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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。

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。

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。

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。可以測試固結、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)。

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。

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。

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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