Devido à menor quantidade de substâncias nocivas, como cinzas, nitrogênio e enxofre, na biomassa em comparação com a energia mineral, ela apresenta características como grandes reservas, boa atividade de carbono, fácil ignição e alto teor de componentes voláteis. Portanto, a biomassa é um combustível energético ideal e muito adequado para conversão e utilização por combustão. As cinzas residuais após a combustão da biomassa são ricas em nutrientes necessários às plantas, como fósforo, cálcio, potássio e magnésio, podendo ser utilizadas como fertilizante no campo. Considerando as enormes reservas de recursos e as vantagens únicas da energia renovável da biomassa, ela é atualmente considerada uma importante opção para o desenvolvimento de novas energias em nível nacional por países de todo o mundo. A Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma da China declarou claramente no "Plano de Implementação para a Utilização Integral da Palha de Culturas durante o 12º Plano Quinquenal" que a taxa de utilização integral da palha atingirá 75% até 2013 e buscará ultrapassar 80% até 2015.
A conversão de energia da biomassa em energia limpa, de alta qualidade e conveniente tornou-se um problema urgente a ser resolvido. A tecnologia de densificação da biomassa é uma das maneiras eficazes de melhorar a eficiência da incineração de biomassa e facilitar o transporte. Atualmente, existem quatro tipos comuns de equipamentos de densificação nos mercados nacional e internacional: máquina de extrusão espiral, máquina de estampagem por pistão, máquina de molde plano e máquina de molde anular. Dentre elas, a máquina de pellets com molde anular é amplamente utilizada devido às suas características, como não necessitar de aquecimento durante a operação, ampla faixa de teor de umidade da matéria-prima (10% a 30%), grande capacidade de produção por máquina, alta densidade de compressão e bom efeito de formação. No entanto, esses tipos de máquinas de pellets geralmente apresentam desvantagens como desgaste fácil do molde, vida útil curta, altos custos de manutenção e substituição inconveniente. Em resposta às deficiências acima mencionadas da máquina de pellets com molde anular, o autor desenvolveu um projeto de melhoria na estrutura do molde de formação, projetando um molde de formação do tipo conjunto com longa vida útil, baixo custo de manutenção e manutenção conveniente. Entretanto, este artigo realizou uma análise mecânica do molde de conformação durante seu processo de trabalho.
1. Projeto de melhoria da estrutura do molde de formação para granulador de molde anular
1.1 Introdução ao Processo de Conformação por Extrusão:A máquina de pelotização com matriz anular pode ser dividida em dois tipos: vertical e horizontal, dependendo da posição da matriz anular. De acordo com o tipo de movimento, pode ser dividida em dois tipos diferentes: rolo de pressão ativo com matriz anular fixa e rolo de pressão ativo com matriz anular acionada. Este projeto aprimorado visa principalmente a máquina de pelotização com matriz anular que utiliza um rolo de pressão ativo e uma matriz anular fixa como forma de movimento. Consiste principalmente em duas partes: um mecanismo de transporte e um mecanismo de formação de partículas com matriz anular. A matriz anular e o rolo de pressão são os dois componentes principais da máquina de pelotização com matriz anular, com vários orifícios de formação distribuídos ao redor da matriz anular, e o rolo de pressão instalado dentro da matriz anular. O rolo de pressão é conectado ao eixo de transmissão, e a matriz anular é instalada em um suporte fixo. Quando o eixo gira, ele aciona a rotação do rolo de pressão. Princípio de funcionamento: Primeiramente, o mecanismo de transporte leva o material de biomassa triturado até atingir um tamanho de partícula específico (3-5 mm) para dentro da câmara de compressão. Em seguida, o motor aciona o eixo principal, que por sua vez aciona o rolo de pressão, fazendo-o girar a uma velocidade constante para dispersar uniformemente o material entre o rolo e o molde anular. Isso faz com que o molde anular comprima e friccione o material, o rolo de pressão friccione com o material e o material entre si. Durante o processo de compressão e fricção, a celulose e a hemicelulose presentes no material se combinam. Ao mesmo tempo, o calor gerado pela compressão e fricção amolece a lignina, transformando-a em um aglutinante natural, o que faz com que a celulose, a hemicelulose e outros componentes se liguem mais firmemente. Com o enchimento contínuo de materiais de biomassa, a quantidade de material submetida à compressão e fricção nos orifícios do molde aumenta continuamente. Simultaneamente, a força de compressão entre a biomassa também aumenta, densificando e moldando o material nos orifícios do molde. Quando a pressão de extrusão é maior que a força de atrito, a biomassa é extrudada continuamente pelos orifícios de moldagem ao redor do molde anular, formando um combustível de biomassa moldado com uma densidade de moldagem de cerca de 1g/cm³.
1.2 Desgaste dos moldes de conformação:A máquina de peletização com molde anular possui alta capacidade de produção, um grau relativamente elevado de automação e grande adaptabilidade a diferentes matérias-primas. Pode ser amplamente utilizada para o processamento de diversas matérias-primas de biomassa, sendo adequada para a produção em larga escala de combustíveis densos de biomassa e atendendo às futuras demandas de industrialização desses combustíveis. Portanto, a máquina de peletização com molde anular é amplamente utilizada. Devido à possível presença de pequenas quantidades de areia e outras impurezas não relacionadas à biomassa no material processado, é altamente provável que ocorra um desgaste significativo no molde anular da máquina. A vida útil do molde anular é calculada com base na capacidade de produção. Atualmente, na China, a vida útil do molde anular é de apenas 100 a 1000 toneladas.
A falha do molde anular ocorre principalmente nos quatro fenômenos a seguir: ① Após o molde anular funcionar por um período de tempo, a parede interna do orifício de formação do molde se desgasta e a abertura aumenta, resultando em deformação significativa do combustível formado produzido; ② A inclinação de alimentação do orifício de formação do molde anular se desgasta, resultando em uma diminuição na quantidade de material de biomassa comprimido no orifício da matriz, uma diminuição na pressão de extrusão e fácil bloqueio do orifício de formação da matriz, levando à falha do molde anular (Figura 2); ③ Após o desgaste dos materiais da parede interna, a quantidade de descarga diminui drasticamente (Figura 3);
④ Após o desgaste do furo interno do molde anular, a espessura da parede entre as peças adjacentes do molde (L) diminui, resultando em uma redução da resistência estrutural do molde anular. Trincas tendem a ocorrer na seção mais crítica e, à medida que se propagam, ocorre a fratura do molde anular. A principal razão para o desgaste fácil e a curta vida útil do molde anular é a estrutura inadequada do molde de conformação (o molde anular é integrado aos furos do molde de conformação). Essa estrutura integrada é propensa a resultados como: às vezes, quando apenas alguns furos do molde de conformação do molde anular estão desgastados e inutilizáveis, todo o molde anular precisa ser substituído, o que não só dificulta o trabalho de substituição, como também causa grande desperdício econômico e aumenta os custos de manutenção.
1.3 Projeto de Melhoria Estrutural do Molde de ConformaçãoPara prolongar a vida útil do molde anular da máquina de pelotização, reduzir o desgaste, facilitar a substituição e diminuir os custos de manutenção, é necessário realizar um projeto de melhoria totalmente novo na estrutura do molde anular. O molde de moldagem embutido foi utilizado no projeto, e a estrutura aprimorada da câmara de compressão é mostrada na Figura 4. A Figura 5 mostra a vista em corte do molde de moldagem aprimorado.
Este projeto aprimorado destina-se principalmente à máquina de moldagem de partículas com molde anular, que possui um sistema de movimento com rolo de pressão ativo e molde anular fixo. O molde anular inferior é fixado ao corpo da máquina, e os dois rolos de pressão são conectados ao eixo principal por meio de uma placa de conexão. O molde de conformação é encaixado no molde anular inferior (utilizando ajuste por interferência), e o molde anular superior é fixado ao molde anular inferior por meio de parafusos e prensado no molde de conformação. Ao mesmo tempo, para evitar o recuo do molde de conformação devido à força exercida pelo rolo de pressão após sua passagem e movimento radial ao longo do molde anular, parafusos de cabeça escareada são utilizados para fixar o molde de conformação aos moldes anulares superior e inferior, respectivamente. Isso reduz a resistência à entrada do material no orifício, facilitando o processo. O ângulo cônico do orifício de alimentação do molde de conformação projetado varia de 60° a 120°.
O projeto estrutural aprimorado do molde de conformação apresenta características de múltiplos ciclos e longa vida útil. Quando a máquina de partículas opera por um período de tempo, a perda por atrito faz com que a abertura do molde de conformação aumente e se torne passiva. Quando o molde de conformação desgastado é removido e expandido, ele pode ser usado para a produção de partículas de outras especificações. Isso possibilita a reutilização dos moldes e reduz os custos de manutenção e substituição.
Para prolongar a vida útil do granulador e reduzir os custos de produção, o rolo de pressão adota aço de alto carbono e alto manganês com boa resistência ao desgaste, como o 65Mn. O molde de conformação deve ser feito de aço-liga cementado ou liga de níquel-cromo de baixo carbono, contendo Cr, Mn, Ti, etc. Devido à melhoria da câmara de compressão, a força de atrito experimentada pelos anéis superior e inferior durante a operação é relativamente pequena em comparação com o molde de conformação. Portanto, aço carbono comum, como o aço 45, pode ser usado como material para a câmara de compressão. Comparado aos moldes de anel de conformação integrados tradicionais, isso reduz o uso de aço-liga caro, diminuindo assim os custos de produção.
2. Análise mecânica do molde de conformação da máquina de pelotização com molde anular durante o processo de trabalho do molde de conformação.
Durante o processo de moldagem, a lignina no material é completamente amolecida devido ao ambiente de alta pressão e alta temperatura gerado no molde. Quando a pressão de extrusão não aumenta, o material sofre plastificação. O material flui bem após a plastificação, portanto, o comprimento pode ser definido como d. O molde de conformação é considerado um recipiente de pressão, e a tensão sobre o molde é simplificada.
Através da análise de cálculo mecânico acima, pode-se concluir que, para obter a pressão em qualquer ponto dentro do molde de conformação, é necessário determinar a deformação circunferencial nesse ponto. Em seguida, a força de atrito e a pressão nesse local podem ser calculadas.
3. Conclusão
Este artigo propõe um novo projeto de melhoria estrutural para o molde de conformação da granuladora de anel. O uso de moldes de conformação embutidos pode reduzir efetivamente o desgaste do molde, prolongar sua vida útil, facilitar a substituição e a manutenção e reduzir os custos de produção. Ao mesmo tempo, foi realizada uma análise mecânica do molde de conformação durante seu processo de trabalho, fornecendo uma base teórica para pesquisas futuras.
Data da publicação: 22 de fevereiro de 2024