一种新型的烟花开苞药滚挤造粒技术

杨瑞 欧阳八生

[1]。传统的烟花开苞药是由人工将多种超细（粒径<74μm）的化工原料直接手工搅拌混制而成的具有爆炸性的混合物，其危险性极大。首先，由于此类开苞药粉末超细，混药时浮尘极多、药剂抛洒严重，

会导致生产过程中粉尘浓度极高，容易达到饱和状态，漂浮在空中的药粉只要有一点点火星

（如静电或黑色金属之间的撞击产生火星）就容易引起爆炸，难以安全生产；第二，粉尘漂

浮在空中，难以回收，会对生产厂周围环境造成极大的污染；第三，漂浮的粉尘，容易被人

体吸入，严重危及人们的健康；最后，此类微细粉尘，制约了烟花的自动化生产：如烟花自动化生产线设备由于运动会产生摩擦和静电，而这种微细粉尘具有极易燃易爆特性，对机械化安全生产产生极大隐患，制约了烟花生产自动化的发展；又如开苞药的自动装药工序中，粉尘在装药的过程中会粘附在纸筒的螺旋槽内，在封闭纸筒的过程中会与粉末产生摩擦和静电，从而容易引发爆炸、火灾；再者，粉末状的开苞药不易于自动计量，使得每个纸筒内所装的开苞药重量不等，影响燃放效果等等。

因此，将粉末状的开苞药制成颗粒状的微粒来降低粉尘浓度、静电感度和摩擦感度以改变其物理特性，提高烟花生产的安全性和环境的清洁性是必要的；同时避免传统的制造方法中手工干混后直接装筒，导致烟花筒中多种金属粉因质量组份不同而分离，影响烟花开苞药燃摘 要：烟花开苞药的造粒有利于环保和人体健康，更有利于烟花自动化生产的安全性。针对烟花开苞药造粒的必要性和特殊性，文章介绍了一种新型的滚挤造粒方法，分析了滚挤造粒的原理和结构特点，介绍了滚轮与齿板组件、筛网等关键部件的设计与制造要点，讨论了滚挤造粒相关参数的选取。该技术的应用对烟花制造业的洁净化、自动化、智能化安全生产提供了有力的保障。

关键词：开苞药；滚挤造粒；原理及结构

1 烟花开苞药造粒的必要性

椐资料统计，烟花厂43.59%爆炸事故是由开苞药混药工序引起的[1]。传统的烟花开苞药是由人工将多种超细（粒径<74μm）的化工原料直接手工搅拌混制而成的具有爆炸性的混合物，其危险性极大。首先，由于此类开苞药粉末超细，混药时浮尘极多、药剂抛洒严重，会导致生产过程中粉尘浓度极高，容易达到饱和状态，漂浮在空中的药粉只要有一点点火星（如静电或黑色金属之间的撞击产生火星）就容易引起爆炸，难以安全生产；第二，粉尘漂浮在空中，难以回收，会对生产厂周围环境造成极大的污染；第三，漂浮的粉尘，容易被人体吸入，严重危及人们的健康；最后，此类微细粉尘，制约了烟花的自动化生产：如烟花自动化生产线设备由于运动会产生摩擦和静电，而这种微细粉尘具有极易燃易爆特性，对机械化安全生产产生极大隐患，制约了烟花生产自动化的发展；又如开苞药的自动装药工序中，粉尘在装药的过程中会粘附在纸筒的螺旋槽内，在封閉纸筒的过程中会与粉末产生摩擦和静电，从而容易引发爆炸、火灾；再者，粉末状的开苞药不易于自动计量，使得每个纸筒内所装的开苞药重量不等，影响燃放效果等等。

因此，将粉末状的开苞药制成颗粒状的微粒来降低粉尘浓度、静电感度和摩擦感度以改变其物理特性，提高烟花生产的安全性和环境的清洁性是必要的；同时避免传统的制造方法中手工干混后直接装筒，导致烟花筒中多种金属粉因质量组份不同而分离，影响烟花开苞药燃放性能。

2 现有造粒技术

使细粉物料聚成较大实体的过程称为造粒过程。粉体造粒技术分为两大类，第一类是成型加工法，该方法是将粉体物料使用特定的一些设备和工艺方法，加工成为符合需求的形状、密度、成分等的团状物料；第二类是粒径增大法，主要是把粉体通过团聚作用制成较大的颗粒[2]。按照实现小颗粒团聚的基本原理，可以把现有的粉体处理技术分为搅拌造粒法[2]、沸腾造粒法[3]、喷雾干燥造粒法[4]、压力成型造粒法[5]、热熔融成型法[2]、超临界流体造粒法[6]、圆盘造粒法[7]。

造料技术已在化工、食品、药品等行业得到广泛应用，但应用于烟花制造业起步较晚，目前仅被利用到火药和亮珠的造粒过程中，综合这些传统的造粒方法，其主要缺点是：要么造出的颗粒太大，不能满足开苞药粒径需要（如：搅拌造粒法、挤压造粒法、挤出滚圆造粒法、回转冷带落模法）；要么造粒装置中压力太大或者温度太高，不能满足开苞药造粒的安全生产（如：沸腾造粒法、喷雾干燥造粒法、超临界流体造粒法）；要么制造出的颗粒粒度不均匀、且粒度比较疏松（如：圆盘造粒法、搅拌造粒法、沸腾造粒法）等等。

烟花开苞药与火药和亮珠存在很大的差异性[8～9]，除了粒度大小差异较大外，其静电感度、摩擦感度、起始反应温度等物理特性差别也很大，因此，现有造粒方法几乎不能直接应用于烟花开苞药的造粒生产。本文介绍一种新型的滚挤造粒方法，探讨其造粒原理、造粒设备的设计与制造要点，并对相关结构参数进行了初步分析，有利于烟花制造业的自动化和智能化，更有利于安全生产。

3 滚挤造粒技术的原理及特点

3.1 滚挤造粒原理

本研究提出一种滚挤造粒法，其传动系统原理如图1 所示。防爆电机1，经联轴器2、减速器3，将动力传至曲柄摇杆机构4，使旋转运动转变为来回摇摆运动，然后通过链轮传动机构5使摇摆转角放大到360度，最后通过万向传动装置6，穿过防爆墙将动力传送至滚轮组件7，使其作正反360度旋转运动，以实现滚挤造粒运动。

滚挤造粒的工作原理如图2所示，造粒组件主要由滚轮及齿板组件1、筛网2、张紧轮3等部分组成。先调节两张紧轮3使筛网2成张紧状态，并使筛网与滚轮及齿板组件相互包紧成一合适包角，形成一包容空间，原料经添加适量胶溶液混合搅拌成半湿料后，从入料口进入造粒组件容积内，由于滚轮1正反间断式来回旋转，使得滚轮的齿板对物料产生挤压（如图3），然后将物料从筛网2中挤出，形成颗粒状物料，再经后续干燥等工序，完成造粒。

3.2 滚挤造粒的特点

（1）该造粒方法属常温的湿法造粒，能保证造粒过程的安全性。造粒物料其粉体间隙完全被胶溶液所充满，形成液体架桥，具有一定强度，在干燥的过程中，颗粒中的酒精挥发后，残留的粘结剂成为固体架桥，使得微粒具有一定的强度，且微粒内的成分含量均匀。该方法特别适用于烟花开苞药这种具有易燃易爆特性物质的造粒。

（2）微粒的粒径可由筛网的网孔的大小来控制，所造微粒大小分布均匀。制备不同粒径的微粒，只需要更换不同孔径的筛网，操作便利。

（3）造粒设备结构简单，价格低廉，由于采用多齿板连接挤压，生产效率高。

（4）采用编织筛网，不仅增强了筛网的使用寿命，还提高了微粒的圆整度和造粒效率。

4 滚挤造粒关键部件的设计与制造要点

4.1 滚轮与齿板组件

为了增加容料体积，并扩大料流的速度，滚轮与齿板组件应设计成空心结构，通过组合后焊接制造，如图4所示为该结构的三维图。为保证滚轮上各齿板联结后的形状精度，整体滚轴1的轴颈与两个端板2的孔装配后应保证同轴度，再与滚轴焊接，形成刚性连接；端板2上先加工有六个均匀分布的凹槽（如图5），三角形齿板放入两个端板的凹槽中定位后实施焊接与滚轮形成一体；焊接完成后再整体精车齿板顶部，并满足其形状精度要求。

滚轮与齿板组件作为造粒的执行元件，经常工作在药料中，并与筛网产生挤压、摩擦，因此，材料应具有一定的耐磨性和耐腐蚀性，而且开苞药具有易燃易爆的特性，材料应能让摩擦静电尽快通过地线输出，故材料应具有良好的导电性，本设计选SUS304不锈钢作为滚轮与齿板组件的主体材料，对齿板再进行镶铜或局部镀铜处理。

4.2 筛网的结构

筛网是造粒机上重要的部件之一，它决定了颗粒的大小及形状，同时也影响造粒的效率。筛网分为平板筛网和编织筛网两种类型[10]。平板筛网（图6）表面是平滑的，在滚挤造粒过程中网孔容易被堵塞，物料容易被滚轮齿板刮走，挤压效果差，造粒效率低，而且，网孔一般通过冲压或激光打孔制造，制造成本高；编织筛网（图7）具有搓衣板效应、清理效果好，制造成本低，开孔率高，不易堵塞，造粒效率高。

基于以上两种筛网的特点，本设计选用如图7所示的编织筛网。网丝在经纬钢丝的交接点处被波纹压窝及钢丝弹性牢牢地卡住，钢丝不串动，网孔不易变形。按照开苞药造粒的大小要求在0.40～0.60mm的微粒，决定选用30～40目范围的编织筛网；筛网的厚度应适当，当筛网太厚，造出的颗粒呈现出柱形；但厚度太薄，筛网的使用寿命较短，本设计筛网厚度为0.8mm。

5 滚挤造粒相关参数

采用滚挤造粒方法制备开苞药微粒的过程中，造粒相关参数的选取都会影响造粒的效果。

（1）黏结剂的含量。当黏结剂的含量较高时，所造微粒的硬度较大，力度分布不均匀，崩解较慢，会影响烟花的燃放效果；相反，黏结剂用量不足时，微粒松散、强度不足，粉尘度增加。因些，粉体原料、黏结剂应具有适当的混合比例，根据实验结果，本方案采用5%（重量比）黏结剂。

（2）挤压速率。挤压速率太高会使挤压作用不够充分，微粒成型率比较低；挤压速度太低会提高成型率，但产量较低；故需选取合适的挤压速率，本设计中滚轮的转速约为20 ～ 30r/min（正反双向）。

（3）滚轮齿板的截面形状。考虑到制造方便，本设计采用正三角形截面形状，三角形齿顶角变化，会使滚轮齿板对物料的挤压力的大小和方向产生变化，从面对造粒效率产生影响。

（4）筛网的包紧角度。它直接影响滚轮对物料的挤压范围，从而影响挤压效率。

如图2可看出筛网与滚轮齿板的接触包角α在0～180.0之间，由于滚筒与筛网之间的张紧角度直接影响筛网与滚轮的有效接触面积，为提高滚挤造粒的效率，需要保证有三个齿板对筛网产生滚挤，并考虑到下料的开口宽度，本设计确定筛网与滚轮之间的包紧角度α为150.0左右。

6 结语

本文针对烟花开苞药造粒的必要性和特殊性，分析了滚挤造粒方法的原理和结构特点，介绍了滚轮与齿板组件、筛网等关键部件的设计与制造要点，讨论了滚挤造粒相关参数的选取。该方法具有结构简单，操作方便，制造、运行成本较低等优点，能够制造出颗粒大小均匀、圆整度好，颗粒的强度和硬度都符合要求的烟花开苞药。设计中考虑到降低其静电感度，提高了造粒过程的安全性，该方法也可运用于类似于开苞药等易燃易爆的粉体造粒上。

参考文献：

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[3]褚振辉，周碧武，潘玮琪，等.沸腾制粒的理论和工艺探讨[J].药学研究， 1998（3）：21-24.

[4]杨文亮.烟花自动生产线及其造粒系统的设计与研究[D].河北工业大学，2014.

[5]杨行浩.火工药剂混合造粒技术的工艺研究[D].中北大学，2010.

[6]丁秋平，张景林.流态化造粒法的研究进展[J].科技情报开发与经济，2005， 15（5）：160-161.

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