具有高抗磨性的制粒機刀片及其磨快方法

2023-05-14 18:17:36

專利名稱：具有高抗磨性的制粒機刀片及其磨快方法
技術領域：
本發明涉及具有高抗磨性的制粒機刀片和相關的磨快方法。作為本發明目的的刀片可以在用於熱塑性聚合物的制粒機(granulator)中使用，例如水環、水下和噴水型制粒機。乙烯基和乙烯芳烴(vinyl aromatic)聚合物，可選地是可膨脹的，都是可以應用本發明的熱塑性聚合物。更具體地說，可以將本發明應用於聚苯乙烯、可膨脹的聚苯乙烯及其混合物(alloy)的顆粒化(granulation)。應該將文中規定的所有條件視為優選的，即使未明確指出。
背景技術：
可以通過使熔融狀態下的熱塑性聚合物通過位於模具板(die plate)中的一系列孔，之後藉助於專用裝置切割仍處於熔融狀態中的聚合物來實現對它們的切割。通過使用連續轉動的並且帶有與模具板的表面對應的切割刀片的一系列刀具來實現切割。這樣獲得的顆粒藉助於熱量調節器流體被冷卻並且移除。用於聚合物的顆粒化的不同系統使用上述技術。在它們當中，如專利WO 03/053650中描述的噴水型聚合物切割技術、水下和水環技術是特別重要的。這些和其他技術在許多專利或者專利申請中示出，在這些專利或者專利申請當中有US 4，752，196 ；WO 03/106544 ；WO 03/053650 ；WO 2007/087001 ；WO 2007/089497。然而，在某些應用中，顆粒化可能存在問題。尤其是，要解決的一個困難是獲得持久的切割系統，即，能夠降低替換刀具的頻率。刀具的持續時間(duration)嚴格依賴於由與模具板的摩擦和由對聚合物相同的切割操作造成的刀具的磨損率。已經開發出各種技術解決方案來獲得足夠的可靠性，以及高切割質量(例如不存在廢料和不產生聚合物粉末)。專利申請WO 2007/089497描述了特定的刀具幾何形狀和相關的刀具保持器轂座 (hub)，使得刀具關於模具板的表面幾乎垂直。該幾何形狀使熔融聚合物的邊沿(bead)與刀具的表面能夠更好地分離。專利申請WO 03/053650描述了一種噴水型切割方法，該方法允許通過使用熱矢量流體的噴霧來調節顆粒的冷卻速率，熱矢量流體僅佔據制粒機的容積的一部分，制粒機的容積的剩餘部分被氣體佔據。這樣，顆粒化的質量和孔變得阻塞的趨勢二者都得到控制。專利申請US 2005/0126015描述了轉動刀具的特定構造和相關的支承結構，該支承結構能夠確保減小摩擦。這能夠使得刀具的振動和加熱被最小化。專利US 7，296, 985示出用於熱塑性聚合物的顆粒化的特殊裝備，配備有用於在能夠軸向移動的軸與刀具保持器轂座之間傳遞扭矩的裝置。專利申請WO 2007/087001描述了一種用於熱塑性樹脂的制粒機的啟動方法。通過使用特殊的模具板，該方法能夠通過避免可能阻塞模具板的孔的過度冷卻、還通過確保用於獲得良好的顆粒質量的足夠冷卻兩者來開始制粒。通常在壓力下將刀具保持抵接於模具板的表面，以便確保良好的切割質量。該壓力與高轉動速率一起造成上述刀具的高磨損。該磨損是對工廠的重要制約，在這些工廠中， 顆粒化通常是連續實現的，並且因而維修停產意味著工廠生產能力的降低。當採用含有無機添加劑(該添加劑具有相當大硬度、或者具有高濃度，或者二者兼具)的聚合物樹脂時，這種磨損會更加顯著。在專利US6，340，713和EP 1514895中描述了這些應用的示例。在切割例如可膨脹樹脂的更加流動的樹脂、和在微型顆粒化的情況下，磨損尤其嚴重。實際上，在這些條件下，必須確保刀具對制粒機的表面的貼附(adherence)最大化。 作為結果，這個高貼附通過磨耗造成高磨損。製造切割刀具的材料對於限制它們的磨損和對於聚合物的正確和持久的顆粒化
而言是至關重要的。正如已知的那樣，使用極硬的材料能夠使刀片的壽命持續時間增大。因此模具板的表面必須比刀片更硬從而使刀片首先被磨損。可選地，僅僅一部分模具板表面(即使是少數)由更硬的材料製成就足夠了，因為當圍繞軸轉動刀具時，至少一部分刀片總是與所述更硬的材料接觸。最廣泛用於這些應用的刀具的材料是冷加工工具鋼。例如確保高體積穩定性 (dimensional stability)的Bohler-Uddeholm的KlOO型的一些冷加工工具鋼具有足夠的彈性和相當大的硬度(洛氏)，例如高於50HRC。然而，尤其是在上述應用中，用這些材料製成的刀具也要經受用於工業使用的相當高的磨損。可用於生產刀具刀片的材料的另一個示例的代表是萊氏體鋼。雖然這些鋼具有適當的抗磨性，但是它們在磨快階段(sharpening phase)中具有有限的加工性能 (processability)。另外，相當大的硬度將會使得難以進行高質量的顆粒化，這是由於刀片過硬和由此所導致的刀片對模具板的表面的貼附度降低。除了材料之外，對刀具在模具板上的推壓力(thrust pressure)的控制系統也是十分重要的。刀具通常藉助於適當的系統推壓模具板表面，例如確保在轂座上(刀具剛性應用在轂座上)的預定推力的油動態系統。在這些系統中，可以通過減小作用在刀具上的壓力來控制磨損。然而，該操作將會是危險的。以這種方式，實際上，由於轉動系統引起的振動的緣故、和由於聚合物推力 (thrust)的緣故，可能不再保證刀具在切割表面上的接觸。當不存在支承時，刀具會退回並且顆粒化喪失其質量或變得不可能。在本文檔的全部中，應該將術語「剪切質量」和「顆粒化質量」視為等價的。

發明內容
根據在權利要求中描述的本發明，用於刀具的材料是具有高抗磨性的鋼。材料優選為可以通過粉末冶金獲得的例如萊氏體鋼的冷加工工具鋼。甚至更優選地是，材料是基於鉻、鉬和釩的合金鋼。這些材料的優選示例包括(以重量計)1-4%的碳，4-12%的鉻，1-5%的鉬，0-0. 7%的錳，3-12%的釩和0-1. 5%的矽。這些材料的示例是在美國專利7，297，177、6，818，040和6，348，109中描述的由 Bohler-Uddeholm 生產的 Vanadis~4 Extra, Vanadis~6 禾口 Vanadis-lO。有時使用由這類鋼製成的刀具不能獲得令人滿意的顆粒化，除非利用作為本發明目的的特殊程序。實際上，如上所述，使用高硬度鋼提高了持續時間但降低了切割質量。反之，更軟的刀具提供高的切割質量但是對持續時間不利。作為本發明目的的刀具在裝配到切割系統上之前有利地經過熱處理。熱處理包括將刀具加熱到從500°C至700°C，更優選地是從550°C至650°C的溫度範圍的步驟。將刀具保持在這個溫度大於5分鐘的時間，更通常地是大於20分鐘的時間，例如從35至250分鐘，然後緩慢冷卻，直到溫度等於或低於500°C，例如平均冷卻速率等於或低於15°C /分鐘，例如上至450°C，更優選地是低於10°C每分鐘。經過熱處理的刀具的硬度一般低於未經處理的刀具。硬度的減小通常是從2至20 洛氏 C 級硬度(Rockwell degrees, scale C)。令人驚訝的是，儘管硬度減小和即使應用在以更高表面硬度(例如從10洛氏C級硬度開始的)為特徵的模具板上，根據該程序製備的刀具仍是非常抗磨的。這在制粒機運行期間能夠獲得提高的顆粒化質量，同時使刀具維持相當大的壽命延長。另外，使用根據在本發明中描述的方法製備的刀具能夠獲得在替換相同刀具之後，對顆粒化裝置的重新啟動操作的簡化，如下所述。已知為了獲得高質量顆粒化，必須確保對在模具板表面上的刀具的足夠支承。為了獲得該結果，通常將刀具固定到轂座上同時使刀具保持壓靠在平坦、光滑的支承面上。然而，在例如微型顆粒或者可膨脹聚合物切割的某些情況下，該固定程序不足以獲得足夠的切割質量。在這些情況下，在通過轉動刀具產生的表面與模具板之間的甚至更高的對應實際上是必需的。可以藉助於刀具抵著模具板表面被部分磨損的磨快操作來獲得這個對應。用例如由Bohler生產的KlOO的鋼製成的傳統刀具具有低抗磨性，因此它們易於抵著模具板表面被磨蝕並因此易於磨快。同時，刀具的壽命是適中的。使用具有更高抗磨性的鋼產生顯著的持續時間增大，但是磨快一般是困難的，需要長時間和特殊的操作條件。雖然作為本發明目的的刀具維持相當大的抗磨耗性，但是它們令人驚訝地易於磨快，因此使顆粒化裝置的重新啟動操作加速。通過使保持在轉動中的刀具受到朝向模具板的表面的推力來進行磨快，推力大於每個刀具0.5N，例如大於每個刀具1N，優選在20N與100N之間。另外，正如已知的那樣， 在將熔融聚合物供應給模具板之前進行的刀具磨快期間，對著模具板而被磨蝕的刀片必須被連續冷卻，以避免由於摩擦導致的過熱。也已經令人驚訝地找到一種方法來促進和加速根據本發明製備的刀具的磨快過程。該方法包括在相對於在顆粒化階段中採用的冷卻值而言，在磨快階段中減小刀片的冷卻值。在噴水型制粒機中，或者更一般地，在氣體的體積分數(volume fraction)大於0. 6且低於1的制粒機中，可以藉助於減小制粒機中的水流，或者，更一般地，減小矢量流體(vector fluid)而應用該方法。同樣的方法可以用於水下制粒機，或者可以引入氣體流以便減小液體分數 (liquid fraction)從而減少熱傳遞。
根據本發明，相對於在聚合物的顆粒化期間一般使用的流體流量(flow rate)而言，用於這些制粒機的最佳流減小的範圍是從1 2至1 100。為了最大化磨快速率，還可以使熱傳遞周期性地或者連續地變化。這可以通過以規則的時間間隔在兩個固定值之間改變冷卻流體流量來實現。所述流量可以例如以30秒的規則時間間隔在參考流量與所述值的1 20之間變化。根據作為本發明目的的另一個操作程序，可以通過以預定的時間間隔周期性中斷冷卻流，來實現熱傳遞中的所述變化。例如，冷卻流體可以被引向刀具50秒，然後被中斷或者被挪到另一處10秒。重複持續60秒的周期直到已經完成磨快。如果要磨快的刀具具有在與模具板表面接觸時使接觸表面極度減小的一種幾何形狀，則可獲得磨快時間的進一步減小。可以通過確保刀片的底部傾側角(bottom heel angle)(即模具板表面與面對所述表面的刀具側之間的角度)不為零來獲得此效果。刀片的底部傾側角優選的範圍是從2 至 45°。有利地是，切割角度(即在頂部與底部傾側角之間形成的角度)小於90°，優選在 5°與70°之間。


圖1示出作為回火溫度的函數的、涉及作為本發明目的的刀具的洛氏C級硬度；而圖2示出作為本發明的例子的、用於熱塑性聚合物的顆粒化的一對刀具的前視圖和側視圖。藉助於通過孔23和M的兩個螺栓將刀具固定到刀具保持器轂座上。對切割刀片的厚度21和切割刀片的長度22進行調節以確保適當的刀片彈性，以便使刀片對切割表面的貼附得以最優化。圖3是剖視圖，示出刀具刀片在模具板表面上的接觸。參考該圖，32是底部傾側角；33是頂部傾側角；而31是切割角度。與切割表面相關的刀具位置在圖4中示出(在圖中，為了簡單起見，未顯示刀具保持器轂座)。
具體實施例方式下文將參考所附的非限制性示例，更好地描述作為本發明目的的具有高抗磨性的制粒機刀片，以及它們在切割處於熔融狀態中的熱塑性聚合物中的使用。示例 IA對由Bohler-Uddeholm生產的Vanadis-IO材料製成的鋼板(sheet)進行處理以獲得具有圖2中所示形狀的刀具。處理之前和之後測量的硬度分別等於58和56洛氏C級硬度。將保持分開的刀具插入注有氮氣流的馬弗爐(muffle)中。將馬弗爐(muffle kiln)接通並以10°C /分鐘的速率加熱上至500°C，然後以2°C—分鐘加熱上至預先指定的回火溫度，該回火溫度等於620°C。該溫度保持恆定三小時，然後關掉馬弗爐並且留下刀具緩慢冷卻(以大約5°C每分鐘)。當溫度達到400°C時取出刀具並且留在平靜大氣中冷卻直至達到室溫。熱處理之後測量的硬度是44. 5洛氏C級硬度。
刀具裝配在制粒機的轂座上並在這些條件下磨快轉動速率1，500rpm ；在垂直於模具板表面的方向上作用在每個刀具上的力大約等於80N ；通過噴水冷卻(基於噴嘴中水的橫截面計算出的總水流量8001/h ；速度15m/s)，在氮保護氣氛中噴霧。磨快的持續時間等於120分鐘，並且0. 1毫米被腐蝕。這樣磨快的刀具在下列條件下用於可膨脹熱塑性聚苯乙烯(平均分子重量MW等於180，000克/摩爾，含有5%的重量，這是與正戊烷和異戊烷分別為75 25的混合物的可膨脹聚合物的總重量相關地計算出的)的顆粒化轉動速率1，500rpm ；在垂直於模具板表面的方向上作用在每個刀具上的力大約等於60N ；通過噴水冷卻(基於噴嘴中水的橫截面計算出的總水流量l，6001/h ；速度30m/s)，在氮保護氣氛中噴霧。可膨脹聚合物均勻分布在模具板中並且穿過一系列直徑為0. 7mm的孔。藉助於測微計測量磨損，測微計測量將刀具鋼性固定於其上的轂座的位置。如果是在磨快階段中，則基於每隔30分鐘記錄的位置變化來計算磨損率；或者，在顆粒化階段中，基於每隔5小時記錄的位置變化來計算磨損率。表2表明在磨快階段中和在顆粒化階段中獲得的顆粒化質量和記錄的最小和最大磨損率。比較示例IB和IC對來自同一鋼板但無任何熱回火的刀具，重複示例1A。構造刀具之後用洛氏C級硬度表示的所得硬度在表1中表示。獲得的切割質量在表2中給出。示例1D-1G對來自同一鋼板但以不同溫度熱回火的刀具重複示例1A。用洛氏C級硬度表示的所得硬度在表1中表示。隨後的表2給出在磨快階段中和在顆粒化階段中獲得的顆粒化質量和記錄的最小和最大磨損率。表 權利要求
1.用冷加工工具鋼製成的刀具，該刀具具有的硬度低於65洛氏C級硬度，在用於熱塑性聚合物的制粒機中使用，在安裝到所述制粒機上之前，所述刀具受到熱處理，這種熱處理包括將所述刀具加熱到500與700°C之間的溫度多於5分鐘的時間然後使所述刀具逐漸冷卻。
2.根據權利要求1所述的刀具，其中所述加熱時間高於20分鐘。
3.根據權利要求1或2所述的刀具，其中冷卻以等於或者低於15°C/分鐘的速率發生。
4.根據權利要求1、2或3所述的刀具，其特徵在於，在刀片與模具板的表面之間的底部傾側角在2°與45°之間的範圍內。
5.根據上述權利要求的任一項所述的刀具，所述刀具由萊氏體工具鋼製成。
6.根據上述權利要求的任一項所述的刀具，其中所述萊氏體鋼包括鉻、鉬和釩。
7.根據權利要求6所述的刀具，其中所述鋼包括3-12%的釩，4-12%的鉻和的鉬。
8.用於磨快根據權利要求1-7的任一項所述的刀具的方法，所述方法包括將所述刀具安裝到所述制粒機的轂座中，使所述刀具進行轉動，使所述刀具受到朝向所述模具板的表面的推力，該推力高於每個刀具0. 5N，並且同時通過熱塑性液體的循環而保持冷卻步驟，其中這種熱塑性液體的流量是周期性變化的。
9.根據權利要求8所述的方法，其中含在所述制粒機腔體中的流體既有氣體也有液體，並且其中氣體的體積分數大於0. 6且低於1。
全文摘要
由冷加工工具鋼製成的具有高抗磨性的制粒機刀片，優選具有高的釩含量，並且在加工之後以從500℃至700℃範圍的溫度進行熱處理。通過在適當的操作條件下對著模具板的表面磨蝕刀片來實現刀片的磨快。
文檔編號C21D1/84GK102264920SQ200980151740
公開日2011年11月30日 申請日期2009年10月29日 優先權日2008年11月7日
發明者A·卡薩利尼, R·費利薩裡 申請人:波利瑪利歐洲股份公司