在雙螺桿配混中優(yōu)化喂料以獲取更多利潤

文/科倍隆Alex Utrackl

在雙螺桿擠出配混過程中，喂料的優(yōu)化對(duì)于提高喂料效率和擠出量，進(jìn)而獲取更多利潤十分重要。為此，本文探討了如何選擇喂料器螺桿類型及喂料控制系統(tǒng)，以及如何令粉料保持較高的進(jìn)料量。

每家企業(yè)都想增加利潤。企業(yè)可以采取許多策略來實(shí)施，這樣會(huì)涉及企業(yè)的各個(gè)方面，比如減少庫存、與供應(yīng)商談判獲取更低的價(jià)格或者加強(qiáng)營銷推廣工作等等。

當(dāng)談到運(yùn)營時(shí)，固定設(shè)備往往已經(jīng)到位，因而它是一項(xiàng)已支付成本。在這種情況下，增加利潤率通常取決于最大限度地提高這些資產(chǎn)的生產(chǎn)率。對(duì)于雙螺桿擠出過程，這通過增加擠出率是最容易實(shí)現(xiàn)的，從而把運(yùn)營成本（折舊、人工和維護(hù)等）分?jǐn)傇谙嗤瑫r(shí)間單位內(nèi)所生產(chǎn)的更多產(chǎn)品上。降低成本的另一種選擇是通過提高原材料轉(zhuǎn)化為成品過程中的能源效率。由于美國的能源相對(duì)便宜，所以這些節(jié)省下來的資金數(shù)額與生產(chǎn)率提高相比往往很少。但是企業(yè)可以通過減少能源消耗來獲得其他的一些好處，比如減少碳足跡和提高公眾形象。在某些情況下，有可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率的提高和比能耗的降低。

當(dāng)談到增加擠出量時(shí)，首先要找出造成當(dāng)前受到限制的原因是什么。對(duì)于雙螺桿擠出過程，限制會(huì)存在于從喂料系統(tǒng)到過程段再到下游設(shè)備的任何地方。例如，加工困難的材料通過喂料設(shè)備可能會(huì)粘住或流動(dòng)不佳，這限制了它們被卸料到雙螺桿擠出機(jī)中的速度。在過程段中，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)娜廴诙慰赡懿荒芡耆廴诔^一定擠出率的聚合物。

反之，熔融需要高能量的材料，其熔融速度可能受到電動(dòng)機(jī)和變速箱組合所能提供功率的限制。下游設(shè)備上的限制包括使用高黏度材料和限制性模頭帶來的高出料壓力，以及由規(guī)格較小冷卻設(shè)備造成的高粒料溫度。只有了解了這些限制，才能采取措施消除它們。這是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過程，一個(gè)限制被消除了，但在更高的擠出率下又會(huì)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)限制。

喂料系統(tǒng)

為了達(dá)到最高的擠出率，喂料設(shè)備必須向擠出機(jī)提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的進(jìn)料。要做到這一點(diǎn)，喂料系統(tǒng)必須根據(jù)被喂送的材料和擠出率進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖1所示）。易流化的粉料用一臺(tái)窄螺距的凹面雙螺桿喂料器就能很好地處理，因?yàn)檩^小的間隙和到出料口較長的路徑減弱了流態(tài)化特性。另一方面，固體聚合物粒料可能會(huì)侵入這些螺桿之間的緊間隙，所以粒料應(yīng)采用一根粗齒節(jié)的單螺桿喂料。其他材料，比如濕的或自粘性聚集體，往往最適合于使用皮帶喂料機(jī)，而不是螺桿喂料機(jī)。向你的喂料機(jī)制造商咨詢，以獲得他們的具體建議。

對(duì)容易形成壅塞、鼠孔或粘附于料斗的材料，需要采取攪拌使產(chǎn)品保持連續(xù)流動(dòng)。一般用幾款機(jī)械攪拌器來實(shí)施。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，它會(huì)壓實(shí)粘性材料，當(dāng)改換到不同的材料時(shí)，就會(huì)增加清洗的時(shí)間。一種替代機(jī)械攪拌的方法是采用ActiFlow系統(tǒng)，它通過連接在料斗外面的一種智能振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置來起作用。根據(jù)變化的物料流動(dòng)情況，它連續(xù)優(yōu)化頻率和振幅，并向喂料控制器提供反饋，以消除來自載荷傳感器信號(hào)的振動(dòng)噪聲。

除了選擇最適合材料的喂料設(shè)備外，還要花時(shí)間考慮喂料控制系統(tǒng)。其中一個(gè)例子是自動(dòng)料斗重填充控制。如果料斗重填充太頻繁，則控制器花更少的時(shí)間測量隨時(shí)間變化的失重，從而降低喂料器的準(zhǔn)確性。另一方面，如果料斗中的水平線允許下降太低，則在重填充過程中，材料落入料斗中的驟增壓力可能會(huì)造成材料料涌而滑過螺桿，特別是對(duì)于低堆積密度和易流化的材料。當(dāng)這種料涌進(jìn)入擠出機(jī)中，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷瞬間增加，表現(xiàn)為擠出機(jī)控制屏幕上的扭矩增加。這些扭矩峰值不能超過擠出機(jī)有效扭矩的100%，否則安全聯(lián)鎖裝置將關(guān)閉擠出機(jī)，以避免過載情況發(fā)生。因此，過程的正常操作扭矩必須保持較低，以為這些潛在的峰值留有空間。

喂料系統(tǒng)優(yōu)化所帶來的盈利能力增加可以通過增加的生產(chǎn)率來計(jì)算。表1中顯示一個(gè)計(jì)算的例子，這是一臺(tái)70 mm雙螺桿擠出機(jī)，加工一種聚烯烴母料，利潤率為10美分/kg。在這個(gè)例子中，一臺(tái)在重填充過程中經(jīng)歷料涌的喂料器，被更適合于該材料的喂料器所替換，新喂料器使擠出量從2 000 kg/h增加至2 300 kg/h。這將使年度利潤增加18萬美元，是新喂料器成本的4倍多。此外，由于在雙螺桿擠出機(jī)中的填充程度增加，對(duì)材料的比機(jī)械能輸入減少。這將使每年的能源節(jié)省5%或138 MWh。

進(jìn)料量

在喂料系統(tǒng)向擠出機(jī)輸送物料后，物料必須被輸送到進(jìn)料段下游。當(dāng)進(jìn)料段沒有充分的容量來輸送物料時(shí)，就會(huì)對(duì)擠出率有限制。進(jìn)料段的輸送容量取決于該區(qū)域中雙螺桿的自由面積和螺桿元件的間距，以及螺桿轉(zhuǎn)速和一些與產(chǎn)品有關(guān)的參數(shù)。

圖1為了選擇合適的喂料器螺桿類型，了解材料的特性是至關(guān)重要的。圖中的著色區(qū)域表示適合

擠出機(jī)的自由截面積在一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)雙螺桿擠出機(jī)中是固定的。具有較大的內(nèi)外徑比值的擠出機(jī)將有更多的自由面積。當(dāng)采購一臺(tái)新擠出機(jī)時(shí)就要考慮這一點(diǎn)，這是很重要的。產(chǎn)品參數(shù)與原材料的選擇密切相關(guān)。由于采購或產(chǎn)品質(zhì)量的原因，改變往往是復(fù)雜的。

因此，現(xiàn)有機(jī)器上可以優(yōu)化的參數(shù)是螺桿元件的間距和螺桿轉(zhuǎn)速。增加螺桿速度通常會(huì)導(dǎo)致對(duì)材料更高的能量輸入。這種能量的增加可以部分被進(jìn)料速度的增加所抵消。但是，這種增加往往隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加而減弱。這將導(dǎo)致一個(gè)更高的熔體溫度，可能引起切?；虍a(chǎn)品質(zhì)量的問題。

表1 喂料系統(tǒng)性能優(yōu)化對(duì)擠出機(jī)擠出量的影響（ZSK70Mc+）

圖2 在喂送粉料時(shí)，當(dāng)粉料從喂料器中落下進(jìn)入擠出機(jī)時(shí)空氣會(huì)被夾入。由于擠出機(jī)的熔融段被全部填充滿，因此夾帶的空氣不能和熔融聚合物一起移動(dòng)到下游通過熔體密封。相反，它被迫通過最近的上游開口處逃逸，這個(gè)開口通常就是進(jìn)料口

圖3 減少夾氣量的一種方法是把喂料器放置在和擠出機(jī)同一垂直水平上，以盡可能靠近加料斗

增加進(jìn)料段中螺桿元件的間距是最無害的變化。按照經(jīng)驗(yàn)法則，建議從進(jìn)料段最寬間距的螺桿元件開始增加。當(dāng)喂送粉料時(shí)，特別是低堆積密度或容易流化的物料時(shí)，由于粉料從喂料器中進(jìn)入擠出機(jī)時(shí)會(huì)夾帶空氣，因此會(huì)產(chǎn)生進(jìn)料量限制。

在典型的聚合物擠出過程中，有一個(gè)被聚合物全部填充的捏合塊部分組成的熔融段。由于擠出機(jī)的這一部分已被完全填充，所以夾帶的空氣不能和熔融聚合物一起移動(dòng)到下游通過熔體密封。相反，它被迫從最近的上游開口處逃逸，這個(gè)開口通常是進(jìn)料口（如圖2所示）。因此，有一個(gè)原材料進(jìn)入和夾帶空氣退出的競爭流動(dòng)。

一種減少夾帶空氣量的方法是將粉料喂料器放置在和擠出機(jī)同一垂直水平上，以盡可能靠近加料斗。這可以最大限度地減少下落，并減少夾帶的空氣量。

另一種策略是把排氣口設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，給與空氣其他的逃逸路線。排氣口可以安裝在加料斗中。為了增加效果，料斗應(yīng)得到特別設(shè)計(jì)，使喂料器把物料卸在料斗的一側(cè)，雙螺桿中的下轉(zhuǎn)螺桿在相同的一側(cè)，排氣立管在料斗的另一側(cè)。這允許空氣在向下到擠出機(jī)的路徑上可以從聚合物上流出（如圖3所示）。

排氣口可以安裝的另一個(gè)位置是在雙螺桿中進(jìn)料機(jī)筒的上游。夾帶的空氣很容易在雙螺桿中向后流動(dòng)到上游排氣機(jī)筒，而固體粉料則由螺桿下游輸送。

這三種策略可以單獨(dú)使用，也可以相互并行使用。

另一種使粉料進(jìn)入雙螺桿擠出機(jī)的非常有效的方法是使用喂料增強(qiáng)技術(shù)（Feed Enhancement Technology，F(xiàn)ET）。在這項(xiàng)技術(shù)（如圖4所示）中，利用機(jī)筒壁中的一種多孔過濾器來抽真空?？諝獗怀?，而粉料留在機(jī)筒中。它的工作原理主要是在機(jī)筒上形成一個(gè)材料餅，以增加機(jī)筒壁上的摩擦系數(shù)。這不僅提高了輸送效率，還把粉料中一些夾入空氣除去，減少了它的體積。

FET的效果大小對(duì)所有的粉料是不相同的，它取決于一些屬性，比如堆積密度和顆粒尺寸。對(duì)于滑石粉，它已被證明可以提高擠出率250%以上，而對(duì)于碳酸鈣，擠出量的增加大多是可以忽略不計(jì)的。FET的限制是只能被用于存在干且未熔化粉料的區(qū)域中。濕的或熔化的材料會(huì)堵塞過濾器；大的固體顆粒如粒料，則會(huì)損壞過濾器。對(duì)于配混過程，這種技術(shù)通常適用于側(cè)喂料器機(jī)筒，雖然它在主擠出機(jī)機(jī)筒中也是可用的。

為了計(jì)算采用FET的盈利能力，可以考慮一個(gè)例子：一臺(tái)45 mm雙螺桿擠出機(jī)配混含有40%滑石粉的聚丙烯，用于一個(gè)汽車應(yīng)用（見表2）。

表2 FET對(duì)利潤率的影響（ZSK45Mc18）

圖4 FET插件是一種多孔可透氣的壁部分，在它的上面進(jìn)行外部抽真空。抽出聚合物周圍的空氣，增加堆積密度，以提高進(jìn)料速度

對(duì)于這個(gè)過程，擠出量受到可喂送滑石粉量的限制。在高于600 kg/h的速率下，側(cè)喂料器開始堵塞，并且擠出機(jī)只能使用其總電動(dòng)機(jī)功率的54%。通過安裝FET，側(cè)喂料器的輸送效率大大提高，而且擠出量可以增加，直到電動(dòng)機(jī)功率達(dá)到相同螺桿轉(zhuǎn)速下的上限。對(duì)材料的比機(jī)械能輸入也減少了，使得每公斤材料需要的功率更少。以20美分/kg為利潤率，擠出率增加500 kg/h意味著每年利潤增加60萬美元，是FET設(shè)備成本的幾倍以上。同時(shí)比能量的需求每年可減少4%或33 MWh。

上面提供的這些例子僅重點(diǎn)介紹了喂料雙螺桿擠出工藝中幾個(gè)常見的限制。還有更多的地方會(huì)出現(xiàn)限制。先確定限制，了解它，并實(shí)施一個(gè)解決方案，然后針對(duì)下一個(gè)限制重復(fù)進(jìn)行，這個(gè)原則可適用于本文中沒有討論的限制。一些因素比如能源成本、利潤和銷售過剩產(chǎn)品的能力等，應(yīng)針對(duì)你的具體業(yè)務(wù)進(jìn)行評(píng)估。這些計(jì)算可以提供框架來證明承擔(dān)這些優(yōu)化項(xiàng)目的合理性。與往常一樣，你的雙螺桿擠出機(jī)制造商是第一個(gè)向你提供工藝優(yōu)化建議的人。