廢舊磷酸鐵鋰電池破碎產(chǎn)物旋振篩分仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

朱華炳, 湯 晨, 唐陳樂(lè), 陳 東, 柏宇軒, 畢海軍

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

因?yàn)榇罅繌U舊磷酸鐵鋰動(dòng)力電池報(bào)廢期的到來(lái),所以其資源化回收越來(lái)越受到重視。目前對(duì)廢舊動(dòng)力電池回收方法主要分為干法回收、濕法回收及聯(lián)合法回收。這3種方法均會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染且能耗較大[1]。因此,需要尋求出一種成本低、環(huán)境污染小的回收方式。本文采取機(jī)械回收方式,首先對(duì)磷酸鐵鋰電池物理放電處理后進(jìn)行拆解去芯,取出內(nèi)芯后分離正、負(fù)極片,對(duì)負(fù)極片加熱處理后進(jìn)行破碎處理;然后采用旋振篩分的方式,將負(fù)極片的銅和碳粉分離,并對(duì)其回收。

篩分作業(yè)在化工、冶金、礦業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,是目前物料粒度分級(jí)中最廣泛有效的方法,它是通過(guò)單層或者多層的篩孔,將松散的混合物料分成若干種不同粒度級(jí)產(chǎn)品。本文采用旋振篩進(jìn)行篩分,使得物料顆粒始終處于翻滾的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),更加松散,易于顆粒分層和分離,并且篩分效率也高于其他振動(dòng)篩。

目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都用篩分效率評(píng)價(jià)篩分物料的分離程度,因此提高篩分效率一直是提高旋振篩性能的核心目標(biāo)之一[2-5]。本文為了提高廢舊動(dòng)力電池破碎產(chǎn)物回收的效率,利用EDEM軟件對(duì)旋振篩分過(guò)程進(jìn)行仿真分析,采用正交仿真實(shí)驗(yàn)探究振動(dòng)頻率、料層厚度、偏心塊夾角對(duì)篩分效率的影響,并且通過(guò)旋振篩分試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,最后證實(shí)了EDEM軟件仿真模擬的可行性與有效性。

1 篩分效率的計(jì)算

本文在進(jìn)行篩分效率求解的過(guò)程中,采用目前廣泛使用的量效率公式和漢考克效率。在仿真和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,選定篩孔孔徑為規(guī)定粒度,采用量效率公式,即不考慮粒度大于篩孔孔徑的物料透篩情況[6]。

篩分效率是指實(shí)際進(jìn)入篩下產(chǎn)物的質(zhì)量與整個(gè)物料中所含篩下物的質(zhì)量的比值,即

(1)

其中:η為篩分效率;mscr為篩下產(chǎn)品的含量;min為篩分機(jī)下料量;α為整個(gè)物料中小于篩孔孔徑的顆粒含量。由平衡關(guān)系可得:

min=mscr+mres,

整理得:

(2)

將(1)式代入(2)式,可得:

(3)

其中:θ為篩上物中小于篩孔孔徑的顆粒含量;mres為篩上物的質(zhì)量。

2 仿真模擬

2.1 仿真參數(shù)的選擇

本文仿真的對(duì)象是廢舊磷酸鐵鋰電池負(fù)極片破碎后的銅箔和碳粉。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究,顆粒形狀對(duì)篩分振動(dòng)參數(shù)與篩分效果的影響并不顯著；同時(shí),選擇形狀不規(guī)則的入料顆粒,對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件要求較高,并且耗時(shí)較大。因此本文采用球形顆粒作為物料顆粒的模型,不僅可以簡(jiǎn)化仿真,而且可以指導(dǎo)實(shí)際篩分過(guò)程,不會(huì)對(duì)篩分結(jié)果產(chǎn)生大的影響。查閱資料得到銅、碳和篩面(結(jié)構(gòu)鋼)的物理參數(shù)及材料間接觸參數(shù)設(shè)置，具體見(jiàn)表1、表2所列。

設(shè)置篩面直徑為200 mm,篩孔直徑為2 mm,因?yàn)槠扑楹筱~的延展性較好,所以顆粒材料為碳的顆粒設(shè)置直徑為1 mm,顆粒材料為銅的顆粒設(shè)置直徑為3 mm。破碎后的產(chǎn)物具有不均勻性,顆粒粒度大小不一,因此在顆粒工廠中以正態(tài)分布的形式產(chǎn)生顆粒,進(jìn)一步滿足實(shí)際情況。在旋振篩的正上方建立虛擬平面作為顆粒工廠,由于顆粒產(chǎn)生至落到篩面上需要時(shí)間,設(shè)置顆粒下降速度為0.2 m/s,顆粒在篩面振動(dòng)前全部下落到篩面上。設(shè)置顆粒工廠產(chǎn)生顆粒的速率為104個(gè)/s,仿真總時(shí)長(zhǎng)為6 s。EDEM軟件中無(wú)法改變模型的位置,為了讓仿真能夠更加滿足實(shí)際情況,在SolidWorks中建立模型時(shí),根據(jù)偏心塊夾角的不同,需要讓篩面的X軸正方向與水平面成一定角度,并且篩面質(zhì)心要與SolidWorks坐標(biāo)原點(diǎn)成一定距離而建立。因此不同的偏心塊夾角仿真所用到的模型不同,需要分別在SolidWorks中建立模型,保存為STEP格式導(dǎo)入EDEM軟件中。振動(dòng)頻率和物料厚度的調(diào)整可以通過(guò)軟件內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置來(lái)完成。

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 旋振篩模型簡(jiǎn)化與建立

旋振篩主要由上篩體、篩網(wǎng)、下篩體、彈簧、偏心重錘、底座、電機(jī)組成,如圖1所示。由于完整的三維模型較為復(fù)雜,在對(duì)整體分析影響不大且大大提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率的情況下,對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:① 略去不影響強(qiáng)度的非承載件和不參與直接作業(yè)的零件;② 忽略影響不大的工藝孔、螺栓安裝孔等,避免小零件的存在對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件提出較高的要求[8]。

圖1 旋振篩三維模型

2.2.2 旋振篩有限元模型

在SolidWorks中建立旋振篩的三維模型,以x-t格式導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行有限元分析。旋振篩材料選擇結(jié)構(gòu)鋼,密度設(shè)置為7 850 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。采用實(shí)體單元對(duì)旋振篩進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示,旋振篩生成193 172個(gè)單元,得到427 379個(gè)節(jié)點(diǎn),根據(jù)旋振篩實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),采用固定約束模態(tài),設(shè)置簡(jiǎn)化后的旋振篩的底面作為固定面進(jìn)行分析求解。

圖2 旋振篩有限元模型

2.2.3 旋振篩模態(tài)分析

在機(jī)器工作過(guò)程中,當(dāng)其工作頻率與旋振篩結(jié)構(gòu)固有頻率相同或者相似的時(shí)候,旋振篩就會(huì)發(fā)生共振,應(yīng)力值和相對(duì)振動(dòng)幅值會(huì)大大增加,極有可能遭到局部疲勞破碎,這是應(yīng)該避免的[9]。本文對(duì)旋振篩進(jìn)行模態(tài)分析,找出旋振篩的模態(tài)頻率,在仿真中選取合適的振動(dòng)頻率,探究振動(dòng)頻率對(duì)旋振篩篩分效率的影響,得到旋振篩前4階模態(tài)頻率為65.97、84.33、136.13、137.66 Hz,振型圖如圖3所示。

圖3 模態(tài)振型圖

從圖3可以看出,隨著振型階數(shù)的增加,旋振篩模態(tài)頻率逐漸增加,最低階頻率為65.967 Hz,最高頻率為137.66 Hz。在一階、三階、四階模態(tài)振型,篩體不會(huì)發(fā)生變形,在二階模態(tài)振型上篩體的頂端會(huì)發(fā)生一定的變形,對(duì)實(shí)際篩分影響沒(méi)那么大,而在一至四階模態(tài)振型中,篩網(wǎng)都會(huì)發(fā)生變形,由此可以看出篩網(wǎng)對(duì)避免共振帶來(lái)的影響更為重要,需要選取合適的篩網(wǎng)材料減小篩網(wǎng)的變形。同時(shí)為了使篩分效果更好,優(yōu)先需要選取遠(yuǎn)離最低階頻率65.967 Hz的振動(dòng)頻率,本文暫時(shí)選取16、20、24 Hz作為仿真實(shí)驗(yàn)旋振篩的振動(dòng)頻率。

2.3 仿真過(guò)程及結(jié)果分析

2.3.1 單因素變量法

在旋振篩篩分作業(yè)的過(guò)程中,影響篩分效率主要有振動(dòng)頻率、物料厚度和偏心塊夾角3個(gè)因素。為了探究這3個(gè)因素對(duì)篩分效率的影響,本文針對(duì)振動(dòng)頻率、物料厚度和偏心塊夾角3個(gè)因素進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變1個(gè)因素的參數(shù),保持另外2個(gè)因素參數(shù)不變的控制變量法,對(duì)3個(gè)因素進(jìn)行仿真。

(1) 振動(dòng)頻率對(duì)篩分效率的影響。振動(dòng)頻率取8、12、16、20、24 Hz 5組參數(shù),物料厚度取7 mm,偏心塊夾角取0°,對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行5組仿真,并通過(guò)MATLAB軟件繪制出篩分效率隨著振動(dòng)頻率變化的折線圖,如圖4a所示。

(2) 物料厚度對(duì)篩分效率的影響。物料厚度取5、6、7、9、11 mm 5組參數(shù),振動(dòng)頻率取12 Hz,偏心塊夾角取0°,對(duì)物料厚度進(jìn)行5組仿真,并通過(guò)MATLAB軟件繪制出篩分效率隨著物料厚度變化的折線圖,如圖4b所示。

(3) 偏心塊夾角對(duì)篩分效率的影響。偏心塊夾角取0°、30°、45°、60°、90° 5組參數(shù),振動(dòng)頻率取12 Hz,物料厚度取7 mm,對(duì)偏心塊夾角進(jìn)行5組仿真,并通過(guò)MATLAB軟件繪制出篩分效率隨著偏心塊夾角變化的折線圖,如圖4c所示。

圖4 不同因素對(duì)篩分效率的影響

從圖4可以看出:隨著振動(dòng)頻率的增加,篩分效率先提高后降低;隨著物料厚度的增加,篩分效率先提高后降低;隨著偏心塊夾角的增加,篩分效率先提高后降低。

2.3.2 正交實(shí)驗(yàn)

采用單因素變換法可以得到某個(gè)因素對(duì)篩分效率的影響,但無(wú)法得到各個(gè)因素對(duì)篩分效率的影響程度。因此采用正交實(shí)驗(yàn)的方法,選擇9-3-3正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行仿真,因素水平見(jiàn)表3所列。

表3 因素水平

實(shí)驗(yàn)分為9組,每組按照不同的參數(shù)設(shè)置分別進(jìn)行仿真,建立一個(gè)Grid Bin Group的模塊,如圖5所示,實(shí)時(shí)記錄在此空間范圍的碳粒質(zhì)量,仿真結(jié)束后,計(jì)算對(duì)應(yīng)的篩分效率。

圖5 仿真模擬過(guò)程

2.3.3 正交實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所列。

觀察9組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)1的篩分效率最高,而實(shí)驗(yàn)7的篩分效率最低。為了從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到各因素對(duì)篩分效率的影響程度,使用正交助手軟件對(duì)仿真得到的9組數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 極差分析結(jié)果

從振動(dòng)頻率、物料厚度和偏心塊夾角3個(gè)因素的極差分析結(jié)果可以看出,振動(dòng)頻率的極差最大,這表明振動(dòng)頻率對(duì)于振動(dòng)篩分的影響最大,物料厚度次之,而偏心塊夾角對(duì)于振動(dòng)篩分的影響最小。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)原料采用實(shí)驗(yàn)室破碎機(jī)對(duì)磷酸鐵鋰電池負(fù)極片破碎后的產(chǎn)物,采用實(shí)驗(yàn)室頻率為12 Hz的小型旋振篩,偏心塊夾角為0°,用精密電子天平稱取仿真中5、6、7、9、11 mm對(duì)應(yīng)的物料質(zhì)量,放入旋振篩中進(jìn)行振動(dòng)篩分,試驗(yàn)結(jié)束后,再稱量篩下物的質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，并計(jì)算出篩分效率,結(jié)果見(jiàn)表6所列。

將篩分效率繪制成折線圖,如圖7所示。從圖7可以看出,隨著物料厚度的增加,實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和仿真得到的數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這是由于物料厚度過(guò)大,顆粒間不易松散,容易堵塞篩孔,導(dǎo)致篩分效率降低。

從表6和圖7可以看出,由于實(shí)驗(yàn)中的誤差,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)有所差異,但是差異都在5%以內(nèi),并且整體趨勢(shì)相同。因此,用EDEM軟件對(duì)旋振篩分進(jìn)行仿真模擬是可行的。

圖6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

表6 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 振動(dòng)頻率決定著物料顆粒在篩分過(guò)程中的跳動(dòng)頻率和與篩面碰撞的次數(shù)。振動(dòng)頻率較低或者較高都會(huì)導(dǎo)致篩分效率低。因此需要選擇合適的振動(dòng)頻率來(lái)獲得更好的篩分效果。

(2) 隨著物料厚度的增大,篩分效率會(huì)有所提高;但隨著物料厚度繼續(xù)增加,顆粒間不易松散,容易堵塞篩孔,篩分效率降低。因此選擇合適的物料厚度對(duì)于獲得最高篩分效率也有很大的影響。

(3) 偏心塊夾角是上下偏心塊的空間相位角,偏心塊夾角不同,會(huì)產(chǎn)生不同的激振力,在0°～45°之間,篩分效率隨著偏心塊夾角的增大而提高;在45°～90°之間,篩分效率隨著偏心塊夾角的增加而降低。

(4) 結(jié)合EDEM仿真結(jié)果和正交實(shí)驗(yàn)分析得知,3個(gè)影響因素中振動(dòng)頻率的影響是最大的,其次是物料厚度,而偏心塊夾角影響最小。這為旋振篩的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

(5) 仿真模擬與試驗(yàn)所得到的篩分效率隨物料厚度變化圖基本一致,這表明了利用EDEM軟件進(jìn)行仿真模擬的可行性和有效性。