0、引言
熱壓成型工藝是目前普遍采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝。利用該技術(shù)制得的生物質(zhì)具有成型塊品位高、密度大、易運(yùn)輸、易儲(chǔ)存和使用方便等特點(diǎn)。成型塊制成后，尤其是露天放置一段時(shí)間后極易出現(xiàn)開(kāi)裂和變形等現(xiàn)象。這嚴(yán)重削弱了成型塊的密實(shí)度、耐久性和抗?jié)B水性等物理特性，也不宜運(yùn)輸及儲(chǔ)存。同時(shí)，裂紋還影響成型塊的美觀度，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量，有悖于發(fā)展高品位、易運(yùn)輸和易儲(chǔ)存生物質(zhì)能的初衷，制約了生物質(zhì)能的推廣利用及市場(chǎng)化，富通新能源專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)銷(xiāo)售
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。
隨著市場(chǎng)對(duì)生物質(zhì)壓縮成型塊需求的日益增多，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)下成型塊的質(zhì)量愈來(lái)愈受到重視。裂紋問(wèn)題已成為制約生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)推廣的瓶頸。目前，尚缺少對(duì)生物質(zhì)壓縮成型品表面裂紋的深入研究與探討，僅止步于一些經(jīng)驗(yàn)性調(diào)試。因此，探討裂紋產(chǎn)生的原因，并提出預(yù)防措施，具有現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
研究表明，影響生物質(zhì)成型的因素諸多，一般來(lái)說(shuō)有物料種類(lèi)、含水率、適宜的成型溫度及壓力等。由于成型塊表面開(kāi)裂的成因繁雜，因此通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究這一問(wèn)題。
1、試驗(yàn)內(nèi)容
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)采用木材加工剩余鋸末、棉柴、玉米秸稈及純木屑4種原料，木屑材料屬性如表l所示。通過(guò)控制不同原料種類(lèi)、含水率、成型壓力、保型溫度、螺旋進(jìn)料速度及保型筒長(zhǎng)度比較其成型效果及開(kāi)裂程度。
1.2試驗(yàn)儀器與設(shè)備
成型試驗(yàn)在從德國(guó)引進(jìn)的液壓成型機(jī)上進(jìn)行。
液壓成型機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)，螺旋進(jìn)料，PLC控制，由預(yù)壓缸、主壓缸及雙保型缸按一定指令循環(huán)施加壓力。通過(guò)壓力計(jì)，可清晰地觀測(cè)到各缸壓力的瞬態(tài)變化情況，并讀取最大值。另外，試驗(yàn)室還配有濕度測(cè)量?jī)x、紅外線(xiàn)測(cè)溫槍、電子磅秤、天平、游標(biāo)卡尺和秒表等必要設(shè)備，分別用來(lái)測(cè)量原料的含水率、成型塊溫度、原料質(zhì)量、成型塊質(zhì)量、成型塊長(zhǎng)度、直徑以及成型時(shí)間。
1.3試驗(yàn)方法
為了弄清裂紋產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。試驗(yàn)前，將原料除去各種雜物，并粉碎到一定粒度，分別晾曬至不同的含水率。每次試驗(yàn)都加壓至預(yù)先設(shè)定好的壓力最大值。從設(shè)備試運(yùn)行到完成各種原料的性能測(cè)試，共進(jìn)行了17次試驗(yàn)。首先，試驗(yàn)了鋸末、秸稈、棉柴和純鋸末的成型效果；然后，改變各種原料的含水率再試驗(yàn)，比較其成型效果，以得到最佳含水率；進(jìn)入保型筒后，通過(guò)控制冷卻裝置控制保型筒內(nèi)溫度，測(cè)試溫度對(duì)于裂紋產(chǎn)生的影響；最后，將成型制品在常溫下露天放置7d，待其應(yīng)力充分松弛后測(cè)其表面裂紋的長(zhǎng)度與深度。
工作流程如下：螺旋進(jìn)料器把物料送到預(yù)壓腔內(nèi)，預(yù)壓缸下行；當(dāng)下位傳感器檢測(cè)下行到位后，液壓電磁閥換向，預(yù)壓缸返回；上位傳感器檢測(cè)到預(yù)壓缸到位后，主液壓缸前行進(jìn)行壓塊；當(dāng)前檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到主液壓缸前行到位，同時(shí)液壓站內(nèi)壓力開(kāi)關(guān)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，保型筒開(kāi)啟，成型塊進(jìn)入其內(nèi)；隨著下一循環(huán)的到來(lái)，成型塊逐漸被擠入保型筒，當(dāng)保型筒內(nèi)物塊總量達(dá)到其長(zhǎng)度時(shí)，成型塊漸漸被彈出，進(jìn)而完成整個(gè)成型過(guò)程。
1.4試驗(yàn)結(jié)果
各試驗(yàn)生物質(zhì)成型物理量比較如表2所示，純鋸末成型效果如圖2所示，不同含水率下木屑成型效果比較如表3所示。
由表2可知，不同的原料其成型要求的條件不同，因而研究生物質(zhì)成型需針對(duì)具體原料設(shè)置具體條件。含水率對(duì)于成型塊表面裂紋的生成影響重大，不宜太高或太低，在15%～18%的范圍較合適。
2、試驗(yàn)分析
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含水率對(duì)減少裂紋影響重大。不同的原料及同種原料不同粒度成型效果也不同，裂紋種類(lèi)也有差別。有魚(yú)鱗狀裂紋和橫向開(kāi)裂裂紋，還有兩者兼具型的，更有成型塊剛彈出時(shí)表面光滑，但露天放置一段時(shí)間后表面出現(xiàn)開(kāi)裂，甚至彎曲變形。
2.1原料種類(lèi)對(duì)裂紋形成的影響
從表2可看出，純鋸末成型效果最好，其次是玉米和棉柴，成型效果最差的是鋸末。分析表明，由于鋸末采用的是裝修木材產(chǎn)物，其成分與純鋸末有了很大的差別，不利于粘結(jié)和成型，致使成品裂紋大、易碎散。這與選材有關(guān)，與成型工藝影響不大。不同原料的生物質(zhì)含有不同的木質(zhì)素及纖維素，即其微觀組成不同，則可壓縮性不同，成型后制品的殘余內(nèi)應(yīng)力也不同，故開(kāi)裂程度不同。
2.2原料粒度對(duì)裂紋形成的影響
試驗(yàn)結(jié)果表明，原料粒度不均勻時(shí)，成型物表面易產(chǎn)生裂紋。粒度大小也影響成型效果，粒度太大不易成型。對(duì)于確定的成型方式，原料粒度的大小和粒度分布不應(yīng)大于某一尺寸。試驗(yàn)證明：對(duì)于液壓成型機(jī)，鋸末的粒度在3mm左右；棉柴的粒度在5mm左右；玉米秸稈的粒度在不大于10mm時(shí)成型效果較好，裂紋較少。
2.3含水率對(duì)裂紋形成的影響
純鋸末只有含水率在15%～18%時(shí)成型后表面光滑，裂紋很少，并且放置一段時(shí)間后也未出現(xiàn)較大開(kāi)裂現(xiàn)象。含水率過(guò)高或過(guò)低，成型后裂紋大，還易開(kāi)裂、碎散或是不易成型。對(duì)于玉米秸稈和棉柴而言，也都有各自適合的含水率：玉米秸稈含水率在16%時(shí)表面裂紋較少，但產(chǎn)量低；棉柴含水率在15%左右時(shí)表面裂紋較少。由此可見(jiàn)，含水率對(duì)裂紋的形成至關(guān)重要。
2.4成型壓力對(duì)裂紋形成的影響
試驗(yàn)表明，不同的原料種類(lèi)對(duì)成型壓力的要求不同。在相同的壓力下，純鋸末成型后裂紋最少，表面最光滑；其次是玉米秸稈和棉柴。可見(jiàn)，不同的原料所需的最佳成型壓力不同。試驗(yàn)得到對(duì)純鋸末采用10MPa的壓力較為合適，這與原料內(nèi)部微觀組織不同有關(guān)。不同的原料其微觀結(jié)構(gòu)不同，要求的成型壓力則不同。
2.5溫度對(duì)裂紋形成的影響
試驗(yàn)表明，溫度過(guò)高或維持高溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，炭化嚴(yán)重、積瘤，甚至出現(xiàn)碎散現(xiàn)象。對(duì)于液壓成型機(jī)，其成型溫度主要來(lái)源于生物質(zhì)原料與成型模具的摩擦生熱。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)于裂紋的影響還表現(xiàn)在殘存在成型塊內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力在制品出模后產(chǎn)生的彈性膨脹，使得成型塊表面開(kāi)裂。試驗(yàn)表明，熱、力耦合對(duì)于成型的質(zhì)量影響深遠(yuǎn)。合理地利用熱、力耦合效應(yīng)是減少裂紋的一項(xiàng)重要措施。有關(guān)研究表明，溫度不僅可以加速木質(zhì)素的軟化，而且還可以加速應(yīng)力松弛。
2.6螺旋進(jìn)料速度對(duì)裂紋形成的影響
螺旋進(jìn)料器的螺旋轉(zhuǎn)速影響進(jìn)料速度，而進(jìn)料的多少影響成型塊的大小（長(zhǎng)度），且成型物料與模腔之間的摩擦力與成型塊的長(zhǎng)度有關(guān)。摩擦力大，成型過(guò)程中產(chǎn)生的熱量多，成型溫度就高；成型摩擦力大，實(shí)際成型壓力大。研究表明：螺旋速度越高，進(jìn)料越多，成型摩擦力越大，產(chǎn)生的摩擦熱越多；成型壓力越大，成型溫度越高，成型后越易出現(xiàn)裂紋。
2.7保型筒對(duì)減少裂紋的作用
在初始試驗(yàn)階段，未延長(zhǎng)保型筒的長(zhǎng)度，所得制品露天放置一段時(shí)間后，出現(xiàn)較大開(kāi)裂，甚至碎散，而通過(guò)延長(zhǎng)保型筒的長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂現(xiàn)象明顯減少，但是效果仍不夠理想。再延長(zhǎng)一段后，發(fā)現(xiàn)效果較好，裂紋變得非常微小，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了保型筒對(duì)于減少裂紋不可或缺。
試驗(yàn)表明，通過(guò)改變保型筒長(zhǎng)度、保型時(shí)間，控制成型塊冷卻溫度，保型筒可顯著減少成型塊表面裂紋。其主要作用是降低擠壓成型時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，包括熱應(yīng)力。本試驗(yàn)裝置在保型筒上施加兩個(gè)保型缸，并對(duì)進(jìn)入筒內(nèi)的成型塊繼續(xù)施加較大的壓力，發(fā)現(xiàn)保型效果大大提高，裂紋現(xiàn)象明顯降低。
為保證成型塊中的應(yīng)力充分松弛，壓塊在筒內(nèi)應(yīng)有一定的滯留時(shí)間，這就對(duì)保型筒提出一定要求。保型是在生物質(zhì)成型以后的一段套筒內(nèi)進(jìn)行的，其內(nèi)徑略大于壓縮成型的最小部位直徑，以便使已成型的生物質(zhì)消除部分應(yīng)力，隨著溫度的降低，使形狀固定下來(lái)。保型套筒的端部有開(kāi)口，用以調(diào)整保型筒的保型能力。若保型簡(jiǎn)直徑大于成型簡(jiǎn)直徑過(guò)多，生物質(zhì)會(huì)迅速膨脹，容易裂紋；過(guò)小，應(yīng)力得不到消除，出口后還會(huì)因溫度突然下降，發(fā)生崩裂或粉碎。為此，可在保型筒上安裝冷卻裝置，使壓塊溫度逐漸降低。一般來(lái)說(shuō)，滯留時(shí)間應(yīng)不少于40-50s。另外，有關(guān)研究表明：餅塊密度隨著柱塞壓力的增加呈線(xiàn)性增加；柱塞壓力F與壓模筒夾緊力P也呈線(xiàn)性關(guān)系，柱塞壓力隨著壓模筒夾緊力的增加而增加。故壓模筒長(zhǎng)度一定，通過(guò)改變壓模筒（保型筒）夾緊力，可以得到不同物料所需的餅塊密度，如圖3所示。因此，可通過(guò)適當(dāng)提高保型筒夾緊力增加成型的密實(shí)度，改善成型質(zhì)量、減少開(kāi)裂現(xiàn)象。
3、理論分析
由前述已知，原料種類(lèi)、含水率、原料粒度、擠壓力的大小、擠壓速度及溫度等都是影響裂紋成因的關(guān)鍵因素。下面主要論述擠壓成型階段探討裂紋的成因，并據(jù)此分析保型筒的保型機(jī)理。
3.1屈服強(qiáng)度后摩擦力的梯度及累積效應(yīng)
3.1.1 “流體模型”的提出
1991年，法國(guó)科學(xué)家德熱納( Pierre Cilles deGennes)在其諾貝爾獲獎(jiǎng)演講中提出軟物質(zhì)(Softmatter)的概念。顆粒物質(zhì)屬于軟物質(zhì)領(lǐng)域，對(duì)于顆粒物質(zhì)的流動(dòng)，若找出其當(dāng)量粘性系數(shù)且，就有可能用現(xiàn)已發(fā)展比較完善的流體力學(xué)計(jì)算方法來(lái)解決顆粒物料流量的計(jì)算問(wèn)題。顆粒流主要研究固體顆粒之間的相互作用及運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，顆粒之間的作用占優(yōu)勢(shì)，而流體作用可以忽略不計(jì)。
粉碎的生物質(zhì)可視為粉末體，粉末體可視為“可壓縮的連續(xù)體”。流體力學(xué)中將流體視作連續(xù)介質(zhì)，建立了流體模型。生物質(zhì)可看作連續(xù)的介質(zhì)，在壓縮過(guò)程中隨溫度的升高木質(zhì)素軟化并具有粘性，塑性變形及流動(dòng)同時(shí)存在，此時(shí)材料與流體性質(zhì)接近，因此可將其看作是有一定粘度的特殊流體，即粘彈性流體的壓縮。傳統(tǒng)研究一般將原料看作土體，未壓縮前粉碎的原料性質(zhì)接近土體，但是考慮壓縮過(guò)程中木質(zhì)素的軟化及粘性，在達(dá)到屈服極限后流體理論更為接近實(shí)際情況。據(jù)研究生物質(zhì)受壓縮時(shí)，其材料的塑性變形流動(dòng)服從Levy - Mises流動(dòng)理論。
3.1.2梯度及累積效應(yīng)分析
當(dāng)受壓生物質(zhì)達(dá)到屈服強(qiáng)度后，發(fā)生塑性流動(dòng)，此時(shí)材料與流體性質(zhì)接近，借助流體力學(xué)相關(guān)理論分析裂紋成因。
3.1.2.1梯度效應(yīng)，即當(dāng)量粘性下類(lèi)層流現(xiàn)象
由于材料內(nèi)部的粘彈性（即當(dāng)量粘性），在擠壓成型過(guò)程中其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生阻力（即內(nèi)摩擦力）。沿成型模具不同直徑大小的徑向圓周環(huán)，生物質(zhì)塑性流動(dòng)呈類(lèi)層流狀。其中，外層受阻最大，流動(dòng)最慢；中心層受力最小，流動(dòng)最快。即存在內(nèi)摩擦力的梯度效應(yīng)。
3.1.2.2累積效應(yīng)，即當(dāng)量粘性下壓力損失現(xiàn)象
據(jù)研究，連續(xù)介質(zhì)在開(kāi)口管路入口處被施加壓力P，在出口處受力則遠(yuǎn)小于P，即內(nèi)摩擦力的阻礙累積效應(yīng)。此過(guò)程可看作連續(xù)介質(zhì)的生物質(zhì)在達(dá)到屈服強(qiáng)度后，由于當(dāng)量粘性的作用，繼續(xù)成型過(guò)程有壓力損失。這也會(huì)造成其內(nèi)部應(yīng)力的不均勻性，成型后易開(kāi)裂。在沿成型模具的軸向小圓柱，由于生物質(zhì)塑性流動(dòng)時(shí)下一層流對(duì)上一層流的阻礙作用（即內(nèi)摩擦阻力），從入口到出口方向，生物質(zhì)所受擠壓力逐漸減小，致使其內(nèi)部受力不均（如圖5所示），即沿軸向隨擠壓推進(jìn)df長(zhǎng)度的小圓拄受力逐漸減小。這就是內(nèi)摩擦力阻礙作用的累積效應(yīng)。
綜上所述，受壓生物質(zhì)達(dá)到屈服強(qiáng)度后，由于生物質(zhì)內(nèi)摩擦力的梯度效應(yīng)、累積效應(yīng)及成型模具施于生物質(zhì)外層的摩擦力，致使生物質(zhì)各層受力不均，流速不同，產(chǎn)生剪切應(yīng)力，材料邊緣層滯后于中心層的流動(dòng)，如圖5所示。高名旺和鄧波等研究人員所做的數(shù)值模擬結(jié)果也可證明這一結(jié)論。安裝保型筒后相當(dāng)于閉口管，會(huì)大大降低這種應(yīng)力的不均勻性。
3.2保型筒減少裂紋的功用分析
結(jié)合試驗(yàn)研究及相關(guān)理論成果，保型筒對(duì)于減少裂紋主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。
3.2.1 擠壓成型過(guò)程與成型模具末端緊密固定接合
前述已知，由于擠壓成型過(guò)程生物質(zhì)中心層的流動(dòng)快于外層，造成巨大的剪切應(yīng)力，這是造成制品的開(kāi)裂現(xiàn)象的主要原因。在成型末端裝有保型筒后，其上的液壓缸施加的力使其頂住了成型塊的最末端，最終成型完成后制品外層與中心層到達(dá)相同的位置，從而消除了會(huì)造成開(kāi)裂的大部分的剪切應(yīng)力。成型每完成一塊，保型筒開(kāi)口一次，使成型后的制品進(jìn)入其內(nèi)，并迅速夾緊。安裝保型筒后擠壓成型模具的等效工作模型，如圖7所示。等效于在成型模具末端固定足夠剛度和強(qiáng)度的頂蓋。
3.2.2成型后制品進(jìn)入保型筒增大摩擦力參與成型
保型筒上的液壓缸施加的力使得保型筒夾緊了擠壓完成后進(jìn)入保型筒的制品，制品與保型筒筒壁之間的摩擦力又反作用于對(duì)擠壓成型過(guò)程的頂緊作用。隨著進(jìn)入保型筒的物塊愈多，此摩擦力愈大，頂緊作用便愈強(qiáng)，從而消除的內(nèi)應(yīng)力愈多，成型后裂紋愈少。這也解釋了成型機(jī)開(kāi)始工作階段成型效果差和開(kāi)裂嚴(yán)重的原因。保型筒的長(zhǎng)度決定容納成型塊的數(shù)量及保型時(shí)間，進(jìn)而影響成型效果。
3.2.3消除成型后會(huì)造成開(kāi)裂的大部分彈性后效及熱殘余應(yīng)力
造成開(kāi)裂的另一原因是彈性后效。由于成型過(guò)程中溫度很高，成型后制品內(nèi)部有較大的殘余熱應(yīng)力。溫度的驟然變化會(huì)造成制品的大開(kāi)裂。因而，在保型筒內(nèi)安有冷卻裝置，以消除大部分熱殘余應(yīng)力。
3.3材料亞微觀結(jié)合特性
根據(jù)德國(guó)Rumpf的研究，成型粘結(jié)力有粒子間的范德華力及固體間的充填和嵌合等。粒子特性對(duì)生物質(zhì)壓縮成型有很大的影響，不同粒徑的粒子在壓縮過(guò)程中表現(xiàn)出不同的充填特性、流動(dòng)特性以及壓縮特性等。
含水率主要通過(guò)影響粒子層之間的結(jié)合力影響成型。研究表明，當(dāng)原料含水率過(guò)高時(shí)，加熱過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽不能從成型燃料中心孔排出，輕者會(huì)造成燃料開(kāi)裂，表面非常粗糙，重者產(chǎn)生爆鳴。從微觀角度看，當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，成型效果不好，成型后易開(kāi)裂。從前述試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，含水率對(duì)于裂紋的影響是至關(guān)重要的。
從成型機(jī)理上看，壓力對(duì)于成型效果的影響是顯而易見(jiàn)的，壓力太低成型效果差，成型后也亦開(kāi)裂碎散，甚至不能成型。另外，研究發(fā)現(xiàn)，擠壓成型時(shí)溫度增高，電機(jī)功耗較少，成型壓力減少，成型物擠壓不實(shí)，密度變小，容易斷裂破損。
綜上所述，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，含水率、粒度和進(jìn)料速度等主要通過(guò)作用于粒子內(nèi)部粘結(jié)，影響成型結(jié)合力大小及產(chǎn)生殘余應(yīng)力來(lái)影響裂紋的形成。
4、結(jié)論
1)裂紋的形成與力學(xué)、原料的微觀組織及所選環(huán)境介質(zhì)（含水率或溫度等）均有關(guān)。原料種類(lèi)、粒度、含水率、溫度、螺旋進(jìn)料速度和壓力等影響制品裂紋形成。
2)擠壓成型階段生物質(zhì)所受摩擦力的不同，其流動(dòng)差造成的剪應(yīng)力和正靜水壓應(yīng)力是形成裂紋的根本原因。
3)保型筒對(duì)于減少裂紋的作用更主要是施加于生物質(zhì)的擠壓成型階段，主要通過(guò)頂緊擠壓成型過(guò)程的物塊來(lái)促進(jìn)成型及消除致開(kāi)裂的應(yīng)力。
相關(guān)制粒顆粒機(jī)壓塊機(jī)產(chǎn)品連接：
1、
秸稈顆粒機(jī)
2、
秸稈壓塊機(jī)
3、
木屑顆粒機(jī)
