淺談新品裝置熔融紡絲用雙螺桿擠壓機(jī)的特點(diǎn)

姜海峰（中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司化工部 天津 300270）

一、前言

天津石化公司2000 噸/年新品裝置是中石化集團(tuán)公司在天津石化設(shè)置的差別化滌綸

短纖維研發(fā)基地， 裝置采用以常規(guī)切片及改性聚酯切片以原料的間接紡絲生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)的產(chǎn)品為差別化滌綸短纖維，裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2000 噸/年，其裝置是由英國(guó)Rosin 公司引進(jìn)的切片干燥設(shè)備、由瑞士Luwa 公司引進(jìn)的紡絲空調(diào)設(shè)備、由日本Abe 工程公司引進(jìn)的螺桿擠出機(jī)及紡絲設(shè)備以及由德國(guó)Feissner 機(jī)械制造公司引進(jìn)的后加工主體設(shè)備， 其中集束架、打包機(jī)等設(shè)備由國(guó)內(nèi)配套，控制系統(tǒng)先進(jìn)，適合快速轉(zhuǎn)產(chǎn)、小批量研制開(kāi)發(fā)新品種。2011 年，根據(jù)聚苯硫醚（簡(jiǎn)稱PPS）紡絲工藝特點(diǎn)對(duì)PPS 紡絲工藝及其生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行工程設(shè)計(jì)， 利用新品裝置現(xiàn)有部分設(shè)備，引入先進(jìn)的工藝技術(shù)和部分設(shè)備，以線性聚苯硫醚切片為原料，改造建設(shè)一條年產(chǎn)1000 噸（3 噸/日）的聚苯硫醚短纖維紡絲生產(chǎn)線， 而其中引進(jìn)的熔融紡絲過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備是SHJ 型雙螺桿擠壓機(jī)。

二、雙螺桿擠壓機(jī)工作原理：

熔融紡絲設(shè)備的主要作用是把高分子聚合物的熔體在計(jì)量泵精確定量后，從噴絲板小孔噴到空氣中，使之凝固冷卻而成纖維，熔融紡絲設(shè)備的紡絲速度高，生產(chǎn)能力大。

雙螺桿擠壓機(jī)是熔融紡絲設(shè)備的一個(gè)重要組成部分， 與單螺桿擠壓機(jī)相比， 一方面雙螺桿擠壓機(jī)具有優(yōu)良的輸送物料和自潔的性能，另一方面可在低速下獲得滿意的混煉效果。 雙螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)形式按其兩根螺桿的嚙合程度可分為嚙合型雙螺桿擠出機(jī)和非嚙合型雙螺桿擠出機(jī)， 按旋轉(zhuǎn)方向可分為同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)和異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)， 按照兩根螺桿軸線的平行與否可分為錐形雙螺桿擠出機(jī)和平行雙螺桿擠出機(jī)，目前，新品裝置1000 噸/年的聚苯硫醚短纖維紡絲生產(chǎn)線采用的是SHJ 型同向平行雙螺桿擠出機(jī)。

工作原理:

料筒中的聚合物切片， 靠喂料螺桿混合送入加料口進(jìn)入螺桿的螺槽中，由于螺桿的

轉(zhuǎn)動(dòng)，把切片不斷推向前進(jìn)。 切片一方面不斷吸收加熱裝置供給的熱量，一方面因切片與切片、切片與螺桿及機(jī)筒的摩擦以及液層之間的剪切作用，而由一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，切片在前進(jìn)過(guò)程中逐漸融化，產(chǎn)生的氣體由排氣裝置排出，最終形成熔體。 所以說(shuō)雙螺桿擠出機(jī)對(duì)物料有四個(gè)作用，一是將固定物料計(jì)量輸送，二是把聚合物熔融成熔體，三是將物料在熔融過(guò)程中產(chǎn)生的氣體排出， 四是在一定的機(jī)頭壓力下將熔體定量地不斷輸出。

三、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（圖1）

1.螺桿的結(jié)構(gòu)特征

螺桿是雙螺桿擠壓機(jī)中的關(guān)鍵零件， 其結(jié)構(gòu)及參數(shù)直接影響雙螺桿擠壓機(jī)的性能好壞， 如擠出熔體質(zhì)量的優(yōu)劣和產(chǎn)量的高低等。

SHJ 型雙螺桿擠出機(jī)配套螺桿采用等螺距而不等槽深的漸變螺桿， 熔化過(guò)程得以逐步進(jìn)行， 所有物料能均勻地受熱和混合，并在螺桿的頭部，加裝混合頭，以達(dá)到增強(qiáng)混合和均勻的效果，并能穩(wěn)定機(jī)頭壓力和減少流量的波動(dòng)，提高了熔體溫度和粘度的均勻性，保證機(jī)頭壓力和流量的穩(wěn)定性。 螺桿螺紋組件采用積木式組合，包括螺紋輸送組件、混煉組件、剪切組件、返混組件等，可根據(jù)物料工藝要求排定組合，螺桿元件與芯軸采用漸開(kāi)線花鍵聯(lián)接，材質(zhì)采用耐磨高速工具鋼。 （圖2）

1.1 SHJ 配套螺桿的特點(diǎn)：

（1）高強(qiáng)度：螺桿在工作中受到彎、扭、壓的聯(lián)合作用，特別是在“環(huán)結(jié)”或金

屬雜物卡死螺桿時(shí)受力很大， 為了保證其高強(qiáng)度性能，SHJ型雙螺桿芯軸采用40CrNiMoA 材質(zhì)，在加工中經(jīng)多次調(diào)質(zhì)處理，以清除機(jī)械加工中的內(nèi)應(yīng)力，保證在高溫高壓下工作不變形。

（2）高耐磨性：螺桿在工作中，物料與其表面產(chǎn)生一定的外摩擦，在計(jì)量段與壓

縮段中的摩擦力最大。 為了提高螺桿的耐磨性，SHJ 型雙螺桿元件采用40CrNiMoA 合金鋼氮化處理，增加耐磨性能。

（3）高耐熱性：由于螺桿的工作溫度在200～350℃之間，但螺桿與套筒的間隙很小，且接觸又很長(zhǎng)，而SHJ 型雙螺桿能在溫度為400℃的工作條件下，不改變其機(jī)械性能，保持螺桿原有的強(qiáng)度和尺寸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

（4）高耐腐蝕性：采用40CrNiMoA 合金鋼作為螺桿材質(zhì)，并經(jīng)離子氮化處理，

最大限度上緩解了螺桿與物料接觸時(shí)的腐蝕。

2.機(jī)筒的結(jié)構(gòu)特征

機(jī)筒和螺桿共同完成物料的輸送、壓縮、熔融與混合，直到熔體擠出，因此，機(jī)筒可看成是一個(gè)壓力容器，SHJ 型雙螺桿擠出機(jī)配套機(jī)筒采用分段式雙金屬筒體，機(jī)筒共分為10 段筒體采用電加熱、水冷卻方式，其中第二、三節(jié)采用鑄銅加熱器，其余各節(jié)采用鑄鋁加熱器。

SHJ 配套機(jī)筒的特點(diǎn)：

（1）機(jī)筒與螺桿的配合：套筒與螺桿的配合間隙直接影響到雙螺桿擠壓機(jī)的生產(chǎn)效率，間隙太大，產(chǎn)量則顯著下降；間隙過(guò)小，將給制造和安裝帶來(lái)困難。 由于機(jī)筒在工作時(shí)受到較大的內(nèi)應(yīng)力， 所以SHJ 型雙螺桿擠壓機(jī)機(jī)筒內(nèi)襯采用耐磨、 耐腐蝕45鋼鑲合金套（α101 材質(zhì)）并經(jīng)氮化處理，且表面硬度要高于螺桿。

（2） 機(jī)筒的壁厚：SHJ 型雙螺桿擠出機(jī)機(jī)筒壁厚不僅滿足強(qiáng)度要求，而且還可滿足結(jié)構(gòu)的工藝性和足夠的熱容量，減小了機(jī)筒的溫度波動(dòng)。

3.加熱和冷卻裝置

雙螺桿擠出過(guò)程是一個(gè)熱過(guò)程， 在這一過(guò)程中要向聚合物提供由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的熱量， 而雙螺桿擠出過(guò)程的這種熱量來(lái)源有兩個(gè)，一個(gè)是外加熱器提供的熱傳導(dǎo)，還有一個(gè)是由于螺桿對(duì)物料的剪切，把電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成的熱能，但由于螺桿高速旋轉(zhuǎn)，在有的情況下，由機(jī)械能轉(zhuǎn)變成的熱能加上加熱器提供的熱能大于狀態(tài)轉(zhuǎn)變所需的熱能， 這時(shí)非但不需要外加熱器繼續(xù)提供熱量，還要采取措施把多余的熱量移走，否則會(huì)造成聚合物過(guò)熱分解，這時(shí)就需要冷卻裝置，因此，螺桿的擠出過(guò)程實(shí)際上是一種滿足設(shè)定溫度條件下的熱過(guò)程， 為提供這一溫度條件，就需要加熱和冷卻裝置。

3.1 加熱系統(tǒng)

SHJ 雙螺桿擠壓機(jī)采用的是鑄鋁電阻加熱器，采用高電阻導(dǎo)電材料制成，除具有一般電阻加熱器的優(yōu)點(diǎn)之外，鑄鋁加熱器能夠制成與機(jī)筒表面十分吻合的形體，其間空氣間隙很小，有利于熱傳導(dǎo)，電熱棒鑄造在鑄鋁殼體內(nèi)，改善了熱傳導(dǎo)性能，增強(qiáng)了電熱棒的抗振、抗氧化和防潮、防爆特性。

3.2 冷卻裝置：

SHJ 雙螺桿擠壓機(jī)冷卻裝置包括冷卻水槽、換熱器、離心式循環(huán)泵及配套管線，采用封閉式循環(huán)水冷卻方式，可滿足機(jī)筒、螺桿和加料口以及三個(gè)部位的冷卻，此外，傳動(dòng)裝置潤(rùn)滑油系統(tǒng)設(shè)置有換熱器，與冷卻裝置進(jìn)行換熱，以此降低傳動(dòng)箱內(nèi)軸承的溫度，延長(zhǎng)傳動(dòng)裝置的使用壽命。

4.真空排氣裝置

雙螺桿擠壓機(jī)在擠出過(guò)程中物料中的空氣、殘留單體、低分子揮發(fā)物、溶劑、反應(yīng)生成物中的氣體如果得不到及時(shí)排出，會(huì)在擠出的熔體表面或內(nèi)部出現(xiàn)氣隙、氣泡、疤痕、 表面昏暗等缺陷，還會(huì)影響熔體的物理和力學(xué)性能、化學(xué)性能、電性能和光學(xué)性能，因此，SHJ 型雙螺桿擠壓機(jī)設(shè)有真空排氣裝置，而真空排氣過(guò)程中起到關(guān)鍵作用的是水環(huán)式真空泵。 圖4

水環(huán)泵是由葉輪、泵體、吸排氣盤(pán)、水在泵體內(nèi)壁形成的水環(huán)、吸氣口、排氣口、輔助排氣閥等組成的。 葉輪偏心的安裝在泵體內(nèi)，啟運(yùn)前向泵體內(nèi)注入一定量的水，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水受離心力作用，在泵體壁內(nèi)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)液環(huán)，葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個(gè)月牙空間，在前半轉(zhuǎn)，兩葉片與水環(huán)之間的密封內(nèi)腔容積逐漸變大，產(chǎn)生真空、氣體由分配板的吸入口吸入，在后半轉(zhuǎn)，密封內(nèi)腔容積逐漸縮小，氣體被壓縮并由分配板的排汽口排出。 工作液為冷卻水，除了起形成液環(huán)作用外，還起著帶走氣體壓縮熱以及密封分配板與葉輪端面間隙的作用， 運(yùn)行時(shí)真空泵內(nèi)的部分工作液會(huì)隨氣體排出，須連續(xù)向真空泵供水，工作液溫度不斷地升高，由管式換熱器進(jìn)行冷卻。

四、結(jié)束語(yǔ)

以上是本人通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐得到的對(duì)熔融紡絲用雙螺桿擠壓機(jī)的一些認(rèn)識(shí)，還不夠完整。 SHJ 型雙螺桿擠壓機(jī)在結(jié)構(gòu)上還有很多獨(dú)到的特點(diǎn)，由于生產(chǎn)時(shí)間很短，有些特點(diǎn)還沒(méi)有被充分的認(rèn)識(shí)到，隨著生產(chǎn)的逐漸正常，我們對(duì)其在其它方面的設(shè)計(jì)也會(huì)有進(jìn)一步的了解，同時(shí)，也會(huì)發(fā)現(xiàn)其存在的問(wèn)題和不足，這些都有待于我們?cè)谝院蟮纳a(chǎn)實(shí)踐中逐步摸索改進(jìn)， 從而使其發(fā)揮最大的功用。

[1]《纖維機(jī)械設(shè)計(jì)原理》紡織工業(yè)出版社

[2]《化纖設(shè)備》 紡織工業(yè)出版社

[3]《螺桿擠出機(jī)》 紡織工業(yè)出版社