聚乙烯醇螺桿擠壓機(jī)物料阻塞的原因及解決方法

鄭偉

（安徽皖維高新材料股份有限公司，安徽 巢湖 238002）

聚乙烯醇是重要的化工原料，因其良好的環(huán)保性能而被廣泛應(yīng)用于合成纖維、紡織漿料、乳化劑、紙張涂層、粘合劑、涂料等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著PVA 產(chǎn)品的用途不斷擴(kuò)大，特別是部分特殊的低醇解度的PVA 的市場(chǎng)認(rèn)可度越來(lái)越高，我們必須根據(jù)市場(chǎng)需求來(lái)調(diào)整日常的生產(chǎn)計(jì)劃。目前皖維公司PVA 產(chǎn)品品種較多，其物料性質(zhì)也有所差異，特別是一些低醇解度的PVA產(chǎn)品，其拉伸強(qiáng)度可能不如高醇解度PVA，但其韌性則明顯優(yōu)于高醇解度的PVA 產(chǎn)品，這就導(dǎo)致在生產(chǎn)一些低醇解度的特殊品種時(shí)，物料在經(jīng)過(guò)螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行固液分離時(shí)，由于物料粘性大，彈性大，通過(guò)性差，嚴(yán)重影響該條生產(chǎn)線的連續(xù)性和穩(wěn)定性，雖然可以通過(guò)降低投料量、提高擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠降低電流，一定程度保證生產(chǎn)連續(xù)性，但犧牲產(chǎn)量必定導(dǎo)致裝置能耗高，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。因此解決PVA 螺桿擠壓機(jī)的物料通過(guò)性難的問(wèn)題，是達(dá)到高效穩(wěn)產(chǎn)的首要條件。本文針對(duì)此情況，從設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理加以改造，以滿足生產(chǎn)需要。

1 PVA醇解車間生產(chǎn)簡(jiǎn)述

聚醋酸乙烯樹脂和NaOH 溶液在靜態(tài)混合器中充分混合后，流到醇解機(jī)皮帶上，混合液在皮帶的傳送過(guò)程中，由于反應(yīng)生成PVA 固體膠塊。PVA 固體膠塊在第一粉碎機(jī)里粉碎變成條狀料后，再進(jìn)入第二粉碎機(jī)粉碎，最終粉碎為直徑＜7 mm 的顆粒。此時(shí)的PVA 顆粒呈現(xiàn)為內(nèi)含大量母液的濕潤(rùn)狀態(tài)，需經(jīng)過(guò)螺桿擠壓機(jī)壓榨脫水后，送入后端設(shè)備干燥成成品（生產(chǎn)流程見(jiàn)圖1）。

圖1 聚乙烯醇生產(chǎn)流程

由此可見(jiàn)，螺桿擠壓機(jī)為公司醇解工序的重點(diǎn)設(shè)備，該設(shè)備運(yùn)行效果的好壞直接影響到后序干燥設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定及產(chǎn)品質(zhì)量。在生產(chǎn)一些低醇解度的特殊品種時(shí)，經(jīng)常由于物料粘性大，韌性好，使其在螺桿擠壓機(jī)中通過(guò)性較差，附著在螺桿上，時(shí)常出現(xiàn)擠壓機(jī)中物料阻塞，導(dǎo)致設(shè)備超電流跳停的現(xiàn)象。為此，我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真研究，找出問(wèn)題根源，并對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的改造，解決螺桿擠壓機(jī)超負(fù)荷跳停的現(xiàn)象。

2 螺桿擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)原理及運(yùn)行情況

2.1 螺桿擠壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

螺桿擠壓機(jī)主要由殼體、濾網(wǎng)、變徑變距螺桿、減速機(jī)電機(jī)傳動(dòng)裝置等部分組成。

2.2 工作原理

螺桿擠壓機(jī)的工作原理是采用一根外徑不變，內(nèi)徑及螺距變化的螺旋組件經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)，將從設(shè)備上方輸送來(lái)的PVA、混合液不斷地卷入，由于機(jī)體內(nèi)部設(shè)置有濾網(wǎng)，其內(nèi)徑始終不變。隨著螺旋組件容積的不斷變小，混合液及PVA 內(nèi)部液體與PVA 顆粒進(jìn)行分離，從而達(dá)到擠壓的目的。大多數(shù)混合液通過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)入收集裝置，脫水的PVA則經(jīng)過(guò)螺旋尾部重力掉落至干燥機(jī)而進(jìn)入干燥工序。

2.3 螺桿擠壓機(jī)運(yùn)行情況

皖維公司有機(jī)廠醇解裝置設(shè)備為上世紀(jì)70年代由日本引進(jìn)，雖歷經(jīng)多年使用，但不可否認(rèn)的是，螺桿擠壓機(jī)作為醇解裝置核心設(shè)備，其設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念符合當(dāng)時(shí)PVA 產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，特別是生產(chǎn)高醇解度的PVA 品種時(shí)，其運(yùn)行穩(wěn)定、脫水率強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)各PVA生產(chǎn)廠家選擇使用。

目前國(guó)內(nèi)一些設(shè)備制造廠家通過(guò)對(duì)該型螺桿擠壓機(jī)螺桿的螺距、螺桿大小徑、螺旋葉片的傾角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，設(shè)計(jì)出各類不同壓榨比的機(jī)型，提高了螺桿擠壓機(jī)在PVA 行業(yè)的適用范圍，但是對(duì)于部分低醇解度的PVA 品種，螺桿擠壓機(jī)在生產(chǎn)中出現(xiàn)的難以滿足工藝要求的問(wèn)題依然較為明顯。

目前皖維公司共有13 條同類型的醇解生產(chǎn)裝置（廠家不同，生產(chǎn)時(shí)間不同）。通過(guò)對(duì)各生產(chǎn)裝置產(chǎn)品品種、產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，明顯發(fā)現(xiàn)各條生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)狀況存在差異。

（1）同樣生產(chǎn)一些特殊品種PVA，有的生產(chǎn)線能生產(chǎn)，有的無(wú)法生產(chǎn)，主要的癥結(jié)就在于螺桿擠壓機(jī)濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重，擠壓機(jī)超負(fù)荷跳停的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

（2）出現(xiàn)上述情況的螺桿擠壓機(jī)（經(jīng)常超負(fù)荷跳停），螺旋葉片及間隔環(huán)材質(zhì)為碳鋼材質(zhì)，其中葉片為20#鋼，間隔環(huán)為45#鋼，長(zhǎng)期在醇解母液中運(yùn)行，無(wú)法避免在螺旋葉片上出現(xiàn)坑洼點(diǎn)蝕，腐蝕的金屬會(huì)影響產(chǎn)品的外觀品控。

（3）通過(guò)對(duì)各條生產(chǎn)裝置成品PVA進(jìn)行對(duì)比，明顯發(fā)現(xiàn)上述螺桿擠壓機(jī)的產(chǎn)品外觀成型較差，堆積密度小，出現(xiàn)同樣的包裝袋包不下等現(xiàn)象。

3 螺桿擠壓機(jī)物料堵塞跳停的原因分析

針對(duì)螺桿擠壓機(jī)物料阻塞的現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)低醇解度PVA 品種時(shí)，物料韌性大，彈性大，通過(guò)性差，螺桿擠壓機(jī)雖然脫水效果較好，但濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致主機(jī)電流過(guò)高，造成跳停。

由于螺桿擠壓機(jī)的脫水效果過(guò)好，是可能導(dǎo)致物料阻塞，設(shè)備電流過(guò)高跳停的主要原因，我們認(rèn)為降低其擠壓效率，能一定程度解決上述問(wèn)題。由于擠壓機(jī)的工作原理是采用一根外徑不變，內(nèi)徑及螺距變化的螺旋組件經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)輸送并擠壓物料（見(jiàn)圖2），通過(guò)螺旋組件容積的不斷變小，使混合液及PVA 內(nèi)部液體與PVA 固體進(jìn)行分離，從而達(dá)到擠壓脫液的目的。

圖2 擠壓機(jī)的工作原理

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，一般在一定進(jìn)料量的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速來(lái)控制PVA 物料的通過(guò)量，螺桿轉(zhuǎn)速越快，其物料通過(guò)擠壓機(jī)的速度越快，其單位時(shí)間進(jìn)入第一節(jié)螺旋中的物料相應(yīng)會(huì)減少，其通過(guò)性也會(huì)大大提高；但由于螺桿擠壓機(jī)的變頻已滿頻運(yùn)行，無(wú)法提高轉(zhuǎn)速，而通過(guò)調(diào)整減速機(jī)速比改變轉(zhuǎn)速，改造費(fèi)用過(guò)高，因此想通過(guò)此方案解決物料過(guò)度脫液導(dǎo)致的堵塞跳停問(wèn)題難度較大。因此唯一途徑就是在螺旋葉片上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，降低其壓榨率。

由圖2可知，螺桿組件的吸入側(cè)（即圖2的右側(cè)），在單位時(shí)間內(nèi)，PVA 及混合液的體積為V進(jìn)=P*π/4*（D2-d12）*n（其中P為螺距-螺旋盤厚度，D為螺桿大圓外徑，d1為進(jìn)料螺旋小圓直徑，n為轉(zhuǎn)速）；

而V出=P*π/4*（D2-d22）*n（其中P為螺距-螺旋盤厚度，D 為螺桿大圓外徑，d2為出料螺旋小圓直徑，n 為轉(zhuǎn)速）；

V進(jìn)/V出=i，i 即為本設(shè)備脫水比，i 數(shù)值越大，則該螺桿擠壓機(jī)的脫水效果越好，但如上所說(shuō)，脫水效果越好，則物料通過(guò)性越難，產(chǎn)量越低且容易導(dǎo)致過(guò)度堵塞跳停。

經(jīng)反復(fù)測(cè)量，該類型螺桿擠壓機(jī)螺桿尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 螺桿擠壓機(jī)螺桿尺寸數(shù)據(jù)

同時(shí)對(duì)表1進(jìn)行圖3～圖4分析，雖然該類型螺桿擠壓機(jī)單節(jié)螺旋容積變化量差距不大，但其容積變化率卻較為明顯，特別是III螺旋盤處，其變化率較為突兀。因此懷疑其容積變化過(guò)大，導(dǎo)致該處物料及混合液在擠壓脫水過(guò)程中未及時(shí)排出，從而致使設(shè)備過(guò)載跳停。

圖3 單節(jié)螺旋容積量

圖4 螺旋容積變化率

4 改造方案

為不影響其他相關(guān)部件結(jié)構(gòu)有大的變化，改造螺桿壓縮比的前提應(yīng)保證改造完的外形尺寸，包括軸承檔位尺寸、主軸長(zhǎng)度等都與原有螺桿完全一致；同時(shí)需考慮螺桿的螺旋葉片個(gè)數(shù)以及物料停留時(shí)間，盡可能與原有設(shè)備一致。

通過(guò)對(duì)原有擠壓機(jī)螺旋軸尺寸的復(fù)測(cè)，我們認(rèn)真計(jì)算了各螺旋節(jié)距的容積及其變化規(guī)律，認(rèn)為容積變化率的曲線應(yīng)相對(duì)平滑。根據(jù)原有螺旋容積變化情況，考慮在進(jìn)料段采用逐級(jí)1.2 的容積變化率，壓榨區(qū)采用逐級(jí)1.1 的容積變化率，從而降低總的脫水比的方案較為合理。

經(jīng)與相關(guān)設(shè)備制造廠家充分溝通，設(shè)備廠家同意我方的改造方案，并保證在原有螺旋主軸的基礎(chǔ)上，對(duì)螺旋盤進(jìn)行尺寸調(diào)整，從而達(dá)到我公司改造目的。

因必須利用現(xiàn)有螺桿主軸，為加工方便，同時(shí)也要滿足我公司脫水率改造的要求，廠家最終確定改造尺寸數(shù)據(jù)如表2。

根據(jù)此方案，廠家將需改造的螺旋組件的I、II、III、IV、V螺旋進(jìn)行拆除，保留主軸及VI螺旋組件，按照重新設(shè)計(jì)的尺寸，對(duì)需改造的螺旋組件進(jìn)行重新加工，再通過(guò)I、II、III、IV間隔盤進(jìn)行尺寸調(diào)節(jié)，同步調(diào)節(jié)機(jī)體上的止滑板的寬度和長(zhǎng)度，即可使改造完的螺旋組件完全滿足原有設(shè)備安裝尺寸。

同樣對(duì)表2進(jìn)行圖5～圖6分析：

由表2、圖5、圖6可以看出，改造后的螺桿容積變化率曲線較為平滑，消除了容易產(chǎn)生堵料的根結(jié)所在。

圖5 改造后單節(jié)螺旋容積量

圖6 改造后螺旋容積變化率

表2 最終確定改造尺寸數(shù)據(jù)

同時(shí)此次改造對(duì)更換的新螺旋盤均升級(jí)為不銹鋼06Cr19Ni10材質(zhì)，在車削得到圖紙尺寸后再進(jìn)行拋光處理，保證接觸部份的表面粗糙度ra 達(dá)到0.8 μm，減少醇解母液對(duì)螺旋盤的腐蝕，以滿足多品種PVA 生產(chǎn)的品控要求。

5 改造效果

該螺旋擠壓機(jī)螺旋主軸改造后，雖然其總的壓榨比有所降低，但該設(shè)備屬于工藝生產(chǎn)的卡脖子關(guān)鍵，其物料的含水率稍有上升，后端干燥設(shè)備能力仍有富余，完全滿足正常生產(chǎn)需要。

目前該臺(tái)改造設(shè)備已安裝在內(nèi)蒙古蒙維科技有限公司醇解XIII 列上，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)改造效果，其加料量、電機(jī)電流以及主機(jī)振動(dòng)等均完全適應(yīng)生產(chǎn)低醇解度特殊品種PVA 工藝要求，未出現(xiàn)物料過(guò)度壓榨導(dǎo)致的設(shè)備過(guò)載跳停現(xiàn)象，改造效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

同時(shí)成品物料外觀成型均勻，提高了客戶對(duì)公司產(chǎn)品的認(rèn)可度。最重要的是提高了產(chǎn)品通過(guò)性，提產(chǎn)效果明顯。前期改造后因生產(chǎn)線品種不同未能做出有效對(duì)比。自2021年3月開(kāi)始生產(chǎn)17-99常規(guī)品種，生產(chǎn)負(fù)荷根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)始穩(wěn)步提產(chǎn)，最終對(duì)比生產(chǎn)能力在原有生產(chǎn)基礎(chǔ)上增加3.4 t/d。表3為2020年8月份生產(chǎn)17-99產(chǎn)量數(shù)據(jù)與2021年3月生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表3 2020年8月份生產(chǎn)17-99與2021年3月生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表3看出，改造前后同樣的生產(chǎn)線生產(chǎn)同樣品種PVA，其樹脂加料量及產(chǎn)量提升明顯，按每噸PVA 效益4 000元，每年開(kāi)工300天計(jì)算，年收益超400萬(wàn)元，有效提升了生產(chǎn)利潤(rùn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)PVA 行業(yè)的不斷發(fā)展，技術(shù)上的不斷進(jìn)步，對(duì)其生產(chǎn)裝備水平也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的螺桿擠壓機(jī)將逐漸被新一代能耗更低的進(jìn)口離心機(jī)所取代。但我們相信，只要PVA 行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)深挖自身潛能，改進(jìn)原有設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，老舊設(shè)備仍然會(huì)大放光芒，為企業(yè)創(chuàng)造更多的價(jià)值。