用动态粉体测试优化装填工艺

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，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，实现产量大。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，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。

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，实现产量大，尽可能地降低运营风险。

欲知更多信息，或预约FT4粉体流动性测试仪演示：

麦克默瑞提克（上海）仪器有限公司

地址：上海市民生路600号船研大厦1503-1509室

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多个实验室仪器。我们拥有世界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: