바이오매스는 광물 에너지에 비해 재, 질소, 황 등 유해 물질 함량이 낮아 매장량이 풍부하고 탄소 활성도가 높으며, 점화가 쉽고 휘발성 성분이 높은 특성을 지닙니다. 따라서 바이오매스는 매우 이상적인 에너지 연료이며 연소 전환 및 활용에 매우 적합합니다. 바이오매스 연소 후 잔류하는 재에는 인, 칼슘, 칼륨, 마그네슘 등 식물에 필요한 영양소가 풍부하여 비료로 활용하여 밭에 되돌려 보낼 수 있습니다. 바이오매스 에너지는 막대한 자원 매장량과 독보적인 재생 에너지 이점을 갖추고 있어 현재 전 세계 국가 신에너지 개발의 중요한 선택지로 여겨지고 있습니다. 중국 국가발전개혁위원회는 "제12차 5개년 계획 기간 농작물 짚 종합 이용 시행 계획"에서 짚 종합 이용률을 2013년까지 75%에 도달하고, 2015년까지 80%를 초과 달성할 것이라고 명시했습니다.
바이오매스 에너지를 고품질, 깨끗하고 편리한 에너지로 전환하는 방법은 시급한 해결 과제로 떠올랐습니다. 바이오매스 고밀도화 기술은 바이오매스 에너지 소각 효율을 높이고 수송을 용이하게 하는 효과적인 방법 중 하나입니다. 현재 국내외 시장에서는 나선형 압출 입자 기계, 피스톤 스탬핑 입자 기계, 플랫 몰드 입자 기계, 링 몰드 입자 기계의 네 가지 유형의 고밀도 성형 장비가 널리 사용되고 있습니다. 그중 링 몰드 펠릿 기계는 작동 중 가열이 필요 없고, 원료 함수율(10%~30%)에 대한 요구 조건이 다양하며, 단일 기계 생산량이 크고, 압축 밀도가 높으며, 성형 효과가 우수하다는 특성으로 널리 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 유형의 펠릿 기계는 일반적으로 금형 마모가 쉽고, 수명이 짧으며, 유지 보수 비용이 높고, 교체가 불편하다는 단점이 있습니다. 링 몰드 펠릿 기계의 이러한 단점을 해결하기 위해 저자는 성형 금형 구조를 완전히 새롭게 개선하여 수명이 길고, 유지 보수 비용이 낮으며, 유지 보수가 편리한 고정형 성형 금형을 설계했습니다. 한편, 본 논문에서는 성형틀의 작업과정에서의 기계적 분석을 수행하였다.
1. 링몰드 조립기용 성형 금형 구조 개선 설계
1.1 압출 성형 공정 소개:링 다이 펠릿 기계는 링 다이의 위치에 따라 수직형과 수평형의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 운동 형태에 따라 고정 링 몰드를 갖춘 능동 프레싱 롤러와 구동 링 몰드를 갖춘 능동 프레싱 롤러의 두 가지 운동 형태로 나눌 수 있습니다. 이 개선된 설계는 주로 능동 압력 롤러와 고정 링 몰드를 운동 형태로 갖춘 링 몰드 입자 기계를 대상으로 합니다. 이는 주로 이송 메커니즘과 링 몰드 입자 메커니즘의 두 부분으로 구성됩니다. 링 몰드와 압력 롤러는 링 몰드 펠릿 기계의 두 가지 핵심 구성 요소이며, 링 몰드 주변에 많은 성형 몰드 구멍이 분포되어 있으며 압력 롤러는 링 몰드 내부에 설치됩니다. 압력 롤러는 전달 스핀들에 연결되고 링 몰드는 고정 브래킷에 설치됩니다. 스핀들이 회전하면 압력 롤러가 회전합니다. 작동 원리: 첫째, 이송 메커니즘은 분쇄된 바이오매스 재료를 특정 입자 크기(3~5mm)로 압축실로 이송합니다. 그런 다음 모터가 메인 샤프트를 구동하여 가압 롤러를 회전시키고 가압 롤러가 일정한 속도로 움직여 가압 롤러와 링 몰드 사이에 재료를 고르게 분산시켜 링 몰드가 재료와, 가압 롤러가 재료와, 재료가 재료와 압축 및 마찰을 일으킵니다. 압착 마찰 과정에서 재료의 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 서로 결합합니다. 동시에 압착 마찰로 인해 발생하는 열은 리그닌을 연화시켜 천연 결합제로 만들고, 이로 인해 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 기타 구성 요소가 더욱 단단하게 결합됩니다. 바이오매스 재료의 연속적인 충진으로 인해 성형 몰드 구멍에서 압축 및 마찰을 받는 재료의 양이 계속 증가합니다. 동시에 바이오매스 사이의 압착력이 계속 증가하여 성형 구멍에서 지속적으로 조밀화되고 형성됩니다. 압출 압력이 마찰력보다 크면 링 몰드 주변의 성형 구멍에서 바이오매스가 연속적으로 압출되어 성형 밀도가 약 1g/Cm3인 바이오매스 성형 연료가 형성됩니다.
1.2 성형 금형의 마모:펠릿 기계는 단일 기계 생산량이 많고, 자동화 수준이 비교적 높으며, 원료에 대한 적응성이 뛰어납니다. 다양한 바이오매스 원료 가공에 널리 사용될 수 있으며, 바이오매스 고밀도 성형 연료의 대량 생산에 적합하고, 향후 바이오매스 고밀도 성형 연료 산업화 개발 요건을 충족합니다. 따라서 링 몰드 펠릿 기계가 널리 사용되고 있습니다. 가공된 바이오매스 재료에는 소량의 모래 및 기타 비바이오매스 불순물이 포함될 수 있으므로 펠릿 기계의 링 몰드에 심각한 마모가 발생할 가능성이 높습니다. 링 몰드의 수명은 생산 용량을 기준으로 계산됩니다. 현재 중국에서 링 몰드의 수명은 100~1000톤에 불과합니다.
링 몰드의 고장은 주로 다음 네 가지 현상으로 인해 발생합니다. ① 링 몰드를 일정 시간 작동시킨 후 성형 몰드 구멍의 내벽이 마모되고 개구가 증가하여 생산된 성형 연료가 크게 변형됩니다. ② 링 몰드의 성형 다이 구멍의 공급 경사가 마모되어 다이 구멍으로 압착되는 바이오매스 재료의 양이 감소하고 압출 압력이 감소하며 성형 다이 구멍이 쉽게 막혀 링 몰드가 고장납니다(그림 2). ③ 내벽 재료가 마모되어 토출량이 급격히 감소합니다(그림 3).
④ 링 몰드 내부 구멍이 마모되면 인접한 몰드 조각 L 사이의 벽 두께가 얇아져 링 몰드의 구조적 강도가 감소합니다. 가장 위험한 부분에 균열이 발생하기 쉽고, 균열이 계속 확대되면 링 몰드 파단 현상이 발생합니다. 링 몰드의 마모가 쉽고 수명이 짧은 주된 이유는 성형 링 몰드의 구조가 불합리하기 때문입니다(링 몰드와 성형 몰드 구멍이 일체형으로 되어 있음). 이 두 가지가 일체형으로 되어 있는 구조는 이러한 결과를 초래하기 쉽습니다. 링 몰드의 성형 몰드 구멍 몇 개만 마모되어 작동할 수 없게 되면 링 몰드 전체를 교체해야 하는데, 이는 교체 작업에 불편을 초래할 뿐만 아니라 막대한 경제적 낭비를 초래하고 유지 보수 비용을 증가시킵니다.
1.3 성형금형의 구조개선 설계펠릿 기계의 링 몰드 수명을 연장하고, 마모를 줄이며, 교체를 용이하게 하고, 유지보수 비용을 절감하기 위해서는 링 몰드 구조에 대한 완전히 새로운 개선 설계가 필요합니다. 본 설계에는 매립형 몰드를 사용했으며, 개선된 압축실 구조는 그림 4에 나타나 있습니다. 그림 5는 개선된 몰드의 단면도입니다.
이 개선된 설계는 주로 능동 압력 롤러와 고정 링 몰드의 모션 형태를 갖춘 링 몰드 입자 기계를 대상으로 합니다. 하부 링 몰드는 본체에 고정되고, 두 개의 압력 롤러는 연결판을 통해 메인 샤프트에 연결됩니다. 성형 몰드는 하부 링 몰드에 매립되고(간섭 끼워맞춤 사용), 상부 링 몰드는 볼트를 통해 하부 링 몰드에 고정되어 성형 몰드에 고정됩니다. 동시에, 압력 롤러가 굴러가 링 몰드를 따라 방사형으로 이동한 후, 성형 몰드가 힘에 의해 반동하는 것을 방지하기 위해, 카운터싱크 나사를 사용하여 성형 몰드를 각각 상부 및 하부 링 몰드에 고정합니다. 이는 재료가 구멍으로 들어가는 저항을 줄이고 몰드 구멍으로의 진입을 더욱 편리하게 하기 위한 것입니다. 설계된 성형 몰드의 공급 구멍의 원뿔 각도는 60°~120°입니다.
개선된 성형 금형의 구조 설계는 다중 사이클 및 긴 수명이라는 특징을 가지고 있습니다. 입자 기계가 일정 시간 동안 작동하면 마찰 손실로 인해 성형 금형의 개구부가 커지고 부동태화됩니다. 마모된 성형 금형을 제거하고 확장하면 다른 규격의 성형 입자를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 이를 통해 금형의 재사용을 가능하게 하고 유지 보수 및 교체 비용을 절감할 수 있습니다.
조립기의 수명을 연장하고 생산 비용을 절감하기 위해, 가압 롤러는 내마모성이 우수한 65Mn과 같은 고탄소 고망간강을 사용합니다. 성형 금형은 Cr, Mn, Ti 등을 함유한 합금 침탄강 또는 저탄소 니켈 크롬 합금으로 제작해야 합니다. 압축실의 개선으로 인해 작동 중 상하 링 금형이 받는 마찰력이 성형 금형에 비해 상대적으로 작습니다. 따라서 45강과 같은 일반 탄소강을 압축실 재료로 사용할 수 있습니다. 기존의 일체형 성형 링 금형과 비교하여 고가의 합금강 사용을 줄여 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
2. 링몰드 펠릿기계의 성형몰드 작업과정 중 성형몰드의 기계적 분석.
성형 과정에서 재료의 리그닌은 성형 금형 내에 형성되는 고압 및 고온 환경으로 인해 완전히 연화됩니다. 압출 압력이 증가하지 않을 때 재료는 가소화됩니다. 가소화 후 재료는 잘 유동하므로 길이를 d로 설정할 수 있습니다. 성형 금형은 압력 용기로 간주되며, 성형 금형에 가해지는 응력은 단순화됩니다.
위의 기계적 계산 분석을 통해, 성형 금형 내부 임의의 지점의 압력을 구하기 위해서는 성형 금형 내부 해당 지점의 원주 방향 변형률을 구해야 함을 알 수 있습니다. 이를 통해 해당 지점의 마찰력과 압력을 계산할 수 있습니다.
3. 결론
본 논문에서는 링 몰드 펠렛타이저 성형 금형의 새로운 구조 개선 설계를 제안합니다. 내장형 성형 금형을 사용하면 금형 마모를 효과적으로 줄이고, 금형 수명을 연장하며, 교체 및 유지보수를 용이하게 하고, 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 동시에, 성형 금형의 작동 과정에서 기계적 분석을 수행하여 향후 추가 연구를 위한 이론적 근거를 제공했습니다.
게시 시간: 2024년 2월 22일