國產模板在KE600擠壓造粒機上的試用探究

耿東方 唐迎迎 張紹武 孔 健 徐海波 王兆堃

(1.中國神華煤制油化工有限公司榆林化工分公司；2. 甘肅宇辰化工公司；3. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司)

蘭州石化年產20萬t的高壓聚乙烯裝置引進德國Basell公司LUPOTECHT?管式法反應器技術，以乙烯為主要原料，醋酸乙烯為共聚單體，過氧化物為引發劑，丙烯、丙醛為分子量調整劑；聚合反應是采用乙烯單點進料、過氧化物四點注入的脈沖式反應。裝置由意大利TECNIMONT工程公司進行基礎設計，大慶石化設計院進行部分詳細設計，由中國石油吉林化工建設公司建設。2005年4月15日破土動工，于2006年12月21日投產。裝置占地面積近3萬m2，設計年生產能力20萬t聚乙烯(顆粒)樹脂，年操作時數8 000h，可生產薄膜、電纜及管材等高壓低密度聚乙烯樹脂和乙烯-醋酸乙烯共聚樹脂共16個牌號的產品。

1 擠壓造粒概況及模板結構

1.1 擠壓造粒概況

擠壓造粒機是廣泛應用于橡塑機械行業的重要設備[1]。擠壓和造粒系統的主要組成部分包括主擠出機、輔助擠出機和造粒機。主擠出機型號為單螺桿KE600，螺桿直徑600mm，螺桿長度L與直徑D比為16∶1，螺桿最大轉速為87.5r/min，最大處理能力34.5t/h。輔助擠出機型號為雙螺桿KTX73 MX。造粒機型號為UP-650N，期望處理能力40.0t/h，保證處理能力34.5t/h，切刀共20把，材料為工具鋼(硬度約為60HRC)，切刀轉速200.0～750.0r/min，顆粒水量550m3/h，溫度40.0～70.0℃。按照擠壓造粒系統工藝操作單元分類，造粒機組設備主要包括3部分：擠壓造粒機組本體部分、擠壓造粒機組輔助系統和擠壓造粒機組外圍工藝設備[2]。

擠壓和水下切粒工藝流程為：溫度在210.0～280.0℃熔融的高壓聚乙烯從低壓產品分離器經過閘板閥進入主擠壓機中；加入添加劑，爽滑劑由計量泵、穩定劑由計量泵注入到進料區的下游。開口劑和返回的不合格品，通過輔助擠壓機加入主擠壓機中，熔融聚合物與所有添加劑混合，在到達模板前完成。聚合物壓力升高并混合均勻后，通過擠壓機螺桿輸送到模板，然后經水下切粒機切粒，所切粒子由顆粒循環水送到離心干燥器脫水，進入振動篩，在此將不合格的粒子分出后，將合格顆粒送入料倉等待包裝[3]。

1.2 造粒模板

造粒模板采用熱槽式，本體材料為SUS403。表面硬化層材料為碳化鈦，厚度為3mm，硬度為60～62HRC。模板采用HPS加熱，模板孔數為3 376個，模板孔徑2.4mm。

擠壓機造粒時，在擠壓機單螺桿的推力作用下，熔融聚乙烯物料從擠壓機筒體通過模頭濾網孔進入模板流道；高壓蒸汽在模板通道內流動，其熱量由換熱通道傳遞給熔融物料，熔融物料由出料孔擠出造粒面被冷卻水迅速冷卻硬化，隨即被高速旋轉的切刀切割成顆粒，完成整個造粒過程。

1.3 國產模板技術參數

擬試用國產模板參數如下：

釬焊接頭剪切強度 不小于150MPa

造粒帶表面硬度 62～66HRC

造粒帶表面粗糙度 不大于0.8μm

造粒帶平面誤差度 不大于0.2μm

造粒帶與止口平面度誤差 不大于30.0μm

造粒帶表面溫差(工況下) 不大于2.0℃

出料孔直徑誤差 不大于40.0μm

出料孔粗糙度 不大于1.6μm

2 國產模板及切刀的安裝

2.1 國產模板的安裝

國產模板與刀軸的垂直度調整是影響模板壽命的關鍵因素。理想狀態下，模板與切刀切割表面是平行的。因此，垂直度調整的好壞，不僅影響模板的壽命，也直接影響產品的質量，在現場實際生產中要求平行數據在30.0μm內。

將模板常溫緊固，然后對模板進行升溫，升溫時間與梯度均有嚴格要求，升溫過快極有可能造成模板造粒帶裂紋，升溫過慢則使模板不能達到最佳效果。

對于長時間停車情況，模板加熱的升溫速度不宜過快，初次加熱升溫速度應控制在1.0～1.5℃/min，每50.0℃為一個加熱梯度，分步進行，每上升50.0℃都應恒溫1h后再升溫，直到加熱到100.0℃。當升溫到100.0℃后，按每10.0℃為一個加熱梯度繼續升溫，直到達到工藝要求值，然后進行恒溫傳熱2h，使各部件溫度均衡。最后使用專用工具對模板安裝螺栓進行熱緊固。

對于短時間停車情況，模板溫度未降至100.0℃以下，加熱升溫速度應小于6.0℃/min，溫度達到180.0～220.0℃時，同樣保持該溫度條件下恒溫2h。

模板找正方法：將找正專用表固定在切粒機切刀軸上，然后將水室移動使表能接觸到造粒帶的表面。然后合模、加鎖并移去視窗玻璃。此時不急于觀測數據，由于千分表的表針剛接觸到模板的表面，二者存在較大溫度差，因此需將其放置一段時間，然后通過視窗盤車觀察。若發現磁力表座的指針在同一位置不再發生偏移，即可進行垂直度的找正工作。此時刀軸聯軸器已經脫開，盤車一周記錄下8個位置的數據，具體位置如圖1所示。位置3的偏移0.01mm，位置6偏移-0.01mm，其余位置無偏移。如果數據超差，必須拆下切刀，清理刀盤的切刀安裝槽，重新安裝找正，直至數據在正常范圍內。

圖1 模板找正測量位置標號

2.2 切刀的安裝

影響模板使用周期和效果的因素中，除了模板自身質量之外，切刀的選擇與安裝對其的影響最大。2006年10月開車時，蘭州石化高壓聚乙烯裝置的切粒機是日本神戶制鋼公司生產的P-650N，刀盤每次換刀量為20把，材料為碳化鎢。至2006年12月開車平穩后，為了降低企業生產成本，在不影響設備長周期運行的前提下，蘭州石化公司積極推進關鍵設備部件國產化，并取得巨大成功，實現切刀備件國產化，目前國內同類裝置此類備件國產化技術較為成熟。

隨著塑料牌號的不斷增加，塑料樹脂的熔融指數范圍逐步增大。高熔融指數塑料造粒過程中，不但要求模板造粒帶表面必須平整，出料孔邊緣必須鋒利，造粒帶與切刀刃部的間隙必須相當小，而且對切粒刀刃口的鋒利程度要求也非常嚴格。為了適應生產不同熔融指數樹脂原料工況要求，切粒刀的選用原則：

a. 當模板表面狀態很平整，切刀與之較容易磨合時，可采用金屬陶瓷復合切刀，但刃帶寬度應控制在2.5mm以下；

b. 當模板表面狀態不平整時，可選用整體復合涂層切粒刀；

c. 調整切粒刀刃部的硬度，為使切粒刀刃部與模板造粒帶的硬質面硬度匹配，將切刀刃部的硬度調低至53～55HRC，使之與模板造粒帶的硬度差為7～13HRC，以保證模板的正常磨損。硬度差太小會使模板造粒帶磨損嚴重，進而影響產品外觀質量和模板壽命；硬度差太大則會造成切刀使用周期太短，甚至造成拖尾料的產生。

切刀使用周期一般為3～6個月，模板使用周期一般為3年。數據顯示切刀國產化后，切刀壽命一般為3個月，但可以在不影響產品外觀質量的前提下保證模板達到3年的使用壽命，國產切刀壽命約是進口切刀壽命的2/3，但費用為進口切刀費用的1/4，對模板的磨損明顯小于進口切刀。

裝切刀的時候要清理刀片和刀架的安裝面，保證刀片和刀架之間不夾有外界顆粒及熔融料等雜質。固定螺栓的擰緊力矩要控制均衡，要使每個刀刃上的切割表面偏移盡可能小。20把切刀刀刃與模板的平行偏移度控制在30.0μm以內，因為每組刀片的厚度偏差不同，所以一個組中的刀片要一起保存并一起使用。為了確保刀片的位置，要用由廠家提供刀片的專用固定螺栓。

切刀找正方法：切刀安裝在切刀盤后，置于找正專用基準平臺(圖2)，將20把切刀編號為1～20，把千分表固定至第一把切刀，調整至零位，旋轉一周分別記錄下20把切刀的數據，如數據超出范圍，則需要調整后重新找正，切刀找正數據見表1。

圖2 切刀找正專用基準平臺

表1 切刀找正數據

3 模板的操作維護

3.1 模板與切刀的對磨

切刀與模板的第一次磨合對整個模板的壽命有重要影響。進刀壓力過大會造成切刀啃噬模板造粒帶表面硬質層，減少模板的使用壽命；進刀壓力過小會使切刀研磨不均，無法達到磨刀效果，開車后有可能產生拖尾料，影響產品質量。根據進口模板的相關經驗，同時考慮國產模板的特殊性，初次磨刀進刀壓力控制在0.17MPa，磨刀時間約20min，解鎖檢查切刀正常磨損是否均勻。磨刀的最好效果是切刀與造粒帶的結合處每把切刀都有輕微、均勻的磨損痕跡。同時，磨刀后檢查造粒帶有無細小裂紋，內六方緊固檢查造粒帶內側固定合金墊內六方有無松動，確認是否具備開車條件。

3.2 關鍵工藝操作及設備濾網的優化

開車前氧化熔融物料未全部排出、排料后部分模孔堵塞、部分模孔未填充均勻熔融物料、開車前模板表面物料清理不徹底及未涂抹相關保護油脂等，都將嚴重影響產品質量和模板使用壽命。同時，顆粒水工藝參數對模板也有影響，一般將水溫控制在55.0℃左右。水溫過低會使模板上、下游長期處于高溫差和高壓差環境，對模板壽命有嚴重影響；水溫過高會使熔融物料造粒后產生拖尾料，因此顆粒水的溫度要隨著生產產品熔融指數進行相應的調整。顆粒水的流量也要控制在一個合適的范圍之內，一般控制在550m3/h左右。

模頭濾網是主擠壓機模板最重要的保護部件，是熔融物料進入模板流道前的保護設施，其作用是過濾掉擠壓機筒體內熔融物料的機械雜質及未融添加劑等，保護模孔不被堵塞。對于原裝進口模頭濾網，由于生產特點的局限性，使用周期短，約3個月需更換濾網，遠低于計劃檢修周期。在外方專家和相關技術單位的配合下，通過對模頭濾網進行多次技術改造，最終把進口原裝四層復合濾網的4種濾網目數規格改為40mm×100mm×40mm×20mm，改造后運行平穩。

理論上濾網目數越大對模板模孔保護越好，但是會提高模頭壓力，嚴重時會造成止推軸承失效，因此，合理的濾網目數對于模板及主擠壓機具有重要的影響。

4 國產模板與進口模板對比

4.1 產品關鍵數據對比

自2012年6月17日更換國產模板后，先后多次生產了車間的3種代表性產品——2426H、2426F、1810D。3種產品熔融指數由高至低，其中2426H為裝置生產過的熔融指數最高的產品，1810D為裝置生產過的熔融指數最低的產品，此3種產品可以代表裝置的產品結構。通過隨機抽取這3種產品的相關生產數據，對比進口與國產模板的性能，使用進口模板與國產模板產品關鍵數據見表2。通過對比擠壓機關鍵技術參數，國產模板可以達到進口模板的運行工況。

表2 KE600擠壓機使用進口模板與國產模板關鍵數據對比

4.2 產品外觀質量對比

在正常開車時，隨機抽取進口模板與國產模板產品進行外觀質量對比(表3)。通過對比產品外觀質量發現，國產模板的產品外觀質量優于進口模板外觀質量。國產模板試用過程中常見異常現象及對策見表4。

表3 進口、國產模板粒料外觀質量對比

表4 國產模板試用過程中常見異常現象及對策

5 結束語

高壓聚乙烯裝置KE600擠壓機通過積極推進關鍵設備核心部件的國產化，將進口模板更換

成國產模板，運行一年半后，擠壓機模板運行平穩，產品外觀、質量甚至優于進口模板的。通過測量模板表面造粒帶磨損情況，對比同期進口模板磨損情況發現，數據均優于進口模板，預計壽命可達3.0～3.5年。國產化模板的成功應用，將會對此類裝置設備核心部件的國產化產生積極影響。

[1] 趙文增.聚丙烯擠壓造粒機組自控系統分析及故障處理措施[J].化工自動化及儀表,2012,39(11): 1397～1403.

[2] 劉瑞年.PCS7在聚丙烯擠壓造粒機控制系統中的應用[J].化工自動化及儀表，2010,37(8):124～126,130.

[3] 曾正，師燕燕.590P系列直流調速器在雙螺桿擠壓造粒機主機調速中的應用[J].化工自動化及儀表，2010,37(9):132～136.