生物炭基肥是一种以生物炭为载体与传统肥料掺混制成的新型缓释肥料,在农作物生产、土壤改良和污染治理等领域得到广泛应用。通常采用团聚、挤压、熔融、喷雾、流化等方法制备生物炭基肥。课题组前期开发了一款新型生物炭基肥成型机,相较于传统成型机,该成型机集输送、挤压、成型、切粒于一体,工作稳定可靠,所制备的炭基肥颗粒强度高,基本满足肥料相关国家标准,具有较高适用性。但我们通过试验发现该成型设备温升明显,容易造成产品能耗高、成型率低等问题。本文分析了成型设备温升规律,从物料成型工艺和成型机结构两个方面加以改进:一方面进行物料挤压成型试验,通过单因素试验和响应面试验获得了最优工艺参数组合;另一方面借助数值模拟方法优化了螺杆参数,设计了对应的冷却系统,并制造出改进后的成型设备。最后进行了对照试验,验证了改进效果。本文主要内容和结论如下:(1)探究了成型设备温升机理,温升主要由物料成型过程中变形热和摩擦热引起。借助微元法和螺杆基础理论推导了摩擦热和变形热的计算公式,成型温升受到螺杆结构、物料压缩特性和螺杆转速的影响。当物料配方和成型机结构确定时,螺杆转速是决定设备温升的关键因素。(2)建立了成型过程温度场分析模型,实测了成型机温升规律并与仿真结果进行比较。根据仿真结果物料区域温度随着转速的增加而增加,最高温度位于靠近螺杆的区域,温度由内向外依次递减。而实际生产中机筒内部物料温度经历缓慢增长、快速增长、最终趋于平缓三个阶段且温度分布呈现梯度变化,越靠近螺杆温度越高,随着转速增加,物料最高温度先增加最终有所回落。机筒表面温度变化与物料区域相似,但数值上有较大差距,且温度分布不均越靠近出料口温度越高。实测温度与仿真结果误差在8%~15%之间,说明分析模型具有一定参考价值。(3)进行了物料挤压成型试验。通过单因素试验和四因素三水平响应面试验探讨了不同压缩速度、模具长径比、物料含水率、基肥比对比能耗和抗压强度的影响,建立了比能耗和抗压强度的二元回归模型,并对回归模型进行了预测。响应面试验结果表明,各因素对比能耗影响作用的大小依次为:长径比>含水率>压缩速度>基肥比;模具长径比和含水率的交互作用对比能耗有显著影响。各因素对抗压强度影响作用的大小依次为:含水率>基肥比>压缩速度>长径比;含水率和基肥比的交互作用对抗压强度有显著影响。在成型比能耗最小,抗压强度最大的条件下,得到了最佳工艺参数组合:压缩速度为50 mm/min,模具长径比为3.5,含水率为14.16%,基肥比为4,该条件下产生的比能耗为20.541 kJ/kg。抗压强度为35.013 N,预测的平均相对误差依次为3.3%、2.3%,说明回归模型可靠性较高。(4)借助FLUENT分析了不同螺杆参数条件下机筒内部物料压力分布,优化了螺杆参数,当压缩比为1.8,螺槽深度为17.5 mm,螺棱宽度为5 mm时物料成型效果较好。根据温升规律设计出对应的冷却系统,通过计算验证了设计的合理性,并对相应配件进行选型。重新制造出新一代样机,对改进前后的效果进行对比。改进后物料温升下降幅度达15.4%,机筒表面温升下降幅度达28.8%。产品产量和成型率均有明显提升,其中产量平均增幅为51.1%,成型率平均提升37.6%,同时保持较高颗粒强度,说明改进较为合理。