L型宽幅挤出机头挤出稳定性研究

2021-07-23焦冬梅苑诗帅李冬燕

橡胶工业 2021年9期

焦冬梅，苑诗帅，张涛，郭超，李冬燕

（1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061；2.青岛汉缆股份有限公司，山东青岛 266061）

随着高分子制品的广泛应用，高分子成型设备得到快速发展[1-2]，20世纪80年代，我国从日本引进了L型挤出法生产高分子片材的生产线[3]。L型宽幅挤出机头（简称L型机头）流道的合理设计是保证高分子片材挤出稳定性的关键。

横向厚度均匀性是宽幅高分子片材质量的衡量指标，取决于机头挤出均匀性，机头流道结构及工艺设置是决定其挤出均匀性的关键因素[4]。杨卫民等[5]建立了与实际生产相接近的L型机头的数学物理模型，得到相应的流道几何参数、物料压力以及流道不均匀曲线。宿果英[6]借助ANSYS有限元程序，建立了1 200 mm幅宽的L型机头三维流道有限元模型，逐个分析了流道各个区域和多个截面的物料流动速度和压力分布。林广义等[7]应用ANSYS软件对L型机头模拟进行优化设计，研究了不同口模高度、不同阻尼高度、不同主流道首末端直径比下物料压力场和速度场。但上述研究均为等温假设[8-9]，不考虑温度对物料流场的影响。而在实际生产中，温度对物料流动过程中流变状态具有显著的影响，温度变化引起物料粘度变化[10]会带来物料流动速度变化，且过高的温度易引起物料在机头内发生焦烧或预交联，过高的出口温度使得挤出的高分子片材残余内应力和翘曲变形量增大[11]。所以有必要考虑温度对L型机头流场的影响，明确流场温度分布以及由此引起的高分子片材挤出稳定性的变化规律。

本工作运用ANSYS软件分析物料在L型机头流道内进行非等温挤出过程中的流场规律，研究机头流道壁面温度、进料口压力、阻尼宽度和阻尼高度等参数对高分子片材横向厚度均匀性和挤出稳定性的影响规律。

1 模型建立

1.1 流道数学模型

L型机头流道几何模型由圆锥形主流道和狭缝区小流道两部分组成，如图1所示。物料挤出方向为y方向，挤出高分子片材厚度为3 mm，宽度为1 400 mm。借助star ccm＋对L型机头流道进行多面体网格划分[12]，网格数量在59万左右（见图2）。

图1 L型机头流道几何模型Fig.1 Geometric model of L-type die channel

图2 L型机头流道网格示意Fig.2 Schematic diagram of L-type die channel grid

物料（熔体）在L型机头流道内非等温流动过程中的控制方程[13]为：

式中：V为速度向量，m·s-1；p为物料静压力，MPa；τ为物料剪切应力张量，Pa；ρ为物料密度，Mg·m-3；Cp为物料比热容，J·（kg·K）-1；T为物料温度，K；k为物料热导率，W·（m·K）-1。

1.2 挤出成型过程中的热传递方式

物料（熔体）在L型机头流道内存在热传导、热对流和粘性耗散。对于L型机头，所涉及的热传导是机头流道壁面与物料进行的热量传递，热流量通过式（4）和（5）进行计算；物料在机头内部沿挤出和流动两个方向进行对流传热，对流换热量通过式（6）进行计算；物料流体流动速度差异导致粘性耗散，粘性耗散热量通过式（7）进行计算。

式中：Φ1，Φ2，Φ3分别为物料热流量、对流换热量、粘性耗散热量，W；A为导热面积，m2；q为物料热流密度，W·m-2；h为对流换热系数，W·（m2·K）-1；TW和Tf分别为壁面温度和壁面附近的物料（流体）温度，K；η为物料剪切粘度，Pa·s；co为物料剪切速率，s-1。

1.3 流道物理模型

本工作采用非等温Carreau流变模型[14]，本构方程为：

式中：η∞为物料无穷剪切粘度，Pa·s；η0为物料零剪切粘度，Pa·s；λ为物料松弛时间，s；co为物料剪切速率张量，s-1；n为物料非牛顿指数；E0为物料活化能，J·（kg·mol）-1；R0为理想气体常数，数值为8.314 J·（mol·K）-1；T0为参考温度，K。

本工作所用物料ρ为1.2 Mg·m-3，Cp为2 200 J·（kg·K）-1，k为0.26 W·（m·K）-1。

本工作模型的边界条件如下：（1）进料口面物料压力 19.6 MPa，出料口面物料相对压力0 MPa，进料口温度 393 K；（2）壁面边界流动速度（壁面无滑移） 0，壁面温度（冷却系统对壁面温度进行控制） 343 K。

2 结果与讨论

2.1 物料压力和流动速度分析

沿机头流道y方向取5个截面（见图3），分析物料每个截面中间层的压力分布（见图4）。

图3 截面选取Fig.3 Section selection

从图4可以看出：截面Ⅰ物料压力沿机头宽度方向分布不均，从进料口起端到末端压力降低了6.6 MPa；截面Ⅱ物料压力变化与截面I类似；由于阻尼的阻碍作用，阻尼截面Ⅲ物料压力沿机头宽度方向分布趋于均匀；压缩段截面Ⅳ物料压力沿机头宽度方向平稳，其值比阻尼区减小了2.9 MPa；出料口截面Ⅴ物料压力分布均匀且接近0 MPa。压力分布不均的原因是：物料流线在主流道向挤出方向流动过程中，尤其是物料到达定型段，由于流动截面不断减小，强烈的入口效应及拉伸流动使物料能量收敛及弹性变形损失较大，同时在定型段物料的壁面剪切速率变大（见图5），造成物料剪切应力增大，产生较大的流动阻力，从而导致物料压力沿挤出方向减小。

图4 各截面中间层物料压力分布曲线Fig.4 Material pressure distribution curves of middle layer of sections

图5 物料壁面剪切速率Fig.5 Material wall shear rates

物料在充满主流道的同时挤入小流道，从而挤出一定宽度的片材。截面Ⅰ物料中间层物料速度（v）分布曲线如图6所示。

从图6可以看出，物料沿主流道方向的挤出速度（vy）最大，并且沿机头宽度方向其逐渐减小。

图6 截面Ⅰ中间层物料速度分布曲线Fig.6 Material velocity distribution curves of middle layer of section Ⅰ

截面Ⅱ中间层物料速度分布曲线见图7。

从图7可以看出，进入小流道后，沿挤出方向的挤出速度（vy）最大，是物料的主要流动速度，靠近进料口起端的物料挤出速度明显大于进料口末端的物料挤出速度，vy沿机头宽度分布均匀性较差。

图7 截面Ⅱ中间层物料速度分布曲线Fig.7 Material velocity distribution curves of middle layer of section Ⅱ

截面Ⅲ—Ⅴ中间层物料挤出速度分布曲线如图8所示。

图8 截面Ⅲ—Ⅴ中间层物料挤出速度分布曲线Fig.8 Material extrusion velocity distribution curves of middle layer of section Ⅲ-Ⅴ

从图8可以看出：物料流经阻尼区到达截面Ⅲ后，其横向流动均匀性有所改善；物料流到截面Ⅳ后，由于流道高度逐渐变小，造成挤出速度大幅度增大，与截面Ⅲ的物料挤出速度平均值相比，截面Ⅳ的物料挤出速度平均值增大了3.55倍；观察出料口截面Ⅴ中间层物料挤出速度分布可知，靠近进料口起端的物料挤出速度比进料口末端大。对于L型机头来说，达到绝对均匀的物料挤出速度是很难的，所以只能通过调整各种参数，使物料挤出速度横向分布的均匀程度尽可能提高。

2.2 温度分析

各截面物料温度分布云图和各截面沿x方向的物料温度梯度分别如图9和10（z为1.0 m）所示。

图9 各截面物料温度分布云图Fig.9 Material temperature distribution nephogram of sections

图10 各截面沿x方向的物料温度梯度Fig.10 Material temperature gradients of sections along x direction

从图9和10可以看出，各截面物料温度遵循相同的变化规律，最高温度位于中间层，越靠近流道壁面温度越低，且沿着x方向物料温度逐渐降低。在z为1.0 m处，截面I沿x方向中心温度最高为392.71 K，到壁面温度降低为349.11 K，温度差为43.60 K。随着物料流动，沿x方向各截面中心与壁面间的温度差减小，但出料口截面温度差仍为20.60 K。由此可见，目前机头的温控系统设置不可避免带来挤出片材表层与芯部较大温度差的缺陷，温度差产生的热应力将导致挤出片材翘曲变形量增大，不利于挤出片材截面形状的均匀一致。

3 挤出片材稳定性的影响因素

3.1 机头流道壁面温度

由前面热分析可知：物料温度对挤出片材的质量有显著影响，物料温度高时粘性下降，流动性好，但物料温度过高粘度太低，挤出片材不能及时冷却成型，易造成焦烧或预交联现象；出料口截面Ⅴ中间层物料温度最高。截面Ⅴ中间层物料温度分布曲线和截面Ⅴ温度差曲线分别如图11和12所示。

图11 截面Ⅴ中间层物料温度分布曲线Fig.11 Material temperature distribution curves of middle layer of section Ⅴ

图12 截面Ⅴ物料温度差曲线Fig.12 Material temperature difference curve of section Ⅴ

从图11和12可以看出，壁面温度从333 K升高到353 K时，截面Ⅴ的中间层物料温度升高了15 K，截面Ⅴ物料温度差升高了12.6 K。由于截面Ⅴ中间层物料温度越高，挤出片材的残余热应力越大，冷却至常温后片材的弹性变形越大，片材的加工精度越低，因此降低壁面温度对于挤出片材的稳定性至关重要，截面Ⅴ物料温度差越小，挤出片材的翘曲变形量越小，成型片材的质量越好。综上分析可知，当壁面温度控制在338～343 K时，截面Ⅴ物料最高温度为97 K，温度差为21～23 K时，有利于提高片材的加工精度，保证其成型质量。

3.2 机头进料口压力

不同机头进料口压力下主流道中间层物料压力降曲线和出料口截面Ⅴ中间层物料挤出速度分布曲线分别如图13和14所示。

图13 不同机头进料口压力下主流道中间层物料压力降曲线Fig.13 Material pressure drop curves of middle layer of main flow channel under different die feed port pressures

图14 不同机头进料口压力下截面Ⅴ中间层物料挤出速度分布曲线Fig.14 Material extrusion velocity distribution curves of middle layer of section Ⅴ under different die feed port pressures

从图13和14可以看出，随着机头进料口压力的增大，主流道物料压力出现相同的变化趋势，挤出速度逐渐增大，有利于提高挤出片材产量。

机头进料口压力对主流道物料压力和挤出速度的影响如表1所示。

表1 机头进料口压力对主流道物料压力和挤出速度的影响Tab.1 Influence of die feed port pressures on material pressures of main flow channel and extrusion velocities

从表1可以看出，随着机头进料口压力增大，物料挤出速度差异增大，不利于制品挤出均匀性的提高。

因此，可通过降低机头进料口压力来提高物料的挤出均匀性，但同时会造成挤出速度降低，挤出产量减小。因此，L型机头在挤出高分子片材时需考虑挤出质量与产量的平衡。本工作机头进料口压力控制在15.0～19.6 MPa时，可以实现总体效益。

3.3 阻尼区结构

3.3.1 阻尼宽度

阻尼区结构对提高高分子片材的挤出均匀性至关重要。阻尼宽度为2，4，6，8 mm时，阻尼截面Ⅲ中间层物料的压力降曲线如图15所示。

图15 不同阻尼宽度下截面Ⅲ中间层物料的压力降曲线Fig.15 Material pressure drop curves of middle layer of section Ⅲ under different damping widths

从图15可以看出，随着阻尼宽度的增大，截面Ⅲ中间层物料压力降减小，但压力变化趋势都是先增大后减小，压力峰值位置右移。这是由于阻尼宽度增大，使得物料流动阻力减小，有利于物料沿挤出方向流动。

不同阻尼宽度下截面Ⅴ中间层物料挤出速度曲线如图16所示。

图16 不同阻尼宽度下截面Ⅴ中间层物料挤出速度曲线Fig.16 Material extrusion speed curves of middle layer of section Ⅴ under different damping widths

从图16可以看出，随着阻尼宽度增大，截面V物料挤出速度分布更加均匀，靠近进料口起端的物料挤出速度有所减小，进料口末端的物料挤出速度变化很小。综上所述，8 mm的阻尼宽度有利于提高物料挤出均匀性，此时出料口截面物料挤出速度差异最小为0.000 76 m·s-1。

3.3.2 阻尼高度

不同阻尼高度下出料口截面Ⅴ中间层物料挤出速度曲线如图17所示。

图17 不同阻尼高度下截面Ⅴ中间层物料挤出速度曲线Fig.17 Material extrusion velocity curves of middle layer of section Ⅴ under different damping heights

从图17可以看出：阻尼高度从1.5 mm增大到3 mm时，截面Ⅴ物料挤出均匀性变好，阻尼高度从3 mm增大到6 mm时，截面Ⅴ物料挤出均匀性变差；阻尼高度小于3 mm时，靠近出料口起端的物料挤出速度小于出料口末端的物料挤出速度，而阻尼高度大于3 mm时，靠近出料口起端的物料挤出速度明显大于出料口末端的物料挤出速度。

不同阻尼高度下阻尼截面Ⅲ物料压力降曲线如图18所示。