Karena kandungan zat berbahaya seperti abu, nitrogen, dan sulfur yang lebih rendah dalam biomassa dibandingkan dengan energi mineral, biomassa memiliki karakteristik cadangan yang besar, aktivitas karbon yang baik, mudah terbakar, dan komponen volatil yang tinggi. Oleh karena itu, biomassa merupakan bahan bakar energi yang sangat ideal dan sangat cocok untuk konversi dan pemanfaatan pembakaran. Abu sisa pembakaran biomassa kaya akan nutrisi yang dibutuhkan tanaman seperti fosfor, kalsium, kalium, dan magnesium, sehingga dapat digunakan sebagai pupuk untuk dikembalikan ke lahan. Mengingat cadangan sumber daya yang sangat besar dan keunggulan energi terbarukan yang unik dari energi biomassa, saat ini biomassa dianggap sebagai pilihan penting bagi pengembangan energi baru nasional oleh negara-negara di seluruh dunia. Komisi Pembangunan dan Reformasi Nasional Tiongkok telah dengan jelas menyatakan dalam "Rencana Implementasi Pemanfaatan Jerami Tanaman Secara Komprehensif pada Rencana Lima Tahun ke-12" bahwa tingkat pemanfaatan jerami secara komprehensif akan mencapai 75% pada tahun 2013, dan diupayakan untuk melampaui 80% pada tahun 2015.
Konversi energi biomassa menjadi energi berkualitas tinggi, bersih, dan praktis telah menjadi permasalahan yang mendesak untuk dipecahkan. Teknologi densifikasi biomassa merupakan salah satu cara efektif untuk meningkatkan efisiensi pembakaran energi biomassa dan memfasilitasi transportasi. Saat ini, terdapat empat jenis peralatan pembentuk padat yang umum digunakan di pasar domestik dan internasional: mesin partikel ekstrusi spiral, mesin partikel stamping piston, mesin partikel cetakan datar, dan mesin partikel cetakan cincin. Di antara keempatnya, mesin pelet cetakan cincin banyak digunakan karena karakteristiknya seperti tidak memerlukan pemanasan selama pengoperasian, persyaratan kadar air bahan baku yang luas (10% hingga 30%), output mesin tunggal yang besar, densitas kompresi yang tinggi, dan efek pembentukan yang baik. Namun, jenis mesin pelet ini umumnya memiliki kekurangan seperti cetakan yang mudah aus, masa pakai yang singkat, biaya perawatan yang tinggi, dan penggantian yang merepotkan. Menanggapi kekurangan mesin pelet cetakan cincin di atas, penulis telah membuat desain penyempurnaan baru pada struktur cetakan pembentuk, dan merancang cetakan pembentuk tipe set dengan masa pakai yang lama, biaya perawatan yang rendah, dan perawatan yang mudah. Sementara itu, artikel ini melakukan analisis mekanis terhadap cetakan yang terbentuk selama proses kerjanya.
1. Desain Perbaikan Struktur Cetakan Pembentuk untuk Granulator Cetakan Cincin
1.1 Pengantar Proses Pembentukan Ekstrusi:Mesin pelet cetakan cincin dapat dibagi menjadi dua jenis: vertikal dan horizontal, tergantung pada posisi cetakan cincin; Berdasarkan bentuk gerakannya, mesin ini dapat dibagi menjadi dua bentuk gerakan yang berbeda: rol penekan aktif dengan cetakan cincin tetap dan rol penekan aktif dengan cetakan cincin yang digerakkan. Desain yang disempurnakan ini terutama ditujukan untuk mesin partikel cetakan cincin dengan rol tekanan aktif dan cetakan cincin tetap sebagai bentuk gerakan. Mesin ini terutama terdiri dari dua bagian: mekanisme pengangkut dan mekanisme partikel cetakan cincin. Cetakan cincin dan rol tekanan adalah dua komponen inti dari mesin pelet cetakan cincin, dengan banyak lubang cetakan pembentuk yang tersebar di sekitar cetakan cincin, dan rol tekanan dipasang di dalam cetakan cincin. Rol tekanan terhubung ke spindel transmisi, dan cetakan cincin dipasang pada braket tetap. Ketika spindel berputar, rol tekanan akan berputar. Prinsip kerja: Pertama, mekanisme pengangkut mengangkut material biomassa yang telah dihancurkan menjadi ukuran partikel tertentu (3-5 mm) ke dalam ruang kompresi. Kemudian, motor menggerakkan poros utama untuk memutar rol penekan. Rol penekan bergerak dengan kecepatan konstan untuk menyebarkan material secara merata di antara rol penekan dan cetakan cincin, menyebabkan cetakan cincin terkompresi dan bergesekan dengan material, rol penekan dengan material, dan material dengan material. Selama proses gesekan pemerasan, selulosa dan hemiselulosa dalam material saling berikatan. Pada saat yang sama, panas yang dihasilkan oleh gesekan pemerasan melunakkan lignin menjadi pengikat alami, yang membuat selulosa, hemiselulosa, dan komponen lainnya terikat lebih kuat. Dengan pengisian material biomassa secara terus-menerus, jumlah material yang mengalami kompresi dan gesekan di dalam lubang cetakan terus meningkat. Pada saat yang sama, gaya pemerasan antar biomassa terus meningkat, dan biomassa terus memadat dan terbentuk di dalam lubang cetakan. Ketika tekanan ekstrusi lebih besar daripada gaya gesek, biomassa terus diekstrusi dari lubang cetakan di sekitar cetakan cincin, membentuk bahan bakar cetak biomassa dengan densitas cetak sekitar 1 g/cm³.
1.2 Keausan Cetakan Pembentuk:Output mesin pelet per mesin tunggal sangat besar, dengan tingkat otomatisasi yang relatif tinggi dan kemampuan adaptasi yang kuat terhadap bahan baku. Mesin ini dapat digunakan secara luas untuk memproses berbagai bahan baku biomassa, cocok untuk produksi bahan bakar padat biomassa skala besar, dan memenuhi persyaratan pengembangan industrialisasi bahan bakar padat biomassa di masa depan. Oleh karena itu, mesin pelet cetakan cincin banyak digunakan. Karena kemungkinan adanya sejumlah kecil pasir dan pengotor non-biomassa lainnya dalam bahan biomassa yang diproses, sangat mungkin menyebabkan keausan yang signifikan pada cetakan cincin mesin pelet. Masa pakai cetakan cincin dihitung berdasarkan kapasitas produksi. Saat ini, masa pakai cetakan cincin di Tiongkok hanya 100-1000 ton.
Kegagalan cetakan cincin terutama terjadi pada empat fenomena berikut: ① Setelah cetakan cincin bekerja untuk jangka waktu tertentu, dinding bagian dalam lubang cetakan pembentuk aus dan aperture meningkat, mengakibatkan deformasi yang signifikan dari bahan bakar yang terbentuk yang dihasilkan; ② Kemiringan pengumpanan lubang cetakan pembentuk cetakan cincin aus, mengakibatkan penurunan jumlah bahan biomassa yang diperas ke dalam lubang cetakan, penurunan tekanan ekstrusi, dan penyumbatan lubang cetakan pembentuk yang mudah, yang menyebabkan kegagalan cetakan cincin (Gambar 2); ③ Setelah bahan dinding bagian dalam dan tajam mengurangi jumlah pembuangan (Gambar 3);
4 Setelah lubang bagian dalam cetakan cincin aus, ketebalan dinding antara potongan cetakan yang berdekatan L menjadi lebih tipis, sehingga mengakibatkan penurunan kekuatan struktural cetakan cincin. Retakan rentan terjadi di bagian yang paling berbahaya, dan seiring retakan terus meluas, fenomena fraktur cetakan cincin terjadi. Alasan utama untuk keausan yang mudah dan masa pakai yang pendek dari cetakan cincin adalah struktur cetakan cincin pembentuk yang tidak masuk akal (cetakan cincin terintegrasi dengan lubang cetakan pembentuk). Struktur terintegrasi keduanya rentan terhadap hasil seperti itu: terkadang ketika hanya beberapa lubang cetakan pembentuk cetakan cincin yang aus dan tidak dapat berfungsi, seluruh cetakan cincin perlu diganti, yang tidak hanya membawa ketidaknyamanan pada pekerjaan penggantian, tetapi juga menyebabkan pemborosan ekonomi yang besar dan meningkatkan biaya perawatan.
1.3 Desain Perbaikan Struktural Cetakan PembentukUntuk memperpanjang masa pakai cetakan cincin mesin pelet, mengurangi keausan, memudahkan penggantian, dan mengurangi biaya perawatan, perlu dilakukan desain penyempurnaan baru pada struktur cetakan cincin. Cetakan cetak tertanam digunakan dalam desain ini, dan struktur ruang kompresi yang telah disempurnakan ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 5 menunjukkan tampilan penampang cetakan cetak yang telah disempurnakan.
Desain yang disempurnakan ini terutama ditujukan untuk mesin partikel cetakan cincin dengan bentuk gerak rol tekanan aktif dan cetakan cincin tetap. Cetakan cincin bawah dipasang pada badan, dan kedua rol tekanan dihubungkan ke poros utama melalui pelat penghubung. Cetakan pembentuk tertanam pada cetakan cincin bawah (menggunakan kecocokan interferensi), dan cetakan cincin atas dipasang pada cetakan cincin bawah melalui baut dan dijepit ke cetakan pembentuk. Pada saat yang sama, untuk mencegah cetakan pembentuk memantul karena gaya setelah rol tekanan berguling dan bergerak secara radial di sepanjang cetakan cincin, sekrup countersunk digunakan untuk memasang cetakan pembentuk ke cetakan cincin atas dan bawah secara berurutan. Untuk mengurangi hambatan material yang masuk ke lubang dan membuatnya lebih nyaman untuk masuk ke lubang cetakan. Sudut kerucut lubang pemasukan cetakan pembentuk yang dirancang adalah 60 ° hingga 120 °.
Desain struktural cetakan pembentuk yang disempurnakan memiliki karakteristik multi-siklus dan masa pakai yang panjang. Ketika mesin partikel beroperasi dalam jangka waktu tertentu, kehilangan gesekan menyebabkan lubang cetakan pembentuk menjadi lebih besar dan pasif. Ketika cetakan pembentuk yang aus dilepas dan diekspansi, cetakan tersebut dapat digunakan untuk memproduksi partikel pembentuk dengan spesifikasi lain. Hal ini dapat mewujudkan penggunaan kembali cetakan dan menghemat biaya perawatan serta penggantian.
Untuk memperpanjang masa pakai granulator dan mengurangi biaya produksi, roller tekanan mengadopsi baja mangan tinggi karbon tinggi dengan ketahanan aus yang baik, seperti 65Mn. Cetakan pembentuk harus terbuat dari baja karburasi paduan atau paduan nikel-kromium rendah karbon, seperti yang mengandung Cr, Mn, Ti, dll. Karena peningkatan ruang kompresi, gaya gesek yang dialami oleh cetakan cincin atas dan bawah selama operasi relatif kecil dibandingkan dengan cetakan pembentuk. Oleh karena itu, baja karbon biasa, seperti baja 45, dapat digunakan sebagai bahan untuk ruang kompresi. Dibandingkan dengan cetakan cincin pembentuk terintegrasi tradisional, hal itu dapat mengurangi penggunaan baja paduan yang mahal, sehingga menurunkan biaya produksi.
2. Analisis mekanis cetakan pembentuk mesin pelet cetakan cincin selama proses kerja cetakan pembentuk.
Selama proses pencetakan, lignin dalam material dilunakkan sepenuhnya akibat lingkungan bertekanan dan bersuhu tinggi yang dihasilkan dalam cetakan. Ketika tekanan ekstrusi tidak meningkat, material mengalami plastisisasi. Material mengalir dengan baik setelah plastisisasi, sehingga panjangnya dapat diatur ke d. Cetakan pembentuk dianggap sebagai bejana tekan, dan tekanan pada cetakan pembentuk disederhanakan.
Melalui analisis perhitungan mekanis di atas, dapat disimpulkan bahwa untuk mendapatkan tekanan pada setiap titik di dalam cetakan pembentuk, perlu menentukan regangan keliling pada titik tersebut di dalam cetakan pembentuk. Kemudian, gaya gesek dan tekanan pada titik tersebut dapat dihitung.
3. Kesimpulan
Artikel ini mengusulkan desain perbaikan struktural baru untuk cetakan pembentuk pelet cetakan cincin. Penggunaan cetakan pembentuk tertanam dapat secara efektif mengurangi keausan cetakan, memperpanjang umur siklus cetakan, memfasilitasi penggantian dan perawatan, serta mengurangi biaya produksi. Pada saat yang sama, analisis mekanis dilakukan pada cetakan pembentuk selama proses kerjanya, yang memberikan dasar teoretis untuk penelitian lebih lanjut di masa mendatang.
Waktu posting: 22-Feb-2024