固體顆粒肥料物理特性的試驗研究

邢緒坡,馬 旭,陳林濤,李宏偉,溫志成,曾廣智

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,廣州 510642)

0 引言

水稻是我國最主要的糧食作物,其安全生產(chǎn)具有重大意義[1-2]。我國水稻種植過程中施肥作業(yè)主要采用固體顆粒肥料,大部分采用人工手撒施肥,人工勞動強度大,施肥均勻性無法控制,直接影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。傳統(tǒng)的盲目粗放式施肥,不僅浪費了大量資源,還造成了農(nóng)作物等有害物質(zhì)超標和環(huán)境污染?；手械闹T多元素中氮元素對水稻產(chǎn)量影響最大,水稻生產(chǎn)中肥效利用率低的原因主要是由于氮元素未被有效吸收利用,且氨的揮發(fā)是一個重要原因[4-5]。化肥深施技術(shù)可減少肥料揮發(fā),顯著提高肥料中氮、磷、鉀等元素的利用率[6]。

研究科學(xué)、合理的水稻深施肥技術(shù)及裝備對提高肥料的利用率,降低成本,提高水稻生產(chǎn)效益等方面發(fā)揮著不可替代的作用?，F(xiàn)有的水稻固體顆粒肥料施肥裝置,受水田環(huán)境的影響,肥料易受潮,而施撒受潮肥料時易出現(xiàn)粘結(jié)、結(jié)塊現(xiàn)象,施肥量不均勻;肥料在機械施撒過程中也易破碎,容易引起肥料在肥箱和肥管的堵塞,造成排施量逐漸減少,甚至導(dǎo)致肥料無法排出[7]。正是由于固體顆粒肥料的物理特性的變化,形成了在水田施肥機械中的技術(shù)難度,致使目前的水田機械施肥主要采用人工撒施,肥料利用率低。日本插秧機因施肥裝置不適應(yīng)國產(chǎn)肥料,在引進時撤掉施肥裝置。近年來,隨著國家“雙減”計劃的實施,國內(nèi)部分企業(yè)開始研制水稻插秧同步施肥和追肥機械,但由于我國的顆粒肥料特性掌握不夠細致,仍出現(xiàn)施肥量不均勻和肥管堵塞等現(xiàn)象。例如,久保田公司研制的乘坐式插秧機設(shè)計了側(cè)深施肥系統(tǒng),采用外槽輪式排肥器排肥,通過吸收發(fā)動機附近的暖風送肥。田間作業(yè)表明:該機具對大顆粒肥料排施效果較好,但排施小顆粒肥料時容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。湖南龍舟農(nóng)機股份有限公司研制了一種螺旋式精量施肥機,可搭載在水田拖拉機上實現(xiàn)追肥作業(yè),田間作業(yè)表明:該機具可排施不同形狀的固體顆粒肥料,但當肥料含水率較高時,肥料排施較為困難。

固體顆粒肥料的物理特性對水田施肥機械的施肥性能有重要影響。目前,對于固體顆粒肥料物理特性的研究主要基于以下需求:為排肥裝置的離散元仿真分析提供參數(shù)依據(jù)、確定排肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)。呂昊測試分析了4種固體顆粒肥料的三軸尺寸、密度、含水率、摩擦因數(shù),為排肥裝置的離散元仿真分析提供了參數(shù)依據(jù);雷小龍測試了3種固體顆粒肥料的三軸尺寸、球形率、千粒質(zhì)量,為螺旋式排肥裝置結(jié)構(gòu)尺寸的確定提供了依據(jù)[11]。G.M.Walker研究了磷肥在造粒過程中,顆粒的形狀對顆粒強度的影響[12]。Ahmad B.Albadarin為降低固體顆粒肥料在儲存期間的結(jié)塊傾向,通過向NPK混合物中添加不同比例的 POLY4,來研究其對共混物存儲時間的影響[13]。為此,以水稻施肥時常用的國產(chǎn)尿素(LuoFengShan)、國產(chǎn)復(fù)合肥(BaTian)和俄羅斯復(fù)合肥(AKANG)3種固體顆粒肥料為研究對象,對其物理特性進行分析,以期為我國水稻施肥機械的研制提供參考。

1 肥料物理特性的測定

1.1 肥料密度、尺寸與形狀的測定

1.1.1 肥料單粒密度的測定

密度是最基本的物理參數(shù)之一,其定義為單位體積的質(zhì)量。本文采用單粒密度指標來測定肥料的密度,即肥料質(zhì)量與其體積(不包括肥料顆粒間的孔隙)的比值,則有

(1)

式中ρ—肥料的單粒密度(g/cm3);

m—樣本肥料的質(zhì)量(g);

v—樣本肥料的體積(cm3)。

采用排水法來測量肥料的單粒密度,具體步驟如下:分別從3種肥料中取10g樣品,放到電子稱上進行稱量,然后把肥料倒入裝有500mL蒸餾水的量筒中,迅速讀出讀數(shù),記錄量筒中水位升高的變化刻度,由此得出肥料的體積,進而根據(jù)式(1)求出肥料的單粒密度,測試結(jié)果如表1所示。

表1 3種肥料單粒密度

1.1.2 肥料三軸尺寸的測定

肥料顆粒的幾何尺寸,通常以長、寬、高三軸尺寸來表示,它對排肥器中結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和排肥量有較大影響[14]。為此,分別從國產(chǎn)尿素、國產(chǎn)復(fù)合肥和俄羅斯復(fù)合肥中取1 000g樣品,依次通過5、4、3、2、1mm孔徑的標準網(wǎng)篩對肥料進行粒徑分級,然后用電子秤稱取不同粒徑范圍對應(yīng)的質(zhì)量從而獲得肥料粒徑分布及對應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)。3種肥料粒徑分級結(jié)果如表2所示。

表2 3種肥料粒徑分布

由表2可知:3組肥料(國產(chǎn)尿素3≤d<4、國產(chǎn)復(fù)合肥1≤d<2、俄羅斯復(fù)合肥d<1)在其總量的占比均小于1%,因此忽略它們對肥料整體物理特性的影響。下文敘述時根據(jù)每組肥料粒徑大小可分別簡稱為國產(chǎn)尿素1組(d<1)、國產(chǎn)尿素2組(1≤d<2)、國產(chǎn)尿素3組(2≤d<3)、國產(chǎn)復(fù)合肥1組(2≤d<3)、國產(chǎn)復(fù)合肥2組(3≤d<4)、國產(chǎn)復(fù)合肥3組(4≤d<5)、俄羅斯復(fù)合肥1組(2≤d<3)、俄羅斯復(fù)合肥2組(3≤d<4)、俄羅斯復(fù)合肥3組(4≤d<5)。

每組隨機取30粒肥料顆粒,用千分卡尺進行三維尺寸測量,獲得肥料顆粒的三維尺寸平均值。肥料顆粒的等效直徑D為

(2)

式中L—肥料顆粒的長度(mm);

W—肥料顆粒的寬度(mm);

T—肥料顆粒的厚度(mm)。

進一步地根據(jù)式 (3) 求出不同粒徑分組下3種肥料顆粒的球形率φ,即

(3)

國產(chǎn)尿素、國產(chǎn)復(fù)合肥、俄羅斯復(fù)合肥3種固體顆粒肥料的三軸尺寸、等效直徑及球形率如表3所示。

表3 3種肥料的三軸尺寸、等效直徑及球形率

1.2 肥料含水率與硬度的測定

1.2.1 肥料含水率的測定

肥料的含水率是影響肥料物理力學(xué)特性的重要因素,在對肥料的破碎力進行測定之前,有必要先對肥料的含水率進行測定。本文采用低恒溫烘干法對國產(chǎn)尿素、國產(chǎn)復(fù)合肥和俄羅斯復(fù)合肥3種肥料的含水率進行測定。測試儀器:鹵素水分測定儀(溫度調(diào)節(jié)范圍50～180℃,鹵素水分測定儀干燥過程中,在干燥界面,可顯示水分儀的腔內(nèi)溫度和加熱時間的變化)。測試方法:取10g樣品混勻后,粉碎后通過1mm孔徑篩,然后放入80～90℃鹵素水分測定儀中烘15～30min,取出再稱量,直至兩次稱重質(zhì)量之差不超過1 mg。

肥料含水率W以質(zhì)量百分數(shù)(%)表示,按式(4)計算,即

(4)

式中m1—干燥前肥料樣品質(zhì)量(g);

m2—干燥后肥料樣品質(zhì)量(g)。

采用上述測量含水率的辦法,測得3種肥料的含水率分別為:國產(chǎn)尿素0.94%、國產(chǎn)復(fù)合肥1.02%,俄羅斯復(fù)合肥為1.46%,通過加濕改變肥料含水率,加濕后測得肥料的實際含水率與目標含水率,如表4所示。

表4 干燥后3種肥料樣品的實際含水率

1.2.2 肥料破碎力的測定

使用GWJ-2 數(shù)顯谷物硬度計(GWJ-2 數(shù)顯硬度計會自動記錄擠壓過程中作用在肥料顆粒上的作用力,并將試驗數(shù)據(jù)保存到文件中)測定國產(chǎn)尿素、國產(chǎn)復(fù)合肥、俄羅斯復(fù)合肥3種肥料在不同含水率、不同粒徑分組下的破碎力,結(jié)果如表5所示。

表5 3種肥料在不同含水率不同粒徑分組時的破碎力

1.3 肥料顆粒靜摩擦因數(shù)的測定

自制靜摩擦因數(shù)測定裝置來測量肥料與機體的靜摩擦因數(shù),如圖1所示。

1.數(shù)顯水平角度尺 2.肥料顆粒 3.斜面 4.不銹鋼板 5.螺桿 6.螺栓 7.工作臺架 8.塑料板

自制靜摩擦因數(shù)測定裝置的斜面傾角可在5°～65°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因為施肥部件的制造材料多選用不銹鋼,故測試肥料與不銹鋼之間的靜摩擦因數(shù)。測試時,將不銹鋼板固定在自制摩擦因數(shù)測定裝置斜面上,然后將粘滿肥料顆粒的塑料板覆在不銹鋼板上,緩慢旋轉(zhuǎn)螺栓,不斷提高斜面的傾角;當肥料顆粒開始滑動時,用角度測量儀測量此時斜面傾角α,然后根據(jù)式(5),計算出肥料與不銹鋼板的靜摩擦因數(shù)μ

μ=tanα

(5)

式中μ—肥料與接觸材料的靜摩擦因數(shù);

α—摩擦因數(shù)測定裝置斜面傾角(°)。

使用自制靜摩擦因數(shù)測定裝置來測量不同含水率下3種肥料與機體的靜摩擦因數(shù),結(jié)果如表6所示。

表6 不同含水率下3種肥料與機體的靜摩擦因數(shù)

2 分析與討論

2.1 肥料的密度、尺寸與形狀

由表1可知:國產(chǎn)尿素、國產(chǎn)復(fù)合肥、俄羅斯復(fù)合肥單粒密度分別為1.256、1.670、1.776g/cm3,相對于國產(chǎn)尿素和國產(chǎn)復(fù)合肥,俄羅斯復(fù)合肥單粒密度最大。

由表2可知:國產(chǎn)尿素粒徑主要集中在1～3mm、國產(chǎn)復(fù)合肥粒徑主要集中在3～5mm、俄羅斯復(fù)合肥粒徑主要集中在2～4mm。由表3可知:3種固體顆粒肥料的球形率均大于90%,可近似看作球形顆粒。

2.2 肥料含水率對其破碎力的影響

根據(jù)表5繪制肥料破碎力隨含水率變化的曲線圖,如圖2所示。由圖2可知:同一品種肥料的破碎力隨著含水率的增加呈減小趨勢,隨著粒徑的增大呈增大趨勢;相同含水率下,國產(chǎn)尿素破碎力較小,而俄羅斯復(fù)合肥破碎力較大,表明抵抗破碎能力更強,其機械施肥效果更好。

圖2 肥料破碎力隨含水率變化曲線圖

為分析含水率和粒徑兩個因素對肥料破碎力的影響程度,進行兩因素三水平的全因素試驗,試驗因素與水平如表7所示。肥料破碎力試驗結(jié)果及極差分析如表8所示。

表7 肥料破碎力試驗因素與水平

表8 肥料破碎力試驗結(jié)果及極差分析

由表8可知:各因素對國產(chǎn)尿素破碎力、國產(chǎn)復(fù)合肥破碎力和俄羅斯復(fù)合肥破碎力的影響由大到小排列均為A>B,即影響肥料破碎力的主次順序為含水率>粒徑。

2.3 含水率對肥料與機體靜摩擦因數(shù)的影響。

根據(jù)表6繪制肥料與機體靜摩擦因數(shù)隨含水率變化的曲線圖,如圖3所示。

圖3 肥料與機體靜摩擦因數(shù)隨含水率變化曲線圖

由表3可知:同一品種肥料與機體的靜摩擦因數(shù)隨著含水率的增加呈增大趨勢;相對于國產(chǎn)尿素和國產(chǎn)復(fù)合肥,俄羅斯復(fù)合肥與機體的靜摩擦因數(shù)最小,機械排肥阻力小,不易發(fā)生堵塞。

3 結(jié)論

1)測定了國產(chǎn)尿素、國產(chǎn)復(fù)合肥和俄羅斯復(fù)合肥3種固體顆粒肥料的單粒密度,分別為1.256、 1.670、1.776g/cm3,俄羅斯復(fù)合肥單粒密度最大,且3種固體顆粒肥料的球形率均大于90%,可近似看作球形顆粒。

2)得到了不同含水率和粒徑下,3種肥料的破碎力與含水率的規(guī)律:同一品種肥料的破碎力隨著含水率的增加呈減小趨勢,隨著粒徑的增大呈增大趨勢;全因素試驗的極差分析結(jié)果表明:含水率的影響較大,在相同含水率下,俄羅斯復(fù)合肥破碎力較大,表明抵抗破碎能力更強。

3)自制靜摩擦因數(shù)測定裝置,得到了不同含水率肥料與機體的靜摩擦因數(shù)規(guī)律:同一品種肥料與機體的靜摩擦因數(shù)隨著含水率的增加呈增大趨勢;在相同含水率下,俄羅斯復(fù)合肥與機體的靜摩擦因數(shù)最小。

4)試驗分析表明:在現(xiàn)有條件下,國產(chǎn)固體顆粒肥料與俄羅斯肥料相比,排施性能較差,需要設(shè)計更可靠的施肥裝置,才能實現(xiàn)精準的田間施肥作業(yè)。