螺杆挤出机温度控制

3 由挤出温度控制引出的高速挤出问题
要实现高速挤出,若不解决现有国产挤出机因提高挤出速度导致的送料段温度偏低与熔融段、计量段温度跑高问题,仅采用高速模具,则只能提高小规格或辅助型材的单位产量,对大规格型材产量提高是难于奏效的。高速挤出模具问题解决之后,真正制约挤出产量进一步提高的是挤出机螺杆结构,换热形式与加热条件。笔者参照国外先进挤出机设计有关资料认为,要提高挤出机生产能力,需要在以下三个方面对国产挤出机进行改造和更新。
降低计量段或熔融段 温度或降低挤出速度;更换混合料,开启真空排气
4
型坯切片粗糙,脱离口模3～5cm仍坚挺不下垂
计量或熔融温度过低
提高计量段或熔融段温度
5
型坯切口宽度或厚度不均
口模设定温度不当,口模装配不当
调整口模温度,检查重新装配口模
挤出塑料型坯质量大致可分为外观质量和内在质量。挤出质量良好的塑料型坯主要特征是:外观光滑,颜色纯正呈乳白色,切片结晶细腻,切口平齐规整,宽度均匀。由挤出机挤出后,脱离口模3～5cm自然下垂。当设定或控制温度过高时,挤出塑料型坯颜色泛黄、内筋弯曲、内壁发泡或横截面上呈气孔状,由挤出机挤出后脱离口模即软弱下垂;温度过低或加温不均匀时,挤出塑料型坯颜色发暗无光泽,切口结晶粗糙,切口宽度与壁厚不均,脱离口模3～5cm后,仍坚挺不下垂,或即向一侧弯曲。
挤出温度控制主要有温度设定、控制和调整三个部分构成。设定温度是控制温度的依据和基准,调整温度是对设定温度的修正和完善。
2.1 温度设定
设定温度的目的是为了控制物料挤出成型过程,始终在熔融温度与分解温度区间(即160～180℃)进行。要正确设定温度,则需充分考虑制约物料成型温度的相关因素。
(1)配方组分、剂量和原料质量。据文献介绍和生产实践验证,不同配方或同一配方不同厂家生产的物料(PVC、CPE、热稳定剂等),挤出成型温度往往有很大差异,有的达10℃左右,这一点在没有实验条件或生产经验的情况下,是不可预知的。只有通过生产实践,依据塑料型坯的质量,适时调整设定温度。开始设定温度时不易过高,应从低向高逐步调整。
附表 挤出型坯质量缺陷特征、原因与温度调整对策
序号
型坯质量缺陷特征
原 因
调整对策
1
型坯外观颜色泛黄
机头、过渡段、
型坯外观颜色发暗
机头、过渡段、口模温度偏低
提高机头、过渡段、口模温度
3
型坯内筋弯曲,内壁发泡或截面呈气孔状,脱离口模即下垂
计量段或熔融段温度跑高,原料含水量超标,未开启真空排气
鉴于挤出温度控制的主体是物料温度,明确了物料温度、显示温度与设定温度在不同挤出工况下的对应关系,也就明确了设定和控制挤出温度的依据和基准。诸如提高加温区设定温度可充分发挥外加热器作用,有助于迅速提高物料温度;降低恒温区设定温度可适时切断外加热源,避免内热和外热叠加作用,尽可能阻止物料温度持续跑高;提高保温区设定温度,可借助外热源,维持物料在最佳塑化状态挤出,以得到高强度塑料异型材型坯。应该指出,在设定温度时虽然已考虑到内热的作用与影响,降低恒温区设定温度,但也仅可使该部位物料达到设定温度适时切断外热,而不能制止因挤出速度提高所增加的内热。挤出实践证明,有内热存在的挤出机内各段物料温度与挤出量直接相关,降低与提高给料与挤出速度不仅决定着挤出产量,而且是控制挤出温度不可缺少的必要手段。但在采用加料与挤出速度控制挤出温度时,还应明确,即使熔融段,计量段显示温度偏离设定温度,但仍小于180℃时,说明该段物料温度仍在熔融温度与分解温度区间,亦属正常。只有当显示温度接近180℃,采用手动冷却控制无效时,才有必要降低给料与挤出速度进行温度控制。同时由于双螺杆挤出机有强制给料的特点,挤出量是由加料速度所决定的,加料速度和挤出速度亦存在相应的匹配关系,提高或降低加料和挤出速度应同步进行。其相互调整的幅度应视加料孔内物料在螺槽内的充斥量而定,一般应控制物料在螺槽内2/3高度为宜。过高则会产生挤出机过载或加料孔、排气孔冒料现象;过低则易导致双螺杆非正常磨损。另外调整加料与挤出速度时还应密切观察主机电流变化,物料塑化好时,一般电流较低。主机电流变化是判断挤出温度控制是否适当的一个重要依据。
经笔者几年挤出实践与统计资料表明:型坯的外观质量一般是由机头、过渡段、口模等部位温度设定控制不当所致;型坯内在质量一般是由挤出机内各段温度设定控制不当或物料实际温度跑高失控造成的。因此在实际操作时应有的放矢地适时对设定温度进行调整。具体调整方法见附表,直至挤出型坯达到标准为止。且忌盲目或大幅度调整,致使挤出生产工况恶化。如调整无效或因温度超高导致型坯出现黄线,经反复切片挤压处理仍不好转时,说明口模或机头流道内已发生“糊料”,应即时停止加料,减速,改用清洗料进行清洗,直至口模清洗料内无糊料杂质为止。如清洗仍无效,应停机,拆除,分解口模,对机头和口模进行认真检查和清理。如确诊糊料是由挤出机熔融段或计量段物料温度失控所致,还须拆除挤出机螺杆,检查、清理机筒和螺杆。
保温区由机头、过渡段、口模等温控点组成。物料经过恒温区后已完全呈熔体状态,进入保温区将由螺旋运动改变为匀速直线运动,并通过均布盘。过渡段和口模建立熔体压力,使之温度、应力、粘度、密实度和流速更趋均匀,为顺利地从口模挤出做最后的准备。由于改变运动方向,建立熔体压力需牺牲一定的热量为代价。同时在该区域，内热已不复存在,故仍需要一定外热做补充。该区域温度设定一般应高于前两个区域设定的温度,口模处的温度还应依据型材截面结构进行设定。截面复杂或壁厚部位,温度设定应高一些;截面简单或壁薄部位,温度设定应低一些;截面对称或壁厚均匀部位,温度设定应基本一致。
加温区由送料段、压缩段两温控点组成。由于物料由室温状态经给料机螺杆输送给挤出机送料段螺杆,距物料熔融温度温差较大,同时物料经压缩段螺杆将通过排气孔,挤出要求物料在该区域内完成由固体向熔体的转化过程,并紧紧包覆于螺槽表面,方不致从排气孔排出或阻塞排气孔。因此物料在加温区域需要的热量较大,送料段、压缩段的温度宜设定的高一些。值得注意的是,如送料段温度设定过高,由于距离料斗与挤出机扭矩分配器较近,易导致物料在料斗内架桥,扭矩分配器齿轮受热变形及加速磨损,故送料段温度设定还应视料斗冷却情况和扭矩分配器油温而定(一般以油温≤60℃为宜)。
恒温区由熔融段和计量段两温控点组成。物料经过加温区后已基本呈熔体状态,但温度不甚均匀,且并未完全塑化,还须进一步恒温并完全塑化,同时随螺杆容积减少,在机头均布盘(亦称过滤盘、导流盘)阻力作用下,物料粘度、密实度进一步提高,单位体积物料量增加，为保证物料温度，因此该区域物料还需一定热量；但该区双螺杆对物料剪切和压延作用所转化的内热,往往又超过了物料的需求,故熔融段和计量段温度的设定应注意:在挤出机开机前升温时,温度设定略高一些,以利于螺筒恒温;开机正常后要适当降低,以防物料降解。
(1)实行超锥度双螺杆挤出。锥形双螺杆与平行双螺杆挤出机相比最大的特点,是在需要大量热量的送料段,螺杆直径较大,对物料的传热面积和剪切速率比较大,加速了物料的塑化;在物料已完全熔融不需要太多热量的计量段,螺杆直径较小,减少了传热面积和对熔体的剪切速率,可防止物料过热降解,在同样长径比条件下,挤出能力明显提高。如对螺杆锥度进一步改进,正向效应则会更佳。
(2)塑料挤出亦是一个能量守恒的过程。单位体积的固体转化为熔体所需的总能量相对是恒定的,物料的输送速率基本上平衡于物料的熔化速率。因受口模物料流速和定型模冷却条件的限制,不同规格的异型材单位时间挤出量差异亦很大。因物料输送速率不同,物料熔融所需热量亦不同。对于单螺杆挤出机或双螺杆挤出机没有内热存在的加热区域,即机头、大小过渡段、口模等部位,生产大规格型材时,设定温度宜高一些;生产小规格异型材,设定温度宜低一些。对于双螺杆挤出机有内热存在的加热区域,由于内热的作用,挤出速率反过来又直接影响物料的熔融速率。设定温度应视该段物料的形态、承受温度程度及对热量的需求情况而定。
2.3 温度调整
如果挤出温度控制适当,设定温度正确与否直接决定了挤出塑料型坯的质量。挤出塑料型坯的质量反过来又是对设定温度正确与否的检验。由于挤出控制温度是挤出生产前设定的,其设定温度正确与否又受配方组分、剂量和原料质量以及挤出机工艺条件的制约和影响。新建企业或生产经验、技术水平不甚高的操作人员,在开机设定温度时,难免出现这样或那样的偏差,因此有必要在生产过程中通过对挤出塑料型坯存在的质量缺陷进行系统对应分析检验,适时调整所设定的温度。
(2)改变现螺杆内部换热形式。现挤出机采用的硅油自调温螺杆,结构简单,不用维修,有节能效果,但换热率不高。可采用硅油外循环冷却换热装置,对计量段物料实行强制冷却换热,提高螺杆换热效率。
(3)增加现挤出机送料段加热圈功率。现挤出机送料段加热功率一般为3000W,生产实践证明,由于送料段物料需要热量较大,在挤出速度提高后,即使加热圈一直处于加热状态,仍然满足不了物料所需热量,故适当提高加热圈功率,以利送料段物料加温。
(3)塑料挤出需经历一定时间历程。在这一历程的不同阶段,由物料的加工特性和挤出机职能所决定,不同形态的物料承温情况和对热量的需求有所不同。要正确设定温度亦有必要深入了解物料在挤出不同阶段的形态、承受温度程度及对热量的需求情况。
双螺杆挤出机温控系统由10个温控点组成。依据物料在挤出过程各个阶段的形态、承受温度程度及对热量的需求情况,可将10个温控点归纳为加温、恒温、保温三个区域。其中加温与恒温区主要在挤出机内,以排气孔为界划分为两个相对独立又互为关联的部分;保温区主要由机头、大小过渡段、口模部分构成。
2.2 温度控制
塑料异型材挤出温度控制主要是围绕着设定温度进行的。由于锥形双螺杆挤出机具有温度自控和手动冷却控制职能,一般生产状态对所设定的温度实施自动控制即可。当某段温控点温度跑高,自动控制失效,采用手动冷却控制也可将显示温度控制在设定温度界线之内。
在挤出温度控制时必须明确两个基本概念。其一,挤出机设定温度所控制的各个温控点显示温度仅仅是螺筒、机头及口模的温度,并非物料的实际温度。物料温度与显示温度在不同加热工况下存在不同的对应关系。即当螺筒、机头、口模等温控点外加热器加热时,物料温度实际上低于显示温度;当螺筒、机头、口模等温控点外加热器停止加热时,物料温度则可能等于或高于显示温度。锥形双螺杆挤出机有两个热源:①外电加热器;②双螺杆对物料剪切与压延作用转化的内热。由于反映显示温度的测温点与外加热器和物料之间存在一定距离,故三者之间亦存在一定的温度梯度(即温差)。从挤出加温、恒温、保温三个区域供热情况分析(图2)可知,加热区既存在外加热,又存在内加热,为双向导热,显示温度基本上等同于物料温度;恒温区在显示温度未达到设定温度值时,亦是双向导热;显示温度超越设定温度值时,热量开始由内向外传递,可称之为逆向导热,显示温度则可能低于物料温度;保温区由于内热不复存在,热量又开始由外向内传递,亦称之为正向导热,显示温度则高于物料温度。其二,双螺杆对物料的剪切与压延作用所转化的内热并不受自动温控系统的约束与支配。通过挤出实践可以发现,在塑料异型材挤出时,不存在内热的机头,过渡段和口模部位温控点显示温度一般比较稳定,基本上可控制在设定温度的范围内;有内热存在的挤出机内各段温控点显示温度随挤出量增减往往波动很大,有时远远偏离设定温度的控制界线。例如要提高挤出量,送料段物料对热量需求增大,因挤出速度提高所增加的内热不足于平衡物料在该段停留时间缩短所减少的热量,虽然外加热器一直工作,但显示温度仍低于设定温度;熔融段和计量段的物料由于已完全转化为粘流态,所需热量有限,并由挤出速度提高所增加的内热超过物料在该段停留时间缩短所减少的热量,虽然外加热器停止加热,但显示温度仍高于设定温度。