文/ Jamie Clayton，Thomas Hilling

優(yōu)化填裝過程

文/ Jamie Clayton，Thomas Hilling

本文探討了粉體流動精確測量的作用以及如何使用儀器所提供的數(shù)據(jù)改進設(shè)備的設(shè)計與規(guī)格——為確保設(shè)備選型和優(yōu)化更高效健全，HAVER&BOECKER約在10年前購置了FT4粉體流變儀? (Freeman Technology，英國)，用于測量待加工材料的流動性。

HAVER&BOECKER作為專業(yè)的制造業(yè)裝填和篩分設(shè)備供應(yīng)商，主要提供粉體和顆粒成套裝填解決方案的設(shè)計和制造，包括存儲筒倉和料斗、中型松裝容器 (IBC) 或1～50 kg 麻袋裝填站、定量和稱重系統(tǒng)以及氣動輸送設(shè)備，每年提供數(shù)百種客制化解決方案，應(yīng)對各種新產(chǎn)品帶來的不同加工難題，公司的客戶主要集中于食品、化工和涂料領(lǐng)域。

對HAVER&BOECKER而言，每項新的裝填解決方案都從評估待加工材料的物理屬性開始。能夠確保材料在裝填線中連續(xù)流動至關(guān)重要，這取決于是否選擇了與待處理粉體或顆粒其固有特性完美匹配的設(shè)備。從長遠來講，匹配不佳會導(dǎo)致產(chǎn)量降低，機器故障和停機時間過長，增加人工干預(yù)次數(shù)，最終折損盈利。因此，確定測量哪些物理屬性可避免此類問題顯得極為關(guān)鍵。

一直以來，公司都在測量密度、粒徑分布、水分和脂肪含量、壓實和顆粒形態(tài)等特性來分析設(shè)備選型，這些參數(shù)都會影響材料特性和粉體流動性，即加工和裝填的關(guān)鍵特質(zhì)。但是，HAVER&BOECKER意識到想要實現(xiàn)健全的設(shè)備設(shè)計，即使將以上參數(shù)結(jié)合起來也不足以量化流動性，因為這與設(shè)備性能有效關(guān)聯(lián)，有些地方仍缺失關(guān)鍵信息。

圖1 典型可可粉樣品 1號可可粉 (左) 和2號可可粉(右)

表 兩種不同可可粉的測試數(shù)據(jù)

研究人員早期嘗試通過直接測量流動性填補這一信息缺口，集中體現(xiàn)在Jenike剪切盒的應(yīng)用。該技術(shù)測量剪切一個固結(jié)粉體平面所需的力，即通過無約束屈服強度 (UYS) 和其它參數(shù)量化粉體的內(nèi)聚性。這些數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于料斗設(shè)計、料斗卸料故障診斷以及更廣泛的流動性比較之中。然而剪切盒分析往往費時耗力，不同操作人員之間的差異極大，且非常依賴所使用的儀器。HAVER&BOECKER發(fā) 現(xiàn)， 使用剪切盒僅測量一種產(chǎn)品就要花費半天時間，而鑒于操作人員技術(shù)各不相同，就可能導(dǎo)致粉體出現(xiàn)“自由流動”和“具有粘性”兩類顯著結(jié)果的差異。很顯然，這種技術(shù)并非理想的解決方案，也促使公司決定研究可替代的方法。FT4粉體流變儀可實現(xiàn)長達十年不間斷、免維護的運行。其間，每年大約測試1 000份樣品，超強的可靠性保證了其超高的工作效率。

逐步采用動態(tài)粉末測試

當(dāng) HAVER&BOECKER在2005年左右開始研究粉體流動性測量的替代方案時，動態(tài)粉體測試還是一項相對較新的技術(shù)，還未充分證實工業(yè)相關(guān)性，但其優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)。與現(xiàn)有剪切盒的設(shè)置相比，動態(tài)測試可提供相對快速、高效的測量與同等重要的過程相關(guān)數(shù)據(jù)。動態(tài)測試十分靈敏，可區(qū)分剪切盒分析下相同類別的粉體，突顯對工藝性能產(chǎn)生影響的粉體間的差異。經(jīng)過嚴格的技術(shù)評估，公司很早就成為Freeman Technology FT4粉體流變儀最早的用戶之一，因為公司可在動態(tài)粉體測試方面可以獲得最優(yōu)質(zhì)的流動性數(shù)據(jù)。FT4粉體流變儀的初期培訓(xùn)非常全面，儀器很快就能投入日常使用，操作員也發(fā)現(xiàn)測量過程十分簡單直觀，

動態(tài)粉體測試

動態(tài)粉體測試涉及測量運動過程中的粉體，當(dāng)螺旋槳葉沿著指定的路徑在粉體樣品中旋轉(zhuǎn)時，測量作用于其扭矩和力，并來確定粉體動態(tài)屬性。對固結(jié)、中等應(yīng)力、充氣或甚至流化狀態(tài)下的樣品均可進行測試，還可得到日常粉體加工中所需的所有應(yīng)力范圍。實際上，該項技術(shù)專門用于測試粉體，并為過程設(shè)計、優(yōu)化和故障診斷的研究提供支持，可最大程度在給定的過程環(huán)境下測量粉體的表現(xiàn)。

基本流動能參數(shù)(BFE)是基本動態(tài)屬性，用于量化粉體在受力或受約束狀態(tài)下的流動。槳葉將粉體推向樣品杯中產(chǎn)生約束作用的底部，測量粉體在槳葉下切過程中承受的扭矩和力。BFE 具有極高的區(qū)分度，能夠檢測出其它測量方式歸為同類粉體間的差異，成功地用于表征粉體和顆粒相對細小的變化并能區(qū)分極度相似的材料，還能與加工過程相關(guān)聯(lián)。

應(yīng)用動態(tài)數(shù)據(jù)

選定任何粉體加工設(shè)備的根本難點在于，不同設(shè)備的性能與可測量的粉體屬性之間相關(guān)聯(lián)的設(shè)計算法少之又少。料斗設(shè)計可以說是使用科學(xué)方法建立最完善的領(lǐng)域，即使如此，實現(xiàn)全面優(yōu)化仍然很困難。因此，要選定粉體和顆粒的加工設(shè)備，真實有效的方法就是開發(fā)一個數(shù)據(jù)庫，將可測量的材料屬性與觀察到的工藝性能相關(guān)聯(lián)。對于處理某種特定屬性粉體適用的數(shù)據(jù)庫解決方案，也很有可能也對相似特性的粉體測量起到作用。

過去10年間通過測量處理后粉體的BFE，HAVER&BOECKER廣泛研究了流動性對設(shè)備性能的影響。由于流動性的影響是十分關(guān)鍵的，因此具有相同或相近BFE值的粉體往往需要相似的裝填設(shè)備，但其它屬性也應(yīng)予以考慮，以確保得到最佳的解決方案。通過將動態(tài)測量與經(jīng)驗相結(jié)合，公司有效地建立并優(yōu)化了其內(nèi)部設(shè)計流程。憑借十年的數(shù)據(jù)積累，工程師可以信賴以上過程，從而妥善交付風(fēng)險極低的解決方案，可以開發(fā)出具有很強針對性的設(shè)計，減少過程中的進氣量，實現(xiàn)產(chǎn)能最大化，最大程度地降低裝填粉體中的空氣含量，顯著提高袋裝填量，從而達到行業(yè)的既定目標(biāo)。但是，粉體中的空氣含量直接影響粉體流動的難易程度，因此，通常會使用充氣射流機等設(shè)備幫助流動性不佳的粉體流動，以改善流動性能。通過全面量化流動性，動態(tài)測試幫助HAVER&BOECKER降低了其裝填解決方案中的空氣含量，甚至達到絕對最低值，從而優(yōu)化了產(chǎn)量，也降低了過程中堵塞或停工的風(fēng)險。這是保證所提供的過程解決方案極具競爭力的重要優(yōu)勢。

圖2 帶吸氣裝置的裝填設(shè)備示意圖

可可粉裝填解決方案

本文表格顯示了2種不同可可粉的測試數(shù)據(jù)，包括水分含量、松裝密度和 BFE值。這些數(shù)據(jù)顯示，雖然它們是“相同”產(chǎn)品的樣品，但實際上它們有著顯著區(qū)別。1號可可粉具有較高的松裝、疏松和壓實密度，也呈現(xiàn)均勻的充氣特性，表明充入空氣能有效助流。與之相比，2號可可粉在充氣時會形成通道，這通常與較強的顆粒間作用力相關(guān)，同時脫氣也更快。以上特性是與裝填解決方案的選擇密切相關(guān)。而2號可可粉的BFE明顯低于1號可可粉，表明它更易于流動。

在充氣裝填機中對兩種產(chǎn)品進行試驗(圖2)。充氣裝填機包括傾斜底座式壓力腔 (方便卸料和清潔)，也可根據(jù)產(chǎn)品特性改變充氣率。裝填時持續(xù)吸氣，確保以最低的袋內(nèi)壓力，實現(xiàn)較高的裝填率。在試驗中，裝填一袋25 kg的2號可可粉需要23 s。這樣，裝填機產(chǎn)量為110袋/h。如BFE圖所示，1號可可粉流動性不佳，裝填一袋需要30 s。機器產(chǎn)量降至90袋/h。在各類不同的產(chǎn)品中都可觀察到這樣的典型結(jié)果，驗證了BFE值可用于預(yù)測裝填解決方案的性能，確保裝填率和產(chǎn)量達到可實現(xiàn)的預(yù)期效果。值得注意的是，雖然壓實 (或堆積) 密度是常規(guī)的測量項目，但該測量值并不能用于區(qū)分流動屬性。經(jīng)驗顯示，松裝密度受到溫度、濕度、原材料質(zhì)量和樣品處理的嚴重影響，密度的測試不如BFE那樣與裝填性能之間具有直接的相關(guān)性。

圖片來源: ?volff/Fotolia.com

結(jié)論

全面的物理特性為裝填解決方案的設(shè)計和選擇提供了一定的基礎(chǔ)，對HAVER&BOECKER而言，客戶滿意度取決于從一開始就確定能與其產(chǎn)品密切對應(yīng)的過程解決方案，并且無需修改或診斷故障，因此優(yōu)化物理特性顯得尤為重要。與其它粉體測試方法相比，采用FT4粉體流變儀進行動態(tài)粉體流動測量被證實十分有效，可為過程設(shè)備提供密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。公司現(xiàn)已完成每種樣品的流動性測量，將結(jié)果與過去10年的加工經(jīng)驗結(jié)合，共同用于確定每種產(chǎn)品最佳的裝填機器，應(yīng)用這一方法，公司可確保為多種材料提供高性能的裝填解決方案，實現(xiàn)產(chǎn)量最大化，同時盡可能地降低運營風(fēng)險。

Jamie Clayton系 Freeman Technology運營總監(jiān)，Thomas Hilling系HAVER&BOECKER研發(fā)中心經(jīng)理。