擠壓造粒機組水下切粒狀態的影響因素及其改進

孫海峰，郭俊巍，梁中國，張 彬，邴 磊

(北方華錦化學工業股份有限公司，遼寧 盤錦 124000)

通過列舉環管聚丙烯裝置開車中擠壓造粒機組切粒效果實例，分析了擠壓造粒機組切粒效果影響因素，提出了具體的注意事項和相應的對策及控制措施，確保裝置安全平穩長周期地運行，并產出合格優等產品。

某新建25萬t/a環管聚丙烯裝置，擠壓造粒機組為德國Coperion懸臂式雙螺桿ZSK系列機組。主要參數見表1。

表1 擠壓機主要參數

1 切粒小車運行狀態

切粒小車(圖1)由切粒水室、切粒機、液壓油系統等構成，切粒小車前進與模板鎖緊構成封閉水下切粒系統，進行切粒。

切粒小車運行狀態直接決定了切粒機組是否能夠正常進行生產，切粒小車與模板的對中是切刀與模板貼合的前提，切粒小車的合并是磨刀的前提，切粒小車是否能夠正常前進后退又是開停車必要條件。下面將對這些因素進行分析。

圖1 切粒小車示意圖

1.1 切粒小車與模板對中偏離

1.1.1 故障情況

2016年6月初次安裝模板后，開始對模板與切刀進行對中找正(對中是刀盤主軸與模板中心線的同軸度)，其調整的位置是小車的四個輪子。這四個輪子是可以上下左右調整的，如果這個對中沒有做好，每次開停車都會出現精度超差的問題。之后進行磨刀，小車前進與模板鎖緊，運行狀態正常。停車后，小車后退，停車0.5 h，準備進行沖模切粒。再次開車前，檢查小車運行狀態正常。停車12 h后，再次開車時發現小車與模板對中嚴重偏離，模板四個導向鍵無法進入切粒小車的鍵槽，對中偏離導致造粒機與機頭無法鎖緊合并，4個導向鍵無法進入模板鍵槽。導鍵與鍵槽的間隙最大為0.5 mm。

1.1.2 原因分析

1)首先根據切刀與模板安裝要求，對模板與刀盤的平行度或模板與刀軸的垂直度進行復測，結果顯示遠遠大于0.02 mm(正常標準為≦0.02 mm)。

2)切粒小車的找正基礎為模板，針對模板的平面度、垂直度進行復測顯示偏差均在0.02 mm以內，排除了因模板引起對中偏離的原因。

3)對切粒小車導軌基礎平行度與平面度進行復測，誤差均在安裝要求0.05 mm以內，排除了導軌基礎的原因。

4)排除擠出造粒機組基礎沉降因素后，將連接切粒水室的顆粒冷卻水軟管法蘭松開，發現切粒機與模板對中正常。

通過以上檢查可判斷是由于顆粒冷卻水軟管安裝有偏差，導致切粒小車偏離，造成對中偏差。對切粒水室進出口金屬管線的安裝尺寸進行復測，進水軟管未按照設計安裝造成管線應力存在，造成造粒小車中心偏移。安裝標準是以模板中心為基準點，模板平面為X、Y方向，垂直模板為Z方向，誤差要求不大于5 mm，具體數據如表2。

表2 切粒水室進出水金屬軟管數據

此次找到原因后，徹底解決了切粒小車對中問題，將進水金屬軟管更換成長度為6050 mm軟管，并在Y方向高度調整到5557 mm。安裝的不規范，短時間內小車運行正常，模板鎖緊，但是管道應力的存在將會導致刀軸偏離中心，不但切不出合格顆粒，還會造成模板磨損，導致擠出造粒無法正常生產。

1.2 切粒機前進不到位

1.2.1 故障情況

第一次試車，負荷14 t/h排地，16 t/h沖模，再次打回排地時，切粒機前進不到位，被迫停機。切粒機前進，靠液壓油油壓為動力，液壓油作用在液壓油缸活塞上，然后通過液壓油將壓力傳到切粒小車上，從而可以通過改變油壓來控制切粒機的運行狀態。

1.2.2 原因分析

切粒機的前進程序需要三個條件：1)加熱恒溫按鈕打旁通；2)磨刀模式；3)切粒機倒退到位。經過排查，原因為位置顯示切粒機未倒退到位導致切粒機無法前進。因此首先對液壓油泵振動、油壓、電流、電壓檢查，排除了液壓油泵的問題；其次將液壓油管接頭打開，啟動油泵排除了油路堵塞問題；之后對現場儀表限位開關進行檢查清理，排除現場儀表接觸問題；最后儀表通過查看后臺數據發現，切粒機實際已經倒退到位，但由于限位開關的捕捉信號能力較弱，顯示切粒機未退到位。儀表通過抗干擾處理將信號鎖死，解決了切粒機前進不到位的問題。

1.3 切粒三同時

切粒三同時，指的是顆粒冷卻水、熔融物料、切刀同時到達模板。“三同時”的調試是一個非常復雜的過程，僅試車一次就想達到最佳的“三同時”效果幾乎是不可能實現的。一般規定如果水比樹脂過早流入到切粒室，會造成模孔“凍結堵塞”。造成后果就是，產品流量很不穩定，生產出來的粒料很不均勻；如果水比樹脂晚到切粒室處，則在切粒刀貼近模板時，樹脂會纏繞切粒刀。如果切粒刀比樹脂晚到，就會造成墊刀。因此，在產品到達之前，造粒機的刀片就必須位于模板處； 在造粒機啟動時，如果生產能力越高，則說明產品的流量條件也就越好。這樣，產品的流量將很快上升到其最終速度。而這些條件又影響著模板處產品的流量，因此，生產負荷調高一點，就能有效地避免產品的波動。

1.3.1 三同時的設定

故障現象：切粒機合模鎖緊后，切粒機自動啟動，首次切粒墊刀，手動停車，再次試開車兩次均因墊刀停機。

原因分析：首先復測模板平面度、模板與刀軸的垂直度、刀盤的平行度，排除模板、切刀的原因；切刀進、退刀壓力穩定，排除因刀壓引起退刀墊刀。

對三同時進行測定如圖2，擠壓機發出啟動信號，收到啟動信號，3個計時器將全部啟動。三同時的測定是以切粒機轉速為基準，待切粒機轉速達到250 r/min時，顆粒水三通閥開始打直通，進行計時。

A=在模板處的造粒水；B=在模板處的造粒機刀片；C=在模板處的產品

圖2 三同時測定圖

1)操作“復式布置”或對模板進行保護，確定計時器T1的設定時間。從得到信號命令，啟動計器，三通閥動作，到切粒水室有水，時間為10.5 s。

2)確定計時器T2的設定時間。切粒機轉速達到250 r/min，開始計時，到切刀貼到模板上時間為9.5 s。

3)確定計時器T3設定時間，即，“復式布置”需要時間。從得到信號命令，啟動計器，開車閥動作，到切粒水室有物料，時間為9 s。

由此分析，熔融樹脂比切粒刀早到了0.5 s是造成開車墊刀的關鍵原因，當切粒刀貼近模板時被熔融樹脂纏繞，失去了正常切粒作用，造成切粒水室充滿了物料。如圖3。

圖3 墊刀事故圖

通過儀表修改程序對三同時時間進行修正，三同時時間調整為顆粒水(8,5 s)、切粒刀(9.5 s)、樹脂物料(10.5 s)后，開車切粒正常。

1.3.2 切粒刀動作時間

故障現象: 切粒機合模四點鎖緊到位，切粒機自動啟動，切粒機轉速達到250 r/min時，顆粒水三通閥開始打直通。切粒機轉速達到設定值450 r/min后，運行約5 s，跳車，操作員站收到切粒機轉速低報警聯鎖停車。

原因分析：反復觀看錄制的程序視頻，切粒機運行15 s內切刀動作未完成，觸發聯鎖。切粒機轉速達到250 r/min時到貼到模板需要時間為4.5 s，進刀延時時間為11 s，切刀動作完成需要時間為16 s，而切粒機聯鎖時間為15 s。更改程序，切粒機聯鎖時間由15 s延遲到18 s，進刀延時時間由11 s延遲10 s。聯鎖時間為18 s，切刀完成時間為14.5 s。

2 切刀壽命

2.1 切刀磨損

切粒刀技術規范：造粒機刀片的厚度是14 mm。允許的最大總切除率(打磨和磨損)是1.5 mm。這就是說，造粒機刀片最多只能打磨到12.5 mm厚。

問題描述，開車生產后，每天切粒刀的磨損量為0.34 mm，四天停車更換一次切粒刀。頻繁更換切刀不僅影響生產穩定性，也增加了備件使用成本，物料浪費，大大降低了擠壓機的運行效率和聚丙烯的生產效率。

2.2 影響因素

2.2.1 切粒刀進刀壓力

刀片對模板面的壓力對刀片的壽命和顆粒的形狀有關鍵的影響。必須注意：除了刀具液壓缸沖程極端外，在刀具裝置中設有限位鎖緊螺母。在操作期間，對刀具軸的所有前推力都由切粒刀片的刀刃支撐，此刀刃與模板面接觸。因此，給切粒刀液壓缸施加過大的液壓壓力可能引起刀片和模板面的異常磨損。

相反，液壓壓力不足可能引起所謂的“間隙切割”，這可能產生帶尾巴的和鏈接的顆粒等，取決于生產產品。

切粒刀與模板面最佳貼合壓力在初始磨刀時確立

切粒機進刀壓力初始設定為3.9～4.0 MPa，其速度大約為最高速度的2/3。

起動切粒機電動機，使刀具刀片在熱水中運行。

逐漸增大向前的液壓壓力，同時觀察千分表。(I)當刀具開始朝模具面運動時，(II)當刀具不停地向前運動時，(III)當由于刀片接觸模板而使切粒機電機扭矩增大時，只在I、II、III可區分時，記錄下每個液壓壓力。正常情況下，將數據II采用作操作設定壓力。如果刀具向前的向前運動停在中間位置，則升高空氣壓力約0.2 kgf/cm2·g(0.2 bar·g，0.02 MPa·g)。

磨削刀片刃口大約15～30 min。

如果在此操作中，在指示器上沒有出現變化，則升高空氣壓力0.2 kgf/cm2·g，0.2 bar·g，0.02 MPa·g。重復此步驟，直至指示器讀數(磨損)達到0.05～0.1 mm(0.004英寸)為止。

2.2.2 切粒刀

切粒機刀片的設計及其刀片狀況決定著切割效果的好壞。

以下系數是非常重要的：

① 所有新的或重新加工的造粒機刀片的厚度公差，最大± 0.01 mm。

② 切削刃的平整度。

③ 切削刃表面的粗造度。

④ 切削刃的銳利情況。

⑤ 造粒機刀片切割面和背面之間的平行度(< 0.01 mm)。

切削刃的銳利情況：切削刃的銳利情況是決定切割效果的重要因素。鈍切削刃切出的粒料有很小的“下垂物”或引發片塊粒料形成。不可能再進行產品的切割，同時，水下造粒機會停止。

本機組切粒刀刀刃硬度(金屬陶瓷)鐵基硬度為HRC59-61，機組模板wc模板造粒帶表面是碳化鎢(硬質合金)硬度HRC78，造粒帶表面是鑲柱的，兩者硬度匹配。

3 切粒機模板

3.1 模板拆卸與安裝

模板安裝是否規范是造成模板受熱變形主要原因，直接影響切粒效果。

1)原則：熱拆(200℃)冷裝(環境溫度)。

2)說明：由于受停車時間限制，達不到冷裝要求溫度，最高安裝溫度要≤150℃。

3)安裝時要保證模頭、模板接觸面的潔凈及光潔度，模頭內物料要及時清干凈，防止黑粒產生。

4)模板螺栓第一次擰緊力矩為螺栓擰緊力矩的60%(這個力矩時密封力矩)；模板升溫至200℃(保溫1 h后)進行第二次擰緊(80%力矩)；200～230℃(聚丙烯需250℃)進行第三次擰緊(100%力矩)；螺栓擰緊先內后外交叉進行。

5)模板升溫：梯度70或100～150～200～230℃，每個階梯保溫1 h。

3.2 切刀對模板壓力分析

刀片對模板面的壓力對刀片的壽命和顆粒的形狀有關鍵的影響：

①刀軸接觸壓力的壓力控制電路在工廠時已經設置好。如果電位計或放大器規定了標稱值(PLC確定的標稱值)，則實際值必須自動與標稱值相符。

②將刀軸向模板移動，壓力調節值位于20和60 bar之間，對液壓汽缸是適用的。在40 bar時，液壓汽缸上的反壓力是恒定的。

③在20和60 bar之間進行壓力調節時，刀軸從模板向后移動。在20和60 bar之間進行壓力調節時，刀軸是緊靠模板移動的。

1)為了通過向前推力刀具軸給模板施加規定的刀片接觸壓力，用以彌補刀片上的磨損，要以這樣的方式給刀具液壓缸施加調整好的液壓壓力，使刀具軸給模板面施加的推力最佳(刃口給模板面的壓力)。

典型的進刀設定壓力P與刀具速度n之間的關系表示如圖4所示。

圖4 進刀設定壓力P與刀具速度n之間的關系

2)不要施加過大的進刀壓力去迫使刀具刀片朝模板面施加力。為了延長刀具刀片的壽命和制造質量好的顆粒，設定好給刀具液壓的進刀壓力是造粒中最關鍵的因素之一。

3)正常地，為了防止模板噴嘴處的凝固，造粒操作以最大負荷的50%～65%開始。刀具速度大約為最高速度的60%～65%。然后增大負荷。

4)在此情形下，進刀壓力需要從初始的起動進刀壓力(f1)減下來，因為刀具軸向前的推力(f2)(推動力)隨著刀具速度的提高而增大。否則，刀片對模具面的壓力(Fx)將過分增大，從而引起刀片和模具面的迅速磨損。

5)當開始造粒時，刀具軸對模板面的推力(Fx)是：

Fx = f1+f2-(f3+f4+f5)

式中，f1：液壓缸向前的液壓壓力；f2：由熱水給刀片的推力(取決于刀具速度)；f3：液壓缸向后液壓壓力(通常施加恒定的液壓壓力4.0 MPa)；f4：熱水壓力(向后)；f5：摩擦損失等(向后)。

6)切刀速度與切刀對模板壓力曲線見圖5。

f1：給定的進刀壓力；f2：切刀對模板壓力；n：切刀速度。

圖5 切刀速度與切刀對模板壓力曲線

3.3 調整措施

ZSK320機組，進刀壓力為4.5 MPa，退刀壓力4.0 MPa，刀壓差為0.5 MPa。但實際運行中進刀壓力波動不穩，刀壓力逐步下降呈下降趨勢，刀壓差逐步增加，增加了切刀的磨損量。

3.3.1 更換液壓油

液壓油為福斯Renosafe/DU 46 阻燃抗磨液壓油，經對液壓油系統檢查，發現液壓油乳化嚴重并且發現大量水珠(見圖6)，在加裝前在桶內取樣送分析檢驗中心分析水含量，加裝新油水含量3.8%～4.1%。福斯廠家解釋油品為運輸過程中不慎進水，隨即將此批進行更換。將液壓系進行清理，加入合格油品。

圖6 現場檢測圖

3.3.2 降低進刀壓力

ZSK320機組，進刀壓力為4.5 MPa，轉速500 r/min，切刀數量為24把，負荷為30 t/h，切刀磨損量每小時0.03 mm。保正其他運行參數不變，以每次0.04 MPa 幅度降壓，每小時記錄一次累計磨損量，為避免退刀，進刀壓力最小為4.0 MPa。當進刀壓力為4.1時，磨損量基本趨于穩定。

3.3.3 調整切刀轉速

機組切刀轉速500 r/min，切刀數量為24把(其實若長期不是滿負荷運轉，應該減少裝刀把數)，負荷為30 t/h。以顆粒大小和切刀磨損值為判斷依據，逐步降低刀速。切利機轉速允許范圍為380～600 r/min，其他參數不變，每次調整刀速后每兩個小時記錄一次切刀磨損量。通過調整發現，國產切刀調整前的使用壽命約為5天，調整后每天磨損量為0.007～0.01 mm，使用壽命為4～5個月。

3.4 開車墊刀

故障描述:擠出造粒機組開車三次均因墊刀停車，三同時、模板平面度、模板與刀軸的垂直度、切粒刀平面度均符合要求。

原因分析：原則上，液壓刀軸調節設施的行程是5 mm。按照造粒機罩的對接情況和刀軸逆行位置(刀轉子的啟動位置)，造粒機刀片和模板切割面之間的距離至少必須是1～1.5 mm。通過測量，造粒機刀片和模板切割面之間的距離為0.6 mm，由于距離過小，切粒機運行時不能把模板表面樹脂甩掉，切粒刀進刀與模板貼合造成墊刀。造粒機刀片和模板切割面之間的距離調整為1.3 mm，墊刀問題得到解決。

1、模板，2、切刀，3、刀盤，4、軸位移顯示，E、切刀與模板距離

4 結束語

通過對影響擠出造粒機組切粒效果的切粒小車、三同時、切刀磨損、模板等因素分析，并用于實踐，影響因素除了各自的性能和質量穩定性影響造粒過程外，還與各部件之間的協調配合有很大的關系。對各因素不斷的調整優化，使擠出造粒機組切粒問題得到解決。提高了擠壓造粒機組的運行周期和聚丙烯產品的優級品率，為企業創造了良好的經濟效益。