物料特性变化对挤压机运行的影响及切粒因素分析

党利强

（神华榆林能源化工有限公司，陕西榆林 719300）

物料特性变化对挤压机运行的影响及切粒因素分析

党利强

（神华榆林能源化工有限公司，陕西榆林 719300）

神华榆林能源化工有限公司聚丙烯装置采用的是美国INEOS technology LLC（英力士技术公司，简称INEOS）的INNOVENE气相聚丙烯工艺，以丙烯为主要原料，生产能力以8 000h/a的操作时间进行计算，年产30万t聚丙烯粒状树脂产品。目前该装置已经成功产出S1003、K8003、K4912、K4918等多种抗冲和无规共聚产品。挤压机采用的是德国WP公司的同向双螺杆挤压机ZSK-320，水下切粒机型号为UG700，最大生产负荷50t/h，主要分析了切粒机各项参数及物料特性对造粒机运行的影响。

物料特性；挤压机；影响

1 聚丙烯的熔融过程

挤压造粒是物料在筒体的进料段、熔融段、剪切段、增压段中流动的过程物料通过螺杆将机械能转化为热能和压力能。物料在筒体中有三种流动方式：正流QP（positive flow）、逆流Qb（back flow）、漏流QL（leakage flow）。正流是物料在螺槽中向机头方向的流动，用QP表示；逆流是由节流阀、过滤网等对物料的反压力所引起的与正流相反的流动，用QB表示；漏流是由于螺杆与简体之间有1～2mm的间隙，使得物料在向下一个螺旋槽输送时，极小部分物料沿着螺杆间隙往回流，用QL表示。逆流和漏流的存在降低了实际生产率但是可以改善物料的混炼效果。因此，挤压造粒机的实际流量为：Q=QP-（QB+QL）。

2 熔融指数与主电机功率的关系

经过装置两年的生产实践，目前已经开发出5种聚丙烯牌号，分别是S1003、K8003、K4912、K1014、K4918，每种牌号的MFR都不相同。

在生产同一牌号下，物料特性一定时，挤压机主电机的功率和挤压机负荷成正比，因此主电机功率可以作为衡量挤压机负荷的一个重要参数。但在物料性质变化比较大，尤其是MFR变化时，主电机功率就不能真实地反映生产负荷。在牌号切换过程中随着MFR的提高，主电机功率不断下降，而且下降趋势逐渐趋于平缓，这是由于在熔体流量不变的情况下，熔体的流动性提高，螺杆转动所受的剪切力减小。物料MFR较低时其变化对功率有较强的影响，反映在生产中就是在生产低MFR产品时，主机功率会急剧上升，如生产K8003（2.5g/10min）较K4918（18g/10min）功率有大幅度上升，S1003向K4912切换过程中挤压机功率大幅下降，但是随着MFR逐步提高K4912向K1014切换过程中，功率下降的趋势趋于平缓。但实际上当K4918向更高MFR的牌号切换过程中，这时挤压机功率下降趋势又会变快，这是由于螺杆和挤压机筒体有1.1～2mm间隙，在螺杆将熔融的物料向前挤压时，总会有少部分的物料从间隙中返回，MFR的提高加剧了这种返混现象，从而使挤压机的实际流量减小，使功率进一步下降。随着MFR继续增加，螺杆对物料的剪切作用越来越小，流量成为影响螺杆扭矩的主要因素，从宏观上表现出随着MFR的增加，主电机功率保持不变。

3 熔融指数与挤压机比能的关系

ZSK320挤压机有一个很重要的参数叫做比能（SPEC ENGERY），定义为单位时间内挤压机每生产1千克聚丙烯所产生的功耗，单位kW/kg。理论上讲比能不受挤压机负荷影响，所以能更准确地分析物料特性变化对挤压机产生的影响，比能随着熔融指数上升而下降，与主电机功率变化趋势基本一致。

4 筒体温度对挤压造粒的影响

ZSK320挤压机筒体温度采用电加热板和筒体冷却水共同控制，聚丙烯粉料溶体的流动性与温度密切相关。聚丙烯粉料在双螺杆剪切的作用下释放出大量的热能，脱盐水做为筒体冷却水，将这部分热量撤走，从而维持溶体温度的恒定。在生产负荷保持相同、节流阀开度保持不变的条件下，ZSK 320机组在节流阀处的熔体温度随MFR增加而不断下降。一个原因是低MFR熔体的黏度较高，导致主电机消耗一部分机械能转化成热能；另一个原因是低MFR聚合物的相对分子质量较大，长链较多，其受到挤压时，分子之间相互摩擦的机会较多，从而释放出较高的热能。过高的温度使PP在挤压机中热降解，导致产品质量受到影响。

5 熔融指数变化对节流阀开度的影响

节流阀安装在进料段最后的筒体上，用来控制进料段与混炼段溶体的的背压。进料段中产品的塑化程度与实际的输入比能量，随着节流阀的开度而发生变化。开大节流阀开度意味着减弱混炼程度，适用于低熔融指数产品或提高生产负荷时。关小节流阀开度，即是增强混炼程度，适用于高熔融指数产品或降低负荷时。装置在生产K4918（MFR18）时从大块料捕捉器中发现大量块料与黏料，但是由于调整及时并未出现缠刀现象，通过分析判断是节流阀开度（25°）太大以及出料段温度和切粒水温度过高所致。所以根据实际生产经验，当物料MFR在12～20g/10min时，节流阀开度设定在30°～35°为宜。当生产高熔融指数产品，节流阀开度小于30°时可能会出现不熔料。关小节流阀开度，阀前压力则明显上升此时QN和QL也会增大，增加物料在筒体中的停留时间，从而提高混炼程度。在实际生产当中应该根据模前压力以及造粒情况来调整节流阀开度，节流阀开度太小，树脂温度下降过多，说明树脂混炼过度发生降解，表现出树脂变色、冒烟、MFR上升，产品力学性能下降。ZSK320挤压机节流阀开度是8°～85°需要注意的是节流阀开度在35°～40°进行调整时一定要缓慢，因为此区间属于显效区，模前压力变化较为敏感。节流阀开度大于45°区间属于强效区，模前压力上升明显，不利于平稳操作。

6 影响切粒效果的四个因素

6.1 模板温度

模板温度由热油系统控制，必须保持模板两侧温差合适且均匀，即要保证粒料得到良好的冷却，又要防止树脂凝固堵塞模孔。模孔堵塞会致模前压力过高，聚合物倒流M401，损坏挤压机组，或熔体通过模孔时分布不均，导致粒料尺寸和外形不规整。因此，建议在生产低MFR产品时提高模板温度，在生产高MFR产品时，为降低熔体的流动性而获得较好的切粒效果，则建议适当降低模板温度。但必须保证模板温度高于树脂凝固温度，根据经验模板温度不得低于200℃。

6.2 切粒水温度

切粒水使用脱盐水，水温由板式换热器和低压蒸汽共同控制。切粒水温度可优化粒子形状，当熔融树脂从模孔出来，被切成2～3mm长的粒子，水室中切粒水完全覆盖模板表面，粒子立即被冷却。切粒水从模板和树脂带出的热量与热油和熔体带给模板的热量达到平衡。切粒水温度过高，树脂切粒后冷却不及时，易出现串料、黏料从而引发缠刀、灌肠等事故；切粒水温度过低，使模板温度低，冻堵模孔，同时树脂变脆切削时碎粒增多，切粒水典型操作温度为40～65℃。切粒水温度与产品MFR有很大关系，生产不同牌号产品时，水温应做相应调整。

6.3 切刀转速

切刀转速必须与M401挤出量、模孔数、刀盘上的刀数相匹配，保证粒子尺寸合适。通常，切刀转速越低，切粒效果越好，故多采用高模孔数模板，当切刀在模面转动，切刀和模板间水压下降，转速越高，压力越低，越易发生汽蚀，导致模孔和模面受损，降低模板使用寿命。正常生产时，模孔通畅率必须保持在90%以上。

6.4 切刀与模板间隙

间隙是决定粒子外观的主要因素之一。间隙过大，粒子带尾，颗粒外观畸形；间隙过小，刀盘对模板的压力过大，切刀磨损快，寿命短。无法直接测量间隙，通常在系统升温后，通过调节进刀油压间接调整。产品树脂MFR影响切刀使用寿命，高MFR树脂易产生带尾料，相对于易切的低MFR树脂，需增大进刀油压，切刀的使用寿命相对较短。间隙的选择取决于模前压力、树脂牌号、熔体温度和生产负荷。开车前通常需要磨刀，将切粒水升温至正常操作温度，合上水室，启动切粒机，切粒水走开车流程，调整进刀风压，在模面上磨刀。磨刀结束后，停切粒机，水室泄水，打开水室，检查磨刀情况，每把刀的边缘都应适当地磨过。磨刀系数为0.01mm/次，如果磨刀系数小，可提高进刀油压，重新磨刀。如果间隙合适，但切粒效果不好，需要停车检查切刀与模板的垂直度和刀轴的平行度，防止模面损坏或断刀。

[1] 吕毅军,石玉林,宁文生,等.沉淀铁基催化剂助剂对费托反应性能影响的研究[J]. 神华科技,2009,7(2)：77-82.

[2] coperion Operating Instructions Underwater pelletizer UG 700.

[3] 俞文.粒造机性能对塑料生产率的影响[J].化学工业与工程技术，2001，22（6）：46.

Effect of Material Change on Extruder Operation and Analysis of Cutting Factors

Dang Li-qiang

Shenhua Yulin Energy Chemical Co.，Ltd.Polypropylene plant is used in the United States INEOS technology LLC（INJOS）INNOVENE gas phase polypropylene process to propylene as the main raw material，the production capacity of 8000h/a operating time Calculation，with an annual output of 300，000 tons of polypropylene granular resin products.At present the device has been successfully produced S1003，K8003，K4912，K4918，and other anti-collision and random copolymer products.Extrusion machine is used in Germany WP company's twin screw extruder ZSK-320，underwater pelletizer model UG700，the maximum production load 50t/h，analyze the cut effect of parameters and material properties of granulator on the operation of granulator.

material property；extruder；influence

X705

A

1003-6490（2017）12-0083-02

2017-10-10

党利强（1989—），男，陕西榆林人，主要从事化工设备操作工作。