消除研磨过程中部分熔化粉末的团聚| 2011-10-01

对液氮冷却系统的投资已被证明是解决粉末团聚问题的一个非常经济有效的解决方案。

研磨固体材料以生产粉末是许多行业中常见的制造步骤。在涂料工业中，研磨可用于颜料和粉末涂料的制备。本文特别关注的是在粉末涂料生产中成功部署的应用解决方案。在粉末涂料工业中，涉及到几种不同类型的聚合物基质。这些包括环氧树脂、环氧聚酯、聚酯、丙烯酸酯和聚氨酯。

每种材料都有自己的机械和物理性能，但是，当将其中任何一种材料从原料芯片转化为研磨粉末时，研磨过程本身的摩擦会产生足够的热量，从而导致部分熔化的粉末颗粒的团聚(“结块”)或热引起的研磨材料性能的变化而导致质量问题。当环境温度较高时，这个问题会更严重。

制造商的质量负担是双重的:

首先，有必要在加工后立即主动检查所有批次，并在短时间储存后再次检查;
其次，任何不合格的材料都需要重新处理，然后进行第二轮检查(可能导致额外的重新处理和重新检查)。

将这一问题最小化(或完全消除)所带来的经济效益和生产力效益是显而易见的。

描述问题

在Spraylat，高通量研磨机与筛机结合使用，研磨原料芯片并收集适当大小的粉末-目标颗粒尺寸范围为35至65微米，具体取决于产品。研磨和筛分设备本身并不罕见。

加工后的材料被收集到纸板箱、纤维桶和大的gaylord中，每个内衬塑料袋，容量从50磅/盒到1500磅/ gaylord。

加工区域的环境温度通常在75°F - 77°F之间，但在夏季可攀升至85°F的水平。在一个过程中的容器中的粉末的温度(即，在灌装期间)可以达到100°F。

起初，人们注意到(完全凭经验)，在炎热的天气里包装成大的gaylord时，结块是有问题的。材料的质量与容器的核心绝缘，导致散热缓慢。由于长时间暴露在高温下，容器核心部位的材料会熔断，形成“不合格”的材料团块。容器外的环境温度较高会加剧散热问题。

当加工后的粉末不符合质量规范时，必须进行再加工。再加工对生产周期、生产吞吐量和生产成本有明显的影响。

最初的结果

根据现有的信息，首先尝试降低处理区域的环境温度。有效地包围这片区域根本不现实;环境空气冷却虽然部分有效，但被证明是不够的。

实验也进行了结合使用环境温度冷却与“预冷”材料。虽然注意到一些改进，但这些改进仍不足以消除不断进行批检查或经常进行批再处理的需要。

Spraylat还操纵了材料本身的过程。挤压后，Spraylat改变了各种控制，以便在材料进入研磨阶段之前更好地预冷却材料。这再次显示出了改善，但还不够好。

这些初步调查的最终结果根本不是解决方案，而是最好地被描述为“实用的变通方案”。处理程序已修订，要求持续监测收集容器核心的温度。如果在加工过程中的任何时候温度超过82°F(远低于观察到问题的温度)，容器就会被标记为再加工。没有额外测试的选择;唯一的选择就是再加工。

务实的变通办法在质量上取得了成功，始终符合质量标准。然而，它没有解决交货时间、吞吐量或生产成本的问题。

人们确定，较冷材料的温度和环境的温度不会抵消该过程中产生的热量，而实际的解决方案只能作为临时解决方案。因此，Spraylat考虑需要一种替代解决方案，以一种既节省成本又不破坏工作流程的方式消除再处理。

考虑制冷剂

根据以往的经验，Spraylat工程师知道低温液体(如氮气和二氧化碳)可以用于研磨应用，以降低地面材料的温度。

最初的努力集中在证明使用低温的好处，以及在已经技术复杂的过程中添加另一种消耗品和变量的缺点:

所需的低温储存和处理设备的资本费用;

消耗性低温剂的持续费用;而且

额外复杂性的成本(培训、操作、维护、安全)。

Spraylat需要一个供应商/合作伙伴来帮助确定哪种低温是最适合这项工作的，证明低温冷却方法是有效的，并最终设计一个解决方案，将无缝集成到Spraylat的粉末生产过程中。

MATHESON是一个愿意帮助Spraylat实现其目标的合作伙伴，最大限度地减少试验和演示的成本，并最终确定商业设备的设计和安装，同时也在寻找最小化持续消耗成本的方法。MATHESON也是一个愿意协助培训、维护、安全和其他问题的合作伙伴。

选择冷库

目前有几种常用的低温剂，其中最受欢迎的是二氧化碳和液氮。二氧化碳(CO2)是一种有效的冷却气体，但有一些固有的缺点。

作为温室气体(GHG)， Spraylat将被要求监测和报告二氧化碳的消耗和排放;

作为一种温室气体，二氧化碳既不受欢迎，也不符合Spraylat的环境可持续性政策;

二氧化碳也可能对工人的安全构成威胁，因为它比氮重，更难排放;

二氧化碳的供应受季节性分配的影响，其定价受到供应链中断和附加费的影响;和<
二氧化碳呈弱酸性，可能与粉末材料发生反应或影响粉末质量。

氮气没有二氧化碳的任何缺点，由于其作为冷却气体的功效、可用性、稳定的供应链和零环境影响，被确定为首选的低温剂。氮约占大气空气的79%，液化氮很容易获得，所以供应不是问题。像二氧化碳一样，氮气是一种简单的窒息剂(不支持生命)，但它是一种轻得多的气体，更容易排出。

图1点击放大

作为最后的优势，液化氮被广泛用于冷却和冷冻的许多应用。它易于储存，处理液氮的设备很容易获得，而且价格便宜。氮气相对于二氧化碳的明显优势使得氮气成为Spraylat应用的首选冷冻剂。

同样仔细地，MATHESON考虑了耗尽低温蒸汽的要求，并建议在通风不良的工作空间安装缺氧监控器(带报警器)。

图2点击放大

作为第一步，Matheson提供了演示系统、液氮产品以及将氮气供应连接到演示系统以及将Matheson的系统连接到Spraylat的设备所需的设备。试验结果超出了Spraylat的预期(图1和图2)。

MATHESON系统在几种不同类型的筛分中表现良好，将粉末温度保持在理想温度设定点的+/-0.2°F范围内。

试验的结果，结合MATHESON在规定的时间内快速开发出精心设计的解决方案的记录，并为Spraylat提供了必要的经济理由，使Spraylat对结果充满信心。

图3点击放大

系统设计注意事项

液氮从筛分机的进料喉部内部注入工艺(图3)，喷射喷嘴的确切位置和氮气的具体流量取决于筛分机的配置和工艺本身的变量。详细的计算超出了本文的范围，但是下面描述了一般的注意事项。

当研磨过程开始时，氮气注入系统被激活，在接收任何研磨粉之前预冷却筛机内部。液氮注入的速率是基于被处理的粉末在筛出时的温度。粉末温度由热电偶监测。采用主动比例控制器调节氮的投放量。这样可以防止过度冷却，并最大限度地减少浪费的气体。采用单独的热电偶和温度控制器监控筛机温度，确保筛机不会过冻。

为了获得有效的冷却，液氮注射器直接位于粉末进料管道的中心，并指向粉末行进的方向。这使得粉末和冷氮流体之间有足够的接触时间，这对于两者之间发生热传递是必要的。

图4点击放大

常压下-320.4°F时，液氮由液相转变为气相。当氮气注入到筛机上游的粉末料中时，氮气迅速变成气相。混合的粉末与冷的液相氮之间的短暂接触足以冷却粉末。进一步冷却是由冷氮蒸汽实现的，它用于“冷藏”筛分机和粉末输出斜槽中的直接气氛。

一般来说，为了将粉末温度降低10°F，氮消耗率约为每1磅粉末消耗0.1磅液氮。

重要的是，氮气流量对最终温度的影响不是线性的，受很多变量的影响(如研磨吞吐量、粒度等)。低温流体被输送到粉末流的速率，粉末给料速率和材料特性将决定可用的冷却量和粉末的最终温度。筛出料时的目标粉末温度为75°F。较高的初始粉末温度或较高的磨粉机吞吐量将要求较高的液氮注入速率。如果粉末的初始温度较低，或者研磨机的进料速率较低，则需要较少的氮来冷却粉末。

除了流程特定和安全方面的考虑外，易用性、清洁和维护也同样重要，并被纳入了系统设计中。

结果

在使用液氮冷却之前，再处理对生产进度和成本有不利影响。多条生产线每小时生产500到2000磅粉末，每天灌装几十个1500磅的胶粒，当一个集装箱需要再加工时，这意味着每个集装箱至少损失了10 - 30分钟的生产时间，加上分析、调度、拆包装和文件所需的时间，以及再加工和重新包装的额外成本。由于生产需求，出现了调度冲突，用于维护、清洁或产品变更的时间非常有限。

对液氮冷却系统的投资被证明是解决粉末团聚问题的一个非常经济的解决方案。液氮系统到位后，颗粒团聚导致的质量故障为零。生产线调度更容易、更可靠。交货时间更短，更可预测。

由于液氮的优化使用，持续的运行成本很低。考虑到安装系统的资本成本后，系统的回收期估计不到两年;在此之后，继续使用液氮系统将持续节省运营成本。

欲了解更多信息，请访问www.mathesongas.com和www.spraylat.com。