雙螺桿塑料擠出機(jī)節(jié)能技術(shù)研究

梁曉剛，王敏，何振鵬，崔雯

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

雙螺桿塑料擠出機(jī)節(jié)能技術(shù)研究

Study on twin-screw extruder energy saving

梁曉剛，王敏，何振鵬，崔雯

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

列舉了塑料改性造粒雙螺桿擠出機(jī)組的能耗組成，提出主電機(jī)能耗是其中占比最大的因素。分析了影響主電機(jī)能耗的各項(xiàng)因素；收集了與作業(yè)物料有關(guān)的單產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)；開展了擠出量、螺桿長徑比、螺桿轉(zhuǎn)速等主要因素的能耗試驗(yàn)；開展了不同機(jī)型的能耗試驗(yàn)；提出了降低能耗的方法和措施。

節(jié)能技術(shù)；雙螺桿擠出機(jī)；塑料改性；單產(chǎn)能耗

雙螺桿擠出機(jī)是目前最重要的塑料機(jī)械之一。眾所周知，工業(yè)上聚合而成的樹脂產(chǎn)品，如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等，是不能直接用于制造各種塑料制品的，一般都需要進(jìn)行改性處理。改性通常是指利用物理或化學(xué)方法來改變樹脂某些性能的過程。這些性能主要有抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、阻燃能力、抗氧化性、抗老化性、抗紫外線能力等。改性后樹脂的性能更加優(yōu)良和多樣化，更加適應(yīng)塑料制品的需求?？梢哉f雙螺桿擠出機(jī)為注塑機(jī)、吹塑機(jī)等其他塑料機(jī)械提供了原材料，因此雙螺桿擠出機(jī)（特別是同向嚙合型雙螺桿擠出機(jī)）的重要性顯而易見。

近幾年，隨之塑料加工技術(shù)的發(fā)展，雙螺桿擠出機(jī)被直接應(yīng)用于型材擠出領(lǐng)域。如天華院研制成功的鋁塑復(fù)合板芯材加工技術(shù)，利用一臺雙螺桿擠出機(jī)同時(shí)完成聚乙烯樹脂的改性和型材擠出兩個(gè)工藝過程［1］。又如天華院開發(fā)成功的聚酯型材免結(jié)晶干燥直接擠出技術(shù)，將原來需要用專門設(shè)備完成的聚酯結(jié)晶干燥過程轉(zhuǎn)移到雙螺桿擠出機(jī)中，在擠出型材的同時(shí)完成結(jié)晶干燥，縮短了工藝流程和設(shè)備數(shù)量，最主要的是極大地降低了能耗和加工周期［2］。再如雙向拉伸聚丙烯機(jī)組中，已經(jīng)全部采用雙螺桿擠出機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單螺桿擠出機(jī)，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質(zhì)更高，而機(jī)組能耗卻更低。

綜上所述，雙螺桿擠出機(jī)的重要性毋庸置疑。在全球提倡節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，開展雙螺桿擠出機(jī)的節(jié)能技術(shù)的研究是極其必要和重要的。

1 雙螺桿擠出機(jī)的能耗組成

圖1是一條典型的雙螺桿擠出機(jī)塑料改性生產(chǎn)線，分別由上料系統(tǒng)、計(jì)量配料系統(tǒng)、雙螺桿擠出機(jī)、機(jī)筒加熱冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

圖1 雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)線示意圖

以市場上較常用的SHJ-75擠出機(jī)為例，上述生產(chǎn)線功率配置情況如表1所示。

此外，SHJ-75生產(chǎn)線在正常工作時(shí)，還需要消耗冷卻水約30～50 m3/h和少量壓縮空氣。

表1 典型的雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)線功率配置

根據(jù)表1，擠出機(jī)生產(chǎn)線中，功率最大的部件是主電機(jī)，約占總功率的72.6%；其次是機(jī)筒加熱器，約占總功率的16.8%；其余設(shè)備的功率僅占總功率的10.6%。因此研究影響主電機(jī)能耗的因素是雙螺桿擠出機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵。

2 影響主電機(jī)能耗的因素分析

影響雙螺桿擠出機(jī)主電機(jī)能耗的主要因素有：作業(yè)物料、擠出量、螺桿組合、螺桿長徑比、螺桿轉(zhuǎn)速、作業(yè)溫度和機(jī)頭壓力等。下文是作者在擠出機(jī)能耗方面的一些研究、試驗(yàn)工作的總結(jié)。

2.1 作業(yè)物料

一般采用單產(chǎn)能耗這一參數(shù)來客觀地評價(jià)不同雙螺桿擠出機(jī)的能耗水平。單產(chǎn)能耗即生產(chǎn)單位質(zhì)量產(chǎn)品所消耗的電能，單位為卡瓦時(shí)/千克（kW·h/kg）。

不同作業(yè)物料的單產(chǎn)能耗是完全不同的，圖2是德國科貝隆公司提供的部分聚合物材料改性造粒的單產(chǎn)能耗數(shù)值［3］。

2.2 擠出量

為了驗(yàn)證產(chǎn)量和單產(chǎn)能耗之間的關(guān)系，開展了下述試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備：SHJ-60機(jī)，天華院生產(chǎn)；

試驗(yàn)物料：PP+30% CaCO3；

螺桿轉(zhuǎn)速：200 r/min；

螺桿長徑比：40∶1；

設(shè)定溫度：190～200 ℃。

本試驗(yàn)僅改變擠出量，而不改變其他任何參數(shù)，因此可以直接反應(yīng)擠出量和單產(chǎn)能耗之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。當(dāng)產(chǎn)量升高時(shí)，單產(chǎn)能耗先降低后升高。這意味著當(dāng)擠出機(jī)的產(chǎn)量較小時(shí)，各種機(jī)械損耗（如螺桿與機(jī)筒的摩擦等）在單產(chǎn)能耗中占較大比重，能量浪費(fèi)較嚴(yán)重。而當(dāng)產(chǎn)量繼續(xù)升高時(shí)，物料與設(shè)備之間的摩擦等因素又會(huì)使單產(chǎn)能耗有所升高。因此，在塑料改性工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將擠出機(jī)的產(chǎn)量控制在合理的范圍內(nèi)，以降低能耗。

2.3 螺桿轉(zhuǎn)速和擠出量的綜合作用

影響單產(chǎn)能耗的因素并不是單一的，而是一個(gè)綜合的因素。下面選取了螺桿轉(zhuǎn)速和擠出量2個(gè)因素進(jìn)行交叉試驗(yàn)，研究二者和單產(chǎn)能耗的關(guān)系。

試驗(yàn)設(shè)備：SHJ-38機(jī)，天華院生產(chǎn)；

螺桿長徑比：40∶1；

試驗(yàn)物料：PP（牌號T30S）；

試驗(yàn)物料熔體流動(dòng)速率（230 ℃，2.16 kg）：2.9～3.5 g/10min；

圖2 聚合物改性造粒單產(chǎn)能耗（德國科貝隆公司）

圖3 擠出量與單產(chǎn)能耗的關(guān)系圖

試驗(yàn)方法：對每個(gè)因素確定3個(gè)參數(shù)（如表2所示），進(jìn)行交叉試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

通過交叉試驗(yàn)，得到如表3所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著產(chǎn)量的增加，單產(chǎn)能耗降低，這與前面的試驗(yàn)結(jié)論基本一致。當(dāng)產(chǎn)量不變時(shí)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高，單產(chǎn)能耗降低。

2.4 螺桿直徑

為了驗(yàn)證不同螺桿直徑的擠出機(jī)（即不同機(jī)型的擠出機(jī)）對單產(chǎn)能耗的影響，開展了以下試驗(yàn)。

試驗(yàn)物料：70% PP+30% CaCO3；

PP主要參數(shù)：牌號T30S；

試驗(yàn)物料熔體流動(dòng)速率（230 ℃，2.16 kg）：=2.56 g/10min；

生產(chǎn)廠家：中國石油蘭州石油化工股份有限公司；

CaCO3：牌號LD-200，超細(xì)；

生產(chǎn)廠家：立達(dá)超微工業(yè)有限公司；

試驗(yàn)設(shè)備：SHJ-38機(jī)、SHJ-75機(jī)，天華院生產(chǎn)；

螺桿長徑比：40∶1；

螺桿轉(zhuǎn)速：SHJ-38機(jī)：300 r/min；SHJ-75機(jī)：215 r/min。

擠出量：SHJ-38機(jī)：130 kg·h；SHJ-75機(jī)：222 kg；

設(shè)定溫度：190～200℃。

表4 螺桿直徑對單產(chǎn)能耗的影響

需要說明的是，為了保證兩組數(shù)據(jù)的可比性，對SHJ—75機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速和擠出量按相似放大理論進(jìn)行了修正［4］。

從表4中可以看出，螺桿直徑對單產(chǎn)能耗的影響較大，單產(chǎn)能耗隨螺桿直徑的增大而降低。

3 結(jié)論

（1）雙螺桿擠出機(jī)的能耗主要是主電機(jī)的能耗，選用高效率電機(jī)是降低能耗最直接的辦法。

（2）機(jī)筒加熱能耗也是擠出機(jī)能耗的主要組成之一，提高溫控水平、采用電磁加熱等手段都可以降低能耗。

（3）在確定雙螺桿擠出機(jī)的工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理的確定擠出量以便降低能耗。由于實(shí)際工藝千差萬別，最佳擠出量需要進(jìn)行試驗(yàn)確定。

（4）螺桿直徑對單產(chǎn)能耗的影響也很大。螺桿直徑越大單產(chǎn)能耗越低，因此應(yīng)當(dāng)選擇較大的機(jī)型，進(jìn)行批量生產(chǎn)。但是也需要注意的是，當(dāng)擠出量產(chǎn)量低于特定值時(shí)，擠出機(jī)的能耗仍然較高。廠家在選用雙螺桿擠出機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身的情況，選擇合理規(guī)格的機(jī)型，使擠出機(jī)盡量能夠在70%～90%的能力范圍內(nèi)工作。

［1］ 劉為強(qiáng)等. 防火鋁塑板用無鹵阻燃聚乙烯芯材的加工裝置：中國，ZL201320489072.8［P］. 2014-02-19.

［2］ 李世通等. 聚酯型材的加工裝置：中國，201410286794.2［P］. 2014-6-25.

［3］ CoperionGMBH.ZSK twin screw extruder ［DB/OL］.［2015-06-09］.http：//www.coperion.com/en/compoundingextrusion/machines-systems/zsk-series/

［4］ C Rauw endaal. Scale-up of Single Screw Extruder［J］.Polymer Engineering and Science， 1987， 27（14） ：1059～1068.

TQ320.66+3

1009-797X （2015） 16-0109-04

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.037

梁曉剛（1980-），男，學(xué)士，高級工程師。

2015-06-09