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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------------------------

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
5




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------------------------

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Quách Thị Bình - Học viên cao học lớp K15 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ
khí, 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 Minh
Đức 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 và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham
khảo đã được ghi rõ trong Luận văn.
Thái Nguyên, ngày 27 tháng 10 năm 2015
Tác giả

Quách Thị Bình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS. TS. Trần Minh
Đức, thầy hướng dẫn khoa học của tôi đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
bản 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

ii

MỤC LỤC

iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ẢNH CHỤP

viii

PHẦN MỞ ĐẦU

1

1.Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Mục đích nghiên cứu

1

3. Đối tượng nghiên cứu

1

4. Phương pháp nghiên cứu

2

5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

2

6. Nôi dung luận văn

2
Chương 1

TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ SẢN XUẤT VIÊN GỖ NÉN

3

1.1. Tổng quan về nhiên liệu gỗ nén dạng viên

3

1.1.1. Hiện trạng và nhu cầu sử dụng viên gỗ nén

3

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

6

1.1.3. Yêu cầu kĩ thuật của viên gỗ nén mùn cưa

8

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

9

1.2.1. Độ bền mòn

9

1.2.2. Khả năng chống ăn mòn hóa học

10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv
1.2.3. Độ bền cơ học

10

1.2.4. Độ bền nhiệt

12

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

13

1.3.1. Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới

13

1.3.2. Khái quát về tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

14

1.3.3. Dự kiến vấn đề nghiên cứu

15

Kết luận chương

15
Chương 2

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHI CHẾ TẠO
KHUÔN ÉP VIÊN GỖ NÉN

17

2.1. Vật liệu làm khuôn

17

2.2. Chế độ công nghệ khi nhiệt luyện

18

2.2.1. Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép

18

2.2.2. Nhiệt luyện chân không

22

2.2.3. Nhiệt luyện thép SKD61

23

2.3. Các yếu tố công nghệ khi gia công

24

2.3.1. Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt

25

2.3.2. Ảnh hưởng của chế độ cắt

25

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

26

2.4. Giới hạn nghiên cứu

27

2.5. Phương pháp nghiên cứu

28

Kết luận chương

28

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v
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

29

TRỤ KHI CHẾ TẠO KHUÔN ÉP VIÊN GỖ NÉN
3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

29

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

29

b. Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học

29

c. Nguyên tắc đối chứng với nhiễu

29

d. Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá

30

e. Nguyên tắc tối ưu của quy hoạch thực nghiệm

30

3.2. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm

3

3.3. Thiết kế thí nghiệm

30

3.4. Xây dựng hệ thống thí nghiệm

31

3.4.1. Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm

32

3.4.2. Hệ thống thí nghiệm

32

3.4.2.1. Phôi

32

3.4.2.2. Dụng cụ cắt

32

3.4.2.3. Máy công cụ

33

3.4.2.4.Thiết bị đo

34

3.5. Kết quả thí nghiệm và nhận xét

35

3.5.1. Ảnh hưởng của v,S đến nhám bề mặt

36

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

38

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

41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
KẾT LUẬN CHUNG

43

1. Kết luận chung

43

2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

43

TÀI LIỆU THAM KHẢO

44

ẢNH PHỤ LỤC

46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Nội dung

Trang

Bảng 1.1.

Tiềm năng sinh khối Việt Nam năm 2005

5

Bảng 3.1.

Ma trận thí nghiệm

33

Bảng 3.2.

Thành phần hoá học của mẫu thí nghiệm thép SKD61

34

Bảng 3.3.

Ký hiệu tương đương thép SKD61 của các nước

34

Bảng 3.4.

Thông số kĩ thuật cơ bản của máy VMC- 85S

36

Bảng 3.5.

Bảng kết quả thí nghiệm

38

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ẢNH CHỤP
Hình 1.1.

Nguyên liệu chế biến viên nén nhiên liệu

3

Hình 1.2.

Viên nén nhiên liệu

3

Hình 1.3.

Hiện trạng sử dụng các nguồn năng lượng trên thế giới năm

4

2005
Hình 1.4.

Khuôn và quả lô trong máy ép viên khuôn vành.

6

Hình 1.5.

Máy ép viên khuôn vành.

6

Hình 1.6.

Sơ đồ nguyên lý máy ép viên dùng con lăn kiểu quả lô quay

7

Hình 1.7

Khuôn phẳng trong máy ép viên kiểu quả lô quay

7

Hình 1.8.

Trạng thái nguyên liệu bột trong quá trình ép viên

8

Hình 1.9.

Quá trình nén viên

10

Hình 1.10. Sự hình thành viên nén

11

Hình 1.11. Trường nhiệt độ của khuôn

13

Hình 2.1.

Sơ đồ quy trình công nghệ tổng quát nhiệt luyện thép SKD61

19

Hình 2.2.

Sơ đồ hóa miền tạo phoi

26

Hình 2.3.

Quan hệ giữa vận tốc cắt và hệ số co rút phoi K

26

Hình 2.4.

Quan hệ giữa tốc độ cắt và chiều cao lẹo dao

28

Hình 3.1.

Mũi khoan Φ8 HSS hãng SKF (Pháp)

35

Hình 3.2.

Máy phay đứng CNC VMC-85S

35

Hình 3.3.

Máy đo nhám Mitutoyo SJ-201

37

Hình 3.4.

Máy đo tọa độ CMM-544

37

Hình 3.5.

Đồ thị ảnh hưởng của v, S đến Ra

39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix

Hình 3.6.

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

41

Ảnh 1

Đo độ không trụ trên máy đo tọa độ CMM-544.

48

Ảnh 2

Đo nhám trên máy đo nhám SJ- 201.

48

Ảnh 3

Gia công hệ lỗ trụ trên máy CNC

49

Ảnh 4

Phôi chế tạo khuôn

49

Ảnh 5

Sản phẩm (khuôn)

50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 1 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 càng
gia tăng kể cả trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống. Trong khi đó
giá thành của các chất đốt như điện, than đá, dầu gas rất cao đòi hỏi phải tìm kiếm

nguồn 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 thế
cho nhiên liệu truyền thống và đã mang lại hiệu quả cao. Viên gỗ nén có nhiều ưu
điểm như thời gian đốt và nhiệt lượng cao, lượng tro tạo ra ít, giá thành thấp và
quan trọng là khí thải đạt chuẩn cho phép, không gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác
viên gỗ nén được làm từ nguyên liệu gỗ thải, dăm bào, mùn cưa, đây là một loại
năng lượng sinh khối. Nó đã, đang và sẽ là xu hướng năng lượng tái tạo mới bền
vững và thân thiện với môi trường.
Để tạo ra viên gỗ nén phải có quá trình ép viên nhờ máy ép viên gỗ. Máy ép
viên gỗ phổ biến là loại máy ép kiểu roller. Nguyên lý của máy ép là dùng cơ chế
roller ép lên bề mặt khuôn có đục lỗ với áp lực từ 150-400 MPa để tạo viên. Để ép
được 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 khuôn
thấp, 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 các
máy ép viên nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất viên gỗ nén là yêu cầu mang tính thực
tiễn 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 viên
gỗ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 2 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
Ý nghĩa khoa học
Đề tài phù hợp với xu thế phát triển về những nghiên cứu nhằm giải quyết
các vấn đề về năng lượng và môi trường.
Tổng quát hóa lý thuyết về các biện pháp công nghệ nâng cao chất lượng
trong chế tạo.
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 gỗ
nén.
Kết luận chung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 3 Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ SẢN XUẤT VIÊN GỖ
NÉN
1.1. 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 nguồn
nguyên liệu chất đốt như than đá, dầu mỏ… cùng với sự nóng lên toàn cầu do chất
khí thải CO2 từ các nhà máy công nghiệp đã đặt ra vấn đề cần tìm kiếm một nguồn
nguyên liệu mới thay thế. Điều này đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của nguồn
chốt đốt nhân tạo – gọi tắt là viên nén nhiên liệu.Viên nén nhiên liệu làm từ nguồn
phế 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
trên thế giới[4].

Hình 1.1. Nguyên liệu chế biến viên nén nhiên liệu.

Hình 1.2. Viên nén nhiên liệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 4 Viên gỗ nén (wood pellets) là một loại viên nén nhiên liệu phổ biến làm từ
mùn cưa được nén thành dạng viên nhỏ, chắc. Viên gỗ nén ra đời đầu tiên ở Bắc
Mỹ được sử dụng trong các ngành công nghiệp, thương mại với mục đích sưởi ấm,
đun nấu. Hiện nay, viên gỗ nén được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó
được sử dụng trong chăn nuôi để lót chuồng trại, trong dân dụng để làm chất đốt
cho các thiết bị đun nóng, trong các lò đốt công nghiệp thay thế cho than đá, dầu,
củi, khí đốt. Đặc biệt viên nén được sử dụng trong sản xuất điện năng dùng làm
nhiên liệu đốt trong các nhà máy nhiệt điện để giảm lượng khí thải ra môi trường.
Việc sử dụng viên nén gỗ là một lựa chọn hấp dẫn trong sản xuất điện để giảm
lượng khí thải 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 tích thị trường gỗ International Wood Markets Group (Canada), Châu Âu
tiêu thụ khoảng 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 sử
dụng khá phổ biến trong mấy năm gần đây. Việt Nam có khí hậu nhiệt đới, là một
nước nông nghiệp và có ngành công nghiệp chế biến lâm sản khá phát triển nên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 5 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].
Nguồn cung cấp

Tiềm năng (triệu tấn)

Rơm rạ

32,52

Trấu

6,500

Bã mía

4,45

Mùn cưa

5,8

Các loại khác

9,00

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.

-

Lượng tro tàn nhỏ do độ ẩm thấp .

-

Giảm lượng khí thải độc hại, giảm hiệu ứng nhà kính, thân thiện với môi
trường

-

Vận chuyển tiện lợi, tiết kiệm không gian lưu trữ do kích thước nhỏ:

Khối lượng riêng của viên gỗ nén dao động từ 1300-1350 kg/1m3, dễ vận
chuyển và lưu trữ gọn gàng.

-

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]:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- 6 + 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 và
thời 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.
+ Máy ép viên dùng trục vít.
+ Máy ép viên dùng con quay. Gồm hai loại: máy ép viên trục ngang sử
dụng khuôn vành và máy ép viên viên trục đứng sử dụng khuôn phẳng.

Hình 1.4 Khuôn và quả lô trong máy ép

Hình 1.5 Máy ép viên khuôn vành.

viên khuôn vành.
Dựa theo điều kiện sản xuất thực tế ở Việt Nam [4], trong nghiên cứu này tác
giả chỉ đi sâu tìm hiểu loại máy ép viên con quay (quả lô) trục đứng dùng khuôn
phẳng. Đây là loại máy ép viên nhiên liệu được dùng phổ biến. Máy ép viên khuôn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 7 phẳng bao gồm kiểu quả lô quay và khuôn quay. Loại khuôn quay thường được

dùng với những máy có công suất nhỏ và ít được sử dụng hơn so với kiểu quả lô
quay [4].

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý máy ép viên

Hình 1.7 Khuôn phẳng trong máy ép

dùng con lăn kiểu quả lô quay [8].

viên kiểu quả lô quay [8].

Nguyên lý hoạt động của máy ép viên trục đứng như sau: nguyên liệu được
đưa vào trong buồng ép của máy ép viên, dưới tác dụng của lực ép của các con
quay, nguyên liệu được nén chặt trong khuôn, đi ra khỏi khuôn và được dao cắt
thành các chiều dài khác nhau sau đó được đưa ra khỏi buồng ép. Tùy thuộc vào
đường 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 của
các nhân tố nhiệt độ, lực ma sát và lực ép của lô tổng hợp lại khiến cho khoảng
không 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].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 8 -

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 lại
chịu ảnh hưởng của lực ép giữa quả lô và khuôn ép cùng với trọng lượng bản thân
nguyên liệu khi rơi từ trên xuống, khiến cho vật liệu bị ép lên trên bề mặt của
khuôn, mật độ ≈ 0,4g/cm3[4].
+ Vùng ép biến dạng và hình thành viên nén:
Theo khuôn và sự quay của quả lô, vật liệu tiến vào vùng ép chặt, dưới tác
dụng của lực ép của các con quay (quả lô) nguyên liệu được ép chặt trong lỗ khuôn,
độ chặt tăng đến 0,9- 1g/cm3. Trong quá trình ép hình thành viên nén, do nguyên
liệu có độ ẩm nên xảy ra quá trình loại bỏ nước trong nguyên liệu. Nước bị loại bỏ
là chất bôi trơn giữa lỗ khuôn ép và viên nén được hình thành, do đó làm giảm ma
sát giữa lỗ khuôn và viên nén, viên nén đi ra khỏi khuôn dễ dàng. Do vật liệu có
tính biến dạng đàn hồi nên độ chặt của viên hình thành đạt tới 1,2- 1,4g/cm3. Sau
khi vật liệu bị ép ra khỏi lỗ khuôn có tỷ lệ đàn hồi nhất định, tỷ lệ đàn hồi là 2-5%.
Tính chất vật lý của vật liệu và tỷ số chiều dài đường kính khuôn ảnh hưởng đến tỷ
lệ đàn hồi [4].
1.1.3. Yêu cầu kĩ thuật của viên gỗ nén mùn cưa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 9 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)
trong sản xuất, chế biến gỗ là vô cùng lớn.Viên nén mùn cưa thường dùng để sử
dụng trong các lò sưởi, là chất đốt có năng lượng sinh ra cao từ 4500 ~ 4800 kcal/kg
và lượng tro tàn rất nhỏ, là sản phẩm rất được ưa chuộng tại thị trường Châu Âu,
Nhật Bản, Hàn Quốc, Bắc Mỹ…vì các khu vực này thường có nhiệt độ rất thấp và

mỗi gia đình đều sử dụng lò sưởi. Trong khi nguồn nguyên liệu sản xuất viên nén
mùn cưa tại các nước này bị hạn chế. Xuất phát từ nhu cầu thực tế sản xuất, tác giả
tập trung 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 kỹ
thuật sau:
+ Đường kính viên nén: 6,8,10 mm.
+ Chiều dài viên nén: 10-50 mm.
+ Khối lượng riêng lớn.
+ Độ ẩm thấp: ≤ 14%
+ Độ tro nhỏ : ≤ 1.5%
+ Nhiệt lượng sinh ra cao: 4.500 – 4.800Kcal/Kg
+ Bề mặt viên nén đẹp, kích thước đồng nhất.
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của bộ khuôn ép viên gỗ của máy ép viên
khuôn phẳng
1.2.1. Độ bền mòn
Khi nguyên liệu được đưa vào buồng ép, dưới tác dụng lực ép của con lăn,
nguyên liệu được ép chặt trong các lỗ khuôn ép. Khoảng cách giữa con lăn và
khuôn ép rất nhỏ khoảng 2 – 3 mm, dưới tác dụng lực ép của con lăn, các hạt
nguyên liệu dịch chuyển trên bề mặt khuôn và trong các lỗ khuôn tạo ra ma sát với
con lăn, ma sát với bề mặt khuôn và ma sát trong các lỗ khuôn ép làm khuôn bị mòn
trong quá trình nén viên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 10 Phần nguyên
liệu bị nén

Phần nguyên liệu dịch
chuyển trong các lỗ
Con lăn
khuôn

Phần nguyên liệu
chưa bị nén

Ma sát giữa
nguyên liệu bị
nén và thành lỗ
khuôn

Mùn cưa (sawdust)

Khuôn ép
Viên nén

Hình 1.9. Quá trình nén viên [8].
Khi khuôn bị mài mòn nhanh khe hở giữa khuôn và con lăn tăng, giảm tỉ số
nén làm giảm lực ép dẫn đến chất lượng viên ép giảm, năng suất giảm. Khuôn cần
có tính chống mài mòn cao để đảm bảo khả năng làm việc lâu dài, ổn định năng
suất, chất lượng sản phẩm. Khuôn mòn nhiều phải thay khuôn, do đó làm giảm
năng suất gia công và tăng giá thành sản phẩm[8].
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 hoá
học ăn mòn khuôn và quả lô ép nhanh chóng [8]. Ngoài ra, các hạt nguyên liệu
trước khi được nén thành viên có yêu cầu về hàm lượng ẩm, trong quá trình nén
viên xảy ra hiện tượng loại nước trong các hạt nguyên liệu. Điều này dẫn đến xảy ra

các phản ứng hóa học trong các lỗ khuôn, khuôn bị mòn nhanh do sự ăn mòn hóa
học ở nhiệt độ cao [4].
1.2.3. Độ bền cơ học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 11 -

Hình 1.10. Sự hình thành viên nén [8]
Trong quá trình nén viên, dưới sự quay của con lăn hoặc khuôn, các hạt
nguyên liệu được nén chặt trong các lỗ khuôn ép. Áp lực đặt lên con lăn PR ngược
chiều và bằng với áp lực đơn vị Px hình thành trong các lỗ khuôn. Áp lực PR phụ
thuộc vào kích thước và công suất của máy nén viên. Khi áp lực đơn vị hình thành
trong các lỗ khuôn lớn hơn áp lực PR, máy nén viên sẽ bị khóa lại, áp lực PR trên
con lăn không có khả năng cung cấp một lực nén cần thiết để đẩy nguyên liệu nén
vào trong các lỗ khuôn ép. Nghiên cứu của Holm et al (2006) đã chỉ ra rằng, lực
chính hoạt động trong quá trình nén là lực ma sát giữa các hạt nguyên liệu và áp lực
trên các thành lỗ khuôn của khuôn ép. Áp lực đơn vị trong các lỗ khuôn ép được
xác định theo công thức:

P x

P N0

 LR

(e  LR  1)

c

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 12 - 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 trúc
viên nén được sắp xếp trực giao tiếp tuyến với các lỗ khuôn ép. Khi các hạt nguyên
liệu được ép trong các lỗ khuôn, viên nén bị biến dạng theo phương hướng kính và
phương 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 chiều
dài lỗ khuôn sẽ dần chuyển thành áp lực nén theo phương ngang tác dụng lên thành
các lỗ khuôn, kết quả sinh ra ma sát giữa lỗ khuôn ép và viên nén. Do đó, trong quá
trình nén viên, khuôn ép phải chịu một áp lực nén lớn trong quá trình hình thành

viên 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 với
thành các lỗ khuôn ép và bề mặt khuôn ép. Nhiệt độ viên nén trong khuôn nén
khoảng 90oC, khi viên nén hình thành và thoát ra khỏi khuôn nén thì nhiệt độ viên
nén giảm xuống rất nhanh còn khoảng 70oC và khi viên nén được đưa ra khỏi buồng
nén thì nhiệt độ viên nén giảm xuống < 50oC [8].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 13 -

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 thay
đổi hàm lượng ẩm của nguyên liệu tới quá trình nén viên và chất lượng viên sau khi
nén bao gồm: độ bền của viên nén và độ ổn định của quá trình nén. Kết luận của các
nghiên 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 sẽ
làm ảnh hưởng tới đặc tính cơ học của viên nén và làm giảm tỉ trọng viên nén sau
khi 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 độ
viên 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 truyền
nhiệt chỉ xảy ra trên bề mặt viên nén nên sau khi ra khỏi khuôn nhiệt độ viên nén
giảm nhanh. Khi tăng nhiệt độ của khuôn ép sẽ làm giảm ma sát giữa lỗ khuôn và
viên nén do sự loại bỏ nước và chiết suất dầu trong nguyên liệu như chất bôi trơn
giữa viên nén và lỗ khuôn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




- 14 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 trình
nén 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 bền
nén và tính cứng của viên nén được cải thiện đáng kể. Các nghiên cứu cũng cho
thấy, các thông số của quá trình nén: hàm lượng ẩm, nhiệt độ nén, tỉ số nén (tỉ số
nén được xác định là tỉ số giữa chiều dài viên nén trong lỗ khuôn và đường kính lỗ
khuôn) 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. Khi
giảm kích thước hạt nguyên liệu nén sẽ làm tăng ma sát trong các lỗ khuôn ép với
viên nén do sự tăng diện tích tiếp xúc của hạt nguyên liệu với lỗ khuôn, do đó làm
cho 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 và
đường kính lỗ khuôn) là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới việc hình thành áp suất nén
trong quá trình nén viên. Khi tăng chiều dài lỗ khuôn sẽ làm tăng đặc tính nén chặt
của viên nén. Tuy nhiên, chiều dài lỗ khuôn và đường kính lỗ khuôn được xác định

thông qua tỉ số nén và các thông số ảnh hưởng tới quá trình nén khác (nhiệt độ, kích
thước 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 triển
khá tốt, nhu cầu về máy ép viên là khá lớn với nhiều lĩnh vực như: Chế biến thức ăn
gia súc, gia cầm, thức ăn thuỷ sản, ép viên rác thải làm phân bón… Theo thống kê
của Cục Chăn nuôi, hiện cả nước có cũng hàng trăm nhà máy xử lý phế phụ phẩm
của ngành nông nghiệp…Nhu cầu về máy ép viên là rất lớn, tuy nhiên nguồn cung
cấp chủ yếu lại là từ nhập khẩu với giá thành rất cao không phù hợp với túi tiền của
các nhà sản xuất trong nước. Cũng đã có một số cơ quan đi vào nghiên cứu, sản
xuất máy ép viên như: Viện NCTKCT máy Nông Nghiệp, Viện Cơ Điện Nông
Nghiệp máy ép củi từ trấu như Viện Năng lượng… hay sản xuất than hoạt tính từ
trấu tại trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, tuy vậy kết quả còn rất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN