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SZLH35不锈钢环模


颗粒机环模设计及应用
                                                                                                    溧阳市汇达机械有限公司    蒋希霖 朱建东
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。
单辊制粒室
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。
双辊制粒室
图一、挤压原理图
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,应当采用良好的组合锻造工艺,单一的锻打工艺难以保证质量。
4)、锻后冷却温度、速度控制不好,如果冷却速度非常缓慢 ,容易发生奥氏体再结晶 ,已经被锻造中细化的晶粒会发生异常长大造成混晶,
5)、退火处理:应对环模毛坯的硬度加以控制,其硬度在HB170~220之间为宜,如果硬度过高,钻孔时钻头易断裂,并造成死孔,硬度过低则影响模孔的光洁度。
c、热处理对环模质量的影响
4Cr13材料采用整体淬火工艺,淬火是把金属成材或零件加热到相变温度以上,保温后,使Cr合物溶于组织中,以大于临界冷却速度的急剧冷却,以获得马氏体组织的热处理工艺。淬火是为了得到马氏体组织,再经回火后,使工件获得良好的使用性能,以充分发挥材料的潜力。制孔后环模应在真空炉中加热粹火。经真空热处理的环模,能有效地保证模孔的光滑度(避免了模孔的氧化)。在圆周方向三等分处的每个部位,取不少于3点测硬度平均值,其各部位的硬度值之差应不大于HRC4。
3、环模孔结构、压缩比、粗糙度及环模模孔加工设备
常见的环模模孔主要有直孔、带减压孔、外锥形孔和内锥形孔等。带减压孔又称释放孔,如图2所示,不同的模孔形式适合不同种类的饲料原料或不同的饲料配方。同一环模中,越程槽边上的直孔长度L与环模中心部位的直孔长度L也都不一样。在压棍对压模的压力和阻力一样下,越程槽边的物料容易挤出越程槽,而不进入模孔。所以一般在越程槽边上两排带有减压孔(或减压孔长度M大于环模中心的模孔的M),并且第一排减压孔长度M大于第二排,使各模孔出料量一致。模孔主要参数有:
                                                                                           
d----模孔直径、T----环模厚度、L----模孔有效厚度、M----减压孔长度、a----模孔中心距、t----模孔间壁厚、D----环模直径、E----环模有效宽度、
图二、模孔图
a、环模模孔各参数的作用与含义
环模压缩比I=L/d,它是反映颗粒饲料挤压强度的一个指标。压缩比越大,挤出的颗粒饲料越结实。所以环模模孔d确定,饲料配方确定,即环模压缩比I一定条件下,环模的有效厚度L=I*d就确定了。
T为环模厚度,它的最小值T1和环模受力有关,压棍对环模的挤压力越大,环模最小厚度T1越大。当模孔有效厚度L
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