用動態粉體測試優化裝填工藝

時間:2020-11-20    瀏覽:181次

簡介

HAVER&BOECKER(哈佛博克)作為專業的制造業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、定量和稱重系統以及氣動輸送設備。為確保合適的設備選型和高效的優化方案,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。本文將探討精確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格參數。

 

裝填行業中的流動性

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,最為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,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極大,并且依賴于儀器本身性能。HAVER&BOECKER發現,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,動態測試還是相對較新的技術,并未充分證實其工業應用的關聯,但已逐漸顯現了優勢。與現有的剪切盒相比,動態測試能夠提供高效的結果,并與加工過程相關聯。動態測試靈敏度高,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,然而實現全面的優化仍然很困難。因此,真正的實操方法是開發數據庫,將材料屬性與工藝性能關聯。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,確保得到最佳解決方案。通過動態數據與經驗相結合,開發針對性的設計,減少過程中的進氣量,實現產量最大化。最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。

 

動態粉體測試

動態粉體測試測量運動狀態的粉體,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屬性??梢詼y試固結、中等應力、充氣或甚至流化狀態下的樣品,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、優化和故障診斷提供支持,最大程度地理解在特定加工環境下粉體的表現。

 

 

基本流動能 (BFE) 參數是基本動態屬性,可以量化粉體在強制或受約束狀態下的流動。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,并能夠區分極度相似的材料 (同時與其加工過程相關聯)。

 

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。

 

 
1號
可可粉
2號
可可粉
水分
2.4
2.7
松裝密度
(kg/dm3)
0.468
0.390
壓實密度
(kg/dm3)
0.554
0.497
充氣特性
均勻
形成通道
脫氣特性
快速
非??焖?/span>
BFE (mJ)
848
457

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。裝填時持續吸氣,確保袋內較低的壓力,實現較高的裝填率。

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,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流動特性相對有效,可以為加工設備的選擇提供密切關聯的數據。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最佳裝填設備。應用這一數據庫,公司可為多種材料提供高效的裝填方案,實現產量最大化,盡可能地降低運營風險。

 

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麥克儀器公司是專業提供表征顆粒,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的全球領先的生產商。我們的技術包括:比重密度法、吸附、動態化學吸附、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和生產基地,并在美洲、歐洲和亞洲設有直銷和服務業務。麥克儀器是創新性的公司,產品是著名的政府和學術機構的10,000多個實驗室的首選儀器。我們擁有世界一流的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:

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