單螺桿擠出機(jī)在干/濕法造粒中的應(yīng)用對比

孫淇余 周鈺君

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

單螺桿擠出機(jī)在干/濕法造粒中的應(yīng)用對比

孫淇余*周鈺君

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

根據(jù)擠出造粒的特點(diǎn)，介紹了單螺桿擠出機(jī)應(yīng)用于濕法造粒和干法造粒過程中時(shí)所用物料的特點(diǎn)，并比較了濕法造粒和干法造粒單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)差異。

造粒機(jī) 單螺桿擠出機(jī) 長徑比 壓縮比 螺桿轉(zhuǎn)速

粉體物料一般指顆粒直徑小于100μm的粉狀固體，由于直徑小，容易在空氣中擴(kuò)散、飛揚(yáng)。在包裝、儲運(yùn)和使用過程中會污染環(huán)境，甚至影響操作員工的身體健康。為便于包裝、儲運(yùn)和使用，通常要求將粉體物料造粒，形成顆粒直徑大于1 000μm的顆粒，這樣可以減少物料在流通和使用過程中對環(huán)境造成的粉塵污染。粉體物料造粒按使用的設(shè)備可分為壓縮法、擠出法、滾動法和噴漿法，其中擠出法應(yīng)用最廣。擠出機(jī)根據(jù)物料中是否含溶劑可分為濕法造粒和干法造粒。充分了解物料的特性、選擇合理的造粒方法和造粒設(shè)備是完成造粒過程的重要步驟。單螺桿擠出造粒機(jī)是擠出法造粒設(shè)備的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于維護(hù)、設(shè)備投資少、成本低及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)過多年的研究、實(shí)驗(yàn)和使用證明：單螺桿擠出造粒機(jī)不但適用于濕法擠出造粒，也適用于干法擠出造粒。單螺桿擠出造粒機(jī)的濕法造粒和干法造粒雖然都屬于擠出法，但二者對物料的適用范圍和螺桿機(jī)本身具體結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求差異很大。

1 濕法造粒與干法造粒適用的物料特性

適合于濕法擠出造粒的物料應(yīng)具備兩個(gè)條件：一是物料本身有濕度，并且這個(gè)濕度處于擠出造粒過程中可形成有效顆粒的范圍內(nèi)，如果物料本身沒有濕度就需要該物料能添加某種溶劑(如水)，這種溶劑必須與粉體物料互溶，保證能形成擠出造粒所需的有效濕度；二是物料本身應(yīng)有粘度，即通過擠出形成的顆粒經(jīng)過后續(xù)干燥后絕大部分仍然為顆粒、不粉化或者能加入某種粘合劑而達(dá)到前面所述的效果。

有些粉體物料不具備濕法擠出造粒的條件，一是它本身沒有濕度，也沒有合適的溶劑，或者為保證物料質(zhì)量要求不能添加溶劑，如硬脂酸類化合物；二是它本身沒有粘度，也不能添加粘合劑，但它們具有熔點(diǎn)低、熱化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特性，這類物料適合用干法造粒。干法造粒就是利用造粒過程中產(chǎn)生的熱量或外加熱使物料溫度升高至熔點(diǎn)，粉體物料軟化或部分融化，通過單螺桿擠出形成顆粒。適合干法造粒粉體物料的熔點(diǎn)應(yīng)在高于環(huán)境溫度至設(shè)備能承受的、加熱或加熱裝置能達(dá)到的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)還應(yīng)具備冷卻后能迅速固化的性質(zhì)。熔點(diǎn)在50～200℃范圍內(nèi)的粉體物料用單螺桿擠出機(jī)干法造粒效果最佳。

2 單螺桿擠出機(jī)在濕法造粒和干法造粒中的對比

干法造粒單螺桿擠出機(jī)與濕法造粒單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)具有共同之處，又各自具有特殊性。在設(shè)計(jì)過程中除了要考慮其共同之外，還要更多考慮其特殊性。

2.1長徑比

單螺桿擠出機(jī)的長徑比B是一個(gè)與物料相關(guān)的重要參數(shù)，長徑比是指螺桿長度L與螺桿直徑D的比值。物料性質(zhì)決定B值的大小，通常情況下，干法造粒單螺桿擠出機(jī)的B值要大于濕法造粒的。濕法造粒時(shí)單螺桿擠出機(jī)B值為2.0～2.5，干法造粒時(shí)B≥2.5，而且隨物料熔點(diǎn)的升高而增大。

粉體物料在擠出過程中，隨螺桿向前推進(jìn)，做直線運(yùn)動，同時(shí)也在旋轉(zhuǎn)，物料在運(yùn)動過程中會產(chǎn)生熱量，運(yùn)動距離越長產(chǎn)生的熱量越多，物料在擠出過程中溫升越高。對于濕物料來說，造粒過程中溫度升高對造粒成型是有害的，因?yàn)闈裎锪现泻幸欢ū壤娜軇軇┑钠c(diǎn)較低，如果擠出造粒過程中溫度升高達(dá)到溶劑的汽化點(diǎn)，溶劑被汽化，螺桿機(jī)內(nèi)物料體積膨脹產(chǎn)生很高壓力，容易出現(xiàn)物料從模板孔噴射而出，從而破壞物料的成型過程和操作環(huán)境。因此，在設(shè)計(jì)單螺擠出桿機(jī)時(shí)，應(yīng)在保證造粒成型的前提下，盡量縮短物料運(yùn)動的距離，即減少螺桿長度，縮小長徑比。

而對于干物料來說，物料不含溶劑，一般固體物料的汽化點(diǎn)都很高，擠出造粒過程中產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)達(dá)不到物料的汽化點(diǎn)。同時(shí)，擠出造粒過程中需要很多熱量提高物料自身溫度以達(dá)到其熔化點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)單螺擠出桿機(jī)時(shí)，在結(jié)構(gòu)允許的前提下，應(yīng)盡量加大物料運(yùn)動的距離，即增加螺桿長度，加大長徑比。

2.2控制熱量的結(jié)構(gòu)措施

物料在造粒過程中自己產(chǎn)生的熱量稱為自生熱。在濕法造粒過程中，有些物料在造粒過程中自生熱較多，而溶劑的汽化點(diǎn)較低，容易使溶劑在螺桿機(jī)內(nèi)汽化。還不能單靠縮小長徑比來控制其自生熱而不使溶劑溫升至汽化點(diǎn)。物料擠出造粒成型過程中對長徑比有一個(gè)最小值要求，低于此值就難以成型。這樣，必須采取強(qiáng)制散熱措施，通常采用筒體外加冷卻夾套的結(jié)構(gòu)。筒體與夾套間通入冷卻介質(zhì)(如冷卻水)，帶走物料擠出造粒過程的自生熱，達(dá)到降溫的目的。

干法造粒過程正好與上述過程相反，物料擠出造粒過程的自生熱不足以使物料溫度達(dá)到其熔點(diǎn)，需要外加熱。外加熱方式有流體介質(zhì)加熱和電加熱兩種，流體介質(zhì)加熱的結(jié)構(gòu)與濕法造粒的冷卻夾套一樣，只是通入的介質(zhì)是加熱介質(zhì)，加熱介質(zhì)一般為水蒸氣或?qū)嵊停饕糜谌埸c(diǎn)較低物料；電加熱就是在筒體外層用電熱套加熱，對于高溫性能穩(wěn)定的物料來說，電加熱效果更好，因?yàn)殡娂訜峥墒孤輻U擠出機(jī)筒體壁溫遠(yuǎn)高于物料熔點(diǎn)，靠近筒壁的物料迅速熔化，為成型創(chuàng)造良好的條件。

不管是流體介質(zhì)加熱還是電加熱，都應(yīng)有溫度控制與調(diào)節(jié)裝置。當(dāng)物料溫度不滿足擠出造粒時(shí)，該裝置向螺桿擠出機(jī)輸送熱量；如果物料溫度過高不利于擠出成型時(shí)，降低或停止向螺桿擠出機(jī)輸送熱量。

2.3壓縮比

單螺桿擠出機(jī)的單螺桿一般分為兩段，后一段(靠近進(jìn)料口)為輸送段，它的功能是將物料往前送；前一段(靠近出料口)為壓縮段，它的功能是將物料壓實(shí)并擠出模板，使物料成型。由于兩段螺桿的功能不一樣，因此，它們的螺距也是不一樣的。輸送段的螺距相對固定，一般為螺桿直徑的0.8倍，壓縮段的螺距隨物料的變化差距很大。通常將壓縮段螺距與輸送段螺距的比值稱為壓縮比b。輸送段的螺距用l2表示，壓縮段的螺距用l1表示，b=l1/l2，b≤1。b值與物料擠出成型前后體積變化成反比，體積變化越大b值越小。具體數(shù)值可取物料粉體堆比重與物料密度的比值，或通過實(shí)驗(yàn)測到。一般來說，濕物料顆粒間距離小，擠出成型過程中體積變化也就小，b值相對較大；干物料粉體顆粒間距離大，擠出成型過程中體積變化也就大，b值相對較小。

2.4螺桿旋轉(zhuǎn)速度

由于物料在擠壓成型過程中隨螺桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和向前的直線運(yùn)動，在運(yùn)動中會產(chǎn)生熱量，螺桿旋轉(zhuǎn)速度越快產(chǎn)生熱量多，物料溫升越高。因此，干法造粒時(shí)螺桿轉(zhuǎn)速要比濕法造粒時(shí)的高。

3 結(jié)束語

工業(yè)產(chǎn)品中許多是粉體物料，為了改善其生產(chǎn)環(huán)境，方便儲運(yùn)和使用，需要進(jìn)行造粒。各種粉體物料性質(zhì)千差萬別，每種粉體物料都有自身的特點(diǎn)，其造粒過程有相應(yīng)要求。筆者通過對適合于單螺桿擠出機(jī)干法造粒和濕法造粒的物料特性分析，闡述了單螺桿擠干法造粒和濕法造粒時(shí)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的差異，為單螺桿擠出機(jī)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，使單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，參數(shù)選擇更準(zhǔn)確，從而提高了其使用的針對性和準(zhǔn)確性。

*孫淇余，男，1962年9月生，高級工程師。甘肅省蘭州市，730060。

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