粉碎粒度对玉米粉流变学特性及料仓结构设计的影响

■程秀花 陈赛杰 李秀刚 陆玉洁

（1.扬州大学动物科技学院，江苏扬州 225009；2.江苏牧羊集团，江苏扬州 225009）

玉米作为世界上重要的谷物之一，不但是重要的粮食作物，也是畜禽的优质饲料，目前饲料用玉米约占玉米总量的75%～80%。原料的粉碎在饲料加工中占有重要地位，不仅影响畜禽生产性能，而且对饲料加工设备结构设计及参数优化也有直接影响。目前，饲料厂料仓的结构设计参数大多是根据经验确定，使用过程中常出现由于料仓结构设计不合理造成料仓结拱，影响连续化生产。研究表明，不同粉碎粒度的饲料其流变学特性不同。因此，研究粉碎粒度对玉米流变学特性及料仓结构的影响，对优化料仓结构，降低料仓结拱和保证连续生产具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 样品制备

试验用玉米含水率为10.5%。采用微粉碎机对其进行一次粉碎，预实验发现：对玉米粉碎10 s、15 s、18 s后可得到20目、30目、40目三种粒度的粉状样品。将粉碎后的玉米粉分别用20目、30目、40目三种粒度的筛子连续筛10 min，当筛上物的留存率在15%左右时，将筛上物进行称重，即为该粒度的试验样品。每种粒度的饲料样品取2 kg，再用四分法取出0.5 kg供实验室分析使用。

1.2 试验仪器

万能微粉碎机、电动摇筛机、玻璃漏斗、玻璃平板、直尺。

1.3 试验方法

1.3.1 测定指标

20目、30目、40目三种粒度玉米粉的流变学指标：休止角、滑角及堆积密度。

1.3.2 休止角的测定

测定休止角的方法有两种：注入法及排出法，目前应用比较广泛的是注入法，其中漏斗法使用最多。具体测定过程是：将3种试验样品逐一经玻璃漏斗垂直流至玻璃平板上，漏斗尾端距玻璃平板垂直距离3 cm，流下的玉米粉在玻璃平板上形成圆锥体，分别测定圆锥表面和水平面的夹角，得到不同粒径范围玉米粉的休止角α。每个试验重复5次，经统计平均后作为所测物料的休止角。休止角的计算公式见式（1）：

式中：α为玉米粉的休止角(°)；R为圆锥底圆的半径(cm)；L为圆锥斜边的长(cm)。

1.3.3 滑角的测定

滑角的测定常用倾斜法，具体操作过程参见文献。分别取3种粒度的玉米粉3 g置于玻璃平板上，然后将玻璃平板倾斜至约90%玉米粉移动，此时，玻璃平板与水平面之间形成一夹角，该角即为玉米粉的滑角。每个试验重复3次，经过统计平均后作为所测物料的滑角。滑角的计算公式见式（2）：

式中：φs为玉米粉的滑角(°)；h为玻璃平板抬起的高度(cm)；L′为测量点距离底边的长度(cm)。

1.3.4 堆积密度的测定

将三种试验样品分别装满100 ml量筒中，将其超出量筒上边缘的粉料用直尺削平。在装入样品时，尽量避免在量筒内出现较大空隙。然后称量量筒内所装饲料的质量。堆积密度的计算公式见式（3）：

式中：ρ堆为玉米粉的堆积密度(g/ml)；M为量筒内所装饲料质量(g)；V为量筒体积(ml)。

1.4 数据处理

运用Excel软件进行数据处理，采用SPSS17.0软件单因子方差分析的Duncana法，对三个不同处理组的流变学指标进行差异显著性判断，以P＜0.05作为差异显著性判断标准。结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 粉碎粒度对玉米粉流变学特性的影响

2.1.1 玉米粉碎粒度对休止角的影响

图1所示为玉米粉休止角随粉碎粒度的变化关系。可以看出：当粉碎粒度为20目时，玉米粉的休止角约为47°。当粉碎粒度增大到30目时，相应的休止角为增大到了49°，粉碎粒度为40目时，其休止角达到56°。可知，随着粉碎粒度减小，休止角逐渐增大。这是因为粉碎过程中随着粉体粒径减小，颗粒的比表面积增大，增大了颗粒表面间的聚合力，即颗粒间的引力和黏着力增加，其流动性降低，休止角增大。

图1 玉米粉碎粒度对休止角的影响

对以上三种粒度的样品进行显著性分析，结果如表1所示。可以看出：各组之间差异均极显著（P＜0.01），表明随着玉米粉碎粒度的降低，其休止角显著增大。

表1 玉米粉碎粒度与休止角的显著性分析

2.1.2 玉米粉碎粒度对滑角的影响

图2所示为玉米粉粒度对滑角的影响。可以看出，粉碎粒度分别为20目、30目和40目时，对应的滑角分别为43°、49°和52°。表明粉体的粉碎粒度越小，其滑角越大。同样，随着粉碎粒度减小，玉米粉比表面积增大，静电吸附性和吸湿性增强，流动性变差，因此，导致与斜面之间的滑动摩擦角增大。而且，随着玉米粉粉碎粒度的降低，可以显著增大玉米粉的滑角（P＜0.01），如表2所示。

2.1.3 玉米粉碎粒度对堆积密度的影响

图3所示为玉米粉碎粒度与其堆积密度之间的变化关系。可以看出，粉碎粒度为20目时，玉米粉的堆积密度为0.461 5 g/ml，对应30目粒度的堆积密度为0.487 1 g/ml，当粉碎粒度为40目时，其堆积密度增大到了0.526 2 g/ml。由此可见，粉体的粉碎粒度越小，其堆积密度越大。粒度越小，其暴露的表面积越大，外形越接近球形，颗粒间的孔隙度将会降低，堆积密度增大。

图2 玉米粉碎粒度对滑角的影响

表2 玉米粉碎粒度与滑角的显著性分析

图3 玉米粉碎粒度对堆积密度的影响

各组间粉碎粒度与其堆积密度差异均极显著（P＜0.01），如表3所示，随着粉碎粒度的降低，可显著增大玉米粉的堆积密度。

表3 玉米粉碎粒度与堆积密度的显著性分析

2.2 料仓结构尺寸的确定

2.2.1 料仓卸料口尺寸

料仓的卸料口尺寸是料仓结构设计的重要参数，对料流形式有重要影响，设计不当则易造成料仓结拱或搭桥，因此，选取合适的卸料口尺寸，有利于生产的有序进行。

圆锥形料仓临界卸料口尺寸等于卸料口直径，可由下式来表示：

对于圆锥形料仓，保持整体流所需的最大半顶角为 θmax：

其中：H(θ)按公式（6）计算[6]：

式中:B为料仓临界卸料口尺寸(m)；θ为料仓锥底的半顶角（°）；σ1为粉料的临界开放屈服强度，取2 100Pa；γ为玉米粉的容重（kg/m3)，此处用实测堆积密度代替；g为重力加速度(m/s2)；φ为玉米粉的有效内摩擦角，参照面粉的内摩擦角，取58°；δ为玉米粉的壁面摩擦角，取其堆积密度；i为料仓形状系数，对于轴线对称的圆锥形料仓，i=1；对于平面对称的楔形料仓，i=0。

根据公式（4）～（6）可计算得到20目、30目、40目三种粉碎粒度的玉米粉料仓卸料口直径分别为：1.09、1.03、0.93 m。

2.2.2 料仓最小下料倾角

为了使物料在仓斗倾斜面上保证有足够的流动性，必须使料斗的仓壁倾角、仓斗交界角均大于被储存物料和仓壁之间的摩擦角。根据Jenike理论，料仓的最小下料倾角β为：

由式（7）计算得20目、30目、40目三种粉碎粒度的玉米粉料仓的最小下料倾角分别为68°、70°、75°。

3 结论

3.1 含水率为10.5%的玉米粉碎至20目、30目和40目，测得的休止角、滑角和堆积密度都随粉碎粒度的减小而呈增大趋势，粉碎粒度对其流变学特性有显著影响（P＜0.01）。

3.2 粉碎粒度为20目、30目、40目三种粗细度的玉米粉采用圆锥形料仓仓储时，防止形成黏性结拱的卸料口直径应分别设计为1.09、1.03、0.93 m；最小下料倾角则应设计为68°、70°、75°。随着粉碎粒度减小，可适当减小卸料口直径，同时增大料仓下料倾角。

（参考文献若干篇，刊略，需者可函索）