静电喷涂粉末输送方式综述

金海陆*，杨玉敏，李庆军，许永攀，徐晓欣

（天津七所高科技有限公司，天津 300402）

静电喷涂粉末输送方式综述

金海陆*，杨玉敏，李庆军，许永攀，徐晓欣

（天津七所高科技有限公司，天津 300402）

对目前静电喷涂系统中主要的粉末气力输送方式和技术水平进行了综述，并对各种输粉设备的原理、性能参数、影响因素进行了分析。

静电喷涂；粉末；气力输送；性能评价；影响因素

粉末输送是喷涂系统中至关重要的环节，选择并维护好合适的粉末输送设备成为喷粉系统能否正常连续运转的关键因素之一[1]。目前气力输送是实现喷涂粉末输送的唯一方式，以物料的运动状态来划分，气力输送可分为稀相输送和密相输送。静电喷涂粉末自身的特性决定了它不仅能实现稀相输送，也能实现密相输送[2]。现阶段对气力输送的研究和介绍多集中在理论模型建立和大宗远距离物料的输送设备上[3-4]，而静电喷涂系统中输送距离20 m以内、输送量在5 kg/min以内的粉末输送设备鲜见报道。

静电喷涂系统中粉末输送设备主要用来完成供给喷枪喷涂和粉末添加两方面功能。本文根据这两种不同的功能进行分类，逐一介绍和分析。

1 供给喷枪喷涂的粉末输送设备

喷枪喷涂对输送粉末设备要求较高，不仅要求输送的粉末均匀，在粉管内无明显气固分离现象，而且要求粉末流速和气固比应尽可能低。目前用于喷枪喷涂的粉末输送设备样式繁多，但根据其原理归纳起来可分为两种──文丘里粉泵和DDF泵(Digital Density Feeding，即数字化高密度粉末输送泵)。

1. 1 文丘里粉泵

如图1所示，输送空气从主入口流入粉泵内腔后，内腔中会形成真空环境。真空使得粉桶内被流化的粉末通过吸入管自动流到粉泵里面，形成气体和粉末的混合体。粉泵内的传输空气通过粉管把气体和粉末混合体传输到喷枪。

文丘里粉泵的出粉量主要取决于输送空气压力，辅助空气压力，粉管的直径，粉末的质量，粉管的长度，喷枪和粉泵位置的高度差，喷嘴的类型，以及文丘里管的形状。

根据气体传输原理，粉末在一定直径的管路中某一特定速度下传输效果最佳[5]。例如内径10 mm的粉管，大约3.5 m3/h；内径11 mm的粉管，大约4.5 m3/h；内径12 mm的粉管，大约5.5 m3/h。如果粉管内总气量低于最优值，那么粉末传输可能变得不稳定，产生吐粉现象。为避免这一现象，粉管内需加入补偿空气，以保证粉管内总气量(即主、辅进气的总和)处于最优值左右。其实外部供气量是足够的，只是粉泵的主进气或辅进气的开口稍小，需要闭环调节。这就需要喷枪控制器能实现自动闭环流量控制，以保证总气量的恒定。

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

表1为不同状况下粉泵的出粉量(表中所有数据为参考值，不同环境、不同磨损状况、不同粉末类型都会使表中数据发生变化)。通过对比分析可以得出：当其他外界条件一致时，粉管越长或粉泵出口处阻力(其影响因素包括：粉管长度、口径，内壁光滑度、弯曲程度，粉末、粉泵质量和喷枪形式，实际工况中以出粉量来表征)越大，粉泵的出粉量越小。外部条件及总气量(在粉管口径一定的条件下要保持恒定)一定的情况下，在一定范围内主进气越大，出粉量越大，粉管内流速越慢；辅进气越大，出粉量越小，粉管内气体流速越快。文丘里式粉泵输送管道内固气比一般小于3，属于稀相输送。为减少输粉过程中管道内的堵塞，气体的流速需大于粉末的沉降速度[6](一般文丘里喷粉泵的出口气体流速为10 ～ 15 m/s)。由于输送功率与气体流速的平方成正比，输送物料和输送管道的摩擦损失与输送速度的2 ～ 3次方成正比[7]，因此在实际工况中如需增大喷枪出粉量，可采用增大主进气、减少粉管长度、减少粉管折弯、采用阻力较小的喷枪等措施，并尽可能降低输送速度，提高固气比。

表1 不同粉管内径及进气量下的粉泵出粉量Table 1 Powder outputs for different hose inside diameter at different air flow rates

1. 2 DDF泵

DDF的输送管道内固气比可达30 ～ 70，属于密相输送方式，即粉末的流动是靠气体的动压或静压推动[8]。目前DDF泵的实现形式主要有活塞式和密相阀式两种，它们在实现原理上相似。

活塞泵式如图2所示，使其中一组活塞在往返的运动中产生真空，以便从粉桶吸取粉末至活塞装置内的传送腔，同时利用另一组活塞粉泵装置把之前已吸取的粉末从传送腔输送到喷枪上。这个吸取及输送工作分别在两组活塞中交叉地进行。两组活塞粉泵装置交替工作，粉末便会稳定地从粉箱中被吸取及输送给喷枪。通过数字化控制两组活塞的往返速度，便可得到所需的精准出粉量。

密相阀式如图3所示，抽气口保持交替抽真空，4个密相阀中对应的两个保持打开状态，这样抽吸力便通过相应打开的其中一个密相阀将粉末从粉桶抽进传送腔，同时反吹气将之前已吸入的粉末通过另一个打开的密相阀输送到喷枪上。这种吸取和输送工作分别在两组密相阀中交替进行，以保证喷涂粉末的连续性。

图2 活塞式DDF泵Figure2 Piston DDF injector

图3 密相阀式DDF泵Figure3 Dense-phase DDF injector

密相阀式DDF泵造价低，维护方便，日渐成为市场主流。DDF泵较文丘里粉泵具有以下优势：(1) 长期稳定供粉。

长期稳定的粉末输送对批量生产时涂层的质量稳定性和成本控制有着直接影响。DDF粉泵可以在35 m输送距离内，长期准确及稳定地以50 ～ 300 g/min的输送量供粉。而文丘里泵的输送距离一般在20 m以内，输送量虽也是50 ～ 300 g/min，但易磨损，不能长期稳定供粉。

(2) 更高的上粉效率。

由于DDF粉泵的粉末输送速率只有文丘里粉泵的1/4 ～ 1/3，因此其输送粉末在静电喷涂时可以有约3倍或更多的充电机会和更充分的带电能力。同时由于静电喷涂时粉末的喷出初速度较慢，因此相应地提高了对工件的环抱效应，减少了粉末的浪费。

(3) 更高的粉末涂料利用率。

由于粉末的一次上粉率提高，减少了粉末在回收系统中的循环次数及粉末的磨损，因此粉末利用率较普通文丘里式粉泵可提升20%。

(4) 更稳定的涂层外观质量。

由于DDF粉泵所用的粉管内径只有5.5 mm(目前应用到实际工况中的只有一种，文丘里泵的工作原理与DDF泵不同，选用此种粉管会因为出口阻力大而不能输送粉末)，因此在粉管内不会出现气固分离状态，这种粉泵对干混合型金属粉的喷涂效果最佳。

(5) 维护简便。

DDF粉泵的粉末输送速度只有4 m/s，减少了对粉管的冲刷磨损，也不会产生文丘里泵系统中常见的粉管结块问题。另外换色清理时具有自动反吹功能，清理简便。

(6) 更佳的死角上粉效果。

DDF粉泵的粉末输送速度只有文丘里粉泵的1/4 ～ 1/3，在喷涂死角位时减弱了气流反弹问题，因此喷涂的粉末能够更多地渗透到死角位置[9]。

(7) 节省能源。

在输送同等质量的粉末时，DDF粉泵的耗气量只有文丘里粉泵的1/2 ～ 1/3。

1. 3 总结

(1) 文丘里式粉泵结构简单，造价低，输送距离短，受影响因素多，适用于对工件质量无特殊要求和初期投资少的企业。

(2) DDF泵结构复杂，造价高，但输送距离长，稳定性高，适用于对工件表面要求高和自动化程度较高的企业。

(3) 无论哪种粉泵都不同程度地存在输粉管堵塞问题。解决此问题一方面需研发粘粉量少、导电性好、内壁光滑的输粉管，另一方面是建立简单快捷的监测平台以及研究能够自动消除堵塞的自动控制系统。

(4) 供喷枪喷涂的粉泵朝向低耗气量、高输送密度、免维护和智能化方向发展。

2 粉末添加用设备

用于粉末添加的粉泵要求其输送量大、耗气量小、输送浓度高。按其实现方式可分为文丘里式、泵吸式、双密相阀挤压式和密相输送式。

2. 1 文丘里式粉泵

用于粉末添加的文丘里式粉泵与用于喷涂的文丘里式粉泵实现原理相同，故其影响因素相同，但因其要求输送粉末的数量而不要求输送粉末的均匀性，故其只设有主进气，不配备辅进气。图6所示为文丘里式粉末添加粉泵，其性能参数如下：最大输送距离10 m，最大输送量2 kg，压缩空气消耗量12 Nm3/h。

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

2. 2 泵吸式粉泵

图4所示为专门用于从粉箱内向供粉桶添加粉末的泵吸式加粉装置，其实现原理如图5所示：

(1) 控制系统控制密相阀的控制气打开，使密相阀关闭，同时密相阀上端的单向阀被开启，这时传送腔内空气被排出；

(2) 控制气关闭，密相阀打开，上端单向阀关闭，下端单向阀被打开，传送腔内形成局部真空，压力差使得粉末从纸箱传送到输送腔；

(3) 控制气开启，密相阀关闭，其下端单向阀关闭，上端单向阀被开启，这时粉末从传送腔输送到供粉箱；

(4) 控制气关闭，密相阀开启，上端单向阀关闭，下端单向阀被开启，粉末被抽吸进传送腔；

(5) 重复以上步骤，完成粉末输送。

图5 泵吸式加粉装置示意图Figure5 Schematic diagram of suction powder conveyer

图6 泵吸式实现原理Figure6 Work principle of suction powder conveyor

从以上过程可以得出影响泵吸式粉泵输送量的因素为吸粉口阻力、密相泵输送能力及控制频率。在一定范围内，吸粉口处阻力越小、密相泵输送能力越强、输送频率越快(输送频率要与密相泵的响应时间及输送能力相匹配)，其输送量越大。

其性能参数如下：最大输送距离3 m，最大输送量1.2 kg，压缩空气消耗量3.2 Nm3/h。

2. 3 双密相阀挤压式粉泵

双密相阀挤压式回收装置专门用于输送回收粉末，其现场安装实物如图7所示，工作原理如图8所示：

(1) 上气控阀得电，密相阀1(QV1)打开，上输送气关闭，下气控阀失电，密相阀2(QV2)关闭，下输送气打开，椎斗内的粉末开始进入粉末传送腔内；

(2) 上气控阀失电，QV1关闭，椎斗内粉末停止落入传送腔；

(3) 上气控阀失电，QV1关闭，上输送气打开，下气控阀得电，QV2打开，下输送气保持打开，传送腔内粉末在上输送气和下输送气的作用下被输送到供粉箱；

(4) 重复以上步骤即可实现回收粉末的连续输送。

从以上过程可以得出影响双密相阀挤压式输送量的因素为：密相泵输送能力，上、下输送气压力，以及输送频率。在一定范围内，输送泵的能力越强、输送频率越快，其输送量越大。输送频率要与输送泵响应时间、输送能力相适应。理论上在一定范围内，上、下输送气的压力越大，输送能力越强。但实际工况下，上、下输送气压力过大不仅造成粉末进口处气体反流和输送口处粉末四处外溢，而且造成设备磨损加剧和能源浪费。根据静电喷涂工况，现阶段一般选用DN65的密相阀，上输送气压力一般设为1 bar (即0.1 MPa)，下输送气为0.3 bar。

图7 双密相阀挤压式粉泵Figure7 Powder conveyor with double pinch valves

图8 双密相阀式粉泵的工作原理Figure8 Work principle of powder conveyor with double pinch valves

双密相阀挤压式的性能参数为：最大输送距离 12 m，最大输送量2.5 kg，压缩空气消耗量4.5 Nm3/h。控制策略与输粉量的关系见表2。

2. 4 密相输送式粉泵

目前市场上密相输送泵主要被国外三巨头(即瓦格纳、金马、诺信)垄断，国内只有裕东和七所高科开发出类似产品。七所高科开发的密相输送式粉泵如图9所示。虽然各种品牌样式不一，但其实现原理都与密相阀式DDF泵相似，如图10所示。密相阀1打开，在粉末室1中产生的真空负压将粉末吸入粉末室1中。粉末室的输出端被密相阀2封闭。此时位于粉末室2的输入端的密相阀3关闭，位于输出端的密相阀4打开。粉末被通过高精度滤芯的压缩空气压出粉末室2，并被连续输送。抽吸和输送在两个粉末室之间交替进行。

其性能参数为：最大输送距离25 m，最大输送量5 kg，输送高度1.5 m，抽真空压缩空气消耗量12 Nm3/h，粉末输送压缩空气消耗量4.5 Nm3/h。

2. 5 总结

(1) 泵吸式输送距离短、输送能力弱、造价中等，但消耗压缩空气少，故适用于用粉量少，但要求高的新粉添加。

(2) 文丘里式造价低廉，输送能力和距离中等，但耗气量大，适用于要求不高的新粉添加或粉末回收。

(3) 双密相阀挤压式的输送能力和输送距离能满足大部分工况，且耗气量少，但其造价稍高，故适用于对粉末回收要求较高的场合。

(4) 密相输送式输送能力最大，输送距离最远，耗气量中等，不受安装位置限制，但其造价最高，适用于自动化程度要求高或空间上有限制的场合。

(5) 根据实现原理分析及实践证明，除文丘里式输粉泵，控制时间间隔及控制策略对其他输粉泵的输粉能力和输粉效果影响较大，因此怎么实现输粉量与送气量合适的配比是实现密相输送的关键。

(6) 由实现原理分析可知，密相输送式是泵吸式或双密相阀挤压式组合创新的结果。因此在研发新的输送设备时，一方面需注意原理创新，另一方面仍需在原有设备上进行改进创新。

图9 密相输送泵Figure9 Dense-phase conveyor

图10 密相输送泵工作原理Figure10 Principle of dense-phase conveyor

3 结论

(1) 无论是用于喷枪喷涂还是粉末添加，粉末的输送方式目前主要分两种──文丘里式(其实现原理决定了它只能稀相输送)和密相阀式。文丘里式结构简单、造价低廉，但耗气量大，易损件多，稳定性稍差。密相阀式耗气量少、输送能力强、易损件少、稳定性高，但结构复杂，造价稍高。

(2) 这两种不同功能的粉末输送设备在实现原理上相通，只是侧重点不同。这就意味着对一种功能的输送设备稍加改造就可实现另一种功能，这对研发新的输送设备具有指导作用。例如对密相输粉泵中的4个密相阀进行小型化和位置调整就可变为密相阀式DDF泵。

(3) 影响文丘里式输送能力的主要因素为主输送气量和管道阻力。影响密相阀式输送能力的主要因素则是输送频率(即控制节拍，与输送泵响应时间及各控制部件时间间隔有关)和管道阻力(与管道口径、管道弯曲度、内壁光滑程度有关)。因此，减少管道阻力是提高输送能力的重要途径。

(4) 无论哪种粉末输送方式都需创造条件产生负压并利用压缩空气进行粉末输送，因此怎么利用较少的能源来产生更大的负压和利用最少的压缩气体来输送最多的粉末，是研发新输送设备努力的方向。

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[ 编辑：温靖邦 ]

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

金海陆（1987–），男，河南人，硕士，工程师，从事静电喷涂研究。

作者联系方式：(E-mail) jinhailu-gd@163.com。

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