靜電噴涂粉末輸送方式綜述

金海陸*，楊玉敏，李慶軍，許永攀，徐曉欣

（天津七所高科技有限公司，天津 300402）

靜電噴涂粉末輸送方式綜述

金海陸*，楊玉敏，李慶軍，許永攀，徐曉欣

（天津七所高科技有限公司，天津 300402）

對(duì)目前靜電噴涂系統(tǒng)中主要的粉末氣力輸送方式和技術(shù)水平進(jìn)行了綜述，并對(duì)各種輸粉設(shè)備的原理、性能參數(shù)、影響因素進(jìn)行了分析。

靜電噴涂；粉末；氣力輸送；性能評(píng)價(jià)；影響因素

粉末輸送是噴涂系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，選擇并維護(hù)好合適的粉末輸送設(shè)備成為噴粉系統(tǒng)能否正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素之一[1]。目前氣力輸送是實(shí)現(xiàn)噴涂粉末輸送的唯一方式，以物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來劃分，氣力輸送可分為稀相輸送和密相輸送。靜電噴涂粉末自身的特性決定了它不僅能實(shí)現(xiàn)稀相輸送，也能實(shí)現(xiàn)密相輸送[2]?，F(xiàn)階段對(duì)氣力輸送的研究和介紹多集中在理論模型建立和大宗遠(yuǎn)距離物料的輸送設(shè)備上[3-4]，而靜電噴涂系統(tǒng)中輸送距離20 m以內(nèi)、輸送量在5 kg/min以內(nèi)的粉末輸送設(shè)備鮮見報(bào)道。

靜電噴涂系統(tǒng)中粉末輸送設(shè)備主要用來完成供給噴槍噴涂和粉末添加兩方面功能。本文根據(jù)這兩種不同的功能進(jìn)行分類，逐一介紹和分析。

1 供給噴槍噴涂的粉末輸送設(shè)備

噴槍噴涂對(duì)輸送粉末設(shè)備要求較高，不僅要求輸送的粉末均勻，在粉管內(nèi)無明顯氣固分離現(xiàn)象，而且要求粉末流速和氣固比應(yīng)盡可能低。目前用于噴槍噴涂的粉末輸送設(shè)備樣式繁多，但根據(jù)其原理歸納起來可分為兩種──文丘里粉泵和DDF泵(Digital Density Feeding，即數(shù)字化高密度粉末輸送泵)。

1. 1 文丘里粉泵

如圖1所示，輸送空氣從主入口流入粉泵內(nèi)腔后，內(nèi)腔中會(huì)形成真空環(huán)境。真空使得粉桶內(nèi)被流化的粉末通過吸入管自動(dòng)流到粉泵里面，形成氣體和粉末的混合體。粉泵內(nèi)的傳輸空氣通過粉管把氣體和粉末混合體傳輸?shù)絿姌尅?/p>

文丘里粉泵的出粉量主要取決于輸送空氣壓力，輔助空氣壓力，粉管的直徑，粉末的質(zhì)量，粉管的長(zhǎng)度，噴槍和粉泵位置的高度差，噴嘴的類型，以及文丘里管的形狀。

根據(jù)氣體傳輸原理，粉末在一定直徑的管路中某一特定速度下傳輸效果最佳[5]。例如內(nèi)徑10 mm的粉管，大約3.5 m3/h；內(nèi)徑11 mm的粉管，大約4.5 m3/h；內(nèi)徑12 mm的粉管，大約5.5 m3/h。如果粉管內(nèi)總氣量低于最優(yōu)值，那么粉末傳輸可能變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生吐粉現(xiàn)象。為避免這一現(xiàn)象，粉管內(nèi)需加入補(bǔ)償空氣，以保證粉管內(nèi)總氣量(即主、輔進(jìn)氣的總和)處于最優(yōu)值左右。其實(shí)外部供氣量是足夠的，只是粉泵的主進(jìn)氣或輔進(jìn)氣的開口稍小，需要閉環(huán)調(diào)節(jié)。這就需要噴槍控制器能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)流量控制，以保證總氣量的恒定。

圖1 文丘里粉泵的工作原理Figure1 Work principle of Venturi powder injector

表1為不同狀況下粉泵的出粉量(表中所有數(shù)據(jù)為參考值，不同環(huán)境、不同磨損狀況、不同粉末類型都會(huì)使表中數(shù)據(jù)發(fā)生變化)。通過對(duì)比分析可以得出：當(dāng)其他外界條件一致時(shí)，粉管越長(zhǎng)或粉泵出口處阻力(其影響因素包括：粉管長(zhǎng)度、口徑，內(nèi)壁光滑度、彎曲程度，粉末、粉泵質(zhì)量和噴槍形式，實(shí)際工況中以出粉量來表征)越大，粉泵的出粉量越小。外部條件及總氣量(在粉管口徑一定的條件下要保持恒定)一定的情況下，在一定范圍內(nèi)主進(jìn)氣越大，出粉量越大，粉管內(nèi)流速越慢；輔進(jìn)氣越大，出粉量越小，粉管內(nèi)氣體流速越快。文丘里式粉泵輸送管道內(nèi)固氣比一般小于3，屬于稀相輸送。為減少輸粉過程中管道內(nèi)的堵塞，氣體的流速需大于粉末的沉降速度[6](一般文丘里噴粉泵的出口氣體流速為10 ～ 15 m/s)。由于輸送功率與氣體流速的平方成正比，輸送物料和輸送管道的摩擦損失與輸送速度的2 ～ 3次方成正比[7]，因此在實(shí)際工況中如需增大噴槍出粉量，可采用增大主進(jìn)氣、減少粉管長(zhǎng)度、減少粉管折彎、采用阻力較小的噴槍等措施，并盡可能降低輸送速度，提高固氣比。

表1 不同粉管內(nèi)徑及進(jìn)氣量下的粉泵出粉量Table 1 Powder outputs for different hose inside diameter at different air flow rates

1. 2 DDF泵

DDF的輸送管道內(nèi)固氣比可達(dá)30 ～ 70，屬于密相輸送方式，即粉末的流動(dòng)是靠氣體的動(dòng)壓或靜壓推動(dòng)[8]。目前DDF泵的實(shí)現(xiàn)形式主要有活塞式和密相閥式兩種，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)原理上相似。

活塞泵式如圖2所示，使其中一組活塞在往返的運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生真空，以便從粉桶吸取粉末至活塞裝置內(nèi)的傳送腔，同時(shí)利用另一組活塞粉泵裝置把之前已吸取的粉末從傳送腔輸送到噴槍上。這個(gè)吸取及輸送工作分別在兩組活塞中交叉地進(jìn)行。兩組活塞粉泵裝置交替工作，粉末便會(huì)穩(wěn)定地從粉箱中被吸取及輸送給噴槍。通過數(shù)字化控制兩組活塞的往返速度，便可得到所需的精準(zhǔn)出粉量。

密相閥式如圖3所示，抽氣口保持交替抽真空，4個(gè)密相閥中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)保持打開狀態(tài)，這樣抽吸力便通過相應(yīng)打開的其中一個(gè)密相閥將粉末從粉桶抽進(jìn)傳送腔，同時(shí)反吹氣將之前已吸入的粉末通過另一個(gè)打開的密相閥輸送到噴槍上。這種吸取和輸送工作分別在兩組密相閥中交替進(jìn)行，以保證噴涂粉末的連續(xù)性。

圖2 活塞式DDF泵Figure2 Piston DDF injector

圖3 密相閥式DDF泵Figure3 Dense-phase DDF injector

密相閥式DDF泵造價(jià)低，維護(hù)方便，日漸成為市場(chǎng)主流。DDF泵較文丘里粉泵具有以下優(yōu)勢(shì)：(1) 長(zhǎng)期穩(wěn)定供粉。

長(zhǎng)期穩(wěn)定的粉末輸送對(duì)批量生產(chǎn)時(shí)涂層的質(zhì)量穩(wěn)定性和成本控制有著直接影響。DDF粉泵可以在35 m輸送距離內(nèi)，長(zhǎng)期準(zhǔn)確及穩(wěn)定地以50 ～ 300 g/min的輸送量供粉。而文丘里泵的輸送距離一般在20 m以內(nèi)，輸送量雖也是50 ～ 300 g/min，但易磨損，不能長(zhǎng)期穩(wěn)定供粉。

(2) 更高的上粉效率。

由于DDF粉泵的粉末輸送速率只有文丘里粉泵的1/4 ～ 1/3，因此其輸送粉末在靜電噴涂時(shí)可以有約3倍或更多的充電機(jī)會(huì)和更充分的帶電能力。同時(shí)由于靜電噴涂時(shí)粉末的噴出初速度較慢，因此相應(yīng)地提高了對(duì)工件的環(huán)抱效應(yīng)，減少了粉末的浪費(fèi)。

(3) 更高的粉末涂料利用率。

由于粉末的一次上粉率提高，減少了粉末在回收系統(tǒng)中的循環(huán)次數(shù)及粉末的磨損，因此粉末利用率較普通文丘里式粉泵可提升20%。

(4) 更穩(wěn)定的涂層外觀質(zhì)量。

由于DDF粉泵所用的粉管內(nèi)徑只有5.5 mm(目前應(yīng)用到實(shí)際工況中的只有一種，文丘里泵的工作原理與DDF泵不同，選用此種粉管會(huì)因?yàn)槌隹谧枇Υ蠖荒茌斔头勰?，因此在粉管內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)氣固分離狀態(tài)，這種粉泵對(duì)干混合型金屬粉的噴涂效果最佳。

(5) 維護(hù)簡(jiǎn)便。

DDF粉泵的粉末輸送速度只有4 m/s，減少了對(duì)粉管的沖刷磨損，也不會(huì)產(chǎn)生文丘里泵系統(tǒng)中常見的粉管結(jié)塊問題。另外換色清理時(shí)具有自動(dòng)反吹功能，清理簡(jiǎn)便。

(6) 更佳的死角上粉效果。

DDF粉泵的粉末輸送速度只有文丘里粉泵的1/4 ～ 1/3，在噴涂死角位時(shí)減弱了氣流反彈問題，因此噴涂的粉末能夠更多地滲透到死角位置[9]。

(7) 節(jié)省能源。

在輸送同等質(zhì)量的粉末時(shí)，DDF粉泵的耗氣量只有文丘里粉泵的1/2 ～ 1/3。

1. 3 總結(jié)

(1) 文丘里式粉泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，輸送距離短，受影響因素多，適用于對(duì)工件質(zhì)量無特殊要求和初期投資少的企業(yè)。

(2) DDF泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，但輸送距離長(zhǎng)，穩(wěn)定性高，適用于對(duì)工件表面要求高和自動(dòng)化程度較高的企業(yè)。

(3) 無論哪種粉泵都不同程度地存在輸粉管堵塞問題。解決此問題一方面需研發(fā)粘粉量少、導(dǎo)電性好、內(nèi)壁光滑的輸粉管，另一方面是建立簡(jiǎn)單快捷的監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及研究能夠自動(dòng)消除堵塞的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

(4) 供噴槍噴涂的粉泵朝向低耗氣量、高輸送密度、免維護(hù)和智能化方向發(fā)展。

2 粉末添加用設(shè)備

用于粉末添加的粉泵要求其輸送量大、耗氣量小、輸送濃度高。按其實(shí)現(xiàn)方式可分為文丘里式、泵吸式、雙密相閥擠壓式和密相輸送式。

2. 1 文丘里式粉泵

用于粉末添加的文丘里式粉泵與用于噴涂的文丘里式粉泵實(shí)現(xiàn)原理相同，故其影響因素相同，但因其要求輸送粉末的數(shù)量而不要求輸送粉末的均勻性，故其只設(shè)有主進(jìn)氣，不配備輔進(jìn)氣。圖6所示為文丘里式粉末添加粉泵，其性能參數(shù)如下：最大輸送距離10 m，最大輸送量2 kg，壓縮空氣消耗量12 Nm3/h。

圖4 文丘里式加粉泵Figure4 Venturi powder conveyor

2. 2 泵吸式粉泵

圖4所示為專門用于從粉箱內(nèi)向供粉桶添加粉末的泵吸式加粉裝置，其實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示：

(1) 控制系統(tǒng)控制密相閥的控制氣打開，使密相閥關(guān)閉，同時(shí)密相閥上端的單向閥被開啟，這時(shí)傳送腔內(nèi)空氣被排出；

(2) 控制氣關(guān)閉，密相閥打開，上端單向閥關(guān)閉，下端單向閥被打開，傳送腔內(nèi)形成局部真空，壓力差使得粉末從紙箱傳送到輸送腔；

(3) 控制氣開啟，密相閥關(guān)閉，其下端單向閥關(guān)閉，上端單向閥被開啟，這時(shí)粉末從傳送腔輸送到供粉箱；

(4) 控制氣關(guān)閉，密相閥開啟，上端單向閥關(guān)閉，下端單向閥被開啟，粉末被抽吸進(jìn)傳送腔；

(5) 重復(fù)以上步驟，完成粉末輸送。

圖5 泵吸式加粉裝置示意圖Figure5 Schematic diagram of suction powder conveyer

圖6 泵吸式實(shí)現(xiàn)原理Figure6 Work principle of suction powder conveyor

從以上過程可以得出影響泵吸式粉泵輸送量的因素為吸粉口阻力、密相泵輸送能力及控制頻率。在一定范圍內(nèi)，吸粉口處阻力越小、密相泵輸送能力越強(qiáng)、輸送頻率越快(輸送頻率要與密相泵的響應(yīng)時(shí)間及輸送能力相匹配)，其輸送量越大。

其性能參數(shù)如下：最大輸送距離3 m，最大輸送量1.2 kg，壓縮空氣消耗量3.2 Nm3/h。

2. 3 雙密相閥擠壓式粉泵

雙密相閥擠壓式回收裝置專門用于輸送回收粉末，其現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物如圖7所示，工作原理如圖8所示：

(1) 上氣控閥得電，密相閥1(QV1)打開，上輸送氣關(guān)閉，下氣控閥失電，密相閥2(QV2)關(guān)閉，下輸送氣打開，椎斗內(nèi)的粉末開始進(jìn)入粉末傳送腔內(nèi)；

(2) 上氣控閥失電，QV1關(guān)閉，椎斗內(nèi)粉末停止落入傳送腔；

(3) 上氣控閥失電，QV1關(guān)閉，上輸送氣打開，下氣控閥得電，QV2打開，下輸送氣保持打開，傳送腔內(nèi)粉末在上輸送氣和下輸送氣的作用下被輸送到供粉箱；

(4) 重復(fù)以上步驟即可實(shí)現(xiàn)回收粉末的連續(xù)輸送。

從以上過程可以得出影響雙密相閥擠壓式輸送量的因素為：密相泵輸送能力，上、下輸送氣壓力，以及輸送頻率。在一定范圍內(nèi)，輸送泵的能力越強(qiáng)、輸送頻率越快，其輸送量越大。輸送頻率要與輸送泵響應(yīng)時(shí)間、輸送能力相適應(yīng)。理論上在一定范圍內(nèi)，上、下輸送氣的壓力越大，輸送能力越強(qiáng)。但實(shí)際工況下，上、下輸送氣壓力過大不僅造成粉末進(jìn)口處氣體反流和輸送口處粉末四處外溢，而且造成設(shè)備磨損加劇和能源浪費(fèi)。根據(jù)靜電噴涂工況，現(xiàn)階段一般選用DN65的密相閥，上輸送氣壓力一般設(shè)為1 bar (即0.1 MPa)，下輸送氣為0.3 bar。

圖7 雙密相閥擠壓式粉泵Figure7 Powder conveyor with double pinch valves

圖8 雙密相閥式粉泵的工作原理Figure8 Work principle of powder conveyor with double pinch valves

雙密相閥擠壓式的性能參數(shù)為：最大輸送距離 12 m，最大輸送量2.5 kg，壓縮空氣消耗量4.5 Nm3/h。控制策略與輸粉量的關(guān)系見表2。

2. 4 密相輸送式粉泵

目前市場(chǎng)上密相輸送泵主要被國(guó)外三巨頭(即瓦格納、金馬、諾信)壟斷，國(guó)內(nèi)只有裕東和七所高科開發(fā)出類似產(chǎn)品。七所高科開發(fā)的密相輸送式粉泵如圖9所示。雖然各種品牌樣式不一，但其實(shí)現(xiàn)原理都與密相閥式DDF泵相似，如圖10所示。密相閥1打開，在粉末室1中產(chǎn)生的真空負(fù)壓將粉末吸入粉末室1中。粉末室的輸出端被密相閥2封閉。此時(shí)位于粉末室2的輸入端的密相閥3關(guān)閉，位于輸出端的密相閥4打開。粉末被通過高精度濾芯的壓縮空氣壓出粉末室2，并被連續(xù)輸送。抽吸和輸送在兩個(gè)粉末室之間交替進(jìn)行。

其性能參數(shù)為：最大輸送距離25 m，最大輸送量5 kg，輸送高度1.5 m，抽真空壓縮空氣消耗量12 Nm3/h，粉末輸送壓縮空氣消耗量4.5 Nm3/h。

2. 5 總結(jié)

(1) 泵吸式輸送距離短、輸送能力弱、造價(jià)中等，但消耗壓縮空氣少，故適用于用粉量少，但要求高的新粉添加。

(2) 文丘里式造價(jià)低廉，輸送能力和距離中等，但耗氣量大，適用于要求不高的新粉添加或粉末回收。

(3) 雙密相閥擠壓式的輸送能力和輸送距離能滿足大部分工況，且耗氣量少，但其造價(jià)稍高，故適用于對(duì)粉末回收要求較高的場(chǎng)合。

(4) 密相輸送式輸送能力最大，輸送距離最遠(yuǎn)，耗氣量中等，不受安裝位置限制，但其造價(jià)最高，適用于自動(dòng)化程度要求高或空間上有限制的場(chǎng)合。

(5) 根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理分析及實(shí)踐證明，除文丘里式輸粉泵，控制時(shí)間間隔及控制策略對(duì)其他輸粉泵的輸粉能力和輸粉效果影響較大，因此怎么實(shí)現(xiàn)輸粉量與送氣量合適的配比是實(shí)現(xiàn)密相輸送的關(guān)鍵。

(6) 由實(shí)現(xiàn)原理分析可知，密相輸送式是泵吸式或雙密相閥擠壓式組合創(chuàng)新的結(jié)果。因此在研發(fā)新的輸送設(shè)備時(shí)，一方面需注意原理創(chuàng)新，另一方面仍需在原有設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。

圖9 密相輸送泵Figure9 Dense-phase conveyor

圖10 密相輸送泵工作原理Figure10 Principle of dense-phase conveyor

3 結(jié)論

(1) 無論是用于噴槍噴涂還是粉末添加，粉末的輸送方式目前主要分兩種──文丘里式(其實(shí)現(xiàn)原理決定了它只能稀相輸送)和密相閥式。文丘里式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，但耗氣量大，易損件多，穩(wěn)定性稍差。密相閥式耗氣量少、輸送能力強(qiáng)、易損件少、穩(wěn)定性高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)稍高。

(2) 這兩種不同功能的粉末輸送設(shè)備在實(shí)現(xiàn)原理上相通，只是側(cè)重點(diǎn)不同。這就意味著對(duì)一種功能的輸送設(shè)備稍加改造就可實(shí)現(xiàn)另一種功能，這對(duì)研發(fā)新的輸送設(shè)備具有指導(dǎo)作用。例如對(duì)密相輸粉泵中的4個(gè)密相閥進(jìn)行小型化和位置調(diào)整就可變?yōu)槊芟嚅y式DDF泵。

(3) 影響文丘里式輸送能力的主要因素為主輸送氣量和管道阻力。影響密相閥式輸送能力的主要因素則是輸送頻率(即控制節(jié)拍，與輸送泵響應(yīng)時(shí)間及各控制部件時(shí)間間隔有關(guān))和管道阻力(與管道口徑、管道彎曲度、內(nèi)壁光滑程度有關(guān))。因此，減少管道阻力是提高輸送能力的重要途徑。

(4) 無論哪種粉末輸送方式都需創(chuàng)造條件產(chǎn)生負(fù)壓并利用壓縮空氣進(jìn)行粉末輸送，因此怎么利用較少的能源來產(chǎn)生更大的負(fù)壓和利用最少的壓縮氣體來輸送最多的粉末，是研發(fā)新輸送設(shè)備努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 南仁植. 粉末涂料與涂裝技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000: 225-226.

[2] 程克勤. 粉粒狀物料性能與其氣力輸送特性(續(xù)完)[J]. 硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程, 2005 (1): 11-17.

[3] 孟慶敏, 周云, 陳曉平, 等. 粉體密相氣力輸送研究綜述[J]. 鍋爐技術(shù), 2011, 42 (3): 1-5.

[4] 謝灼利, 張政. 氣力輸送的數(shù)值模擬研究[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 28 (1): 22-27.

[5] 連桂森, 凌理華. 氣力輸送的最佳速度與管徑計(jì)算[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1992, 26 (6): 661-668.

[6] 林朝扶, 容嚴(yán). 氣力輸灰系統(tǒng)堵管的分析與對(duì)策[J]. 電力環(huán)境保護(hù), 2003, 19 (1): 40-42.

[7] 李勇. 粉、粒狀固體物料氣力輸送技術(shù)[J]. 硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程, 2002 (5): 44-48.

[8] 胡鑄生. 密相氣力輸送粉料技術(shù)[J]. 涂料工業(yè), 1993 (2): 14-18.

[9] 葉敏偉. 新型粉末噴涂裝備[J]. 電鍍與涂飾, 2011, 30 (10): 73-75.

[ 編輯：溫靖邦 ]

Review on powder conveying methods for electrostatic spray coating

JIN Hai-lu*, YANG Yu-min, LI Qing-jun,

XU Yong-pan, XU Xiao-xin

Some powder conveying methods prevalently used in electrostatic spraying system and their technological levels at present were summarized. The principles, performance indexes and influential factors of power conveying equipments were analyzed.

electrostatic spraying; powder; pneumatic conveying; performance evaluation; influential factor

TQ639.3

B

1004 – 227X (2017) 06 – 0310 – 07

10.19289/j.1004-227x.2017.06.009

2016–08–01

2016–11–23

金海陸（1987–），男，河南人，碩士，工程師，從事靜電噴涂研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) jinhailu-gd@163.com。

First-author’s address:Tianjin 707 Hi-Tech Co., Ltd., Tianjin 300402, China