專利名稱：具有高抗磨性的制粒機刀片及其磨快方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高抗磨性的制粒機刀片和相關(guān)的磨快方法。作為本發(fā)明目的的刀片可以在用于熱塑性聚合物的制粒機(granulator)中使用，例如水環(huán)、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(yīng)用本發(fā)明的熱塑性聚合物。更具體地說，可以將本發(fā)明應(yīng)用于聚苯乙烯、可膨脹的聚苯乙烯及其混合物(alloy)的顆粒化(granulation)。應(yīng)該將文中規(guī)定的所有條件視為優(yōu)選的，即使未明確指出。
背景技術(shù)：
可以通過使熔融狀態(tài)下的熱塑性聚合物通過位于模具板(die plate)中的一系列孔，之后借助于專用裝置切割仍處于熔融狀態(tài)中的聚合物來實現(xiàn)對它們的切割。通過使用連續(xù)轉(zhuǎn)動的并且?guī)в信c模具板的表面對應(yīng)的切割刀片的一系列刀具來實現(xiàn)切割。這樣獲得的顆粒借助于熱量調(diào)節(jié)器流體被冷卻并且移除。用于聚合物的顆?；牟煌到y(tǒng)使用上述技術(shù)。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(shù)、水下和水環(huán)技術(shù)是特別重要的。這些和其他技術(shù)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(yīng)用中，顆?；赡艽嬖趩栴}。尤其是，要解決的一個困難是獲得持久的切割系統(tǒng)，即，能夠降低替換刀具的頻率。刀具的持續(xù)時間(duration)嚴格依賴于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(jīng)開發(fā)出各種技術(shù)解決方案來獲得足夠的可靠性，以及高切割質(zhì)量(例如不存在廢料和不產(chǎn)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(guān)的刀具保持器轂座 (hub)，使得刀具關(guān)于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(diào)節(jié)顆粒的冷卻速率，熱矢量流體僅占據(jù)制粒機的容積的一部分，制粒機的容積的剩余部分被氣體占據(jù)。這樣，顆?；馁|(zhì)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(zhuǎn)動刀具的特定構(gòu)造和相關(guān)的支承結(jié)構(gòu)，該支承結(jié)構(gòu)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示出用于熱塑性聚合物的顆?；奶厥庋b備，配備有用于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描述了一種用于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、還通過確保用于獲得良好的顆粒質(zhì)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于模具板的表面，以便確保良好的切割質(zhì)量。該壓力與高轉(zhuǎn)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(xù)實現(xiàn)的，并且因而維修停產(chǎn)意味著工廠生產(chǎn)能力的降低。當采用含有無機添加劑(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(yīng)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?；那闆r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(jié)果，這個高貼附通過磨耗造成高磨損。制造切割刀具的材料對于限制它們的磨損和對于聚合物的正確和持久的顆?；?br> 而言是至關(guān)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(xù)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(shù))由更硬的材料制成就足夠了，因為當圍繞軸轉(zhuǎn)動刀具時，至少一部分刀片總是與所述更硬的材料接觸。最廣泛用于這些應(yīng)用的刀具的材料是冷加工工具鋼。例如確保高體積穩(wěn)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)，例如高于50HRC。然而，尤其是在上述應(yīng)用中，用這些材料制成的刀具也要經(jīng)受用于工業(yè)使用的相當高的磨損?？捎糜谏a(chǎn)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?shù)目鼓バ?，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(zhì)量的顆粒化，這是由于刀片過硬和由此所導(dǎo)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(tǒng)也是十分重要的。刀具通常借助于適當?shù)南到y(tǒng)推壓模具板表面，例如確保在轂座上(刀具剛性應(yīng)用在轂座上)的預(yù)定推力的油動態(tài)系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)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，由于轉(zhuǎn)動系統(tǒng)引起的振動的緣故、和由于聚合物推力 (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，刀具會退回并且顆?；瘑适滟|(zhì)量或變得不可能。在本文檔的全部中，應(yīng)該將術(shù)語“剪切質(zhì)量”和“顆?；|(zhì)量”視為等價的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)在權(quán)利要求中描述的本發(fā)明，用于刀具的材料是具有高抗磨性的鋼。材料優(yōu)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(yōu)選地是，材料是基于鉻、鉬和釩的合金鋼。這些材料的優(yōu)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%的硅。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(chǎn)的 Vanadis~4 Extra, Vanadis~6 禾口 Vanadis-lO。有時使用由這類鋼制成的刀具不能獲得令人滿意的顆?；?，除非利用作為本發(fā)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(xù)時間但降低了切割質(zhì)量。反之，更軟的刀具提供高的切割質(zhì)量但是對持續(xù)時間不利。作為本發(fā)明目的的刀具在裝配到切割系統(tǒng)上之前有利地經(jīng)過熱處理。熱處理包括將刀具加熱到從500°C至700°C，更優(yōu)選地是從550°C至650°C的溫度范圍的步驟。將刀具保持在這個溫度大于5分鐘的時間，更通常地是大于20分鐘的時間，例如從35至250分鐘，然后緩慢冷卻，直到溫度等于或低于500°C，例如平均冷卻速率等于或低于15°C /分鐘，例如上至450°C，更優(yōu)選地是低于10°C每分鐘。經(jīng)過熱處理的刀具的硬度一般低于未經(jīng)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，盡管硬度減小和即使應(yīng)用在以更高表面硬度(例如從10洛氏C級硬度開始的)為特征的模具板上，根據(jù)該程序制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(zhì)量，同時使刀具維持相當大的壽命延長。另外，使用根據(jù)在本發(fā)明中描述的方法制備的刀具能夠獲得在替換相同刀具之后，對顆?；b置的重新啟動操作的簡化，如下所述。已知為了獲得高質(zhì)量顆?；?，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(jié)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?；蛘呖膳蛎浘酆衔锴懈畹哪承┣闆r下，該固定程序不足以獲得足夠的切割質(zhì)量。在這些情況下，在通過轉(zhuǎn)動刀具產(chǎn)生的表面與模具板之間的甚至更高的對應(yīng)實際上是必需的。可以借助于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(yīng)。用例如由Bohler生產(chǎn)的KlOO的鋼制成的傳統(tǒng)刀具具有低抗磨性，因此它們易于抵著模具板表面被磨蝕并因此易于磨快。同時，刀具的壽命是適中的。使用具有更高抗磨性的鋼產(chǎn)生顯著的持續(xù)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(fā)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于磨快，因此使顆?；b置的重新啟動操作加速。通過使保持在轉(zhuǎn)動中的刀具受到朝向模具板的表面的推力來進行磨快，推力大于每個刀具0.5N，例如大于每個刀具1N，優(yōu)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(yīng)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(xù)冷卻，以避免由于摩擦導(dǎo)致的過熱。也已經(jīng)令人驚訝地找到一種方法來促進和加速根據(jù)本發(fā)明制備的刀具的磨快過程。該方法包括在相對于在顆粒化階段中采用的冷卻值而言，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(shù)(volume fraction)大于0. 6且低于1的制粒機中，可以借助于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(yīng)用該方法。同樣的方法可以用于水下制粒機，或者可以引入氣體流以便減小液體分數(shù) (liquid fraction)從而減少熱傳遞。
根據(jù)本發(fā)明，相對于在聚合物的顆粒化期間一般使用的流體流量(flow rate)而言，用于這些制粒機的最佳流減小的范圍是從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(xù)地變化。這可以通過以規(guī)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(xiàn)。所述流量可以例如以30秒的規(guī)則時間間隔在參考流量與所述值的1 20之間變化。根據(jù)作為本發(fā)明目的的另一個操作程序，可以通過以預(yù)定的時間間隔周期性中斷冷卻流，來實現(xiàn)熱傳遞中的所述變化。例如，冷卻流體可以被引向刀具50秒，然后被中斷或者被挪到另一處10秒。重復(fù)持續(xù)60秒的周期直到已經(jīng)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?？梢酝ㄟ^確保刀片的底部傾側(cè)角(bottom heel angle)(即模具板表面與面對所述表面的刀具側(cè)之間的角度)不為零來獲得此效果。刀片的底部傾側(cè)角優(yōu)選的范圍是從2 至 45°。有利地是，切割角度(即在頂部與底部傾側(cè)角之間形成的角度)小于90°，優(yōu)選在 5°與70°之間。


圖1示出作為回火溫度的函數(shù)的、涉及作為本發(fā)明目的的刀具的洛氏C級硬度；而圖2示出作為本發(fā)明的例子的、用于熱塑性聚合物的顆?；囊粚Φ毒叩那耙晥D和側(cè)視圖。借助于通過孔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(diào)節(jié)以確保適當?shù)牡镀瑥椥?，以便使刀片對切割表面的貼附得以最優(yōu)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(cè)角；33是頂部傾側(cè)角；而31是切割角度。與切割表面相關(guān)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(fā)明目的的具有高抗磨性的制粒機刀片，以及它們在切割處于熔融狀態(tài)中的熱塑性聚合物中的使用。示例 IA對由Bohler-Uddeholm生產(chǎn)的Vanadis-IO材料制成的鋼板(sheet)進行處理以獲得具有圖2中所示形狀的刀具。處理之前和之后測量的硬度分別等于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)接通并以10°C /分鐘的速率加熱上至500°C，然后以2°C—分鐘加熱上至預(yù)先指定的回火溫度，該回火溫度等于620°C。該溫度保持恒定三小時，然后關(guān)掉馬弗爐并且留下刀具緩慢冷卻(以大約5°C每分鐘)。當溫度達到400°C時取出刀具并且留在平靜大氣中冷卻直至達到室溫。熱處理之后測量的硬度是44. 5洛氏C級硬度。
刀具裝配在制粒機的轂座上并在這些條件下磨快轉(zhuǎn)動速率1，500rpm ；在垂直于模具板表面的方向上作用在每個刀具上的力大約等于80N ；通過噴水冷卻(基于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(xù)時間等于120分鐘，并且0. 1毫米被腐蝕。這樣磨快的刀具在下列條件下用于可膨脹熱塑性聚苯乙烯(平均分子重量MW等于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(guān)地計算出的)的顆粒化轉(zhuǎn)動速率1，500rpm ；在垂直于模具板表面的方向上作用在每個刀具上的力大約等于60N ；通過噴水冷卻(基于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并且穿過一系列直徑為0. 7mm的孔。借助于測微計測量磨損，測微計測量將刀具鋼性固定于其上的轂座的位置。如果是在磨快階段中，則基于每隔30分鐘記錄的位置變化來計算磨損率；或者，在顆?；A段中，基于每隔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?；|(zhì)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，重復(fù)示例1A。構(gòu)造刀具之后用洛氏C級硬度表示的所得硬度在表1中表示。獲得的切割質(zhì)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復(fù)示例1A。用洛氏C級硬度表示的所得硬度在表1中表示。隨后的表2給出在磨快階段中和在顆?；A段中獲得的顆?；|(zhì)量和記錄的最小和最大磨損率。表 權(quán)利要求
1.用冷加工工具鋼制成的刀具，該刀具具有的硬度低于65洛氏C級硬度，在用于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之間的溫度多于5分鐘的時間然后使所述刀具逐漸冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具，其中所述加熱時間高于20分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的刀具，其中冷卻以等于或者低于15°C/分鐘的速率發(fā)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的刀具，其特征在于，在刀片與模具板的表面之間的底部傾側(cè)角在2°與45°之間的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求的任一項所述的刀具，所述刀具由萊氏體工具鋼制成。
6.根據(jù)上述權(quán)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(jù)權(quán)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.用于磨快根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)動，使所述刀具受到朝向所述模具板的表面的推力，該推力高于每個刀具0. 5N，并且同時通過熱塑性液體的循環(huán)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(jù)權(quán)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，并且其中氣體的體積分數(shù)大于0. 6且低于1。
全文摘要
由冷加工工具鋼制成的具有高抗磨性的制粒機刀片，優(yōu)選具有高的釩含量，并且在加工之后以從500℃至700℃范圍的溫度進行熱處理。通過在適當?shù)牟僮鳁l件下對著模具板的表面磨蝕刀片來實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者A·卡薩利尼, R·費利薩里 申請人:波利瑪利歐洲股份公司