颗粒机环模设计及应用

颗粒机环模设计及应用

环模颗粒机广泛应用于饲料的加工、秸杆木屑等生物质能的颗粒成型、复合肥的生产、万寿菊颗粒压制、石油及塑料粒子的生产中。不同物料选用不同的制粒机，但其核心部份是制粒机环模。它对提高产品品质和产量，降低能耗(制粒能耗占整个车间总能耗30％-35％)，减少生产成本(环模损耗一项费用占整个生产车间的维修费25％-30％以上)等方面影响极大。一般玉米为主的饲料生产中约占到1-1.5元/吨左右，在秸杆木屑等纤维状物料的生产中约占到18-48元/吨料；同时也是制粒机最易磨损的零件之一，因此，了解环模的设计及应用，并对环模进行正确的选用、合理的使用以及有效的保养，对于饲料生产者来说是至关重要的。下面对环模的设计及其选用、使用和保养作些浅析，以供大家参考。

１环模直径和环模有效压制宽度等参数的确定

a、环模直径和有效宽度是环模的主要参数：

首先根据国内外制粒机参数及优先数列确定环模直径系列：250、300、320、350、400、420、508、558、678、768等;相对功率为15、22、37、55、75/90、90/110、132/160、180/200、220/250、280/315;根据等有效压制面积等功率之比值(一般14•～22cm2/kW),确定环模有效宽度(有效宽

度是指环模中间与压棍接触部份)。另外很多国内制粒机是吸收国外技术，所以也有不少环模直径采用英制尺寸或近似值，如：SZLH3016环模直径16英寸(406,407)、SZLH3020环模直径20英寸(508)、SZLH3022环模直径22英寸(558)、SZLH7726环模直径26英寸(660)、304环模等。

b、环模的转速的确定

环模转速与机器本身的几何参数(压辊个数、模孔直径、深度等)相关。•根据资料和多年来国内制粒机的技术参数及对国外样机的数据检测,•对于采用二个压辊的环模制粒机,以环模内径

处线速度(也叫环模线速度)4-8m/s较为合适,它的高低影响到挤压区内的料层厚度及物料通过

模孔的时间，进而影响制粒机产量和颗粒质量。线速度过高时，相同产量条件下环模每转产出颗粒少，挤压区内料层薄，轴向料层分布不均匀，有可能使挤压区内的物料形成断层，制粒不连续，制出的颗粒松软，轴向压出颗粒长度不匀，粉料多，而且对于水分含量较高的物料还易打滑，甚至根本不能制粒；较低的环模线速度虽然制出的颗粒质量好，但对产量影响较大。c、压辊直径的确定

颗粒形成的基本原理如图。它是通过环模和压辊之间相互的挤压力，克服物料通过模孔的阻力，从而达到制粒的目的。（挤压原理图见图一）

相同环模下，压棍直径越大，环模和压棍之间型成的三角挤压范围越大，越利于挤压作用。理论上单辊的压辊直径可做得最大，挤压时间，挤出效果应最好，但在机器运转时，压辊和压模之间的作用力在主轴、主轴轴承、空轴等之间传递，所以单辊制粒机的主轴、主轴轴承、空轴等机械结构粗大，只在小型实验室制粒机及难于制粒的大型秸杆压块机中运用。双压辊制粒机的两只压辊之间挤压力F1和F2相在主轴头上平衡;压模上的反作用力F1’和F2’相互抵消，设备上的主轴（主轴轴承处）、主轴轴承、空轴上受力小，机械结构小，是实际中使用最多的机型。根据经验确定压辊外径与压模内径比为0.475,并圆整后确定压辊直径。三辊制粒机三辊之间受力也能平衡，但压辊和压模内径比不高。另外对用于秸杆木屑等纤维状物料的制粒机，压辊之间不平衡力（两挤压力F1-F2之差）须和压模上的反作用力之差（F1’-F2’）通过主轴、主轴轴承、空轴来抵消，所以主轴（主轴轴承处）、主轴轴承、空轴、环模、压棍的结构都要加

强。

单辊制粒室双辊制粒室

图一、挤压原理图

单辊挤压室：Ｌ为压辊中心和压模中心在挤压力垂直方向上距离；挤压力作用在环模的力Ｆ1’；转速一定条件下，Ｌ＊Ｆ1’正比于输入功率。压辊和压模中心越小，Ｌ越小，挤压力Ｆ1’越大。另一方面，Ｆ1和Ｆ1’这一对作用力和反作用力必须通过压辊壳、压辊轴承、压辊轴、主轴、

主轴轴承、空轴、环模后相平衡。所以F1越大，主轴、主轴轴承、空轴结构必须越大。

这类制粒设备挤压力最大，压缩区范围大，压缩平稳；挤压区范围大，挤出颗粒质量好，并且回弹量小、挤压室内摩擦功耗小，功率用于挤出作用多。这类制粒机主要用于小型机和秸杆压块机中。

双辊挤压室：Ｌ为两压辊中心在挤压力垂直方向上距离；Ｆ1、Ｆ2分别为两压辊上的挤压力，F1’、F2’为作用在环模上的挤压力（反作用力）；在转速一定下，(Ｆ1+F2)*L/2正比于输入功率，所以中心越大，Ｌ越大，挤压力越小。

另一方面F1通过压辊外壳、轴承、压辊轴、主轴头和另一对压辊的F2相平衡；F1’通过环模和F2’相平衡，制粒机的主轴（主轴轴承以后）、主轴轴承、空轴等受挤压力影响小。

在挤压秸杆木屑等纤维质物料时F1、F2受力波动大，F1和F2不平衡力（F1-F2）又必须通过主轴、主轴轴承、空轴和环模上的两个反作用力的差相平衡，这类制粒设备振动大，结构上必须加大加粗。

２环模材料和热处理

环模通常由碳素结构钢、合金结构钢和不锈钢经锻压、切削、钻孔、热处理等工序制成。环模所用的材料和每个加工工序对其使用寿命及制粒质量、产量有直接的影响。碳素结构钢主要有45钢，其热处理硬度一般为HRC45~50，其耐磨性和耐腐蚀性都较差，现基本被淘汰；合金钢主要有20CrMnTi材料，它是通过表面渗碳等表面热处理，处理硬度在HRC50以上，并具有良好的综合力学性能，由此类材料制造的环模强度高，耐磨性好于45钢，但缺点是耐腐蚀性不好。虽然单只环模成本较低，但使用时吨料生产成本高于不锈钢环模，现也逐步淘汰；不锈

钢材料主要为4Cr13，这些材料的刚度和韧性都较好，热处理是整体焠火，硬度大于HRC50，并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，使用寿命较长，吨料环模费用最低。下面就4Cr13材料环模每个加工工序对其质量影响说明：

a、环模材料成份

对于４Cr13材料的环模，其质量源头必须从钢锭开始：4Cr13钢环模化学成分(质量分数%)为:Ｃ含量≤0.36～0.45,Ｃr含量12～14,Si含量≤0.60,Ｍn含量≤0.80,S含量≤0.03,Ｐ含量≤0.035；在实际使用中含Cr量12%左右的环模使用寿命比含Ｃr量14%的环模在其它处理相同的条件下，其使用寿命减小1/3以上；所以环模质量的源头是从钢淀开始，不仅要确保Cr含量13%以上，还要求大小形状等符合锻造。

b、环模锻打质量

对于４Cr13材料的环模锻造工艺要求为加热温度和时间合适,常见环模锻造问题是：

１）、加热温度过高和时间过长,锻坯呈黄白色,估计温度超过1200℃,此时锻坯易出现表层过烧,整体过热,组织粗大晶粒不均匀现象;

２）、炉温均匀性差。加热过程中因温度不均匀使锻件过热或局部过烧造成晶粒粗大、锻坯的均质性差。锻件尺寸越大,这种现象就越严重。在随后的热处理工艺中难以消除这种缺陷,也是造成环模开裂的常见原因。

３）、由于铸锭中存在如偏析、非金属夹杂物、疏松等缺陷,所以要通过锻造变形来改善和消除,这是锻件达到良好综合力学性能的基础。对于纵向横向性能要求较高的锻件，应当采用良