擠壓造粒機組模板切粒帶部分合金脫落原因分析

何 寶

（國能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

擠壓造粒機組是聚乙烯裝置中的造粒設(shè)備，而模板是擠壓造粒機組的重要部件之一，也是易損件［1］。模板的作用是將經(jīng)過加壓后的熔融樹脂定型成絲狀，絲狀熔融物料通過模板后被高速旋轉(zhuǎn)的切刀切成顆粒，并由顆粒冷卻水送至下游設(shè)備。模板通過螺栓與熔融物料錐形分配器相連接，物料沿著圓錐環(huán)形通道均勻通過模板。在模板和熔融物料錐形分配器內(nèi)部設(shè)有加熱流道，通常采用高壓蒸汽或者導(dǎo)熱油進行加熱。模板加熱是否均勻直接影響顆粒外觀［2］。

在模板使用后期，隨著模孔的堵塞和切刀鋒刃度的下降，顆粒開始出現(xiàn)大小粒超標、細屑增加等狀況，解決方法是重新研磨修復(fù)或者更換新模板[3]。我公司聚乙烯裝置擠壓造粒機組自2010年開工以來，模板累計使用15塊，使用時間最長為15個月，最短為2個月，模板的使用壽命嚴重制約擠壓造粒機組的長周期運行。筆者通過分析模板損壞的原因，提出了相應(yīng)的改進措施。

1 模板切粒帶金屬涂層脫落情況

該擠壓造粒機組最大生產(chǎn)能力41.7 t/h，電機功率9 200 kW。擠壓造粒機組主要由主電機、主減速箱、混煉機、熔融泵、熔融泵電機、熔融泵減速箱、切粒機及液壓油系統(tǒng)等組成。切粒機由模板、水室、切刀和刀架組成，模板和切刀配合狀態(tài)直接影響顆粒外觀［4］。模板實物外觀見圖1。

圖1 擠壓造粒機組模板實物外觀

對模板采用蒸汽加熱的方式，加熱溫度為220℃，模板加熱結(jié)構(gòu)為3進3出，即蒸汽分3路從模板的上部進入，分3路從模板的下部流出。模板規(guī)格為?1 110 mm×140 mm，其上共有4 184個?3.5 mm的出料孔。切粒帶本體材質(zhì)為1Cr13，切粒帶涂層合金材質(zhì)為碳化鎢。

近期發(fā)現(xiàn)擠壓造粒機組的顆粒碎屑較多，顆粒不規(guī)則，通過增大進刀壓力、調(diào)整顆粒水溫度等措施情況仍未得到改善。停車檢查，發(fā)現(xiàn)模板切粒帶部分金屬涂層脫落。查看模板加熱蒸汽的壓力和溫度參數(shù)，排除因加熱介質(zhì)溫度和壓力變化造成模板切粒帶變形損壞的可能性。查看模板隔熱墊，發(fā)現(xiàn)隔熱墊完好，排除模板加熱介質(zhì)流道泄漏造成模板表面損壞的可能性。

2 模板切粒帶金屬涂層部分脫落原因分析及對策

2.1 設(shè)備安裝

模板和物料分配器通過內(nèi)六角螺栓連接，螺栓布置在切粒帶的內(nèi)圈和外圈。采用十字交叉法，以規(guī)定的扭矩值先緊固內(nèi)圈螺栓，再緊固外圈螺栓［5］。模板安裝后，將模板升溫至操作溫度，并保持一定時間后進行熱緊，防止因釬焊材質(zhì)和焊接質(zhì)量等原因造成內(nèi)應(yīng)力過大，導(dǎo)致模板平面度超出規(guī)定值。在預(yù)緊和熱緊之后，采用框式水平儀對模板切粒帶進行檢測，要求平行度在0.02 mm以內(nèi)［6］。如果平行度超標，則切粒過程中切刀和模板切粒帶的接觸面積將發(fā)生變化，相互作用力也會發(fā)生變化。如果平行度偏差過大，模板切粒帶局部受到的作用力將變大，長時間運轉(zhuǎn)后模板切粒帶會出現(xiàn)損傷。

模板和水室之間需要找正，找正數(shù)據(jù)應(yīng)符合標準，即水室導(dǎo)向鍵能順利進入模板4個導(dǎo)向槽，且平滑無卡澀，導(dǎo)向鍵應(yīng)在導(dǎo)向槽中心線位置。刀盤與模板的找正結(jié)果將影響模板和切刀間的作用力，有時甚至?xí)斐赡０迤?，降低模板使用壽命?］。

將水室4個導(dǎo)向鍵插入模板4個導(dǎo)向槽中，通過調(diào)整切粒小車基座螺栓和水室背面螺栓，確保導(dǎo)向鍵順利插入導(dǎo)向槽，導(dǎo)向鍵距離導(dǎo)向槽兩側(cè)間距相等（圖 2）。

圖2 切粒機水室和模板找正

每盤切刀共22把，切刀安裝在刀盤上之后應(yīng)該找水平，高低偏差要求在0.03 mm以內(nèi)。切粒機軸和水室垂直度應(yīng)在0.03 mm以內(nèi)。切刀安裝質(zhì)量及切粒機軸和水室垂直度會影響切刀和模板切粒帶的貼合度，貼合度不好將影響模板和切刀之間的作用力，可能造成偏磨，偏磨時作用力過大，導(dǎo)致模板切粒帶磨損。復(fù)測與模板配合的切刀高低偏差，高低偏差超過標準的8把切刀的復(fù)測結(jié)果見表1。

表1 高低偏差超標的切刀高低偏差復(fù)測結(jié)果 mm

分析表1數(shù)據(jù)，高低偏差最大的是20#切刀，最高點為刀中，高度偏差在0.07 mm。切刀高低偏差不符合安裝標準，影響切刀和模板切粒帶的貼合度，不符合安裝標準的切刀與模板相互接觸，摩擦力增大，導(dǎo)致模板切粒帶磨損。

安裝模板時應(yīng)注意，錐形物料分配器表面必須清理干凈［8］。在擠壓造粒機組開車過程中，清理干凈模板和水室連接的表面，并噴涂硅油。同時，對切粒機軌道表面異物進行清理，消除影響水室和模板不對中的因素。

2.2 模板與切刀硬度配比

切刀由刀體和刀刃組成［9］。按材質(zhì)，切刀可分為鐵基金屬陶瓷復(fù)合切粒刀和鎳基金屬陶瓷復(fù)合切粒刀。鐵基刀體選用馬氏體不銹鋼或沉淀硬化不銹鋼，刀刃采用鐵基金屬陶瓷材料，刀體和刀刃采用真空釬焊復(fù)合而成。鎳基刀體選用馬氏體或優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，刀刃采用鎳基金屬陶瓷，刀體和刀刃采用真空擴散焊接或真空釬焊復(fù)合而成。刀刃高度約2 mm，寬度 2～3 mm。

擠壓造粒機組模板的本體為不銹鋼，模板切粒帶表面鑲嵌或者焊接大約3 mm的碳化鎢涂層，模板切粒帶和切刀相互接觸旋轉(zhuǎn)，把熔融絲狀聚乙烯切成顆粒，實現(xiàn)造粒功能［10］。通常切刀刀刃硬度在53～55 HRC，切粒帶碳化鎢硬度在62～66 HRC，兩者的硬度差在7～13 HRC。此硬度差保證模板切粒帶的磨損量非常小，而切刀刀刃則保持均勻的磨損。如果模板切粒帶某部位碳化鎢合金硬度變小或者不均勻，則模板切粒帶磨損將會加劇，甚至出現(xiàn)涂層脫落。將損壞的模板切粒帶均勻分成8組進行硬度檢測，結(jié)果見表2。

表2 損壞的模板切粒帶硬度檢測結(jié)果 HRC

分析表2數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2#和3#模板切粒帶的中間硬度偏低。在切刀和模板切粒帶相互配合過程中，這2處硬度偏低部位的磨損量加劇，造成模板切粒帶合金涂層部分脫落。合金涂層脫落后，模板切粒帶與切刀刀刃貼合不好，造成拖尾粒和碎屑增多。

2.3 積屑瘤

隨著擠壓造粒機組長時間運行，特別是模板和切刀的使用壽命到了中后期，模板?？卒h利度和切刀刀刃鋒利度都會下降［11］。擠壓造粒機組負荷波動較大、刀刃和?？卒h利度下降、進刀壓力設(shè)定不合理等因素，都將導(dǎo)致模板與切刀貼合不好。在切粒過程中，貼合不好處將產(chǎn)生一層很薄的滯留層，當(dāng)滯留層和切刀刀刃或者模板切粒帶之間的摩擦阻力超過顆粒冷卻水入口壓力時，滯留層物料將粘附在切刀刀刃或者模板切粒帶上，形成積屑瘤。隨著切粒過程持續(xù)進行，積屑瘤不斷增大。當(dāng)積屑瘤增大到一定程度后，在進刀壓力及切粒機轉(zhuǎn)速的共同作用下，積屑瘤將會附帶模板切粒帶部分合金或者刀刃部分金屬一同脫落。

影響積屑瘤的因素有很多，可控制積屑瘤的主要措施有：①保持模板加熱介質(zhì)的壓力和流量穩(wěn)定，避免因加熱介質(zhì)參數(shù)波動造成模板變形。②模板切粒帶和切刀刀刃的材質(zhì)均采用金屬陶瓷材料，該材料對塑料的親和力較低。③合理控制進刀壓力和切粒機轉(zhuǎn)速，保證模板切粒帶和切刀不發(fā)生間隙切割。

2.4 設(shè)備操作

進刀壓力的設(shè)定值是切粒機切粒的重要參數(shù)［12］。進刀壓力設(shè)定過高，則切刀和模板切粒帶之間的作用力增大，模板切粒帶和切刀刀刃相互磨損嚴重，且刀尖易發(fā)生彎曲。進刀壓力設(shè)定過小，模板切粒帶和切刀之間將產(chǎn)生間隙切割，容易產(chǎn)生積屑瘤，影響模板和切刀使用壽命及產(chǎn)品質(zhì)量。

模板和切刀國產(chǎn)化后，因模板切粒帶硬度、切刀刀刃硬度、加工質(zhì)量都發(fā)生了變化，原進刀壓力與切粒機轉(zhuǎn)速曲線已不再適用，需重新標定。標定前后進刀壓力和切粒機轉(zhuǎn)速曲線見圖3。

圖3 標定前后進刀壓力與切粒機轉(zhuǎn)速曲線

原進刀壓力與切粒機轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線表達式為Y=-0.001n+0.7（Y為進刀壓力，n為切粒機轉(zhuǎn)速），標定后的曲線為Y=-0.001n+0.65。通過對比2個曲線可知，在轉(zhuǎn)速相同情況下，標定后切粒過程中需要的進刀壓力比標定前的低，如果仍按原曲線進行操作，過大的進刀壓力將加快模板切粒帶的磨損。

標定進刀壓力與切粒機轉(zhuǎn)速曲線后，應(yīng)嚴格按照該曲線進行操作。根據(jù)顆粒大小調(diào)整切粒機轉(zhuǎn)速后，相應(yīng)的進刀壓力也應(yīng)該一并調(diào)整，避免模板切粒帶和切刀之間發(fā)生間隙切割而產(chǎn)生積屑瘤［13］。

2.5 工藝條件

進入擠壓造粒機組的粉料是采用Unipol工藝生產(chǎn)的。Unipol工藝以UCAT-J為催化劑，催化劑由氯化鎂、氯化鈦及四氫呋喃等組成［14］。在催化劑作用下，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生聚乙烯粉料，聚乙烯粉料進入脫氣倉。脫氣倉中有通入的大量氮氣及部分水蒸氣，氮氣的作用是將聚乙烯粉料攜帶的烴類脫除后送到回收裝置，水蒸氣的作用是使催化劑失活。經(jīng)脫烴及催化劑失活處理后的聚乙烯粉料經(jīng)過螺旋下料器與添加劑混合，之后進入擠壓造粒機組進行造粒，添加劑的作用是改善產(chǎn)品性能。

如果脫氣倉內(nèi)通入的水蒸氣量不夠，或者不同廠家催化劑配比不同，將導(dǎo)致粉料中夾帶的氯離子增多。同時，添加劑中的硬脂酸鈣含有少量的磷離子［15］。粉料中的氯離子及磷離子對模板的流道會產(chǎn)生一定的腐蝕。模板和切刀完成切粒后，顆粒由顆粒冷卻水冷卻并送至下游設(shè)備進行干燥、篩分。顆粒冷卻水是循環(huán)使用的，長期使用后顆粒冷卻水將顯酸性，會對模板切粒帶造成腐蝕。長時間腐蝕后，模板切粒帶的碳化鎢合金會在切刀的不斷擠壓和摩擦作用下脫落。對顆粒冷卻水的pH值進行了監(jiān)測，結(jié)果見圖4。

圖4 顆粒冷卻水pH值監(jiān)測結(jié)果

顆粒冷卻水正常pH值在7～9。由圖4可知，35次監(jiān)測結(jié)果中，pH低于7的有14次，不合格率為40%。實際操作中，應(yīng)根據(jù)顆粒冷卻水pH值曲線，合理預(yù)判顆粒冷卻水pH值。當(dāng)pH值接近7時，應(yīng)及時進行加堿操作，保證顆粒冷卻水pH值符合要求。

3 結(jié)語

模板是擠壓造粒機組的重要部件，其使用壽命嚴重影響擠壓造粒機組的運行周期。通過對模板切粒帶部分碳化鎢涂層脫落情況進行分析，認為模板切粒帶碳化鎢合金脫落的主要原因是設(shè)備安裝問題、模板與切刀硬度不匹配、積屑瘤影響、設(shè)備操作不當(dāng)及工藝影響等。應(yīng)根據(jù)不同原因及時采取相應(yīng)措施，避免模板發(fā)生損壞，提高模板使用壽命，為聚乙烯裝置高負荷生產(chǎn)提供保障。