用动态粉体测试优化装填工艺

时间:2020-11-20    浏览:74次

简介

HAVER&BOECKER(哈佛博克)作为专业的制造业装填和筛分设备供应商,主要设计和生产粉体、颗粒全套装填解决方案,包括:存储筒仓和料斗、中型松装容器 (IBC) 、 1-50 kg 麻袋装填站、定量和称重系统以及气动输送设备。为确保合适的设备选型和高效的优化方案,HAVER&BOECKER在大约十年前购置了FT4粉体流变仪™ (英国富瑞曼科技),用于测量待加工材料的流动性。本文将探讨精确测量粉体流动性的作用,以及如何使用仪器的数据改进设备设计与规格参数。

 

装填行业中的流动性

对HAVER&BOECKER而言,每个新的装填解决方案都需要从评估待加工材料的物理属性开始。确保材料在装填生产线上连续流动非常重要,设备与材料匹配不佳会导致产量下降,机器故障和停机,增加人工干预,最终导致盈利折损。因此,最为关键的是确定测量哪些物理属性,有助于避免此类问题。

通常测量密度、粒径分布、水分、脂肪含量、压实和颗粒形貌等特性。这些参数确实影响了材料属性和粉体流动性,也是加工和装填的关键特性。但是,HAVER&BOECKER也意识到以上参数不足以量化流动性,并与设备性能进行有效关联,仍然缺失关键信息。

早期尝试通过Jenike剪切盒直接测量流动性弥补,该技术测量了固结的粉体平面相对于另一平面剪切所需的力,通过无约束屈服强度 (UYS) 和其它参数量化粉体的粘结性。这些数据广泛用于料斗设计、料斗卸料故障诊断和通用流动性的比较。事实上剪切盒费时耗力,不同操作人员之间的差异极大,并且依赖于仪器本身性能。HAVER&BOECKER发现,仅仅测量一种产品要耗时半天,不同的操作人员导致获得粉体是“自由流动”或“具有粘性”两种明显不同的结果。显然这一技术并非理想方案,也促使HAVER&BOECKER研究可替代的方法。

 

逐步采用动态粉体测试

2005年左右,当HAVER&BOECKER开始深入研究替代测试方法时,动态测试还是相对较新的技术,并未充分证实其工业应用的关联,但已逐渐显现了优势。与现有的剪切盒相比,动态测试能够提供高效的结果,并与加工过程相关联。动态测试灵敏度高,能够分辨出剪切盒识别为同类的粉体,尤其是加工性能确实存在差异的粉体。

 

动态数据的应用

选定加工设备的难点在于,不同的设备性能与粉体属性之间的关联算法非常少。料斗设计是目前 “科学”法最完善的方向,然而实现全面的优化仍然很困难。因此,真正的实操方法是开发数据库,将材料属性与工艺性能关联。那么对于某一属性粉体适用的解决方案,很可能对类似的粉体也适用。

过去十年间HAVER&BOECKER通过测量处理后粉体的基本流动能(BFE),研究流动性对设备性能的影响,具有相近BFE值的粉体适配相似的装填设备,也应考量其它属性,确保得到最佳解决方案。通过动态数据与经验相结合,开发针对性的设计,减少过程中的进气量,实现产量最大化。最大程度地降低装填粉中的空气量,能够显著地提高袋装填量,从而达到既定要求。粉体空气量同时也影响了粉体流动的难易程度,通常使用充气射流机等设备改善流动。

 

动态粉体测试

动态粉体测试测量运动状态的粉体,当螺旋桨叶沿着指定的路径在粉体样品内旋转时,通过测量作用于桨叶的扭矩和阻力确定动态属性。可以测试固结、中等应力、充气或甚至流化状态下的样品,满足日常加工中涉及的应力范围。实际上,该技术专用于粉体测试,并为过程设计、优化和故障诊断提供支持,最大程度地理解在特定加工环境下粉体的表现。

 

 

基本流动能 (BFE) 参数是基本动态属性,可以量化粉体在强制或受约束状态下的流动。桨叶推动粉体对样品容器产生作用,测量粉体在桨叶下切过程中承受的扭矩和阻力。BFE区分度极高,能够检测出其它测量方式归为同类的粉体间差异。能够表征粉体和颗粒特性之间极小的变化,并能够区分极度相似的材料 (同时与其加工过程相关联)。

 

实例研究:可可粉装填方案

表1演示了两种可可粉的测试结果,包括水分含量、密度和 BFE 值(表观状态参见图1)。这些数据显示,虽然它们是“相同”的可可粉产品,但实际观察就存在区别。1号可可粉的松装和压实密度较大,具有均匀的充气特性,表明充入空气能够有效地改善流动。然而2号可可粉充气时形成通道,与较强的颗粒间作用力相关,并且脱气也更快。以上特性均与装填方案紧密相关。而2号可可粉的BFE值明显低于1号可可粉地,表明该样品更易流动。

 

 
1号
可可粉
2号
可可粉
水分
2.4
2.7
松装密度
(kg/dm3)
0.468
0.390
压实密度
(kg/dm3)
0.554
0.497
充气特性
均匀
形成通道
脱气特性
快速
非常快速
BFE (mJ)
848
457

表1 两种可可粉的测试数据

 

图1 典型可可粉样品:

1号可可粉 (左) 和2号可可粉(右)

 

将两种产品放入充气装填设备中进行实验(参见图2)。充气装填设备包括倾斜座压力腔 (方便卸料和清洁),也可根据产品特性更改充气率。装填时持续吸气,确保袋内较低的压力,实现较高的装填率。

在实验中,装填一袋25公斤的2号可可粉需要23秒,此时装填机每小时产量为110袋。1号可可粉的BFE明显较大,流动性不佳,装填一袋需要30秒,设备每小时产量降至90袋。各类产品中都可观察到类似的结果,验证了BFE值可用于预测装填方案的表现,确保装填率和产量达到预期的结果。虽然压实或松装密度是常规的测量项目,但该测量值并不能用于判别流动性。经验也说明松装密度受温度、湿度、原材料质量和样品处理的影响,无法与BFE一样和装填性能之间产生直接的关联性。

 

图2 带吸气装置的装填设备示意图

结论

对HAVER&BOECKER而言,客户的满意度取决于优质的解决方案,无需再修改或故障诊断。全面的物理特性表征是装填解决方案设计和选择的基础,因此如何优化表征显得尤为重要。与其它粉体测试方法相比,采用FT4粉体流变仪测量动态流动特性相对有效,可以为加工设备的选择提供密切关联的数据。公司针对每种样品的流动性结果与过去十多年的验结合,确定每种产品适合的最佳装填设备。应用这一数据库,公司可为多种材料提供高效的装填方案,实现产量最大化,尽可能地降低运营风险。

 

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关于麦克仪器公司

麦克仪器公司是专业提供表征颗粒,粉体和多孔材料的物理性能,化学活性和流动性的高性能设备的全球领先的生产商。我们的技术包括:比重密度法、吸附、动态化学吸附、颗粒大小和形状、压汞孔隙度测定、粉末流变学和催化剂活性测试。公司在美国、英国和西班牙设有研发和生产基地,并在美洲、欧洲和亚洲设有直销和服务业务。麦克仪器是创新性的公司,产品是著名的政府和学术机构的10,000多个实验室的首选仪器。我们拥有世界一流的科学家和积极响应的支持团队,通过将Micromeritics技术应用于客户的需求,帮助客户获得成功。更多信息,请访问:

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