雙螺桿擠出機生產ABS異常分析及解決方法研究

范文波

(鎮江奇美化工有限公司，江蘇 鎮江 212003)

0 概述

根據《中國雙螺桿擠出機行業現狀調查分析及發展趨勢預測報告（2021年版）》，雙螺桿擠出機在市場中的定位、行業發展現狀、市場動態、重點企業經營狀況、以及對產業鏈影響等分析[1]，雙螺桿擠出機在生產ABS的行業中有著舉足輕重的作用。

雙螺桿擠出機屬于塑料加工機械，也即有兩根主軸在筒體內同向轉動經過輸送和混煉加工成半成品或成品簡單描述為：粒料或粉料經加料斗加入加料口，經螺桿推動和混煉產生的壓力和剪切力，使物料摩擦生熱或加熱后變成熔融狀，也稱塑化后經摸頭處擠出。

依據摸頭料流方向以及螺桿中心線的夾角，可以將摸頭分成直角機頭和斜角機頭等。目前市場上的塑料制品制造可分為板材型押出成型，摸頭大多為垂直型的開口扁平狀，經三輥或四輥押板機押出成型；而一般作為傳統工程塑料的基材ABS粒料，則是通過摸頭處的多孔板押出成條狀，經牽引后切粒成半成品，鑒于ABS生產工藝的演變，ABS粒料的生產已有傳統的兩段式逐漸變為一段式擠出機押出，通過垂直的摸頭下料直接切粒制成。

1 雙螺桿擠出機的組成

雙螺桿擠出機系統有：電機、減速機、擠出機入料口、主軸螺桿、螺塊、換網機、摸頭、水槽、切粒機、silo等組成。雙螺桿擠出機較常用在高產量，混煉度高的場合，比如：染色粒，或各種ABS生產。以ABS粒生產裝置為例，擠出機生產流程圖如圖1。

圖1 擠出機生產流程圖

關于雙螺桿擠出機的工作原理的相關資料和信息，在百度網盤和各種文獻資料中有大量體現，所有作者都認為減速機、螺桿、螺塊等為雙螺桿擠出機的重中之重的配套設備或部件。

下面簡單介紹一下：螺桿和螺塊兩大重要部件。

1.1 螺桿

是擠出機的心臟，螺桿的長短和強度，決定了一臺擠出機產量、物料輸送的快慢，產品塑化速度、混煉后的物料溫度、產品耗能等。通過螺桿的轉動使塑料在螺桿和筒體的間隙中產生擠壓，移動、增壓以及從摩擦中獲取部分熱量，塑料在料筒中移動的過程中獲得混合和塑化，因為混煉中有部分橡膠含有一定的水分和酸堿性，所以對螺桿和筒體有較高的要求，一般為高強度、耐熱和耐腐蝕的合金制備而成。

螺桿是擠出機的關鍵部件，作為螺桿的材料必須具備耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高強度等特性，具體有如下幾點要求：

（1）力學性能高。要有足夠的強度，以適應高溫、高壓的工作條件。

（2）機械加工性能好。要有較好的切削加工性能和熱處理性能。

（3）耐腐蝕和抗磨性能好。特別是一些具有強酸環境下的螺桿。

雙螺桿擠出機喂料特性好，適用于粉料加工，且比單螺桿擠出機有更好的混煉、排氣、反應和自潔功能，特點是加工熱穩定性差的塑料和共混料時更顯示出其優越性。根據螺桿長徑比、L/D、料筒內徑與螺桿直徑差的一半稱間隙δ、一螺旋角Φ是螺紋與螺桿橫斷面的夾角、壓縮比等方面能很好的解釋擠出機的設計原理。其中L/D一般般能反映出擠出機制造能力，國內一般的長徑比為18～25，由于制作精度，鋼材硬度強度稍有不足，一般產品產能在2 t/h以下。我接觸的擠出機螺桿直徑：177 mm、螺桿長度：8 252 mm、長徑比：L/D=46.6，目前為國內最大產量的擠出機，全球比較有名的生產廠商有：日本TOSHIBA（圖2），德國WP，德國科倍榮，美國century等，他們產品產能能達3 t/h以上。

圖2 MAX L/D=46.6

1.2 螺塊

螺塊的作用是提供剪切力，在螺桿的高速轉動下，物料被各種形式的螺塊輸送，壓縮，剪切，使物料溫度急劇上升而呈熔融狀，由于物料一般由多種物料組成，此時需要獲得高混煉度的狀態，可以通過不同形式的螺塊組合獲得，一般螺塊(圖3)有右旋，中性，左旋，反旋四種，混煉效果也是逐漸增強！

圖3 左、右旋螺塊

1.3 雙螺桿擠出機的工作原理

物料沿螺桿前移時，經歷著溫度、壓力、黏度等的變化，這種變化在螺桿全長范圍內是不相同的，根據物料的變化特征可將螺桿分為加(送)料段、壓縮段和均化段。塑料在擠出機中存在三種物理狀態——玻璃態、高彈態和黏流態的變化過程，每一狀態對螺桿結構要求不同。

加料段L1(又稱固體輸送段)，熔融段L2(稱壓縮段)，均化段L3(計量段），塑料在這三段中的擠出過程是不同的。

經過混煉和塑化的物料被擠到摸頭處，摸頭的作用是將塑料熔體轉變為平行直線運動，使塑料進一步塑化均勻，并使熔體均勻而平穩的導入流道，還賦予必要的成型壓力，使塑料易于成型和所得制品密實。塑料在流動時根據流道的設計形狀（常見為魚尾狀）分配壓力，然后經多孔板擠出成型。摸頭的組成部件包括筒體連接段、換網器、摸頭流道、多孔扳等。

3 雙螺桿擠出機生產粒子（以ABS為例）常見生產異常及解決對策

各種文獻、論文和網盤對雙螺桿擠出機的組成、工作原理、設計理念的介紹非常多，但只僅限于一些理論描述，對實際的生產或加工過程幾乎沒有提及，而且在各種書籍和雜志刊物中也很難看到有關操作的實際論述，因為操作部分大多為各公司企業經過大量的失敗成本得到的經驗總結，為避免競爭很少會與同行分享。故前述部分也只是對簡單作了描述，而我重點將從實際操作著手為大家講述生產中遇到的各種異常。

3.1 筒體漏水解決對策

（1）擠出機筒體

擠出機筒示意圖如圖4。

圖4 擠出機筒體示意

（2）筒體漏水的原因

端面焊接不良有砂眼或氣孔，或長期溶氧腐蝕造成點蝕。一般漏水點 出現在筒體內測的冷卻流道或斷面的焊接點處（圖5）。如果發生漏水現象，則是因為冷卻水壓大于低壓側的料缸內壓力，水會進入腔體遇到高溫會迅速氣化，如水汽不能被抽出，則會隨著物料一起被擠出，當從摸頭處擠出時，氣體會立即釋放，造成膠條斷條，無法正常擠出！如果關閉筒體冷卻水，則物料缺少冷卻會造成該段的物料溫度一直偏高，影響品質。

圖5 筒體焊接點點蝕

（3）解決對策

一般遇到此現象，需立即停車更換筒體作焊接處理。焊后作氣壓試壓，或用染色探傷，或作PT探傷，沒有異常后再投入使用，但如果有生產壓力，也可采取特殊手段作繼續生產。如采用壓縮空氣或抽真空方式給物料進行冷卻即可繼續生產。

3.2 高橡膠ABS混煉不均的解決對策

（1）混煉不均的原因

橡膠與AS粒子在擠出機內經過混煉熔融后隨摸頭處押出并切粒，產品后續會被送至下游工廠進行注塑成型，生產各種最終產品。橡膠在產品中的主要作用是提高沖擊強度和良好的彈性，但如果在注塑后橡膠混煉不均（圖6），在注塑件的表面易形成麻點，一則影響強度而且影響美觀。

圖6 橡膠混煉不均微觀圖

（2）解決對策：

a.從操作層面：降低粒子入料端的溫度，增加粒子的摩擦；提高螺桿的轉速；增加從而提高混煉效果。

b.改變組型：增加混煉段的螺塊，減少部分輸送段的螺塊，從而增加混煉（圖7）；螺塊溝槽深利于輸送，而溝槽淺物料與筒體的摩擦增大，利于物料塑化，增加成型效果。

圖7 改變組型示意圖

c.增加新型齒狀強混煉螺塊（圖8）。

圖8 齒狀混煉螺塊

①有很好混合功能

②是單頭螺桿元件安裝ZME時注意事項：

③和雙頭或三頭螺桿元件安裝在一起進必須之間安裝至少1 mm的Spacer墊片。否則萬一芯軸縱向有及其微小的移動的時候，在兩個軸上同一位置的一對螺桿元件即可能造成碰撞，打架。

●其合理性可以在嚙合塊看一下，兩個相鄰碟片之間是有已經Buit-in的1 mm的間隙的。

3.3 螺桿的螺塊和筒體腐蝕

（1）產生原因

雙螺桿擠出機生產時，如果生產的物料為酸性，在高溫高壓的情況下，極易發生腐蝕（圖9），根據研究，酸在高溫下（大于60 ℃）的腐蝕速度呈直線上升，是常溫腐蝕速度的10倍！

圖9 螺塊腐蝕圖

從圖9中可以看出，螺塊被腐蝕直接剝落，隨物料輸送至換網器處被遮擋，因網前壓力發生變化，得以發現！在抽取螺桿后發現，螺桿也有一定程度的腐蝕，如果繼續運行，則有斷軸的風險。為防止剝落的螺塊對筒體造成損傷，用內窺鏡進行檢查，發現筒體內壁果然出現被刮傷的痕跡！

（2）防止對策

在酸性環境無法避免的情況下，優先考慮改變螺塊材質，由原先僅抗磨的材質改為既抗磨又抗酸腐蝕的鎳基合金增加抗腐蝕性，其次考慮增加檢修頻次，對易腐蝕端定期更換，減少因剝落帶來的后續不良影響！

3.4 產品出現異色粒

（1）出現異色粒的原因

真空廢液倒流：物料在熔融后，一般都存在氣相殘單，在筒體的低壓段體積膨脹后氣化，在此設置的真空口正好利用負壓進行抽取，因氣體在抽取過程中會冷凝，冷凝液會因為真空裝置的平頂的有可能會直接跌落到產品上，或沿管路回流至真空口，如果真空口排放廢液的溝槽或收集罐滿溢，則真空廢液則會倒流至筒體，隨物料押出形成色差粒！

（2）解決對策

a.保持真空度，一般控制在150 torr以內，可適當進行遠傳控制。

b.對真空裝置可適當進行保溫處理，減少廢氣的冷凝。

c.對真空口的平頂結構改為斜面!（見圖10）。

圖10 斜面真空口

3.5 真空口翻料，產量偏低無法正常生產

（1）發生原因

橡膠BP粉中含有一定的水分，在與AS粒子由寬螺距向窄螺距輸送的過程中，經過壓實段后，水分很難再向后逸出，只能向前移動，當物料在不斷混煉過程中溫度逐漸上升直至熔融，水分被迅速汽化，在經過低壓端真空口處，如果負壓不足或水汽過多，則水汽在逸出時將熔融的物料帶出，從而引起真空口翻料，將真空廢氣管堵塞，一則影響產品品質，而且有可能引起機臺跳車，甚至設備損壞。

簡單計算一下含水量：以800 kg/h產量的雙螺桿擠出機為例

1kg水汽化體積膨脹1 244.44 L（1 000 L/18)×22.4= 1 244.44 L

水汽化后總體積V=19.2×1 244.44=24 m3/h

而實際現場配備的真空泵能力明顯不足，導致水汽無法被迅速抽取。

（2）解決對策

a.根據真空口實際尺寸、管徑的大小、水汽的在真空泵入口處的溫度以及真空度，再考慮空氣的泄漏量，和真空泵的安全工況并按真空泵的設計原理選擇吸氣量為25 m3/m的真空泵（一臺真空泵帶4條產線，有一定的余量）。

b.增加側向抽氣裝置，調整抽氣螺桿的轉速和主螺桿的轉速增加混煉增加排氣效果，然后逐步提升產量，最終提產過程如表1：雙螺桿擠出機在生產過程中遇到的問題遠非以上幾種，文章僅羅列了幾種常見異常及解決方法，有些需要配合其他專業的化工知識進行，如真空泵的選型等；有些異常的處理需具體問題具體對待，可通過不斷的摸索得出總結經驗，比如筒體的水泄漏可實現不停機的在線操作延長生產周期，等等。

表1 產量與轉速對照表

4 總結

在我國的塑料和橡膠的擠出行業中，擠出機的發展前景非常廣闊，國內的雙螺桿擠出機受制于螺桿的材質強度，螺塊的耐磨耐腐蝕，筒體的間隙精度，國產機臺一般都是小型設備，產能在3 t/h以下，而大型擠出機由于機械加工能力和制造精度等原因，目前在國內仍處在瓶頸期，大多依賴于進口。這種類型的加工企業一般經濟實力比較雄厚，單臺設備投資往往超億元，對如何穩定生產有很高的要求。

只有對這種類型的設備深入研究，遇到問題不斷的摸索，有針對性的解決生產異常尤為重要，本論文有關的解決方法，希望能給業界或同行一點幫助和啟發。