Chương 1: Tổng quan Trình bày về trục vít ép, các khả năng mòn, các giải pháp đã được thực hiện trong thực tế. - Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu Đề cập các nội dung nghiên cứu và thực hiện của đề tài cùng các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài. - Chương 3: Cơ sở lý thuyết Trình bày những lý thuyết liên quan đến đề tài. 3 - Chương 4: Kết quả nghiên cứu Trình bày các kết quả nghiên cứu đã được triển khai thực hiện.
- Kết luận và kiến nghị - Phụ lục.1 Trấu và các ứng dụng 1.1 Khái quát về trấu Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát (hình 1.1: Cấu tạo hạt lúa [2] Các chất hữu cơ của trấu (bảng 1.1) là các mạch polycarbohydrate rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt.1: Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [2] Thành phần hữu cơ Tỷ lệ theo khối lượng (%) α - cellulose 35 – 40 Lignin 25 – 30 Hemi - cellulose 20 – 30 Nitơ và vô cơ 10 Thành phần hóa học của vỏ trấu (bảng 1.2) thay đổi theo loại thóc, mùa vụ canh tác, thổ nhưỡng của từng vùng miền. Nhưng hầu hết trong vỏ trấu chứa trên 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro.2: Thành phần hóa học của vỏ trấu [2] Thành phần hóa học Tỷ lệ theo khối lượng (%) Cacbon 41,44 Hydro 4,94 Oxy 37,32 Nitơ 0,57 Tro 15,73 1.2 Ứng dụng và sản phẩm chế biến từ trấu Ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm chi phí. Các ứng dụng và sản phẩm từ trấu như: - Chất đốt (hình 1.2a): được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt như nấu ăn, nấu thức ăn gia súc và sản xuất làm gạch, sấy lúa bằng cách đốt trấu trực tiếp. - Sứ lọc nước (hình 1.2b): loại sứ này được tạo ra bằng cách tách ôxit silic từ trấu, có đặc tính lọc cực tốt, với lỗ lọc siêu nhỏ.
- Thanh củi trấu (hình 1.2c): được sản xuất bằng máy ép đùn thanh củi trấu. Củi trấu có đường kính từ 60 – 90 mm, dài từ 0,5 – 1 m. - Sản phẩm mỹ nghệ (hình 1.2d): vỏ trấu được nghiền nhỏ tạo thành bột dưới dạng mịn và bột sợi. Sau khi kết hợp với keo, trấu được cho vào máy ép định hình sản phẩm và sấy khô, hoàn thiện.
- Nguyên liệu xây dựng (hình 1.2e): vỏ trấu nghiền mịn và có thể được trộn với các thành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thủy tinh. - Sản xuất ôxit silic: tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn 80% là silic oxyt được sử dụng để sản xuất ra ôxyt silic. - Các ứng dụng khác của vỏ trấu (hình 1.2f) như: thiết bị cách nhiệt, chất độn, giá thể trong công sản xuất meo giống để trồng nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại, tro trấu có thể dùng làm phân bón,… 6 a) Lò đốt bằng vỏ trấu b) Sứ lọc nước c) Thanh củi trấu d) Bình hoa, tượng e) Gạch xây dựng f) Phân bón Hình 1.2: Một số ứng dụng và sản phẩm từ trấu 1.2 Máy ép thanh củi trấu Trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống của người Việt Nam với chủng loại sản phẩm khá phong phú. Với lượng trấu khá dồi dào ở đồng bằng sông Cửu Long nên việc chế biến các sản phẩm từ trấu, đặc biệt là thanh củi trấu, rất phát triển.
Thanh củi trấu (còn gọi là củi trấu cây, củi trấu) được ép từ 100% vỏ trấu qua công nghệ ép gia nhiệt nhờ một thiết bị là máy ép thanh củi trấu tạo nên những thanh củi trấu cứng chắc rất dễ bén lửa. Sản phẩm thân thiện với môi trường do được sản xuất từ 100% vỏ trấu tự nhiên, không hóa chất, không gây độc hại đến sức khỏe con người. Nhờ dễ bén lửa, khả năng duy trì sự cháy lâu hơn các nguyên liệu khác như than đá, than củi và chất đốt khác nên củi trấu được dùng khá phổ biến để đốt lò hơi công nghiệp, lò gạch, lò sấy, lò nhuộm vải, dệt sợi, may mặc,… Máy ép thanh củi trấu còn gọi là máy ép đùn thanh củi trấu có quá trình hoạt động ép đùn thanh củi trấu được chia thành các giai đoạn sau: Trục vít ép quay đưa trấu từ phễu cấp liệu, qua các đoạn khuôn ép đi vào 7 đầu ép sẽ tạo nên áp suất lớn dọc theo trục vít (hình 1. Ở giai đoạn này sẽ phát sinh ma sát giữa khối trấu với khuôn ép, ma sát trong nội bộ trấu - trấu nguyên liệu dẫn đến làm tăng dần nhiệt độ của khối trấu.3: Sơ đồ máy ép thanh củi trấu điển hình (kiểu Bangladesh) [3] Khi tới đầu ép côn hình dạng của thanh củi trấu sẽ được hình thành.
Ở giai đoạn này, áp lực tác dụng lên khối trấu là tối đa do bước vít của trục vít ép giảm dần. Bên ngoài đầu ép côn có điện trở gia nhiệt đưa nhiệt độ bên ngoài của đầu ép lên khoảng 290ºC - 320ºC làm cháy lớp trấu phía ngoài tiếp xúc với đầu ép. Do nhiệt độ bên trong khối trấu và nhiệt độ do gia nhiệt mà có nên nhiệt độ vùng ép đạt trên 220ºC làm chất lignin (hắc ín) có trong vỏ trấu (chiếm từ 25 - 30%) chuyển sang trạng thái lỏng dính giúp kết dính các vỏ trấu lại với nhau hình thành nên thanh củi trấu. Tuỳ theo năng suất, kiểu thiết kế mà máy ép thanh củi trấu có nhiều biến thể khác nhau như: máy ép củi trấu 180 – 220 kg/h, 300 – 350 kg/h, 500 – 600 kg/h,.
Mặc dù có khá nhiều biến thể nhưng về cơ bản trục vít ép thanh củi trấu có kết cấu gần giống nhau, chỉ khác nhau về kích thước dài và đường kính.3 Trục vít ép thanh củi trấu 1.1 Chức năng Trục vít ép quay tiếp nhận nguyên liệu (trấu), tải nguyên liệu đẩy qua lòng khuôn, tạo ma sát để để tăng nhiệt độ và nghiền trấu thành bột. Trục vít ở phần này có bước thay đổi tiếp tục tạo ra lực ép đẩy trấu về phía lòng khuôn có điện trở gia nhiệt.2 Kết cấu Trục vít có cấu tạo gồm hai phần: phần tải liệu và phần ép (có bước thay đổi, côn) được giới thiệu ở hình 1.4: Kết cấu trục vít ép 1.3 Mòn của trục vít ép thanh củi trấu Ở nước ta hiện nay máy ép thanh củi trấu kiểu trục vít được sử dụng tương đối rộng rãi để sản xuất thanh củi trấu. Tuy nhiên trục vít ép, một trong những chi tiết quyết định đến năng suất của máy, lại rất nhanh bị mài mòn. Cơ chế hư hỏng của trục vít ép thanh củi trấu: Mòn là một quá trình, các lớp bề mặt truợt tương dối dẫn dến sự cắt, bẻ gẫy chỗ nhấp nhô, tạo thành miền có nhấp nhô mới, mòn còn do nén ép các bề mặt nhấp nhô do biến dạng dàn hồi, dẻo,nhiệt, va dập, do môi truờng không khí, ôxy hoá…Khi máy ép hoạt động trục vít ép quay tiếp nhận trấu và tải trấu đẩy qua lòng khuôn tới đầu ép, tại đây áp suất dọc trục là lớn nhất [4] làm cho lực ma sát giữa trấu và trục vít tăng cao, hơn nữa hàm lượng silic trong trấu là khá cao chính hàm lượng silic này làm cho bề mặt cánh vít nhanh mòn.
Hỏng trục vít ép chủ yếu là mòn nguyên nhân do trục vít làm việc dưới áp suất, nhiệt độ cao, thời gian dài và liên tục trong môi trường ma sát lớn nên phần đầu trục vít ép thường bị mòn nhanh. Theo một số nghiên cứu và theo khảo sát tại các cơ sở sản xuất thanh củi trấu, hiện tượng mòn trục vít ép chỉ xảy ra ở hai bước ren đầu của trục vít ép (hình 1. Chính vì vậy, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc cải thiện khả năng chịu mài mòn ở hai bước ren đầu của trục vít ép.5: Vị trí mòn của trục vít ép [8] 1.4 Tuổi bền Trục vít nén củi trấu cần được bảo quản tốt và bảo trì một cách thường xuyên, nguyên nhân bởi vì hàm lượng silic trong trấu là khá cao làm cho trục vít khi nén bị mòn nhanh. Trục vít ép của máy ép củi trấu khi bị mòn có thể được hàn đắp cánh vít, mài nhẵn để có thể đưa vào tái hoạt động.
Tuy nhiên, với trục vít được hàn đắp khi đưa vào hoạt động sẽ có năng suất không đạt được như trục vít mới (hình 1.6: Trục vít ép được hàn đắp [8] Khi trục vít ép bị mòn dẫn đến hình dạng bên ngoài của trục vít ép bị thay đổi, làm giảm áp lực ép ảnh hưởng xấu đến chất lượng và năng suất thành phẩm nên phải thay mới.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 1.1 Nghiên cứu trong nước Một số nghiên cứu trong nước gần đây như: - Luận văn thạc sĩ Dương Vĩnh Nghi (2017), Nghiên cứu thực nghiệm xác định vật liệu và kết cấu để nâng cao tuổi thọ trục vít côn máy ép củi trấu, đã nghiên cứu 10 và đề xuất hai phương án như sau [7]: + Phương án hàn đắp: sử dụng que hàn chịu nhiệt, chịu mài mòn Cobalarc 9E hàn đắp lên chỗ bị mòn của trục vít ép theo qui trình xác định (hình 1. Vùng bị mòn a) Trục vít bị mòn b) Trục vít sau khi hàn đắp, mài Hình 1.7: Hàn đắp trục vít bằng que hàn Cobalarc 9E [7] Phương án hàn đắp sử dụng que hàn Cobarlarc 9E có các ưu điểm như giá thành rẻ, thời gian gia công nhanh, có thể thực hiện tại xưởng sản xuất. Tuy nhiên nhược điểm của phương án này là phụ thuộc tay nghề người thợ hàn, trục vít hàn đắp phục hồi chỉ được 1 – 2 lần. + Phương án trục vít có hai phần được hàn nối lại với nhau bằng phương pháp hàn hồ quang: phần đầu là vật liệu SKD61, phần thân là vật liệu S45C (hình 1.8: Trục vít hai vật liệu ghép nối bằng hàn [7] Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng vật liệu SKD61 để chế tạo phần đầu của trục vít ép.
Với cơ tính cao và chế độ nhiệt luyện phù hợp nên tuổi thọ của trục vít ép đã tăng lên 6 lần [7]. Tuy nhiên, việc chế tạo phần đầu bằng SKD61 hoàn toàn phụ thuộc vào tình trạng và kết cấu trục vít sử dụng nên việc chế tạo là đơn 11 chiếc có giá thành khá cao.