0、引言
热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。利用该技术制得的生物质具有成型块品位高、密度大、易运输、易储存和使用方便等特点。成型块制成后，尤其是露天放置一段时间后极易出现开裂和变形等现象。这严重削弱了成型块的密实度、耐久性和抗渗水性等物理特性，也不宜运输及储存。同时，裂纹还影响成型块的美观度，降低了产品的质量，有悖于发展高品位、易运输和易储存生物质能的初衷，制约了生物质能的推广利用及市场化，富通新能源专业生产销售
秸秆颗�；�、
秸秆压块机、
木屑颗�；�等生物质颗粒燃料成型机械设备。
随着市场对生物质压缩成型块需求的日益增多，在激烈的竞争下成型块的质量愈来愈受到重视。裂纹问题已成为制约生物质压缩成型技术推广的瓶颈。目前，尚缺少对生物质压缩成型品表面裂纹的深入研究与探讨，仅止步于一些经验性调试。因此，探讨裂纹产生的原因，并提出预防措施，具有现实意义和经济价值。
研究表明，影响生物质成型的因素诸多，一般来说有物料种类、含水率、适宜的成型温度及压力等。由于成型块表面开裂的成因繁杂，因此通过试验来研究这一问题。
1、试验内容
1.1试验材料
试验采用木材加工剩余锯末、棉柴、玉米秸秆及纯木屑4种原料，木屑材料属性如表l所示。通过控制不同原料种类、含水率、成型压力、保型温度、螺旋进料速度及保型筒长度比较其成型效果及开裂程度。
1.2试验仪器与设备
成型试验在从德国引进的液压成型机上进行。
液压成型机采用液压驱动，螺旋进料，PLC控制，由预压缸、主压缸及双保型缸按一定指令循环施加压力。通过压力计，可清晰地观测到各缸压力的瞬态变化情况，并读取最大值。另外，试验室还配有湿度测量仪、红外线测温枪、电子磅秤、天平、游标卡尺和秒表等必要设备，分别用来测量原料的含水率、成型块温度、原料质量、成型块质量、成型块长度、直径以及成型时间。
1.3试验方法
为了弄清裂纹产生的原因，进行了大量的试验。试验前，将原料除去各种杂物，并粉碎到一定粒度，分别晾晒至不同的含水率。每次试验都加压至预先设定好的压力最大值。从设备试运行到完成各种原料的性能测试，共进行了17次试验。首先，试验了锯末、秸秆、棉柴和纯锯末的成型效果；然后，改变各种原料的含水率再试验，比较其成型效果，以得到最佳含水率；进入保型筒后，通过控制冷却装置控制保型筒内温度，测试温度对于裂纹产生的影响；最后，将成型制品在常温下露天放置7d，待其应力充分松弛后测其表面裂纹的长度与深度。
工作流程如下：螺旋进料器把物料送到预压腔内，预压缸下行；当下位传感器检测下行到位后，液压电磁阀换向，预压缸返回；上位传感器检测到预压缸到位后，主液压缸前行进行压块；当前检测开关检测到主液压缸前行到位，同时液压站内压力开关达到设定压力时，保型筒开启，成型块进入其内；随着下一循环的到来，成型块逐渐被挤入保型筒，当保型筒内物块总量达到其长度时，成型块渐渐被弹出，进而完成整个成型过程。
1.4试验结果
各试验生物质成型物理量比较如表2所示，纯锯末成型效果如图2所示，不同含水率下木屑成型效果比较如表3所示。
由表2可知，不同的原料其成型要求的条件不同，因而研究生物质成型需针对具体原料设置具体条件。含水率对于成型块表面裂纹的生成影响重大，不宜太高或太低，在15%～18%的范围较合适。
2、试验分析
试验发现，含水率对减少裂纹影响重大。不同的原料及同种原料不同粒度成型效果也不同，裂纹种类也有差别。有鱼鳞状裂纹和横向开裂裂纹，还有两者兼具型的，更有成型块刚弹出时表面光滑，但露天放置一段时间后表面出现开裂，甚至弯曲变形。
2.1原料种类对裂纹形成的影响
从表2可看出，纯锯末成型效果最好，其次是玉米和棉柴，成型效果最差的是锯末。分析表明，由于锯末采用的是装修木材产物，其成分与纯锯末有了很大的差别，不利于粘结和成型，致使成品裂纹大、易碎散。这与选材有关，与成型工艺影响不大。不同原料的生物质含有不同的木质素及纤维素，即其微观组成不同，则可压缩性不同，成型后制品的残余内应力也不同，故开裂程度不同。
2.2原料粒度对裂纹形成的影响
试验结果表明，原料粒度不均匀时，成型物表面易产生裂纹。粒度大小也影响成型效果，粒度太大不易成型。对于确定的成型方式，原料粒度的大小和粒度分布不应大于某一尺寸。试验证明：对于液压成型机，锯末的粒度在3mm左右；棉柴的粒度在5mm左右；玉米秸秆的粒度在不大于10mm时成型效果较好，裂纹较少。
2.3含水率对裂纹形成的影响
纯锯末只有含水率在15%～18%时成型后表面光滑，裂纹很少，并且放置一段时间后也未出现较大开裂现象。含水率过高或过低，成型后裂纹大，还易开裂、碎散或是不易成型。对于玉米秸秆和棉柴而言，也都有各自适合的含水率：玉米秸秆含水率在16%时表面裂纹较少，但产量低；棉柴含水率在15%左右时表面裂纹较少。由此可见，含水率对裂纹的形成至关重要。
2.4成型压力对裂纹形成的影响
试验表明，不同的原料种类对成型压力的要求不同。在相同的压力下，纯锯末成型后裂纹最少，表面最光滑；其次是玉米秸秆和棉柴。可见，不同的原料所需的最佳成型压力不同。试验得到对纯锯末采用10MPa的压力较为合适，这与原料内部微观组织不同有关。不同的原料其微观结构不同，要求的成型压力则不同。
2.5温度对裂纹形成的影响
试验表明，温度过高或维持高温时间过长，炭化严重、积瘤，甚至出现碎散现象。对于液压成型机，其成型温度主要来源于生物质原料与成型模具的摩擦生热。试验还发现，温度对于裂纹的影响还表现在残存在成型块内部的残余热应力在制品出模后产生的弹性膨胀，使得成型块表面开裂。试验表明，热、力耦合对于成型的质量影响深远。合理地利用热、力耦合效应是减少裂纹的一项重要措施。有关研究表明，温度不仅可以加速木质素的软化，而且还可以加速应力松弛。
2.6螺旋进料速度对裂纹形成的影响
螺旋进料器的螺旋转速影响进料速度，而进料的多少影响成型块的大�。ǔざ龋页尚臀锪嫌肽Ｇ恢涞哪Σ亮τ氤尚涂榈某ざ扔泄�。摩擦力大，成型过程中产生的热量多，成型温度就高；成型摩擦力大，实际成型压力大。研究表明：螺旋速度越高，进料越多，成型摩擦力越大，产生的摩擦热越多；成型压力越大，成型温度越高，成型后越易出现裂纹。
2.7保型筒对减少裂纹的作用
在初始试验阶段，未延长保型筒的长度，所得制品露天放置一段时间后，出现较大开裂，甚至碎散，而通过延长保型筒的长度发现，开裂现象明显减少，但是效果仍不够理想。再延长一段后，发现效果较好，裂纹变得非常微小，从而进一步验证了保型筒对于减少裂纹不可或缺。
试验表明，通过改变保型筒长度、保型时间，控制成型块冷却温度，保型筒可显著减少成型块表面裂纹。其主要作用是降低挤压成型时产生的残余应力，包括热应力。本试验装置在保型筒上施加两个保型缸，并对进入筒内的成型块继续施加较大的压力，发现保型效果大大提高，裂纹现象明显降低。
为保证成型块中的应力充分松弛，压块在筒内应有一定的滞留时间，这就对保型筒提出一定要求。保型是在生物质成型以后的一段套筒内进行的，其内径略大于压缩成型的最小部位直径，以便使已成型的生物质消除部分应力，随着温度的降低，使形状固定下来。保型套筒的端部有开口，用以调整保型筒的保型能力。若保型简直径大于成型简直径过多，生物质会迅速膨胀，容易裂纹；过小，应力得不到消除，出口后还会因温度突然下降，发生崩裂或粉碎。为此，可在保型筒上安装冷却装置，使压块温度逐渐降低。一般来说，滞留时间应不少于40-50s。另外，有关研究表明：饼块密度随着柱塞压力的增加呈线性增加；柱塞压力F与压模筒夹紧力P也呈线性关系，柱塞压力随着压模筒夹紧力的增加而增加。故压模筒长度一定，通过改变压模筒（保型筒）夹紧力，可以得到不同物料所需的饼块密度，如图3所示。因此，可通过适当提高保型筒夹紧力增加成型的密实度，改善成型质量、减少开裂现象。
3、理论分析
由前述已知，原料种类、含水率、原料粒度、挤压力的大小、挤压速度及温度等都是影响裂纹成因的关键因素。下面主要论述挤压成型阶段探讨裂纹的成因，并据此分析保型筒的保型机理。
3.1屈服强度后摩擦力的梯度及累积效应
3.1.1 “流体模型”的提出
1991年，法国科学家德热纳( Pierre Cilles deGennes)在其诺贝尔获奖演讲中提出软物质(Softmatter)的概念�？帕Ｎ镏适粲谌砦镏柿煊�，对于颗粒物质的流动，若找出其当量粘性系数且，就有可能用现已发展比较完善的流体力学计算方法来解决颗粒物料流量的计算问题�？帕Ａ髦饕芯抗烫蹇帕Ｖ涞南嗷プ饔眉霸硕ρЧ媛桑帕Ｖ涞淖饔谜加攀�，而流体作用可以忽略不计。
粉碎的生物质可视为粉末体，粉末体可视为“可压缩的连续体”。流体力学中将流体视作连续介质，建立了流体模型。生物质可看作连续的介质，在压缩过程中随温度的升高木质素软化并具有粘性，塑性变形及流动同时存在，此时材料与流体性质接近，因此可将其看作是有一定粘度的特殊流体，即粘弹性流体的压缩。传统研究一般将原料看作土体，未压缩前粉碎的原料性质接近土体，但是考虑压缩过程中木质素的软化及粘性，在达到屈服极限后流体理论更为接近实际情况。据研究生物质受压缩时，其材料的塑性变形流动服从Levy - Mises流动理论。
3.1.2梯度及累积效应分析
当受压生物质达到屈服强度后，发生塑性流动，此时材料与流体性质接近，借助流体力学相关理论分析裂纹成因。
3.1.2.1梯度效应，即当量粘性下类层流现象
由于材料内部的粘弹性（即当量粘性），在挤压成型过程中其内部会产生阻力（即内摩擦力）。沿成型模具不同直径大小的径向圆周环，生物质塑性流动呈类层流状。其中，外层受阻最大，流动最慢；中心层受力最小，流动最快。即存在内摩擦力的梯度效应。
3.1.2.2累积效应，即当量粘性下压力损失现象
据研究，连续介质在开口管路入口处被施加压力P，在出口处受力则远小于P，即内摩擦力的阻碍累积效应。此过程可看作连续介质的生物质在达到屈服强度后，由于当量粘性的作用，继续成型过程有压力损失。这也会造成其内部应力的不均匀性，成型后易开裂。在沿成型模具的轴向小圆柱，由于生物质塑性流动时下一层流对上一层流的阻碍作用（即内摩擦阻力），从入口到出口方向，生物质所受挤压力逐渐减小，致使其内部受力不均（如图5所示），即沿轴向随挤压推进df长度的小圆拄受力逐渐减小。这就是内摩擦力阻碍作用的累积效应。
综上所述，受压生物质达到屈服强度后，由于生物质内摩擦力的梯度效应、累积效应及成型模具施于生物质外层的摩擦力，致使生物质各层受力不均，流速不同，产生剪切应力，材料边缘层滞后于中心层的流动，如图5所示。高名旺和邓波等研究人员所做的数值模拟结果也可证明这一结论。安装保型筒后相当于闭口管，会大大降低这种应力的不均匀性。
3.2保型筒减少裂纹的功用分析
结合试验研究及相关理论成果，保型筒对于减少裂纹主要表现在3个方面。
3.2.1 挤压成型过程与成型模具末端紧密固定接合
前述已知，由于挤压成型过程生物质中心层的流动快于外层，造成巨大的剪切应力，这是造成制品的开裂现象的主要原因。在成型末端装有保型筒后，其上的液压缸施加的力使其顶住了成型块的最末端，最终成型完成后制品外层与中心层到达相同的位置，从而消除了会造成开裂的大部分的剪切应力。成型每完成一块，保型筒开口一次，使成型后的制品进入其内，并迅速夹紧。安装保型筒后挤压成型模具的等效工作模型，如图7所示。等效于在成型模具末端固定足够刚度和强度的顶盖。
3.2.2成型后制品进入保型筒增大摩擦力参与成型
保型筒上的液压缸施加的力使得保型筒夹紧了挤压完成后进入保型筒的制品，制品与保型筒筒壁之间的摩擦力又反作用于对挤压成型过程的顶紧作用。随着进入保型筒的物块愈多，此摩擦力愈大，顶紧作用便愈强，从而消除的内应力愈多，成型后裂纹愈少。这也解释了成型机开始工作阶段成型效果差和开裂严重的原因。保型筒的长度决定容纳成型块的数量及保型时间，进而影响成型效果。
3.2.3消除成型后会造成开裂的大部分弹性后效及热残余应力
造成开裂的另一原因是弹性后效。由于成型过程中温度很高，成型后制品内部有较大的残余热应力。温度的骤然变化会造成制品的大开裂。因而，在保型筒内安有冷却装置，以消除大部分热残余应力。
3.3材料亚微观结合特性
根据德国Rumpf的研究，成型粘结力有粒子间的范德华力及固体间的充填和嵌合等。粒子特性对生物质压缩成型有很大的影响，不同粒径的粒子在压缩过程中表现出不同的充填特性、流动特性以及压缩特性等。
含水率主要通过影响粒子层之间的结合力影响成型。研究表明，当原料含水率过高时，加热过程中产生的蒸汽不能从成型燃料中心孔排出，轻者会造成燃料开裂，表面非常粗糙，重者产生爆鸣。从微观角度看，当含水率过高时，由于原料中较多的水分被挤出后，分布于粒子层之间，使得粒子层间不能紧密贴合，成型效果不好，成型后易开裂。从前述试验结果来看，含水率对于裂纹的影响是至关重要的。
从成型机理上看，压力对于成型效果的影响是显而易见的，压力太低成型效果差，成型后也亦开裂碎散，甚至不能成型。另外，研究发现，挤压成型时温度增高，电机功耗较少，成型压力减少，成型物挤压不实，密度变小，容易断裂破损。
综上所述，对比试验结果，含水率、粒度和进料速度等主要通过作用于粒子内部粘结，影响成型结合力大小及产生残余应力来影响裂纹的形成。
4、结论
1)裂纹的形成与力学、原料的微观组织及所选环境介质（含水率或温度等）均有关。原料种类、粒度、含水率、温度、螺旋进料速度和压力等影响制品裂纹形成。
2)挤压成型阶段生物质所受摩擦力的不同，其流动差造成的剪应力和正静水压应力是形成裂纹的根本原因。
3)保型筒对于减少裂纹的作用更主要是施加于生物质的挤压成型阶段，主要通过顶紧挤压成型过程的物块来促进成型及消除致开裂的应力。
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