Кольцевые матрицы из нержавеющей стали для грануляторов: полное руководство

Что такое кольцевая матрица в грануляторе?

Кольцевая матрица является основным компонентом гранулятора с кольцевой матрицей — наиболее широко используемого типа пресса-гранулятора в производстве кормов для животных, кормов для аквакультуры, топлива из биомассы и органических удобрений во всем мире. Это толстостенный полый цилиндр, изготовленный из высококачественной стали, с сотнями или тысячами радиально просверленных отверстий, называемых каналами матрицы или отверстиями матрицы, которые проходят через стенку матрицы от ее внутренней поверхности к внешней поверхности. Сырьевой материал, обработанный паром и влагой для уменьшения трения и улучшения связывания, подается внутрь фильеры с вращающимся кольцом и прижимается к внутренней поверхности двумя или более прижимными роликами. Когда ролики вдавливают материал в отверстия матрицы под высоким давлением, он выдавливается через каналы и выходит с внешней поверхности матрицы в виде непрерывных цилиндрических прядей, которые затем разрезаются по длине стационарными ножами, расположенными снаружи матрицы, для получения однородных гранул.

Кольцевая матрица одновременно является наиболее механически нагруженным и наиболее подверженным износу компонентом всего гранулятора. Каждый килограмм произведенных пеллет должен проходить через отверстия фильеры под давлением, которое может превышать 200 МПа у стенки канала фильеры, при температуре от 60°C до 90°C при гранулировании корма и до 120°C при работе с биомассой. Матрица должна сохранять свою размерную точность — особенно диаметр отверстия матрицы и гладкость канала — на протяжении миллионов циклов сжатия и сотен тонн производительности, прежде чем увеличение диаметра отверстия из-за износа снизит качество гранул ниже допустимых пределов. Таким образом, материал, из которого изготовлена ​​матрица, термическая обработка, которую она подвергает, и точность ее обработки являются основными факторами, определяющими стоимость производства на тонну, стабильность качества окатышей и общую рентабельность гранулятора.

Почему для кольцевых матриц рекомендуется использовать нержавеющую сталь

Кольцевые матрицы для грануляторов изготавливаются из двух основных категорий сталей: легированных инструментальных сталей (таких как 20CrMnTi, 42CrMo и D2) и нержавеющих сталей (чаще всего AISI 316L, 304 и мартенситных марок, таких как 420 или 440C). Выбор между этими категориями зависит от гранулируемого материала, нормативной базы, регулирующей конечный продукт, и условий производства, включая уровень влажности и химическое воздействие во время обработки.

Кольцевые матрицы из нержавеющей стали предназначены в первую очередь для применений, где устойчивость к коррозии является функциональным требованием, а не дополнительным обновлением. При производстве кормов для водных животных сырье содержит высокий уровень влаги — часто более 20 % — в сочетании с рыбной мукой, креветочной мукой и солесодержащими ингредиентами, которые создают коррозионную среду внутри каналов головки. Штампы из легированной инструментальной стали, используемые в этом процессе, подвергаются ускоренной коррозии, которая делает отверстие канала шероховатым, увеличивает трение, снижает производительность и в конечном итоге приводит к заклиниванию или растрескиванию канала. Пассивный слой оксида хрома из нержавеющей стали предотвращает этот механизм коррозии, сохраняя гладкость канала канала на протяжении всего срока службы матрицы. Аналогичным образом, при гранулировании органических удобрений соединения аммиака и органические кислоты, присутствующие в компостированных материалах, разрушают углеродистую сталь, которая быстро умирает; нержавеющая сталь обеспечивает химическую стойкость, необходимую для достижения коммерчески целесообразного срока службы штампа в этом применении.

Нормативные требования являются вторым фактором, определяющим спецификацию нержавеющей стали. При производстве кормов для домашних животных, фармацевтических наполнителей и гранулированных ингредиентов, пригодных для пищевых продуктов, прямой контакт между сырьем и поверхностью матрицы регулируется правилами безопасности пищевых продуктов, включая FDA 21 CFR, Регламент ЕС 1935/2004 и эквивалентными национальными стандартами, которые требуют, чтобы поверхности, контактирующие с пищевыми продуктами, были изготовлены из нетоксичных, устойчивых к коррозии материалов. Нержавеющая сталь марок 304 и 316L отвечает этим требованиям и является стандартной спецификацией для кольцевых матриц для кормов для домашних животных и пищевых грануляторов во всем мире.

Марки нержавеющей стали, используемые в производстве кольцевых штампов

Не все нержавеющие стали обеспечивают одинаковые характеристики при использовании кольцевых матриц. Выбор марки предполагает компромисс между коррозионной стойкостью, твердостью после термообработки, обрабатываемостью и стоимостью, которые должны соответствовать конкретным требованиям применения гранулирования.

АИСИ 316Л (1.4404)

316L представляет собой аустенитную нержавеющую сталь с содержанием молибдена от 2 до 3 процентов, которая обеспечивает превосходную стойкость к хлоридной точечной коррозии по сравнению со стандартом 304. Это предпочтительная марка для кольцевых матриц для кормов для аквакультуры, обработки морских ингредиентов и любых применений, где в сырье присутствуют хлоридсодержащие ингредиенты. Обозначение «Л» указывает на низкое содержание углерода (максимум 0,03%), что исключает сенсибилизацию — выделение карбидов хрома по границам зерен при сварке или воздействии повышенных температур — и сохраняет коррозионную стойкость в зонах термического влияния любых сварных ремонтов. Однако сталь 316L не поддается закалке путем термообработки и достигает максимальной твердости примерно 200 HB в отожженном состоянии, что значительно мягче, чем термообрабатываемые легированные стали, используемые в стандартных штампах. По этой причине кольцевые матрицы из 316L изнашиваются быстрее, чем матрицы из закаленной легированной стали, при работе с абразивным сырьем и лучше всего подходят для применений, где доминирующим механизмом износа является коррозия, а не истирание.

АИСИ 440С (1.4125)

440C — это мартенситная нержавеющая сталь с высоким содержанием углерода, которую можно закаливать и отпускать до твердости поверхности от 58 до 62 HRC, что сравнимо со многими традиционными легированными инструментальными сталями, используемыми при производстве стандартных кольцевых штампов. Такое сочетание коррозионной стойкости нержавеющей стали с высокой твердостью делает сталь 440C наиболее технически сложной и высокопроизводительной нержавеющей сталью для производства кольцевых штампов. Он предназначен для применений, требующих одновременно устойчивости к коррозии и стойкости к истиранию, таких как корм для креветок, содержащий абразивные ингредиенты, полученные из панциря, или гранулы удобрений с минеральными добавками. Более высокое содержание углерода в 440C по сравнению с 316L снижает его свариваемость и ударную вязкость, что делает его более восприимчивым к растрескиванию при ударной нагрузке, поэтому он наиболее подходит для стабильного, хорошо кондиционированного сырья без риска загрязнения твердыми инородными телами.

АИСИ 420 (1.4021)

Нержавеющая сталь 420 — это мартенситная марка со средним содержанием углерода, которая обеспечивает баланс между прокаливаемостью (достижимая твердость от 50 до 55 HRC после термообработки), коррозионной стойкостью и стоимостью. Это стандартная спецификация для кольцевых матриц общего назначения из нержавеющей стали в тех случаях, когда требуется умеренная коррозионная стойкость при разумном сроке службы, включая корм для птицы с добавлением рыбной муки, корм для свиней с влажными ингредиентами и переработку органических удобрений. Его коррозионная стойкость ниже, чем 316L или 440C в средах с высоким содержанием хлоридов, что делает его менее подходящим для составов с большим содержанием морских ингредиентов, но он обеспечивает адекватную защиту в большинстве стандартных применений сельскохозяйственных кормов с типичным уровнем влажности.

Критические параметры геометрии матрицы и их влияние на качество окатышей

Геометрия отверстий матриц — их диаметр, эффективная длина, степень сжатия, конструкция разгрузочного отверстия и качество поверхности — определяют давление гранулирования, производительность, твердость гранул, долговечность и энергопотребление гранулятора для любого конкретного сырья. Выбор правильной спецификации матрицы для нового применения требует понимания каждого из этих параметров и того, как они взаимодействуют.

Соотношение L/D является наиболее важным параметром геометрии матрицы для оптимизации качества гранул. Для кормов для бройлеров типичное соотношение L/D варьируется от 8:1 до 12:1; для кормов для аквакультуры, требующих высокой стабильности воды в гранулах, обычно используются соотношения от 12:1 до 20:1; для древесных гранул из биомассы, требующих максимальной плотности и долговечности, типичными являются соотношения от 6:1 до 10:1, с отверстиями большего диаметра (от 6 до 8 мм), чем при кормлении. Правильное соотношение L/D для конкретной рецептуры должно быть подтверждено посредством производственных испытаний, поскольку состав сырья, содержание влаги и распределение частиц по размерам влияют на коэффициент трения внутри каналов матрицы и, следовательно, на фактическое давление сжатия, создаваемое при заданном L/D.

Схема расположения отверстий матрицы и оптимизация открытой площади

Схема расположения отверстий матрицы по ее поверхности — их шаг (расстояние между центрами), шахматное расположение и получаемый в результате процент открытой площади — влияет как на производственную мощность матрицы, так и на ее структурную прочность. Шестиугольная схема расположения плотноупакованных отверстий максимизирует открытую площадь для заданного диаметра и шага отверстия, достигая процента открытой площади от 30% до 45% в зависимости от соотношения диаметра отверстия и шага. Прямые ряды легче изготовить, но при этом достигается меньшая открытая площадь. Увеличение открытой площади увеличивает пропускную способность на единицу площади лицевой поверхности матрицы, но уменьшает количество материала, остающегося между отверстиями, уменьшая сопротивление матрицы окружному окружному напряжению, создаваемому давлением гранулирования. Для штампов из нержавеющей стали, которые несколько мягче, чем штампы из закаленной легированной стали аустенитных марок, особенно важно тщательное управление открытым пространством, чтобы избежать усталостного растрескивания между отверстиями при циклической нагрузке.

Соответствие характеристик кольцевой матрицы рецептуре корма

Наиболее важным практическим решением при выборе кольцевой фильеры является согласование геометрии фильеры, в частности соотношения L/D и диаметра отверстий, с физическими свойствами конкретного гранулируемого корма. Использование неправильного соотношения L/D для рецептуры приводит либо к получению мягких, малопрочных гранул с плохими эксплуатационными характеристиками (слишком низкое L/D), либо к чрезмерному потреблению энергии, перегреву сырья и увеличению скорости износа матрицы (слишком высокое L/D).

• Составы с высоким содержанием клетчатки и низким содержанием крахмала (корма для жвачных животных, гранулы для кроликов, биомасса) требуют более высокого соотношения L/D — обычно от 10:1 до 14:1 — поскольку содержание клетчатки обеспечивает ограниченное связывание, а для достижения долговечности гранул необходимо более высокое давление сжатия. Эти рецептуры также выигрывают от более широких углов входного зенковки (от 60° до 90°), чтобы предотвратить засорение зоны входа в матрицу частицами длинных волокон.
• Составы с высоким содержанием крахмала и низким содержанием клетчатки (закваска для бройлеров, свиноводство) легко связываются при умеренном сжатии и обычно требуют соотношения L/D от 7:1 до 10:1. Чрезмерное сжатие этих составов снижает производительность без улучшения качества гранул и неоправданно увеличивает скорость износа матрицы.
• Рецептуры аквакормов с высоким содержанием рыбной или креветочной муки требуются как высокие соотношения L/D (от 12:1 до 20:1) для устойчивости гранул к воде, так и конструкция из нержавеющей стали для устойчивости к коррозии. Сочетание высокого давления сжатия и агрессивных ингредиентов делает нержавеющую сталь обязательным требованием, а не вариантом в коммерческом производстве кормов для аквакультуры.
• Составы органических удобрений представляют собой наиболее химически агрессивную среду гранулирования, в которой одновременно присутствуют аммиачные соединения, органические кислоты и высокое содержание влаги. Штампы из нержавеющей стали AISI 316L или 420 с рельефными отверстиями, которые уменьшают склонность к закупорке, являются стандартной спецификацией для этого применения в сочетании с регулярными протоколами очистки для предотвращения накопления солей аммиака в холостых каналах матрицы.

Новая процедура обкатки кольцевых матриц из нержавеющей стали

Новая кольцевая матрица из нержавеющей стали — независимо от марки и поставщика — требует тщательной процедуры обкатки перед запуском на полную производственную мощность. Процесс обкатки служит двум целям: он полирует поверхности отверстий каналов матрицы посредством контролируемого абразивного износа до оптимальной шероховатости поверхности для целевого сырья и позволяет оператору пресса выявлять любые заблокированные или аномально устойчивые каналы до того, как они вызовут повреждение роликов или перегрузку двигателя при полной производительности.

Стандартная процедура обкатки кольцевых матриц из нержавеющей стали включает заполнение всех каналов матрицы пропитанным маслом шлифовальным составом — смесью крупного песка или мелкого гравия с растительным или минеральным маслом — перед первым запуском матрицы. Затем мельница работает с уменьшенным зазором между валками и на низкой скорости в течение 15–30 минут, пока шлифовальная масса полирует стенки канала. После первого цикла измельчения матрицу промывают чистым маслянистым сырьем (обычно отрубями с добавлением масла) в течение 30–60 минут, чтобы удалить все остатки измельчающего состава перед введением производственного состава. Для матриц из нержавеющей стали фаза приработки обычно длится дольше, чем для матриц из легированной стали, поскольку аустенитные марки (316L, 304) более прочные и более устойчивы к деформационному упрочнению, поэтому для достижения желаемой чистоты поверхности отверстия требуется больше абразивных циклов.

Методы технического обслуживания, продлевающие срок службы кольцевой матрицы

Правильное техническое обслуживание между производственными циклами и в периоды простоя оказывает непропорционально большое влияние на достижимый срок службы кольцевых матриц из нержавеющей стали. Следующие методы являются наиболее эффективными этапами технического обслуживания операций по гранулированию кормов и удобрений.

• Засор масла перед остановом: В конце каждого производственного цикла фильеру следует наполнять богатым маслом сырьем или чистым растительным маслом, пропуская его через фильеру с пониженной производительностью в течение 5–10 минут. Остатки масла в каналах препятствуют высыханию и затвердеванию сырья внутри отверстий матрицы в периоды простоя, что приводит к закупорке каналов, для очистки которой требуется механическое расширение или полное разрушение закупоренных каналов.
• Правильная регулировка зазора между роликами: Поддержание правильного зазора между валком и матрицей — обычно от 0,1 до 0,3 мм для большинства применений подачи — предотвращает контакт металла с металлом между корпусом ролика и внутренней поверхностью матрицы, обеспечивая при этом равномерную подачу материала в каналы матрицы. Слишком большой зазор позволяет материалу скользить, не попадая в каналы, увеличивая выделение тепла; слишком маленький зазор приводит к контакту корпуса ролика с внутренней поверхностью матрицы, что приводит к быстрому повреждению поверхности обоих компонентов.
• Регулярный контроль размеров: Измерьте диаметр отверстия матрицы в нескольких местах по всей поверхности матрицы через равные промежутки времени, используя калиброванный калибр-пробку или воздушный манометр. Когда диаметр отверстия увеличивается более чем на 5 % по сравнению с номинальным из-за износа, стабильность диаметра гранул и долговечность ухудшаются до такой степени, что матрицу необходимо заменить или переоборудовать. Отслеживайте степень износа штампов на тонну производительности, чтобы прогнозировать интервалы замены и поддерживать график производства.
• Предотвращение коррозии при длительном хранении: Если кольцевая матрица из нержавеющей стали выводится из эксплуатации на длительный период, тщательно очистите все каналы матрицы водой с последующей промывкой растворителем для удаления остаточного органического материала, а затем покройте всю матрицу, включая отверстия каналов, пищевым ингибитором коррозии. Храните штамп в сухом месте, вдали от чистящих средств, содержащих хлориды, и воздуха, насыщенного солью, которые могут вызвать точечную коррозию даже на поверхностях из нержавеющей стали при длительном хранении.
• Оценка восстановления: Когда кольцевой штамп из нержавеющей стали подходит к концу своего первого срока службы из-за увеличения отверстия, оцените, является ли восстановление — повторное сверление существующих отверстий до большего диаметра, изменение профиля входных зенковок и повторная полировка внутренней поверхности штампа — экономически эффективным по сравнению с новым штампом. Для дорогостоящих марок нержавеющей стали, таких как 316L и 440C, восстановление обычно обеспечивает от 40% до 60% срока службы новой матрицы при 25%-35% стоимости замены, что делает ее экономически привлекательной, когда корпус матрицы остается структурно прочным, без трещин и деформаций.