Vật liệu và quy trình sản xuất khuôn vòng

Khuôn vòng là trái tim của máy ép viên. Thành phần vật liệu và chất lượng sản xuất của nó quyết định trực tiếp chất lượng viên nén, công suất sản xuất, mức tiêu thụ năng lượng và chỉ số quan trọng nhất là chi phí trên mỗi tấn. Khi khuôn vòng bị mòn sớm, thường xuyên bị tắc nghẽn hoặc tạo ra viên nén không ổn định, nguyên nhân gốc rễ thường bắt nguồn từ việc lựa chọn vật liệu hoặc các quy trình sản xuất rút ngắn. Bài viết này xem xét hai nhóm vật liệu khuôn vòng chủ đạo là thép không gỉ mactenxit (X46Cr13/4Cr13) và thép hợp kim (20CrMnTi) cùng các quy trình sản xuất chuyển đổi các đặc tính vật liệu thành hiệu suất hoạt động.
Tại sao vật liệu khuôn vòng lại quan trọng?

Trong quá trình sản xuất viên nén, khuôn vòng hoạt động dưới áp suất cao, ma sát cao và ứng suất cơ học tuần hoàn đồng thời. Hỗn hợp nguyên liệu được ép qua các lỗ khuôn bằng con lăn ép trong khi hơi nước, độ ẩm, khoáng chất và các thành phần mài mòn liên tục tác động lên bề mặt làm việc và thành lỗ. Việc lựa chọn vật liệu kém có thể dẫn đến nhiều vấn đề: mài mòn lỗ nhanh hơn, độ ổn định nén giảm, độ cứng viên nén giảm, tắc nghẽn khuôn thường xuyên, xước bề mặt bên trong và nguy cơ nứt cao hơn [1].

Về mặt kinh tế, rủi ro rất lớn. Một khuôn dập giá rẻ hơn nhưng cần thay thế thường xuyên hơn, gây ra nhiều thời gian ngừng hoạt động hơn hoặc làm giảm chất lượng viên nén sẽ có tổng chi phí sở hữu cao hơn nhiều so với một khuôn dập cao cấp có tuổi thọ sử dụng lâu hơn.
Các nhóm vật liệu: Tổng quan so sánh

Ngành công nghiệp khuôn dập vòng chủ yếu sử dụng hai loại vật liệu, sự lựa chọn phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu đầu vào, điều kiện vận hành và nguy cơ ăn mòn.

Loại đầu tiên là thép không gỉ Martensitic, với các mác thép điển hình bao gồm X46Cr13 và 4Cr13, đạt độ cứng HRC 52-60. Ưu điểm chính là độ cứng cao, khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ sử dụng lâu dài. Hạn chế chính là chi phí đơn vị cao hơn. Các ứng dụng phổ biến bao gồm thức ăn gia cầm, thức ăn thủy sản và các công thức chế biến thực phẩm chịu mài mòn cao.

Loại thứ hai là Thép hợp kim, với các mác điển hình bao gồm 20CrMnTi, 40Cr và 42CrMo, đạt độ cứng HRC 55 60. Ưu điểm chính bao gồm độ dẻo dai tốt, giá cả kinh tế và độ bền cơ học tuyệt vời. Hạn chế chính là khả năng chống ăn mòn thấp hơn. Các ứng dụng phổ biến bao gồm gia cầm, gia súc và sinh khối tiêu chuẩn. Nguồn: [1], [2].
X46Cr13 / 4Cr13: Tiêu chuẩn công nghiệp cho khuôn dập vòng cao cấp

Thép không gỉ X46Cr13 (DIN 1.4034, ký hiệu Trung Quốc 4Cr13) là một loại thép không gỉ mactenxit và là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho các khuôn vòng cấp liệu chuyên nghiệp. Sự vượt trội của nó không phải là ngẫu nhiên mà xuất phát từ sự cân bằng thuận lợi giữa các đặc tính.

Độ cứng. Sau khi xử lý nhiệt chân không, X46Cr13 đạt được HRC 52 60 trên bề mặt làm việc trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai lõi đủ. Ví dụ, đặc tả sản xuất của Shanbao nhắm đến HRC 52 55, trong khi khuôn cao cấp của Hongyang đạt được HRC 58 60 thông qua quá trình tôi cứng chân không được tối ưu hóa [2], [3].

Khả năng chống ăn mòn. Hàm lượng crom (khoảng 13%) mang lại khả năng chống ẩm, hơi nước và các thành phần thức ăn có tính ăn mòn nhẹ tốt hơn đáng kể so với thép hợp kim. Đối với công thức thức ăn thủy sản có hàm lượng ẩm cao hơn, hoặc đối với các nhà máy hoạt động trong điều kiện khí hậu ẩm ướt, khả năng chống ăn mòn này trực tiếp kéo dài tuổi thọ khuôn [1].

Khả năng chống mài mòn. Sự kết hợp giữa hàm lượng cacbon cao và cacbua crom được hình thành trong quá trình xử lý nhiệt tạo ra bề mặt chống mài mòn giúp duy trì hình dạng lỗ trong suốt quá trình sản xuất kéo dài. Trong các thử nghiệm so sánh, khuôn vòng X46Cr13 luôn hoạt động tốt hơn khuôn thép hợp kim trong các ứng dụng thức ăn gia cầm và thủy sản có độ mài mòn cao [1].

Nguyên tắc lựa chọn thực tế. Đối với các nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi mà chế độ hỏng hóc chính là mài mòn lỗ, hư hỏng bề mặt bên trong hoặc mất công suất chứ không phải ăn mòn hóa học, X46Cr13 đại diện cho lựa chọn vật liệu toàn diện mạnh nhất. Một nghiên cứu điển hình của Hongyang Kazakhstan đã ghi nhận tuổi thọ của khuôn vòng là 880 giờ (tăng từ 600 giờ trên máy được thay thế) với khuôn tương đương X46Cr13, thể hiện sự cải thiện 46,7% [3].
Thép hợp kim 20CrMnTi: Loại thép kinh tế, đáng tin cậy.

Thép hợp kim 20CrMnTi là loại thép cacbon hóa được sử dụng rộng rãi cho khuôn vòng trong các ứng dụng tiêu chuẩn cho gia cầm, gia súc và một số ngành công nghiệp sinh khối, nơi rủi ro ăn mòn thấp và tỷ lệ chi phí/hiệu suất là yếu tố quan trọng hàng đầu.

Độ bền. 20CrMnTi có độ bền tuyệt vời, rất có giá trị khi máy ép viên hoạt động dưới tải trọng thay đổi, khi công thức thức ăn có chứa các hạt thô hoặc khi việc điều chỉnh con lăn không phải lúc nào cũng được duy trì ở độ chính xác tối ưu [1].

Độ cứng. Sau khi thấm cacbon và tôi, 20CrMnTi đạt được HRC 55 60 trên bề mặt với lõi cứng. Sự kết hợp này chống mài mòn bề mặt đồng thời hấp thụ tải trọng va đập có thể làm nứt vật liệu giòn hơn [2].

Dữ liệu về tuổi thọ sử dụng. Trong hoạt động thực tế, khuôn vòng 20CrMnTi đạt được 2.000-3.000 giờ trên thức ăn gia cầm tiêu chuẩn làm từ ngũ cốc và 1.200-1.800 giờ trên sản xuất viên gỗ cứng có độ mài mòn vừa phải. Trên các vật liệu có độ mài mòn cao như vỏ trấu (độ cứng Mohs 7 do hàm lượng silica), tuổi thọ sử dụng có thể giảm xuống còn 800-1.500 giờ [4].

Hạn chế. Điểm yếu chính là khả năng chống ăn mòn. Trong các công thức có độ ẩm, muối hoặc thành phần axit cao, 20CrMnTi dễ bị gỉ và tấn công hóa học làm nhám bề mặt lỗ khuôn, làm tăng ma sát, giảm thông lượng và rút ngắn tuổi thọ sử dụng hiệu quả bất kể hiệu suất mài mòn cơ học [1].
Vật liệu KHÔNG phù hợp cho khuôn dập vòng chuyên dụng dùng trong sản xuất thức ăn chăn nuôi.

Điều quan trọng là phải làm rõ một quan niệm sai lầm phổ biến. Mặc dù một số hướng dẫn chung về máy ép viên đề cập đến thép chịu lực (như GCr15 / 52100) làm vật liệu khuôn vòng, nhưng chúng chủ yếu phù hợp với khuôn phẳng trong các hoạt động sinh khối quy mô nhỏ. GCr15 có đặc tính giãn nở nhiệt khác nhau và thiếu khả năng chống ăn mòn và độ bền va đập cần thiết cho khuôn vòng cấp thức ăn chuyên nghiệp hoạt động trong điều kiện công nghiệp liên tục. Máy ép viên thức ăn chuyên nghiệp nên sử dụng thép không gỉ mactenxit X46Cr13/4Cr13 hoặc thép hợp kim 20CrMnTi cho khuôn vòng [1].
Quy trình sản xuất: Nơi vật liệu gặp gỡ sự chính xác

Việc lựa chọn vật liệu là cần thiết nhưng chưa đủ. Quy trình sản xuất quyết định liệu các đặc tính lý thuyết của vật liệu có chuyển hóa thành hiệu suất hoạt động thực tế hay không.

Rèn. Việc sản xuất khuôn vòng chất lượng bắt đầu từ phôi thô. Các nhà sản xuất cao cấp sử dụng phôi tùy chỉnh với nguyên liệu thô có hàm lượng crom cao và độ cứng phôi được kiểm soát (HB 180 220). Quá trình rèn đúng cách giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt, loại bỏ các lỗ rỗng bên trong và có thể kéo dài tuổi thọ khuôn cuối cùng khoảng 15% so với các lựa chọn thay thế không được rèn [5].

Khoan lỗ bằng súng. Các lỗ khuôn được tạo ra bằng máy khoan lỗ bằng súng CNC tự động hoạt động ở tốc độ lên tới 15.000 vòng/phút. Độ nhẵn của lỗ là một thông số chất lượng quan trọng: lỗ thô hơn làm tăng ma sát, giảm năng suất và đẩy nhanh quá trình mài mòn. Các nhà sản xuất cao cấp đạt được độ hoàn thiện bề mặt Ra 0,4 0,8 μm trên thành lỗ bên trong, gần đạt chất lượng đánh bóng gương [5].

Xử lý nhiệt chân không. Xử lý nhiệt là bước xử lý quan trọng nhất. Làm cứng chân không, trái ngược với các phương pháp trong khí quyển hoặc bể muối, đạt được độ cứng đồng nhất mà không bị oxy hóa hoặc khử cacbon bề mặt. Quá trình này nhắm đến HRC 52 60 trên bề mặt làm việc trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai của lõi để chống gãy dưới tải trọng chu kỳ đặc trưng của tỷ lệ sợi cao [5], [3].

Hoàn thiện CNC. Sau khi xử lý nhiệt, khuôn trải qua quá trình tiện hoàn thiện CNC, khoét lỗ và mài lỗ bên trong. Việc khoét lỗ được thực hiện bằng máy khoét lỗ CNC tự động để đảm bảo biên dạng lỗ vào đồng nhất, trong khi lỗ bên trong được mài với dung sai kích thước chính xác nhằm đảm bảo khe hở giữa con lăn và khuôn nhất quán trên toàn bộ chu vi [5].

Kiểm tra chất lượng. Các nhà sản xuất cao cấp kiểm tra độ cứng, dung sai đường kính lỗ (±0,15 mm đối với khuôn có độ chính xác cao), độ hoàn thiện bề mặt và tỷ lệ nén trước khi giao hàng. Một số nhà sản xuất khắc laser tỷ lệ nén và cấp vật liệu trực tiếp lên thân khuôn để người vận hành tham khảo [3].
Lựa chọn vật liệu phù hợp: Khung quyết định

Khung quyết định lựa chọn vật liệu như sau: Đối với thức ăn gia cầm hoặc gia súc tiêu chuẩn trong môi trường khô ráo, 20CrMnTi được khuyến nghị là lựa chọn tiết kiệm chi phí. Đối với thức ăn gia cầm hoặc gia súc trong điều kiện ẩm ướt hoặc độ ẩm thay đổi, X46Cr13 hoặc 4Cr13 được khuyến nghị. Đối với thức ăn thủy sản (cá/tôm) có độ ẩm cao, X46Cr13 hoặc 4Cr13 được khuyến nghị. Đối với viên nén gỗ có nguy cơ ăn mòn thấp, 20CrMnTi được khuyến nghị. Đối với các công thức có độ mài mòn cao chứa khoáng chất hoặc silica, X46Cr13 hoặc 4Cr13 được khuyến nghị. Để ưu tiên tuổi thọ tối đa, X46Cr13 hoặc 4Cr13 được xử lý nhiệt chân không đạt độ cứng HRC 58-60 được khuyến nghị. Đối với các ứng dụng công thức tiêu chuẩn có ngân sách hạn chế, 20CrMnTi được khuyến nghị.
Phần kết luận

Việc lựa chọn vật liệu cho khuôn vòng là một quyết định kỹ thuật có ảnh hưởng trực tiếp đến tài chính. Thép không gỉ mactenxit X46Cr13 với độ cứng, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn cân bằng đại diện cho tiêu chuẩn công nghiệp đối với khuôn vòng máy ép viên thức ăn chăn nuôi cao cấp. Thép hợp kim 20CrMnTi cung cấp một lựa chọn thay thế tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng tiêu chuẩn với nguy cơ ăn mòn thấp. Quy trình sản xuất, đặc biệt là xử lý nhiệt chân không và độ chính xác khi khoan bằng súng, cũng rất quan trọng để chuyển đổi các đặc tính vật liệu thành hiệu suất hoạt động. Đối với các nhà máy muốn giảm chi phí trên mỗi tấn và kéo dài khoảng thời gian thay thế khuôn, đầu tư vào chất lượng vật liệu và độ chính xác sản xuất thường mang lại lợi nhuận vượt xa chi phí mua tăng thêm.