大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组螺杆组件浅析

史媛媛，张新超，贾朝阳

（大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁　大连　116039）

大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组螺杆组件浅析

史媛媛，张新超，贾朝阳

（大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁大连116039）

螺杆组件是大型混炼挤压造粒机组中的关键零部件，其稳定性对整套装置的运行至关重要，本文主要阐述了大型混炼挤压造粒机组中螺杆组件的特点及在实际运行情况中容易发生的故障及问题，并针对问题进行了简要解析，为以后大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组的操作及运行参数确定提供参考。

大型混炼挤压造粒机组；同向双螺杆；螺杆组件

随着社会经济的发展，塑料制品在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色，塑料工业也成为国民经济中的重要行业之一。乙烯是发展合成树脂、合成橡胶、合成纤维的基础原料。大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组是乙烯工程或煤化工项目中的核心设备，其工艺流程复杂、配套性强、设计制造和操作难度大、费用昂贵，是集机、电、仪高度一体化的大型成套化装置。用于乙烯工程中PE（聚乙烯）/PP（聚丙烯）物料造粒的大型机组主要有异向双转子连续混炼挤压造粒机组和同向双螺杆混炼挤压造粒机组两种形式。据不完全统计，异向双转子主要用于PE混炼挤出造粒，同向双螺杆机组在PE和PP两种物料中都有应用，但以PP混炼挤出造粒居多。目前，大型混炼挤压造粒机组已实现全面国产化，填补了国内空白，真正打破了国外长期以来的垄断。其中已有5台套用于PP混炼挤出造粒的大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组已投入连续、稳定运行，全面实现了国产化的目标，机组各项指标达到国际先进水平。

1 概述

在大型混炼装置中，国际上同向双螺杆混炼挤压造粒机组供应商主要为德国Coperion和日本JSW公司。螺杆组件是同向双螺杆大型混炼挤压造粒机组中的核心部件，其主要功能是完成对物料的熔融、混炼、塑化、排气、输送等功能。初期，两公司机组中螺杆组件最大区别为计量输送段，Coperion公司ZSK系列为啮合式，JSW公司的CMP系列螺杆计量段为非啮合式，但在后期发展中，螺杆组件计量段型式趋于一致，均为全啮合式。这两家公司由于技术先进、性能稳定，长期以来占据了几乎所有的国际市场。螺杆组件主要由芯轴、螺杆元件、螺杆头等零部件组成。螺杆元件图形如图1所示。

图1　螺杆元件三维模型

2 同向混炼挤压造粒机组螺杆组件的特点

2.1产量高

目前，国内大型同向双螺杆混炼机组主流设备为20万t/年，螺杆组件要完成每小时约25～30 t物料的塑化、混炼及输送，并且大型混炼设备正在朝着大型化方向发展，例如：Coperion公司ZSK 380 Mc已经成功运用，最大产量已达到70 t/h。

2.2对物料的适应性强

同向双螺杆为积木式结构，螺杆元件可拆卸更换，通过改变螺杆组合可以适应多种物料的挤出工艺要求，满足多种物料生产。从实际应用来看，同向双螺杆可用于LLDPE、HDPE、PP等多种物料的生产，适用范围非常广泛。

2.3设计、加工制造困难

（1）螺杆组合设计困难

螺杆组合是螺杆组件的核心，螺杆组合排列除须满足挤出稳定、加工物料符合制品要求及螺杆受力均匀等要求外，还需满足低能耗的发展要求。

（2）螺杆元件设计困难

螺杆组件是由不同导程、不同形式的螺杆元件组合在一起，所以螺杆元件的端面形线的修形至关重要，是保证螺杆元件之间顺滑过渡、两螺杆之间间隙均匀和挤出功能的前提；其次，螺杆元件需满足输送、混炼、排气、输送等各种功能，螺杆元件的导程、头数、旋转方向、错列角、啮合块厚度等均会影响螺杆以上功能，较好的螺杆组合必须经历复杂的设计过程。

（3）芯轴材质的选择、加工制造困难

芯轴是螺杆组件中最重要的部分，是所有螺杆元件的基础和载体，其性能直接决定大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组的运行情况。螺杆在实际使用中处于高温、高负荷、交变弯扭的工作环境下，因此，芯轴材质需是高抗拉强度、高屈服极限和高抗疲劳的材质，此外，芯轴材质的锻造及热处理工艺要求也非常高。

大型同向双螺杆混炼造粒机组中螺杆长径比一般在24左右，若机组中无熔体齿轮泵，螺杆还需为换网装置和模板装置建立压力，螺杆长径比则会更长，故螺杆芯轴处花键长度约7 m（长径比约为40～50），属超细长轴，花键加工难度大，保证花键表面粗糙度及整根芯轴的直线度难度非常大。

2.4表面特殊硬化处理

目前，在双螺杆挤出机中，螺杆元件表面大多采用氮化处理方式，以提高螺杆表面硬度及耐腐蚀性。在大型同向双螺杆混炼造粒机组中，很多情况下螺杆出口压力较高、负荷较大，螺杆与机筒之间需匹配良好的摩擦副，很多机组中采用氮化钢表面堆焊耐磨硬质合金，相对应机筒内表面堆焊耐磨硬质合金，控制两者硬度差，形成稳定、有效的摩擦副。

3 螺杆组件运行过程中常见问题及解析

3.1磨损

在多家石化用户检修中发现，螺杆组件最常见的问题为严重磨损，从设计角度出发，在同向双螺杆机组中，由于机筒的制造及更换难度较大，因此在设计时让螺杆表面的硬度比机筒表面硬度略低一些，一般情况下，螺杆元件的正常磨损是合理的，但严重磨损则会造成螺杆之间啮合间隙变大，挤出过程漏流增大，剪切强度变低，影响混炼效果；其次，严重磨损会造成大量金属碎屑进入物料中，影响产品质量；再者，大量金属碎屑堆积在换网装置中，堵塞滤网，造成换网装置前后压差变大，控制系统频繁报警，同时频繁更换滤网，对机组操作带来不便。一般磨损均可通过修复或更换新的螺杆元件来解决。

螺杆组件的严重磨损通常是由设备配置不合理而引起的，例如：用未配置熔体齿轮泵的大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组加工熔融指数非常低的物料，造成螺杆出料端负荷急剧增大，导致螺杆快速磨损；再者，机组负荷不高的情况下利用高速档加工物料，机组负荷较低，螺杆装置充满度不够，出口端螺杆支撑不足，容易导致“扫膛”现象，造成严重磨损。

图2　螺杆元件磨损照片

3.2振动

在与各石化用户交流中发现，部分用户引进的大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组在运行过程中，螺杆有振动现象，在螺杆尾部测试最大振幅达2 mm，停机后对螺杆进行检测发现芯轴直线度超出正常使用范围，经过校直修正后，直线度达到使用要求，螺杆回装后振动现象消失。由此可以推断出在高温高压及交变载荷作用下螺杆芯轴弯曲是导致螺杆振动的原因之一，建议用户在使用过程中，合理控制机组产能、螺杆出口压力，合理选用高低速挡，降低螺杆负荷，延长机组运行寿命。

3.3螺杆松动

机组检修时，螺杆装置中螺杆头和锁紧螺母松动，计量输送段螺杆元件之间出现缝隙，螺杆元件端面之间有微动磨损凹坑（此种现象出现较少）。经分析，可能引起螺杆松动原因主要有两点：①螺杆预紧时没有严格按照预紧要求实施，冷态下预紧力没有达到规定值；②芯轴与螺杆元件材质在热态下的热膨胀量相差较大，未能对螺杆组件进行热态下紧固。

3.4断裂

螺杆组件的断裂是最严重的失效形式，直接造成大型混炼挤压造粒设备停车，因螺杆制作周期较长，用户若无螺杆备件，设备停机时间较长，造成的损失不可估量。考虑到螺杆组件的重要性，设计时螺杆组件的安全系数一般都较高，截止目前，螺杆组件出现断裂的案例较少。

4 结束语

以上内容对螺杆组件的特点及运行中常见问题进行了阐述，可以看出，诸如磨损、振动和断裂等故障，多数情况下是由于机组负荷过高或者操作参数设置不合理导致（此处不考虑材质及加工过程），在实际运行中建议严格按照设备规格书合理控制操作参数（例如：严格遵守螺杆组合适应物料熔指范围、合理选择高低速档等），以确保机组安全、稳定、长周期运行。

［1］耿孝正.双螺杆挤出机及其应用.中国轻工业出版社，2003.

［2］大型同向双螺杆混炼挤压造粒机组说明书第一册，大橡塑.

（R-03）

Simply analysis of screw assembly of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit

Shi Yuanyuan, Zhang Xinchao, Jia Chaoyang
(Dalian Rubber & Plastics Machinery Co. Ltd., Dalian 116039, Liaoning, China)

Screw assembly is the key part of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit, its stability is essential for operation of the entire device. This paper describes characteristics of screw assembly in large co-rotating twin screw mixing extrusion unit, and easy-to-occur faults and problems in the actual operation. The paper also gives a brief analysis of the problem, to provide a reference for operation and operating parameters determining of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit.

large co-rotating twin screw mixing extrusion unit; co-rotating twin screw; screw assembly

TQ320.663

1009-797X（2016）10-0020-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.006

史媛媛（1988-），女，本科，毕业于北京化工大学机械工程及自动化专业，主要从事挤出机研发与设计工作。

2016-03-25