废弃电路板湿法破碎粒度特性研究.pdf

第3 7 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．1 2 0 0 8 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 8 废弃电路板湿法破碎粒度特性研究 段晨龙1 ，赵跃民1 ，叶璀玲1 ，石常省2 ，张洪建3 1 ．中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．华北科技学院环境系，北京1 0 1 6 0 1 ； 3 ．中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要为解决干法破碎过程中粉尘等的二次污染，采用以水为介质的湿法冲击式破碎机对废弃 电路板进行破碎研究．探讨了破碎机理，分析了破碎机锤头类型、锤头转速和进水流量对破碎产 物粒度分布的影响．提出了废弃电路板湿法破碎产品粒度分布的双罗辛一拉姆勒 D R R 函数，应 用O r i g i n7 ．0 软件自定义D R R 函数对1 8 种不同条件下得到的废弃电路板筛上累积产率曲线进 行非线性拟合，相关性系数R 2 均大于0 ．9 9 9 ，且残差E 值较小．说明用D R R 函数描述该粒度分 布，表现出良好的收敛特性，且拟合误差较小．采用D e s i g nE x p e r t6 ．0 ．8 软件建立了D R R 分布 函数中各个参数与操作参数之间的关系，为废弃电路板的湿法高效冲击破碎提供了基础． 关键词废弃电路板；湿法冲击破碎；粒度分布；非线性拟合 中图分类号T D9 2 2 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 1 0 0 8 8 0 5 R e s e a r c ho nt h eC h a r a c t e r i s t i c so fS i z eD i s t r i b u t i o no f W e t ．．C r u s h e dD i s c a r d e dP r i n t e dC i r c u i tB o a r d s D U A NC h e n l o n 9 1 ，Z H A OY u e - m i n l ，Y EC u i l i n 9 1 ， S H IC h a n g - s h e n 9 2 ，Z H A N GH o n g - ji a n 3 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 111 6 ，C h i n a ；2 ．D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n t ， N o r t hC h i n aI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 1 6 0 1 ，C h i n a ；3 ．S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n d S p a t i a lI n f o r m a t i c s ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t Aw e ti m p a c t i n gc r u s h e rw a su s e dt oa c h i e v ec o m b i n a t i o nl i b e r a t i o no ft h ep r i n t e d c i r c u i tb o a r d s P C B i naw a t e rm e d i u mt os o l v et h ep r o b l e mo fs e c o n d a r yp o l l u t i o nf r o md u s t e t cg e n e r a t e dd u r i n gt h ec r u s h i n gp r o c e s s ．T h ec r u s h i n gm e c h a n i s mw a sa n a l y z e d ．T h ee f f e c t s o fh a m m e r h e a ds t y l e ，r o t a t i o ns p e e d ，a n di n l e tw a t e rv o l u m eo np a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nw e r e i n v e s t i g a t e d ．AD o u b l e R o s i n - R a m m l e r D R R d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n o fp a r t i c l e sf r o mw e t c r u s h e dP C Bw a sd e v e l o p e d ．T h e18c u r v e so fc u m u l a t i v ew e i g h t p e r c e n t a g eo v e r s i z ew e r ef i t n o n - l i n e a r l yb yas e l f - d e f i n i n gD R Rf u n c t i o nu s i n gO r i g i n7 ．0 ．T h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so f t h ef i tc u r v e sa r el a r g e rt h a n0 ．9 9 9 ，a n dt h er e s i d u a l sa r es m a l l ．T h i ss h o w st h a taD R Rf u n c t i o nc a na c c u r a t e l yd e s c r i b et h es i z ed i s t r i b u t i o no fP C Bp a r t i c l e s ．D e s i g nE x p e r t6 ．0 ．8w a s u s e dt oe s t a b l i s har e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eD R Rd i s t r i b u t i o nf u n c t i o np a r a m e t e r sa n dt h eo p e r a t i n gv a r i a b l e s ，w h i c hp r o v i d e sab a s i sf o rt h eh i g h l y e f f e c t i v ew e tc r u s h i n go fP C B ． K e yw o r d s d i s c a r d e dp r i n t e dc i r c u i tb o a r d s ；w e ti m p a c tc r u s h i n g ；s i z ed i s t r i b u t i o n ；n o n - l i n e a r f i t 收稿日期2 0 0 7 一0 6 一0 1 基金项目国家自然科学基金重点项目 9 0 2 1 0 0 3 5 ；国家自然科学基金项目 5 0 5 7 4 0 9 4 作者简介段晨龙 1 9 7 8 一 ，男，内蒙古自治区太仆寺旗人，讲师，博士，从事矿物加工工程及固体废弃物处理方面的研究． E - m a i l l l a o d u a n 1 2 6 ．c o mT e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 5 0 5 万方数据 第1 期段晨龙等废弃电路板湿法破碎粒度特性研究 废弃印刷电路板的资源化研究是环境保护与 资源循环利用领域的热点问题[ 1 _ 3 ] ．目前废弃电路 板主要的资源化处理技术有物理方法、化学方法、 生物方法以及各种方法的联合使用n ] ．破碎是废弃 电路板资源化处理技术的关键环节，对化学方法和 生物方法而言，破碎可使颗粒物的表面充分暴露以 便和药剂或微生物接触．对物理方法而言，破碎直 接决定着后续分选作业的效率、金属的回收率和纯 度[ s ] ．计算机或手机中常用的板卡为F R 一4 型环氧 玻纤布覆铜板，是由环氧树脂、玻璃纤维和高纯度 铜箔构成的复合材料．具有一定的强度和韧性，在 常温干法破碎过程中会产生大量的粉尘和有害气 体[ 6 1 ] ．干法破碎设备长时间运转也会引起设备局 部过热，造成物料的黏结、堵塞，降低破碎效率，污 染环境．如何提高废弃电路板破碎效率，有效解决 机械破碎过程中产生的二次污染问题，是当前废弃 电路板资源化研究的重点．一种典型的解决办法是 将废弃电路板通过液氮冷冻到材料的脆化点，进行 低温破碎[ 6 ’8 ] ．但低温破碎成本较高，进一步的工 业应用受到了限制． 为了实现废弃电路板的高效破碎，解决破碎过 程中粉尘和气味的二次污染问题，采用以水为介质 的湿法冲击式破碎机对废弃电路板进行破碎实验 研究．分析了破碎机理以及水在破碎过程中的作 用，考察了破碎机锤头类型、锤头转速和进水流量 对破碎产物粒度分布的影响．建立了废弃电路板湿 法破碎产品粒度分布双峰分布函数，应用O r i g i n 7 ．0 软件自定义函数对1 8 种不同实验条件下得到 的筛上累积产率曲线进行非线性函数拟合，得到的 拟合曲线和实际结果相关性极好．应用D e s i g nE x p e r t6 ．0 ．8 软件建立了双峰分布函数中变量与实 验参数之间的函数关系，为废弃电路板高效破碎提 供了可靠的理论依据和技术支持． 1 废弃电路板的湿法冲击破碎 1 ．1 破碎设备及原理 实验用破碎设备为锤式破碎机，结构示意图见 图1 ．在破碎机体内装有若干锤头，锤头的链接孔 径大于轴的直径，在破碎过程中锤头呈甩动状态冲 击废弃电路板．废弃电路板由入料口进入破碎腔， 锤头高速运动冲击物料．电路板在冲击锤头的高速 作用下获得能量飞向破碎机腔体，速度较快的物料 将受到腔体的二次破碎作用而碎裂．有部分电路板 获得能量在破碎机腔体中上升，与破碎机给料碰撞 后下落，被冲击锤头再次破碎．也有部分物料高速 运动，相互撞击进而碎裂．水流通过进水口进入破 碎腔，破碎后产物被击打成矿浆从筛板流出． 进水1 3 集料器 口 筛板 图1湿法冲击式破碎机结构示意 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fw e ti m p a c t i n gc r u s h e r 冲击破碎以动载荷形式作用，可概括锤头对物 料的冲击和高速运动物料向固定壁的冲击以及运 动物料之问的相互作用．物体的高速运动将引起介 质强烈压缩，应力在介质内以超声波传播，形成冲 击波．当材料承受高速冲击载荷时，出现冲击加载 现象，基本特点表现在作用于物料的力随时间急剧 变化，粉碎和被粉碎动量转换非常迅速．因此冲击 作用易于使物料发生脆性破坏，比静态施力方式更 为有效． 1 ．2 水在破碎过程中的作用 水介质在破碎过程中的作用主要体现在以下 几点1 避免粉尘的扩散；2 破碎过程中避免设 备局部温度过高；3 避免破碎过程中废弃电路板 热解产生有害气体；4 加速破碎后产物的排出， 控制破碎过程中的过粉碎现象． 2 结果与讨论 2 ．1 实验条件对粒度分布的影响 在破碎实验研究中，主要考察了锤头类型、锤 头转速和进水流量对破碎产物粒度分布的影响．锤 头类型包括光滑锤头及条纹锤头2 种．锤头转速由 调节变频器改变，变频器的可调范围是O ～5 0H z ， 对应于锤头的转速为O ～14 7 0r ／r a i n ．实验选择变 频器的变化频率为3 0 ，4 0 和5 0H z ，对应锤头转速 为8 8 2 ，11 7 6 和14 7 0r ／m i n ．进水流量通过转子流 量计控制，选择为4 ，5 和6m 3 ／h ．由此设计了B ～ S 共1 8 组实验，见表1 ． 表1 破碎实验设计 塑 翌 苎 竺 竺 坚 兰旦竺竺竺堡 锤头譬粤／14 7 0 l1 7 6 8 8 2 l4 7 0l1 7 6 8 8 2 警蠢影 光滑锤头条纹锤头 6BCDEFG 5 HI JK I 。M 4N0P Q RS 万方数据 中国矿业大学学报 第3 7 卷 得到电路板破碎产物应用标准套筛及振筛仪 进行筛分，标准套筛的孔径为2 ，1 ，0 ．5 ，0 ．2 5 ， 0 ．1 2 5 ，0 ．0 7 4m m ．破碎机筛板的孔径为2 ．2m m ， 通过筛分将破碎产物分为2 ．2 ～2 ，2 ～1 ，1 ～0 ．5 ， 0 ．5 ～0 ．2 5 ，0 ．2 5 ～0 ．1 2 5 ，0 ．1 2 5 ～0 ．0 7 4 ， 0 ．0 7 4 m m 共7 个粒级．破碎产物产率粒度分布柱状图分 别见图2 a ～e ． 图2P C B 产率随粒度的变化柱状图 F i g ．2 B a r sf i g u r eo fr a t ea n ds i z eo fP C B ’Sp a r t i c l e 废弃电路板湿法冲击破碎产物的粒度分布呈 现双峰分布的特征，在1 ～0 ．5m m 粒级和 d 0 ．0 7 4m m 粒级电路板粒度分布均出现了峰值． 矿物加工工程中常用的3 种粒度特性函数有盖茨 G a t e s 一高登 G a u d i n 一舒兹曼 S c h u t z m a n n 粒度 特性函数，罗辛 R o s i n 一拉姆勒 R a m m l e r 粒度特 性函数和对数正态分布函数[ 9 ] ．依据上述3 种粒度 分布函数的特点，描述废弃电路板湿法冲击破碎产 物的粒度分布均会带来一定误差．由于罗辛一拉姆 勒分布适用于多种破碎机、磨矿机和分级机，故先 前的研究者常采用该分布式来描述废弃电路板破 碎产物的粒度特性[ 3 ’5 ‘1 0 ] ．故依据电路板破碎产物 双峰分布的特征，提出了废弃电路板湿法冲击破碎 产品粒度分布的双罗辛一拉姆勒分布函数 D o u b l e R o s i n R a m m l e r ，称为D R R 分布函数． W 一陆山，7 ”1 1 0 0 一卢 eb z 。“2 ， 1 叫一胁l b l 矿1 1e 一6 1 z ’ 1 0 0 一p n2 b 2 z ”2 1 e - - b 2 。“2 ， 2 式中b 。，7 2 ，，b 。，行，卢为参数；W 为大于z 粒级的正 累积产率；训为各粒级的产率；z 为破碎产品粒度． 2 ．2 D R R 分布函数的非线性拟合 以图2 a ～C 中对应的废弃电路板破碎后产物 的筛上累积产率见表2 ． 表2 在B - - S 条件下电路板湿法破碎后的筛上累积产率 T a b l e2C u m u l a t i v ew e i g h tp e r c e n t a g eo v e r s i z eo fP C Bb yw e tc r u s h i n gu n d e rB Sc o n d i t i o n s 采用O r i g i n7 ．0 软件自定义D R R 函数对B ～ S 实验条件下筛上累积产率曲线进行非线性拟合， 拟合的结果见表3 ． 拟合结果的评价指标为相关性系数R 2 和残差 E ．通常R 2 越接近于1 ，残差的值越小，说明回归平 方和在总平方和中所占的比重越大，即自变量对应 变量的影响越大，模型越有效口1 | ．从表4 的拟合结 果可以看出相关性系数R 2 均大于0 ．9 9 9 以上，且 残差E 值较小．这说明用D R R 函数描述废弃电路 板湿法破碎产品粒度分布，表现出良好的收敛特 性，且拟合误差较小． 万方数据 第1 期段晨龙等废弃电路板湿法破碎粒度特性研究9 1 2 ．3 D R R 分布函数与试验条件之间的函数关系 显然D R R 分布函数中参数b 。，竹。，b ，，z z ，p 和 破碎实验操作条件 锤头类型、锤头转速及进水流 量 有关，为此应用D e s i g n - E x p e r ts o f t w a r e6 ．0 ．8 光滑锤头 条纹锤头 2 6 ．5 2 4 2 5 ．6 6 3 2 3 3 ．5 3 8 3 8 ．0 4 9 1 8 5 ．0 3 0 r2 6 ．7 4 6 2 5 ．4 2 5 一l1 3 4 ．2 4 0 4 7 ．1 4 8 L 2 0 3 ．7 9 4 1 4 ．0 2 1 1 4 ．7 3 3 1 1 5 ．1 9 2 1 ．9 6 9 4 6 ．1 2 9 1 4 ．1 1 2 1 4 ．5 7 1 1 1 2 ．8 1 6 3 ．4 0 0 3 4 ．4 3 2 1 ．4 9 5 1 0 1 ．7 6 6 1 0 0 ．8 1 9 5 ．7 0 9 1 0 0 ．4 3 4 软件对实验参数和拟合参数进行分析计算，得到光 滑锤头和条纹锤头对废弃电路板进行湿法冲击破 碎对应的D R R 分布函数中参数与实验操作参数 之间的函数关系分别为 2 1 ．4 5 0 2 1 ．4 5 4 ～1 3 ．9 6 6 2 ～0 ．2 4 1 5 ．3 6 4 1 ．4 9 1 1 0 2 1 ．7 2 0 1 0 2 一O ．7 3 4 5 ．7 9 0 1 0 2 0 ．4 0 8 矩阵中A 为湿法冲击式破碎机的进水流量，B 为湿法冲击式破碎机的锤头转速． 3 结论 1 采用湿法冲击破碎可实现废弃电路板的中 金属的有效破碎解离，水介质在破碎过程中可对设 备降温并避免粉尘和气味的污染，同时有助于破碎 后物料的排出，控制过粉碎现象． 2 废弃电路板湿法冲击破碎产物的粒度分布 呈现双峰分布的特征，本文建立了废弃电路板湿法 1 ．4 5 0 1 - 4 5 4 1 3 ．9 6 6 0 ．2 4 1 5 ．3 6 4 ～6 ．9 7 3 1 0 6 ～8 ．8 8 0 1 0 6 2 ．6 6 8 1 0 叫 1 ．6 1 9 1 0 _ 1 ．6 7 6 1 0 叫 一6 ．9 7 3 1 0 6 8 ．8 8 0 1 0 6 2 ．6 6 8 1 0 4 1 ．6 1 9 1 0 _ 5 1 ．6 7 6 1 0 叫 1 ．8 3 1 1 0 “ 7 ．9 2 3 1 0 “ 2 ．5 0 0 1 0 2 3 ．8 6 8 1 0 3 9 ．0 1 6 1 0 一3 1 ．8 3 1 1 0 “ 7 ．9 2 3 1 0 “ 2 ．5 0 0 1 0 2 3 ．8 6 8 1 0 3 9 ．0 1 6 1 0 ～3 冲击破碎产品粒度分布的D R R 分布函数． 3 对1 8 组不同破碎产品的筛上累积产率进 行非线性拟合，拟合曲线的相关性系数均大于 0 ．9 9 9 ，残差E 值较小，说明本文建立的废弃电路 板湿法冲击破碎粒度分布的D R R 模型收敛性较 好． 4 建立了D R R 分布函数中参数b 。，／ ／，，b 。， 咒。，卢和破碎实验操作条件之问的函数关系，为控 制废弃电路板湿法冲击破碎产品的粒度分布提供 了理论基础． 阢m如耽p 巩m玩抛p 万方数据 9 2中国矿业大学学报第3 7 卷 参考文献 C U lJR ，F O R S S B E R GE ．M e c h a n i c a lr e c y c l i n go f w a s t ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ar e v i e w l J ] ． J o u r n a lo fH a z a r d o u sM a t e r i a l s ，2 0 0 3 ，9 9 3 2 4 3 2 6 3 ． 何亚群，段晨龙，王海锋，等．电子废弃物资源化处 理[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 6 ． 温雪峰．物理法回收废弃电路板中金属富集体的研 究[ D ] ．徐州中国矿业大学环境与测绘学院，2 0 0 4 ． 段晨龙．废弃电路板破碎机理研究[ D ] ．徐州中国 矿业大学环境与测绘学院，2 0 0 7 ． 赵跃民，王全强，焦红光，等．废弃电路板选择性破 碎基础研究E J 7 ．中国矿业大学学报，2 0 0 5 ，3 4 6 6 8 36 8 7 ． Z H A 0Y u e - 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