用動態(tài)粉體測試優(yōu)化裝填工藝

簡介

HAVER&BOECKER（哈佛博克）作為專業(yè)的制造業(yè)裝填和篩分設備供應商，主要設計和生產粉體、顆粒全套裝填解決方案，包括：存儲筒倉和料斗、中型松裝容器 (IBC) 、 1-50 kg 麻袋裝填站、定量和稱重系統(tǒng)以及氣動輸送設備。為確保合適的設備選型和高效的優(yōu)化方案，HAVER&BOECKER在大約十年前購置了FT4粉體流變儀™ (英國富瑞曼科技)，用于測量待加工材料的流動性。本文將探討測量粉體流動性的作用，以及如何使用儀器的數據改進設備設計與規(guī)格參數。

裝填行業(yè)中的流動性

對HAVER&BOECKER而言，每個新的裝填解決方案都需要從評估待加工材料的物理屬性開始。確保材料在裝填生產線上連續(xù)流動非常重要，設備與材料匹配不佳會導致產量下降，機器故障和停機，增加人工干預，最終導致盈利折損。因此，關鍵的是確定測量哪些物理屬性，有助于避免此類問題。

通常測量密度、粒徑分布、水分、脂肪含量、壓實和顆粒形貌等特性。這些參數確實影響了材料屬性和粉體流動性，也是加工和裝填的關鍵特性。但是，HAVER&BOECKER也意識到以上參數不足以量化流動性，并與設備性能進行有效關聯(lián)，仍然缺失關鍵信息。

早期嘗試通過Jenike剪切盒直接測量流動性彌補，該技術測量了固結的粉體平面相對于另一平面剪切所需的力，通過無約束屈服強度 (UYS) 和其它參數量化粉體的粘結性。這些數據廣泛用于料斗設計、料斗卸料故障診斷和通用流動性的比較。事實上剪切盒費時耗力，不同操作人員之間的差異大，并且依賴于儀器本身性能。HAVER&BOECKER發(fā)現(xiàn)，僅僅測量一種產品要耗時半天，不同的操作人員導致獲得粉體是“自由流動”或“具有粘性”兩種明顯不同的結果。顯然這一技術并非理想方案，也促使HAVER&BOECKER研究可替代的方法。

逐步采用動態(tài)粉體測試

2005年左右，當HAVER&BOECKER開始深入研究替代測試方法時，動態(tài)測試還是相對較新的技術，并未充分證實其工業(yè)應用的關聯(lián)，但已逐漸顯現(xiàn)了優(yōu)勢。與現(xiàn)有的剪切盒相比，動態(tài)測試能夠提供高效的結果，并與加工過程相關聯(lián)。動態(tài)測試靈敏度高，能夠分辨出剪切盒識別為同類的粉體，尤其是加工性能確實存在差異的粉體。

動態(tài)數據的應用

選定加工設備的難點在于，不同的設備性能與粉體屬性之間的關聯(lián)算法非常少。料斗設計是目前 “科學”法最完善的方向，然而實現(xiàn)全面的優(yōu)化仍然很困難。因此，真正的實操方法是開發(fā)數據庫，將材料屬性與工藝性能關聯(lián)。那么對于某一屬性粉體適用的解決方案，很可能對類似的粉體也適用。

過去十年間HAVER&BOECKER通過測量處理后粉體的基本流動能（BFE），研究流動性對設備性能的影響，具有相近BFE值的粉體適配相似的裝填設備，也應考量其它屬性，確保得到解決方案。通過動態(tài)數據與經驗相結合，開發(fā)針對性的設計，減少過程中的進氣量，實現(xiàn)產量大。大程度地降低裝填粉中的空氣量，能夠顯著地提高袋裝填量，從而達到既定要求。粉體空氣量同時也影響了粉體流動的難易程度，通常使用充氣射流機等設備改善流動。

動態(tài)粉體測試

動態(tài)粉體測試測量運動狀態(tài)的粉體，當螺旋槳葉沿著指定的路徑在粉體樣品內旋轉時，通過測量作用于槳葉的扭矩和阻力確定動態(tài)屬性?？梢詼y試固結、中等應力、充氣或甚至流化狀態(tài)下的樣品，滿足日常加工中涉及的應力范圍。實際上，該技術專用于粉體測試，并為過程設計、優(yōu)化和故障診斷提供支持，大程度地理解在特定加工環(huán)境下粉體的表現(xiàn)。

基本流動能 (BFE) 參數是基本動態(tài)屬性，可以量化粉體在強制或受約束狀態(tài)下的流動。槳葉推動粉體對樣品容器產生作用，測量粉體在槳葉下切過程中承受的扭矩和阻力。BFE區(qū)分度極高，能夠檢測出其它測量方式歸為同類的粉體間差異。能夠表征粉體和顆粒特性之間極小的變化，并能夠區(qū)分極度相似的材料 (同時與其加工過程相關聯(lián))。

實例研究：可可粉裝填方案

表1演示了兩種可可粉的測試結果，包括水分含量、密度和 BFE 值(表觀狀態(tài)參見圖1)。這些數據顯示，雖然它們是“相同”的可可粉產品，但實際觀察就存在區(qū)別。1號可可粉的松裝和壓實密度較大，具有均勻的充氣特性，表明充入空氣能夠有效地改善流動。然而2號可可粉充氣時形成通道，與較強的顆粒間作用力相關，并且脫氣也更快。以上特性均與裝填方案緊密相關。而2號可可粉的BFE值明顯低于1號可可粉地，表明該樣品更易流動。

表1 兩種可可粉的測試數據

圖1 典型可可粉樣品：

1號可可粉 (左) 和2號可可粉(右)

將兩種產品放入充氣裝填設備中進行實驗（參見圖2）。充氣裝填設備包括傾斜座壓力腔 (方便卸料和清潔)，也可根據產品特性更改充氣率。裝填時持續(xù)吸氣，確保袋內較低的壓力，實現(xiàn)較高的裝填率。

在實驗中，裝填一袋25公斤的2號可可粉需要23秒，此時裝填機每小時產量為110袋。1號可可粉的BFE明顯較大，流動性不佳，裝填一袋需要30秒，設備每小時產量降至90袋。各類產品中都可觀察到類似的結果，驗證了BFE值可用于預測裝填方案的表現(xiàn)，確保裝填率和產量達到預期的結果。雖然壓實或松裝密度是常規(guī)的測量項目，但該測量值并不能用于判別流動性。經驗也說明松裝密度受溫度、濕度、原材料質量和樣品處理的影響，無法與BFE一樣和裝填性能之間產生直接的關聯(lián)性。

圖2 帶吸氣裝置的裝填設備示意圖

結論

對HAVER&BOECKER而言，客戶的滿意度取決于優(yōu)質的解決方案，無需再修改或故障診斷。全面的物理特性表征是裝填解決方案設計和選擇的基礎，因此如何優(yōu)化表征顯得尤為重要。與其它粉體測試方法相比，采用FT4粉體流變儀測量動態(tài)流動特性相對有效，可以為加工設備的選擇提供密切關聯(lián)的數據。公司針對每種樣品的流動性結果與過去十多年的驗結合，確定每種產品適合的裝填設備。應用這一數據庫，公司可為多種材料提供高效的裝填方案，實現(xiàn)產量大，盡可能地降低運營風險。

欲知更多信息，或預約FT4粉體流動性測試儀演示：

麥克默瑞提克（上海）儀器有限公司

地址：上海市民生路600號船研大廈1503-1509室

關于麥克儀器公司

麥克儀器公司是專業(yè)提供表征顆粒，粉體和多孔材料的物理性能，化學活性和流動性的高性能設備生產商。我們的技術包括：比重密度法、吸附、動態(tài)化學吸附、顆粒大小和形狀、壓汞孔隙度測定、粉末流變學和催化劑活性測試。公司在美國、英國和西班牙設有研發(fā)和生產基地，并在美洲、歐洲和亞洲設有直銷和服務業(yè)務。麥克儀器是創(chuàng)新性的公司，產品是著名的政府和學術機構的10,000多個實驗室儀器。我們擁有世界科學家和積極響應的支持團隊，通過將Micromeritics技術應用于客戶的需求，幫助客戶獲得成功。更多信息，請訪問: