大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組螺桿組件淺析

史媛媛，張新超，賈朝陽

（大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司，遼寧　大連　116039）

大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組螺桿組件淺析

史媛媛，張新超，賈朝陽

（大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司，遼寧大連116039）

螺桿組件是大型混煉擠壓造粒機(jī)組中的關(guān)鍵零部件，其穩(wěn)定性對(duì)整套裝置的運(yùn)行至關(guān)重要，本文主要闡述了大型混煉擠壓造粒機(jī)組中螺桿組件的特點(diǎn)及在實(shí)際運(yùn)行情況中容易發(fā)生的故障及問題，并針對(duì)問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要解析，為以后大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組的操作及運(yùn)行參數(shù)確定提供參考。

大型混煉擠壓造粒機(jī)組；同向雙螺桿；螺桿組件

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，塑料制品在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜絹碓街匾慕巧芰瞎I(yè)也成為國民經(jīng)濟(jì)中的重要行業(yè)之一。乙烯是發(fā)展合成樹脂、合成橡膠、合成纖維的基礎(chǔ)原料。大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組是乙烯工程或煤化工項(xiàng)目中的核心設(shè)備，其工藝流程復(fù)雜、配套性強(qiáng)、設(shè)計(jì)制造和操作難度大、費(fèi)用昂貴，是集機(jī)、電、儀高度一體化的大型成套化裝置。用于乙烯工程中PE（聚乙烯）/PP（聚丙烯）物料造粒的大型機(jī)組主要有異向雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉擠壓造粒機(jī)組和同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組兩種形式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，異向雙轉(zhuǎn)子主要用于PE混煉擠出造粒，同向雙螺桿機(jī)組在PE和PP兩種物料中都有應(yīng)用，但以PP混煉擠出造粒居多。目前，大型混煉擠壓造粒機(jī)組已實(shí)現(xiàn)全面國產(chǎn)化，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，真正打破了國外長(zhǎng)期以來的壟斷。其中已有5臺(tái)套用于PP混煉擠出造粒的大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組已投入連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，全面實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化的目標(biāo)，機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

1 概述

在大型混煉裝置中，國際上同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組供應(yīng)商主要為德國Coperion和日本JSW公司。螺桿組件是同向雙螺桿大型混煉擠壓造粒機(jī)組中的核心部件，其主要功能是完成對(duì)物料的熔融、混煉、塑化、排氣、輸送等功能。初期，兩公司機(jī)組中螺桿組件最大區(qū)別為計(jì)量輸送段，Coperion公司ZSK系列為嚙合式，JSW公司的CMP系列螺桿計(jì)量段為非嚙合式，但在后期發(fā)展中，螺桿組件計(jì)量段型式趨于一致，均為全嚙合式。這兩家公司由于技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定，長(zhǎng)期以來占據(jù)了幾乎所有的國際市場(chǎng)。螺桿組件主要由芯軸、螺桿元件、螺桿頭等零部件組成。螺桿元件圖形如圖1所示。

圖1　螺桿元件三維模型

2 同向混煉擠壓造粒機(jī)組螺桿組件的特點(diǎn)

2.1產(chǎn)量高

目前，國內(nèi)大型同向雙螺桿混煉機(jī)組主流設(shè)備為20萬t/年，螺桿組件要完成每小時(shí)約25～30 t物料的塑化、混煉及輸送，并且大型混煉設(shè)備正在朝著大型化方向發(fā)展，例如：Coperion公司ZSK 380 Mc已經(jīng)成功運(yùn)用，最大產(chǎn)量已達(dá)到70 t/h。

2.2對(duì)物料的適應(yīng)性強(qiáng)

同向雙螺桿為積木式結(jié)構(gòu)，螺桿元件可拆卸更換，通過改變螺桿組合可以適應(yīng)多種物料的擠出工藝要求，滿足多種物料生產(chǎn)。從實(shí)際應(yīng)用來看，同向雙螺桿可用于LLDPE、HDPE、PP等多種物料的生產(chǎn)，適用范圍非常廣泛。

2.3設(shè)計(jì)、加工制造困難

（1）螺桿組合設(shè)計(jì)困難

螺桿組合是螺桿組件的核心，螺桿組合排列除須滿足擠出穩(wěn)定、加工物料符合制品要求及螺桿受力均勻等要求外，還需滿足低能耗的發(fā)展要求。

（2）螺桿元件設(shè)計(jì)困難

螺桿組件是由不同導(dǎo)程、不同形式的螺桿元件組合在一起，所以螺桿元件的端面形線的修形至關(guān)重要，是保證螺桿元件之間順滑過渡、兩螺桿之間間隙均勻和擠出功能的前提；其次，螺桿元件需滿足輸送、混煉、排氣、輸送等各種功能，螺桿元件的導(dǎo)程、頭數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、錯(cuò)列角、嚙合塊厚度等均會(huì)影響螺桿以上功能，較好的螺桿組合必須經(jīng)歷復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程。

（3）芯軸材質(zhì)的選擇、加工制造困難

芯軸是螺桿組件中最重要的部分，是所有螺桿元件的基礎(chǔ)和載體，其性能直接決定大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組的運(yùn)行情況。螺桿在實(shí)際使用中處于高溫、高負(fù)荷、交變彎扭的工作環(huán)境下，因此，芯軸材質(zhì)需是高抗拉強(qiáng)度、高屈服極限和高抗疲勞的材質(zhì)，此外，芯軸材質(zhì)的鍛造及熱處理工藝要求也非常高。

大型同向雙螺桿混煉造粒機(jī)組中螺桿長(zhǎng)徑比一般在24左右，若機(jī)組中無熔體齒輪泵，螺桿還需為換網(wǎng)裝置和模板裝置建立壓力，螺桿長(zhǎng)徑比則會(huì)更長(zhǎng)，故螺桿芯軸處花鍵長(zhǎng)度約7 m（長(zhǎng)徑比約為40～50），屬超細(xì)長(zhǎng)軸，花鍵加工難度大，保證花鍵表面粗糙度及整根芯軸的直線度難度非常大。

2.4表面特殊硬化處理

目前，在雙螺桿擠出機(jī)中，螺桿元件表面大多采用氮化處理方式，以提高螺桿表面硬度及耐腐蝕性。在大型同向雙螺桿混煉造粒機(jī)組中，很多情況下螺桿出口壓力較高、負(fù)荷較大，螺桿與機(jī)筒之間需匹配良好的摩擦副，很多機(jī)組中采用氮化鋼表面堆焊耐磨硬質(zhì)合金，相對(duì)應(yīng)機(jī)筒內(nèi)表面堆焊耐磨硬質(zhì)合金，控制兩者硬度差，形成穩(wěn)定、有效的摩擦副。

3 螺桿組件運(yùn)行過程中常見問題及解析

3.1磨損

在多家石化用戶檢修中發(fā)現(xiàn)，螺桿組件最常見的問題為嚴(yán)重磨損，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在同向雙螺桿機(jī)組中，由于機(jī)筒的制造及更換難度較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)讓螺桿表面的硬度比機(jī)筒表面硬度略低一些，一般情況下，螺桿元件的正常磨損是合理的，但嚴(yán)重磨損則會(huì)造成螺桿之間嚙合間隙變大，擠出過程漏流增大，剪切強(qiáng)度變低，影響混煉效果；其次，嚴(yán)重磨損會(huì)造成大量金屬碎屑進(jìn)入物料中，影響產(chǎn)品質(zhì)量；再者，大量金屬碎屑堆積在換網(wǎng)裝置中，堵塞濾網(wǎng)，造成換網(wǎng)裝置前后壓差變大，控制系統(tǒng)頻繁報(bào)警，同時(shí)頻繁更換濾網(wǎng)，對(duì)機(jī)組操作帶來不便。一般磨損均可通過修復(fù)或更換新的螺桿元件來解決。

螺桿組件的嚴(yán)重磨損通常是由設(shè)備配置不合理而引起的，例如：用未配置熔體齒輪泵的大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組加工熔融指數(shù)非常低的物料，造成螺桿出料端負(fù)荷急劇增大，導(dǎo)致螺桿快速磨損；再者，機(jī)組負(fù)荷不高的情況下利用高速檔加工物料，機(jī)組負(fù)荷較低，螺桿裝置充滿度不夠，出口端螺桿支撐不足，容易導(dǎo)致“掃膛”現(xiàn)象，造成嚴(yán)重磨損。

圖2　螺桿元件磨損照片

3.2振動(dòng)

在與各石化用戶交流中發(fā)現(xiàn)，部分用戶引進(jìn)的大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組在運(yùn)行過程中，螺桿有振動(dòng)現(xiàn)象，在螺桿尾部測(cè)試最大振幅達(dá)2 mm，停機(jī)后對(duì)螺桿進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)芯軸直線度超出正常使用范圍，經(jīng)過校直修正后，直線度達(dá)到使用要求，螺桿回裝后振動(dòng)現(xiàn)象消失。由此可以推斷出在高溫高壓及交變載荷作用下螺桿芯軸彎曲是導(dǎo)致螺桿振動(dòng)的原因之一，建議用戶在使用過程中，合理控制機(jī)組產(chǎn)能、螺桿出口壓力，合理選用高低速擋，降低螺桿負(fù)荷，延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)行壽命。

3.3螺桿松動(dòng)

機(jī)組檢修時(shí)，螺桿裝置中螺桿頭和鎖緊螺母松動(dòng)，計(jì)量輸送段螺桿元件之間出現(xiàn)縫隙，螺桿元件端面之間有微動(dòng)磨損凹坑（此種現(xiàn)象出現(xiàn)較少）。經(jīng)分析，可能引起螺桿松動(dòng)原因主要有兩點(diǎn)：①螺桿預(yù)緊時(shí)沒有嚴(yán)格按照預(yù)緊要求實(shí)施，冷態(tài)下預(yù)緊力沒有達(dá)到規(guī)定值；②芯軸與螺桿元件材質(zhì)在熱態(tài)下的熱膨脹量相差較大，未能對(duì)螺桿組件進(jìn)行熱態(tài)下緊固。

3.4斷裂

螺桿組件的斷裂是最嚴(yán)重的失效形式，直接造成大型混煉擠壓造粒設(shè)備停車，因螺桿制作周期較長(zhǎng)，用戶若無螺桿備件，設(shè)備停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，造成的損失不可估量。考慮到螺桿組件的重要性，設(shè)計(jì)時(shí)螺桿組件的安全系數(shù)一般都較高，截止目前，螺桿組件出現(xiàn)斷裂的案例較少。

4 結(jié)束語

以上內(nèi)容對(duì)螺桿組件的特點(diǎn)及運(yùn)行中常見問題進(jìn)行了闡述，可以看出，諸如磨損、振動(dòng)和斷裂等故障，多數(shù)情況下是由于機(jī)組負(fù)荷過高或者操作參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致（此處不考慮材質(zhì)及加工過程），在實(shí)際運(yùn)行中建議嚴(yán)格按照設(shè)備規(guī)格書合理控制操作參數(shù)（例如：嚴(yán)格遵守螺桿組合適應(yīng)物料熔指范圍、合理選擇高低速檔等），以確保機(jī)組安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

［1］耿孝正.雙螺桿擠出機(jī)及其應(yīng)用.中國輕工業(yè)出版社，2003.

［2］大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機(jī)組說明書第一冊(cè)，大橡塑.

（R-03）

Simply analysis of screw assembly of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit

Shi Yuanyuan, Zhang Xinchao, Jia Chaoyang
(Dalian Rubber & Plastics Machinery Co. Ltd., Dalian 116039, Liaoning, China)

Screw assembly is the key part of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit, its stability is essential for operation of the entire device. This paper describes characteristics of screw assembly in large co-rotating twin screw mixing extrusion unit, and easy-to-occur faults and problems in the actual operation. The paper also gives a brief analysis of the problem, to provide a reference for operation and operating parameters determining of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit.

large co-rotating twin screw mixing extrusion unit; co-rotating twin screw; screw assembly

TQ320.663

1009-797X（2016）10-0020-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.006

史媛媛（1988-），女，本科，畢業(yè)于北京化工大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，主要從事擠出機(jī)研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

2016-03-25