擠壓造粒機與聚丙烯熔融指數的影響因素分析

黃麒澤

摘要：本文通過分析海南煉化聚丙烯裝置擠壓造粒機在生產高MFR聚丙烯產品時出現墊刀料的原因，提出優化工藝參數和改進設備操作的方法。

關鍵詞：聚丙烯；高MFR；擠壓造粒機

1、聚丙烯裝置現狀

海南煉化聚丙烯裝置自2006年投用生產以來，受裝置和市場的局限，能生產的聚丙烯牌號較少，建廠以來生產過的牌號主要有PPH-T03、PPH-F03D、PPH-F03G、PPH-F08、V30G和Z30S，且都是技術成熟的牌號，MFR在2.5～30之間，隨著市場需求的不斷變化和煉油廠的持續擴建，聚丙烯銷售價格也持續走低，海南煉化聚丙烯裝置在市場競爭中的不利形勢也逐步顯現。2017年根據公司新的發展戰略要求，聚丙烯裝置要重點開發高MFR產品牌號，形成新的品牌優勢，在激烈的烯烴市場競爭中搶占先機。

2017年聚丙烯裝置成功開發生產了Y38和MN65兩種牌號產品，MFR高達65g/10min，產品質量贏得了客戶一致的好評。然而在2017年10月大檢修后，擠壓造粒機在轉產Y38牌號時總是出現墊刀的現象，導致造粒機無法正常生產而停車。即使重新開車生產以前技術成熟的牌號也偶爾會出現一些粘連料。裝置內工藝和設備專業人員對此展開分析，探討擠壓造粒機出現這種現象的根源所在。

2、擠壓造粒機組簡介

海南煉化ZSK320擠壓造粒機主要由輔助電機、主電機、減速箱、筒體、節流閥、開車閥、模板和切粒機等部件組成。共同完成對聚丙烯切粒的效果。輔助電機在擠壓機主電機啟動前輔助啟動的作用，而主電機是擠壓機正常運行時的唯一驅動。減速箱把主電機的轉速降低傳遞給螺桿，共有兩個檔位，低速擋183rpm，高速擋222rpm。筒體內有兩根同向轉動的螺桿，相互緊密嚙合。節流閥調節筒體螺桿擠出的溶體流量。開車閥有兩個方向一個切地，一個切向模板，在開車階段清理筒體物料時使用。模板是聚丙烯溶體到切粒機的最后一道關卡，聚丙烯溶體從模板上的小孔流出，形成長條形狀，切粒機切刀緊貼模板旋轉，對模板流出的溶體進行切粒。

3、擠出速率和溶體粘度的關系

熔融狀態下的聚丙烯在筒體的擠出過程共分為三個階段，分別為加料段、壓縮段和均化段。通常以均化段的生產率代表擠出機的生產率。塑料熔體通過筒體均化段的流動方程可用下式表達：

在生產負荷不變的情況下，擠壓機的壓力和物料的粘度成正比，粘度大的塑料，螺桿對它所產生的壓力高；粘度小時，壓力會降低。物料粘度主要取決于物料本身的分子量大小與其所處的溫度。在生產高MFR的聚丙烯產品時應適當降低溶體溫度以提高溶體壓力來維持一定的流量。

從表1中可以看出，在產品質量流量和擠壓機結構尺寸不變的情況下，筒體壓力隨著產品的熔融指數提高（粘度降低）而下降。

4、筒體溫度對樹脂的影響

聚丙烯粉料熔融狀態的流動性和溫度關系密切。ZSK320擠壓機筒體給聚丙烯粉料加熱通過筒體的加熱板來完成，冷卻由脈沖溫度調節閥控制常溫脫鹽水流量來調節。在生產負荷與節流閥開度不變的情況下，熔融的聚丙烯溫度隨產品MFR的提高而降低。這是因為低MFR牌號的溶體相對分子質量大，粘度較高，擠壓機需要消耗一部分機械能轉化為溶體的熱能和壓力能。筒體溫度要根據產品的MFR大小來做相應的調整。過低的溫度會造成網前壓力過高，不利于擠壓機的穩定運行。過高的溫度會使產品發生降解。筒體溫度通常設定在210℃～250℃之間。依據生產經驗，在生產MFR在2.5～8g/10min的產品時，我們設定筒體溫度在245℃左右，生產MFR在10～30g/10min的產品時，筒體溫度設定在230℃左右，這樣的溫度設置可以得到質量較好的聚丙烯產品。

5、節流閥對溶體壓力的影響

節流閥安裝在擠壓機的換網器前如圖所示，用來控制擠壓機的背壓。在造粒機啟動前，必須先完成節流控制。最大節流位置為80°（位置“1”）。此位置的節流值一般為50%到70 %之間。

在以下情況下節流閥可以適當關小節流：

1）生產高MFR聚丙烯（以便改進溫度的均勻性）。

2）生產過氧化物降解的聚丙烯（使溶料和過氧化物充分反應）。

3）提高聚丙烯的質量（膜層質量）。

根據實際生產經驗，當物料MFR在3～20g/10min時節流閥開度設定在30°～35°之間為宜。在生產高熔融指數產品時，節流閥開度小于30°可能會出現不熔料。應關小節流閥開度，適當提高閥前壓力，增加物料在筒體中的停留時間，從而提高混煉程度。但是，節流閥開度不宜太小，因為樹脂混煉過度容易發生降解，表現出樹脂變色、冒煙、MFR上升以及力學性能下降。如圖1所示，節流閥開度在35～40°之間壓力變化開始敏感，進行調整時一定要緩慢。節流閥開度大于45°時，壓力上升明顯，不利于平穩操作，在此區間調整要更加謹慎。

6、切粒水溫度對樹脂的影響

切粒水使用脫鹽水，適當的切粒水溫度可優化粒子形狀，當熔融樹脂從模孔出來，被切成2～3mm長度的粒子，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到平衡。切粒水溫度過高樹脂切粒后冷卻不及時，易出現串料、粘料從而引發纏刀、灌腸等事故，切粒水溫度過低，使模板溫度低，會凍堵模孔，同時樹脂變脆切削時碎粒增多，切粒水典型操作溫度范圍為40～65℃。切粒水溫度與產品MFR有很大關系，生產不同牌號產品時，水溫也應做相應調整。

7、切粒機與模板對切粒效果的影響

切刀與模板的配合是影響聚丙烯顆粒外觀主要因素，對切粒效果起著至關重要的作用。包括模板的安裝垂直度、模板切粒區域的平面度、切粒刀盤的進退刀油壓、切粒刀安裝時平面度、切粒刀的硬度、切粒刀刀刃的鋒利程度、切粒機刀軸的全跳動等。

7.1切刀與模板的對中

水下切粒機和模板有四點定心系統保證刀軸對模頭的重復定位。四點定心系統包括安裝于模頭上的四個定心部件和裝于造粒機罩上四個導向件。定心部件和導向件相互間的最大凈距為0.3毫米，它們與模頭對中。定心部件和導引部件一起將造粒機罩定位在模頭中心位置，精度應<0.3毫米。為補償熱膨脹，定心部件和導引部件之間應具有3毫米的凈距，如圖2所示。

在正常切粒過程中，切刀至模板的軸向跳動不能大于0.02毫米。否則切粒容易出現不規則顆粒和墊刀料等。當切刀和模板間隙小于3毫米時，應當考慮更換新的切刀或模板。

7.2切刀的主要影響參數

造粒機刀片的設計和條件對于獲得良好的切割效果至關重要。特別是在生產高MFR產品時，對刀刃的表面粗糙度、平整度和銳度等重要因素要求更高。通常造粒機刀切削表面與背面間的平行度<0.01毫米。對于所有新的或重新加工過的造粒機刀的厚度容差最大為±0.01毫米。

俗話說，磨刀不誤砍柴工，因此，磨刀對擠壓造粒來說是一項必不可少的工序。新裝上的切刀在生產前都要求磨刀，刀片研磨以低的進刀液壓壓力開始的。

7.3適當的進刀油壓

產品流動性越大，在造粒時其特性越“濕”，要獲得良好的切割效果，刀片觸點壓力很重要。而高的進刀油壓會加速切刀與模板的磨損。如果是過氧化降解產品（如牌號Y38），過氧化物反應是否完全十分重要。聚丙烯更是可能在造粒機刀和模頭切削表面之間形成膜，這樣會造成生產出碎屑、團塊、“天使的頭發”形狀物或結塊，從而會導致切粒故障停車。因此，適當的進刀油壓對切粒成型至關重要，可以參考切刀的進刀量和磨損量來調整進刀油壓。

7.4切粒機刀軸的全跳動

切粒機刀軸的全跳動不應過大，過大的跳動會導致刀盤上的切刀與模板配合間隙時大時小。特別是在生產高MFR產品時，溶體流速較快，切刀與模板間隙變化過大會導致粒子帶尾，顆粒外觀畸形，同時會影響切粒機的穩定運行，導致振動偏大，切刀磨損快，壽命短。如果刀軸影響了切粒機的切粒效果時應及時更換刀軸。

8、結束語

經過以上分析，裝置在生產不同MFR牌號時，擠壓機筒體溫度和節流閥開度應做相應的調整。在擠壓機和切粒機運行期間，實時關注切粒機進刀量和磨損量，及時調整進刀油壓以保證模板和切粒機的間隙合適。通過優化工藝操作和設備安裝精度，從而保證聚丙烯產品的順利開發和生產。

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