物料特性变化对挤压机运行的影响及切粒因素分析

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 AbstractAbstract In this article the influence of high MFR polypropylene resin on operation of extruding granulator was studied based on the production situation of the 30 kt a PP plant the operation parameters of the extruding granulator were appropriately adjusted KeyKey wordswords gas phase method polypropylene extruder Underwater pelletizer die plate 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 8000h a 的操作时间进行计算 年产 30 万吨聚丙烯粒状 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 48t h 本文根据装 置这两年多的生产经验来分析切粒机各项参数 及物料特性对造粒机运行的影响 1 1 聚丙烯的熔融过程聚丙烯的熔融过程 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 2 熔融指数与主电机功率的关系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 相同负荷下这5种牌号物料的 挤压机功率如图1所示 K8003 S1003 K4912 K1014 K4918 2 5312161820 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 实际功率 MFR g 10min 功率 kw h 图1 主电机功率与MFR的关系 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 由 图1可以看出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 理 论上讲 功率的下降趋势应如图1中理论曲线所 示 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 3 熔融指数与挤压机比能的关系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 确的分析物料特性变化对挤压机产生的影响 K8003 S1003 K4912 K1014 K4918 2 53121618 0 0 05 0 1 0 15 0 2 MFR g 10min 比能kw kg 图2 主电机比能与MFR的关系 4 4 筒体温度对挤压造粒的影响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 的温度会PP在挤压机中热降解 导致产品质量受 到影响 因此 在生产中要严格控制熔体温度 尤其在生产低MFR产品时 温度较高 因而更需要 通过降低冷却介质的温度来加强挤压机的撤热 5 5 熔融指数变化对节流阀开度的影响熔融指数变化对节流阀开度的影响 开车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 捕捉器中发现大量快料与粘料 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 之间为宜 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 开度范围是8 85 需要注意的是节流阀开度在 35 40 之间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 5 5 影响切粒效果的四个因素影响切粒效果的四个因素 5 15 1 模板温度模板温度 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 5 25 2 切粒水温度切粒水温度 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长度 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 粘料从而引发缠刀 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 度范围为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 图3是装置生产各种牌号时对应的切粒水 温度 2 53121618 53 5 54 54 5 55 55 5 56 56 5 57 57 5 MFR与切粒水温度的关系 MFR g 10min 温度 图3 MFR与切粒水温度的关系 5 35 3 切刀转速切刀转速 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 正产生产时模孔通畅率必须保持在90 以上 5 45 4 切刀与模板间隙切刀与模板间隙 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 参考文献参考文献 1 1 Know How Ma