螺杆挤出机温度控制

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。

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。

(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。

(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。

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。

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。

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。

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