CN102264920A - 具有高抗磨性的制粒机刀片及其磨快方法 - Google Patents

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Abstract

由冷加工工具钢制成的具有高抗磨性的制粒机刀片，优选具有高的钒含量，并且在加工之后以从500℃至700℃范围的温度进行热处理。通过在适当的操作条件下对着模具板的表面磨蚀刀片来实现刀片的磨快。

Description

具有高抗磨性的制粒机刀片及其磨快方法
技术领域
本发明涉及具有高抗磨性的制粒机刀片和相关的磨快方法。
作为本发明目的的刀片可以在用于热塑性聚合物的制粒机(granulator)中使用，例如水环、水下和喷水型制粒机。
乙烯基和乙烯芳烃(vinyl aromatic)聚合物，可选地是可膨胀的，都是可以应用本发明的热塑性聚合物。更具体地说，可以将本发明应用于聚苯乙烯、可膨胀的聚苯乙烯及其混合物(alloy)的颗粒化(granulation)。
应该将文中规定的所有条件视为优选的，即使未明确指出。
背景技术
可以通过使熔融状态下的热塑性聚合物通过位于模具板(die plate)中的一系列孔，之后借助于专用装置切割仍处于熔融状态中的聚合物来实现对它们的切割。
通过使用连续转动的并且带有与模具板的表面对应的切割刀片的一系列刀具来实现切割。
这样获得的颗粒借助于热量调节器流体被冷却并且移除。
用于聚合物的颗粒化的不同系统使用上述技术。在它们当中，如专利WO 03/053650中描述的喷水型聚合物切割技术、水下和水环技术是特别重要的。这些和其他技术在许多专利或者专利申请中示出，在这些专利或者专利申请当中有US 4,752,196；WO 03/106544；WO 03/053650；WO 2007/087001；WO 2007/089497。
然而，在某些应用中，颗粒化可能存在问题。尤其是，要解决的一个困难是获得持久的切割系统，即，能够降低替换刀具的频率。刀具的持续时间(duration)严格依赖于由与模具板的摩擦和由对聚合物相同的切割操作造成的刀具的磨损率。
已经开发出各种技术解决方案来获得足够的可靠性，以及高切割质量(例如不存在废料和不产生聚合物粉末)。
专利申请WO 2007/089497描述了特定的刀具几何形状和相关的刀具保持器毂座(hub)，使得刀具关于模具板的表面几乎垂直。该几何形状使熔融聚合物的边沿(bead)与刀具的表面能够更好地分离。
专利申请WO 03/053650描述了一种喷水型切割方法，该方法允许通过使用热矢量流体的喷雾来调节颗粒的冷却速率，热矢量流体仅占据制粒机的容积的一部分，制粒机的容积的剩余部分被气体占据。这样，颗粒化的质量和孔变得阻塞的趋势二者都得到控制。
专利申请US 2005/0126015描述了转动刀具的特定构造和相关的支承结构，该支承结构能够确保减小摩擦。这能够使得刀具的振动和加热被最小化。
专利US 7,296,985示出用于热塑性聚合物的颗粒化的特殊装备，配备有用于在能够轴向移动的轴与刀具保持器毂座之间传递扭矩的装置。
专利申请WO 2007/087001描述了一种用于热塑性树脂的制粒机的启动方法。通过使用特殊的模具板，该方法能够通过避免可能阻塞模具板的孔的过度冷却、还通过确保用于获得良好的颗粒质量的足够冷却两者来开始制粒。
通常在压力下将刀具保持抵接于模具板的表面，以便确保良好的切割质量。该压力与高转动速率一起造成上述刀具的高磨损。该磨损是对工厂的重要制约，在这些工厂中，颗粒化通常是连续实现的，并且因而维修停产意味着工厂生产能力的降低。
当采用含有无机添加剂(该添加剂具有相当大硬度、或者具有高浓度，或者二者兼具)的聚合物树脂时，这种磨损会更加显著。在专利US6,340,713和EP 1514895中描述了这些应用的示例。
在切割例如可膨胀树脂的更加流动的树脂、和在微型颗粒化的情况下，磨损尤其严重。实际上，在这些条件下，必须确保刀具对制粒机的表面的贴附(adherence)最大化。作为结果，这个高贴附通过磨耗造成高磨损。
制造切割刀具的材料对于限制它们的磨损和对于聚合物的正确和持久的颗粒化而言是至关重要的。
正如已知的那样，使用极硬的材料能够使刀片的寿命持续时间增大。因此模具板的表面必须比刀片更硬从而使刀片首先被磨损。可选地，仅仅一部分模具板表面(即使是少数)由更硬的材料制成就足够了，因为当围绕轴转动刀具时，至少一部分刀片总是与所述更硬的材料接触。
最广泛用于这些应用的刀具的材料是冷加工工具钢。例如确保高体积稳定性(dimensional stability)的Bohler-Uddeholm的K100型的一些冷加工工具钢具有足够的弹性和相当大的硬度(洛氏)，例如高于50HRC。
然而，尤其是在上述应用中，用这些材料制成的刀具也要经受用于工业使用的相当高的磨损。
可用于生产刀具刀片的材料的另一个示例的代表是莱氏体钢。虽然这些钢具有适当的抗磨性，但是它们在磨快阶段(sharpening phase)中具有有限的加工性能(processability)。另外，相当大的硬度将会使得难以进行高质量的颗粒化，这是由于刀片过硬和由此所导致的刀片对模具板的表面的贴附度降低。
除了材料之外，对刀具在模具板上的推压力(thrust pressure)的控制系统也是十分重要的。刀具通常借助于适当的系统推压模具板表面，例如确保在毂座上(刀具刚性应用在毂座上)的预定推力的油动态系统。
在这些系统中，可以通过减小作用在刀具上的压力来控制磨损。然而，该操作将会是危险的。以这种方式，实际上，由于转动系统引起的振动的缘故、和由于聚合物推力(thrust)的缘故，可能不再保证刀具在切割表面上的接触。当不存在支承时，刀具会退回并且颗粒化丧失其质量或变得不可能。
在本文档的全部中，应该将术语“剪切质量”和“颗粒化质量”视为等价的。
发明内容
根据在权利要求中描述的本发明，用于刀具的材料是具有高抗磨性的钢。材料优选为可以通过粉末冶金获得的例如莱氏体钢的冷加工工具钢。
甚至更优选地是，材料是基于铬、钼和钒的合金钢。
这些材料的优选示例包括(以重量计)：1-4％的碳，4-12％的铬，1-5％的钼，0-0.7％的锰，3-12％的钒和0-1.5％的硅。
这些材料的示例是在美国专利7,297,177、6,818,040和6,348,109中描述的由Bohler-Uddeholm生产的Vanadis-4 Extra，Vanadis-6和Vanadis-10。
有时使用由这类钢制成的刀具不能获得令人满意的颗粒化，除非利用作为本发明目的的特殊程序。
实际上，如上所述，使用高硬度钢提高了持续时间但降低了切割质量。反之，更软的刀具提供高的切割质量但是对持续时间不利。
作为本发明目的的刀具在装配到切割系统上之前有利地经过热处理。热处理包括将刀具加热到从500℃至700℃，更优选地是从550℃至650℃的温度范围的步骤。
将刀具保持在这个温度大于5分钟的时间，更通常地是大于20分钟的时间，例如从35至250分钟，然后缓慢冷却，直到温度等于或低于500℃，例如平均冷却速率等于或低于15℃/分钟，例如上至450℃，更优选地是低于10℃每分钟。
经过热处理的刀具的硬度一般低于未经处理的刀具。硬度的减小通常是从2至20洛氏C级硬度(Rockwell degrees，scale C)。
令人惊讶的是，尽管硬度减小和即使应用在以更高表面硬度(例如从10洛氏C级硬度开始的)为特征的模具板上，根据该程序制备的刀具仍是非常抗磨的。这在制粒机运行期间能够获得提高的颗粒化质量，同时使刀具维持相当大的寿命延长。
另外，使用根据在本发明中描述的方法制备的刀具能够获得在替换相同刀具之后，对颗粒化装置的重新启动操作的简化，如下所述。已知为了获得高质量颗粒化，必须确保对在模具板表面上的刀具的足够支承。为了获得该结果，通常将刀具固定到毂座上同时使刀具保持压靠在平坦、光滑的支承面上。然而，在例如微型颗粒或者可膨胀聚合物切割的某些情况下，该固定程序不足以获得足够的切割质量。
在这些情况下，在通过转动刀具产生的表面与模具板之间的甚至更高的对应实际上是必需的。可以借助于刀具抵着模具板表面被部分磨损的磨快操作来获得这个对应。
用例如由Bohler生产的K100的钢制成的传统刀具具有低抗磨性，因此它们易于抵着模具板表面被磨蚀并因此易于磨快。同时，刀具的寿命是适中的。
使用具有更高抗磨性的钢产生显著的持续时间增大，但是磨快一般是困难的，需要长时间和特殊的操作条件。虽然作为本发明目的的刀具维持相当大的抗磨耗性，但是它们令人惊讶地易于磨快，因此使颗粒化装置的重新启动操作加速。
通过使保持在转动中的刀具受到朝向模具板的表面的推力来进行磨快，推力大于每个刀具0.5N，例如大于每个刀具1N，优选在20N与100N之间。另外，正如已知的那样，在将熔融聚合物供应给模具板之前进行的刀具磨快期间，对着模具板而被磨蚀的刀片必须被连续冷却，以避免由于摩擦导致的过热。也已经令人惊讶地找到一种方法来促进和加速根据本发明制备的刀具的磨快过程。该方法包括在相对于在颗粒化阶段中采用的冷却值而言，在磨快阶段中减小刀片的冷却值。在喷水型制粒机中，或者更一般地，在气体的体积分数(volume fraction)大于0.6且低于1的制粒机中，可以借助于减小制粒机中的水流，或者，更一般地，减小矢量流体(vector fluid)而应用该方法。
同样的方法可以用于水下制粒机，或者可以引入气体流以便减小液体分数(liquid fraction)从而减少热传递。
根据本发明，相对于在聚合物的颗粒化期间一般使用的流体流量(flow rate)而言，用于这些制粒机的最佳流减小的范围是从1∶2至1∶100。
为了最大化磨快速率，还可以使热传递周期性地或者连续地变化。这可以通过以规则的时间间隔在两个固定值之间改变冷却流体流量来实现。所述流量可以例如以30秒的规则时间间隔在参考流量与所述值的1∶20之间变化。
根据作为本发明目的的另一个操作程序，可以通过以预定的时间间隔周期性中断冷却流，来实现热传递中的所述变化。例如，冷却流体可以被引向刀具50秒，然后被中断或者被挪到另一处10秒。重复持续60秒的周期直到已经完成磨快。
如果要磨快的刀具具有在与模具板表面接触时使接触表面极度减小的一种几何形状，则可获得磨快时间的进一步减小。
可以通过确保刀片的底部倾侧角(bottom heel angle)(即模具板表面与面对所述表面的刀具侧之间的角度)不为零来获得此效果。刀片的底部倾侧角优选的范围是从2至45°。
有利地是，切割角度(即在顶部与底部倾侧角之间形成的角度)小于90°，优选在5°与70°之间。
附图说明
图1示出作为回火温度的函数的、涉及作为本发明目的的刀具的洛氏C级硬度；而
图2示出作为本发明的例子的、用于热塑性聚合物的颗粒化的一对刀具的前视图和侧视图。借助于通过孔23和24的两个螺栓将刀具固定到刀具保持器毂座上。对切割刀片的厚度21和切割刀片的长度22进行调节以确保适当的刀片弹性，以便使刀片对切割表面的贴附得以最优化。
图3是剖视图，示出刀具刀片在模具板表面上的接触。参考该图，32是底部倾侧角；33是顶部倾侧角；而31是切割角度。
与切割表面相关的刀具位置在图4中示出(在图中，为了简单起见，未显示刀具保持器毂座)。
具体实施方式
下文将参考所附的非限制性示例，更好地描述作为本发明目的的具有高抗磨性的制粒机刀片，以及它们在切割处于熔融状态中的热塑性聚合物中的使用。
示例1A
对由Bohler-Uddeholm生产的Vanadis-10材料制成的钢板(sheet)进行处理以获得具有图2中所示形状的刀具。
处理之前和之后测量的硬度分别等于58和56洛氏C级硬度。
将保持分开的刀具插入注有氮气流的马弗炉(muffle)中。将马弗炉(muffle kiln)接通并以10℃/分钟的速率加热上至500℃，然后以2℃一分钟加热上至预先指定的回火温度，该回火温度等于620℃。该温度保持恒定三小时，然后关掉马弗炉并且留下刀具缓慢冷却(以大约5℃每分钟)。当温度达到400℃时取出刀具并且留在平静大气中冷却直至达到室温。热处理之后测量的硬度是44.5洛氏C级硬度。
刀具装配在制粒机的毂座上并在这些条件下磨快：转动速率1,500rpm；在垂直于模具板表面的方向上作用在每个刀具上的力大约等于80N；通过喷水冷却(基于喷嘴中水的横截面计算出的总水流量：800l/h；速度15m/s)，在氮保护气氛中喷雾。磨快的持续时间等于120分钟，并且0.1毫米被腐蚀。
这样磨快的刀具在下列条件下用于可膨胀热塑性聚苯乙烯(平均分子重量MW等于180,000克/摩尔，含有5％的重量，这是与正戊烷和异戊烷分别为75∶25的混合物的可膨胀聚合物的总重量相关地计算出的)的颗粒化：转动速率1,500rpm；在垂直于模具板表面的方向上作用在每个刀具上的力大约等于60N；通过喷水冷却(基于喷嘴中水的横截面计算出的总水流量：1,600l/h；速度30m/s)，在氮保护气氛中喷雾。可膨胀聚合物均匀分布在模具板中并且穿过一系列直径为0.7mm的孔。
借助于测微计测量磨损，测微计测量将刀具钢性固定于其上的毂座的位置。如果是在磨快阶段中，则基于每隔30分钟记录的位置变化来计算磨损率；或者，在颗粒化阶段中，基于每隔5小时记录的位置变化来计算磨损率。表2表明在磨快阶段中和在颗粒化阶段中获得的颗粒化质量和记录的最小和最大磨损率。
比较示例1B和1C
对来自同一钢板但无任何热回火的刀具，重复示例1A。构造刀具之后用洛氏C级硬度表示的所得硬度在表1中表示。获得的切割质量在表2中给出。
示例1D-1G
对来自同一钢板但以不同温度热回火的刀具重复示例1A。用洛氏C级硬度表示的所得硬度在表1中表示。随后的表2给出在磨快阶段中和在颗粒化阶段中获得的颗粒化质量和记录的最小和最大磨损率。
表1
  示例   温度(℃)  硬度(HRC)
  1A   620   44.5
  比较示例1B   -   58
  比较示例1C   -   56
  1D   560   51
  1E   600   49
  1F   610   47
  1G   575   50
  比较示例2   -   58
示例2
重复示例1A，但是在磨快期间，对冷却水的流量进行周期性调节，以便在完全流量(850l/h)和估计的喷雾速度为16m/s时，轮流使周期等于30秒和使周期为10秒，在周期等于10秒期间水流量减小到前述数值的1/8。磨快的持续时间等于60分钟。
比较示例2
对K-100材料制成的钢板进行处理以获得具有图2所示形状的刀具。
在这些处理之后测量的硬度等于58洛氏C级硬度。
刀具装配在制粒机的毂座上并且在这些条件下磨快：转动速率1,500rpm；在垂直于模具板表面的方向上作用在每个刀具上的力大约等于40N；通过以15m/s喷水进行冷却，在氮保护气氛中喷雾。磨快的持续时间等于60分钟。
比较示例3
重复比较示例2，但是使用K-110作为材料。在相同条件下进行磨快操作。
表2给出总体的抗磨数据和所获得的切割质量。
参考表2，根据本文描述的示例制备和使用的刀具在聚合物的颗粒化期间能够获得良好的切割质量，和适中的或者测量不出的(non-measured)磨损率。根据比较示例2和3制备和使用的刀具也显示出良好的颗粒化质量，但是显示出高磨损，这显著缩短其持续时间。根据比较示例1B和1C制备的刀具不能获得可接受的颗粒化。
表2
注释：
N.D.＝不能确定

Claims (9)

1.用冷加工工具钢制成的刀具，该刀具具有的硬度低于65洛氏C级硬度，在用于热塑性聚合物的制粒机中使用，在安装到所述制粒机上之前，所述刀具受到热处理，这种热处理包括将所述刀具加热到500与700℃之间的温度多于5分钟的时间然后使所述刀具逐渐冷却。
2.根据权利要求1所述的刀具，其中所述加热时间高于20分钟。
3.根据权利要求1或2所述的刀具，其中冷却以等于或者低于15℃/分钟的速率发生。
4.根据权利要求1、2或3所述的刀具，其特征在于，在刀片与模具板的表面之间的底部倾侧角在2°与45°之间的范围内。
5.根据上述权利要求的任一项所述的刀具，所述刀具由莱氏体工具钢制成。
6.根据上述权利要求的任一项所述的刀具，其中所述莱氏体钢包括铬、钼和钒。
7.根据权利要求6所述的刀具，其中所述钢包括3-12％的钒，4-12％的铬和1-5％的钼。
8.用于磨快根据权利要求1-7的任一项所述的刀具的方法，所述方法包括将所述刀具安装到所述制粒机的毂座中，使所述刀具进行转动，使所述刀具受到朝向所述模具板的表面的推力，该推力高于每个刀具0.5N，并且同时通过热塑性液体的循环而保持冷却步骤，其中这种热塑性液体的流量是周期性变化的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中含在所述制粒机腔体中的流体既有气体也有液体，并且其中气体的体积分数大于0.6且低于1。
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