バイオマスは鉱物エネルギーに比べて灰分、窒素、硫黄などの有害物質が少ないため、埋蔵量が多く、炭素活性が高く、着火しやすく、揮発成分が多いという特徴があります。そのため、バイオマスは非常に理想的なエネルギー燃料であり、燃焼変換・利用に非常に適しています。バイオマス燃焼後の残留灰には、リン、カルシウム、カリウム、マグネシウムなど、植物に必要な栄養素が豊富に含まれており、肥料として利用して畑に戻すことができます。バイオマスエネルギーは、その膨大な資源埋蔵量と独自の再生可能という利点から、現在、世界各国で国家の新エネルギー開発における重要な選択肢とみなされています。中国国家発展改革委員会は、「第12次5カ年計画における作物のわらの総合利用実施計画」の中で、わらの総合利用率を2013年までに75%に引き上げ、2015年までに80%を超えることを目指すと明言しています。
バイオマスエネルギーを高品質でクリーンかつ利便性の高いエネルギーに変換することは、喫緊の課題となっています。バイオマスの高密度化技術は、バイオマスエネルギーの焼却効率を向上させ、輸送を容易にする効果的な方法の一つです。現在、国内外の市場では、スパイラル押出成形機、ピストンスタンピング成形機、平型成形機、リング成形機の4種類の高密度成形機が主流です。その中でも、リング成形機は、運転中に加熱が不要、原料水分含有量の要件が広い（10％～30％）、単機出力が大きい、圧縮密度が高い、成形効果が良好などの特徴から、広く使用されています。しかし、これらのタイプのペレット成形機は、一般的に金型の摩耗が早い、寿命が短い、メンテナンスコストが高い、交換が面倒などの欠点があります。リング成形機の上記の欠点に対応するため、著者は成形金型の構造に全く新しい改良設計を行い、長寿命、低メンテナンスコスト、メンテナンスの容易さを兼ね備えたセット型成形金型を設計しました。一方、本論文では、成形金型の作業工程中の機械的分析を実施しました。
1. リングモールド造粒機の成形型構造の改良設計
1.1 押出成形プロセスの概要:リングダイペレットマシンは、リングダイの位置によって垂直型と水平型の2種類に分けられます。動作形式によって、固定リングモールドを備えた能動加圧ローラーと、駆動リングモールドを備えた能動加圧ローラーの2種類の動作形式に分けられます。この改良設計は、主に能動加圧ローラーと固定リングモールドを動作形式とするリングモールドペレットマシンを対象としています。このマシンは、主に搬送機構とリングモールドペレット機構の2つの部分で構成されています。リングモールドと加圧ローラーは、リングモールドペレットマシンの2つのコアコンポーネントです。リングモールドには多数の成形モールド穴が配置され、加圧ローラーはリングモールドの内側に設置されています。加圧ローラーは伝動スピンドルに接続され、リングモールドは固定ブラケットに設置されています。スピンドルが回転すると、加圧ローラーも回転します。動作原理：まず、搬送機構が粉砕されたバイオマス原料を一定の粒径（3～5mm）に圧縮室に搬送します。次に、モーターが主軸を駆動して加圧ローラーを回転させ、加圧ローラーが一定速度で移動して加圧ローラーとリング型の間に材料を均一に分散させ、リング型と材料、加圧ローラーと材料、材料と材料を圧縮して摩擦させます。 圧迫摩擦の過程で、材料中のセルロースとヘミセルロースが互いに結合します。 同時に、圧迫摩擦によって発生した熱によってリグニンが軟化して天然のバインダーとなり、セルロース、ヘミセルロースなどの成分がより強固に結合されます。 バイオマス材料が連続的に充填されるにつれて、成形型の穴内で圧縮摩擦を受ける材料の量が増加し続けます。 同時に、バイオマス間の圧迫力が増加し続け、成形穴内で継続的に緻密化して成形されます。押し出し圧力が摩擦力より大きい場合、リング金型の周囲の成形孔からバイオマスが連続的に押し出され、成形密度が約1g/Cm3のバイオマス成形燃料が形成される。
1.2 成形金型の摩耗：ペレットマシンは単機出力が大きく、自動化度が比較的高く、原料適応性が強いため、各種バイオマス原料の加工に幅広く活用でき、バイオマス高密度成形燃料の大規模生産に適しており、将来のバイオマス高密度成形燃料産業化の発展要求を満たすことができます。そのため、リングモールドペレットマシンは広く使用されています。加工されたバイオマス原料には少量の砂などの非バイオマス不純物が存在する可能性があるため、ペレットマシンのリングモールドに大きな摩耗を引き起こす可能性が非常に高いです。リングモールドの耐用年数は生産能力に基づいて計算されます。現在、中国におけるリングモールドの耐用年数はわずか100～1000tです。
リングモールドの故障は主に以下の4つの現象で発生します：①リングモールドを一定期間稼働させた後、成形モールド穴の内壁が磨耗して口径が大きくなり、生産された成形燃料が大きく変形します。②リングモールドの成形ダイス穴の供給斜面が磨耗し、ダイス穴に押し込まれるバイオマス材料の量が減少し、押し出し圧力が低下し、成形ダイス穴が詰まりやすくなり、リングモールドが故障します（図2）。③内壁材料が摩耗した後、排出量が急激に減少します（図3）。
④ リング金型の内孔が摩耗すると、隣接する金型片L間の壁厚が薄くなり、リング金型の構造強度が低下します。最も危険な部分に亀裂が発生しやすく、亀裂が拡大し続けると、リング金型が破損する現象が発生します。 リング金型が摩耗しやすく、耐用年数が短い主な原因は、成形リング金型の無理な構造（リング金型と成形金型穴が一体化している）です。 両者の一体型構造はこのような結果になりやすく、リング金型の成形金型穴の一部だけが摩耗して機能しなくなると、リング金型全体を交換する必要があります。これは交換作業の不便さをもたらすだけでなく、大きな経済的浪費を引き起こし、メンテナンスコストを増加させます。
1.3 成形金型の構造改善設計ペレット成形機のリング金型の耐用年数を延ばし、摩耗を低減し、交換を容易にし、メンテナンスコストを削減するためには、リング金型の構造に新たな改良設計を施す必要があります。この設計では埋め込み型成形金型を採用し、改良された圧縮室構造を図4に示します。図5は改良型成形金型の断面図です。
この改良設計は、主に能動加圧ローラーと固定リングモールドの運動形態を有するリングモールド粒子成形機を対象としています。下部リングモールドは本体に固定され、2つの加圧ローラーは接続プレートを介して主軸に接続されています。成形金型は下部リングモールドに埋め込まれ（干渉嵌合を使用）、上部リングモールドはボルトを介して下部リングモールドに固定され、成形金型にクランプされます。同時に、加圧ローラーが転がり落ちてリングモールドに沿って放射状に移動した後、成形金型が力によって跳ね返るのを防ぐために、皿ネジを使用して成形金型を上部リングモールドと下部リングモールドにそれぞれ固定します。材料が穴に入る抵抗を減らし、金型穴に入るのをより便利にします。設計された成形金型の供給穴の円錐角は60°～120°です。
改良された成形金型の構造設計は、多サイクル性と長寿命という特徴を備えています。粒子成形機を一定期間稼働させると、摩擦損失により成形金型の開口部が拡大し、不動態化します。摩耗した成形金型を取り外して拡張すれば、他の規格の成形粒子の製造に再利用できます。これにより、金型の再利用が可能になり、メンテナンスや交換コストを削減できます。
造粒機の寿命を延ばし、生産コストを削減するため、加圧ローラーには65Mnなどの耐摩耗性に優れた高炭素高マンガン鋼を採用しています。成形金型は、Cr、Mn、Tiなどを含む合金浸炭鋼または低炭素ニッケルクロム合金で作られるべきです。圧縮室の改良により、運転中に上下リング金型が受ける摩擦力は成形金型に比べて比較的小さくなります。そのため、圧縮室の材料には45鋼などの一般的な炭素鋼を使用できます。従来の一体型成形リング金型と比較して、高価な合金鋼の使用量を削減し、生産コストを削減できます。
2. リングモールドペレット成形機の成形金型の作業工程中の機械的分析。
成形工程では、成形金型内に発生する高圧・高温環境により、材料中のリグニンが完全に軟化します。押出圧力が上昇していない場合、材料は可塑化します。可塑化後の材料は良好な流動性を示すため、長さをdに設定できます。成形金型を圧力容器とみなし、成形金型にかかる応力を簡素化します。
上記の力学計算解析から、成形金型内の任意の点における圧力を求めるには、成形金型内のその点における円周方向のひずみを求める必要があることが分かります。これにより、その位置における摩擦力と圧力を計算できます。
3. 結論
本稿では、リングモールドペレタイザーの成形金型の新たな構造改良設計を提案する。埋め込み成形金型の使用は、金型の摩耗を効果的に低減し、金型のサイクル寿命を延ばし、交換とメンテナンスを容易にし、生産コストを削減する。同時に、成形金型の動作過程における機械的解析を実施し、将来の更なる研究のための理論的根拠を提供する。
投稿日時: 2024年2月22日