Khuôn vòng thép không gỉ cho máy nghiền viên: Hướng dẫn đầy đủ

Một chiếc nhẫn chết trong máy nghiền viên là gì?

Khuôn dạng vòng là thành phần hình thành cốt lõi của máy nghiền viên dạng vòng - loại máy ép viên được sử dụng rộng rãi nhất trong thức ăn chăn nuôi, thức ăn thủy sản, nhiên liệu sinh khối và sản xuất phân bón hữu cơ trên toàn cầu. Nó là một hình trụ rỗng, có thành dày được gia công từ thép cao cấp với hàng trăm hoặc hàng nghìn lỗ khoan xuyên tâm - được gọi là rãnh khuôn hoặc lỗ khuôn - đi xuyên qua thành khuôn từ bề mặt bên trong đến bề mặt bên ngoài. Nguyên liệu thô, được xử lý bằng hơi nước và độ ẩm để giảm ma sát và cải thiện khả năng liên kết, được đưa vào bên trong khuôn vòng quay và được nén vào bề mặt bên trong bằng hai hoặc nhiều con lăn ép. Khi các con lăn ép vật liệu vào các lỗ khuôn dưới áp suất cao, nó được đùn qua các kênh và nổi lên từ bề mặt khuôn bên ngoài dưới dạng các sợi hình trụ liên tục, sau đó được cắt theo chiều dài bằng dao cố định đặt bên ngoài khuôn để tạo ra các viên đồng nhất.

Khuôn dạng vòng đồng thời là bộ phận chịu ứng suất cơ học cao nhất và là bộ phận dễ bị mài mòn nhất trong toàn bộ máy nghiền viên. Mỗi kg viên được sản xuất phải đi qua các lỗ khuôn dưới áp suất có thể vượt quá 200 MPa ở thành kênh khuôn, ở nhiệt độ 60°C đến 90°C trong thức ăn viên và lên tới 120°C trong các ứng dụng sinh khối. Khuôn phải duy trì độ chính xác về kích thước - đặc biệt là đường kính lỗ khuôn và độ mịn của lỗ khoan - qua hàng triệu chu kỳ nén và hàng trăm tấn thông lượng trước khi việc tăng đường kính lỗ do mài mòn làm giảm chất lượng viên dưới giới hạn chấp nhận được. Do đó, vật liệu mà khuôn được sản xuất, quá trình xử lý nhiệt và độ chính xác của quá trình gia công là những yếu tố chính quyết định chi phí sản xuất mỗi tấn, tính nhất quán của chất lượng viên và lợi nhuận tổng thể của nhà máy ép viên.

Tại sao thép không gỉ được chỉ định cho khuôn vòng

Khuôn vòng cho máy nghiền viên được sản xuất từ hai loại thép chính: thép công cụ hợp kim (như 20CrMnTi, 42CrMo và D2) và thép không gỉ (phổ biến nhất là AISI 316L, 304 và các loại martensitic như 420 hoặc 440C). Sự lựa chọn giữa các loại này phụ thuộc vào vật liệu được ép viên, môi trường pháp lý quản lý sản phẩm cuối cùng và các điều kiện sản xuất bao gồm độ ẩm và tiếp xúc với hóa chất trong quá trình chế biến.

Khuôn vòng thép không gỉ được quy định chủ yếu trong các ứng dụng trong đó khả năng chống ăn mòn là yêu cầu chức năng chứ không phải là nâng cấp tùy chọn. Trong sản xuất thức ăn thủy sản, nguyên liệu chứa độ ẩm cao - thường trên 20% - kết hợp với bột cá, bột tôm và các thành phần chứa muối tạo ra môi trường ăn mòn bên trong các kênh chết. Khuôn thép công cụ hợp kim trong dịch vụ này bị ăn mòn nhanh chóng làm nhám lỗ khoan kênh, tăng ma sát, giảm thông lượng và cuối cùng gây ra hiện tượng kẹt hoặc nứt kênh. Lớp thụ động crom oxit của thép không gỉ ngăn chặn cơ chế ăn mòn này, duy trì độ mịn của rãnh trong suốt thời gian làm việc của khuôn. Tương tự, trong quá trình ép viên phân bón hữu cơ, các hợp chất amoniac và axit hữu cơ có trong vật liệu ủ phân sẽ tấn công thép cacbon nhanh chóng bị chết; thép không gỉ cung cấp khả năng kháng hóa chất cần thiết để đạt được tuổi thọ sử dụng khuôn khả thi về mặt thương mại trong ứng dụng này.

Các yêu cầu pháp lý là động lực thứ hai cho đặc điểm kỹ thuật của thép không gỉ. Trong thức ăn cho vật nuôi, tá dược và dạng viên thành phần dành cho con người, sự tiếp xúc trực tiếp giữa nguyên liệu thô và bề mặt khuôn phải tuân theo các quy định về an toàn thực phẩm - bao gồm FDA 21 CFR, Quy định của EU 1935/2004 và các tiêu chuẩn quốc gia tương đương - yêu cầu bề mặt tiếp xúc với thực phẩm phải được sản xuất từ ​​vật liệu chống ăn mòn, không độc hại. Các loại thép không gỉ 304 và 316L đáp ứng các yêu cầu này và là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho khuôn nghiền thức ăn cho vật nuôi và khuôn nghiền viên cấp thực phẩm trên toàn thế giới.

Các loại thép không gỉ được sử dụng trong sản xuất khuôn đúc

Không phải tất cả các loại thép không gỉ đều mang lại hiệu suất tương đương trong các ứng dụng khuôn vòng. Việc lựa chọn loại bao gồm sự cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ cứng sau khi xử lý nhiệt, khả năng gia công và chi phí phải phù hợp với nhu cầu cụ thể của ứng dụng tạo viên.

AISI 316L (1.4404)

316L là thép không gỉ austenit có hàm lượng molypden từ 2 đến 3% mang lại khả năng chống ăn mòn rỗ clorua vượt trội so với tiêu chuẩn 304. Đây là loại được ưa thích cho khuôn vòng thức ăn thủy sản, chế biến thành phần hàng hải và bất kỳ ứng dụng nào có thành phần chứa clorua trong nguyên liệu thô. Ký hiệu "L" biểu thị hàm lượng carbon thấp (tối đa 0,03%), giúp loại bỏ sự nhạy cảm - sự kết tủa của cacbua crom ở ranh giới hạt trong quá trình hàn hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao - và duy trì khả năng chống ăn mòn ở các vùng bị ảnh hưởng nhiệt của bất kỳ sửa chữa hàn nào. Tuy nhiên, 316L không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt và đạt độ cứng tối đa khoảng 200 HB trong điều kiện ủ, mềm hơn đáng kể so với thép hợp kim có thể xử lý nhiệt được sử dụng trong khuôn tiêu chuẩn. Vì lý do này, khuôn vòng 316L mòn nhanh hơn khuôn thép hợp kim cứng trong nguyên liệu mài mòn và phù hợp nhất với các ứng dụng mà cơ chế mài mòn chiếm ưu thế là ăn mòn thay vì mài mòn.

AISI 440C (1.4125)

440C là thép không gỉ martensitic có hàm lượng carbon cao, có thể được làm cứng bằng cách tôi và tôi để đạt được giá trị độ cứng bề mặt từ 58 đến 62 HRC - có thể so sánh với nhiều loại thép công cụ hợp kim thông thường được sử dụng trong sản xuất khuôn vòng tiêu chuẩn. Sự kết hợp giữa khả năng chống ăn mòn không gỉ với độ cứng cao làm cho 440C trở thành lựa chọn thép không gỉ có yêu cầu kỹ thuật cao nhất và hiệu suất cao nhất để sản xuất khuôn vòng. Nó được chỉ định cho các ứng dụng yêu cầu đồng thời cả khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn - chẳng hạn như thức ăn cho tôm có chứa các thành phần có nguồn gốc từ vỏ mài mòn hoặc viên phân bón có phụ gia khoáng. Hàm lượng carbon cao hơn của 440C so với 316L làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai của nó, khiến nó dễ bị nứt hơn khi chịu tải va đập, do đó, nó thích hợp nhất cho các nguyên liệu ổn định, được điều hòa tốt mà không có nguy cơ nhiễm tạp chất cứng từ bên ngoài.

AISI 420 (1.4021)

Thép không gỉ 420 là loại martensitic carbon trung bình mang lại sự cân bằng giữa độ cứng (độ cứng có thể đạt được 50 đến 55 HRC sau khi xử lý nhiệt), khả năng chống ăn mòn và chi phí. Đây là thông số kỹ thuật chung cho khuôn vòng thép không gỉ đa năng trong các ứng dụng cần có khả năng chống ăn mòn vừa phải cùng với tuổi thọ hao mòn hợp lý — bao gồm thức ăn gia cầm có bổ sung bột cá, thức ăn cho lợn có thành phần ướt và chế biến phân bón hữu cơ. Khả năng chống ăn mòn của nó thấp hơn 316L hoặc 440C trong môi trường giàu clorua, khiến nó ít phù hợp hơn với các công thức chứa nhiều thành phần biển, nhưng nó cung cấp sự bảo vệ đầy đủ trong hầu hết các ứng dụng thức ăn nông nghiệp tiêu chuẩn với độ ẩm điển hình.

Các thông số hình học quan trọng của khuôn và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng viên

Hình dạng của các lỗ chết - đường kính, chiều dài hiệu quả, tỷ lệ nén, thiết kế lỗ khoan và độ hoàn thiện bề mặt - xác định áp suất ép viên, tốc độ thông lượng, độ cứng của viên, độ bền và mức tiêu thụ điện năng của máy nghiền viên đối với bất kỳ nguyên liệu thô nào. Việc chọn thông số kỹ thuật khuôn chính xác cho ứng dụng mới đòi hỏi phải hiểu từng tham số này và cách chúng tương tác.

Tỷ lệ L/D là thông số hình học khuôn quan trọng nhất để tối ưu hóa chất lượng viên. Đối với thức ăn gia cầm cho gà thịt, tỷ lệ L/D điển hình nằm trong khoảng từ 8:1 đến 12:1; đối với thức ăn thủy sản đòi hỏi độ ổn định cao trong nước viên, tỷ lệ phổ biến là 12:1 đến 20:1; đối với viên gỗ sinh khối yêu cầu mật độ và độ bền tối đa, tỷ lệ điển hình là 6:1 đến 10:1, với các lỗ có đường kính lớn hơn (6 mm đến 8 mm) so với ứng dụng cấp liệu. Tỷ lệ L/D chính xác cho một công thức cụ thể phải được xác nhận thông qua thử nghiệm sản xuất vì thành phần nguyên liệu, độ ẩm và sự phân bố kích thước hạt đều ảnh hưởng đến hệ số ma sát bên trong các kênh khuôn và do đó áp suất nén thực tế được tạo ra ở một L/D nhất định.

Mô hình lỗ chết và tối ưu hóa khu vực mở

Kiểu trong đó các lỗ khuôn được bố trí trên mặt khuôn — khoảng cách của chúng (khoảng cách từ giữa đến tâm), kiểu bố trí lệch và tỷ lệ phần trăm diện tích mở tạo ra — ảnh hưởng đến cả năng suất sản xuất của khuôn và độ bền kết cấu của nó. Mẫu lỗ đóng kín hình lục giác tối đa hóa diện tích mở cho đường kính và bước lỗ nhất định, đạt tỷ lệ phần trăm diện tích mở từ 30% đến 45% tùy thuộc vào tỷ lệ giữa đường kính lỗ và bước. Các mẫu hàng thẳng dễ sản xuất hơn nhưng đạt được diện tích mở thấp hơn. Việc tăng diện tích mở sẽ tăng công suất thông lượng trên một đơn vị diện tích mặt khuôn nhưng làm giảm vật liệu còn lại giữa các lỗ, làm giảm khả năng chống chịu của khuôn đối với ứng suất vòng chu vi do áp suất ép viên tạo ra. Đối với khuôn thép không gỉ, mềm hơn một chút so với khuôn thép hợp kim cứng ở cấp austenit, việc quản lý khu vực mở cẩn thận là đặc biệt quan trọng để tránh nứt do mỏi giữa các lỗ khi chịu tải theo chu kỳ.

Đặc điểm khuôn đúc phù hợp với công thức thức ăn chăn nuôi

Quyết định thực tế quan trọng nhất trong thông số kỹ thuật của khuôn vòng là làm cho hình dạng khuôn - đặc biệt là tỷ lệ L/D và đường kính lỗ - phù hợp với các đặc tính vật lý của công thức thức ăn cụ thể được ép viên. Việc sử dụng tỷ lệ L/D sai cho công thức sẽ dẫn đến các viên mềm, có độ bền thấp với đặc tính xử lý kém (L/D quá thấp) hoặc tiêu thụ điện năng quá mức, nguyên liệu quá nóng và tốc độ mài mòn khuôn tăng lên (L/D quá cao).

• Công thức giàu chất xơ, ít tinh bột (thức ăn cho động vật nhai lại, thức ăn viên cho thỏ, sinh khối) yêu cầu tỷ lệ L/D cao hơn - thường là 10:1 đến 14:1 - vì hàm lượng chất xơ cung cấp khả năng liên kết hạn chế và cần áp suất nén cao hơn để đạt được độ bền của viên. Các công thức này cũng được hưởng lợi từ các góc mũi khoan đầu vào rộng hơn (60° đến 90°) để tránh bịt kín vùng vào khuôn bởi các hạt sợi dài.
• Công thức giàu tinh bột, ít chất xơ (người khởi xướng gà thịt, người chăn nuôi lợn) dễ dàng kết dính khi nén vừa phải và thường yêu cầu tỷ lệ L/D từ 7:1 đến 10:1. Việc nén quá mức các công thức này làm giảm năng suất mà không cải thiện chất lượng viên và tăng tỷ lệ mài mòn khuôn một cách không cần thiết.
• Công thức thức ăn thủy sản với hàm lượng bột cá hoặc tôm cao đòi hỏi cả tỷ lệ L/D cao (12:1 đến 20:1) để ổn định nước dạng viên và kết cấu thép không gỉ để chống ăn mòn. Sự kết hợp giữa áp suất nén cao và các thành phần ăn mòn khiến thép không gỉ trở thành thông số kỹ thuật bắt buộc hơn là một lựa chọn trong sản xuất thức ăn thủy sản thương mại.
• Công thức phân bón hữu cơ trình bày môi trường ép viên có tính tích cực hóa học cao nhất, với các hợp chất amoniac, axit hữu cơ và độ ẩm cao đồng thời hiện diện. Khuôn thép không gỉ AISI 316L hoặc 420 với thiết kế lỗ khoan giảm xu hướng bịt kín là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho ứng dụng này, kết hợp với các quy trình làm sạch thường xuyên để ngăn chặn sự tích tụ muối amoniac trong các kênh chết nhàn rỗi.

Quy trình đột phá khuôn mới cho khuôn vòng thép không gỉ

Khuôn vòng thép không gỉ mới — bất kể loại hoặc nhà cung cấp — yêu cầu quy trình tháo lắp cẩn thận trước khi vận hành hết công suất sản xuất. Quá trình đột nhập phục vụ hai mục đích: nó đánh bóng các bề mặt lỗ khoan của rãnh khuôn thông qua độ mài mòn được kiểm soát đến độ nhám bề mặt tối ưu cho nguyên liệu mục tiêu và nó cho phép người vận hành máy ép xác định bất kỳ kênh bị chặn hoặc kháng cự bất thường nào trước khi chúng gây hư hỏng con lăn hoặc quá tải động cơ ở công suất tối đa.

Quy trình đột phá tiêu chuẩn cho khuôn vòng thép không gỉ bao gồm việc đổ đầy tất cả các rãnh khuôn bằng hợp chất mài ngâm trong dầu - hỗn hợp cát thô hoặc sỏi mịn với dầu thực vật hoặc dầu khoáng - trước khi khuôn được chạy lần đầu. Sau đó, máy nghiền được vận hành ở khoảng cách con lăn giảm và tốc độ chậm trong 15 đến 30 phút trong khi hợp chất nghiền đánh bóng thành kênh. Sau lần nghiền đầu tiên, khuôn được rửa bằng nguyên liệu sạch có dầu - thường là cám có thêm dầu - trong 30 đến 60 phút để loại bỏ tất cả cặn của hợp chất nghiền trước khi đưa vào công thức sản xuất. Đối với khuôn thép không gỉ, giai đoạn đột phá thường dài hơn so với khuôn thép hợp kim vì các loại austenit (316L, 304) cứng hơn và có khả năng chịu mài mòn cao hơn, đòi hỏi nhiều chu kỳ mài mòn hơn để đạt được độ hoàn thiện bề mặt lỗ mục tiêu.

Thực hành bảo trì giúp kéo dài tuổi thọ của khuôn đúc

Việc bảo trì đúng cách giữa các lần sản xuất và trong thời gian nhàn rỗi có ảnh hưởng không tương xứng đến tuổi thọ có thể đạt được của khuôn vòng thép không gỉ. Các biện pháp thực hành sau đây là các bước duy trì có tác động mạnh nhất đối với hoạt động ép viên thức ăn và phân bón.

• Cắm dầu trước khi tắt máy: Vào cuối mỗi quá trình sản xuất, khuôn phải được đổ đầy nguyên liệu giàu dầu hoặc dầu thực vật nguyên chất bằng cách chạy qua khuôn với công suất giảm trong 5 đến 10 phút. Cặn dầu trong các kênh ngăn không cho nguyên liệu khô và cứng lại bên trong các lỗ khuôn trong thời gian không hoạt động, điều này gây ra tắc nghẽn kênh cần phải doa cơ học hoặc phá hủy hoàn toàn các kênh bị tắc mới có thể thông thoáng.
• Điều chỉnh khoảng cách con lăn chính xác: Duy trì khoảng cách giữa con lăn và khuôn chính xác - thường là 0,1 mm đến 0,3 mm đối với hầu hết các ứng dụng cấp liệu - ngăn chặn sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại giữa vỏ con lăn và bề mặt bên trong khuôn trong khi vẫn đảm bảo vật liệu nhất quán đi vào các kênh khuôn. Khe hở quá lớn khiến vật liệu trượt mà không đi vào các rãnh, làm tăng sinh nhiệt; khe hở quá nhỏ sẽ khiến vỏ con lăn tiếp xúc với mặt trong của khuôn, gây ra hư hỏng bề mặt nhanh chóng cho cả hai bộ phận.
• Kiểm tra kích thước thường xuyên: Đo đường kính lỗ khuôn tại nhiều vị trí trên mặt khuôn theo các khoảng thời gian đều đặn bằng cách sử dụng thước đo nút hoặc thước đo không khí đã hiệu chuẩn. Khi đường kính lỗ tăng hơn 5% so với danh nghĩa do hao mòn, độ đồng nhất và độ bền của đường kính viên sẽ giảm đến mức cần phải thay thế hoặc tái sản xuất khuôn. Theo dõi tốc độ mòn khuôn trên mỗi tấn thông lượng để dự đoán khoảng thời gian thay thế và duy trì lịch trình sản xuất.
• Chống ăn mòn trong quá trình bảo quản kéo dài: Khi khuôn vòng bằng thép không gỉ không được sử dụng trong thời gian dài, hãy làm sạch kỹ tất cả các rãnh khuôn bằng nước, sau đó xả bằng dung môi để loại bỏ vật liệu hữu cơ còn sót lại, sau đó phủ toàn bộ khuôn — bao gồm cả lỗ khoan — bằng dầu ức chế ăn mòn cấp thực phẩm. Bảo quản khuôn trong môi trường khô ráo, tránh xa chất tẩy rửa có chứa clorua hoặc không khí chứa muối vì có thể gây ra hiện tượng ăn mòn rỗ ngay cả trên bề mặt thép không gỉ trong quá trình bảo quản kéo dài.
• Đánh giá tái sản xuất: Khi khuôn vòng bằng thép không gỉ sắp hết tuổi thọ sử dụng đầu tiên do lỗ mở rộng, hãy đánh giá xem liệu việc tái sản xuất - khoan lại các lỗ hiện có thành đường kính lớn hơn, định hình lại các mũi khoan đầu vào và đánh bóng lại mặt khuôn bên trong - có hiệu quả về mặt chi phí so với khuôn mới hay không. Đối với các loại thép không gỉ có chi phí cao như 316L và 440C, quá trình tái sản xuất thường mang lại 40% đến 60% tuổi thọ của khuôn mới ở mức 25% đến 35% chi phí thay thế, khiến nó trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế khi thân khuôn vẫn có cấu trúc nguyên vẹn không bị nứt hoặc biến dạng.