Nghiên cứu, đề xuất các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao chất lượng chế tạo bộ khuôn ép viên gỗ

---QUÁCH THỊ BÌNH NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CHẾ TẠO BỘ KHUÔN ÉP VIÊN GỖ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên – 2015... ---QUÁCH THỊ BÌNH NGHIÊ

-QUÁCH THỊ BÌNH

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CHẾ TẠO BỘ KHUÔN

ÉP VIÊN GỖ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên – 2015

-QUÁCH THỊ BÌNH

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

CHẾ TẠO BỘ KHUÔN ÉP VIÊN GỖ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số:60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS.TRẦN MINH ĐỨC

Thái Nguyên – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Quách Thị Bình - Học viên cao học lớp K15 chuyên ngành Kỹ thuật Cơkhí, khóa 2012- 2014 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tôi lựa chọn thực

hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, đề xuất các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao chất lượng chế tạo bộ khuôn ép viên gỗ ”

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS Trần MinhĐức và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực vàchưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần thamkhảo đã được ghi rõ trong Luận văn

Thái Nguyên, ngày 27 tháng 10 năm 2015

Tác giả

Quách Thị Bình

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS TS Trần MinhĐức, thầy hướng dẫn khoa học của tôi đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trìnhnghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đãtạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiệnbản luận văn này

Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô giáo,các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn này

Tác giả

Quách Thị Bình

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Chương 1TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ SẢN XUẤT VIÊN GỖ NÉN1.1 Tổng quan về nhiên liệu gỗ nén dạng viên

1.1.1 Hiện trạng và nhu cầu sử dụng viên gỗ nén

1.1.2 Tổng quan về các thiết bị ép viên gỗ nén hiện nay

1.1.3 Yêu cầu kĩ thuật của viên gỗ nén mùn cưa

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của bộ khuôn ép viên gỗ của máy ép viênkhuôn phẳng

1.2.1 Độ bền mòn

1.2.2 Khả năng chống ăn mòn hóa học

1.2.4 Độ bền nhiệt

1.3 Tổng quan các nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng khi gia công bộ

khuôn ép viên gỗ trong và ngoài nước

1.3.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.3.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

1.3.3 Dự kiến vấn đề nghiên cứu

Kết luận chương

Chương 2CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHI CHẾ TẠO

KHUÔN ÉP VIÊN GỖ NÉN

2.1 Vật liệu làm khuôn

2.2 Chế độ công nghệ khi nhiệt luyện

2.2.1 Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép

2.2.2 Nhiệt luyện chân không

2.2.3 Nhiệt luyện thép SKD61

2.3 Các yếu tố công nghệ khi gia công

2.3.1 Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt

2.3.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt

2.3.4 Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội và chế độ bôi trơn

2.4 Giới hạn nghiên cứu

2.5 Phương pháp nghiên cứu

Kết luận chương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

10121313141515

17171818222324252526272828

Chương 3.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA v, S ĐẾN ĐỘ CHÍNH

XÁC HÌNH DÁNG HÌNH HỌC VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA HỆ LỖ

TRỤ KHI CHẾ TẠO KHUÔN ÉP VIÊN GỖ NÉN

a Nguyên tắc không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào

b Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học

c Nguyên tắc đối chứng với nhiễu

d Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá

e Nguyên tắc tối ưu của quy hoạch thực nghiệm

3.5.2 Ảnh hưởng của v,S đến sai lệch độ trụ

3.6 Chế tạo, chạy thử nghiệm và đánh giá chất lượng sản phẩm

1 Kết luận chung

2 Định hướng nghiên cứu tiếp theo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

ẢNH PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ẢNH CHỤP

2005

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.6 Đồ thị ảnh hưởng của v, S đến sai lệch độ trụ

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu về chất đốt ngày cànggia tăng kể cả trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống Trong khi đógiá thành của các chất đốt như điện, than đá, dầu gas rất cao đòi hỏi phải tìm kiếmnguồn nguyên liệu rẻ hơn mà vẫn có hiệu quả

Gần đây viên gỗ nén đang được sử dụng rộng rãi để làm chất đốt thay thếcho nhiên liệu truyền thống và đã mang lại hiệu quả cao Viên gỗ nén có nhiều ưuđiểm như thời gian đốt và nhiệt lượng cao, lượng tro tạo ra ít, giá thành thấp vàquan trọng là khí thải đạt chuẩn cho phép, không gây ô nhiễm môi trường Mặt khácviên gỗ nén được làm từ nguyên liệu gỗ thải, dăm bào, mùn cưa, đây là một loạinăng lượng sinh khối Nó đã, đang và sẽ là xu hướng năng lượng tái tạo mới bềnvững và thân thiện với môi trường

Để tạo ra viên gỗ nén phải có quá trình ép viên nhờ máy ép viên gỗ Máy épviên gỗ phổ biến là loại máy ép kiểu roller Nguyên lý của máy ép là dùng cơ chếroller ép lên bề mặt khuôn có đục lỗ với áp lực từ 150-400 MPa để tạo viên Để épđược viên có hình dạng và độ bền chắc nhất định thì khuôn ép phải chịu áp lực lớn,điều này làm cho khuôn ép mòn nhanh, dễ bị phá hỏng dẫn đến tuổi thọ của khuônthấp, nhanh phải thay khuôn và làm giảm chất lượng viên gỗ

Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo để nâng cao chất lượng khuôn ép cho cácmáy ép viên nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất viên gỗ nén là yêu cầu mang tính thựctiễn cao

Xuất phát từ các nhu cầu thực tiễn trên tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu, đề xuất các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao chất lượng chế tạo bộ khuôn ép viên gỗ”.

2 Mục đích nghiên cứu

Đưa ra các biện pháp công nghệ phù hợp để chế tạo được bộ khuôn ép viêngỗ

3 Đối tượng nghiên cứu

Khuôn ép viên gỗ kiểu khuôn phẳng

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu áp dụng trực tiếp vào chế tạo khuôn ép viên gỗ nén

6 Nôi dung luận văn

Nội dung của luận văn bao gồm:

Chương I: Tổng quan về nhu cầu sử dụng và sản xuất viên gỗ nén.

Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khi chế tạo khuôn ép viên

gỗ nén

Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của v, S đến độ chính xác

hình dáng hình học và chất lượng bề mặt của hệ lỗ trụ khi chế tạo khuôn ép viên gỗnén

Kết luận chung

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ SẢN XUẤT VIÊN GỖ NÉN1.1 Tổng quan về nhiên liệu gỗ nén dạng viên

1.1.1 Hiện trạng và nhu cầu sử dụng viên gỗ nén

Các cuộc khủng hoảng năng lượng trên thế giới do sự cạn kiệt về nguồnnguyên liệu chất đốt như than đá, dầu mỏ… cùng với sự nóng lên toàn cầu do chấtkhí thải CO2 từ các nhà máy công nghiệp đã đặt ra vấn đề cần tìm kiếm một nguồnnguyên liệu mới thay thế Điều này đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của nguồnchốt đốt nhân tạo – gọi tắt là viên nén nhiên liệu.Viên nén nhiên liệu làm từ nguồnphế liệu của ngành nông, lâm nghiệp như mùn cưa, dăm bào, gỗ thải, rơm, rạ trấu,

bã mía, thân cây ngô…và đã được sản xuất, sử dụng hàng thập kỷ ở nhiều nước trênthế giới[4]

Hình 1.1 Nguyên liệu chế biến viên nén nhiên liệu

Hình 1.2 Viên nén nhiên liệu

Viên gỗ nén (wood pellets) là một loại viên nén nhiên liệu phổ biến làm từmùn cưa được nén thành dạng viên nhỏ, chắc Viên gỗ nén ra đời đầu tiên ở Bắc Mỹđược sử dụng trong các ngành công nghiệp, thương mại với mục đích sưởi ấm, đunnấu Hiện nay, viên gỗ nén được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó được sửdụng trong chăn nuôi để lót chuồng trại, trong dân dụng để làm chất đốt cho cácthiết bị đun nóng, trong các lò đốt công nghiệp thay thế cho than đá, dầu, củi, khíđốt Đặc biệt viên nén được sử dụng trong sản xuất điện năng dùng làm nhiên liệuđốt trong các nhà máy nhiệt điện để giảm lượng khí thải ra môi trường Việc sửdụng viên nén gỗ là một lựa chọn hấp dẫn trong sản xuất điện để giảm lượng khíthải CO2 Mặt khác so sánh với gió và năng lượng mặt trời phụ thuộc vào thời tiết

và thay đổi theo mùa thì nguyên liệu sản xuất viên nén gỗ sẵn có và có thể tái tạo,

do đó cung cấp được nguồn nhiệt liên tục cho sản xuất điện Năm 2007, tại Bắc Mĩ

có khoảng 10 triệu tấn viên gỗ ép được sản xuất và tiêu thụ Mức độ sử dụng viên

gỗ nén tăng 40% trong giai đoạn 2003 – 2007.Theo công ty nghiên cứu và phân tíchthị trường gỗ International Wood Markets Group (Canada), Châu Âu tiêu thụkhoảng 13 triệu tấn viên gỗ nén trong năm 2012 Với đà này nhu cầu gỗ của Châu

Âu sẽ tăng lên 25-30 triệu tấn/năm vào năm 2020 [9]

Hình 1.3 Hiện trạng sử dụng các nguồn năng lượng trên thế giới năm 2005 [9]

Ở Việt Nam, viên gỗ nén là một nguồn nguyên liệu mới và đang được sửdụng khá phổ biến trong mấy năm gần đây Việt Nam có khí hậu nhiệt đới, là mộtnước nông nghiệp và có ngành công nghiệp chế biến lâm sản khá phát triển nên

lượng phế phẩm từ nông nghiệp và các nhà máy chế biến gỗ rất lớn Đây là nguồn nguyên liệu lớn cho sản xuất viên nhiên liệu[5].

Bảng 1.1 Tiềm năng sinh khối Việt Nam 2005 [5]

Sử dụng viên gỗ nén mang lại nhiều lợi ích như:

- Năng lượng sinh ra cao từ 4200- 4600 kcal/kg

- Sử dụng thuận lợi, chất lượng đồng nhất, có thể đốt ở nhiều loại lò khác nhau từ lò ở hộ gia đình đến lò hơi công suất vừa và nhỏ

- Tận dụng phần tro làm phân bón sạch

- Giảm vấn đề về xử lý chất thải cho các nhà máy chế biến gỗ

- Chi phí thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống

- Nguồn nguyên liệu sẵn có, tái sinh[5]

1.1.2 Tổng quan về các thiết bị ép viên gỗ nén hiện nay

Quy trình sản xuất viên gỗ nén thường trải qua các giai đoạn sau [5]:

+ Sấy: Mục đích nhằm giảm độ ẩm và tăng nhiệt độ của nguyên liệu, độ

ẩm phù hợp thường <15% và nhiệt độ > 700C

+ Nghiền: Mục đích nhằm giảm kích thước của nguyên liệu, thường yêu cầu nguyên liệu có đường kính < 1mm

+Nén: Mục đích tạo hình cho viên nén, đường kính của viên nén thường

từ 6-8 mm và chiều dài không quá 38 mm

+Làm mát: Mục đích giảm ẩm và đảm bảo sản phẩm có hình thức đẹp vàthời gian lưu trữ lâu dài

Về thiết bị ép viên, hiện nay sử dụng các loại máy ép viên phổ biến như sau [3]:

+ Máy ép viên dùng pittông

phẳng bao gồm kiểu quả lô quay và khuôn quay Loại khuôn quay thường đượcdùng với những máy có công suất nhỏ và ít được sử dụng hơn so với kiểu quả lôquay [4].

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý máy ép viên

dùng con lăn kiểu quả lô quay [8]

Hình 1.7 Khuôn phẳng trong máy

ép viên kiểu quả lô quay [8]

Nguyên lý hoạt động của máy ép viên trục đứng như sau: nguyên liệu đượcđưa vào trong buồng ép của máy ép viên, dưới tác dụng của lực ép của các conquay, nguyên liệu được nén chặt trong khuôn, đi ra khỏi khuôn và được dao cắtthành các chiều dài khác nhau sau đó được đưa ra khỏi buồng ép Tùy thuộc vàođường kính lỗ khuôn ép mà kích thước của viên ép có thể là 4, 6, 8, 10, 12 mm[4]

Quá trình hình thành viên của máy ép viên được tạo ra trên cơ sở tồn tại khe

hở giữa thể bột với khuôn ép và lô ép Nguyên liệu bột hỗn hợp dưới tác dụng củacác nhân tố nhiệt độ, lực ma sát và lực ép của lô tổng hợp lại khiến cho khoảngkhông của thể bột nhỏ lại mà hình thành viên có kích thước và độ chặt nhất định.Căn cứ vào trạng thái khác nhau của nguyên liệu bột trong quá trình ép có thể chia

ra 3 vùng: vùng cấp liệu, vùng ép biến dạng và vùng ép thành hình[4]

Hình 1.8 Trạng thái nguyên liệu bột trong quá trình ép viên [4].

+ Vùng cấp liệu:

Về cơ bản vật liệu không chịu ảnh hưởng của bất kỳ ngoại lực nào nhưng lạichịu ảnh hưởng của lực ép giữa quả lô và khuôn ép cùng với trọng lượng bản thânnguyên liệu khi rơi từ trên xuống, khiến cho vật liệu bị ép lên trên bề mặt củakhuôn, mật độ ≈ 0,4g/cm3[4]

lệ đàn hồi [4]

1.1.3 Yêu cầu kĩ thuật của viên gỗ nén mùn cưa

Việt Nam là quốc gia có ngành công nghiệp chế biến gỗ khá phát triển vì vậy

mà các phế phẩm (mùn cưa, dăm bào, dăm gỗ, đầu mẩu gỗ vụn, cành cây nhỏ) trongsản xuất, chế biến gỗ là vô cùng lớn.Viên nén mùn cưa thường dùng để sử dụngtrong các lò sưởi, là chất đốt có năng lượng sinh ra cao từ 4500 ~ 4800 kcal/kg vàlượng tro tàn rất nhỏ, là sản phẩm rất được ưa chuộng tại thị trường Châu Âu, NhậtBản, Hàn Quốc, Bắc Mỹ…vì các khu vực này thường có nhiệt độ rất thấp và mỗigia đình đều sử dụng lò sưởi Trong khi nguồn nguyên liệu sản xuất viên nén mùncưa tại các nước này bị hạn chế Xuất phát từ nhu cầu thực tế sản xuất, tác giả tậptrung tìm hiểu yêu cầu kỹ thuật của viên gỗ ép mùn cưa

Sản phẩm viên nén mùn cưa khi đưa ra thị trường phải có các đặc tính kỹthuật sau:

+ Đường kính viên nén: 6,8,10 mm

+ Chiều dài viên nén: 10-50 mm

+ Khối lượng riêng lớn

Ma sát giữanguyên liệu bị

1.2.2 Khả năng chống ăn mòn hóa học

Trong nguyên liệu để ép viên là sự tổng hợp của nhiều thành phần chất hữu

cơ, kháng sinh, dầu, và nước dưới tác dụng của nhiệt độ thì sinh ra phản ứng hoáhọc ăn mòn khuôn và quả lô ép nhanh chóng [8] Ngoài ra, các hạt nguyên liệutrước khi được nén thành viên có yêu cầu về hàm lượng ẩm, trong quá trình nénviên xảy ra hiện tượng loại nước trong các hạt nguyên liệu Điều này dẫn đến xảy racác phản ứng hóa học trong các lỗ khuôn, khuôn bị mòn nhanh do sự ăn mòn hóahọc ở nhiệt độ cao [4]

1.2.3 Độ bền cơ học

Hình 1.10 Sự hình thành viên nén [8]

Trong quá trình nén viên, dưới sự quay của con lăn hoặc khuôn, các hạtnguyên liệu được nén chặt trong các lỗ khuôn ép Áp lực đặt lên con lăn PR ngượcchiều và bằng với áp lực đơn vị Px hình thành trong các lỗ khuôn Áp lực PR phụthuộc vào kích thước và công suất của máy nén viên Khi áp lực đơn vị hình thànhtrong các lỗ khuôn lớn hơn áp lực PR, máy nén viên sẽ bị khóa lại, áp lực PR trêncon lăn không có khả năng cung cấp một lực nén cần thiết để đẩy nguyên liệu nénvào trong các lỗ khuôn ép Nghiên cứu của Holm et al (2006) đã chỉ ra rằng, lựcchính hoạt động trong quá trình nén là lực ma sát giữa các hạt nguyên liệu và áp lựctrên các thành lỗ khuôn của khuôn ép Áp lực đơn vị trong các lỗ khuôn ép đượcxác định theo công thức:

P  P

N 0 ( e

LR c 1)

xLR

Trong đó:

- Px: Áp lực đơn vị trong mỗi lỗ khuôn

- PN0: Áp lực nén trước khi các hạt nguyên liệu được nén trong mỗi lỗ

khuôn

: hệ số poisson, các chỉ số L là sự giãn dài theo chiều dọc và R là độ biến dạng theo hướng kính

- μ : hệ số ma sát giữa các hạt nguyên liệu và lỗ khuôn.

- c : tỉ số nén, là tỉ số giữa chiều dài viên nén và đường kính lỗ khuôn

c  x

2r

, với x là chiều dài viên nén

Áp lực đơn vị tăng theo hàm số mũ theo chiều dài viên nén Với giả thuyết,các hạt nguyên liệu bị nén là vật liệu đẳng hướng và có tính chất đàn hồi, cấu trúcviên nén được sắp xếp trực giao tiếp tuyến với các lỗ khuôn ép Khi các hạt nguyênliệu được ép trong các lỗ khuôn, viên nén bị biến dạng theo phương hướng kính vàphương dọc theo chiều dài lỗ khuôn ép, hình thành áp lực nén trong các lỗ khuôn.Khi các hạt nguyên liệu được điền đầy trong các lỗ khuôn áp lực nén dọc theo chiềudài lỗ khuôn sẽ dần chuyển thành áp lực nén theo phương ngang tác dụng lên thànhcác lỗ khuôn, kết quả sinh ra ma sát giữa lỗ khuôn ép và viên nén Do đó, trong quátrình nén viên, khuôn ép phải chịu một áp lực nén lớn trong quá trình hình thànhviên nén[8]

Theo [4] áp lực tác dụng lên khuôn phẳng có thể lên tới 30-40 MPa

1.2.4 Độ bền nhiệt

Trong quá trình nén viên, nhiệt độ nén viên trong khoảng 60oC – 140oC.Nhiệt sinh ra trong quá trình nén là do ma sát giữa các hạt nguyên liệu nén vớithành các lỗ khuôn ép và bề mặt khuôn ép Nhiệt độ viên nén trong khuôn nénkhoảng 90oC, khi viên nén hình thành và thoát ra khỏi khuôn nén thì nhiệt độ viênnén giảm xuống rất nhanh còn khoảng 70oC và khi viên nén được đưa ra khỏibuồng nén thì nhiệt độ viên nén giảm xuống < 50oC [8]

Hình 1.11 Trường nhiệt độ của khuôn [8].

Ngoài ra, trong quá trình tạo viên, khuôn chịu sức ép co dãn của vật liệu ép

và quả lô ép miết bột vào lỗ khuôn cũng gây ra ma sát phát sinh nhiệt [4]

1.3 Tổng quan các nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng khi gia công bộ khuôn ép viên gỗ trong và ngoài nước

1.3.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới

Theo [7], Niels Peter K Nielsen đã phân tích, nghiên cứu ảnh hưởng khi thayđổi hàm lượng ẩm của nguyên liệu tới quá trình nén viên và chất lượng viên sau khinén bao gồm: độ bền của viên nén và độ ổn định của quá trình nén Kết luận của cácnghiên cứu này đã đưa ra được hàm lượng ẩm tối ưu cho từng nguyên liệu ép viên.Khi tăng hay giảm hàm lượng ẩm của nguyên liệu lên trên hàm lượng ẩm tối ưu sẽlàm ảnh hưởng tới đặc tính cơ học của viên nén và làm giảm tỉ trọng viên nén saukhi nén Độ ẩm thích hợp từ 11%-14%

Theo [7], nhiệt độ nén cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình nén viên.Nhiệt độ nén viên trong khuôn ép khoảng 90oC và sau khi ra khởi khuôn nhiệt độviên nén giảm xuống khoảng 70oC và nguội nhanh chóng Sự giảm nhiệt nhanh là

do sự truyền nhiệt giữa khuôn ép và viên nén xảy ra trong thời gian ngắn, sự truyềnnhiệt chỉ xảy ra trên bề mặt viên nén nên sau khi ra khỏi khuôn nhiệt độ viên néngiảm nhanh Khi tăng nhiệt độ của khuôn ép sẽ làm giảm ma sát giữa lỗ khuôn vàviên nén do sự loại bỏ nước và chiết suất dầu trong nguyên liệu như chất bôi trơngiữa viên nén và lỗ khuôn

Theo [1], Wolfgang Stelte nghiên cứu ảnh hưởng áp suất nén tới độ đầm chặt

và tính bền, tính cứng của viên nén cũng như sự tiêu thụ năng lượng trong quá trìnhnén viên Các nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng khi tăng áp suất nén sẽ làm tăng mật

độ đầm chặt của viên nén, và áp suất thích hợp cho sản xuất viên nén trong khoảng

50 – 60 MPa Trong phạm vi áp suất nén này, đặc tính cơ học của viên nén, độ bềnnén và tính cứng của viên nén được cải thiện đáng kể Các nghiên cứu cũng chothấy, các thông số của quá trình nén: hàm lượng ẩm, nhiệt độ nén, tỉ số nén (tỉ sốnén được xác định là tỉ số giữa chiều dài viên nén trong lỗ khuôn và đường kính lỗkhuôn) có ảnh hưởng tới áp suất trong quá trình nén viên

Theo [2] kích thước hạt ảnh hưởng tới đặc tính ép chặt của viên nén Khigiảm kích thước hạt nguyên liệu nén sẽ làm tăng ma sát trong các lỗ khuôn ép vớiviên nén do sự tăng diện tích tiếp xúc của hạt nguyên liệu với lỗ khuôn, do đó làmcho khuôn nhanh mòn hơn Kích thước hạt hợp lý có đường kính < 1mm

Theo [8] kích thước lỗ khuôn và tỉ số nén (tỉ số giữa chiều dài viên nén vàđường kính lỗ khuôn) là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới việc hình thành áp suất néntrong quá trình nén viên Khi tăng chiều dài lỗ khuôn sẽ làm tăng đặc tính nén chặtcủa viên nén Tuy nhiên, chiều dài lỗ khuôn và đường kính lỗ khuôn được xác địnhthông qua tỉ số nén và các thông số ảnh hưởng tới quá trình nén khác (nhiệt độ, kíchthước hạt và độ ẩm nguyên liệu)

1.3.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Theo [4] những năm gần đây, nền kinh tế nước ta có những bước phát triểnkhá tốt, nhu cầu về máy ép viên là khá lớn với nhiều lĩnh vực như: Chế biến thức ăngia súc, gia cầm, thức ăn thuỷ sản, ép viên rác thải làm phân bón… Theo thống kêcủa Cục Chăn nuôi, hiện cả nước có cũng hàng trăm nhà máy xử lý phế phụ phẩmcủa ngành nông nghiệp…Nhu cầu về máy ép viên là rất lớn, tuy nhiên nguồn cungcấp chủ yếu lại là từ nhập khẩu với giá thành rất cao không phù hợp với túi tiền củacác nhà sản xuất trong nước Cũng đã có một số cơ quan đi vào nghiên cứu, sảnxuất máy ép viên như: Viện NCTKCT máy Nông Nghiệp, Viện Cơ Điện NôngNghiệp máy ép củi từ trấu như Viện Năng lượng… hay sản xuất than hoạt tính từtrấu tại trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, tuy vậy kết quả còn rất

hạn chế và lĩnh vực nghiên cứu về máy ép viên nhiên liệu từ phụ phế liệu nôngnghiệp và rác thải thì hầu như còn bỏ ngỏ.

1.3.3 Dự kiến vấn đề nghiên cứu

Từ nhu cầu sản xuất thực tế và những hạn chế của các đề tài nghiên cứutrước đây, tác giả nhận thấy cần có nghiên cứu cụ thể về biện pháp công nghệ nhằmnâng cao chất lượng của khuôn ép viên gỗ của máy ép viên khuôn phẳng

Xuất phát từ các yêu cầu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu, đề xuất các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao chất lượng chế tạo bộ khuôn ép viên gỗ”.

Kết luận chương

Do những ưu điểm nổi trội như năng lượng sinh ra cao, lượng tro tàn nhỏ do

độ ẩm thấp, giảm lượng khí thải độc hại, giảm hiệu ứng nhà kính, thân thiện vớimôi trường mà ngày nay viên gỗ nén được sản xuất và sử dụng rất rộng rãi

Chất lượng bề mặt khi gia công khuôn và tuổi bền của khuôn có ảnh hưởnglớn đến năng suất và chất lượng viên nén Vì vậy khuôn phải đảm bảo một số yêucầu: hạn chế mài mòn và biến dạng khuôn, chịu được lực nén ép lớn để tránh nứt ,

vỡ khuôn, độ bóng bề mặt khuôn cao Khi khuôn bị mài mòn nhanh khe hở giữakhuôn và con lăn tăng, giảm tỉ số nén làm giảm lực ép dẫn đến chất lượng viên épgiảm (không đảm bảo độ chặt của sản phẩm), năng suất giảm Ngoài ra, nhám bềmặt, sai số hình dáng hình học của khuôn càng lớn, ma sát giữa nguyên liệu và lỗkhuôn tăng dẫn đến tăng nhiệt sinh ra trong quá trình ép, tăng lực ép; ảnh hưởngxấu đến chất lượng sản phẩm và cần máy có công suất lớn hơn

Nghiên cứu các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao chất lượng bề mặt vàtuổi bền của khuôn khi gia công khuôn ép viên gỗ của máy ép viên khuôn phẳng lànhu cầu tất yếu

Trong điều kiện sản xuất trong nước chủ yếu là sản xuất đơn chiếc; để đạtyêu cầu nhám bề mặt Ra ≤ 1.25 µm, bề mặt lỗ khuôn thường trải qua hai bước côngnghệ là khoan và đánh bóng Việc nâng cao độ chính xác gia công và nhám bề mặt

ở nguyên công khoan sẽ góp phần rất lớn trong việc giảm thời gian ở nguyên công đánh bóng qua đó nâng cao năng suất gia công.

Qua việc nghiên cứu tổng quan, tác giả xác định mục đích nghiên cứu là xácđịnh chế độ công nghệ hợp lý khi khoan hệ lỗ trụ trên khuôn phẳng ứng với điềukiện hiện có

Chương 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHI CHẾ TẠO

KHUÔN ÉP VIÊN GỖ NÉN2.1 Vật liệu làm khuôn

Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn ép là việc quan trọng trong quy trình côngnghệ chế tạo bộ khuôn Vật liệu được sử dụng để chế tạo khuôn phải đảm bảo cácyêu cầu về: độ cứng, độ bền nhiệt, tính chống mài mòn và tính chống ăn mòn hóahọc ở nhiệt độ cao Hiện nay, vật liệu làm khuôn trên máy ép viên gỗ khuôn phẳngthường sử dụng các loại thép (theo tiêu chuẩn ΓOCT 4543-71) như: 9XC, 20X, haySKD61 (theo tiêu chuẩn JIS 4404-2000) [20, 21]

Thép 9XC là thép hợp kim có hàm lượng cacbon cao, hàm lượng cacbonkhoảng 0,6 – 0,7 % Thép hợp kim 9XC có ưu điểm: độ cứng cao, độ dẻo dai tốt,biến dạng do nhiệt nhỏ, độ cứng lớp bề mặt sau nhiệt luyện có thể đạt tới 60 – 62HRC Tuy nhiên, sau nhiệt luyện độ bền nén và tính chống mài mòn của thép lạigiảm, tính gia công kém, nhạy với nhiệt, khi nhiệt luyện dễ bị nứt, dễ sinh ra lớpthoát cacbon ảnh hưởng xấu đến độ cứng Do đó, thép hợp kim 9XC thích hợp đểchế tạo dụng cụ cắt có độ cứng cao, tính chịu mài mòn, tốc độ cắt thấp như: mũikhoan, dụng cụ gia công ren, khuôn nguội [10]

Thép 20X có hàm lượng khoảng 1%Cr, được dùng phổ biến trong cơ khí đểlàm các chi tiết loại nhỏ, có hình dáng không quá phức tạp Sau khi thấm Cac bon,thép có thể đạt độ cứng 60-62 HRC, tính chống mài mòn cao Hàm lượng Cr giúpnâng cao tính thấm tôi của thép Độ bền cao khoảng 700 – 800MPa Tuy nhiên,nhược điểm của thép là có khuynh hướng bão hòa cacbon tạo ra lưới cacbit nên gâygiòn Thép 20X yêu cầu thấm Cacbon, nhiệt độ thấm cao 900oC – 920oC gây ra cáckhuyết tật trong quá trình nhiệt luyện và thường yêu cầu phương pháp gia công tinhsau nhiệt luyện [10]

Vật liệu SKD 61 là thép hợp kim gia công nóng, theo tiêu chuẩn JIS-G4404của Nhật Bản, theo tiêu chuẩn Mỹ có kí hiệu là AISI H13

Đặc điểm của vật liệu này là thuộc nhóm hợp kim Crôm, Molybden,Vanadium gia công nóng, có tính chống mài mòn nóng cao, độ dai nóng cao, truyềnnhiệt tốt, không bị nứt khi nhiệt cao, kích thước ổn định sau khi nhiệt luyện, độcứng sau khi nhiệt luyện đạt khoảng 53 HRC, biến dạng ít sau nhiệt luyện và tính dễgia công Nhờ có tỷ lệ tích hợp của 3 nguyên tố cơ bản là Cr, Mo và V kết hợp vớihàm lượng % C thích hợp để tạo thành những cacbit Mo6C, VC , Cr7C3 mà loại thépnày có khả năng duy trì độ bền và độ cứng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài Độcứng nóng cao, độ cứng giảm không đáng kể trong khoảng nhiệt độ làm việc đến

400oC, giảm ít trong khoảng nhiệt độ 400oC-500oC, (vẫn duy trì độ cứng khoảng35-40HRC) Vật liệu SKD 61 được sử dụng phổ biến cho gia công nóng, khuôn đúc

áp lực, khuôn rèn dập, dao cắt nóng, [10]

Từ các phân tích kể trên, tác giả lựa chọn vật liệu làm khuôn là SKD 61 Việclựa chọn vật liệu SKD61 không chỉ đáp ứng được các yêu cầu làm việc của khuônđồng thời lựa chọn được biện pháp nhiệt luyện hợp lí sẽ không cần gia công saunhiệt luyện mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác và chất lượng bề mặt củakhuôn

2.2 Chế độ công nghệ khi nhiệt luyện

Trong nhiều yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của các sản phẩm

cơ khí chất lượng cao, yếu tố tính chất vật liệu của khuôn là quan trọng nhất Nóiđến tính chất vật liệu là nói đến tổ chức tế vi và tính chất cơ lí của vật liệu Hai tínhchất này ngoài yếu tố đầu vào (mác vật liệu) thì phụ thuộc chủ yếu vào quá trìnhnhiệt luyện Nhiệt luyện giúp nâng cao tuổi thọ chi tiết lên nhiều lần so với các chitiết không qua nhiệt luyện hoặc nhiệt luyện không đạt yêu cầu [11]

2.2.1 Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép

Một quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát bao gồm austenit hóa ( nungnóng và giữ nhiệt), làm nguội (tôi) và ram Mỗi công đoạn của quá trình này đều cóảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nhiệt luyện để nhận được tính chất mongmuốn Hình 2.1 là sơ đồ quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát [21]

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát.

Austenit hoá (nung nóng và giữ nhiệt)

Austenit hóa là quá trình hoà tan đến mức độ cần thiết cácbon và các nguyên

tố hợp kim để nền có khả năng cứng sau tôi nhưng không làm thô hạt và giòn Ởnhiệt độ austenit hoá, carbid được hoà tan và nền thì chuyển từ ferrit sang austenit.Như vậy, C và các nguyên tố hợp kim từ carbid có thể hoà tan được vào nềnaustenit, do khả năng hòa tan C và các nguyên tố hợp kim khác của austenit cao hơnnhiều so với ferrit

Trong quá trình nung nóng đến nhiệt độ tôi, tuỳ theo hình dáng sản phẩm,nên tiến hành 2 giai đoạn nung sơ bộ nhằm mục đích khử các ứng suất sinh ra trongquá trình gia công cơ khí Giai đoạn 1 ở nhiệt độ khoảng 650o –700oC với tốc độnung không nên vược quá 220oC/h, giai đoạn 2 là khoảng 810oC - 870oC Tại 2 giaiđoạn này, thời gian giữ nhiệt cần đủ để cân bằng nhiệt độ bề mặt và trong lõi (thờigian giữ nhiệt phụ thuộc vào kích thước, chiều dày của chi tiết)

Nhiệt độ tôi có tầm quan trọng đặc biệt khi tôi, nhiệt độ này sẽ quyết địnhhàm lượng %C cũng như % các nguyên tố hợp kim trong austenit và cuối cùng làquyết định đến độ cứng sau khi tôi Khi nung đến nhiệt độ tôi, một phần carbidđược hoà tan vào austenit

Nhiệt độ tôi cao thì lượng carbid sẽ hoà tan nhiều hơn Carbid được hoà tan

sẽ làm giàu thêm C và các nguyên tố hợp kim cho austenit Khi tôi, lượng carbidnày trong dung dịch sẽ có xu hướng kết tinh ở biên giới hạt làm giảm độ dẻo dai(toughness) của vật liệu Khi nhiệt độ tôi cao sẽ tăng hàm lượng %C và nguyên tốhợp kim và như thế sẽ tăng độ cứng martensit sau tôi, tuy nhiên cũng đồng thời tănglượng austenit dư Trong trường hợp, nếu carbid không hoà tan được hoàn toàn vàmột lượng lớn carbid tồn tại dưới dạng các hạt tròn trong nền, và như thế sẽ khôngtạo thành lưới carbid xung quanh biên giới hạt Carbid VC là bền vững nhất, phầnlớn không bị hoà tan ở nhiệt độ tôi Austenit được làm giàu C sẽ hình thànhmartensit giàu C và như thế sẽ tăng độ cứng và độ bền của sản phẩm Tuy nhiên nếunhiệt độ cao quá sẽ có hiện tượng thô hạt thậm chí chảy cục bộ rất nguy hiểm Vìthế trong mọi trường hợp không nên để quá nhiệt để tránh sự thô hạt mà có thể dẫnđến nứt, nhiều austenit dư làm giảm độ cứng và làm biến dạng sản phẩm

Nhiệt độ tôi thấp, ngược lại, cho ta sản phẩm có độ dẻo cao hơn, tuy nhiênnếu thấp quá khi chưa hoà tan được carbid thì sẽ không nhận được sản phẩm có độcứng cao để sau khi ram có được tính chất tốt hơn

Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi cũng là một thông số quan trọng Thời giannày phụ thuộc vào thiết bị nung, nhiệt độ tôi cũng như kích thước sản phẩm Thôngthường với lò điện trở, thời gian giữ nhiệt được tính khi bắt đầu đạt nhiệt độ tôi là1h/25mm chiều dày sản phẩm

Dầu có tốc độ nguội chậm hơn nước và thường để tôi thép hợp kim trungbình và cao Để có được khả năng làm nguội tốt nhất, dầu tôi nên có nhiệt độ