一種新型的煙花開苞藥滾擠造粒技術(shù)

楊瑞 歐陽八生

[1]。傳統(tǒng)的煙花開苞藥是由人工將多種超細(xì)（粒徑<74μm）的化工原料直接手工攪拌混制而成的具有爆炸性的混合物，其危險性極大。首先，由于此類開苞藥粉末超細(xì)，混藥時浮塵極多、藥劑拋灑嚴(yán)重，

會導(dǎo)致生產(chǎn)過程中粉塵濃度極高，容易達(dá)到飽和狀態(tài)，漂浮在空中的藥粉只要有一點(diǎn)點(diǎn)火星

（如靜電或黑色金屬之間的撞擊產(chǎn)生火星）就容易引起爆炸，難以安全生產(chǎn)；第二，粉塵漂

浮在空中，難以回收，會對生產(chǎn)廠周圍環(huán)境造成極大的污染；第三，漂浮的粉塵，容易被人

體吸入，嚴(yán)重危及人們的健康；最后，此類微細(xì)粉塵，制約了煙花的自動化生產(chǎn)：如煙花自動化生產(chǎn)線設(shè)備由于運(yùn)動會產(chǎn)生摩擦和靜電，而這種微細(xì)粉塵具有極易燃易爆特性，對機(jī)械化安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大隱患，制約了煙花生產(chǎn)自動化的發(fā)展；又如開苞藥的自動裝藥工序中，粉塵在裝藥的過程中會粘附在紙筒的螺旋槽內(nèi)，在封閉紙筒的過程中會與粉末產(chǎn)生摩擦和靜電，從而容易引發(fā)爆炸、火災(zāi)；再者，粉末狀的開苞藥不易于自動計量，使得每個紙筒內(nèi)所裝的開苞藥重量不等，影響燃放效果等等。

因此，將粉末狀的開苞藥制成顆粒狀的微粒來降低粉塵濃度、靜電感度和摩擦感度以改變其物理特性，提高煙花生產(chǎn)的安全性和環(huán)境的清潔性是必要的；同時避免傳統(tǒng)的制造方法中手工干混后直接裝筒，導(dǎo)致煙花筒中多種金屬粉因質(zhì)量組份不同而分離，影響煙花開苞藥燃摘 要：煙花開苞藥的造粒有利于環(huán)保和人體健康，更有利于煙花自動化生產(chǎn)的安全性。針對煙花開苞藥造粒的必要性和特殊性，文章介紹了一種新型的滾擠造粒方法，分析了滾擠造粒的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了滾輪與齒板組件、篩網(wǎng)等關(guān)鍵部件的設(shè)計與制造要點(diǎn)，討論了滾擠造粒相關(guān)參數(shù)的選取。該技術(shù)的應(yīng)用對煙花制造業(yè)的潔凈化、自動化、智能化安全生產(chǎn)提供了有力的保障。

關(guān)鍵詞：開苞藥；滾擠造粒；原理及結(jié)構(gòu)

1 煙花開苞藥造粒的必要性

椐資料統(tǒng)計，煙花廠43.59%爆炸事故是由開苞藥混藥工序引起的[1]。傳統(tǒng)的煙花開苞藥是由人工將多種超細(xì)（粒徑<74μm）的化工原料直接手工攪拌混制而成的具有爆炸性的混合物，其危險性極大。首先，由于此類開苞藥粉末超細(xì)，混藥時浮塵極多、藥劑拋灑嚴(yán)重，會導(dǎo)致生產(chǎn)過程中粉塵濃度極高，容易達(dá)到飽和狀態(tài)，漂浮在空中的藥粉只要有一點(diǎn)點(diǎn)火星（如靜電或黑色金屬之間的撞擊產(chǎn)生火星）就容易引起爆炸，難以安全生產(chǎn)；第二，粉塵漂浮在空中，難以回收，會對生產(chǎn)廠周圍環(huán)境造成極大的污染；第三，漂浮的粉塵，容易被人體吸入，嚴(yán)重危及人們的健康；最后，此類微細(xì)粉塵，制約了煙花的自動化生產(chǎn)：如煙花自動化生產(chǎn)線設(shè)備由于運(yùn)動會產(chǎn)生摩擦和靜電，而這種微細(xì)粉塵具有極易燃易爆特性，對機(jī)械化安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大隱患，制約了煙花生產(chǎn)自動化的發(fā)展；又如開苞藥的自動裝藥工序中，粉塵在裝藥的過程中會粘附在紙筒的螺旋槽內(nèi)，在封閉紙筒的過程中會與粉末產(chǎn)生摩擦和靜電，從而容易引發(fā)爆炸、火災(zāi)；再者，粉末狀的開苞藥不易于自動計量，使得每個紙筒內(nèi)所裝的開苞藥重量不等，影響燃放效果等等。

因此，將粉末狀的開苞藥制成顆粒狀的微粒來降低粉塵濃度、靜電感度和摩擦感度以改變其物理特性，提高煙花生產(chǎn)的安全性和環(huán)境的清潔性是必要的；同時避免傳統(tǒng)的制造方法中手工干混后直接裝筒，導(dǎo)致煙花筒中多種金屬粉因質(zhì)量組份不同而分離，影響煙花開苞藥燃放性能。

2 現(xiàn)有造粒技術(shù)

使細(xì)粉物料聚成較大實體的過程稱為造粒過程。粉體造粒技術(shù)分為兩大類，第一類是成型加工法，該方法是將粉體物料使用特定的一些設(shè)備和工藝方法，加工成為符合需求的形狀、密度、成分等的團(tuán)狀物料；第二類是粒徑增大法，主要是把粉體通過團(tuán)聚作用制成較大的顆粒[2]。按照實現(xiàn)小顆粒團(tuán)聚的基本原理，可以把現(xiàn)有的粉體處理技術(shù)分為攪拌造粒法[2]、沸騰造粒法[3]、噴霧干燥造粒法[4]、壓力成型造粒法[5]、熱熔融成型法[2]、超臨界流體造粒法[6]、圓盤造粒法[7]。

造料技術(shù)已在化工、食品、藥品等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但應(yīng)用于煙花制造業(yè)起步較晚，目前僅被利用到火藥和亮珠的造粒過程中，綜合這些傳統(tǒng)的造粒方法，其主要缺點(diǎn)是：要么造出的顆粒太大，不能滿足開苞藥粒徑需要（如：攪拌造粒法、擠壓造粒法、擠出滾圓造粒法、回轉(zhuǎn)冷帶落模法）；要么造粒裝置中壓力太大或者溫度太高，不能滿足開苞藥造粒的安全生產(chǎn)（如：沸騰造粒法、噴霧干燥造粒法、超臨界流體造粒法）；要么制造出的顆粒粒度不均勻、且粒度比較疏松（如：圓盤造粒法、攪拌造粒法、沸騰造粒法）等等。

煙花開苞藥與火藥和亮珠存在很大的差異性[8～9]，除了粒度大小差異較大外，其靜電感度、摩擦感度、起始反應(yīng)溫度等物理特性差別也很大，因此，現(xiàn)有造粒方法幾乎不能直接應(yīng)用于煙花開苞藥的造粒生產(chǎn)。本文介紹一種新型的滾擠造粒方法，探討其造粒原理、造粒設(shè)備的設(shè)計與制造要點(diǎn)，并對相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步分析，有利于煙花制造業(yè)的自動化和智能化，更有利于安全生產(chǎn)。

3 滾擠造粒技術(shù)的原理及特點(diǎn)

3.1 滾擠造粒原理

本研究提出一種滾擠造粒法，其傳動系統(tǒng)原理如圖1 所示。防爆電機(jī)1，經(jīng)聯(lián)軸器2、減速器3，將動力傳至曲柄搖桿機(jī)構(gòu)4，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閬砘負(fù)u擺運(yùn)動，然后通過鏈輪傳動機(jī)構(gòu)5使搖擺轉(zhuǎn)角放大到360度，最后通過萬向傳動裝置6，穿過防爆墻將動力傳送至滾輪組件7，使其作正反360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以實現(xiàn)滾擠造粒運(yùn)動。

滾擠造粒的工作原理如圖2所示，造粒組件主要由滾輪及齒板組件1、篩網(wǎng)2、張緊輪3等部分組成。先調(diào)節(jié)兩張緊輪3使篩網(wǎng)2成張緊狀態(tài)，并使篩網(wǎng)與滾輪及齒板組件相互包緊成一合適包角，形成一包容空間，原料經(jīng)添加適量膠溶液混合攪拌成半濕料后，從入料口進(jìn)入造粒組件容積內(nèi)，由于滾輪1正反間斷式來回旋轉(zhuǎn)，使得滾輪的齒板對物料產(chǎn)生擠壓（如圖3），然后將物料從篩網(wǎng)2中擠出，形成顆粒狀物料，再經(jīng)后續(xù)干燥等工序，完成造粒。

3.2 滾擠造粒的特點(diǎn)

（1）該造粒方法屬常溫的濕法造粒，能保證造粒過程的安全性。造粒物料其粉體間隙完全被膠溶液所充滿，形成液體架橋，具有一定強(qiáng)度，在干燥的過程中，顆粒中的酒精揮發(fā)后，殘留的粘結(jié)劑成為固體架橋，使得微粒具有一定的強(qiáng)度，且微粒內(nèi)的成分含量均勻。該方法特別適用于煙花開苞藥這種具有易燃易爆特性物質(zhì)的造粒。

（2）微粒的粒徑可由篩網(wǎng)的網(wǎng)孔的大小來控制，所造微粒大小分布均勻。制備不同粒徑的微粒，只需要更換不同孔徑的篩網(wǎng)，操作便利。

（3）造粒設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，由于采用多齒板連接擠壓，生產(chǎn)效率高。

（4）采用編織篩網(wǎng)，不僅增強(qiáng)了篩網(wǎng)的使用壽命，還提高了微粒的圓整度和造粒效率。

4 滾擠造粒關(guān)鍵部件的設(shè)計與制造要點(diǎn)

4.1 滾輪與齒板組件

為了增加容料體積，并擴(kuò)大料流的速度，滾輪與齒板組件應(yīng)設(shè)計成空心結(jié)構(gòu)，通過組合后焊接制造，如圖4所示為該結(jié)構(gòu)的三維圖。為保證滾輪上各齒板聯(lián)結(jié)后的形狀精度，整體滾軸1的軸頸與兩個端板2的孔裝配后應(yīng)保證同軸度，再與滾軸焊接，形成剛性連接；端板2上先加工有六個均勻分布的凹槽（如圖5），三角形齒板放入兩個端板的凹槽中定位后實施焊接與滾輪形成一體；焊接完成后再整體精車齒板頂部，并滿足其形狀精度要求。

滾輪與齒板組件作為造粒的執(zhí)行元件，經(jīng)常工作在藥料中，并與篩網(wǎng)產(chǎn)生擠壓、摩擦，因此，材料應(yīng)具有一定的耐磨性和耐腐蝕性，而且開苞藥具有易燃易爆的特性，材料應(yīng)能讓摩擦靜電盡快通過地線輸出，故材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，本設(shè)計選SUS304不銹鋼作為滾輪與齒板組件的主體材料，對齒板再進(jìn)行鑲銅或局部鍍銅處理。

4.2 篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

篩網(wǎng)是造粒機(jī)上重要的部件之一，它決定了顆粒的大小及形狀，同時也影響造粒的效率。篩網(wǎng)分為平板篩網(wǎng)和編織篩網(wǎng)兩種類型[10]。平板篩網(wǎng)（圖6）表面是平滑的，在滾擠造粒過程中網(wǎng)孔容易被堵塞，物料容易被滾輪齒板刮走，擠壓效果差，造粒效率低，而且，網(wǎng)孔一般通過沖壓或激光打孔制造，制造成本高；編織篩網(wǎng)（圖7）具有搓衣板效應(yīng)、清理效果好，制造成本低，開孔率高，不易堵塞，造粒效率高。

基于以上兩種篩網(wǎng)的特點(diǎn)，本設(shè)計選用如圖7所示的編織篩網(wǎng)。網(wǎng)絲在經(jīng)緯鋼絲的交接點(diǎn)處被波紋壓窩及鋼絲彈性牢牢地卡住，鋼絲不串動，網(wǎng)孔不易變形。按照開苞藥造粒的大小要求在0.40～0.60mm的微粒，決定選用30～40目范圍的編織篩網(wǎng)；篩網(wǎng)的厚度應(yīng)適當(dāng)，當(dāng)篩網(wǎng)太厚，造出的顆粒呈現(xiàn)出柱形；但厚度太薄，篩網(wǎng)的使用壽命較短，本設(shè)計篩網(wǎng)厚度為0.8mm。

5 滾擠造粒相關(guān)參數(shù)

采用滾擠造粒方法制備開苞藥微粒的過程中，造粒相關(guān)參數(shù)的選取都會影響造粒的效果。

（1）黏結(jié)劑的含量。當(dāng)黏結(jié)劑的含量較高時，所造微粒的硬度較大，力度分布不均勻，崩解較慢，會影響煙花的燃放效果；相反，黏結(jié)劑用量不足時，微粒松散、強(qiáng)度不足，粉塵度增加。因些，粉體原料、黏結(jié)劑應(yīng)具有適當(dāng)?shù)幕旌媳壤鶕?jù)實驗結(jié)果，本方案采用5%（重量比）黏結(jié)劑。

（2）擠壓速率。擠壓速率太高會使擠壓作用不夠充分，微粒成型率比較低；擠壓速度太低會提高成型率，但產(chǎn)量較低；故需選取合適的擠壓速率，本設(shè)計中滾輪的轉(zhuǎn)速約為20 ～ 30r/min（正反雙向）。

（3）滾輪齒板的截面形狀?？紤]到制造方便，本設(shè)計采用正三角形截面形狀，三角形齒頂角變化，會使?jié)L輪齒板對物料的擠壓力的大小和方向產(chǎn)生變化，從面對造粒效率產(chǎn)生影響。

（4）篩網(wǎng)的包緊角度。它直接影響滾輪對物料的擠壓范圍，從而影響擠壓效率。

如圖2可看出篩網(wǎng)與滾輪齒板的接觸包角α在0～180.0之間，由于滾筒與篩網(wǎng)之間的張緊角度直接影響篩網(wǎng)與滾輪的有效接觸面積，為提高滾擠造粒的效率，需要保證有三個齒板對篩網(wǎng)產(chǎn)生滾擠，并考慮到下料的開口寬度，本設(shè)計確定篩網(wǎng)與滾輪之間的包緊角度α為150.0左右。

6 結(jié)語

本文針對煙花開苞藥造粒的必要性和特殊性，分析了滾擠造粒方法的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了滾輪與齒板組件、篩網(wǎng)等關(guān)鍵部件的設(shè)計與制造要點(diǎn)，討論了滾擠造粒相關(guān)參數(shù)的選取。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，制造、運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)，能夠制造出顆粒大小均勻、圓整度好，顆粒的強(qiáng)度和硬度都符合要求的煙花開苞藥。設(shè)計中考慮到降低其靜電感度，提高了造粒過程的安全性，該方法也可運(yùn)用于類似于開苞藥等易燃易爆的粉體造粒上。

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