以德国WP公司为技术代表的同向双螺杆挤出机属于啮合型,物料在筒体中的自由容积偏小,另外由于受双螺杆中心距的限制,传动箱推力轴承的设计和选型均受到一定的影响,因而生产能力较同规格的混炼机低,但由于其螺杆和筒体可以做成“积木式”结构,可根据物料的特点调整螺杆组合,有效地控制物料的混炼、剪切和停留时间,对物料的适应范围比较宽,特别适用于多品种物料的生产。
双转子连续混炼机属于非啮合型,物料在筒体中的自由容积较大,由于中心距较大,传动箱推力轴承的设计和选型的余地比较大,转子刚性较好,因而设备的承载能力较高,又加之双转子混炼段的特殊型线设计使其能在很短的长径比内即可完成物料的输送、熔融和混炼,生产能力较高。但由于双转子是整体式的,一旦设计好后便只能适用于某种特定的物料,适应性较差。
具体选型时应首先根据各个生产厂所需生产物料的操作工艺特点选择合适的主机结构形式,以确保设备以后在使用中能够更好地满足用户的需求。
2.2 选择合适的筒体加热冷却方式
目前,大型挤压造粒装置常用的筒体加热冷却方式主要有3种:蒸汽加热水冷却、电加热水冷却和热油加热低温油冷却。三者各有利弊,选型时应根据石化企业自身的条件和要求来选择合适的方式:
a.蒸汽加热水冷却。这种方式利用的蒸汽一般是企业从别的周边设备输送过来的多余的蒸汽,属于能源再利用,可为企业节省大量的能源,降低运行成本。但缺点是蒸汽压力和温度不稳定,易引起筒体温度波动,使熔体温度不稳定,影响切粒效果。同时由于冷热交换温度梯度大易引起蒸汽管路及挤出机主机产生振动。
b.电加热水冷却。这种方式冷热交换温度梯度大,管线及筒体易产生脉冲振动,电磁阀及连接法兰处易产生泄漏,调节方式不够灵活,易出现局部过热及加热器短路现象,影响物料的混炼及切粒效果。
c.热油加热、低温油冷却。采用这种方式,当设定好筒体温度后,热油加热回路的电磁阀和冷却水回路的电磁阀便可以根据筒体温度的变化自动地开关,确保其温度的稳定。因此,筒体无脉冲振动,温度控制平稳,筒体膨胀量恒定,温度控制灵敏,切粒效果好。其能耗与电加热方式大致相同。
2.3 模板加热方式的选择
模板是大型挤压造粒装置中的关键零件,其加热方式的合理与否直接影响到切粒的成品率及开孔率的高低,直接影响到挤出机的产量,因此选型时必须慎重对待。模板的加热方式主要有以下几种:
a.高压蒸汽加热。与筒体加热方式一样,这种方式可为企业节约能源,但蒸汽压力和温度的波动同样会影响到挤出机的开孔率及制品的质量,导致产品成品率下降。
b.导热油加热。这种控制方式可以确保模板温度的平稳控制,不会因颗粒冷却水温度的变化而发生变化,模板开孔率高,切粒效果好,因而得到了广泛的应用。
c.电加热。由于水下切粒模板与机头体相连,且被密封在切粒室内,电加热从理论上是可行的,但对加热棒及模孔的分布有着十分高的设计和制造要求,且安装和维护都十分不便,故仅有少量用户在中等规格的机型上使用,且效果一般。
d.模板不采用加热。仅靠熔体和机头体的热传导让模板保证恒定的温度,这种做法可靠性比较低,由于模板温度不能进行单独控制,经常会由于模板温度不稳定导致其开孔率下降,影响切粒效果,这种方式在小型机上比较常见,在大型设备上用的很少。
2.4 配置中是否带齿轮泵
目前国内引进的大型挤压造粒装置中双螺杆挤出机有70%以上均带有齿轮泵,双转子连续混炼机基本上全部带有齿轮泵。不带齿轮泵的挤出机(图2),仅靠双螺杆及筒体完成物料的输送、熔融和均化建压的任务;带齿轮泵的挤出机(混炼机,图3),将均化建压功能转移给齿轮泵来完成,齿轮泵安装在卸料(开车)阀和换网器之间,其作用在于将熔体增压以达到更高的输出量并稳流泵送至水下切粒机头。两者在工作原理、建压功能及对物料的适应范围等方面均存在差异。
1—挤出机(混炼机)主机;2—卸料阀;3—换网器;4—水下切粒机头
图2 不带齿轮泵的挤出机主机结构示意图
1—挤出机(混炼机)主机;2—卸料阀;3—齿轮泵;4—换网器;5—水下切粒机头
图3 带齿轮泵的挤出机主机结构示意图
2.4.1 工作原理
不带齿轮泵的挤出机,均化建压段的双螺杆元件是以同向旋转的拖曳流方式工作的,由均化建压螺杆元件互相啮合,使熔体压力得以提高并稳流送至切粒机头。
带齿轮泵的挤出机,均化建压功能是由按照主动置换原理工作的泵来完成的。两个齿轮在机壳内异向旋转,壳体与齿轮侧面之间非常紧密的间隙形成涡流密封,熔体在分别独立的齿槽空间中流动,齿槽空间经加载压力后因间隙节流而使齿槽空间互相密封。
当吸入室一侧的齿和齿逐渐分开时,吸入室容积增大,压力降低,便将吸入侧的熔体吸入泵内,吸入的熔体分两路在齿槽内被齿轮推送到排出室。由于排出室一侧的轮齿不断啮合,使排出室容积缩小,熔体压力升高,将熔体压送到切粒机头。
2.4.2 建压功能
带齿轮泵的挤出机(混炼机)双螺杆(双转子)只起到输送、熔融和混炼的作用,螺杆(转子)末端的熔体压力低,熔体压力的提升靠齿轮泵来完成,高的泵出口压力可达到35MPa。不带齿轮泵的挤出机,熔体压力仅靠双螺杆互相挤压均化来提升,其熔体压力不如泵送压力高且熔体流量不如泵送稳定。
2.4.3 对物料的适应范围
带有齿轮泵的挤出机,其加工产品的范围较宽,除常规塑料产品外,还可加工双峰分子量分布的聚合物、熔融指数小于0.5和熔融指数大于75的聚合物以及加入熔融添加剂或液体添加剂进行降解改性的塑料产品。不带齿轮泵的挤出机,在加工以上这些产品时,切粒成品率远小于带齿轮泵的挤出机。这是因为切粒成功的首要条件是在机头模板处得到压力、温度和流量均稳定的聚合物熔体流,泵送熔体的压力和温度稳定性好于均化建压螺杆元件。
2.4.4 其他
带齿轮泵的挤出机和不带齿轮泵的挤出机相比,尽管前者一次性投资较后者高,占地面积较后者大,维修量、备件费和故障停机几率较后者高,操作程序较后者复杂,但其对物料的适应性强,切粒成品率高,具体选型时应根据物料的操作工艺条件和现场公用工程条件综合考虑。
2.5 选择合适的机电仪联锁控制方式
一般设备出厂时,设计方都会给用户提供一个具有自家特色的常规联锁控制方式,但由于整条生产线的控制点多,机电仪之间需要设置的联锁关系较为繁杂。况且针对不同的物料及操作工艺条件,其联锁控制模式也会发生相应变化。
通过大量的调研发现,目前国内在用的大型挤压造粒装置中,绝大多数用户的联锁控制方式均存在或多或少的问题,这些问题轻则导致操作复杂,重则产生谎报、误报甚至引发事故。究其原因都是由于在设备选型过程中买卖双方交流不够引起的,如果选型工作做到位,这些情况是完全可以避免的。
2.6 上下游配套设备的能力设计应留有足够的余量
在大型挤压造粒装置中,挤出机(混炼机)属于其核心设备,其余上下游设备全都是围绕主机来开展工作的,其系统性和配套性很强。因而设计选型时,在主机生产能力确定好之后,上下游设备如:配料系统、失重式计量加料系统、水下切粒系统、离心甩干、振动筛及掺混系统的能力均应大于其配套主机,并留有足够的余量,否则任何一个环节能力偏小都会影响整条生产线的正常运行。
2.7 辅助系统零部件使用的可靠性不容忽视
在大型挤压造粒机的选型工作中,人们往往把大量的精力投入到关键零部件及其系统上,对辅助系统往往一带而过。其实在生产过程中,容易坏的、更换频次高的往往是一些容易被人们忽视的泵、阀、冷却器及换热器等,这些小的零部件尽管造价不高,但其在使用过程中起着与主机同样重要的作用,其损坏往往也会影响整条线的生产。因而建议如下:
a.为了提高辅助系统关键零部件使用的可靠性,使用时尽量选用可靠性较高的名牌产品;
b.对一些损坏即影响到主机系统正常工作的零部件,一般建议同时安装两套,一开一备,如:填料、添加剂计量秤、筒体、电机、传动箱冷却水系统,液体助剂添加系统以及传动箱等油润滑系统等。
2.8 设备的操作维护要方便、可行
由于成套机组占地面积比较大,且一般都是根据工艺要求安装在不同的楼层上,因而操作时单靠控制室中的集中操作显然是不可行的,因此建议一些需在现场操作的关键设备设置现场操作盘,以方便现场操作和维护,如:添加剂或填料的配料系统、设备启动电机等。
3 结束语
大型挤压造粒装置的选型是一项系统而又繁琐的工作,具体选型时应根据用户方的作业要求选择合理的机型配置。
由于机组机电仪控制点多,相互之间的联锁控制方式复杂,选型时必须根据作业物料的特点选择较为合理的联锁控制方式,在方便操作的同时减少事故的发生率。
除主机系统外,辅助系统关键零部件均需有良好的可靠性,关键零部件需一开一备以保证生产的连续性。
机组的上下游系统需留有足够的设计余量以保证整条生产线的正常运行。
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