螺桿擠出機(jī)溫度控制

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1、擠出溫度控制主要有溫度設(shè)定、控制和調(diào)整三個(gè)部分構(gòu)成。設(shè)定溫度是控制溫度的依據(jù)和基準(zhǔn),調(diào)整溫度是對(duì)設(shè)定溫度的修正和完善。 2.1　溫度設(shè)定 設(shè)定溫度的目的是為了控制物料擠出成型過程,始終在熔融溫度與分解溫度區(qū)間(即160～180℃)進(jìn)行。要正確設(shè)定溫度,則需充分考慮制約物料成型溫度的相關(guān)因素。 (1)配方組分、劑量和原料質(zhì)量。據(jù)文獻(xiàn)介紹和生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證,不同配方或同一配方不同廠家生產(chǎn)的物料(PVC、CPE、熱穩(wěn)定劑等),擠出成型溫度往往有很大差異,有的達(dá)10℃左右,這一點(diǎn)在沒有實(shí)驗(yàn)條件或生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的情況下,是不可預(yù)知的。只有通過生產(chǎn)實(shí)踐,依據(jù)塑料型坯的質(zhì)量,適時(shí)調(diào)整設(shè)定溫度。開始設(shè)定溫度時(shí)不易

2、過高,應(yīng)從低向高逐步調(diào)整。 (2)塑料擠出亦是一個(gè)能量守恒的過程。單位體積的固體轉(zhuǎn)化為熔體所需的總能量相對(duì)是恒定的,物料的輸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卻條件的限制,不同規(guī)格的異型材單位時(shí)間擠出量差異亦很大。因物料輸送速率不同,物料熔融所需熱量亦不同。對(duì)于單螺桿擠出機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)沒有內(nèi)熱存在的加熱區(qū)域,即機(jī)頭、大小過渡段、口模等部位,生產(chǎn)大規(guī)格型材時(shí),設(shè)定溫度宜高一些;生產(chǎn)小規(guī)格異型材,設(shè)定溫度宜低一些。對(duì)于雙螺桿擠出機(jī)有內(nèi)熱存在的加熱區(qū)域,由于內(nèi)熱的作用,擠出速率反過來又直接影響物料的熔融速率。設(shè)定溫度應(yīng)視該段物料的形態(tài)、承受溫度程度及對(duì)熱量的需求情況而定

3、。 (3)塑料擠出需經(jīng)歷一定時(shí)間歷程。在這一歷程的不同階段,由物料的加工特性和擠出機(jī)職能所決定,不同形態(tài)的物料承溫情況和對(duì)熱量的需求有所不同。要正確設(shè)定溫度亦有必要深入了解物料在擠出不同階段的形態(tài)、承受溫度程度及對(duì)熱量的需求情況。 雙螺桿擠出機(jī)溫控系統(tǒng)由10個(gè)溫控點(diǎn)組成。依據(jù)物料在擠出過程各個(gè)階段的形態(tài)、承受溫度程度及對(duì)熱量的需求情況,可將10個(gè)溫控點(diǎn)歸納為加溫、恒溫、保溫三個(gè)區(qū)域。其中加溫與恒溫區(qū)主要在擠出機(jī)內(nèi),以排氣孔為界劃分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立又互為關(guān)聯(lián)的部分;保溫區(qū)主要由機(jī)頭、大小過渡段、口模部分構(gòu)成。 加溫區(qū)由送料段、壓縮段兩溫控點(diǎn)組成。由于物料由室溫狀態(tài)經(jīng)給料機(jī)螺桿輸送給擠出機(jī)送料

4、段螺桿,距物料熔融溫度溫差較大,同時(shí)物料經(jīng)壓縮段螺桿將通過排氣孔,擠出要求物料在該區(qū)域內(nèi)完成由固體向熔體的轉(zhuǎn)化過程,并緊緊包覆于螺槽表面,方不致從排氣孔排出或阻塞排氣孔。因此物料在加溫區(qū)域需要的熱量較大,送料段、壓縮段的溫度宜設(shè)定的高一些。值得注意的是,如送料段溫度設(shè)定過高,由于距離料斗與擠出機(jī)扭矩分配器較近,易導(dǎo)致物料在料斗內(nèi)架橋,扭矩分配器齒輪受熱變形及加速磨損,故送料段溫度設(shè)定還應(yīng)視料斗冷卻情況和扭矩分配器油溫而定(一般以油溫≤60℃為宜)。 恒溫區(qū)由熔融段和計(jì)量段兩溫控點(diǎn)組成。物料經(jīng)過加溫區(qū)后已基本呈熔體狀態(tài),但溫度不甚均勻,且并未完全塑化,還須進(jìn)一步恒溫并完全塑化,同時(shí)隨螺桿容積減

5、少,在機(jī)頭均布盤(亦稱過濾盤、導(dǎo)流盤)阻力作用下,物料粘度、密實(shí)度進(jìn)一步提高,單位體積物料量增加，為保證物料溫度，因此該區(qū)域物料還需一定熱量；但該區(qū)雙螺桿對(duì)物料剪切和壓延作用所轉(zhuǎn)化的內(nèi)熱,往往又超過了物料的需求,故熔融段和計(jì)量段溫度的設(shè)定應(yīng)注意:在擠出機(jī)開機(jī)前升溫時(shí),溫度設(shè)定略高一些,以利于螺筒恒溫;開機(jī)正常后要適當(dāng)降低,以防物料降解。 保溫區(qū)由機(jī)頭、過渡段、口模等溫控點(diǎn)組成。物料經(jīng)過恒溫區(qū)后已完全呈熔體狀態(tài),進(jìn)入保溫區(qū)將由螺旋運(yùn)動(dòng)改變?yōu)閯蛩僦本€運(yùn)動(dòng),并通過均布盤。過渡段和口模建立熔體壓力,使之溫度、應(yīng)力、粘度、密實(shí)度和流速更趨均勻,為順利地從口模擠出做最后的準(zhǔn)備。由于改變運(yùn)動(dòng)方向,建立熔體

6、壓力需犧牲一定的熱量為代價(jià)。同時(shí)在該區(qū)域，內(nèi)熱已不復(fù)存在,故仍需要一定外熱做補(bǔ)充。該區(qū)域溫度設(shè)定一般應(yīng)高于前兩個(gè)區(qū)域設(shè)定的溫度,口模處的溫度還應(yīng)依據(jù)型材截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定。截面復(fù)雜或壁厚部位,溫度設(shè)定應(yīng)高一些;截面簡單或壁薄部位,溫度設(shè)定應(yīng)低一些;截面對(duì)稱或壁厚均勻部位,溫度設(shè)定應(yīng)基本一致。 2.2　溫度控制 塑料異型材擠出溫度控制主要是圍繞著設(shè)定溫度進(jìn)行的。由于錐形雙螺桿擠出機(jī)具有溫度自控和手動(dòng)冷卻控制職能,一般生產(chǎn)狀態(tài)對(duì)所設(shè)定的溫度實(shí)施自動(dòng)控制即可。當(dāng)某段溫控點(diǎn)溫度跑高,自動(dòng)控制失效,采用手動(dòng)冷卻控制也可將顯示溫度控制在設(shè)定溫度界線之內(nèi)。 在擠出溫度控制時(shí)必須明確兩個(gè)基本概念。其一,擠

7、出機(jī)設(shè)定溫度所控制的各個(gè)溫控點(diǎn)顯示溫度僅僅是螺筒、機(jī)頭及口模的溫度,并非物料的實(shí)際溫度。物料溫度與顯示溫度在不同加熱工況下存在不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。即當(dāng)螺筒、機(jī)頭、口模等溫控點(diǎn)外加熱器加熱時(shí),物料溫度實(shí)際上低于顯示溫度;當(dāng)螺筒、機(jī)頭、口模等溫控點(diǎn)外加熱器停止加熱時(shí),物料溫度則可能等于或高于顯示溫度。錐形雙螺桿擠出機(jī)有兩個(gè)熱源:①外電加熱器;②雙螺桿對(duì)物料剪切與壓延作用轉(zhuǎn)化的內(nèi)熱。由于反映顯示溫度的測溫點(diǎn)與外加熱器和物料之間存在一定距離,故三者之間亦存在一定的溫度梯度(即溫差)。從擠出加溫、恒溫、保溫三個(gè)區(qū)域供熱情況分析(圖2)可知,加熱區(qū)既存在外加熱,又存在內(nèi)加熱,為雙向?qū)?顯示溫度基本上等同于物

8、料溫度;恒溫區(qū)在顯示溫度未達(dá)到設(shè)定溫度值時(shí),亦是雙向?qū)?顯示溫度超越設(shè)定溫度值時(shí),熱量開始由內(nèi)向外傳遞,可稱之為逆向?qū)?顯示溫度則可能低于物料溫度;保溫區(qū)由于內(nèi)熱不復(fù)存在,熱量又開始由外向內(nèi)傳遞,亦稱之為正向?qū)?顯示溫度則高于物料溫度。其二,雙螺桿對(duì)物料的剪切與壓延作用所轉(zhuǎn)化的內(nèi)熱并不受自動(dòng)溫控系統(tǒng)的約束與支配。通過擠出實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn),在塑料異型材擠出時(shí),不存在內(nèi)熱的機(jī)頭,過渡段和口模部位溫控點(diǎn)顯示溫度一般比較穩(wěn)定,基本上可控制在設(shè)定溫度的范圍內(nèi);有內(nèi)熱存在的擠出機(jī)內(nèi)各段溫控點(diǎn)顯示溫度隨擠出量增減往往波動(dòng)很大,有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)定溫度的控制界線。例如要提高擠出量,送料段物料對(duì)熱量需求增大,因擠

9、出速度提高所增加的內(nèi)熱不足于平衡物料在該段停留時(shí)間縮短所減少的熱量,雖然外加熱器一直工作,但顯示溫度仍低于設(shè)定溫度;熔融段和計(jì)量段的物料由于已完全轉(zhuǎn)化為粘流態(tài),所需熱量有限,并由擠出速度提高所增加的內(nèi)熱超過物料在該段停留時(shí)間縮短所減少的熱量,雖然外加熱器停止加熱,但顯示溫度仍高于設(shè)定溫度。 鑒于擠出溫度控制的主體是物料溫度,明確了物料溫度、顯示溫度與設(shè)定溫度在不同擠出工況下的對(duì)應(yīng)關(guān)系,也就明確了設(shè)定和控制擠出溫度的依據(jù)和基準(zhǔn)。諸如提高加溫區(qū)設(shè)定溫度可充分發(fā)揮外加熱器作用,有助于迅速提高物料溫度;降低恒溫區(qū)設(shè)定溫度可適時(shí)切斷外加熱源,避免內(nèi)熱和外熱疊加作用,盡可能阻止物料溫度持續(xù)跑高;提高保溫

10、區(qū)設(shè)定溫度,可借助外熱源,維持物料在最佳塑化狀態(tài)擠出,以得到高強(qiáng)度塑料異型材型坯。應(yīng)該指出,在設(shè)定溫度時(shí)雖然已考慮到內(nèi)熱的作用與影響,降低恒溫區(qū)設(shè)定溫度,但也僅可使該部位物料達(dá)到設(shè)定溫度適時(shí)切斷外熱,而不能制止因擠出速度提高所增加的內(nèi)熱。擠出實(shí)踐證明,有內(nèi)熱存在的擠出機(jī)內(nèi)各段物料溫度與擠出量直接相關(guān),降低與提高給料與擠出速度不僅決定著擠出產(chǎn)量,而且是控制擠出溫度不可缺少的必要手段。但在采用加料與擠出速度控制擠出溫度時(shí),還應(yīng)明確,即使熔融段,計(jì)量段顯示溫度偏離設(shè)定溫度,但仍小于180℃時(shí),說明該段物料溫度仍在熔融溫度與分解溫度區(qū)間,亦屬正常。只有當(dāng)顯示溫度接近180℃,采用手動(dòng)冷卻控制無效時(shí),才

11、有必要降低給料與擠出速度進(jìn)行溫度控制。同時(shí)由于雙螺桿擠出機(jī)有強(qiáng)制給料的特點(diǎn),擠出量是由加料速度所決定的,加料速度和擠出速度亦存在相應(yīng)的匹配關(guān)系,提高或降低加料和擠出速度應(yīng)同步進(jìn)行。其相互調(diào)整的幅度應(yīng)視加料孔內(nèi)物料在螺槽內(nèi)的充斥量而定,一般應(yīng)控制物料在螺槽內(nèi)2/3高度為宜。過高則會(huì)產(chǎn)生擠出機(jī)過載或加料孔、排氣孔冒料現(xiàn)象;過低則易導(dǎo)致雙螺桿非正常磨損。另外調(diào)整加料與擠出速度時(shí)還應(yīng)密切觀察主機(jī)電流變化,物料塑化好時(shí),一般電流較低。主機(jī)電流變化是判斷擠出溫度控制是否適當(dāng)?shù)囊粋€(gè)重要依據(jù)。 2.3　溫度調(diào)整 如果擠出溫度控制適當(dāng),設(shè)定溫度正確與否直接決定了擠出塑料型坯的質(zhì)量。擠出塑料型坯的質(zhì)量反過來又

12、是對(duì)設(shè)定溫度正確與否的檢驗(yàn)。由于擠出控制溫度是擠出生產(chǎn)前設(shè)定的,其設(shè)定溫度正確與否又受配方組分、劑量和原料質(zhì)量以及擠出機(jī)工藝條件的制約和影響。新建企業(yè)或生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平不甚高的操作人員,在開機(jī)設(shè)定溫度時(shí),難免出現(xiàn)這樣或那樣的偏差,因此有必要在生產(chǎn)過程中通過對(duì)擠出塑料型坯存在的質(zhì)量缺陷進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)應(yīng)分析檢驗(yàn),適時(shí)調(diào)整所設(shè)定的溫度。 附表　擠出型坯質(zhì)量缺陷特征、原因與溫度調(diào)整對(duì)策 序號(hào) 型坯質(zhì)量缺陷特征 原　　因 調(diào)整對(duì)策 1 型坯外觀顏色泛黃 機(jī)頭、過渡段、口模溫度偏高 降低機(jī)頭、過渡段、口模溫度 2 型坯外觀顏色發(fā)暗 機(jī)頭、過渡段、口模溫度偏低 提高機(jī)頭、過渡段、口模

13、溫度 3 型坯內(nèi)筋彎曲,內(nèi)壁發(fā)泡或截面呈氣孔狀,脫離口模即下垂 計(jì)量段或熔融段溫度跑高,原料含水量超標(biāo),未開啟真空排氣 降低計(jì)量段或熔融段 溫度或降低擠出速度;更換混合料,開啟真空排氣 4 型坯切片粗糙,脫離口模3～5cm仍堅(jiān)挺不下垂 計(jì)量或熔融溫度過低 提高計(jì)量段或熔融段溫度 5 型坯切口寬度或厚度不均 口模設(shè)定溫度不當(dāng),口模裝配不當(dāng) 調(diào)整口模溫度,檢查重新裝配口模 擠出塑料型坯質(zhì)量大致可分為外觀質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量。擠出質(zhì)量良好的塑料型坯主要特征是:外觀光滑,顏色純正呈乳白色,切片結(jié)晶細(xì)膩,切口平齊規(guī)整,寬度均勻。由擠出機(jī)擠出后,脫離口模3～5cm自然下垂。當(dāng)設(shè)定或控制

14、溫度過高時(shí),擠出塑料型坯顏色泛黃、內(nèi)筋彎曲、內(nèi)壁發(fā)泡或橫截面上呈氣孔狀,由擠出機(jī)擠出后脫離口模即軟弱下垂;溫度過低或加溫不均勻時(shí),擠出塑料型坯顏色發(fā)暗無光澤,切口結(jié)晶粗糙,切口寬度與壁厚不均,脫離口模3～5cm后,仍堅(jiān)挺不下垂,或即向一側(cè)彎曲。 經(jīng)筆者幾年擠出實(shí)踐與統(tǒng)計(jì)資料表明:型坯的外觀質(zhì)量一般是由機(jī)頭、過渡段、口模等部位溫度設(shè)定控制不當(dāng)所致;型坯內(nèi)在質(zhì)量一般是由擠出機(jī)內(nèi)各段溫度設(shè)定控制不當(dāng)或物料實(shí)際溫度跑高失控造成的。因此在實(shí)際操作時(shí)應(yīng)有的放矢地適時(shí)對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)整。具體調(diào)整方法見附表,直至擠出型坯達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為止。且忌盲目或大幅度調(diào)整,致使擠出生產(chǎn)工況惡化。如調(diào)整無效或因溫度超高導(dǎo)致型坯

15、出現(xiàn)黃線,經(jīng)反復(fù)切片擠壓處理仍不好轉(zhuǎn)時(shí),說明口?；驒C(jī)頭流道內(nèi)已發(fā)生“糊料”,應(yīng)即時(shí)停止加料,減速,改用清洗料進(jìn)行清洗,直至口模清洗料內(nèi)無糊料雜質(zhì)為止。如清洗仍無效,應(yīng)停機(jī),拆除,分解口模,對(duì)機(jī)頭和口模進(jìn)行認(rèn)真檢查和清理。如確診糊料是由擠出機(jī)熔融段或計(jì)量段物料溫度失控所致,還須拆除擠出機(jī)螺桿,檢查、清理機(jī)筒和螺桿。 3　由擠出溫度控制引出的高速擠出問題 要實(shí)現(xiàn)高速擠出,若不解決現(xiàn)有國產(chǎn)擠出機(jī)因提高擠出速度導(dǎo)致的送料段溫度偏低與熔融段、計(jì)量段溫度跑高問題,僅采用高速模具,則只能提高小規(guī)格或輔助型材的單位產(chǎn)量,對(duì)大規(guī)格型材產(chǎn)量提高是難于奏效的。高速擠出模具問題解決之后,真正制約擠出產(chǎn)量進(jìn)一步提高

16、的是擠出機(jī)螺桿結(jié)構(gòu),換熱形式與加熱條件。筆者參照國外先進(jìn)擠出機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)資料認(rèn)為,要提高擠出機(jī)生產(chǎn)能力,需要在以下三個(gè)方面對(duì)國產(chǎn)擠出機(jī)進(jìn)行改造和更新。 (1)實(shí)行超錐度雙螺桿擠出。錐形雙螺桿與平行雙螺桿擠出機(jī)相比最大的特點(diǎn),是在需要大量熱量的送料段,螺桿直徑較大,對(duì)物料的傳熱面積和剪切速率比較大,加速了物料的塑化;在物料已完全熔融不需要太多熱量的計(jì)量段,螺桿直徑較小,減少了傳熱面積和對(duì)熔體的剪切速率,可防止物料過熱降解,在同樣長徑比條件下,擠出能力明顯提高。如對(duì)螺桿錐度進(jìn)一步改進(jìn),正向效應(yīng)則會(huì)更佳。 (2)改變現(xiàn)螺桿內(nèi)部換熱形式。現(xiàn)擠出機(jī)采用的硅油自調(diào)溫螺桿,結(jié)構(gòu)簡單,不用維修,有節(jié)能效果,但換熱率不高。可采用硅油外循環(huán)冷卻換熱裝置,對(duì)計(jì)量段物料實(shí)行強(qiáng)制冷卻換熱,提高螺桿換熱效率。 (3)增加現(xiàn)擠出機(jī)送料段加熱圈功率。現(xiàn)擠出機(jī)送料段加熱功率一般為3000W,生產(chǎn)實(shí)踐證明,由于送料段物料需要熱量較大,在擠出速度提高后,即使加熱圈一直處于加熱狀態(tài),仍然滿足不了物料所需熱量,故適當(dāng)提高加熱圈功率,以利送料段物料加溫。