范文波

(鎮(zhèn)江奇美化工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 概述

根據(jù)《中國(guó)雙螺桿擠出機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查分析及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告（2021年版）》，雙螺桿擠出機(jī)在市場(chǎng)中的定位、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、市場(chǎng)動(dòng)態(tài)、重點(diǎn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況、以及對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈影響等分析[1]，雙螺桿擠出機(jī)在生產(chǎn)ABS的行業(yè)中有著舉足輕重的作用。

雙螺桿擠出機(jī)屬于塑料加工機(jī)械，也即有兩根主軸在筒體內(nèi)同向轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過輸送和混煉加工成半成品或成品簡(jiǎn)單描述為：粒料或粉料經(jīng)加料斗加入加料口，經(jīng)螺桿推動(dòng)和混煉產(chǎn)生的壓力和剪切力，使物料摩擦生熱或加熱后變成熔融狀，也稱塑化后經(jīng)摸頭處擠出。

依據(jù)摸頭料流方向以及螺桿中心線的夾角，可以將摸頭分成直角機(jī)頭和斜角機(jī)頭等。目前市場(chǎng)上的塑料制品制造可分為板材型押出成型，摸頭大多為垂直型的開口扁平狀，經(jīng)三輥或四輥押板機(jī)押出成型；而一般作為傳統(tǒng)工程塑料的基材ABS粒料，則是通過摸頭處的多孔板押出成條狀，經(jīng)牽引后切粒成半成品，鑒于ABS生產(chǎn)工藝的演變，ABS粒料的生產(chǎn)已有傳統(tǒng)的兩段式逐漸變?yōu)橐欢问綌D出機(jī)押出，通過垂直的摸頭下料直接切粒制成。

1 雙螺桿擠出機(jī)的組成

雙螺桿擠出機(jī)系統(tǒng)有：電機(jī)、減速機(jī)、擠出機(jī)入料口、主軸螺桿、螺塊、換網(wǎng)機(jī)、摸頭、水槽、切粒機(jī)、silo等組成。雙螺桿擠出機(jī)較常用在高產(chǎn)量，混煉度高的場(chǎng)合，比如：染色粒，或各種ABS生產(chǎn)。以ABS粒生產(chǎn)裝置為例，擠出機(jī)生產(chǎn)流程圖如圖1。

圖1 擠出機(jī)生產(chǎn)流程圖

關(guān)于雙螺桿擠出機(jī)的工作原理的相關(guān)資料和信息，在百度網(wǎng)盤和各種文獻(xiàn)資料中有大量體現(xiàn)，所有作者都認(rèn)為減速機(jī)、螺桿、螺塊等為雙螺桿擠出機(jī)的重中之重的配套設(shè)備或部件。

下面簡(jiǎn)單介紹一下：螺桿和螺塊兩大重要部件。

1.1 螺桿

是擠出機(jī)的心臟，螺桿的長(zhǎng)短和強(qiáng)度，決定了一臺(tái)擠出機(jī)產(chǎn)量、物料輸送的快慢，產(chǎn)品塑化速度、混煉后的物料溫度、產(chǎn)品耗能等。通過螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使塑料在螺桿和筒體的間隙中產(chǎn)生擠壓，移動(dòng)、增壓以及從摩擦中獲取部分熱量，塑料在料筒中移動(dòng)的過程中獲得混合和塑化，因?yàn)榛鞜捴杏胁糠窒鹉z含有一定的水分和酸堿性，所以對(duì)螺桿和筒體有較高的要求，一般為高強(qiáng)度、耐熱和耐腐蝕的合金制備而成。

螺桿是擠出機(jī)的關(guān)鍵部件，作為螺桿的材料必須具備耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度等特性，具體有如下幾點(diǎn)要求：

（1）力學(xué)性能高。要有足夠的強(qiáng)度，以適應(yīng)高溫、高壓的工作條件。

（2）機(jī)械加工性能好。要有較好的切削加工性能和熱處理性能。

（3）耐腐蝕和抗磨性能好。特別是一些具有強(qiáng)酸環(huán)境下的螺桿。

雙螺桿擠出機(jī)喂料特性好，適用于粉料加工，且比單螺桿擠出機(jī)有更好的混煉、排氣、反應(yīng)和自潔功能，特點(diǎn)是加工熱穩(wěn)定性差的塑料和共混料時(shí)更顯示出其優(yōu)越性。根據(jù)螺桿長(zhǎng)徑比、L/D、料筒內(nèi)徑與螺桿直徑差的一半稱間隙δ、一螺旋角Φ是螺紋與螺桿橫斷面的夾角、壓縮比等方面能很好的解釋擠出機(jī)的設(shè)計(jì)原理。其中L/D一般般能反映出擠出機(jī)制造能力，國(guó)內(nèi)一般的長(zhǎng)徑比為18～25，由于制作精度，鋼材硬度強(qiáng)度稍有不足，一般產(chǎn)品產(chǎn)能在2 t/h以下。我接觸的擠出機(jī)螺桿直徑：177 mm、螺桿長(zhǎng)度：8 252 mm、長(zhǎng)徑比：L/D=46.6，目前為國(guó)內(nèi)最大產(chǎn)量的擠出機(jī)，全球比較有名的生產(chǎn)廠商有：日本TOSHIBA（圖2），德國(guó)WP，德國(guó)科倍榮，美國(guó)century等，他們產(chǎn)品產(chǎn)能能達(dá)3 t/h以上。

圖2 MAX L/D=46.6

1.2 螺塊

螺塊的作用是提供剪切力，在螺桿的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，物料被各種形式的螺塊輸送，壓縮，剪切，使物料溫度急劇上升而呈熔融狀，由于物料一般由多種物料組成，此時(shí)需要獲得高混煉度的狀態(tài)，可以通過不同形式的螺塊組合獲得，一般螺塊(圖3)有右旋，中性，左旋，反旋四種，混煉效果也是逐漸增強(qiáng)！

圖3 左、右旋螺塊

1.3 雙螺桿擠出機(jī)的工作原理

物料沿螺桿前移時(shí)，經(jīng)歷著溫度、壓力、黏度等的變化，這種變化在螺桿全長(zhǎng)范圍內(nèi)是不相同的，根據(jù)物料的變化特征可將螺桿分為加(送)料段、壓縮段和均化段。塑料在擠出機(jī)中存在三種物理狀態(tài)——玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)的變化過程，每一狀態(tài)對(duì)螺桿結(jié)構(gòu)要求不同。

加料段L1(又稱固體輸送段)，熔融段L2(稱壓縮段)，均化段L3(計(jì)量段），塑料在這三段中的擠出過程是不同的。

經(jīng)過混煉和塑化的物料被擠到摸頭處，摸頭的作用是將塑料熔體轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兄本€運(yùn)動(dòng)，使塑料進(jìn)一步塑化均勻，并使熔體均勻而平穩(wěn)的導(dǎo)入流道，還賦予必要的成型壓力，使塑料易于成型和所得制品密實(shí)。塑料在流動(dòng)時(shí)根據(jù)流道的設(shè)計(jì)形狀（常見為魚尾狀）分配壓力，然后經(jīng)多孔板擠出成型。摸頭的組成部件包括筒體連接段、換網(wǎng)器、摸頭流道、多孔扳等。

3 雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)粒子（以ABS為例）常見生產(chǎn)異常及解決對(duì)策

各種文獻(xiàn)、論文和網(wǎng)盤對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的組成、工作原理、設(shè)計(jì)理念的介紹非常多，但只僅限于一些理論描述，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)或加工過程幾乎沒有提及，而且在各種書籍和雜志刊物中也很難看到有關(guān)操作的實(shí)際論述，因?yàn)椴僮鞑糠执蠖酁楦鞴酒髽I(yè)經(jīng)過大量的失敗成本得到的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為避免競(jìng)爭(zhēng)很少會(huì)與同行分享。故前述部分也只是對(duì)簡(jiǎn)單作了描述，而我重點(diǎn)將從實(shí)際操作著手為大家講述生產(chǎn)中遇到的各種異常。

3.1 筒體漏水解決對(duì)策

（1）擠出機(jī)筒體

擠出機(jī)筒示意圖如圖4。

圖4 擠出機(jī)筒體示意

（2）筒體漏水的原因

端面焊接不良有砂眼或氣孔，或長(zhǎng)期溶氧腐蝕造成點(diǎn)蝕。一般漏水點(diǎn) 出現(xiàn)在筒體內(nèi)測(cè)的冷卻流道或斷面的焊接點(diǎn)處（圖5）。如果發(fā)生漏水現(xiàn)象，則是因?yàn)槔鋮s水壓大于低壓側(cè)的料缸內(nèi)壓力，水會(huì)進(jìn)入腔體遇到高溫會(huì)迅速氣化，如水汽不能被抽出，則會(huì)隨著物料一起被擠出，當(dāng)從摸頭處擠出時(shí)，氣體會(huì)立即釋放，造成膠條斷條，無(wú)法正常擠出！如果關(guān)閉筒體冷卻水，則物料缺少冷卻會(huì)造成該段的物料溫度一直偏高，影響品質(zhì)。

圖5 筒體焊接點(diǎn)點(diǎn)蝕

（3）解決對(duì)策

一般遇到此現(xiàn)象，需立即停車更換筒體作焊接處理。焊后作氣壓試壓，或用染色探傷，或作PT探傷，沒有異常后再投入使用，但如果有生產(chǎn)壓力，也可采取特殊手段作繼續(xù)生產(chǎn)。如采用壓縮空氣或抽真空方式給物料進(jìn)行冷卻即可繼續(xù)生產(chǎn)。

3.2 高橡膠ABS混煉不均的解決對(duì)策

（1）混煉不均的原因

橡膠與AS粒子在擠出機(jī)內(nèi)經(jīng)過混煉熔融后隨摸頭處押出并切粒，產(chǎn)品后續(xù)會(huì)被送至下游工廠進(jìn)行注塑成型，生產(chǎn)各種最終產(chǎn)品。橡膠在產(chǎn)品中的主要作用是提高沖擊強(qiáng)度和良好的彈性，但如果在注塑后橡膠混煉不均（圖6），在注塑件的表面易形成麻點(diǎn)，一則影響強(qiáng)度而且影響美觀。

圖6 橡膠混煉不均微觀圖

（2）解決對(duì)策：

a.從操作層面：降低粒子入料端的溫度，增加粒子的摩擦；提高螺桿的轉(zhuǎn)速；增加從而提高混煉效果。

b.改變組型：增加混煉段的螺塊，減少部分輸送段的螺塊，從而增加混煉（圖7）；螺塊溝槽深利于輸送，而溝槽淺物料與筒體的摩擦增大，利于物料塑化，增加成型效果。

圖7 改變組型示意圖

c.增加新型齒狀強(qiáng)混煉螺塊（圖8）。

圖8 齒狀混煉螺塊

①有很好混合功能

②是單頭螺桿元件安裝ZME時(shí)注意事項(xiàng)：

③和雙頭或三頭螺桿元件安裝在一起進(jìn)必須之間安裝至少1 mm的Spacer墊片。否則萬(wàn)一芯軸縱向有及其微小的移動(dòng)的時(shí)候，在兩個(gè)軸上同一位置的一對(duì)螺桿元件即可能造成碰撞，打架。

●其合理性可以在嚙合塊看一下，兩個(gè)相鄰碟片之間是有已經(jīng)Buit-in的1 mm的間隙的。

3.3 螺桿的螺塊和筒體腐蝕

（1）產(chǎn)生原因

雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)時(shí)，如果生產(chǎn)的物料為酸性，在高溫高壓的情況下，極易發(fā)生腐蝕（圖9），根據(jù)研究，酸在高溫下（大于60 ℃）的腐蝕速度呈直線上升，是常溫腐蝕速度的10倍！

圖9 螺塊腐蝕圖

從圖9中可以看出，螺塊被腐蝕直接剝落，隨物料輸送至換網(wǎng)器處被遮擋，因網(wǎng)前壓力發(fā)生變化，得以發(fā)現(xiàn)！在抽取螺桿后發(fā)現(xiàn)，螺桿也有一定程度的腐蝕，如果繼續(xù)運(yùn)行，則有斷軸的風(fēng)險(xiǎn)。為防止剝落的螺塊對(duì)筒體造成損傷，用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)筒體內(nèi)壁果然出現(xiàn)被刮傷的痕跡！

（2）防止對(duì)策

在酸性環(huán)境無(wú)法避免的情況下，優(yōu)先考慮改變螺塊材質(zhì)，由原先僅抗磨的材質(zhì)改為既抗磨又抗酸腐蝕的鎳基合金增加抗腐蝕性，其次考慮增加檢修頻次，對(duì)易腐蝕端定期更換，減少因剝落帶來(lái)的后續(xù)不良影響！

3.4 產(chǎn)品出現(xiàn)異色粒

（1）出現(xiàn)異色粒的原因

真空廢液倒流：物料在熔融后，一般都存在氣相殘單，在筒體的低壓段體積膨脹后氣化，在此設(shè)置的真空口正好利用負(fù)壓進(jìn)行抽取，因氣體在抽取過程中會(huì)冷凝，冷凝液會(huì)因?yàn)檎婵昭b置的平頂?shù)挠锌赡軙?huì)直接跌落到產(chǎn)品上，或沿管路回流至真空口，如果真空口排放廢液的溝槽或收集罐滿溢，則真空廢液則會(huì)倒流至筒體，隨物料押出形成色差粒！

（2）解決對(duì)策

a.保持真空度，一般控制在150 torr以內(nèi)，可適當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。

b.對(duì)真空裝置可適當(dāng)進(jìn)行保溫處理，減少?gòu)U氣的冷凝。

c.對(duì)真空口的平頂結(jié)構(gòu)改為斜面!（見圖10）。

圖10 斜面真空口

3.5 真空口翻料，產(chǎn)量偏低無(wú)法正常生產(chǎn)

（1）發(fā)生原因

橡膠BP粉中含有一定的水分，在與AS粒子由寬螺距向窄螺距輸送的過程中，經(jīng)過壓實(shí)段后，水分很難再向后逸出，只能向前移動(dòng)，當(dāng)物料在不斷混煉過程中溫度逐漸上升直至熔融，水分被迅速汽化，在經(jīng)過低壓端真空口處，如果負(fù)壓不足或水汽過多，則水汽在逸出時(shí)將熔融的物料帶出，從而引起真空口翻料，將真空廢氣管堵塞，一則影響產(chǎn)品品質(zhì)，而且有可能引起機(jī)臺(tái)跳車，甚至設(shè)備損壞。

簡(jiǎn)單計(jì)算一下含水量：以800 kg/h產(chǎn)量的雙螺桿擠出機(jī)為例

1kg水汽化體積膨脹1 244.44 L（1 000 L/18)×22.4= 1 244.44 L

水汽化后總體積V=19.2×1 244.44=24 m3/h

而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)配備的真空泵能力明顯不足，導(dǎo)致水汽無(wú)法被迅速抽取。

（2）解決對(duì)策

a.根據(jù)真空口實(shí)際尺寸、管徑的大小、水汽的在真空泵入口處的溫度以及真空度，再考慮空氣的泄漏量，和真空泵的安全工況并按真空泵的設(shè)計(jì)原理選擇吸氣量為25 m3/m的真空泵（一臺(tái)真空泵帶4條產(chǎn)線，有一定的余量）。

b.增加側(cè)向抽氣裝置，調(diào)整抽氣螺桿的轉(zhuǎn)速和主螺桿的轉(zhuǎn)速增加混煉增加排氣效果，然后逐步提升產(chǎn)量，最終提產(chǎn)過程如表1：雙螺桿擠出機(jī)在生產(chǎn)過程中遇到的問題遠(yuǎn)非以上幾種，文章僅羅列了幾種常見異常及解決方法，有些需要配合其他專業(yè)的化工知識(shí)進(jìn)行，如真空泵的選型等；有些異常的處理需具體問題具體對(duì)待，可通過不斷的摸索得出總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，比如筒體的水泄漏可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的在線操作延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，等等。

表1 產(chǎn)量與轉(zhuǎn)速對(duì)照表

4 總結(jié)

在我國(guó)的塑料和橡膠的擠出行業(yè)中，擠出機(jī)的發(fā)展前景非常廣闊，國(guó)內(nèi)的雙螺桿擠出機(jī)受制于螺桿的材質(zhì)強(qiáng)度，螺塊的耐磨耐腐蝕，筒體的間隙精度，國(guó)產(chǎn)機(jī)臺(tái)一般都是小型設(shè)備，產(chǎn)能在3 t/h以下，而大型擠出機(jī)由于機(jī)械加工能力和制造精度等原因，目前在國(guó)內(nèi)仍處在瓶頸期，大多依賴于進(jìn)口。這種類型的加工企業(yè)一般經(jīng)濟(jì)實(shí)力比較雄厚，單臺(tái)設(shè)備投資往往超億元，對(duì)如何穩(wěn)定生產(chǎn)有很高的要求。

只有對(duì)這種類型的設(shè)備深入研究，遇到問題不斷的摸索，有針對(duì)性的解決生產(chǎn)異常尤為重要，本論文有關(guān)的解決方法，希望能給業(yè)界或同行一點(diǎn)幫助和啟發(fā)。