با توجه به اینکه زیست‌توده در مقایسه با انرژی معدنی، مواد مضر کمتری مانند خاکستر، نیتروژن و گوگرد دارد، دارای ویژگی‌هایی مانند ذخایر زیاد، فعالیت کربنی خوب، احتراق آسان و اجزای فرار بالا است. بنابراین، زیست‌توده یک سوخت انرژی بسیار ایده‌آل است و برای تبدیل و استفاده از احتراق بسیار مناسب است. خاکستر باقی‌مانده پس از احتراق زیست‌توده سرشار از مواد مغذی مورد نیاز گیاهان مانند فسفر، کلسیم، پتاسیم و منیزیم است، بنابراین می‌توان از آن به عنوان کود برای بازگشت به مزرعه استفاده کرد. با توجه به ذخایر عظیم منابع و مزایای تجدیدپذیر منحصر به فرد انرژی زیست‌توده، در حال حاضر به عنوان یک انتخاب مهم برای توسعه ملی انرژی‌های نو توسط کشورهای جهان در نظر گرفته می‌شود. کمیسیون توسعه و اصلاحات ملی چین به وضوح در "طرح اجرایی برای استفاده جامع از کاه محصولات کشاورزی در طول دوازدهمین برنامه پنج ساله" اعلام کرده است که میزان استفاده جامع از کاه تا سال ۲۰۱۳ به ۷۵ درصد خواهد رسید و تلاش می‌شود تا سال ۲۰۱۵ از ۸۰ درصد فراتر رود.
چگونگی تبدیل انرژی زیست توده به انرژی با کیفیت بالا، پاک و مناسب، به یک مشکل فوری تبدیل شده است که باید حل شود. فناوری متراکم‌سازی زیست توده یکی از راه‌های مؤثر برای بهبود راندمان سوزاندن انرژی زیست توده و تسهیل حمل و نقل است. در حال حاضر، چهار نوع رایج از تجهیزات شکل‌دهی متراکم در بازارهای داخلی و خارجی وجود دارد: دستگاه ذرات اکستروژن مارپیچی، دستگاه ذرات مهر پیستونی، دستگاه ذرات قالب تخت و دستگاه ذرات قالب حلقه‌ای. در میان آنها، دستگاه پلت قالب حلقه‌ای به دلیل ویژگی‌هایی مانند عدم نیاز به گرمایش در حین کار، الزامات گسترده برای رطوبت مواد اولیه (10٪ تا 30٪)، خروجی بزرگ دستگاه، چگالی فشرده‌سازی بالا و اثر شکل‌دهی خوب، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، این نوع دستگاه‌های پلت عموماً دارای معایبی مانند سایش آسان قالب، عمر کوتاه، هزینه‌های نگهداری بالا و تعویض نامناسب هستند. در پاسخ به کاستی‌های فوق در دستگاه پلت قالب حلقه‌ای، نویسنده یک طرح بهبود کاملاً جدید در ساختار قالب شکل‌دهی ایجاد کرده و یک قالب شکل‌دهی از نوع مجموعه با عمر طولانی، هزینه نگهداری کم و نگهداری راحت طراحی کرده است. در همین حال، این مقاله یک تحلیل مکانیکی از قالب شکل‌دهی در طول فرآیند کار آن انجام داد.
1. طراحی بهبود یافته ساختار قالب تشکیل دهنده برای گرانولاتور قالب حلقه ای
۱.۱ مقدمه‌ای بر فرآیند شکل‌دهی اکستروژن:دستگاه پلت قالب حلقه‌ای را می‌توان بسته به موقعیت قالب حلقه‌ای به دو نوع عمودی و افقی تقسیم کرد. بر اساس نوع حرکت، می‌توان آن را به دو نوع حرکت مختلف تقسیم کرد: غلتک فشاری فعال با قالب حلقه‌ای ثابت و غلتک فشاری فعال با قالب حلقه‌ای متحرک. این طراحی بهبود یافته عمدتاً برای دستگاه ذرات قالب حلقه‌ای با یک غلتک فشاری فعال و یک قالب حلقه‌ای ثابت به عنوان فرم حرکت در نظر گرفته شده است. این دستگاه عمدتاً از دو بخش تشکیل شده است: یک مکانیسم انتقال و یک مکانیسم ذرات قالب حلقه‌ای. قالب حلقه‌ای و غلتک فشاری دو جزء اصلی دستگاه پلت قالب حلقه‌ای هستند که سوراخ‌های قالب شکل‌دهی زیادی در اطراف قالب حلقه‌ای توزیع شده‌اند و غلتک فشاری در داخل قالب حلقه‌ای نصب شده است. غلتک فشاری به اسپیندل انتقال متصل است و قالب حلقه‌ای روی یک براکت ثابت نصب شده است. هنگامی که اسپیندل می‌چرخد، غلتک فشاری را به چرخش در می‌آورد. اصل کار: در مرحله اول، مکانیسم انتقال، مواد زیست توده خرد شده را به اندازه ذرات خاصی (3-5 میلی‌متر) به داخل محفظه فشرده‌سازی منتقل می‌کند. سپس، موتور، شفت اصلی را برای چرخاندن غلتک فشار به حرکت در می‌آورد و غلتک فشار با سرعت ثابت حرکت می‌کند تا مواد را به طور یکنواخت بین غلتک فشار و قالب حلقه‌ای پراکنده کند و باعث شود قالب حلقه‌ای با مواد، غلتک فشار با مواد و مواد با مواد فشرده و اصطکاک پیدا کند. در طول فرآیند فشرده‌سازی اصطکاکی، سلولز و همی‌سلولز موجود در ماده با یکدیگر ترکیب می‌شوند. در عین حال، گرمای تولید شده توسط فشرده‌سازی اصطکاکی، لیگنین را به یک چسب طبیعی نرم می‌کند که باعث می‌شود سلولز، همی‌سلولز و سایر اجزا محکم‌تر به هم بچسبند. با پر شدن مداوم مواد زیست‌توده، مقدار ماده‌ای که در سوراخ‌های قالب‌گیری تحت فشار و اصطکاک قرار می‌گیرد، همچنان افزایش می‌یابد. در عین حال، نیروی فشرده‌سازی بین زیست‌توده همچنان افزایش می‌یابد و به طور مداوم متراکم شده و در سوراخ قالب‌گیری شکل می‌گیرد. هنگامی که فشار اکستروژن بیشتر از نیروی اصطکاک باشد، زیست‌توده به طور مداوم از سوراخ‌های قالب‌گیری اطراف قالب حلقه‌ای اکسترود می‌شود و سوخت قالب‌گیری زیست‌توده را با چگالی قالب‌گیری حدود 1 گرم بر سانتی‌متر مکعب تشکیل می‌دهد.
۱.۲ سایش قالب‌های شکل‌دهی:خروجی تک دستگاه دستگاه پلت، بزرگ است، با درجه اتوماسیون نسبتاً بالا و سازگاری قوی با مواد اولیه. این دستگاه می‌تواند به طور گسترده برای پردازش مواد اولیه مختلف زیست توده، مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ سوخت‌های متراکم زیست توده و برآورده کردن الزامات توسعه صنعتی‌سازی سوخت متراکم زیست توده در آینده، مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، دستگاه پلت قالب حلقه‌ای به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به وجود احتمالی مقادیر کم شن و سایر ناخالصی‌های غیر زیست توده در مواد زیست توده فرآوری شده، احتمال زیادی وجود دارد که باعث سایش و پارگی قابل توجه در قالب حلقه‌ای دستگاه پلت شود. عمر مفید قالب حلقه‌ای بر اساس ظرفیت تولید محاسبه می‌شود. در حال حاضر، عمر مفید قالب حلقه‌ای در چین تنها 100 تا 1000 تن است.
خرابی قالب حلقه‌ای عمدتاً در چهار پدیده زیر رخ می‌دهد: ① پس از مدتی کار قالب حلقه‌ای، دیواره داخلی سوراخ قالب تشکیل‌دهنده ساییده می‌شود و روزنه افزایش می‌یابد که منجر به تغییر شکل قابل توجه سوخت تشکیل‌شده تولید شده می‌شود؛ ② شیب تغذیه سوراخ قالب تشکیل‌دهنده قالب حلقه‌ای ساییده می‌شود که منجر به کاهش مقدار ماده زیست‌توده فشرده‌شده در سوراخ قالب، کاهش فشار اکستروژن و انسداد آسان سوراخ قالب تشکیل‌دهنده می‌شود که منجر به خرابی قالب حلقه‌ای می‌شود (شکل 2)؛ ③ پس از مواد دیواره داخلی، میزان تخلیه به شدت کاهش می‌یابد (شکل 3)؛
④ پس از ساییدگی سوراخ داخلی قالب حلقه‌ای، ضخامت دیواره بین قطعات قالب مجاور L نازک‌تر می‌شود و در نتیجه استحکام ساختاری قالب حلقه‌ای کاهش می‌یابد. ترک‌ها در خطرناک‌ترین بخش مستعد ایجاد هستند و با ادامه گسترش ترک‌ها، پدیده شکستگی قالب حلقه‌ای رخ می‌دهد. دلیل اصلی سایش آسان و عمر کوتاه قالب حلقه‌ای، ساختار غیرمنطقی قالب حلقه‌ای شکل‌دهنده است (قالب حلقه‌ای با سوراخ‌های قالب شکل‌دهنده یکپارچه شده است). ساختار یکپارچه این دو مستعد چنین نتایجی است: گاهی اوقات وقتی فقط چند سوراخ قالب شکل‌دهنده قالب حلقه‌ای فرسوده می‌شوند و نمی‌توانند کار کنند، کل قالب حلقه‌ای نیاز به تعویض دارد که نه تنها باعث دردسر در کار تعویض می‌شود، بلکه باعث ضایعات اقتصادی زیادی نیز می‌شود و هزینه‌های نگهداری را افزایش می‌دهد.
۱.۳ طراحی بهبود سازه‌ای قالب شکل‌دهیبه منظور افزایش طول عمر قالب حلقه‌ای دستگاه پلت، کاهش سایش، تسهیل تعویض و کاهش هزینه‌های نگهداری، لازم است یک طرح بهبود کاملاً جدید بر روی ساختار قالب حلقه‌ای انجام شود. در این طرح از قالب قالب‌گیری توکار استفاده شده است و ساختار محفظه فشرده‌سازی بهبود یافته در شکل ۴ نشان داده شده است. شکل ۵ نمای مقطعی قالب قالب‌گیری بهبود یافته را نشان می‌دهد.
این طراحی بهبود یافته عمدتاً برای دستگاه ذرات قالب حلقه‌ای با فرم حرکتی غلتک فشار فعال و قالب حلقه‌ای ثابت در نظر گرفته شده است. قالب حلقه‌ای پایینی روی بدنه ثابت شده است و دو غلتک فشار از طریق یک صفحه اتصال به شفت اصلی متصل شده‌اند. قالب شکل‌دهی روی قالب حلقه‌ای پایینی (با استفاده از اتصال تداخلی) تعبیه شده است و قالب حلقه‌ای بالایی از طریق پیچ و مهره روی قالب حلقه‌ای پایینی ثابت شده و به قالب شکل‌دهی متصل شده است. در عین حال، برای جلوگیری از بازگشت قالب شکل‌دهی به دلیل نیرو پس از غلتیدن غلتک فشار و حرکت شعاعی در امتداد قالب حلقه‌ای، از پیچ‌های مخروطی برای ثابت کردن قالب شکل‌دهی به ترتیب به قالب‌های حلقه‌ای بالایی و پایینی استفاده می‌شود. به منظور کاهش مقاومت مواد ورودی به سوراخ و راحت‌تر کردن ورود به سوراخ قالب. زاویه مخروطی سوراخ تغذیه قالب شکل‌دهی طراحی شده 60 تا 120 درجه است.
طراحی ساختاری بهبود یافته قالب شکل‌دهی، ویژگی‌های چند چرخه‌ای و عمر طولانی را دارد. هنگامی که دستگاه ذرات برای مدتی کار می‌کند، افت اصطکاک باعث می‌شود که دهانه قالب شکل‌دهی بزرگتر و غیرفعال شود. هنگامی که قالب شکل‌دهی فرسوده برداشته و منبسط می‌شود، می‌توان از آن برای تولید ذرات شکل‌دهی با مشخصات دیگر استفاده کرد. این امر می‌تواند به استفاده مجدد از قالب‌ها و صرفه‌جویی در هزینه‌های نگهداری و جایگزینی منجر شود.
به منظور افزایش طول عمر گرانول‌ساز و کاهش هزینه‌های تولید، غلتک فشاری از فولاد منگنز بالا با کربن بالا و مقاومت در برابر سایش خوب، مانند 65Mn، استفاده می‌کند. قالب تشکیل‌دهنده باید از فولاد آلیاژی کاربوریزه یا آلیاژ کروم نیکل کم کربن، مانند حاوی Cr، Mn، Ti و غیره ساخته شود. به دلیل بهبود محفظه فشرده‌سازی، نیروی اصطکاکی که قالب‌های حلقه‌ای بالا و پایین در حین کار متحمل می‌شوند، در مقایسه با قالب تشکیل‌دهنده نسبتاً کم است. بنابراین، می‌توان از فولاد کربنی معمولی، مانند فولاد 45، به عنوان ماده محفظه فشرده‌سازی استفاده کرد. در مقایسه با قالب‌های حلقه‌ای تشکیل‌دهنده یکپارچه سنتی، می‌تواند استفاده از فولاد آلیاژی گران‌قیمت را کاهش دهد و در نتیجه هزینه‌های تولید را کاهش دهد.
۲. تحلیل مکانیکی قالب تشکیل دهنده دستگاه پلت قالب حلقه ای در حین فرآیند کار قالب تشکیل دهنده.
در طول فرآیند قالب‌گیری، لیگنین موجود در ماده به دلیل محیط پرفشار و پردمای ایجاد شده در قالب قالب‌گیری کاملاً نرم می‌شود. هنگامی که فشار اکستروژن افزایش نمی‌یابد، ماده تحت فرآیند پلاستیک‌سازی قرار می‌گیرد. ماده پس از پلاستیک‌سازی به خوبی جریان می‌یابد، بنابراین می‌توان طول را روی d تنظیم کرد. قالب شکل‌دهی به عنوان یک مخزن فشار در نظر گرفته می‌شود و تنش روی قالب شکل‌دهی ساده می‌شود.
از طریق تحلیل محاسبات مکانیکی فوق، می‌توان نتیجه گرفت که برای بدست آوردن فشار در هر نقطه درون قالب شکل‌دهی، لازم است کرنش محیطی در آن نقطه درون قالب شکل‌دهی تعیین شود. سپس، نیروی اصطکاک و فشار در آن محل قابل محاسبه است.
۳. نتیجه‌گیری
این مقاله یک طرح بهبود ساختاری جدید برای قالب تشکیل‌دهنده‌ی قرص‌ساز قالب حلقه‌ای ارائه می‌دهد. استفاده از قالب‌های تشکیل‌دهنده‌ی توکار می‌تواند به طور مؤثر سایش قالب را کاهش دهد، عمر چرخه‌ی قالب را افزایش دهد، تعویض و نگهداری را تسهیل کند و هزینه‌های تولید را کاهش دهد. همزمان، تجزیه و تحلیل مکانیکی بر روی قالب تشکیل‌دهنده در طول فرآیند کار آن انجام شد که مبنای نظری برای تحقیقات بیشتر در آینده فراهم می‌کند.
زمان ارسال: ۲۲ فوریه ۲۰۲۴