固體緩釋肥壓縮成型工藝研究與樣機試制

黃正明，宋德慶*，薛 忠，李 玲，王 剛 (中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東湛江524091)

2014年第八次全國森林資源清查結果顯示:全國森林面積2.08億hm2，我國森林資源總量繼續位居世界前列，人工林面積繼續保持世界首位，達 4 666.7 萬 hm2［1－3］。其中，桉樹、馬尾松、杉木等［4－6］人工林面積均已經超過 1 000萬hm2，人工林的發展規模不斷擴大，大大緩解了我國木材和林產品供需矛盾［7］。

人工林的大面積種植，必然產生巨大的肥料需求，農業生產實踐表明，科學的施肥措施不僅可以保持和提高土壤肥力和生產力，還可以促進作物增產［8－11］。目前，國內外廣泛使用的速效化肥普遍存在利用率低、環境污染嚴重等問題。因此，各國均在研制肥料效果好、環境污染少、經濟效益高的新型肥料，如緩釋肥［12］。唐春紅等人［13］開展了桉樹長效緩釋肥與普通桉樹專用肥肥效對比的研究，該研究結果與劉子江［14］、李燕婷等［15］、盧艷麗等［16］在不同作物上使用長效緩釋肥得到的結果類似，長效緩釋肥具有用量減少、肥效穩長、利用率提高、增產增收等優勢。因此，研究設計長效緩釋肥的壓縮成型機械具有重要的意義。

1 壓縮成型方案的選擇

目前，國內外顆粒(或粉末)常見的成型技術主要有3種:螺旋擠壓式、模輥式和沖壓式［17］。

螺旋擠壓式，成型原理為物料經過加料口，在旋轉螺桿的作用下，被搓成團狀并沿螺槽滾動前進，因螺桿的剪切、壓縮與攪拌作用，物料受到進一步的混煉和塑化，隨著溫度和壓力的逐步升高，呈現出粘流狀態，并以一定的壓力和溫度通過機頭，最后得到所需形狀的制品。該技術主要用于塑性材料、粉體或基質的造粒，得到的產品一般為顆粒，尺寸較小。

模輥式按照壓輥和壓模的形狀差異又可以細分為直輥式、錐輥式以及平模式和環模式。模輥式成型技術利用壓模與壓輥之間的摩擦力與擠壓力在常溫下使粉碎后的原料不斷的被壓緊，進入模孔后顆粒位置及其間隙重新排列并發生機械變形和塑性變形，經歷成型、保型等過程，最終被壓縮成為形狀規則、密度較大的塊狀或顆粒狀產品。模輥式成型屬冷壓成型加工工藝，與熱壓成型工藝相比減少了環境污染且效率高［18］。

沖壓式成型又稱活塞沖壓式成型，按照模具腔的不同可以分為開式沖壓成型和閉式沖壓成型。其結構簡單，使用方便，其工作主要部件為上沖頭、下沖頭、成型腔以及脫模機構等，可以根據要求設計模具，得到不同尺寸大小的產品。

圖1 壓縮成型方案示意圖

根據林業種植所需肥料的要求，最終得到的緩釋肥應為固體圓柱狀，因此，該文采用的壓縮成型方案為更加簡便靈活的沖壓式(圖1)。具體過程為:裝料—沖壓—保壓—沖頭上升—脫模。

2 壓縮成型工藝的研究

目前，市場上正在銷售的棒狀肥料多為園藝用料，形狀為圓柱狀，其優點在于對應的成型模具較簡單，但其直徑一般小于20 mm，顯然不能滿足林業種植的需求。為了探討當緩釋肥的直徑增大時，是否采用圓柱狀更合理，以現有的林業種植專用肥料顆粒為對象，采用不同形狀的模具，兩端為平面(A)、一端為錐面(B)、一端為凹面(C)以及兩端為凹面(D)進行了壓縮試驗，結合ANSYS的理論分析，得到了不同情況下壓縮過程中力的傳遞和分布規律(圖2)。

圖2 壓縮試驗用不同形狀的模具

2.1 ANSYS理論分析 為了得到成型塊在不同情況下單向受壓后壓力的分布規律，利用ANSYS對上述4種壓縮情況進行了建模分析。

圖3 模型A的受力分析

圖4 模型B的受力分析

圖5 模型C的受力分析

圖6 模型D的受力分析

從圖3～6得到的受力分析結果可以看出，兩端為平面(試驗A)和一端為錐面(試驗B)單向受壓時，成型塊內部的應力分布規律類似，越靠近上端受壓面的區域應力值越大，向下逐漸減小，在下端面的邊緣和錐底邊沿處應力值最大，軸心和錐頂處應力值最小。整體看來為周邊處(即靠近成型腔處)的應力值大于軸心區域的應力值，即壓縮過程中，中心區域的肥料最不容易粘結成型;一端為凹面(試驗C)和兩端為凹面(試驗D)的對比結果可以明顯看出試驗D中間絕大部分區域的應力值大于試驗C，而且靠近軸心區域的應力值也較大，說明試驗D的成型效果明顯優于試驗C。

圖7 模型D兩端同時受壓的受力分析

總的看來，4次試驗中試驗D的應力值大小以及應力的分布情況都優于前3種。從圖(6)中還可看出，盡管兩端均為凹面，應力分布情況有所改善，但是上端受壓面周邊的應力值明顯高于下端沒有受壓的應力值，因此可以考慮上下兩凹面同時受壓，效果可能會更好。為此，進行了如圖(7)所示的進一步分析。可以看出，當上下兩端同時受壓時，模型中分布的應力值更大，成型效果更優。因此，設計壓縮模具時，應考慮同時實現上下模的壓縮。

2.2 不同模具下的壓縮試驗 根據相關研究數據及預試驗。結果可以判定，當試驗所用專用顆粒肥在壓力大約為4 000 N時，能較好的粘合成型。因此，在以下試驗中所用壓力極值定為4 000 N，每次試驗稱取等質量的肥料。壓縮試驗所用主要設備為JS-805電腦式雙柱拉力試驗機，其最大拉壓力荷重元2 000 kg，荷重精度±0.5%，測試速度為1～1 000 mm/min;電子天平(精度:0.001 g)。

制作好相應模具后，稱取300 g試驗用肥料，加入成型腔。下模固定不動，上模連接材料試驗機 (測試速度，20 mm/min)，設定好壓力極值4 000 N后，開始壓縮。結果4種模具壓縮得到的力量－位移曲線基本一致，呈現出如圖8所示的變化規律。

圖8 壓縮試驗力量－位移曲線

圖9 壓縮實際效果

由圖8可以看出，壓縮過程中位移變化逐漸減小，最終接近0，而壓縮力的變化是越來越大，也就是越來越難壓縮。4次壓縮試驗得到的力量－位移曲線之間的差異在于達到4 000 N的壓力極值時，得到的位移不一樣，即壓縮百分比不一樣。其中模具兩端為凹面的壓縮位移最大，為39.6 mm，壓縮百分比達到了36%，成型塊能較好的脫模，粘結牢固，成型效果最好。而采用目前最普遍的圓柱體模具壓縮得到的壓縮百分比最小，脫模后，成型塊較為松散，成型效果不太理想。4次壓縮試驗的結果如表1和圖9所示。試驗所得結果與前述ANSYS理論分析結果吻合，理論分析得到了有效的驗證。

表1 壓縮成型試驗結果

3 壓縮成型樣機的試制

根據上述ANSYS理論分析和實際試驗結果，初步試制了如圖(10)所示固體緩釋肥壓縮成型機，成型效率為每分鐘2個。利用氣缸作為壓縮時的動力源(工作壓力為0.6 MPa)，利用彈簧的壓縮特性來實現上下模的同時沖壓。

圖10 壓縮成型機結構示意圖

工作原理:初始時，推動手柄將下模移到模腔的正下方(通過左側一定位銷可實現定位)，將稱取好的肥料加入模腔內。開啟氣泵，氣泵產生的壓縮氣體經空氣過濾器過濾后進入腳踏開關，然后分兩路導出，進入氣缸。踩下腳踏開關，上模下移，對物料進行壓縮，氣缸達到最大行程后，松開腳踏開關，上模上移復位。通過手柄將下模移開，再次踩下腳踏開關，即可實現脫模，如此往復進行。可以根據不同的需求，更換模具的大小即可得到不同規格的固體緩釋肥，大大提高了其適用性。

4 結論

(1)對比現在常用的壓縮成型技術后，得到最適合固體緩釋肥的成型技術為沖壓式成型。

(2)ANSYS理論分析表明4種不同模具的壓縮成型中，兩端為凹面的受力分布最符合肥料成型的要求，不存在明顯的松散區域，應力分布較為均勻。

(3)4種不同情況下的壓縮試驗顯示兩端為凹面的壓縮位移最大，壓縮百分比達到了36%，得到的成型塊粘結效果最牢固，驗證了理論分析結果的準確性。

(4)初步試制了一臺氣壓式成型機，效果較為理想。

［1］周少舟.對促進我國森林資源增長的思考［J］.中國國情國力，2014(4):35－36.

［2］董曉進.林業植物對環境的作用以及養護管理工作［J］.吉林農業，2013(8):63.

［3］PAMELA J.The role of trees for sustainable management of less－favored lands:the case of eucalyptus in Ethiopia［J］.Forest Policy and Economics，2003，5:83－95.

［4］中國可持續發展林業戰略研究項目組.中國可持續發展林業戰略研究總論［M］.北京:中國林業出版社，2002.

［5］國家林業局森林資源管理司.中國森林資源第七次清查結果及其分析［J］.林業經濟，2010(2):66 －72.

［6］王燦，項文化，趙梅芳，等.基于TRIPLEX模型的湖南省杉木林生產力模擬及預測［J］.中南林業科技大學學報，2012，32(6):104 －109.

［7］劉平，秦晶，劉建昌，等.桉樹人工林物種多樣性變化特征［J］.生態學報，2011，31(8):2227 －2235.

［8］趙俊曄，于振文，李延奇，等.施氮量對土壤無機氮分布和微生物量氮含量及小麥產量的影響［J］.植物營養與肥料學報，2006，12(4):466－472.

［9］陳防，魯劍巍，萬運帆，等.長期施鉀對作物增產及土壤鉀素含量及形態的影響［J］.土壤學報，2000，37(2):233 －241.

［10］曹繼釗，農必昌，唐黎明，等.廣西桉樹人工林配方施肥技術應用示范效益研究與評價［J］.廣西林業科學，20l0，29(3):136 －139.

［11］楊朱河.閩南桉樹施肥效應研究［J］.防護林科技，2011(1):33－35.

［12］楊斌華，郭桂珍，孫友誼，等.細菌微生物對高分子緩控釋化肥降解性能的影響［J］.安徽農業科學，2012，40(9):5278 －5280.

［13］唐春紅，吳朝學，姚姜銘，等.不同桉樹專用追肥對桉樹生長的影響［J］.南方農業學報，2012，43(8):1154 －1157.

［14］劉子江.賽肥特緩控釋長效技術在肥料生產中的應用［J］.化肥設計，2005，43(6):55 －57.

［15］李燕婷，李秀英，趙秉強，等.緩釋復混肥料對玉米產量和土壤硝態氮淋失累積效應的影響［J］.中國土壤與肥料，2008(5):45－48.

［16］盧艷麗，白由路，王磊，等.華北小麥－玉米輪作區緩控釋肥應用效果分析［J］.植物營養與肥料學報，2011，17(1):209 －215.

［17］姚宗路，田宜水，孟海波，等.生物質固體成型燃料加工生產線及配套設備［J］.農業工程學報，2010，26(9):280 －285.

［18］郝玲，祖宇，董良杰，等.模輥式生物質燃料成型技術及設備的研究進展［J］.安徽農業科學，2012，40(1):367 －369，372.