油漆、涂料和油墨生产工艺的优化——一个由研磨系统、优化的工艺参数以及匹配的产品配方组成的体系

在和行业专家、耐驰的同事以及客户的讨论中，有一个观点被多次提出，那就是对于在油漆、涂料和油墨行业的研磨与分散工艺设计，工厂的产量是决定性的要素，例如新投资的工程项目。

搅拌研磨机被广泛应用于多种产品。因为产品的研磨结果与其相比存在对应的函数关系，所以大多数的案例中，研磨机的最大输入能量是一个至关重要的工艺参数。

关于增加一点能量密度进而增加磨机的能量输入可能会引起所需比能耗增加的争论多次被驳回，其主张是相比产品价格来说，高一点的能量损失是可以接受的。

在接下来的文章中，我们将用一个简单的碳酸钙研磨案例首次论证了各种参数对能量输入、比能要求和产量的影响。

这个案例将用来解释，如何尝试着改进棒销式研磨系统的运行参数来适应油漆、涂料和油墨行业提高生产量与效率的需求。我们将用实地实验的结果来讨论产量的潜在增长。

研磨过程中多种运行参数对产量和比能的影响
研究人员曾深入研究过研磨的行为过程。揭示了研磨行为的关键要素是比能，例如，提供给研磨腔的能量取决于研磨产品（固体）的质量或体积（参考公式（1））

其中：    
E [Wh]                         = 能量

ESpez    [kWh/kg]        = 质量相关的比能

P [W]                           = 功率

P0 [W]                         = 空载功率

mFS     [kg]                  = 产量

cm [-]                           = 固含量

msusp [kg/h]                = 悬浮液流量

通过不同大小的研磨介质表明，除比能外，研磨珠的大小也会对研磨过程有非常大的影响。通过调整研磨珠的大小来达到研磨任务的产量，在一定程度上，比能需求会大幅降低。

通过对石灰石不连续地研磨，研究者注意到线速度和研磨珠的密度使比能和产品细度产生系统性的关联。

为了表达研磨珠的动能，研究者定义了研磨珠BEMK的应力能公式，关于研磨珠密度ρMK，研磨珠直径dMK，和搅拌轴的线速度vt （参考公式 （2））

通过研究运行参数中研磨珠密度、研磨盘的线速度、研磨珠大小对研磨结果的影响，它能够表达出恒定的比能输入，在能达到最优的产品细度的基础上得出最优的比能。

这些影响可以通过一个简单的案例弄清楚。选择碳酸钙有两个原因：

1.对于颜料体系，为了达到合适的产品质量，仅依靠粒径分布做一个简单的测试评估是不具有典型意义的，因为还有很多其他的质量参数，比如光泽度，透明度，颜色强度都必须正确匹配。

2.此外，对于油漆、涂料和油墨，改变进料条件后想要获得同等产品质量，就需要改进产品配方。

尽管如此（这里指上面1、2中的质量体系可能也会被改变），这个案例所讨论的运行参数可以相应地运用于任何物料系统。

为了确定一个最佳值，需要至少三个测试设置。并不是通过优化应力能（stress energy）就一定能提升研磨效果，考虑到操作的可靠性或者物料的流量，使用更小的研磨珠是不现实的。

在这个案例中，商用的石灰石通过同一研磨机同等的研磨珠初步研磨，在闭路系统中使用三种不同的线速度7 m/s、10.5 m/s 和 14 m/s。

每一次，样本都通过马尔文MasterSizer 3000进行分析。比能的输入分别为0.03 kWh/kgFS, 0.07 kWh/kgFS and 0.1 kWh/kgFS（参考上页的表格）。

图表1：使用不同的线速度对石灰石进行研磨

测试结果显示在图表 1中，d90是比能输入相关的公式，预期的目标为d90达到6 µm。这验证了通过使用研磨介质，期望的目标细度可以通过研磨的最低线速度和最低比能耗来实现。然而，因为能量输入非常低，所以最后的产量也是最低的。

图表2：研磨结果和研磨珠的应力能存在函数关系

当试验时考虑到研磨珠的应力能，这个发现被证实了（见图表2）现在的目标是使用最少的能源达到最高的产量。为此，可增加搅拌轴的线速度，以及通过珠子的应力能计算出研磨珠的大小。

现在假定选用直径为1.0mm的研磨珠而不是1.7mm的研磨珠，研磨介质密度为常量，搅拌轴的线速度为14m/s，研磨结果可与计算出的比能相比拟。

考虑到可能的生产率，很明显可以通过增加搅拌轴的线速度，从而提高研磨介质的动能。然而，提高产量的同时也增加了比能耗。

图表 3：使用不同的搅拌轴线速度和不同大小的研磨珠

与此相反，同时优化研磨珠的大小，产量可得到极大的增加，同时并不需要更多能量输入（参考图表 4）。

图表 4：产量与运行参数的函数关系
 
现有的棒销系统的优化

同是棒销系统，与1991年取的专利的ZETA 棒销系统相比，NEOS系统有了明显的优化（图 5）：

图5：Neos研磨系统的基本形式。

•冷却液在研磨桶冷却夹套中的流动性能得到优化，另外，陶瓷内胆具有高耐磨性和极佳的热传导效果，成为Neos研磨腔内胆的标准配置。

•搅拌轴也重新设计，一方面，因为优化了流动，有效冷却面积相应增加了。另一方面，增加额外的电机确保最大的冷却效果也是可行的，因为在很多案例中都是产品温度的限制导致了研磨腔能量的输入也是有限的。

•销棒和研磨腔之间的间距降低了。因此给极其细小的研磨珠加速成为可能，带来更高的能量密度和更大的研磨腔能量输入。因此，使用相同大小的研磨珠，相同密度的研磨介质和搅拌速度相同的情况下，珠子的平均动能更高了。

•此外，这将导致产品的剪切应力更高，如果是那些随着剪切力增加，粘度减少的产品，直接降低了机器中产品的粘度。

•研磨珠分离系统中筛网的直径更大，这大大增加了分离区域，与先前提到的粘度效应相结合，更有效地阻止了分离系统中研磨系统中研磨珠和粗产品碎片的沉积。

因为这些新的特性，为了得到更高的产量，可以使用更小的研磨珠。

在相同的研磨介质填充量的前提下，用更小的研磨珠意味着研磨珠数量、研磨过程中接触点数量和应力呈指数级增加。

可以使用较高的流量导致每个研磨周期中理论循环次数的增加，从而使物料颗粒在研磨室中停留分布时间变窄。因为产品从进料口到出料口在研磨室中的停留时间较短，因而能量输入较低，因此，可以通过外部冷却方式对产品进行冷却。

此外，搅拌轴的几何形状的改进使得研磨介质对分离系统不产生压力，物料的通过率更高。

这意味着更高的产量不是完全通过电机功率和更大的研磨腔尺寸来实现的，由于使用了更小的研磨介质和更高的流量。对大部分产品而言，使用低能耗实现更高的流量是能够实现的，自然也降低了研磨珠的损耗，同时对机器零部件压力降低，从而减少了当机时间、维护和备件成本，直接关系着最终的产量。

实际案例之客户现场试验结果

耐驰和盛威科公司合作，现场试验了多种产品物料。

通过从ZETA 研磨系统切换到NEOS研磨系统，研磨腔中的能量输入从18%-143%不等（根据产品的不同），研磨能量输入增加遵循着几个参数，重要的参数是，设备装机功率，最高温度限制，粘度和产品的流变学特性。如果是ZETA 研磨系统，因为产品的强假塑性引起的粘度变化，往往不能达到产量要求，而对于NEOS研磨系统，一直能在温度限制范围内达到流量要求。

这个结果一方面可以通过机器冷却性能提高进行解释另一方面通过前述的粘度效应进行诠释，因更高的剪切力导致研磨腔内粘度降低，研磨腔壁与研磨搅拌轴之间的热交换效率增加，进而也改善了真格研磨室内的温度。

然而，在做实际的实验中，改变产品的配方也是有必要的，在基于研磨技术的应用中，产品的性质，比如粘度，颜色强度，透明度和光泽度。为了达到各项指标，最简单的方法就是改变溶剂的浓度。然而，在某些情况下，只有更换粘合剂才能达到期望的结果。

总结

实际试验表明（图表6），采用新的研磨系统，可以实现能量输入的变化，从而提高了产量，结合对研磨机操作参数和产品配方的修改，即使产品质量不变的情况下，也可以在一定程度上降低比能耗的要求，这里最重要的因素是研磨介质的大小和研磨机的流量。

图表 6 ： 从Zeta 25（LMZ 25）到Neos 20研磨系统的性能提升

产量的决定因素主要是产品特点比如粘度，流变学特征和温度限制。

此外，结果表明，因为操作参数的变化和能量密度的增加，进料条件改变时，配方也须做成适当的调整。