随著(zhe)雙螺杆擠壓膨化機應用領域的拓寬,雙螺杆擠壓膨化機也開(kāi)始用于寵物、水産、特種(zhǒng)經(jīng)濟動物和幼畜哺乳期等飼料加工生産。然而, 我國(guó)現有的飼料加工仍以單螺杆擠壓膨化機爲主, 主要是由于進(jìn)口雙螺杆擠壓膨化機成(chéng)本太高, 而國(guó)産雙螺杆擠壓膨化機技術性能(néng)和質量等方面(miàn)尚有不足, 也缺乏針對(duì)飼料工業特點應用的大産量機型。盡管從單螺杆和雙螺杆的擠壓膨化原理及機體結構分析就(jiù)可看出雙螺杆擠壓膨化機具有明顯的優勢并具有更好(hǎo)的性價比, 但相對(duì)于食品加工業的應用仍要遜色得多。近年來, 随著(zhe)國(guó)内企業引進(jìn)、消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術, 國(guó)産雙螺杆擠壓膨化機生産技術水平不斷提高, 特别是針對(duì)水産飼料生産推出了雙螺杆擠壓膨化專用機型, 使得用投資單螺杆擠壓膨化機的資金同樣(yàng)可以選用雙螺杆機型, 從而改變了人們以往因成(chéng)本高而不使用雙螺杆機型的觀念。爲了适應我國(guó)飼料工業發(fā)展的需要, 很有必要重視和推廣雙螺杆擠壓膨化技術在飼料加工中的應用, 發(fā)揮出雙螺杆擠壓膨化機的原料适應性更寬、産品适應性更廣、産品内在和外觀質量更好(hǎo)、同等動力下産量更高、熟化均質效果更好(hǎo)、工藝操作更簡便、易損件磨損更輕、生産成(chéng)本更低等諸多優勢。本文將(jiāng)從單螺杆和雙螺杆擠壓膨化機在擠壓膨化原理、工作特性、機體結構、工藝操作、原料選擇、産品加工等方面(miàn)進(jìn)行比較, 供飼料加工企業在新建、擴建水産和寵物等特種(zhǒng)飼料生産線的拟定設計方案、選用擠壓膨化設備和具體生産實踐中作爲技術參考。
1，擠壓膨化加工工藝過(guò)程及分類
擠壓膨化加工定義爲這(zhè)樣(yàng)一種(zhǒng)工藝過(guò)程, 即迫使飼料或食品原料在一種(zhǒng)或幾種(zhǒng)工藝條件下( 如攪拌、加熱、剪切) 流動通過(guò)壓模, 使物料成(chéng)形和噴發(fā)汽化 (Rossen 等 Miller, 1973) 。換句話說(shuō), 擠壓膨化加工將(jiāng)幾種(zhǒng)作業合并一起(qǐ)進(jìn)行, 包括攪拌、熟化、揉合、剪切、成(chéng)形。而在當今飼料和食品工業中, 擠壓膨化機是指一種(zhǒng)帶螺旋特點( 即一個帶葉片的旋轉螺杆, 十分嚴密地安裝在一個圓筒内輸送流體) 連續地加工一種(zhǒng)産品的機器。擠壓膨化機可以設計成(chéng)包括各種(zhǒng)作業, 如攪拌、均質、熟化、冷卻、抽真空、成(chéng)形、切割。随著(zhe)擠壓膨化技術的廣泛應用和不斷發(fā)展, 擠壓膨化設備的類型日益增多, 其分類方法也有多種(zhǒng)多樣(yàng)。可以按剪切力強弱程度分爲高剪切力、中剪切力、低剪切力擠壓膨化機; 按加熱形式分爲自熱式和外加熱式或稱爲幹法和濕法擠壓膨化機, 而最常用、最典型的分類是根據螺杆數目將(jiāng)濕法擠壓膨化機分爲單螺杆擠壓膨化機和雙螺杆擠壓膨化機。
2 單螺杆擠壓膨化機
單螺杆擠壓膨化機結構簡單, 通常采用皮帶傳動方式, 主軸轉速恒定不可調, 其傳動效率低、工藝操控難度大。單螺杆擠壓膨化機的螺杆由一根軸把各種(zhǒng)結構的螺杆單元連接組成(chéng)。整個螺杆由三段組成(chéng): 喂料段、揉合段或熔融段和成(chéng)形段。物料從喂料口進(jìn)入機筒後(hòu), 在螺杆中經(jīng)曆固體輸送、熔融過(guò)程, 使物料從松散狀态轉變成(chéng)連續可塑的面(miàn)團狀。
單螺杆擠壓膨化機的物料輸送主要是靠拖曳流來完成(chéng)的。由于單螺杆的結構特性決定了物料在機筒内向(xiàng)前推進(jìn)時(shí), 依靠機筒與物料之間相互摩擦力來完成(chéng), 摩擦力愈大, 則向(xiàng)前推進(jìn)的效率愈高; 但物料與螺杆的摩擦力愈大, 則愈會(huì)對(duì)上述産生的流動起(qǐ)阻滞作用, 從而造成(chéng)物料粘在螺杆上。若物料粘附在螺杆上, 則産生堵塞而不能(néng)向(xiàng)前輸送, 當物料的水分、油分越高, 這(zhè)種(zhǒng)趨勢就(jiù)越明顯, 這(zhè)就(jiù)限制了單螺杆擠壓機對(duì)粘性原料尤其是高含油脂原料的加工。
單螺杆擠壓膨化機在高壓條件下輸送能(néng)力較差, 相對(duì)于相同動力的雙螺杆擠壓膨化機, 其産量也較低。這(zhè)主要是因爲這(zhè)種(zhǒng)輸送方式對(duì)于高壓很敏感, 壓力將(jiāng)産生回流, 而降低輸送效率。由于輸送量等于拖曳流減去壓力流, 所以高壓常會(huì)引起(qǐ)總産量的降低。單螺杆擠壓膨化機的大部分能(néng)量來自于通過(guò)機筒傳導的外加熱和螺杆轉動時(shí)由剪切力産生的機械能(néng)轉化熱, 其中機械能(néng)的大小是由螺杆轉速和結構所決定的, 這(zhè)是因爲剪切率與螺杆轉速成(chéng)正比, 而對(duì)于一台确定的擠壓膨化機, 螺杆結構一般是預先配置的, 修改的可能(néng)性很小。對(duì)于大型單螺杆擠壓膨化機, 熱交換及其輸送産量和壓力的增加都(dōu)將(jiāng)變得更加困難, 因爲擠壓膨化機的尺寸越大, 物料的表面(miàn)積與體積之比就(jiù)越小。所以對(duì)于較大機型的單螺杆擠壓膨化機, 由于螺杆和機筒的尺寸愈大, 其單位體積機筒傳熱面(miàn)積就(jiù)愈小, 導緻物料輸送、傳熱及壓強的形成(chéng)十分困難。
單螺杆擠壓膨化機的物料在擠壓膨化過(guò)程中混合均質效果差是其最大的缺陷, 其最難的地方就(jiù)是混合性能(néng)的改善, 往往爲了改善其混合均質效果必須對(duì)螺杆的螺旋及機筒的結構作一些特殊的設計。除了漏流, 單螺杆擠壓膨化機的結構極大地限制了物料的混合, 有些擠壓膨化機通過(guò)將(jiāng)專用的節流元件插入螺杆結構中用來改善其混合特性, 但這(zhè)些元件也會(huì)引起(qǐ)一個較大的壓力降, 效果是極其有限的, 且單螺杆擠壓膨化機不良的泵送特性也限制了這(zhè)些混合元件的插入。
3 雙螺杆擠壓膨化機
3.1 結構及工作特性
雙螺杆擠壓膨化機是在單螺杆擠壓膨化機的基礎上發(fā)展起(qǐ)來的, 在雙螺杆擠壓膨化機的機筒中, 并排安放兩(liǎng)根螺杆, 根據螺杆的相對(duì)位置和按螺杆轉向(xiàng)分爲非齧合同向(xiàng)旋轉、非齧合相向(xiàng)旋轉、齧合同向(xiàng)旋轉、齧合相向(xiàng)旋轉。完全齧合的同向(xiàng)旋轉雙螺杆擠壓膨化機大大改善了物料的輸送、泵出和混合特性。盡管雙螺杆擠壓膨化機也是一種(zhǒng)拖曳流機, 但由于其二根螺杆同向(xiàng)旋轉并完全齧合而具有一種(zhǒng)正壓泵的附加功能(néng)。這(zhè)使得雙螺杆擠壓膨化機既可以用來輸送高粘性的物料, 又可以用來輸送低粘性的物料, 能(néng)夠适應高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方産品的加工。同時(shí)具有自清理功能(néng), 因而在飼料加工過(guò)後(hòu), 機器就(jiù)會(huì)自動將(jiāng)内部剩餘物料擠出機外, 無需逐一地卸下來清理, 節省了時(shí)間。
在同向(xiàng)雙螺杆擠壓膨化機中, 同向(xiàng)旋轉式雙螺杆壓力區性質不同, 物料在機筒内腔受螺杆的旋轉作用, 産生高壓區和低壓區。顯而易見, 物料將(jiāng)沿著(zhe)兩(liǎng)個方向(xiàng)由高壓區向(xiàng)低壓區流動, 一個是随螺杆旋轉方向(xiàng)沿套筒内壁形成(chéng)左右兩(liǎng)個 C 形物料流, 這(zhè)是物料的主流; 另一個是通過(guò)螺杆齧合部分的間隙形成(chéng)逆流。産生逆流的原因是左螺杆把物料拉入齧合的間隙, 而右螺杆又把物料從間隙中拉出, 結果使物料呈“∞”字形前進(jìn)。螺杆既産生正向(xiàng)輸送, 又允許物料改變方向(xiàng), 這(zhè)不僅有助于物料的混合和均化, 提供了更好(hǎo)的混合和熱交換, 而且還(hái)使螺杆的齒槽間産生研磨(即剪切)與滾壓作用, 出現壓延效應, 這(zhè)個效應與反向(xiàng)螺杆壓延效應相比要小得多。當然, 壓延效應小, 物料對(duì)螺杆的磨損也就(jiù)減小, 物料就(jiù)是這(zhè)樣(yàng)經(jīng)過(guò)輸送、剪切、混合和機筒外殼的加熱, 在高溫、高壓的作用下達到熟化, 最後(hòu)被(bèi)擠出筒外。
雙螺杆加工中物料所需要的熱量來源, 除了與單工藝設備汪沐: 單螺杆和雙螺杆擠壓膨化機的一般比較 6 螺杆相同的部分外, 大部分來自齧合間隙。受齧合螺紋的剪切、擠壓和混合而産生熱量并使熱量均勻化。間隙的大小對(duì)擠壓膨化質量影響很大, 間隙小、剪切力大, 但通過(guò)的物料量減少; 間隙大, 通過(guò)的物料量增加了, 但剪切力減小。雙螺杆強制輸送和自潔的特性, 使物料在機筒中停留時(shí)間短而均勻。雙螺杆良好(hǎo)的混合性能(néng)使物料得到的熱量及時(shí)均勻化, 加快了物料的熟化程度, 減少了料溫的波動, 提高了産品的産量和質量。
組合式的螺杆與分段式的機筒結構可滿足各種(zhǒng)特殊的加工要求, 組合成(chéng)各種(zhǒng)結構形式的雙螺杆擠壓膨化機。組成(chéng)螺杆的每一個元件可設計成(chéng)具有專門的輸送、揉捏、混合、剪切和提高壓力的功能(néng)。這(zhè)些元件沿螺杆長(cháng)度方向(xiàng)的合理組合可對(duì)加工條件進(jìn)行精确控制, 爲該系統提供各種(zhǒng)不同的優勢。剪力環( 剪力鎖片) 是組成(chéng)螺杆構件最重要的混合元件, 它用來將(jiāng)所增加的機械能(néng)輸入到産品中。不同的混合元件將(jiāng)影響物料的擴散和混合分布程度。采用何種(zhǒng)形式的剪力環將(jiāng)視最終産品的要求而定。窄的剪力環用于使單位長(cháng)度的流動分隔數最大的方式; 而寬的盤式剪力環則用于高剪切和擴散式混合。
雙螺杆互相揉捏和摩擦, 使能(néng)耗比單螺杆低。這(zhè)樣(yàng)可使物料揉合和熟化更充分, 其整體的熟化度能(néng)夠達到 95%以上, 産品在水中的穩定性能(néng)保持在 24 h 以上, 同時(shí)顆粒的表面(miàn)光潔度和顆粒均勻度也更好(hǎo)。擠壓膨化飼料充分熟化了以後(hòu), 動物吃起(qǐ)來不但口感好(hǎo), 而且消化率高, 易于營養吸收。所以在購買擠壓膨化機時(shí), 一定要考慮到物料的熟化程度能(néng)否達到 90%以上。
3.2 雙螺杆擠壓機的特點及應用
雙螺杆擠壓機最大的特點就(jiù)是它能(néng)夠對(duì)各種(zhǒng)原料進(jìn)行混合而不考慮其構成(chéng)。因此, 像谷物、豆粉、動物粉、鮮肉、脂肪、營養素、蛋白質、維生素、澱粉以及濕魚渣等如此多樣(yàng)化的組分都(dōu)能(néng)很容易地進(jìn)行加工。雙螺杆擠壓膨化機加工飼料的種(zhǒng)類多, 能(néng)夠适應高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方産品的加工。在水産飼料方面(miàn), 像魚、蝦飼料, 還(hái)有河鳗、高檔觀賞魚飼料等均需用雙螺杆擠壓膨化機, 特别是顆粒水産飼料( 直徑爲 0.5～1.5 mm) 、高脂肪水産飼料及生産量小但配方常變的飼料, 必須采用雙螺杆擠壓膨化機進(jìn)行生産。在寵物飼料加工中, 寵物飼料的主要成(chéng)分一般都(dōu)是由谷物粉(如小麥粉)和較高蛋白含量的動物粉、鮮肉和脂肪等組成(chéng)的。在幹寵物飼料加工過(guò)程中, 當鮮肉含量高達 20%～30%時(shí), 擠壓時(shí)就(jiù)需要強烈地混合和揉捏, 這(zhè)隻有雙螺杆擠壓膨化機才能(néng)完成(chéng)。因爲雙螺杆的相互揉搓、擠壓, 即使在原料高油脂的情況下也不會(huì)粘在一起(qǐ)而影響機器的運轉, 與單螺杆擠壓膨化機相比, 在雙螺杆擠壓膨化機中可以添加幾乎兩(liǎng)倍含量的脂肪到寵物飼料配方中, 所以配方含油脂可達到 20%以上。這(zhè)樣(yàng)不僅提高了配方的質量, 也減緩了零件的磨損和阻力, 降低了生産成(chéng)本。而單螺杆擠壓膨化機就(jiù)做不到這(zhè)一點, 在單螺杆擠壓膨化機中, 脂肪含量受到限制, 因爲如果脂肪含量太高, 將(jiāng)引起(qǐ)擠壓膨化機劇烈地波動, 并因此導緻産品質量的不穩定。一旦物料中油脂含量過(guò)高, 就(jiù)會(huì)造成(chéng)物料黏著(zhe), 機器無法運行。此外, 雙螺杆擠壓膨化機在 30 s 内即可完成(chéng)原料的改變, 這(zhè)就(jiù)可用于色彩的識别和允許多色混合物的産品直接在擠壓膨化機中加工。
雙螺杆擠壓膨化機采用直聯變頻電機傳動方式, 主軸轉速可根據加工産品需求進(jìn)行調節, 在不停機狀态下, 不改變螺杆參數設置即可更換産品品種(zhǒng)或生産浮性、沉性水産飼料, 其操作特别方便并得到完全令人滿意的效果。
從以上單螺杆和雙螺杆擠壓膨化的特性分析可以看出, 雙螺杆擠壓膨化機具有以下優勢。
①原料适應性更廣, 可以适應高粘性、低粘性、高油脂含量、高水分或粘稠、多油的、非常濕的原料及其它一些在單螺杆( SSE) 中會(huì)打滑的原料加工。
②對(duì)原料的粒度限制更少, 可以适應從微粉料到粗粉料顆粒的原料和單螺杆加工特定範圍以外粒度的原料加工。
③物料流在機筒内更均勻, 可以添加蒸汽、水等, 使産品達到需求的效果。
④産品内在和外觀質量更好(hǎo), 可以達到非常好(hǎo)的均質狀态并使得物料分子結構排布均勻、在擠壓出模過(guò)程中表面(miàn)光滑, 産品顆粒整齊度高、均勻性好(hǎo)。
⑤熟化均質效果更好(hǎo), 通常澱粉熟化度可達 95%以上, 使得所加工的水産飼料能(néng)夠在水中保持穩定和産品營養成(chéng)分不流失, 并易于消化吸收。
⑥同等動力下産量更高。良好(hǎo)的混合性能(néng)使物料得到的熱量及時(shí)均勻化, 加快了物料的熟化程度, 減少了料溫的波動, 提高了擠壓膨化産品的産量。
⑦産品多樣(yàng)性和适應性更寬, 可以加工微粒水産飼料及高油配方、高水分、高粘結性産品和多色彩、夾心類、特殊形狀的産品。
⑧工藝操作更簡便, 可以根據加工産品需求調節主軸轉速, 由于自清特點, 清理很方便, 每次加工後(hòu)無需拆裝設備。
⑨易損件磨損更輕。通常一種(zhǒng)錯誤觀念認爲單螺杆的磨損少, 實際上在雙螺杆擠壓過(guò)程中由于穩定的物料輸送和物料流的特性, 決定了物料對(duì)螺杆和機筒内套的磨損要比單螺杆小, 盡管螺杆數量多出一套, 但其配件成(chéng)本仍比單螺杆低。
⑩生産成(chéng)本更低, 由于雙螺杆機型具有良好(hǎo)的操作穩定性, 在飼料加工過(guò)程中開(kāi)機費料少、水氣浪費少、工時(shí)費少、傳熱效率高、成(chéng)品率高、度電産量指标高, 加上配件成(chéng)本也低, 其最終生産成(chéng)本相對(duì)于單螺杆仍要低得多。
到目前爲止, 美國(guó) 70%水産飼料生産、韓國(guó) 100% 水産飼料生産采用擠壓膨化加工技術。在我國(guó), 越來越多的飼料加工企業逐步用擠壓膨化機替代傳統的制粒機生産水産飼料和其它特種(zhǒng)飼料。在目前中國(guó)水産飼料市場, 由于大部分水産飼料生産企業受到資金的限制, 通常選用價格較低的國(guó)産單螺杆擠壓膨化機, 但因其結構簡單和技術水平、制造水平不夠高, 隻能(néng)在水産飼料加工中用于生産較低檔的淡水魚浮性料, 難于生産沉性料和其它高檔水産飼料産品。有些進(jìn)口單螺杆機型雖能(néng)滿足生産高檔沉性飼料産品, 但其價格太高, 已沒(méi)有很好(hǎo)的性價比。我們選擇擠壓膨化設備不應隻看到雙螺杆擠壓膨化機比單螺杆擠壓膨化機的價格高, 而更應考慮綜合性價比和産品生産成(chéng)本。國(guó)産優質的雙螺杆擠壓膨化機技術性能(néng)已達到一定的先進(jìn)水平, 雖然價格要高于國(guó)産單螺杆擠壓膨化機, 但要遠遠低于進(jìn)口單螺杆機型的價格, 其生産性能(néng)已超過(guò)進(jìn)口單螺杆機型并可以完全替代進(jìn)口雙螺杆機型, 不僅能(néng)滿足養殖業中高檔水産飼料的需求, 而且能(néng)達到很高的性價比, 應該是目前水産飼料加工業的最好(hǎo)選擇。随著(zhe)大規格、大産量和專用型雙螺杆機型的出現, 使用雙螺杆擠壓膨化機可獲得更大的效益, 能(néng)更充分發(fā)揮出擠壓膨化加工技術所具有原料使用範圍廣, 澱粉的糊化程度高, 水中穩定性遠遠高于普通顆粒飼料, 産品密度可調, 可加工浮性、慢沉、快沉料和高水分、高油脂飼料, 顆粒的結構比較疏松有利于采用後(hòu)噴塗技術, 避免熱敏性原料的損失, 防止污染環境和防病、抗病, 提高飼料營養價值, 降低生産成(chéng)本等獨特的優勢。
5 雙螺杆擠壓膨化機的開(kāi)發(fā)與展望
目前, 第三代新型 GCISSP 系列雙螺杆擠壓膨化機已經(jīng)面(miàn)市, 其動力配置從 22 kW 到 315 kW, 加工水産飼料産量從 150 kg/h 到 12 t/h, 共有 10 個規格的産品, 完全能(néng)夠滿足當前國(guó)内水産飼料加工( 浮性料、慢沉料、快沉料和高油含量料、濕性料等) 、各類寵物飼料和食品工業中植物組織蛋白、休閑食品、營養食品等的生産需求, 主機采用變頻主電機, 傳動系統強勁、平穩、可靠, 機筒加熱和冷卻層爲一體式鍛造結構, 機筒内套和螺杆元件采用高耐磨合金鋼材質, 模闆采用新型材質和科學(xué)布孔工藝, 調質系統采用加長(cháng)不鏽鋼雙軸差速調質器, 設備結構合理、外形美觀, 其産品技術性能(néng)已接近或基本達到國(guó)際知名品牌如美國(guó) Wenger、瑞士 Buhler 等進(jìn)口雙螺杆擠壓膨化機水平, 但其價格僅爲進(jìn)口産品價格的三分之一, 爲國(guó)内飼料和食品加工企業提供了低價格、性能(néng)完善的高性價比雙螺杆擠壓膨化設備。尤其是針對(duì)目前國(guó)内水産飼料加工以浮性料爲主導産品的實際狀況, 某公司又開(kāi)發(fā)出既能(néng)充分發(fā)揮雙螺杆擠壓膨化機的優勢, 又能(néng)盡量降低投資成(chéng)本加工水産浮性飼料的 GCISSPF 系列雙螺杆擠壓膨化機專用機型, 其價格遠遠低于進(jìn)口單螺杆擠壓膨化機, 而且僅與國(guó)産單螺杆擠壓膨化機的價格相當, 可以說(shuō)用單螺杆的投資就(jiù)能(néng)選用雙螺杆擠壓膨化機,能(néng)夠生産出整齊度好(hǎo)和更多樣(yàng)化的産品, 大産量、專業化的雙螺杆擠壓膨化機將(jiāng)會(huì)産生更大的經(jīng)濟效益。
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