一種新型的煙花開苞藥滾擠造粒技術

楊瑞 歐陽八生

[1]。傳統的煙花開苞藥是由人工將多種超細（粒徑<74μm）的化工原料直接手工攪拌混制而成的具有爆炸性的混合物，其危險性極大。首先，由于此類開苞藥粉末超細，混藥時浮塵極多、藥劑拋灑嚴重，

會導致生產過程中粉塵濃度極高，容易達到飽和狀態，漂浮在空中的藥粉只要有一點點火星

（如靜電或黑色金屬之間的撞擊產生火星）就容易引起爆炸，難以安全生產；第二，粉塵漂

浮在空中，難以回收，會對生產廠周圍環境造成極大的污染；第三，漂浮的粉塵，容易被人

體吸入，嚴重危及人們的健康；最后，此類微細粉塵，制約了煙花的自動化生產：如煙花自動化生產線設備由于運動會產生摩擦和靜電，而這種微細粉塵具有極易燃易爆特性，對機械化安全生產產生極大隱患，制約了煙花生產自動化的發展；又如開苞藥的自動裝藥工序中，粉塵在裝藥的過程中會粘附在紙筒的螺旋槽內，在封閉紙筒的過程中會與粉末產生摩擦和靜電，從而容易引發爆炸、火災；再者，粉末狀的開苞藥不易于自動計量，使得每個紙筒內所裝的開苞藥重量不等，影響燃放效果等等。

因此，將粉末狀的開苞藥制成顆粒狀的微粒來降低粉塵濃度、靜電感度和摩擦感度以改變其物理特性，提高煙花生產的安全性和環境的清潔性是必要的；同時避免傳統的制造方法中手工干混后直接裝筒，導致煙花筒中多種金屬粉因質量組份不同而分離，影響煙花開苞藥燃摘 要：煙花開苞藥的造粒有利于環保和人體健康，更有利于煙花自動化生產的安全性。針對煙花開苞藥造粒的必要性和特殊性，文章介紹了一種新型的滾擠造粒方法，分析了滾擠造粒的原理和結構特點，介紹了滾輪與齒板組件、篩網等關鍵部件的設計與制造要點，討論了滾擠造粒相關參數的選取。該技術的應用對煙花制造業的潔凈化、自動化、智能化安全生產提供了有力的保障。

關鍵詞：開苞藥；滾擠造粒；原理及結構

1 煙花開苞藥造粒的必要性

椐資料統計，煙花廠43.59%爆炸事故是由開苞藥混藥工序引起的[1]。傳統的煙花開苞藥是由人工將多種超細（粒徑<74μm）的化工原料直接手工攪拌混制而成的具有爆炸性的混合物，其危險性極大。首先，由于此類開苞藥粉末超細，混藥時浮塵極多、藥劑拋灑嚴重，會導致生產過程中粉塵濃度極高，容易達到飽和狀態，漂浮在空中的藥粉只要有一點點火星（如靜電或黑色金屬之間的撞擊產生火星）就容易引起爆炸，難以安全生產；第二，粉塵漂浮在空中，難以回收，會對生產廠周圍環境造成極大的污染；第三，漂浮的粉塵，容易被人體吸入，嚴重危及人們的健康；最后，此類微細粉塵，制約了煙花的自動化生產：如煙花自動化生產線設備由于運動會產生摩擦和靜電，而這種微細粉塵具有極易燃易爆特性，對機械化安全生產產生極大隱患，制約了煙花生產自動化的發展；又如開苞藥的自動裝藥工序中，粉塵在裝藥的過程中會粘附在紙筒的螺旋槽內，在封閉紙筒的過程中會與粉末產生摩擦和靜電，從而容易引發爆炸、火災；再者，粉末狀的開苞藥不易于自動計量，使得每個紙筒內所裝的開苞藥重量不等，影響燃放效果等等。

因此，將粉末狀的開苞藥制成顆粒狀的微粒來降低粉塵濃度、靜電感度和摩擦感度以改變其物理特性，提高煙花生產的安全性和環境的清潔性是必要的；同時避免傳統的制造方法中手工干混后直接裝筒，導致煙花筒中多種金屬粉因質量組份不同而分離，影響煙花開苞藥燃放性能。

2 現有造粒技術

使細粉物料聚成較大實體的過程稱為造粒過程。粉體造粒技術分為兩大類，第一類是成型加工法，該方法是將粉體物料使用特定的一些設備和工藝方法，加工成為符合需求的形狀、密度、成分等的團狀物料；第二類是粒徑增大法，主要是把粉體通過團聚作用制成較大的顆粒[2]。按照實現小顆粒團聚的基本原理，可以把現有的粉體處理技術分為攪拌造粒法[2]、沸騰造粒法[3]、噴霧干燥造粒法[4]、壓力成型造粒法[5]、熱熔融成型法[2]、超臨界流體造粒法[6]、圓盤造粒法[7]。

造料技術已在化工、食品、藥品等行業得到廣泛應用，但應用于煙花制造業起步較晚，目前僅被利用到火藥和亮珠的造粒過程中，綜合這些傳統的造粒方法，其主要缺點是：要么造出的顆粒太大，不能滿足開苞藥粒徑需要（如：攪拌造粒法、擠壓造粒法、擠出滾圓造粒法、回轉冷帶落模法）；要么造粒裝置中壓力太大或者溫度太高，不能滿足開苞藥造粒的安全生產（如：沸騰造粒法、噴霧干燥造粒法、超臨界流體造粒法）；要么制造出的顆粒粒度不均勻、且粒度比較疏松（如：圓盤造粒法、攪拌造粒法、沸騰造粒法）等等。

煙花開苞藥與火藥和亮珠存在很大的差異性[8～9]，除了粒度大小差異較大外，其靜電感度、摩擦感度、起始反應溫度等物理特性差別也很大，因此，現有造粒方法幾乎不能直接應用于煙花開苞藥的造粒生產。本文介紹一種新型的滾擠造粒方法，探討其造粒原理、造粒設備的設計與制造要點，并對相關結構參數進行了初步分析，有利于煙花制造業的自動化和智能化，更有利于安全生產。

3 滾擠造粒技術的原理及特點

3.1 滾擠造粒原理

本研究提出一種滾擠造粒法，其傳動系統原理如圖1 所示。防爆電機1，經聯軸器2、減速器3，將動力傳至曲柄搖桿機構4，使旋轉運動轉變為來回搖擺運動，然后通過鏈輪傳動機構5使搖擺轉角放大到360度，最后通過萬向傳動裝置6，穿過防爆墻將動力傳送至滾輪組件7，使其作正反360度旋轉運動，以實現滾擠造粒運動。

滾擠造粒的工作原理如圖2所示，造粒組件主要由滾輪及齒板組件1、篩網2、張緊輪3等部分組成。先調節兩張緊輪3使篩網2成張緊狀態，并使篩網與滾輪及齒板組件相互包緊成一合適包角，形成一包容空間，原料經添加適量膠溶液混合攪拌成半濕料后，從入料口進入造粒組件容積內，由于滾輪1正反間斷式來回旋轉，使得滾輪的齒板對物料產生擠壓（如圖3），然后將物料從篩網2中擠出，形成顆粒狀物料，再經后續干燥等工序，完成造粒。

3.2 滾擠造粒的特點

（1）該造粒方法屬常溫的濕法造粒，能保證造粒過程的安全性。造粒物料其粉體間隙完全被膠溶液所充滿，形成液體架橋，具有一定強度，在干燥的過程中，顆粒中的酒精揮發后，殘留的粘結劑成為固體架橋，使得微粒具有一定的強度，且微粒內的成分含量均勻。該方法特別適用于煙花開苞藥這種具有易燃易爆特性物質的造粒。

（2）微粒的粒徑可由篩網的網孔的大小來控制，所造微粒大小分布均勻。制備不同粒徑的微粒，只需要更換不同孔徑的篩網，操作便利。

（3）造粒設備結構簡單，價格低廉，由于采用多齒板連接擠壓，生產效率高。

（4）采用編織篩網，不僅增強了篩網的使用壽命，還提高了微粒的圓整度和造粒效率。

4 滾擠造粒關鍵部件的設計與制造要點

4.1 滾輪與齒板組件

為了增加容料體積，并擴大料流的速度，滾輪與齒板組件應設計成空心結構，通過組合后焊接制造，如圖4所示為該結構的三維圖。為保證滾輪上各齒板聯結后的形狀精度，整體滾軸1的軸頸與兩個端板2的孔裝配后應保證同軸度，再與滾軸焊接，形成剛性連接；端板2上先加工有六個均勻分布的凹槽（如圖5），三角形齒板放入兩個端板的凹槽中定位后實施焊接與滾輪形成一體；焊接完成后再整體精車齒板頂部，并滿足其形狀精度要求。

滾輪與齒板組件作為造粒的執行元件，經常工作在藥料中，并與篩網產生擠壓、摩擦，因此，材料應具有一定的耐磨性和耐腐蝕性，而且開苞藥具有易燃易爆的特性，材料應能讓摩擦靜電盡快通過地線輸出，故材料應具有良好的導電性，本設計選SUS304不銹鋼作為滾輪與齒板組件的主體材料，對齒板再進行鑲銅或局部鍍銅處理。

4.2 篩網的結構

篩網是造粒機上重要的部件之一，它決定了顆粒的大小及形狀，同時也影響造粒的效率。篩網分為平板篩網和編織篩網兩種類型[10]。平板篩網（圖6）表面是平滑的，在滾擠造粒過程中網孔容易被堵塞，物料容易被滾輪齒板刮走，擠壓效果差，造粒效率低，而且，網孔一般通過沖壓或激光打孔制造，制造成本高；編織篩網（圖7）具有搓衣板效應、清理效果好，制造成本低，開孔率高，不易堵塞，造粒效率高。

基于以上兩種篩網的特點，本設計選用如圖7所示的編織篩網。網絲在經緯鋼絲的交接點處被波紋壓窩及鋼絲彈性牢牢地卡住，鋼絲不串動，網孔不易變形。按照開苞藥造粒的大小要求在0.40～0.60mm的微粒，決定選用30～40目范圍的編織篩網；篩網的厚度應適當，當篩網太厚，造出的顆粒呈現出柱形；但厚度太薄，篩網的使用壽命較短，本設計篩網厚度為0.8mm。

5 滾擠造粒相關參數

采用滾擠造粒方法制備開苞藥微粒的過程中，造粒相關參數的選取都會影響造粒的效果。

（1）黏結劑的含量。當黏結劑的含量較高時，所造微粒的硬度較大，力度分布不均勻，崩解較慢，會影響煙花的燃放效果；相反，黏結劑用量不足時，微粒松散、強度不足，粉塵度增加。因些，粉體原料、黏結劑應具有適當的混合比例，根據實驗結果，本方案采用5%（重量比）黏結劑。

（2）擠壓速率。擠壓速率太高會使擠壓作用不夠充分，微粒成型率比較低；擠壓速度太低會提高成型率，但產量較低；故需選取合適的擠壓速率，本設計中滾輪的轉速約為20 ～ 30r/min（正反雙向）。

（3）滾輪齒板的截面形狀。考慮到制造方便，本設計采用正三角形截面形狀，三角形齒頂角變化，會使滾輪齒板對物料的擠壓力的大小和方向產生變化，從面對造粒效率產生影響。

（4）篩網的包緊角度。它直接影響滾輪對物料的擠壓范圍，從而影響擠壓效率。

如圖2可看出篩網與滾輪齒板的接觸包角α在0～180.0之間，由于滾筒與篩網之間的張緊角度直接影響篩網與滾輪的有效接觸面積，為提高滾擠造粒的效率，需要保證有三個齒板對篩網產生滾擠，并考慮到下料的開口寬度，本設計確定篩網與滾輪之間的包緊角度α為150.0左右。

6 結語

本文針對煙花開苞藥造粒的必要性和特殊性，分析了滾擠造粒方法的原理和結構特點，介紹了滾輪與齒板組件、篩網等關鍵部件的設計與制造要點，討論了滾擠造粒相關參數的選取。該方法具有結構簡單，操作方便，制造、運行成本較低等優點，能夠制造出顆粒大小均勻、圓整度好，顆粒的強度和硬度都符合要求的煙花開苞藥。設計中考慮到降低其靜電感度，提高了造粒過程的安全性，該方法也可運用于類似于開苞藥等易燃易爆的粉體造粒上。

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