李朝林

(神華榆林能源有限公司，陜西 榆林 719302)

神華榆林能源化工有限公司高壓聚乙烯裝置采用德國Basell公司的LUPOTECH TS?高壓管式反應(yīng)器技術(shù)，該技術(shù)以乙烯為主要原料，以丙烯或丙醛為分子量調(diào)整劑，以過氧化物為引發(fā)劑，反應(yīng)溫度為270～330℃，反應(yīng)壓力為220～300 MPa。引發(fā)劑分四點注入反應(yīng)器的四個區(qū)域，反應(yīng)產(chǎn)物通過反應(yīng)器末端的脈沖閥減壓后排放至高壓分離器，分離的熔融聚乙烯經(jīng)低壓分離器再次分離進(jìn)入擠壓機(jī)，經(jīng)擠壓機(jī)送至切粒機(jī)造粒，成型的產(chǎn)品顆粒經(jīng)造粒系統(tǒng)冷卻、干燥后由氣力輸送系統(tǒng)輸送至脫氣倉，脫氣合格的產(chǎn)品顆粒由氣力輸送系統(tǒng)送至成品包裝庫房。擠壓造粒單元采用兩套德國科倍隆公司的雙螺桿擠壓機(jī)（ZSK350和ZSK70）。開口劑作為母料通過輔助擠出機(jī)ZSK70注入到主擠壓機(jī)ZSK350，液體添加劑被融化后經(jīng)計量泵注入至主擠壓機(jī)ZSK350。結(jié)合實際生產(chǎn)，探討導(dǎo)致切刀損傷的影響因素，提出有針對性的預(yù)防和處理措施，延長切刀的使用壽命及保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

1 切刀損傷說明

聚乙烯熔融料及添加劑經(jīng)過擠壓機(jī)筒體中雙螺桿的進(jìn)料段、增壓段、均化段、擠出段后，以熔融態(tài)通過模板，然后由切粒機(jī)在顆粒水中造粒。切刀以一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行水下切粒，由進(jìn)退刀液壓油系統(tǒng)調(diào)節(jié)切刀與模板的距離，以生產(chǎn)外觀合格的粒料。然而，在長期連續(xù)生產(chǎn)中，會出現(xiàn)不同形式的切刀損傷，包括切刀磨損、鈍化、變形、腐蝕、斷裂等，如圖1所示。

其中，正常生產(chǎn)時，切刀磨損及鈍化是最常見的現(xiàn)象；生產(chǎn)出現(xiàn)大的波動時，切刀易發(fā)生纏刀現(xiàn)象，清理包覆于切刀的樹脂易使刀刃鈍化及變形。為了延長切刀使用壽命，應(yīng)對切刀磨損及纏刀現(xiàn)象予以重點關(guān)注。

圖1 切刀外觀圖示

切刀正常生產(chǎn)磨損量的影響因素有：切刀的數(shù)量、切刀安裝的角度、切刀盤的設(shè)計（有無沖洗內(nèi)孔）、切刀接觸模板的壓力、切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速、顆粒水對刀的作用力（刀片推進(jìn)器效應(yīng)）等等。切刀磨損量是通過切刀與模板位置的減小值來衡量，當(dāng)切刀位置減小值達(dá)2 mm時就需更換新的切刀，這個數(shù)值在現(xiàn)場的千分尺可讀出，在擠壓機(jī)控制畫面也有相對位置和絕對位置（沒有實際的參考價值）的讀數(shù)。

實際生產(chǎn)時，切刀位置減小值需在較長的時間內(nèi)才能體現(xiàn)，而切粒機(jī)扭矩或者電機(jī)電流（顯示值在電氣）在一定程度上能實時反映切刀磨損量的大小。一般地，切粒機(jī)扭矩較大時，切刀與模板緊密接觸使摩擦阻力增大，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速較高使切刀與模板摩擦次數(shù)增加，導(dǎo)致單位時間內(nèi)切刀磨損加快。故調(diào)整造粒工藝時，通常為觀察電機(jī)扭矩的變化。

2 切刀損傷的影響因素

2.1 造粒系統(tǒng)的影響

2.1.1 進(jìn)退刀壓差的變化

切刀與模板的接觸壓力是由進(jìn)刀油壓與退刀油壓共同調(diào)節(jié)的。正常情況下退刀油壓靠壓力閥控制，設(shè)定之后是不允許動的，所以進(jìn)刀油壓增加，進(jìn)退刀壓差增大，切刀與模板接觸緊密，切刀與模板摩擦越大，切粒機(jī)扭矩增加，切刀磨損量增加。液壓油系統(tǒng)的穩(wěn)定性同樣會影響到進(jìn)退刀壓差的變化，進(jìn)而影響到切粒機(jī)的運行。

2.1.2 磨刀操作

切粒機(jī)在更換新切刀時，為優(yōu)化切刀與模板的貼合度而進(jìn)行磨刀操作，通過磨刀，可使切刀盤的平面度、切刀軸與模板的垂直度以及切刀面的平面度三者與模板的匹配度提高，故應(yīng)提高磨刀質(zhì)量，合理控制進(jìn)退刀壓差及磨刀時間，以免磨刀過程中切刀損傷。正常操作將初始進(jìn)退刀壓差設(shè)定為0.6 MPa，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為800 r/min，進(jìn)行磨刀操作，磨刀15～30 min，解模查看磨刀情況，檢查每把切刀均有磨痕，模板磨痕光滑，則磨刀合格，如果不合格重新調(diào)大進(jìn)退刀壓差和切粒轉(zhuǎn)速磨刀，直至合格，最終磨刀距離不能超過1 mm，如果磨刀時進(jìn)退刀壓力過大，切刀磨損量就會增大。所以磨刀的好壞直接決定著切刀使用壽命的長短。

2.1.3 切刀的數(shù)目以及切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速

切粒機(jī)切刀數(shù)目的多少和切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速也同樣決定著切刀的壽命。切刀的數(shù)目少時就會相應(yīng)的提升切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速來滿足切粒量，這樣單個切刀切粒的次數(shù)就會增加，切刀的磨損量就會增加。但是也并不是切刀的數(shù)量越多越好，切刀的數(shù)量太多，切刀之間的空間就會小，開車期間產(chǎn)生的花料、墊刀料就不容易掉落造成墊刀或者纏刀。切粒機(jī)轉(zhuǎn)速增加使得單位時間內(nèi)切刀與模板的摩擦次數(shù)增加，顆粒水對切刀壓向模板的作用力(流體動力分量)增大，這樣就會加快切刀磨損。需注意的是，當(dāng)切刀轉(zhuǎn)速過高時，切刀轉(zhuǎn)速成為影響切粒機(jī)扭矩的主要因素。

2.1.4 溫度調(diào)節(jié)

溫度控制主要包括顆粒水溫度、模板溫度以及筒體溫度等的控制。實際生產(chǎn)中，顆粒水的作用是冷卻、輸送顆粒。顆粒水溫度對于顆粒的外觀及切刀的磨損有重要影響。水溫過低擠出的樹脂溫度低料硬，不但對切刀磨損大易產(chǎn)生細(xì)粉，而且易堵膜孔，但優(yōu)點是切出的顆粒飽滿外形較美觀。水溫過高擠出的樹脂溫度高料軟，切出的顆粒容易帶尾，顆粒外形不規(guī)則，但優(yōu)點是對切刀的磨損小。顆粒水溫度較高時，出現(xiàn)的拖尾料或拉絲料，影響離心干燥器、振動篩、轉(zhuǎn)閥、淘洗器等的正常運行，嚴(yán)重時造成纏刀或者墊刀導(dǎo)致系統(tǒng)停車。模板溫度及筒體溫度一定程度上也影響熔融料的流動速率和切粒硬度。

2.1.5 其他

設(shè)備因素包括刀盤的平面度、切刀軸與模板的垂直度、切刀刀盤安裝不到位（生產(chǎn)中出現(xiàn)過因安裝不到位導(dǎo)致切刀崩刃）、切刀面的平面度及切刀材質(zhì)。切刀盤的平面度不佳，導(dǎo)致切刀磨損程度不一致，損傷模板嚴(yán)重，當(dāng)部分切刀磨損較大而造成切粒不合格時，就需提前更換切刀。刀軸垂直度不佳，導(dǎo)致切刀與模板的不平行及不均勻接觸，轉(zhuǎn)動的切刀受到高頻率的交變載荷，造成整體異常磨損甚至切刀斷裂，同時切粒外觀質(zhì)量變差及碎屑增多。切刀面的平面度不佳，導(dǎo)致單個切刀不同部位的磨損程度不一致，當(dāng)切刀部分位置磨損嚴(yán)重時，造成切粒不合格就需更換切刀。切刀材質(zhì)對切刀壽命也有較大影響，切刀硬度過高，導(dǎo)致模板過度磨損，極易發(fā)生切刀斷裂，切刀和模板使用壽命縮短；切刀硬度過低，導(dǎo)致切刀過度磨損，造成產(chǎn)品不規(guī)則顆粒及切粒細(xì)粉增多；另外，不同廠家對切刀材質(zhì)的加工工藝不同，若加工工藝不當(dāng)，可導(dǎo)致切刀的微觀組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，形成切刀斷裂源 。

由于切粒水循環(huán)使用且添加劑中含弱酸成分，切粒水中溶解的酸性成分不斷累積，導(dǎo)致顆粒水PH下降，可腐蝕切刀和模板，使切刀和模板損傷，嚴(yán)重時導(dǎo)致刀刃呈鋸齒狀而不能正常切粒，縮短了切刀壽命 。

2.2 產(chǎn)品指標(biāo)的影響

2.2.1 產(chǎn)品牌號切換過程的不穩(wěn)定性

聚乙烯設(shè)計產(chǎn)品牌號14個，對于不同牌號的聚乙烯，其物理性質(zhì)有較大的差異。一般聚乙烯的MFR越低，說明熔融料的硬度較大，則對切刀作用力越大，使切刀鈍化，如聚乙烯的MFR太高，由于熔融料太軟無法正常造粒。例：2016年12月，當(dāng)采用較高M(jìn)FR的聚乙烯料開車時，扭矩過低導(dǎo)致在擠壓機(jī)運行10 min時聯(lián)鎖停止；當(dāng)擠壓機(jī)低扭矩被旁路重新啟動后，切粒機(jī)合模后產(chǎn)生大量墊刀料和花料等不合格產(chǎn)品。

可見聚乙烯熔融指數(shù)的控制對擠壓造粒系統(tǒng)操作具有重要作用。實際生產(chǎn)時，涉及經(jīng)常性的使用產(chǎn)品牌號的切換，不可避免的產(chǎn)生過渡料，過渡料的密度及熔融指數(shù)波動范圍較大，導(dǎo)致切粒機(jī)的切刀易受交變應(yīng)力的反復(fù)，切刀極易鈍化。因此，一般需要及時調(diào)整擠壓機(jī)筒體溫度、模板溫度及切粒水溫度等參數(shù)，使擠出的熔融聚乙烯硬度變化盡可能的減少。

2.2.2 聚合反應(yīng)控制不平穩(wěn)

在正常的聚合生產(chǎn)中，原料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、反應(yīng)壓力和溫度不穩(wěn)定等因素會導(dǎo)致聚合反應(yīng)的不穩(wěn)定性增加，極易導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)產(chǎn)生波動，甚至產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。另外，低壓分離器的液位通過調(diào)節(jié)擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)蛪悍蛛x器料位不穩(wěn)定時，擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的頻率加大，同樣也會對切粒機(jī)切刀的使用壽命產(chǎn)生影響。

3 優(yōu)化方案

3.1 造粒系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1.1 進(jìn)退刀壓差的優(yōu)化調(diào)節(jié)

正常生產(chǎn)時，進(jìn)刀、退刀刀壓應(yīng)維持穩(wěn)定，避免波動。為保證切粒質(zhì)量，實際操作維持進(jìn)退刀壓差，當(dāng)切粒機(jī)扭矩較大時，小幅降低進(jìn)刀壓力并調(diào)節(jié)背壓，產(chǎn)生尾巴料或拉絲料。

進(jìn)退刀液壓油系統(tǒng)應(yīng)維持穩(wěn)定，選擇合適的液壓油，新加液壓油后對液壓油系統(tǒng)徹底排氣，油泵入口增加過濾器泵出口增加可在線切換過濾器，保證油的潔凈程度，防止雜質(zhì)進(jìn)入到油系統(tǒng)造成進(jìn)退刀壓差的波動。

開車過程中，提高進(jìn)刀油壓可使切刀磨損增加，避免頻繁開停擠壓機(jī)；同時，在調(diào)節(jié)進(jìn)退刀壓差過程中，逐步降低進(jìn)刀壓力，若將設(shè)定值突降，使切刀對模板的貼合力瞬間減小，熔融料易沖出模板，導(dǎo)致墊刀及纏刀。同時，開車前須涂硅油，使粘刀的熔融料及時甩離切刀，避免墊刀、纏刀現(xiàn)象發(fā)生。

3.1.2 磨刀優(yōu)化操作

切刀的安裝水平直接影響磨刀效果，目的是使刀與模板完全貼合，如刀面偏差過大，產(chǎn)生部分刀磨損過大影響切刀壽命。刀與刀表面偏差理想值是 0.015 mm，且越低越好。經(jīng)實踐，只要刀盤裝到位，切刀與模板貼合度較好時，磨刀操作可避免，使得切刀在造粒之前無損傷，且維持長周期運行。磨刀模式壓力高于造粒模式而轉(zhuǎn)速較低，據(jù)經(jīng)驗分析，不同刀所需時間不同，所有刀都剛好磨到是磨刀的最佳狀態(tài)，如磨刀時間不夠，刀與模板未完全貼合，易產(chǎn)生大小粒。磨刀后切刀圖案（如下圖2所示）。開始磨刀前必須滿足以下條件：

（1）磨刀前前進(jìn)行了“Spaghetti run”也就是沖模。

（2）顆粒水溫度設(shè)定為45℃左右，pH在7～8之間。

（3）整個擠壓機(jī)包括模板溫度達(dá)到工作溫度。

（4）切刀和模板的接觸面必須清潔涂有硅油。

（5）切刀面沒有損壞（鋸齒狀缺口/凹痕）。

圖2 磨刀后的切刀

3.1.3 切刀數(shù)目及切粒機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化

切刀數(shù)量的安裝是根據(jù)聚合的負(fù)荷和切粒機(jī)在正常生產(chǎn)時的轉(zhuǎn)速在正常范圍內(nèi)決定的，這在調(diào)試階段就決定了切刀的數(shù)量。切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速是根據(jù)擠壓機(jī)的實際負(fù)荷來設(shè)定，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速提高相應(yīng)的扭矩增加，切刀磨損量增大，片料也會增多，在實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，低轉(zhuǎn)速高進(jìn)退刀壓差（切刀和模板貼合度高）和高轉(zhuǎn)速低進(jìn)退刀壓這兩種工藝參數(shù)，可生產(chǎn)出同樣外觀的樹脂顆粒，為保證顆粒質(zhì)量的情況下會相應(yīng)的用提高轉(zhuǎn)速降低進(jìn)退刀壓差（模板對切刀的損傷比粒子對切刀的磨損量大）的方法來調(diào)節(jié)。正常情況下切刀與模板的作用力F(n)主要受液壓油驅(qū)動氣缸產(chǎn)生推力F1和切刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力F2,其關(guān)系為：F(n)=F1+F2（如圖3所示）。

3.1.4 其他

切刀安裝精度十分重要，切刀盤的平面度應(yīng)小于或等于0.01 mm，切刀軸與模板的垂直度以及切刀面的平面度均小于或等于0.03 mm。切刀材質(zhì)選擇也很重要，切刀硬度應(yīng)低于模板硬度，以避免切刀刮傷模板；若切刀頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，可選用其他優(yōu)質(zhì)切刀或?qū)η械吨匦逻M(jìn)行熱處理，消除切刀材質(zhì)的組織缺陷。顆粒水的pH值也會影響到切刀的損傷，當(dāng)pH值小于7時，及時的補(bǔ)充pH調(diào)整劑，從而使顆粒水pH值合格。

圖3 理想切刀與模板作用力下轉(zhuǎn)速與F1 的關(guān)系圖

3.2 防止產(chǎn)品指標(biāo)異常波動

3.2.1 產(chǎn)品牌號切換過程操作優(yōu)化

針對產(chǎn)品牌號的切換時，切粒機(jī)切刀易出現(xiàn)的應(yīng)力波動較大時，要求及時調(diào)整擠壓造粒系統(tǒng)參數(shù)，做到“盯壓力，調(diào)參數(shù)，看粒形”。根據(jù)擠壓機(jī)模頭壓力的變化趨勢，調(diào)整切粒水溫度、模板溫度及筒體溫度，使熔融料達(dá)到合適切粒的硬度，確保粒形外觀良好，及時根據(jù)產(chǎn)量調(diào)整切粒機(jī)轉(zhuǎn)速。若出現(xiàn)拖尾料、蛇皮料等異常狀況，及時調(diào)整造粒工藝參數(shù)，避免墊刀及纏刀現(xiàn)象。另外，在產(chǎn)品牌號的切換時，避免切換熔融指數(shù)跨度過的大產(chǎn)品牌號，減少過渡料量，切牌號過程中擠壓造粒系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，利于保證切刀壽命。

3.2.2 聚合反應(yīng)控制不平穩(wěn)

保證原料質(zhì)量合格，平穩(wěn)操作壓縮機(jī)，確保壓縮機(jī)打氣量平穩(wěn)，緩慢調(diào)節(jié)反應(yīng)器壓力及溫度，防止反應(yīng)條件波動較大，造成產(chǎn)品密度及熔融指數(shù)等波動較大。對低壓分離器的料位的控制應(yīng)平穩(wěn)操作，防止擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速變化過大，影響擠壓造粒系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 其他

影響切刀使用壽命因素還有很多，如機(jī)組頻繁開停、頻繁提降產(chǎn)量等。平穩(wěn)操作對所有運行的機(jī)組來說都是有利的，尤其對于擠壓機(jī)這樣的聯(lián)合機(jī)組更是如此，因此應(yīng)該在平穩(wěn)操作上多下功夫，加強(qiáng)日常維護(hù)、保養(yǎng)，強(qiáng)化巡檢力度及時發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，避免不必要的停車。