碾米砂辊的选用

碾米砂辊的选用

碾米就是借助于旋转的碾辊迫使米粒与碾白室构件及米粒与米粒之间产生互相碰撞、摩擦及翻滚等运动,利用碾削及摩擦擦离等作用将米粒表皮部分或全部去除,使之成为符合预定质量要求的大米的加工过程。按碾辊材质的不同,常用的碾米机可大致区分为砂辊碾米机和铁辊碾米机2种结构形式。与铁辊碾米机相比,砂辊碾米机碰撞、翻滚及碾削等作用柔和、碎米率低、电耗低、出米率高及生产效率高,因此砂辊碾米机是目前大米加工生产企业应用最广泛的碾米机械设备。 碾米砂辊是砂辊碾米机中更换较频繁的关键工作零部件,并且在一定范围内,碾米砂辊的质量还严重影响碾米机的产量、出米率、电耗及碎米率等技术经济性能指标及企业的经济效益。如何提高大米加工生产企业的经济效益,是大米加工生产企业和粮食加工科技工作者共同关注的课题。

1 砂辊的构造 目前,适合大米加工生产企业使用的磨料主要是黑碳化硅和绿碳化硅。由于黑碳化硅价格便宜,货源充足,因此,黑碳化硅是目前制造碾米砂辊的主要磨料。磨料属于瘠性物料,没有结合能力,欲使之成为具有碾削能力的碾米砂辊,须采用结合剂,目前可供碾米砂辊使用的结合剂主要是陶瓷结合剂和树脂结合剂。由陶瓷结合剂和磨料构成的碾米砂辊称为陶瓷碾米砂辊,由树脂结合剂和磨料构成的碾米砂辊称为树脂碾米砂辊。 陶瓷碾米砂辊是由磨料和陶瓷结合剂(其主要成分为无机盐)在1200℃以上的高温烧结而成的组织结构致密的混合物,具有耐高温、耐磨耗及耐酸碱以及使用寿命长等优点；但脆性大,易损坏,自锐性能差,而且价格昂贵。因价格及制造工艺复杂等原因,目前陶瓷碾米砂辊仍没有得到普遍应用,因此目前大米加工实践生产中仍普遍使用树脂碾米砂辊。树脂碾米砂辊是由树脂结合剂(主要是酚醛树脂或环氧树脂)和磨料(主要成分是黑碳化硅)在180℃高温下烧结而成的多孔混合物。因其烧结温度低、组织结构疏松、磨粒易于脱落、自锐性能好、工作过程中又能连续不断地产生锋刃的多棱角磨粒,结果增强了砂辊对米粒的碾削作用,提高了碾米效率,所以说树脂碾米砂辊(为便于描述,以下简称砂辊)具有不损伤米粒、碎米率低、出米率高、碾米效率高及电耗低等优点,特别适宜于原粮品质差及粉质粒原粮的加工。由此可见,目前大米加工生产企业广泛应用的砂辊是由磨料、结合剂及空隙所组成的混合物。

2 砂辊的制造工艺流程 目前,大米加工生产企业广泛应用的砂辊的制造工艺流程大致是:配料→混匀→模压成形→低温强化(约90℃)→磨削外形面(外圆表面及两端面)→成组磨削槽形面(螺旋槽、螺旋槽和直槽、螺旋槽和斜直槽等)→手工打磨槽形过度面(如:螺旋槽和直槽及螺旋槽和斜直槽的圆弧光滑连接处等)斗钻通风孔→高温烧结(约180℃)→校正静平衡→校正动平衡→喷涂黑碳化硅磨料(砂辊的外圆表面及槽形面)→包装入库。 砂辊的制造工艺流程具体说来就是:按预定的配方称取一定量的磨料(黑碳化硅及少量的棕刚玉等)与适量的树脂结合剂,将其投入到混粉机(涡轮混粉机、卧式螺旋带混粉机或双轴搅拌机等)内混合搅拌均匀后,称取一定量的磨料混合物,并将其填充到装有铁芯(铁芯的圆柱内孔面、键槽面、外圆柱面及两端面已经经过机械切削加工至规定的尺寸要求,同时为了进一步提高铁芯与磨料混合物的结合能力,铁芯的外圆表面还加工有许多三角形的小沟槽等)的模腔内,压力机动作后便获得物理机械强度适宜的砂辊坯体,砂辊坯体经加热炉低温(通常采用电阻加热炉,炉温约90℃)加热并保温一定时间后强化成为具有一定物理机械强度的砂辊毛坯,砂辊毛坯经磨削加工外圆柱表面、两端面及槽形工作面(螺旋槽、螺旋槽和直槽、螺旋槽和斜直槽等),再经手工打磨槽形工作面(如:螺旋槽和直槽或螺旋槽和斜直槽的圆弧光滑连接处等)以及钻削通风孔后,再进入电阻加热炉高温(炉温约180℃,因为温度超过200℃时,树脂结合剂就会熔化,温度超过250℃时,树脂结合剂就会碳化)。加热并保温一定时间后成为具有适宜物理机械强度的砂辊半成品,最后经校正静平衡、校正动平衡、喷涂黑碳化硅磨料(砂辊的外圆柱表面及槽形面)及包装后即得砂辊制品。

3 砂辊的碾米工艺性能 目前大米加工生产企业广泛应用的砂辊符合国家标准GB 5339-1985(碾米砂轮》的规定[1],制作砂辊的磨料符合国家标准GB 2476-1983《磨料代号》的规定[2],制作砂辊的结合剂也符合国家标准GB 2484-1984《磨具代号》的规定[3]。 3.1 磨料 磨料是构成砂辊的主要原料,工业生产中广泛应用的磨料通常可大致区分为:天然磨料(如:石英、石榴石、天然刚玉和天然金刚石等)和人造磨料。人造磨料包括:刚玉系和碳化物系等普通磨料,人造刚玉及立方氮化硼等超硬磨料以及硬度较低的磨料(如:氧化铬、氧化铁和玻璃粉等)。目前碾米实践生产中广泛应用的砂辊通常是由人造磨料制成的,按磨料的种类的差异,适合大米加工生产企业应用的磨料主要是黑碳化硅(代号为C,原代号为TH)及绿碳化硅(代号为GC,原代号为TL)。由于黑碳化硅比绿碳化硅价格便宜,货源充足,因此,黑碳化硅是目前制造砂辊的主要磨料。 3.2 粒度 砂辊的粒度是指构成砂辊的磨料的粒度。事实上,粒度是表示磨料颗粒尺寸的大小。目前,适合大米加工生产企业应用的磨料粒度主要有:24#、30#、36#、40#、46#及60#共6个粒度号,其中粒度号数字大,表示磨料细；反之,粒度号数字小,表示磨料粗。 3.3 硬度 砂辊的硬度是表示磨料颗粒粘接结合的牢固程度,它是指砂辊在外力的作用下,磨粒脱落的难易程度。若磨粒易于脱落,表明砂辊的硬度低；反之,若磨粒难于脱落,表明砂辊的硬度高。目前,适合大米加工生产企业应用的磨料制作的砂辊硬度大致有5个硬度等级。 3.4 结合剂 砂辊所采用的结合剂几乎都是树脂结合剂(代号为B,主要成分是酚醛树脂或环氧树脂)。树脂结合剂的结合强度大,并具有较好的弹性和耐冲击性,因此,砂辊在高速下能长期工作,并具有自锐性能好、碾米效率高、出米率高、电耗低及大米质量好等优点；但不耐高温、酸、碱及油类。所以说,砂辊储藏保管时,应做好防潮、防霉、防冻及防过热等工作,绝不允许与酸、碱及石油类物质混放在一起。 3.5 组织号 砂辊的组织号是表示磨粒在砂辊中的体积占有量,即磨粒率。磨粒在砂辊表面、径向厚度及轴向高度等方向应分布均匀,组织结构均匀一致。砂辊的组织号反映了砂辊的疏松程度及单位面积上参与碾削作用的磨粒数目的多少。组织号数字小,表明砂辊的磨粒含量高,碾米效率高,那么砂辊磨耗低而使用寿命长；反之,组织号数字大,表明砂辊的磨粒含量低,碾米效率低,砂辊磨耗快而使用寿命短。砂辊常用的组织号及其磨粒含量如表3所示。 3.6 强度 砂辊的强度是指砂辊在高速旋转的工作状态中,由于离心力的作用,抵抗其自身破碎的能力。为确保砂辊正常工作时不致破碎,砂辊的工作转速不应超过一定数值,实践生产经验表明,大米加工过程中砂辊的安全工作线速度通常不应超过20m/s。显然影响砂辊强度的因素很多,除在运输、储藏、保管、安装、拆卸及使用砂辊时,应严格遵守操作规程外,砂辊的质量因素对砂辊的强度也有很大的影响。但在其它条件不变的情况下,通常结合剂的物理机械强度越大,砂辊的壁厚(径向尺寸)越厚,几何形状位置尺寸精度越高,静不平衡及动不平衡量越小时,砂辊的强度就越高；反之,结合剂的物理机械强度越小,砂辊的壁厚(径向尺寸)越薄,几何形状位置尺寸精度越差,静不平衡及动不平衡量越大时,砂辊的强度就越低。 3.7 辊形 砂辊按几何形状可大致区分为:异形砂辊(如原广泛应用的MNNF14旋筛喷风碾米机之双偏心砂辊等)和圆柱砂辊,圆柱砂辊按工作表面有无凹槽又可区分为:光面圆柱砂辊(也称盘状砂辊)和槽形圆柱砂辊,槽形圆柱砂辊按凹槽的形状还可区分为:直槽圆柱砂辊、斜槽圆柱砂辊和螺旋槽圆柱砂辊。严格地说直槽圆柱砂辊、斜槽圆柱砂辊也是螺旋槽圆柱砂辊,因为当螺旋升角等于90°时,螺旋槽圆柱砂辊就变成直槽圆柱砂辊；当螺旋升角接近90°时,螺旋槽圆柱砂辊就变成斜槽圆柱砂辊。 根据运动学和动力学的相关知识可知:① 异形砂辊因其辊形的特殊性(非圆柱形),其转动惯量比同规格等质量的圆柱砂辊大,即工作时异形砂辊碾米机电耗高；② 在同一横截面内异形砂辊表面与筛片及压筛条之间的间隙(存气)的不均匀,导致碾白压力分布的不均匀,结果易损伤米粒,造成碎米,因此实践生产中异形砂辊的假想直径(最大旋转直径)通常较小,以不超过140mm为宜,并且目前已逐渐被螺旋槽圆柱砂辊所取代。同时,由于光面圆柱砂辊对米粒的碾削作用非常剧烈,通常仅适用于粳米的加工。由此可见,目前大米加工生产企业广泛应用的砂辊几乎都是螺旋槽圆柱砂辊(为了描述方便,以下简称螺旋槽砂辊)。 螺旋槽砂辊的螺旋槽是由正反两螺旋面构成的,通常将顺着砂辊旋转方向的螺旋面称为前向面(也称推进面),逆着砂辊旋转方向的螺旋面称为后向面(也称副面)。在砂辊的轴向剖面内,前向面与砂辊半径方向的夹角β称为推进角,后向面与碾米砂辊半径方向的夹角为γ,前向面与后向面之间的夹角(β+γ)称为槽形角,槽形角的大小便于加工砂辊时选择刀具(磨具)的规格尺寸,同时也表示槽宽的大小。槽深为b,螺旋槽砂辊的直径为D,导程为H,根据螺旋面的性质,可以得出螺旋槽砂辊的螺旋升角

π—圆周率,取π=3.1416。 3.8 使用寿命 砂辊在工作过程中,因磨粒的逐渐脱落,导致砂辊直径的逐渐减小,具体表现为砂辊表面形成凹坑,螺旋槽逐渐变窄变浅,甚至磨平消失等。严重影响碾米机的碾米效率和产量,造成大米精度的变差、碎米及电耗的增多等,为了碾米机的正常工作,磨损了的砂辊应及时更换。通常砂辊从投入生产应用到更换时所加工的大米数量称为砂辊的使用寿命,虽然它与碾米砂辊的配方、辊形、制造工艺流程、碾白室构造、原粮的品质、大米加工工艺流程及操作管理等许多因素有关,但通常要求砂辊的使用寿命不小于6000t大米的加工。

4 砂辊对大米质量的影响 4.1 粒度 由于稻谷种植区域的广阔性及气候条件的复杂多变,造成稻谷品质的差异性,因此,加工不同品质的原粮,砂辊的粒度也应不同。若选用粒度过粗的砂辊,不仅砂辊对米粒表面的划痕较深,米粒表面粗糙不平,而且还易损伤米粒造成碎米；若选用粒度过细的砂辊,虽然米粒表面光滑平整,但碾米效率低,电耗高。所以实践生产中应根据原粮的品质选用适宜粒度的砂辊。具体就是:采用多级轻碾的工艺流程时,碾米砂辊的粒度应前粗后细,因为刚进入碾米机的糙米皮层厚而表面光滑,抗压抗弯曲及抗剪切能力大,为了提高碾米效率,通常可采用24#及30#粒度的砂辊；而后面的碾米机主要是起碾白作用,由于米粒表面粗糙及抗压抗弯曲及抗剪切能力的减弱,若再用较粗粒度的砂辊,势必损伤米粒造成碎米,所以砂辊的粒度应细一些,通常可采用46#及60#粒度的砂辊。采用一机(辊)碾白的工艺流程时,从进料端至出料端砂辊的粒度也应先粗后细,如进料端可采用30#粒度的砂辊,出料端可采用46#粒度的砂辊。 值得注意的是还应掌握好砂辊的粒度与其工作转速之间的关系,通常砂辊的粒度较粗时,磨粒对米粒的碾削作用较大,为了不致碎米,碾米砂辊的工作转速可低一些；反之,砂辊的粒度较细时,磨粒对米粒的碰撞及翻滚等作用比较柔和,为了提高碾米效率,碾米砂辊的工作转速可高一些。 4.2 硬度 若砂辊的硬度过高,磨粒脱落困难,自锐性能差,那么米粒发滑而不易脱皮,碾米效率低、电耗高、米温上升快,导致米粒物理机械强度的减弱而形成碎米；反之,若砂辊的硬度过低,磨粒极易脱落,碾米砂辊的磨耗太快,不仅严重影响砂辊的使用寿命,而且脱落在米粒中的磨粒混在成品中影响大米的质量等级。所以说砂辊的硬度严重影响碾米效率、出米率、产量、大米质量及电耗等。显然加工品质较差的原粮或粉质粒原粮时,因米粒的物理机械强度较低,砂辊的硬度可低一些(如软2、代号L)；而加工品质较好的原粮或角质粒原粮时,因米粒的物理机械强度较高,砂辊的硬度可高一些(如中硬1、代号P)。总之,为确保大米质量,减小碎米量,实践生产中,砂辊的硬度宁可稍软,也不宜过硬。 4.3 组织号 若砂辊的组织号数字过小,那么它对米粒的碾削作用就大,易损伤米粒,造成碎米；反之,若砂辊的组织号数字过大,即砂辊组织结构中磨粒含量太少,那么它对米粒的碾削作用非常弱,碾米效率低。所以说砂辊的组织号严重影响碾米效率、出米率、产量、大米质量及电耗等。显然加工品质较差的原粮或粉质粒原粮时,因米粒的物理机械强度较低,砂辊的组织号数字可大一些；而加工品质较好的原粮或角质粒原粮时,因米粒的物理机械强度较高,碾米砂辊的组织号数字可小一些。 4.4 强度 若砂辊的强度过低,那么砂辊的组织结构疏松,工作时,砂辊极易成块脱落,这是实践生产中经常遇到的现象。结果不仅降低了砂辊的使用寿命,而且还易损伤米粒,造成碎米；此外混在成品中的磨粒脱落物还严重影响后续工序的工艺性能及大米的质量等级以及售价等。因此,我们应努力提高砂辊的强度,有利于延长砂辊的使用寿命。 4.5 辊形 4.5.1 槽宽及槽深 若砂辊表面的凹槽太窄太浅,那么砂辊对米粒的碰撞及翻滚等作用特别大,易损伤米粒,造成碎米；反之,若砂辊表面的凹槽太宽太深,那么对米粒产生碰撞及翻滚等作用的磨粒数量的减少,造成碾米精度及效率的降低。因此,在一定范围内,适当加宽加深砂辊的螺旋槽,利于减少碎米及获得高质量的大米。在实践生产中,通常根据米粒在碾白过程中因糠粉的逐渐排出,米粒体积的逐渐减小的特点,将砂辊的槽宽、槽深在米粒的进料端设计成最大,然后逐渐递减,至出料端设计成零或略大于零的螺旋槽,可确保整个碾白室内的碾白压力趋于均匀,有利于提高碾米工艺效果及获得预定质量等级的大米。 4.5.2 推进角β 砂辊的推进角β在一定范围内严重影响米粒的碰撞、翻滚及轴向输送等作用,随着砂辊的推进角β的增大,能增大米粒的碰撞和翻滚等作用,但对米粒的推进作用(即轴向输送作用)减弱了,利于获得较高精度的大米。若砂辊的推进角β过大,那么米粒与米粒及米粒与碾白室构件之间的碰撞及翻滚等作用异常剧烈,易损伤米粒造成碎米。因此,为了获得适宜精度等级的大米及较小的碎米量,碾米砂辊的推进角β通常可在0～50°之间选取。 4.5.3 螺旋升角λ 砂辊的螺旋升角λ在一定范围内也严重影响米粒的碰撞、翻滚及轴向输送等作用,随着砂辊的螺旋升角λ的增大,即螺旋砂辊导程的增大,迫使米粒与米粒及米粒与碾白室构件之间的产生较大的碰撞及翻滚等作用,但对米粒的推进作用(即轴向输送作用)减弱了,利于获得较高精度的大米。若砂辊的螺旋升角λ过大,那么米粒与米粒及米粒与碾白室构件之间的碰撞及翻滚等作用异常剧烈,易损伤米粒造成碎米；若砂辊的螺旋升角λ过小,虽然砂辊加强了对米粒的推进作用(即轴向输送作用强),但减弱了对米粒的碾削等作用,造成碾白不均匀及碾米精度的降低等。因此,为了获得适宜精度等级的大米及较小的碎米量,砂辊的螺旋升角λ通常可在20～30°之间选取。 4.6 通风孔的位置及通风面积 在碾米生产过程中,由于碰撞及翻滚等作用部分或全部去除米粒皮层的同时,也产生了一定的热量。一部分热量通过碾白室构件等散发到大气中,另一部分热量随米粒水分的蒸发而散失,还有一部分热量传递至米粒内部,促使米温上升。如果这些热量不能及时地散发出去,将会促使米温的急剧上升及大米水分的大量蒸发,结果不仅导致碾米机负荷的增大,且还造成米粒抗压抗弯曲及抗剪切强度的降低,造成碎米量的增多。因此,目前,实践生产中几乎都是采用强拉风碾米生产技术,即向碾白室内喷入适量的室温空气,冷却米粒,降低米温,确保米温不致上升过高,达到改善和提高碾米工艺效果的目的。 室温空气通常由高速旋转的主轴两端的中心孔,经主轴径向通风孔或通风槽进入砂辊内腔,然后再经砂辊的径向通风孔或通风槽喷入碾白室内,从而形成围绕碾米砂辊旋转的气体涡流,此气体涡流促使米粒产生较大的碰撞及翻滚等运动,达到均匀碾白米粒、冷却降温及迫使糠粉迅速排出机外等作用。若砂辊的通风孔或通风槽的数量太少,通风面积太小,达不到冷却米粒降低米温的效果,易导致米粒抗压抗弯曲及抗剪切强度的降低,并产生大量碎米；反之,若砂辊的通风孔或通风槽的数量太多,通风面积太大,单位时间内进入碾白室内的气体量增多,促使米粒产生剧烈地碰撞及翻滚等作用也会产生大量碎米。若砂辊的径向通风孔位于螺旋槽上,那么米粒极易通过砂辊螺旋槽上的通风孔进入砂辊内腔,阻碍温室空气由砂辊向碾白室内的喷入,达不到冷却米粒及降低米温的作用,同样也会形成碎米。因此,实践生产中,通风孔应避开砂辊的螺旋槽,并具有适宜的通风面积,才能达到冷却米粒、降低米温、减少碎米的目的。 4.7 砂辊的质量 4.7.1 原材料 砂辊原材料的质量包括磨料的质量及树脂结合剂的质量。显然选用优质的黑碳化硅磨料及结合性能优越的树脂结合剂,可获得高强度的碾米砂辊,能确保碾米砂辊不致成块脱落,从而达到提高碾米效率、大米质量及延长砂辊的使用寿命等目的。 4.7.2 生产制造 砂辊的制造质量是指砂辊的组织结构及几何形状位置尺寸等方面存在的制造误差。显然,选用组织结构均匀、自锐性能好、机械强度大、铁芯与磨料结合牢固、几何形状位置尺寸精度高及无裂纹等缺陷的砂辊,能显著地提高碾米效率、碾米质量及延长砂辊的使用寿命。 4.8 其它 其它因素,如砂辊碾米机的结构形式、操作管理、碾白室参数、碾辊的转速、原粮的品质及碾米工艺流程等也严重影响大米的质量。其中砂辊碾米机的结构形式对大米的质量影响最显著,砂辊碾米机按碾辊数目的多少可分为单砂辊碾米机和双砂辊碾米机；按结构形式的差异又可区分为立式砂辊碾米机(碾辊部件的旋转轴线垂直于碾米机的安装基础面)和卧式砂辊碾米机(碾辊部件的旋转轴线平行于碾米机的安装基础面),立式砂辊碾米机按进、出料方式的差异又可细分为立式逆向砂辊碾米机(也称逆向立式砂辊碾米机,即采用与米粒重力方向相反的、碾辊下部进料、上部出料的工作方式)和立式顺向砂辊碾米机(也称顺向立式砂辊碾米机,即采用与米粒重力方向一致的、碾辊上部进料、下部出料的工作方式)。 虽然卧式砂辊碾米机、立式顺向砂辊碾米机和立式逆向砂辊碾米机的工作原理是一样的,但其碾白压力的大小及其分布的均匀性却有很大的差别,具体表现为:当砂辊的配方、规格尺寸、辊形、制造工艺流程、碾辊的转速、原粮品质、碾米工艺流程及碾白室参数等相同时,由于米粒的重力作用:① 在卧式砂辊碾米机中,大多数米粒聚集于碾白室下部,仅小部分米粒处于碾白室的上部,那么碾白室上部米粒之间的间隙较大,显然所产生的碾白压力较小,碾米效率较低,碾米精度也差；而在立式碾米机中,米粒的重力作用促使米粒在碾白室内挤压得更为紧密,结果产生了较大的碾白压力,尤其是逆向砂辊碾米机,米粒的重力作用还阻碍米粒排出机外的出料运动,因此逆向砂辊碾米机的碾白压力较大,对米粒的碾削作用较强,碾米效率较高,碾米精度较高；立式顺向砂辊碾米机的碾米效率和碾米精度则介于两者之间；② 由于米粒重力的影响,造成卧式砂辊碾米机内碾白压力分布不均匀,即在碾辊的同一横截面内,碾辊的下部碾白压力过大,碾辊的两侧碾白压力小,碾辊的上部碾白压力过小等,最终造成大米碾白不均匀,碾米精度差而碎米多；而立式逆向砂辊碾米机及立式顺向砂辊碾米机碾辊的同一横截面内的碾白压力处处均匀一致,大米碾白均匀,碾米精度较高而碎米少。

5 结语 选用碾米机砂辊时,应根据碾米机的结构形式、碾白室参数、碾米工艺流程、原粮的品质及大米加工的质量等级要求等,通过优化砂辊的配方、辊形设计及其制造工艺流程,努力提高砂辊的组织结构均匀性、物理机械强度及几何形状位置尺寸精度,最大限度地减少砂辊的成块脱落及动不平衡量等缺陷,从中选用适宜粒度、组织号、硬度及辊形的高强度优质砂辊。做好砂辊的储存保管及装配以及重视和加强碾白室内的冷却通风与排糠等工作,才能达到冷却米粒、降低米温、降低电耗、减少碎米、提高碾米工艺效果及延长砂辊的使用寿命等目的。