0、引言
熱壓成型工藝是目前普遍采用的生物質壓縮成型工藝。利用該技術制得的生物質具有成型塊品位高、密度大、易運輸、易儲存和使用方便等特點。成型塊制成后，尤其是露天放置一段時間后極易出現開裂和變形等現象。這嚴重削弱了成型塊的密實度、耐久性和抗滲水性等物理特性，也不宜運輸及儲存。同時，裂紋還影響成型塊的美觀度，降低了產品的質量，有悖于發展高品位、易運輸和易儲存生物質能的初衷，制約了生物質能的推廣利用及市場化，富通新能源專業生產銷售
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機、
木屑顆粒機等生物質顆粒燃料成型機械設備。
隨著市場對生物質壓縮成型塊需求的日益增多，在激烈的競爭下成型塊的質量愈來愈受到重視。裂紋問題已成為制約生物質壓縮成型技術推廣的瓶頸。目前，尚缺少對生物質壓縮成型品表面裂紋的深入研究與探討，僅止步于一些經驗性調試。因此，探討裂紋產生的原因，并提出預防措施，具有現實意義和經濟價值。
研究表明，影響生物質成型的因素諸多，一般來說有物料種類、含水率、適宜的成型溫度及壓力等。由于成型塊表面開裂的成因繁雜，因此通過試驗來研究這一問題。
1、試驗內容
1.1試驗材料
試驗采用木材加工剩余鋸末、棉柴、玉米秸稈及純木屑4種原料，木屑材料屬性如表l所示。通過控制不同原料種類、含水率、成型壓力、保型溫度、螺旋進料速度及保型筒長度比較其成型效果及開裂程度。
1.2試驗儀器與設備
成型試驗在從德國引進的液壓成型機上進行。
液壓成型機采用液壓驅動，螺旋進料，PLC控制，由預壓缸、主壓缸及雙保型缸按一定指令循環施加壓力。通過壓力計，可清晰地觀測到各缸壓力的瞬態變化情況，并讀取最大值。另外，試驗室還配有濕度測量儀、紅外線測溫槍、電子磅秤、天平、游標卡尺和秒表等必要設備，分別用來測量原料的含水率、成型塊溫度、原料質量、成型塊質量、成型塊長度、直徑以及成型時間。
1.3試驗方法
為了弄清裂紋產生的原因，進行了大量的試驗。試驗前，將原料除去各種雜物，并粉碎到一定粒度，分別晾曬至不同的含水率。每次試驗都加壓至預先設定好的壓力最大值。從設備試運行到完成各種原料的性能測試，共進行了17次試驗。首先，試驗了鋸末、秸稈、棉柴和純鋸末的成型效果；然后，改變各種原料的含水率再試驗，比較其成型效果，以得到最佳含水率；進入保型筒后，通過控制冷卻裝置控制保型筒內溫度，測試溫度對于裂紋產生的影響；最后，將成型制品在常溫下露天放置7d，待其應力充分松弛后測其表面裂紋的長度與深度。
工作流程如下：螺旋進料器把物料送到預壓腔內，預壓缸下行；當下位傳感器檢測下行到位后，液壓電磁閥換向，預壓缸返回；上位傳感器檢測到預壓缸到位后，主液壓缸前行進行壓塊；當前檢測開關檢測到主液壓缸前行到位，同時液壓站內壓力開關達到設定壓力時，保型筒開啟，成型塊進入其內；隨著下一循環的到來，成型塊逐漸被擠入保型筒，當保型筒內物塊總量達到其長度時，成型塊漸漸被彈出，進而完成整個成型過程。
1.4試驗結果
各試驗生物質成型物理量比較如表2所示，純鋸末成型效果如圖2所示，不同含水率下木屑成型效果比較如表3所示。
由表2可知，不同的原料其成型要求的條件不同，因而研究生物質成型需針對具體原料設置具體條件。含水率對于成型塊表面裂紋的生成影響重大，不宜太高或太低，在15%～18%的范圍較合適。
2、試驗分析
試驗發現，含水率對減少裂紋影響重大。不同的原料及同種原料不同粒度成型效果也不同，裂紋種類也有差別。有魚鱗狀裂紋和橫向開裂裂紋，還有兩者兼具型的，更有成型塊剛彈出時表面光滑，但露天放置一段時間后表面出現開裂，甚至彎曲變形。
2.1原料種類對裂紋形成的影響
從表2可看出，純鋸末成型效果最好，其次是玉米和棉柴，成型效果最差的是鋸末。分析表明，由于鋸末采用的是裝修木材產物，其成分與純鋸末有了很大的差別，不利于粘結和成型，致使成品裂紋大、易碎散。這與選材有關，與成型工藝影響不大。不同原料的生物質含有不同的木質素及纖維素，即其微觀組成不同，則可壓縮性不同，成型后制品的殘余內應力也不同，故開裂程度不同。
2.2原料粒度對裂紋形成的影響
試驗結果表明，原料粒度不均勻時，成型物表面易產生裂紋。粒度大小也影響成型效果，粒度太大不易成型。對于確定的成型方式，原料粒度的大小和粒度分布不應大于某一尺寸。試驗證明：對于液壓成型機，鋸末的粒度在3mm左右；棉柴的粒度在5mm左右；玉米秸稈的粒度在不大于10mm時成型效果較好，裂紋較少。
2.3含水率對裂紋形成的影響
純鋸末只有含水率在15%～18%時成型后表面光滑，裂紋很少，并且放置一段時間后也未出現較大開裂現象。含水率過高或過低，成型后裂紋大，還易開裂、碎散或是不易成型。對于玉米秸稈和棉柴而言，也都有各自適合的含水率：玉米秸稈含水率在16%時表面裂紋較少，但產量低；棉柴含水率在15%左右時表面裂紋較少。由此可見，含水率對裂紋的形成至關重要。
2.4成型壓力對裂紋形成的影響
試驗表明，不同的原料種類對成型壓力的要求不同。在相同的壓力下，純鋸末成型后裂紋最少，表面最光滑；其次是玉米秸稈和棉柴。可見，不同的原料所需的最佳成型壓力不同。試驗得到對純鋸末采用10MPa的壓力較為合適，這與原料內部微觀組織不同有關。不同的原料其微觀結構不同，要求的成型壓力則不同。
2.5溫度對裂紋形成的影響
試驗表明，溫度過高或維持高溫時間過長，炭化嚴重、積瘤，甚至出現碎散現象。對于液壓成型機，其成型溫度主要來源于生物質原料與成型模具的摩擦生熱。試驗還發現，溫度對于裂紋的影響還表現在殘存在成型塊內部的殘余熱應力在制品出模后產生的彈性膨脹，使得成型塊表面開裂。試驗表明，熱、力耦合對于成型的質量影響深遠。合理地利用熱、力耦合效應是減少裂紋的一項重要措施。有關研究表明，溫度不僅可以加速木質素的軟化，而且還可以加速應力松弛。
2.6螺旋進料速度對裂紋形成的影響
螺旋進料器的螺旋轉速影響進料速度，而進料的多少影響成型塊的大小（長度），且成型物料與模腔之間的摩擦力與成型塊的長度有關。摩擦力大，成型過程中產生的熱量多，成型溫度就高；成型摩擦力大，實際成型壓力大。研究表明：螺旋速度越高，進料越多，成型摩擦力越大，產生的摩擦熱越多；成型壓力越大，成型溫度越高，成型后越易出現裂紋。
2.7保型筒對減少裂紋的作用
在初始試驗階段，未延長保型筒的長度，所得制品露天放置一段時間后，出現較大開裂，甚至碎散，而通過延長保型筒的長度發現，開裂現象明顯減少，但是效果仍不夠理想。再延長一段后，發現效果較好，裂紋變得非常微小，從而進一步驗證了保型筒對于減少裂紋不可或缺。
試驗表明，通過改變保型筒長度、保型時間，控制成型塊冷卻溫度，保型筒可顯著減少成型塊表面裂紋。其主要作用是降低擠壓成型時產生的殘余應力，包括熱應力。本試驗裝置在保型筒上施加兩個保型缸，并對進入筒內的成型塊繼續施加較大的壓力，發現保型效果大大提高，裂紋現象明顯降低。
為保證成型塊中的應力充分松弛，壓塊在筒內應有一定的滯留時間，這就對保型筒提出一定要求。保型是在生物質成型以后的一段套筒內進行的，其內徑略大于壓縮成型的最小部位直徑，以便使已成型的生物質消除部分應力，隨著溫度的降低，使形狀固定下來。保型套筒的端部有開口，用以調整保型筒的保型能力。若保型簡直徑大于成型簡直徑過多，生物質會迅速膨脹，容易裂紋；過小，應力得不到消除，出口后還會因溫度突然下降，發生崩裂或粉碎。為此，可在保型筒上安裝冷卻裝置，使壓塊溫度逐漸降低。一般來說，滯留時間應不少于40-50s。另外，有關研究表明：餅塊密度隨著柱塞壓力的增加呈線性增加；柱塞壓力F與壓模筒夾緊力P也呈線性關系，柱塞壓力隨著壓模筒夾緊力的增加而增加。故壓模筒長度一定，通過改變壓模筒（保型筒）夾緊力，可以得到不同物料所需的餅塊密度，如圖3所示。因此，可通過適當提高保型筒夾緊力增加成型的密實度，改善成型質量、減少開裂現象。
3、理論分析
由前述已知，原料種類、含水率、原料粒度、擠壓力的大小、擠壓速度及溫度等都是影響裂紋成因的關鍵因素。下面主要論述擠壓成型階段探討裂紋的成因，并據此分析保型筒的保型機理。
3.1屈服強度后摩擦力的梯度及累積效應
3.1.1 “流體模型”的提出
1991年，法國科學家德熱納( Pierre Cilles deGennes)在其諾貝爾獲獎演講中提出軟物質(Softmatter)的概念。顆粒物質屬于軟物質領域，對于顆粒物質的流動，若找出其當量粘性系數且，就有可能用現已發展比較完善的流體力學計算方法來解決顆粒物料流量的計算問題。顆粒流主要研究固體顆粒之間的相互作用及運動力學規律，顆粒之間的作用占優勢，而流體作用可以忽略不計。
粉碎的生物質可視為粉末體，粉末體可視為“可壓縮的連續體”。流體力學中將流體視作連續介質，建立了流體模型。生物質可看作連續的介質，在壓縮過程中隨溫度的升高木質素軟化并具有粘性，塑性變形及流動同時存在，此時材料與流體性質接近，因此可將其看作是有一定粘度的特殊流體，即粘彈性流體的壓縮。傳統研究一般將原料看作土體，未壓縮前粉碎的原料性質接近土體，但是考慮壓縮過程中木質素的軟化及粘性，在達到屈服極限后流體理論更為接近實際情況。據研究生物質受壓縮時，其材料的塑性變形流動服從Levy - Mises流動理論。
3.1.2梯度及累積效應分析
當受壓生物質達到屈服強度后，發生塑性流動，此時材料與流體性質接近，借助流體力學相關理論分析裂紋成因。
3.1.2.1梯度效應，即當量粘性下類層流現象
由于材料內部的粘彈性（即當量粘性），在擠壓成型過程中其內部會產生阻力（即內摩擦力）。沿成型模具不同直徑大小的徑向圓周環，生物質塑性流動呈類層流狀。其中，外層受阻最大，流動最慢；中心層受力最小，流動最快。即存在內摩擦力的梯度效應。
3.1.2.2累積效應，即當量粘性下壓力損失現象
據研究，連續介質在開口管路入口處被施加壓力P，在出口處受力則遠小于P，即內摩擦力的阻礙累積效應。此過程可看作連續介質的生物質在達到屈服強度后，由于當量粘性的作用，繼續成型過程有壓力損失。這也會造成其內部應力的不均勻性，成型后易開裂。在沿成型模具的軸向小圓柱，由于生物質塑性流動時下一層流對上一層流的阻礙作用（即內摩擦阻力），從入口到出口方向，生物質所受擠壓力逐漸減小，致使其內部受力不均（如圖5所示），即沿軸向隨擠壓推進df長度的小圓拄受力逐漸減小。這就是內摩擦力阻礙作用的累積效應。
綜上所述，受壓生物質達到屈服強度后，由于生物質內摩擦力的梯度效應、累積效應及成型模具施于生物質外層的摩擦力，致使生物質各層受力不均，流速不同，產生剪切應力，材料邊緣層滯后于中心層的流動，如圖5所示。高名旺和鄧波等研究人員所做的數值模擬結果也可證明這一結論。安裝保型筒后相當于閉口管，會大大降低這種應力的不均勻性。
3.2保型筒減少裂紋的功用分析
結合試驗研究及相關理論成果，保型筒對于減少裂紋主要表現在3個方面。
3.2.1 擠壓成型過程與成型模具末端緊密固定接合
前述已知，由于擠壓成型過程生物質中心層的流動快于外層，造成巨大的剪切應力，這是造成制品的開裂現象的主要原因。在成型末端裝有保型筒后，其上的液壓缸施加的力使其頂住了成型塊的最末端，最終成型完成后制品外層與中心層到達相同的位置，從而消除了會造成開裂的大部分的剪切應力。成型每完成一塊，保型筒開口一次，使成型后的制品進入其內，并迅速夾緊。安裝保型筒后擠壓成型模具的等效工作模型，如圖7所示。等效于在成型模具末端固定足夠剛度和強度的頂蓋。
3.2.2成型后制品進入保型筒增大摩擦力參與成型
保型筒上的液壓缸施加的力使得保型筒夾緊了擠壓完成后進入保型筒的制品，制品與保型筒筒壁之間的摩擦力又反作用于對擠壓成型過程的頂緊作用。隨著進入保型筒的物塊愈多，此摩擦力愈大，頂緊作用便愈強，從而消除的內應力愈多，成型后裂紋愈少。這也解釋了成型機開始工作階段成型效果差和開裂嚴重的原因。保型筒的長度決定容納成型塊的數量及保型時間，進而影響成型效果。
3.2.3消除成型后會造成開裂的大部分彈性后效及熱殘余應力
造成開裂的另一原因是彈性后效。由于成型過程中溫度很高，成型后制品內部有較大的殘余熱應力。溫度的驟然變化會造成制品的大開裂。因而，在保型筒內安有冷卻裝置，以消除大部分熱殘余應力。
3.3材料亞微觀結合特性
根據德國Rumpf的研究，成型粘結力有粒子間的范德華力及固體間的充填和嵌合等。粒子特性對生物質壓縮成型有很大的影響，不同粒徑的粒子在壓縮過程中表現出不同的充填特性、流動特性以及壓縮特性等。
含水率主要通過影響粒子層之間的結合力影響成型。研究表明，當原料含水率過高時，加熱過程中產生的蒸汽不能從成型燃料中心孔排出，輕者會造成燃料開裂，表面非常粗糙，重者產生爆鳴。從微觀角度看，當含水率過高時，由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，成型效果不好，成型后易開裂。從前述試驗結果來看，含水率對于裂紋的影響是至關重要的。
從成型機理上看，壓力對于成型效果的影響是顯而易見的，壓力太低成型效果差，成型后也亦開裂碎散，甚至不能成型。另外，研究發現，擠壓成型時溫度增高，電機功耗較少，成型壓力減少，成型物擠壓不實，密度變小，容易斷裂破損。
綜上所述，對比試驗結果，含水率、粒度和進料速度等主要通過作用于粒子內部粘結，影響成型結合力大小及產生殘余應力來影響裂紋的形成。
4、結論
1)裂紋的形成與力學、原料的微觀組織及所選環境介質（含水率或溫度等）均有關。原料種類、粒度、含水率、溫度、螺旋進料速度和壓力等影響制品裂紋形成。
2)擠壓成型階段生物質所受摩擦力的不同，其流動差造成的剪應力和正靜水壓應力是形成裂紋的根本原因。
3)保型筒對于減少裂紋的作用更主要是施加于生物質的擠壓成型階段，主要通過頂緊擠壓成型過程的物塊來促進成型及消除致開裂的應力。
相關制粒顆粒機壓塊機產品連接：
1、
秸稈顆粒機
2、
秸稈壓塊機
3、
木屑顆粒機
