加热不燃烧新型烟草颗粒双螺杆挤出机的改进和应用

加热不燃烧新型烟草颗粒双螺杆挤出机的改进和应用

黄敬贵*，陈强

江西中烟工业有限责任公司赣州卷烟厂 赣州市   341000

摘要：本技术方案是基于现有加热不燃烧新型烟草颗粒制备用的双螺杆挤出机技术中存在的不足而导致影响双螺杆挤出机的挤出效果所进行的技术改进，主要是通过对颗粒双螺杆挤出机的螺杆挤出头结构和挤出孔板的挤出孔径进行技术改进，以解决当下挤出物料不饱满，颗粒有效得料率偏低及挤出过程中因物料反流造成螺杆的卡死的故障等相关问题，从而提高新型烟草制品质量。

关键词：双螺杆挤出机  颗粒  螺杆挤出头结构  挤出孔板

Improvement and application of twin-screw extruder for new type of heat-not-burn tobacco particles

HUANG Jinggui*, Chen Qiang

Jiangxi China Tobacco Industry Co., Ltd. Ganzhou Cigarette Factory,

  No. 1, Xiangjiang Avenue, Economic Development Zone, Ganzhou City 341000

Abstract: This technical solution is based on the shortcomings of the existing twin-screw extruder technology for the preparation of new tobacco particles with heating and non-combustion, which affects the extrusion effect of the twin-screw extruder. The main technical improvement is to improve the structure of the screw extruder head and the extrusion aperture of the extrusion hole plate of the particle twin-screw extruder to solve the problem that the extrusion material is not full at present. The low effective particle yield and the screw sticking fault caused by the material reflux in the extrusion process can improve the quality of new tobacco products.

Key Words: Twin-screw extruder; Particle; Screw extrusion head structure ; Extruded orifice

0 引言

近年来，随着加热不燃烧卷烟的飞速发展，国内各大中烟公司都已投入大量人力物力进行研究开发和小批量生产，目前已取得了良好的进展，部分中烟公司的加热不燃烧卷烟产品已在国外上市。同时，江西中烟顺应形势发展，相继开展了《金圣品牌国瓷系列加热不燃烧型烟草制品的研究与开发》等新型烟草研发项目，完成了颗粒型加热不燃烧制品的研发试制和技术储备，且取得了较好的成效。

为进一步提高颗粒型加热不燃烧卷烟的产品质量，本文在结合现有加热不燃烧新型烟草颗粒制备用的双螺杆挤出机为基础进行技术改进，进一步优化了江西中烟颗粒型加热不燃烧卷烟中试生产设备，加强对颗粒型加热不燃烧卷烟烟草颗粒制作相关工艺研究，因此开展本项目技术改进研发是非常有必要的。

加热不燃烧新型烟草颗粒制备用的双螺杆挤出机，是指一种将粉体原料、水、粘合剂等原辅料均匀混合，加入湿润剂制成软材，软材依靠布料器推动进料，从而送入双螺杆挤出机内部，螺杆挤出机是依靠螺杆旋转产生的压力及剪切力，能够将从布料器中接收到的软材进行均匀混合并在双螺杆的压缩下通过一定孔径的挤出孔板不断向网孔方向挤压、挤出，形成圆柱形长条状物料的过程，最后再将挤出的物料送入下一道滚圆工序制成固体颗粒。经过大量的技术研究发现，对软材挤出物形状及质量有影响的相关因素主要体现在：螺杆头形状、挤出速度、挤出温度、挤出孔径大小等[1]。

1 原结构中存在的问题

现有的两台加热不燃烧新型烟草颗粒制备用双螺杆挤出机的螺杆头为6扇面结构，挤出孔板网孔规格则较多。在经过大量的工艺测试后分析发现，在使用该双螺杆挤出机的螺杆头结构的双螺杆将软材在螺杆压缩下从挤出孔板的网孔方向挤压出来，挤出的物料形状为长条扁状物，物料不饱满且存在分叉、毛刺及机头出料不畅等现象，在挤出过程中还发现存在物料的反流问题及因物料反流造成螺杆的卡死的故障，这些都直接影响到下一道工序的滚圆效果，出现细粉较多、颗粒有效得料率偏低等问题，对颗粒的成品外观、工艺质量及感官评吸都具有较大程度的影响。加热不燃烧新型烟草双螺杆挤出机改进前的螺杆机头结构及螺杆挤出机物料挤出效果情况图如下所示：

2 原因分析

在保证加热不燃烧颗粒生产线正常运行效率的前提下，经过大量的工艺测试后总结出以下两种影响颗粒质量的主要原因：

2.1 双螺杆挤出机扇面结构分析

现现有的两台双螺杆挤出机的螺杆机头为6个扇面结构且两个螺杆之间的调整不便利。在使用该螺杆机头结构的双螺杆将软材物料在螺杆压缩传送下，使软材进入挤出机头与挤出筒的空腔中，然后利用两者之间的空隙差，使软材受到较大的裁切力往前推动[2]，最后从挤出孔板孔板的网孔方向挤压、挤出。由于6个扇面的螺杆挤出头和挤出筒中的空腔的间隙较小，空腔内易很快积满物料，由于空腔内物料的积满造成堵塞，后续的物料无法继续进入空腔，在双螺杆的不断旋转作用下，易顺着双螺杆沿反方向流动，即物料的反流现象，这些都会造成挤出的物料中细粉较多、长条扁状物、不饱满且分叉、毛刺现象或易造成双螺杆的卡死等问题。

2.2 孔径分流板孔径大小及数量分析

通过对挤出孔板的观察及不断测试中发现，挤出孔板孔径的大小和孔数的数量也会影响螺杆头的压力和挤出效果[3]。在保障正常生产效率的情况下，经过对挤出孔板的孔径大小及孔目数量进行梯度测试，发现挤出孔径对挤出物料的形状存在一定的影响，同时孔目的数量对技出压力有直接关联，所以选择适当孔径和孔数的挤出孔板是至关重要的。

3 制定相应举措

经过对双螺杆挤出机的多次测试，我们发现双螺杆挤出机现有的设备结构上存在些许设计缺陷，容易造成螺杆头与螺杆套间的出料不畅、堵塞或物料反流的现象[4]，导致挤出孔板挤出的物料形状明显呈长条扁状、饱满度不够且有分叉、毛刺等问题；因此，非常有必要对加热不燃烧新型烟草颗粒双螺杆挤出机的螺杆头结构及挤出孔板挤出规格进行相关技术改进，通过结合现有的测试情况进行论证，最终形成如下改进措施：

3.1 对颗粒双螺杆机的机头结构进行改进

对加热不燃烧新型烟草颗粒双螺杆机的螺杆头结构进行改进。对两个螺杆之间的安装啮合方式进行改进[5]，以解决现有的螺杆机头结构设计缺陷导致的以下问题：一是机头出料不畅出现堵塞或因物料反流造成双螺杆的卡死的问题；二是解决挤出的物料明显呈长条扁状物、饱满度不够且有分叉、毛刺等问题。

3.2 对挤出孔板的规格进行改进

对加热不燃烧新型烟草颗粒挤出孔板网孔径的大小和孔数进行改进。以解决现有规格的挤出孔板挤出孔径影响挤出物料的质量问题，同时，降低软材制成湿颗粒的造碎率，提升设备效率，进而提高颗粒有效得料率。

4 措施实施和现场实施图

4.1 螺杆头结构改进的实施

对加热不燃烧新型烟草制备用的两台双螺杆挤出机的螺杆机头结构进行设备改进。在不改变螺杆的基本结构的基础上，首先将两个螺杆之间的安装位置，改进设计为可调节式的活动连接，便于调整其中一个螺杆与另一个螺杆之间的连接位置，通过调整双螺杆的啮合程度，来改变两个螺杆之间的夹角[6]，从而适应物料挤出的需要；其次根据上述软材挤出时的出料过程存在的问题，将螺杆头的6个弧形扇面结构改进为4个弧形扇面的结构，从而增大了软材进入挤出机头与挤出孔板之间的空间，以减少机头处出料不畅、堵塞或物料反流及螺杆卡死等问题。

4.2 对挤出孔板规格参数改进的实施

经过对加热不燃烧新型烟草颗粒挤出孔板网孔径的大小和孔数进行多次改进，并一一对应测试，最终根据测试结果分析得出：当挤出孔板网孔规格设计值为0.9～1.0mm，目数设计值为15～20目，挤出孔板厚度设计值为0.9mm时，双螺杆挤出机挤出物料的形状及饱满度都大为改观，在满足现有工艺技术要求的情况下，各方面指标均有较大程度的提高。

4.3 对螺杆头和挤出孔板的安装参数改进的实施

在对螺杆头和挤出孔板改进后，经多次测试，在安装微调时，在螺杆头顶端和挤出孔板间保持0.5mm的间隙，双螺杆机的挤出效果会更好。

4.4 改进后现场实施效果图

加热不燃烧新型烟草双螺杆挤出机改进后的螺杆头结构及螺杆挤出机物料挤出效果[7]情况图如下所示：

5 效果验证

双螺杆挤出机经过上述的技术改进后，按照现有加热不燃烧新型烟草颗粒的生产流程和工艺技术的要求，我们对加热不燃烧新型烟草颗粒双螺杆挤出机进行了多批次软材的工艺测试[8]

，根据测试结果分析得出，软材在双螺杆挤出机剪切力的作用下从挤出孔板网孔方向挤压的出料后，挤出受力相对稳定、出料更为顺畅，总体来讲不仅可以减小设备的压力损失，同时也助于物料由螺旋旋转运动向直线运动的转变，提高了物料流动、挤出的稳定性和均匀性，挤出的长条物料形状差异性较小、外观饱满度显著增强，同时分叉、毛刺等现象大幅度降低，批量差异性变化较小，提高了挤出物料的质量，得料率由之前的78%提高到95%，大大提高有效物料的得料率[9]；各项过程指标均符合加热不燃烧新型烟草颗粒制品工艺技术要求，且在多次测试的过程中，双螺杆挤出机设备运行总体正常，不存在物料反流现象，改进效果已得到充分验证，达到了预期的经济技术指标和应用效果，并顺利完成颗粒型加热卷烟所需的颗粒原料生产任务。

6 结束语

本改进技术方案从当前加热不燃烧新型烟草颗粒制备用双螺杆挤出机存在的实际问题出发，克服现有技术中存在的不足，进行针对性改进思路的设计，解决了挤出的物料形状为长条扁状物，物料不饱满且存在分叉、毛刺及机头出料不畅、堵料或因物料反流导致双螺杆的卡死等问题，并且通过制作出来的改进后双螺杆挤出机进行多次现场测试及验证，各项指标均达到了设计和使用要求，改进设计思路合理、外观美观、成本低、安全实用、安装维护简便，便于保养实施，在烟草行业内加热不燃烧新型烟草颗粒制备领域具有很广的借鉴意义和使用前景，具备较好的市场推广和应用价值。

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基金项目：江西中烟工业有限责任公司赣州卷烟厂“加热不燃烧卷烟烟草颗粒中试生产线的研发” 科研项目（NO. 赣烟工科计2021-17）；