廢棄PCB板電子元件高效無(wú)損綠色自動(dòng)分離技術(shù)研究*

徐清遙，呼煜超，陳子涵，鄭永昌，李 鑫，陳志軍，王玉琳

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

隨著電器電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，包含印刷電路板(Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱PCB)的電子廢棄物的數(shù)量急劇增加[1]。一方面，PCB板中含有Pb、Hg、Cr、Cd等損害人類健康的重金屬，以及PBDE(多溴聯(lián)苯醚)、PBBs(多溴聯(lián)苯)和PCBs(多氯聯(lián)苯)等有毒、有害物質(zhì)[2-3]；另一方面，PCB板中還含有一些功能完好的電子元件，以及多種稀貴金屬如Au、Ag、Pd和貴金屬Sn、Cu等[4-5]。因此，對(duì)廢棄PCB板中的電子元件進(jìn)行拆解回收并對(duì)PCB光板進(jìn)行資源化處理具有一定的經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)境意義。

目前，針對(duì)廢棄PCB板電子元件的分離回收，國(guó)內(nèi)多采用手工拆解的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，拆解效率低，元件損壞率高，損害健康，污染環(huán)境[6-9]。國(guó)外的一些自動(dòng)化分離設(shè)備只適用同一型號(hào)、同種規(guī)格的PCB板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，不適合本國(guó)國(guó)情[10-12]。宋守許等[13]和王玉琳等[14]分別公開(kāi)了一種“可將廢舊電路板元件進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化整體拆除的設(shè)備”和“一種從廢棄印刷電路板上分離元件和焊料的方法”，實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：①PCB板的焊接面會(huì)粘走部分焊料，從而使得昂貴的焊料逐漸被消耗；②PCB板上仍有一些大型電子元件在加熱過(guò)程中需要手工摘除，且存在電容元件爆炸的危險(xiǎn)；③當(dāng)PCB板面積較小時(shí)，元件分離效果差；④單面板易破碎，元件易損壞；⑤元件、碎板和焊料到處亂濺，清理困難；⑥拆解裝置容易出現(xiàn)故障，零部件磨損快。另外，目前國(guó)內(nèi)鮮有文獻(xiàn)研究含有電子元件的廢棄PCB板在回收拆解過(guò)程中的二次污染問(wèn)題，高溫拆解所排放的煙氣若不加以適當(dāng)治理，將會(huì)損害操作者的健康并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

鑒于上述分析，為彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，筆者研發(fā)了一種自動(dòng)化程度高、電子元件損壞率低、焊料回收純度高、不會(huì)造成環(huán)境污染的廢棄PCB板電子元件高效無(wú)損綠色自動(dòng)分離設(shè)備。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

廢棄PCB板電子元件無(wú)損自動(dòng)分離設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整套設(shè)備呈“一”字排列，從左到右依次為送料裝置1、加熱裝置2、分離裝置3和出料裝置4。送料裝置1和出料裝置4均為皮帶傳輸機(jī)，帶有電子元件的PCB板經(jīng)由送料裝置1落料至加熱裝置2中對(duì)焊接面進(jìn)行升溫，再由分離裝置3對(duì)電子元件進(jìn)行分離，所產(chǎn)生的PCB光板和電子元件在出料裝置4中由處在不同高度層面上的傳輸皮帶分別轉(zhuǎn)運(yùn)出料。

1.送料裝置 2.加熱裝置 3.分離裝置 4.出料裝置圖1 分離設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1和圖2所示，加熱裝置2是在錫爐架5上支撐一臺(tái)溫度可調(diào)的錫爐6，錫爐6內(nèi)盛Sn63A焊料；在錫爐6與分離裝置3之間的位置上設(shè)置第一轉(zhuǎn)軸8，在第一轉(zhuǎn)軸8上呈懸伸掛接料框7，利用步進(jìn)電機(jī)9的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)軸8帶動(dòng)料框7在豎直平面內(nèi)翻轉(zhuǎn)，使料框7轉(zhuǎn)動(dòng)至錫爐6所在一側(cè)，并以承料狀態(tài)懸置于錫爐6中用于承接送料裝置1的來(lái)料，或使料框7翻轉(zhuǎn)至分離裝置3的上方用于向分離裝置3中落料；在料框7與第一轉(zhuǎn)軸8之間設(shè)置有1°的可轉(zhuǎn)動(dòng)量。

如圖2、圖5a和圖5b所示，分離裝置3是將底部開(kāi)孔的半球形不銹鋼容器16放置在可豎向振動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)17上，并能夠隨振動(dòng)臺(tái)17產(chǎn)生振動(dòng)，在不銹鋼容器16的兩側(cè)連接有支撐臂24，支撐臂24的另一端固定設(shè)置在第二轉(zhuǎn)軸15上，利用由交流伺服電機(jī)13驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的第二轉(zhuǎn)軸15帶動(dòng)支撐臂24在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使不銹鋼容器16放置在振動(dòng)臺(tái)17上或翻轉(zhuǎn)至出料裝置4的一側(cè)落料；交流伺服電機(jī)13不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其轉(zhuǎn)軸為自由狀態(tài)，保證不銹鋼容器16在豎直方向上的振動(dòng)；振動(dòng)臺(tái)17利用彈簧25支撐在振動(dòng)臺(tái)基座29上，由對(duì)稱設(shè)置在兩側(cè)的振動(dòng)電機(jī)18驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)17產(chǎn)生豎向振動(dòng)；為了避免沖擊，在振動(dòng)臺(tái)17的頂面設(shè)有球窩狀的中間帶有通孔的橡膠墊26，不銹鋼容器16在振動(dòng)過(guò)程中置于橡膠墊26上，并且與球窩相吻合，利用橡膠墊26可以有效避免沖擊，降低噪音。在振動(dòng)臺(tái)17中、位于不銹鋼容器16的下方、且朝向出料裝置4所在一側(cè)呈傾斜設(shè)置不銹鋼振動(dòng)篩27，在振動(dòng)篩27的下方設(shè)置焊料收集盤28，振動(dòng)篩27的出料口與出料裝置4相接。

如圖1所示，出料裝置4包括上層傳輸皮帶和下層傳輸皮帶，不銹鋼容器16在出料裝置4中上層傳輸皮帶上落料，振動(dòng)篩27的出料口與出料裝置4中的下層傳輸皮帶相接。

如圖2、圖3、圖4a和圖4b所示，為了對(duì)不銹鋼容器16在頂部進(jìn)行封閉，在不銹鋼容器16的上方配套設(shè)置可自動(dòng)啟閉的不銹鋼蓋14，不銹鋼蓋14是以立柱12為支撐，并有旋轉(zhuǎn)臂10與立柱12利用第一銷軸23相互鉸接形成剪刀叉結(jié)構(gòu)，在立柱12的頂部鉸接安裝有驅(qū)動(dòng)氣缸11，驅(qū)動(dòng)氣缸11的活塞桿端與旋轉(zhuǎn)臂10的尾端利用第二銷軸30進(jìn)行鉸接，利用活塞桿的伸縮驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂10在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)臂10的前端安裝直線軸承20，直線軸承20的下端通過(guò)萬(wàn)向球21與不銹鋼蓋14聯(lián)接；直線軸承20和萬(wàn)向球21有效保證了在振動(dòng)過(guò)程中不銹鋼蓋14與不銹鋼容器16之間保持為吻合，在立柱12的不同高度上分別設(shè)置上限位擋臺(tái)和下限位擋臺(tái)，在上限位擋臺(tái)和下限位擋臺(tái)的臺(tái)面上均設(shè)置有緩沖墊22，以使旋轉(zhuǎn)臂10的轉(zhuǎn)動(dòng)得到限位保護(hù)，并在緩沖墊22上得到有效緩沖，避免形成撞擊。

5.錫爐架 6.錫爐 7.料框 8.第一轉(zhuǎn)軸 9.步進(jìn)電機(jī) 10.旋轉(zhuǎn)臂 11.驅(qū)動(dòng)氣缸 12.立柱 13.交流伺服電機(jī) 14.不銹鋼蓋 15.第二轉(zhuǎn)軸 16.不銹鋼容器 17.振動(dòng)臺(tái) 18.振動(dòng)電機(jī) 19.機(jī)座 29.振動(dòng)臺(tái)基座

當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣缸11的活塞桿伸長(zhǎng)至最大行程時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂10帶動(dòng)不銹鋼蓋14抬升，并在上限位擋臺(tái)上得到限位，此時(shí)即可對(duì)不銹鋼容器16進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，抬起的不銹鋼蓋14避免了對(duì)不銹鋼容器16翻轉(zhuǎn)過(guò)程的干擾；當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣缸11的活塞桿回縮至最小行程時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂10帶動(dòng)不銹鋼蓋14落下，并在下限位擋臺(tái)上得到限位，此時(shí)不銹鋼蓋14與置于振動(dòng)臺(tái)17上的不銹鋼容器容器16相吻合，實(shí)現(xiàn)對(duì)不銹鋼容器的封閉。

圖2中，在振動(dòng)臺(tái)基座29的外圍設(shè)置機(jī)座19，利用機(jī)座19對(duì)第一轉(zhuǎn)軸8和第二轉(zhuǎn)軸15進(jìn)行支撐。

10.旋轉(zhuǎn)臂 11.驅(qū)動(dòng)氣缸 12.立柱 14.不銹鋼蓋 20.直線軸承21.萬(wàn)向球 22.緩沖墊 23.第一銷軸 30.第二銷軸

(a) 俯視圖 (b) 側(cè)視圖

(a) 三維圖 (b) 俯視圖

2 設(shè)備工作原理

廢棄PCB板電子元件無(wú)損自動(dòng)分離設(shè)備的工作原理如下(結(jié)合圖1和圖2)：

(1)針對(duì)待拆解PCB板進(jìn)行預(yù)處理，去除其中的鉚接件和螺紋連接件等非焊接連接元件；

(2)啟動(dòng)加熱裝置2，使錫爐6中的Sn63A焊料保持為熔融狀態(tài)，控制焊料溫度在290 ℃～310 ℃；

(3)控制步進(jìn)電機(jī)9使得料框7位于錫爐6的上方，并且在左端向上傾斜5°，控制驅(qū)動(dòng)氣缸11使得不銹鋼蓋14抬起；

汽車金融是指與汽車研發(fā)、生產(chǎn)以及銷售等環(huán)節(jié)提供資金融通等相關(guān)金融服務(wù)。我國(guó)汽車金融起步較晚，但發(fā)展速度較快。自上世紀(jì)90年代初，汽車消費(fèi)信貸在我國(guó)首次出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，截至2016年底，我國(guó)汽車金融市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)11479億元，在4S店汽車銷售過(guò)程中金融滲透率已超過(guò)40%，由此可見(jiàn)汽車金融在我國(guó)汽車行業(yè)中已占據(jù)了重要地位。

(4)待拆解PCB板以元件面朝上、焊接面朝下，放置在送料裝置1的傳輸皮帶上，由間歇式送料的傳輸皮帶將待拆解的PCB板通過(guò)送料裝置1進(jìn)行送料，并保持以元件面朝上、焊接面朝下滑落在料框7中，利用步進(jìn)電機(jī)9控制料框7在焊料中的高度，使得PCB板漂浮在焊料液面上，焊接面與焊料相接觸；

(5)在設(shè)定的加熱時(shí)間達(dá)到時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)9，使得料架7將加熱后的待拆解PCB板從焊料中撈起；在撈起的過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)9控制第一轉(zhuǎn)軸8的轉(zhuǎn)動(dòng)是以正轉(zhuǎn)和反正交替進(jìn)行，利用其正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)軸8的轉(zhuǎn)動(dòng)，利用其反轉(zhuǎn)使第一轉(zhuǎn)軸8在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成抖動(dòng)，利用料框7與第一轉(zhuǎn)軸8之間設(shè)置的1度的可轉(zhuǎn)動(dòng)量放大料框7的抖動(dòng)幅度，使撈起的待拆解PCB板中熔融態(tài)的焊料在第一時(shí)間被抖落；

(6)翻轉(zhuǎn)的料框7將加熱后的PCB板以元件面朝下、焊接面朝上投入不銹鋼容器16中，完成翻轉(zhuǎn)卸料，在不銹鋼容器16上加蓋不銹鋼蓋14，隨后啟動(dòng)振動(dòng)電機(jī)18使不銹鋼容器16處于振動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)不銹鋼容器16中PCB板電子元件的分離；完成翻轉(zhuǎn)卸料后的料框7在步進(jìn)電機(jī)9的控制下快速?gòu)?fù)位在錫爐6上方，并以料框7接受后續(xù)來(lái)自送料裝置1的待拆解的PCB板，使得對(duì)于PCB板的加熱和拆解分離分處在加熱裝置1和分離裝置3中同時(shí)進(jìn)行；

(7)在不銹鋼容器16中被分離電子元件和細(xì)碎焊料掉落在振動(dòng)篩27上，其中的細(xì)碎焊料進(jìn)一步通過(guò)振動(dòng)篩27的網(wǎng)眼落入焊料收集盤28得到收集；其中的電子元件由傾斜的振動(dòng)篩27推送到出料裝置4的下層傳輸皮帶上，實(shí)現(xiàn)電子元件的出料；

(8)在設(shè)定的振動(dòng)時(shí)間達(dá)到時(shí)，停止振動(dòng)電機(jī)18，驅(qū)動(dòng)氣缸11動(dòng)作，揭開(kāi)不銹鋼蓋14，隨后，交流伺服電機(jī)13工作，不銹鋼容器16翻轉(zhuǎn)到出料裝置4所在一側(cè)，使分離出的PCB光板落料在出料裝置4的上層傳輸皮帶上，實(shí)現(xiàn)PCB光板的出料；

(9)利用交流伺服電機(jī)13使不銹鋼容器16回復(fù)在置于振動(dòng)臺(tái)上的狀態(tài)，按相同的方式重復(fù)下一循環(huán)工作。

對(duì)于分離過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵和有毒、有害氣體，可以通過(guò)收集和處理實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。上述相關(guān)過(guò)程是在控制系統(tǒng)的支配下自動(dòng)完成的，實(shí)現(xiàn)廢棄PCB板電子元件的無(wú)損自動(dòng)分離。

3 排放尾氣治理

PCB板的拆解過(guò)程需要在300 ℃左右的高溫下進(jìn)行，此時(shí)PCB基板、焊點(diǎn)和各種電子元件均會(huì)釋放大量的煙氣，這些氣體排放物刺激性大、有毒、有害，甚至致癌，若不加以治理，將會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染[1,15-17]。為了滿足廢棄PCB產(chǎn)業(yè)化的綠色拆解需要，筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)PCB板熱拆解過(guò)程氣體排放物進(jìn)行收集、檢測(cè)和分析，提出一種切實(shí)可行的治理方法。

圖6為PCB板回收拆解過(guò)程中氣體排放物的治理流程[1]，主要包括以下幾個(gè)步驟：

(1)將待處理的氣體排放物通過(guò)活性炭吸附設(shè)備，濾除其中的固體粉塵、重金屬顆粒、部分無(wú)機(jī)非金屬氧化物以及部分有機(jī)氣體等?；钚蕴克降墓腆w粉塵包括灰塵、玻璃纖維、碳酸鈣、阻燃劑等，重金屬顆粒包括Sn、Sb、Pb、Hg、Cd、Cr等，部分無(wú)機(jī)非金屬氧化物包括SO2、NO2等，部分有機(jī)氣體包括丙酮、苯酚等[15]。

(2)將活性炭吸附過(guò)的廢氣通入噴淋塔，使之與噴淋塔中的堿性凈化液進(jìn)行接觸反應(yīng)。噴淋塔的作用是去除氣體排放物中的無(wú)機(jī)非金屬氧化物和鹵族元素物質(zhì)，包括含有S、N等元素的氧化物，以及含有Cl、Br等元素的的鹵化物等[16]。

(3)將噴淋塔排出的廢氣通入高溫燃燒設(shè)備進(jìn)行充分燃燒，直至排出無(wú)污染的氣體。燃燒溫度不低于800 ℃，燃燒的氣體是包括含C、H、O元素的烷/烯/烴類物質(zhì)、苯類物質(zhì)、苯酚類物質(zhì)，以及呋喃和二噁英等有機(jī)物，其特點(diǎn)是成分復(fù)雜，但可燃燒，且熱值高；最后，由高溫燃燒設(shè)備排放符合GB16297-1996的氣體[17]。

上述操作流程中，為了保持整個(gè)裝置的有效性，活性炭顆粒和噴淋塔中所使用的凈化液需要定期進(jìn)行更換。

圖6 廢棄PCB回收拆解過(guò)程中氣體排放物的治理流程

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7為本分離設(shè)備所配控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖[1]?？刂葡到y(tǒng)的CPU選用MCS-51系列高性能的AT89C52型微控制器，晶振頻率采用24 MHz。系統(tǒng)的底層程序存放在EPROM芯片27C512中，用戶編制的脫焊分離程序存儲(chǔ)在具有掉電保護(hù)功能的SRAM芯片6264中。系統(tǒng)的“人-機(jī)”接口由鍵盤-顯示芯片8279來(lái)管理。送料步進(jìn)電機(jī)、出料伺服電機(jī)和錫爐通電加熱固態(tài)繼電器采用并行接口芯片8255來(lái)控制。選擇Pt100傳感器來(lái)檢測(cè)液態(tài)焊錫的實(shí)時(shí)溫度，配套運(yùn)算放大器OP07將采集的電壓送給A-D轉(zhuǎn)換器ADC0809，從而完成“溫度→數(shù)字”的轉(zhuǎn)換。CPU輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)串行D-A轉(zhuǎn)換器MAX517轉(zhuǎn)換成模擬電壓，配套交流變頻器控制兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)頻率。不銹鋼蓋的抬起/降落、不銹鋼蓋與不銹鋼容器的啟/閉以及抽煙、除塵、凈化電機(jī)的啟/停，均由CPU驅(qū)動(dòng)繼電器-接觸器實(shí)現(xiàn)。另外，CPU尚需接受操作面板、開(kāi)關(guān)及按鈕等的信號(hào)。

圖7 廢棄PCB板電子元件分離設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 元件分離實(shí)驗(yàn)

針對(duì)Acer品牌電腦主板，在筆者所研發(fā)的自動(dòng)分離設(shè)備上進(jìn)行了電子元件的批量拆解實(shí)驗(yàn)。錫爐中的焊錫選擇牌號(hào)為Sn63A的Sn-Pb合金，液態(tài)焊錫的加熱溫度控制在(300 ± 5) ℃，PCB板焊接面在液態(tài)焊錫表面的加熱時(shí)間設(shè)定為25 s。雙振動(dòng)電機(jī)的兩個(gè)偏心塊之間的夾角調(diào)整到15°左右，使得振動(dòng)臺(tái)的振幅在15 mm左右；通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率為25 Hz，使得振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為720 r/min，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率為12 Hz；設(shè)定振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)時(shí)間為7 s。圖8為Acer電腦主板的電子元件拆解效果。其中，焊接面引腳沒(méi)有彎曲的主板，電子元件的拆除率可達(dá)98%；焊接面引腳有彎曲且表面灰塵較多的主板，電子元件的拆除率在90% ～93%之間，電子元件的損壞率不超過(guò)5%。

圖8 Acer電腦主板的電子元件分離效果

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，筆者所研發(fā)的這種廢棄PCB板電子元件自動(dòng)分離設(shè)備已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，且已在國(guó)內(nèi)多條家電拆解線投入使用。來(lái)自一線的拆解實(shí)踐表明，該裝備具有高效、安全、可靠、節(jié)能與環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)有關(guān)部門檢測(cè)，該設(shè)備運(yùn)行過(guò)程達(dá)到以下指標(biāo)：

(1)適應(yīng)400 mm×400 mm×2 mm以內(nèi)的電腦、顯示器、彩電、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)等家用電器以及數(shù)控裝置等工業(yè)電器的各種單面或雙面PCB板。

(2)處理溫度可達(dá)320 ℃，設(shè)備總功率低于8 kW，處理速度大于180塊/ h。

(3)PCB板上電子元件的自動(dòng)分離率達(dá)到90%以上。

(4)電子元件的損壞率不超過(guò)5%。

(5)達(dá)到國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB16297-1996規(guī)定的污染物排放要求和GB1234-90規(guī)定的噪聲治理要求。