Ross搅拌副总裁、涂料分散应用专家John Paterson表示:“近年来，随着资本预算的限制，工艺改进需要工厂的大量创造力。“具有前瞻性的流程工程师正在采用一种新的视角——一种比以前更全面的方法。他们不是狭隘地关注每一件设备，单独地看待每一个工艺步骤，只考虑传统的、可预测的战略，而是通过更广泛的视角来看待工艺改进的挑战。
“例如，铣削生产的短缺通常不仅仅是铣削。在许多应用中，铣削问题实际上更多地与低效的预混合有关，而不是随后的铣削。
“分散步骤花费的时间太长，可能需要更有想象力的解决方案，而不是简单地用传统的转子/定子混合器取代高速分散器。在批中添加更多剪切并不总是最好的答案。对于热敏材料，更精确地控制剪切能可能是一个更高的优先级。
“有时，批量搅拌配方中缺少的成分是内联搅拌机。有时，改善硬管道生产线的最佳方法是打开管道，插入便携式混合器进行简短的补充混合循环，然后将其推到另一条生产线上。”
可预测的、被广泛接受的解决方案之所以受欢迎，是因为它们确实能带来改进。但帕特森说，制造商需要设置更高的标准。那些愿意跳出框框寻找更好的生产方法的人，往往会在生产上获得更大的收益，并获得决定性的竞争优势。
市场领导者打破常规
具有讽刺意味的是，随着快速发展的公司获得市场份额，许多公司放弃了最初帮助他们取得成功的创造性生产方法。一旦他们到达顶峰，许多人就会转向谨慎、厌恶风险的管理，在处理过程中扼杀想象力。当规模较小的竞争对手仍在进攻，寻找创新的生产方法，以帮助他们追赶市场领导者时，领导者则转向防守，更多地关注一致性和降低成本，而不是创新。
但在宾夕法尼亚州匹兹堡附近的DNP IMS美国制造工厂却并非如此。DNP的信息媒体供应部门是世界上最大的用于条形码和染料升华打印机的热转印带制造商。但与许多市场领导者不同的是，在最近对该公司一条关键涂层生产线的全面检修中，工艺团队表现得更像一个雄心勃勃的小型竞争对手，而不是一家市值140亿美元的跨国公司的制造部门。
工艺工程师Jack Havrilla领导了该项目，该项目旨在改善DNP的旗舰产品TR4085Plus蜡基热转印带的生产®．与DNP生产的其他热转印色带一起，TR4085Plus被用于在多种应用中打印条形码。TR4085Plus的成功归功于其独特的油墨配方，它可以消除静电，并且足够通用，可以在各种标签上打印锋利的条形码和深色持久的图像。
哈夫里拉说:“多年来，我们的生产线几乎没有变化。“对于我们的TR4085Plus色带，我们有几个涂层站同时运行，每个涂层站为最终产品中的一层生产材料(图1)。
他说:“生产PET薄膜三层中的两层——底涂层和释放层——的材料非常简单。”“但墨水层更复杂，更具挑战性，这是一个很好的改进机会。
TR4085Plus产品中使用的高性能墨水由分散在蜡和树脂热熔液中的串珠炭黑组成。在磨粉机中，碳珠平均为300-400微米和低密度玻璃介质，我们无法显著降低颗粒尺寸。“我们的流程一直堵塞，在间隙和工厂下游的过滤器处都有堵塞。这扰乱了生产，造成了大量浪费。这是一个持续的瓶颈，阻止我们优化涂层生产线的生产-我们的最终目标。
“由于操作温度过高，旧工艺中的堵塞也给我们的操作人员和技术人员带来了安全问题。我们需要一种解决方案，可以最大限度地减少或消除堵塞和暴露于熔融材料。
“经过一些分析，我们认识到，如果我们改善进入磨粉机的预磨分散液，从磨粉机出来的分散液会更好。我们还意识到，更好的预铣削将减少碳固体的沉降，并使我们能够在较低的压力下运行铣床。在去年更换了两个机械密封后，这是另一个优先事项。”
探索替代混合器
DNP生产线上的遗留设备包括一个夹套罐，其中蜡和树脂在高温下熔化，并添加了一袋超级炭黑。一个双翼搅拌器提供了防止沉降的搅拌，但对降低颗粒大小没有什么作用。
改造系统的第一步是测试搅拌混合料的替代设备，并在铣削前进行剪切。“这是我们实现性能飞跃的机会，”哈夫里拉说，“这意味着我们必须愿意考虑新的想法。所以我们寻找了一个实验室，在那里我们可以测试各种各样的设备，现场分析结果，并快速行动。”
Havrilla在纽约哈帕格的罗斯测试与开发中心安排了一系列测试。“在Ross实验室，我们在我们的工艺条件下复制了蜡/树脂/碳分散体。我们的测试包括一个传统的转子/定子混合器结合锚搅拌器在一个多轴单元。在2加仑的生产单元中进行了初始测试后，我们在100加仑的生产单元中再次进行了测试。
“虽然我们的工艺基本上是面向批量的，但在接下来的一系列测试中，我们比较了两种内联转子/定子混合器，这两种混合器都是明显非常规的。其中一款是Ross MegaShear，在极高的叶尖速度下运行——超过11000英尺/分。另一种是“SLIM”固/液喷射歧管，它以较低的叶尖速度运行，但使用了特殊的转子/定子发电机，将大量固体颗粒注入液体流，同时使它们受到强烈的剪切并分散。(见侧栏“高速固体注入解释”)
SLIM混合器就是我们一直在寻找的答案。内嵌式混合器能迅速分散碳。通过一点再循环，我们达到了黑格曼标准，大大低于我们的目标粒径，粒径分布紧密。便携式SLIM还提供了一种解决方案，在设备已经拥挤的工厂中只需要很少的空间——这是一个额外的好处。”
Ross技术总监Ken Langhorn表示:“Inline mixers通常用于批量处理应用，以补充大型容器中的低速搅拌。特别是在大批量应用中，在混合容器中使用内嵌式混合机再循环材料通常比类似的批量混合机更具成本效益。由于它是便携式的，制造商通常使用一个单元来支持几条不同的生产线。在混合操作的高剪切阶段之后，他们只需断开它，并将其推到另一条生产线上。”
今天，DNP生产线上的设备库存与以前只有一点不同，但生产已经发生了变化。Havrilla说:“我们原来的储罐和慢速锚仍然可以搅拌混合物，但我们使用混合容器旁边推车上的内联SLIM混合器注入炭黑。单批次炭黑的注入和分散大约需要45分钟”(图2)。图3比较了新旧工艺。
在至少60分钟的再循环后，团队将热熔分散液转移，使用混合器作为泵将分散液转移到储罐中，然后再进行研磨。“在这一点上，分散实际上非常接近一个水平，我们可以直接把它送到涂层线，绕过工厂。但相反，我们在磨粉机里打磨磨粉，现在磨粉机的压力比以前低，很容易完成工作。这种指甲油在最重要的地方优化了性能——加深黑色，消除缺陷。”
营收成果
DNP运营总监Garrett Lyons表示:“在项目开始时，我们遇到了三个主要问题。“第一个是由于反复堵塞而暴露在熔融墨水中引起的安全问题。其次是由于堵塞和低效的铣削产生的浪费。三是磨铣性能不稳定，导致设备故障，维修成本高。内联SLIM混合器消除了堵塞，减少了浪费。混合机的效率也提高了我们现有磨机和泵的性能和可靠性。”
Havrilla说:“总的来说，由于涂层线的堵塞和减速，我们平均有5-10%的浪费。“现在，这一比例已降至1%以下。事实上，仅在原材料上的节省就已经支付了搅拌机的费用。
“我们的油墨生产也比涂料生产线提前了至少8个小时。这给了我们一个重要的安全边际。现在整个过程更容易预测了。这使我们能够更有效地生产原材料，确切地知道每批原材料将如何加工。
“在生产线的末端，所有这些都转化为为我们的客户提供更快的生产和交付。”
Sidebar1:高速固相注入说明 |
液体流通过转子/定子发电机前部的入口(A)进入SLIM混合器，而固体则通过机组顶部的入口(B)进入。经过特殊改装的转子和定子产生强大的真空，将固体高速吸入混合器。它们通过端口转子重新进入转子/定子发电机(C)的高剪切区，在那里固体成分与液体流相遇，它们立即受到强烈的剪切力。 由于固体同时被浸湿并受到高剪切作用，它们立即被分散。然后，分散体通过混合器出口(D)离心喷射-有足够的力量，以消除下游泵的需要在许多应用。 DNP的生产团队使用有效测量固体诱导的输送机将串珠炭黑输送到混合器。炭黑沉积在顶置料斗中(见图)，从那里被拉入转子/定子发电机的高剪切区。 |
Sidebar2:转子/定子预铣削，过去和现在 |
高速转子/定子混合器多年前就被认为是比高速分散器更好的预铣削选择。在早期设计中，定子静止，单级转子转速可达3700 fpm(见图)。尽管与高速分散剂相比，它们产生的湍流更少，但它们施加了更大的剪切力，并更快地减小了颗粒大小。 但是，尽管有更好的性能的承诺，许多制造商愿意接受更慢的过程和更有效的颗粒尺寸减小，而不是投资新设备。近年来，日益增加的竞争压力使投资变得更具吸引力。 帕特森说:“对于那些刚刚开始使用转子/定子预铣削设备的人来说，时机是理想的。”“今天有更多类型的转子/定子设备需要考虑，无论是批处理还是内联应用。在过去10年左右的时间里，这项技术突飞猛进。最新批转子/定子设计适用于更大的剪切和产生比高速分散器更多的流量，这使他们能够在批中散热。许多新的内联设计的工作速度可达11000 fpm，在高度控制的内联过程环境中产生强烈的剪切。” 对于许多制造商来说，这一演变为更好的预铣削结果打开了大门，并转向更小、更高效的下游微铣削介质。范戴克棕、焦黄、酞蓝和多种形式的炭黑等颜料难以分解和迅速分散，这是出了名的难。它们都是高性能预铣削应用的候选者，从油漆到印刷和电子墨水，染料和化妆品，”Paterson说。“高端预磨设备可以提高介质磨机的性能，优化关键性能参数，如显色和降低实现目标结果所需的颜料量。 “更新的混合器设计提供了可变转子/定子间隙的选择，广泛的尖端速度和高速粉末感应-所有这些都是批量和内联配置。这使得许多制造商能够在生产线上添加转子/定子预铣削，而无需大规模重组和过高的成本。” |
