物料特性變化對擠壓機運行的影響及切粒因素分析

黨利強

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719300）

物料特性變化對擠壓機運行的影響及切粒因素分析

黨利強

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719300）

神華榆林能源化工有限公司聚丙烯裝置采用的是美國INEOS technology LLC（英力士技術(shù)公司，簡稱INEOS）的INNOVENE氣相聚丙烯工藝，以丙烯為主要原料，生產(chǎn)能力以8 000h/a的操作時間進行計算，年產(chǎn)30萬t聚丙烯粒狀樹脂產(chǎn)品。目前該裝置已經(jīng)成功產(chǎn)出S1003、K8003、K4912、K4918等多種抗沖和無規(guī)共聚產(chǎn)品。擠壓機采用的是德國WP公司的同向雙螺桿擠壓機ZSK-320，水下切粒機型號為UG700，最大生產(chǎn)負荷50t/h，主要分析了切粒機各項參數(shù)及物料特性對造粒機運行的影響。

物料特性；擠壓機；影響

1 聚丙烯的熔融過程

擠壓造粒是物料在筒體的進料段、熔融段、剪切段、增壓段中流動的過程物料通過螺桿將機械能轉(zhuǎn)化為熱能和壓力能。物料在筒體中有三種流動方式：正流QP（positive flow）、逆流Qb（back flow）、漏流QL（leakage flow）。正流是物料在螺槽中向機頭方向的流動，用QP表示；逆流是由節(jié)流閥、過濾網(wǎng)等對物料的反壓力所引起的與正流相反的流動，用QB表示；漏流是由于螺桿與簡體之間有1～2mm的間隙，使得物料在向下一個螺旋槽輸送時，極小部分物料沿著螺桿間隙往回流，用QL表示。逆流和漏流的存在降低了實際生產(chǎn)率但是可以改善物料的混煉效果。因此，擠壓造粒機的實際流量為：Q=QP-（QB+QL）。

2 熔融指數(shù)與主電機功率的關(guān)系

經(jīng)過裝置兩年的生產(chǎn)實踐，目前已經(jīng)開發(fā)出5種聚丙烯牌號，分別是S1003、K8003、K4912、K1014、K4918，每種牌號的MFR都不相同。

在生產(chǎn)同一牌號下，物料特性一定時，擠壓機主電機的功率和擠壓機負荷成正比，因此主電機功率可以作為衡量擠壓機負荷的一個重要參數(shù)。但在物料性質(zhì)變化比較大，尤其是MFR變化時，主電機功率就不能真實地反映生產(chǎn)負荷。在牌號切換過程中隨著MFR的提高，主電機功率不斷下降，而且下降趨勢逐漸趨于平緩，這是由于在熔體流量不變的情況下，熔體的流動性提高，螺桿轉(zhuǎn)動所受的剪切力減小。物料MFR較低時其變化對功率有較強的影響，反映在生產(chǎn)中就是在生產(chǎn)低MFR產(chǎn)品時，主機功率會急劇上升，如生產(chǎn)K8003（2.5g/10min）較K4918（18g/10min）功率有大幅度上升，S1003向K4912切換過程中擠壓機功率大幅下降，但是隨著MFR逐步提高K4912向K1014切換過程中，功率下降的趨勢趨于平緩。但實際上當(dāng)K4918向更高MFR的牌號切換過程中，這時擠壓機功率下降趨勢又會變快，這是由于螺桿和擠壓機筒體有1.1～2mm間隙，在螺桿將熔融的物料向前擠壓時，總會有少部分的物料從間隙中返回，MFR的提高加劇了這種返混現(xiàn)象，從而使擠壓機的實際流量減小，使功率進一步下降。隨著MFR繼續(xù)增加，螺桿對物料的剪切作用越來越小，流量成為影響螺桿扭矩的主要因素，從宏觀上表現(xiàn)出隨著MFR的增加，主電機功率保持不變。

3 熔融指數(shù)與擠壓機比能的關(guān)系

ZSK320擠壓機有一個很重要的參數(shù)叫做比能（SPEC ENGERY），定義為單位時間內(nèi)擠壓機每生產(chǎn)1千克聚丙烯所產(chǎn)生的功耗，單位kW/kg。理論上講比能不受擠壓機負荷影響，所以能更準確地分析物料特性變化對擠壓機產(chǎn)生的影響，比能隨著熔融指數(shù)上升而下降，與主電機功率變化趨勢基本一致。

4 筒體溫度對擠壓造粒的影響

ZSK320擠壓機筒體溫度采用電加熱板和筒體冷卻水共同控制，聚丙烯粉料溶體的流動性與溫度密切相關(guān)。聚丙烯粉料在雙螺桿剪切的作用下釋放出大量的熱能，脫鹽水做為筒體冷卻水，將這部分熱量撤走，從而維持溶體溫度的恒定。在生產(chǎn)負荷保持相同、節(jié)流閥開度保持不變的條件下，ZSK 320機組在節(jié)流閥處的熔體溫度隨MFR增加而不斷下降。一個原因是低MFR熔體的黏度較高，導(dǎo)致主電機消耗一部分機械能轉(zhuǎn)化成熱能；另一個原因是低MFR聚合物的相對分子質(zhì)量較大，長鏈較多，其受到擠壓時，分子之間相互摩擦的機會較多，從而釋放出較高的熱能。過高的溫度使PP在擠壓機中熱降解，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。

5 熔融指數(shù)變化對節(jié)流閥開度的影響

節(jié)流閥安裝在進料段最后的筒體上，用來控制進料段與混煉段溶體的的背壓。進料段中產(chǎn)品的塑化程度與實際的輸入比能量，隨著節(jié)流閥的開度而發(fā)生變化。開大節(jié)流閥開度意味著減弱混煉程度，適用于低熔融指數(shù)產(chǎn)品或提高生產(chǎn)負荷時。關(guān)小節(jié)流閥開度，即是增強混煉程度，適用于高熔融指數(shù)產(chǎn)品或降低負荷時。裝置在生產(chǎn)K4918（MFR18）時從大塊料捕捉器中發(fā)現(xiàn)大量塊料與黏料，但是由于調(diào)整及時并未出現(xiàn)纏刀現(xiàn)象，通過分析判斷是節(jié)流閥開度（25°）太大以及出料段溫度和切粒水溫度過高所致。所以根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)物料MFR在12～20g/10min時，節(jié)流閥開度設(shè)定在30°～35°為宜。當(dāng)生產(chǎn)高熔融指數(shù)產(chǎn)品，節(jié)流閥開度小于30°時可能會出現(xiàn)不熔料。關(guān)小節(jié)流閥開度，閥前壓力則明顯上升此時QN和QL也會增大，增加物料在筒體中的停留時間，從而提高混煉程度。在實際生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)該根據(jù)模前壓力以及造粒情況來調(diào)整節(jié)流閥開度，節(jié)流閥開度太小，樹脂溫度下降過多，說明樹脂混煉過度發(fā)生降解，表現(xiàn)出樹脂變色、冒煙、MFR上升，產(chǎn)品力學(xué)性能下降。ZSK320擠壓機節(jié)流閥開度是8°～85°需要注意的是節(jié)流閥開度在35°～40°進行調(diào)整時一定要緩慢，因為此區(qū)間屬于顯效區(qū)，模前壓力變化較為敏感。節(jié)流閥開度大于45°區(qū)間屬于強效區(qū)，模前壓力上升明顯，不利于平穩(wěn)操作。

6 影響切粒效果的四個因素

6.1 模板溫度

模板溫度由熱油系統(tǒng)控制，必須保持模板兩側(cè)溫差合適且均勻，即要保證粒料得到良好的冷卻，又要防止樹脂凝固堵塞?？?。?？锥氯麜履Ｇ皦毫^高，聚合物倒流M401，損壞擠壓機組，或熔體通過?？讜r分布不均，導(dǎo)致粒料尺寸和外形不規(guī)整。因此，建議在生產(chǎn)低MFR產(chǎn)品時提高模板溫度，在生產(chǎn)高MFR產(chǎn)品時，為降低熔體的流動性而獲得較好的切粒效果，則建議適當(dāng)降低模板溫度。但必須保證模板溫度高于樹脂凝固溫度，根據(jù)經(jīng)驗?zāi)０鍦囟炔坏玫陀?00℃。

6.2 切粒水溫度

切粒水使用脫鹽水，水溫由板式換熱器和低壓蒸汽共同控制。切粒水溫度可優(yōu)化粒子形狀，當(dāng)熔融樹脂從模孔出來，被切成2～3mm長的粒子，水室中切粒水完全覆蓋模板表面，粒子立即被冷卻。切粒水從模板和樹脂帶出的熱量與熱油和熔體帶給模板的熱量達到平衡。切粒水溫度過高，樹脂切粒后冷卻不及時，易出現(xiàn)串料、黏料從而引發(fā)纏刀、灌腸等事故；切粒水溫度過低，使模板溫度低，凍堵?？?，同時樹脂變脆切削時碎粒增多，切粒水典型操作溫度為40～65℃。切粒水溫度與產(chǎn)品MFR有很大關(guān)系，生產(chǎn)不同牌號產(chǎn)品時，水溫應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。

6.3 切刀轉(zhuǎn)速

切刀轉(zhuǎn)速必須與M401擠出量、模孔數(shù)、刀盤上的刀數(shù)相匹配，保證粒子尺寸合適。通常，切刀轉(zhuǎn)速越低，切粒效果越好，故多采用高?？讛?shù)模板，當(dāng)切刀在模面轉(zhuǎn)動，切刀和模板間水壓下降，轉(zhuǎn)速越高，壓力越低，越易發(fā)生汽蝕，導(dǎo)致?？缀湍Ｃ媸軗p，降低模板使用壽命。正常生產(chǎn)時，模孔通暢率必須保持在90%以上。

6.4 切刀與模板間隙

間隙是決定粒子外觀的主要因素之一。間隙過大，粒子帶尾，顆粒外觀畸形；間隙過小，刀盤對模板的壓力過大，切刀磨損快，壽命短。無法直接測量間隙，通常在系統(tǒng)升溫后，通過調(diào)節(jié)進刀油壓間接調(diào)整。產(chǎn)品樹脂MFR影響切刀使用壽命，高MFR樹脂易產(chǎn)生帶尾料，相對于易切的低MFR樹脂，需增大進刀油壓，切刀的使用壽命相對較短。間隙的選擇取決于模前壓力、樹脂牌號、熔體溫度和生產(chǎn)負荷。開車前通常需要磨刀，將切粒水升溫至正常操作溫度，合上水室，啟動切粒機，切粒水走開車流程，調(diào)整進刀風(fēng)壓，在模面上磨刀。磨刀結(jié)束后，停切粒機，水室泄水，打開水室，檢查磨刀情況，每把刀的邊緣都應(yīng)適當(dāng)?shù)啬ミ^。磨刀系數(shù)為0.01mm/次，如果磨刀系數(shù)小，可提高進刀油壓，重新磨刀。如果間隙合適，但切粒效果不好，需要停車檢查切刀與模板的垂直度和刀軸的平行度，防止模面損壞或斷刀。

[1] 呂毅軍,石玉林,寧文生,等.沉淀鐵基催化劑助劑對費托反應(yīng)性能影響的研究[J]. 神華科技,2009,7(2)：77-82.

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Effect of Material Change on Extruder Operation and Analysis of Cutting Factors

Dang Li-qiang

Shenhua Yulin Energy Chemical Co.，Ltd.Polypropylene plant is used in the United States INEOS technology LLC（INJOS）INNOVENE gas phase polypropylene process to propylene as the main raw material，the production capacity of 8000h/a operating time Calculation，with an annual output of 300，000 tons of polypropylene granular resin products.At present the device has been successfully produced S1003，K8003，K4912，K4918，and other anti-collision and random copolymer products.Extrusion machine is used in Germany WP company's twin screw extruder ZSK-320，underwater pelletizer model UG700，the maximum production load 50t/h，analyze the cut effect of parameters and material properties of granulator on the operation of granulator.

material property；extruder；influence

X705

A

1003-6490（2017）12-0083-02

2017-10-10

黨利強（1989—），男，陜西榆林人，主要從事化工設(shè)備操作工作。