物料特性變化對(duì)擠壓機(jī)運(yùn)行的影響及切粒因素分析

黨利強(qiáng)

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719300）

物料特性變化對(duì)擠壓機(jī)運(yùn)行的影響及切粒因素分析

黨利強(qiáng)

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719300）

神華榆林能源化工有限公司聚丙烯裝置采用的是美國(guó)INEOS technology LLC（英力士技術(shù)公司，簡(jiǎn)稱INEOS）的INNOVENE氣相聚丙烯工藝，以丙烯為主要原料，生產(chǎn)能力以8 000h/a的操作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，年產(chǎn)30萬(wàn)t聚丙烯粒狀樹脂產(chǎn)品。目前該裝置已經(jīng)成功產(chǎn)出S1003、K8003、K4912、K4918等多種抗沖和無(wú)規(guī)共聚產(chǎn)品。擠壓機(jī)采用的是德國(guó)WP公司的同向雙螺桿擠壓機(jī)ZSK-320，水下切粒機(jī)型號(hào)為UG700，最大生產(chǎn)負(fù)荷50t/h，主要分析了切粒機(jī)各項(xiàng)參數(shù)及物料特性對(duì)造粒機(jī)運(yùn)行的影響。

物料特性；擠壓機(jī)；影響

1 聚丙烯的熔融過(guò)程

擠壓造粒是物料在筒體的進(jìn)料段、熔融段、剪切段、增壓段中流動(dòng)的過(guò)程物料通過(guò)螺桿將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能和壓力能。物料在筒體中有三種流動(dòng)方式：正流QP（positive flow）、逆流Qb（back flow）、漏流QL（leakage flow）。正流是物料在螺槽中向機(jī)頭方向的流動(dòng)，用QP表示；逆流是由節(jié)流閥、過(guò)濾網(wǎng)等對(duì)物料的反壓力所引起的與正流相反的流動(dòng)，用QB表示；漏流是由于螺桿與簡(jiǎn)體之間有1～2mm的間隙，使得物料在向下一個(gè)螺旋槽輸送時(shí)，極小部分物料沿著螺桿間隙往回流，用QL表示。逆流和漏流的存在降低了實(shí)際生產(chǎn)率但是可以改善物料的混煉效果。因此，擠壓造粒機(jī)的實(shí)際流量為：Q=QP-（QB+QL）。

2 熔融指數(shù)與主電機(jī)功率的關(guān)系

經(jīng)過(guò)裝置兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，目前已經(jīng)開發(fā)出5種聚丙烯牌號(hào)，分別是S1003、K8003、K4912、K1014、K4918，每種牌號(hào)的MFR都不相同。

在生產(chǎn)同一牌號(hào)下，物料特性一定時(shí)，擠壓機(jī)主電機(jī)的功率和擠壓機(jī)負(fù)荷成正比，因此主電機(jī)功率可以作為衡量擠壓機(jī)負(fù)荷的一個(gè)重要參數(shù)。但在物料性質(zhì)變化比較大，尤其是MFR變化時(shí)，主電機(jī)功率就不能真實(shí)地反映生產(chǎn)負(fù)荷。在牌號(hào)切換過(guò)程中隨著MFR的提高，主電機(jī)功率不斷下降，而且下降趨勢(shì)逐漸趨于平緩，這是由于在熔體流量不變的情況下，熔體的流動(dòng)性提高，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)所受的剪切力減小。物料MFR較低時(shí)其變化對(duì)功率有較強(qiáng)的影響，反映在生產(chǎn)中就是在生產(chǎn)低MFR產(chǎn)品時(shí)，主機(jī)功率會(huì)急劇上升，如生產(chǎn)K8003（2.5g/10min）較K4918（18g/10min）功率有大幅度上升，S1003向K4912切換過(guò)程中擠壓機(jī)功率大幅下降，但是隨著MFR逐步提高K4912向K1014切換過(guò)程中，功率下降的趨勢(shì)趨于平緩。但實(shí)際上當(dāng)K4918向更高M(jìn)FR的牌號(hào)切換過(guò)程中，這時(shí)擠壓機(jī)功率下降趨勢(shì)又會(huì)變快，這是由于螺桿和擠壓機(jī)筒體有1.1～2mm間隙，在螺桿將熔融的物料向前擠壓時(shí)，總會(huì)有少部分的物料從間隙中返回，MFR的提高加劇了這種返混現(xiàn)象，從而使擠壓機(jī)的實(shí)際流量減小，使功率進(jìn)一步下降。隨著MFR繼續(xù)增加，螺桿對(duì)物料的剪切作用越來(lái)越小，流量成為影響螺桿扭矩的主要因素，從宏觀上表現(xiàn)出隨著MFR的增加，主電機(jī)功率保持不變。

3 熔融指數(shù)與擠壓機(jī)比能的關(guān)系

ZSK320擠壓機(jī)有一個(gè)很重要的參數(shù)叫做比能（SPEC ENGERY），定義為單位時(shí)間內(nèi)擠壓機(jī)每生產(chǎn)1千克聚丙烯所產(chǎn)生的功耗，單位kW/kg。理論上講比能不受擠壓機(jī)負(fù)荷影響，所以能更準(zhǔn)確地分析物料特性變化對(duì)擠壓機(jī)產(chǎn)生的影響，比能隨著熔融指數(shù)上升而下降，與主電機(jī)功率變化趨勢(shì)基本一致。

4 筒體溫度對(duì)擠壓造粒的影響

ZSK320擠壓機(jī)筒體溫度采用電加熱板和筒體冷卻水共同控制，聚丙烯粉料溶體的流動(dòng)性與溫度密切相關(guān)。聚丙烯粉料在雙螺桿剪切的作用下釋放出大量的熱能，脫鹽水做為筒體冷卻水，將這部分熱量撤走，從而維持溶體溫度的恒定。在生產(chǎn)負(fù)荷保持相同、節(jié)流閥開度保持不變的條件下，ZSK 320機(jī)組在節(jié)流閥處的熔體溫度隨MFR增加而不斷下降。一個(gè)原因是低MFR熔體的黏度較高，導(dǎo)致主電機(jī)消耗一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能；另一個(gè)原因是低MFR聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量較大，長(zhǎng)鏈較多，其受到擠壓時(shí)，分子之間相互摩擦的機(jī)會(huì)較多，從而釋放出較高的熱能。過(guò)高的溫度使PP在擠壓機(jī)中熱降解，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。

5 熔融指數(shù)變化對(duì)節(jié)流閥開度的影響

節(jié)流閥安裝在進(jìn)料段最后的筒體上，用來(lái)控制進(jìn)料段與混煉段溶體的的背壓。進(jìn)料段中產(chǎn)品的塑化程度與實(shí)際的輸入比能量，隨著節(jié)流閥的開度而發(fā)生變化。開大節(jié)流閥開度意味著減弱混煉程度，適用于低熔融指數(shù)產(chǎn)品或提高生產(chǎn)負(fù)荷時(shí)。關(guān)小節(jié)流閥開度，即是增強(qiáng)混煉程度，適用于高熔融指數(shù)產(chǎn)品或降低負(fù)荷時(shí)。裝置在生產(chǎn)K4918（MFR18）時(shí)從大塊料捕捉器中發(fā)現(xiàn)大量塊料與黏料，但是由于調(diào)整及時(shí)并未出現(xiàn)纏刀現(xiàn)象，通過(guò)分析判斷是節(jié)流閥開度（25°）太大以及出料段溫度和切粒水溫度過(guò)高所致。所以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)物料MFR在12～20g/10min時(shí)，節(jié)流閥開度設(shè)定在30°～35°為宜。當(dāng)生產(chǎn)高熔融指數(shù)產(chǎn)品，節(jié)流閥開度小于30°時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)不熔料。關(guān)小節(jié)流閥開度，閥前壓力則明顯上升此時(shí)QN和QL也會(huì)增大，增加物料在筒體中的停留時(shí)間，從而提高混煉程度。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)該根據(jù)模前壓力以及造粒情況來(lái)調(diào)整節(jié)流閥開度，節(jié)流閥開度太小，樹脂溫度下降過(guò)多，說(shuō)明樹脂混煉過(guò)度發(fā)生降解，表現(xiàn)出樹脂變色、冒煙、MFR上升，產(chǎn)品力學(xué)性能下降。ZSK320擠壓機(jī)節(jié)流閥開度是8°～85°需要注意的是節(jié)流閥開度在35°～40°進(jìn)行調(diào)整時(shí)一定要緩慢，因?yàn)榇藚^(qū)間屬于顯效區(qū)，模前壓力變化較為敏感。節(jié)流閥開度大于45°區(qū)間屬于強(qiáng)效區(qū)，模前壓力上升明顯，不利于平穩(wěn)操作。

6 影響切粒效果的四個(gè)因素

6.1 模板溫度

模板溫度由熱油系統(tǒng)控制，必須保持模板兩側(cè)溫差合適且均勻，即要保證粒料得到良好的冷卻，又要防止樹脂凝固堵塞模孔。模孔堵塞會(huì)致模前壓力過(guò)高，聚合物倒流M401，損壞擠壓機(jī)組，或熔體通過(guò)模孔時(shí)分布不均，導(dǎo)致粒料尺寸和外形不規(guī)整。因此，建議在生產(chǎn)低MFR產(chǎn)品時(shí)提高模板溫度，在生產(chǎn)高M(jìn)FR產(chǎn)品時(shí)，為降低熔體的流動(dòng)性而獲得較好的切粒效果，則建議適當(dāng)降低模板溫度。但必須保證模板溫度高于樹脂凝固溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)０鍦囟炔坏玫陀?00℃。

6.2 切粒水溫度

切粒水使用脫鹽水，水溫由板式換熱器和低壓蒸汽共同控制。切粒水溫度可優(yōu)化粒子形狀，當(dāng)熔融樹脂從模孔出來(lái)，被切成2～3mm長(zhǎng)的粒子，水室中切粒水完全覆蓋模板表面，粒子立即被冷卻。切粒水從模板和樹脂帶出的熱量與熱油和熔體帶給模板的熱量達(dá)到平衡。切粒水溫度過(guò)高，樹脂切粒后冷卻不及時(shí)，易出現(xiàn)串料、黏料從而引發(fā)纏刀、灌腸等事故；切粒水溫度過(guò)低，使模板溫度低，凍堵模孔，同時(shí)樹脂變脆切削時(shí)碎粒增多，切粒水典型操作溫度為40～65℃。切粒水溫度與產(chǎn)品MFR有很大關(guān)系，生產(chǎn)不同牌號(hào)產(chǎn)品時(shí)，水溫應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。

6.3 切刀轉(zhuǎn)速

切刀轉(zhuǎn)速必須與M401擠出量、模孔數(shù)、刀盤上的刀數(shù)相匹配，保證粒子尺寸合適。通常，切刀轉(zhuǎn)速越低，切粒效果越好，故多采用高模孔數(shù)模板，當(dāng)切刀在模面轉(zhuǎn)動(dòng)，切刀和模板間水壓下降，轉(zhuǎn)速越高，壓力越低，越易發(fā)生汽蝕，導(dǎo)致模孔和模面受損，降低模板使用壽命。正常生產(chǎn)時(shí)，模孔通暢率必須保持在90%以上。

6.4 切刀與模板間隙

間隙是決定粒子外觀的主要因素之一。間隙過(guò)大，粒子帶尾，顆粒外觀畸形；間隙過(guò)小，刀盤對(duì)模板的壓力過(guò)大，切刀磨損快，壽命短。無(wú)法直接測(cè)量間隙，通常在系統(tǒng)升溫后，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)刀油壓間接調(diào)整。產(chǎn)品樹脂MFR影響切刀使用壽命，高M(jìn)FR樹脂易產(chǎn)生帶尾料，相對(duì)于易切的低MFR樹脂，需增大進(jìn)刀油壓，切刀的使用壽命相對(duì)較短。間隙的選擇取決于模前壓力、樹脂牌號(hào)、熔體溫度和生產(chǎn)負(fù)荷。開車前通常需要磨刀，將切粒水升溫至正常操作溫度，合上水室，啟動(dòng)切粒機(jī)，切粒水走開車流程，調(diào)整進(jìn)刀風(fēng)壓，在模面上磨刀。磨刀結(jié)束后，停切粒機(jī)，水室泄水，打開水室，檢查磨刀情況，每把刀的邊緣都應(yīng)適當(dāng)?shù)啬ミ^(guò)。磨刀系數(shù)為0.01mm/次，如果磨刀系數(shù)小，可提高進(jìn)刀油壓，重新磨刀。如果間隙合適，但切粒效果不好，需要停車檢查切刀與模板的垂直度和刀軸的平行度，防止模面損壞或斷刀。

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[2] coperion Operating Instructions Underwater pelletizer UG 700.

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Effect of Material Change on Extruder Operation and Analysis of Cutting Factors

Dang Li-qiang

Shenhua Yulin Energy Chemical Co.，Ltd.Polypropylene plant is used in the United States INEOS technology LLC（INJOS）INNOVENE gas phase polypropylene process to propylene as the main raw material，the production capacity of 8000h/a operating time Calculation，with an annual output of 300，000 tons of polypropylene granular resin products.At present the device has been successfully produced S1003，K8003，K4912，K4918，and other anti-collision and random copolymer products.Extrusion machine is used in Germany WP company's twin screw extruder ZSK-320，underwater pelletizer model UG700，the maximum production load 50t/h，analyze the cut effect of parameters and material properties of granulator on the operation of granulator.

material property；extruder；influence

X705

A

1003-6490（2017）12-0083-02

2017-10-10

黨利強(qiáng)（1989—），男，陜西榆林人，主要從事化工設(shè)備操作工作。