不同大小铝块进行分级。
常用的废铝筛分设备有滚筒筛、 固定筛和振动筛[2]。其中，滚筒筛因为具有连续的筛分面积而产能较大，筛分特性稳定[3-4]，在矿类筛选、 垃圾分类等方面应用较多。
倪永春[5]设计了一种三段分级筛孔滚筒，延长了废铝原料在筒体上部的滞留时间,对废铝原料按不同大小分类，实现了对废铝原料的初级分选。苗连魁等[6]通过液压伸缩机构调整筛筒的倾角，提高了对物料的分选效率。施昱等[7]针对垃圾分类过程进行离散元仿真模拟试验，计算出滚筒筛的工作效率，并分析了转速和筛板角度对筛分效率的影响。Jahani等[8]利用离散元法研究了倾角、 振幅、 振动频率、 模拟时间和进料粒度分布等参数对筛网的筛分性能的影响。侯惠萍等[9]借助数据分析发现，废铝的比表面积对轻质杂质和灰尘产量有较大影响，应该根据不同品种废铝的比表面积分别采用不同时间周期组织生产。Alter等[10]推导出滚筒尺寸和转速的预测方程，可以对筛分效率和滚筒筛的倾角、 转速、 进料速度等进行预测分析。等直径滚筒筛结构简单，设计成本低，方便维护，用作分级分选设备较为合适[11]。
为了对破碎后的铝块去除轻质杂质和灰尘，并进行大小分级，实现按照比表面积对废铝块进行分类重熔，本文中设计一款废铝分级分选机，筛分性能以分级率和分级时间为主要指标，工艺参数主要以筛筒转速和圆孔筛倾角为代表。首先采用离散化软件EDEM进行模拟分析，然后实验研究滚筒筛的转速和圆孔筛倾角对废铝分级率和分级时间的影响，从而确定废铝分级分选机的最佳工艺参数。
1 实验
1.1 材料
实验材料选用破碎后的废杂铝块，如图1所示。
图1 破碎后的废杂铝块
Fig.1 Broken waste aluminum block
1.2 废铝分级分选一体机
废铝的分级分选一体机实物模型如图2所示，废铝分级分选一体机主要由进料机构、 滚筒筛、 小块废铝出料口、 中等废铝出料口、 大块废铝出料口和机架等组成。滚筒筛通过电机带动旋转，筛网安装位置设有可拆卸结构，可随时更换筛网[12]。滚筒筛直径为600 mm、 长度为3 000 mm，在工作过程中需要保持筛网孔通畅。
1—进料机构； 2—滚筒筛； 3—小块废铝出料口； 4—中等废铝出料口； 5—大块废铝出料口； 6—机架。
图2 废铝分级分选一体机实物模型
Fig.2 Physical model of waste aluminum classification and sorting machine
圆孔筛结构示意图如图3所示。废铝原料大多呈不规则形状，筛网选用筛分效果较好的圆孔形；筛孔分布直接影响分级效率和分级质量，筛孔按照排列孔数最多的正三角形进行排列。这样的筛网设计方案能够均匀分布筛孔间应力，延长滚筒筛的使用寿命[13-15]。
图3 圆孔筛结构示意图
Fig.3 Structure diagram of round hole screen
2 仿真试验
2.1 几何与物理建模
由于实验成本较高，故首先通过仿真分析初步优化和确定工艺参数。在EDEM仿真软件前处理阶段设置颗粒模型[16-18]。一共创建3组颗粒模型，代表三大类筛分材料，小、 中、 大颗粒的粒径范围分别为0～40、 41～60、 61～80 mm，质量分数分别为10%、 40%、 50%。颗粒模型如图4所示。颗粒模型参数如表1所示。
a)小颗粒b)中颗粒c)大颗粒图4 颗粒模型Fig.4 Particle model
表1 颗粒模型参数
Tab.1 Parameters of particle model
参数数值参数数值铝块泊松比0.34铝-铝恢复系数0.10铝块弹性模量/MPa7.2×104铝-铝静摩擦系数1.10铝块密度/(kg·m-3)3 000铝-铝滚动摩擦系数1.40钢泊松比0.3铝-钢恢复系数0.31钢弹性模量/MPa7×104铝-钢静摩擦系数0.61钢密度/(kg·m-3)7 800铝-滚动摩擦系数0.47
仿真试验结束后，通过EDEM后处理功能进行结果分析。为了便于比较，仿真时间统一设置为60 s； 由于试验目的是获取筛分机的分级率，仿真结果只统计小颗粒和中颗粒的数据。废铝分级分选一体机三维几何模型如图5所示。
图5 废铝分级分选一体机三维几何模型
Fig.5 Three dimensional geometry model of waste aluminum classification and sorting machine
2.2 结果分析
根据生产实践经验，第1组仿真试验设定筛筒转速为20 r/min，圆孔筛倾角依次设置为5°、 6°、 7°、 8°、 9°，圆孔筛倾角对分级率的影响如图6所示。由图仿真结果可知，当倾角逐渐增大，一些小颗粒会直接滑落，无法分离，使分离效率降低； 在圆孔筛倾角为6°时，中、 小颗粒的分级率都达到最高。
图6 仿真试验中圆孔筛倾角对分级率的影响
Fig.6 Effect of angle of circular hole screen on classification rate in simulation test
第2组筛分试验设定圆孔筛倾角为6°，筛筒转速依次设置为20、 25、 30、 35、 40 r/min。筛筒转速对分级率的影响如图7所示。由图仿真结果可知，由于受到离心力作用，随着筛分过程的进行，筛面孔堵塞加重，开孔率降低，因此转速越高，分级率越低；当转速为25 r/min时，小颗粒分级率最高可达100%，中颗粒分级率可达95%，因此，可在外部设置一撞击机构[19]，通过撞击产生的冲击力震落堵塞的颗粒。
图7 仿真试验中筛筒转速对分级率的影响
Fig.7 Effect of rotating speed of drum screen on classification rate in simulation test
第3组试验固定筛筒转速为25 r/min，圆孔筛倾角依次设置为4°、 5°、 6°、 7°、 8°，圆孔筛倾角对分级率和分级时间的影响如图8所示。由图可知，转速为25 r/min、倾角为6°时，小颗粒分级率达100%，中颗粒分级率约为95%，而且分级时间最短约为48 s。
a)分级率b)分级时间图8 仿真试验中圆孔筛倾角对筛分性能的影响Fig.8 Effect of angle of round hole screen on screening performance in simulation test
3 筛分实验
为了验证仿真试验结果，确定滚筒转速和圆孔筛倾角对分离率和分级时间的影响，滚筒的转速分别设为20、 30、 40 r/min时，圆孔筛倾角分别取为5°、 6°、 7°、 8°、 9°[20]，分别筛分相同质量的废铝块，滚筒转速和圆孔筛倾角对分级时间和分级率的影响如图9所示。由图9 a)可知，在同一种滚筒筛转速条件下时，随着圆孔筛倾角的增大，分级率先缓慢增大然后逐渐减小；滚筒筛的转速为25 r/min、 圆孔筛倾角为为6°时，分级率最高可达96.7%。由图9 b)可知，滚筒筛的转速为20～30 r/min时，当圆孔筛倾角为为6°时，筛分时间最短约为48 s。
a)分级率b)分级时间图9 实验中滚筒转速和圆孔筛倾角对筛分性能的影响Fig.9 Effect of rotating speed of drum screen and inclination angle of round hole screen on screening performance
筛分实验结果证明了仿真试验的可靠性；而且，在实验过程发现，筛网的长度和筛孔的孔径对分级率有一定的影响，设计合适的尺寸可以提高分级率。
4 结论
1)滚筒式分级分选一体机，不但可以对破碎后的废铝块进行分级筛分，还能去除混杂的轻质杂质以及灰尘。
2)EDEM仿真分析结果发现，滚筒式分级分选一体机的最佳工作倾角是6°，最佳工作转速为20～30 r/min。
3)经筛分实验证明，当圆孔筛的倾角为6°、 滚筒筛的转速为25 r/min时，分级率最高为96.7%，筛分时间最短为48 s。
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