聚烯烴裝置擠壓造粒設備的選型與應用

王思博，汪洋，劉益弘，游宇，宋宇宸

（中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012）

目前，聚烯烴是薄膜、板材、非金屬管材、各類成型制品和電線電纜等的關鍵原材料。在包裝、農(nóng)業(yè)、電子、汽車、電氣、機械、日用品等方面有著廣泛的應用。其中聚乙烯和聚丙烯是聚烯烴中需求最多的兩種產(chǎn)品[1-4]。

從反應制造得到聚乙烯和聚丙烯粉料，到將其包裝運輸?shù)郊庸S，需要用擠壓造粒機對粉料聚合物進行混煉、擠壓、造粒等過程，將具有粉塵易爆性的粉料聚烯烴制成便于包裝、計量和運輸?shù)念w粒狀聚烯烴物料。根據(jù)物料特性、生產(chǎn)能力的需求和布置占地的要求的不同，擠壓機廠家設計出了多種擠壓造粒機型式以滿足不同的客戶需求。本文結(jié)合國內(nèi)外的設計實例，總結(jié)擠壓造粒機的設計選型經(jīng)驗，為后續(xù)項目設備選型提供參考。

1 擠壓造粒機介紹

1.1 擠壓造粒機的結(jié)構

擠壓造粒機主要由主驅(qū)動、加工段和排料段組成，其中主驅(qū)動端包括主驅(qū)動電機、齒輪箱聯(lián)軸減速系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)等[5]，其作用是為加工段的螺桿旋轉(zhuǎn)提供動力；加工段包括機筒段、螺桿、混煉度調(diào)節(jié)閥、冷卻單元等[6]，作用是將聚烯烴粉料和添加劑混合以達到工藝的要求；排料段包括：熔融齒輪泵（可選）、過濾網(wǎng)更換器和水下造粒機等，是將物料從模板中擠出，并切割造粒的工段。通過三個階段的互相配合，保證其能夠穩(wěn)定地加工出符合市場需求的粒料產(chǎn)品。如圖1 所示。

1.2 擠壓造粒機的分類

擠壓造粒機按照螺桿數(shù)量分為單螺桿和雙螺桿兩種，但是單螺桿擠壓造粒機生產(chǎn)效率的極限目前是25 t/h，而業(yè)內(nèi)普遍的產(chǎn)率要求需達到45 t/h，因此單螺桿擠壓造粒機已不能滿足需求[7]，目前市場上主要應用的擠壓造粒機一般為雙螺桿型式。雙螺桿擠壓造粒機，按照布置和結(jié)構分為L 型和直線型（I 型）兩種；根據(jù)螺桿嚙合型式劃分，可以分成嚙合型和非嚙合型兩種[8]；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向劃分，有同向旋轉(zhuǎn)、異向旋轉(zhuǎn)兩種方式[9]。因為異向旋轉(zhuǎn)、嚙合型的雙螺桿擠壓機存在與螺桿相關的機械問題，限制了螺桿的最大直徑只能達到170 mm。所以根據(jù)行業(yè)的研究成果和選型經(jīng)驗，目前雙螺桿擠壓機主要有直線型單端支撐同向嚙合雙螺桿擠壓造粒機（以下簡稱直線型擠壓機）和L 型雙端支撐異向非嚙合雙轉(zhuǎn)子擠壓造粒機（以下簡稱L 型擠壓機）兩大類[10]。

圖1 擠壓造粒機工藝示意圖Fig.1 Process diagram of extruder

2 設備比選分析

2.1 L型擠壓機的結(jié)構和特點

現(xiàn)有的L 型擠壓造粒機為兩根轉(zhuǎn)子反內(nèi)向旋轉(zhuǎn)[11]，兩個轉(zhuǎn)子之間不完全嚙合，工作腔自由容積相對較大，轉(zhuǎn)子兩端均有軸承支撐，與機筒壁不容易產(chǎn)生接觸，轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速較高，為整體式，剛性較好。其擠出的物料溫度不高，轉(zhuǎn)子內(nèi)部可以通冷卻水冷卻，因此即使在較高的轉(zhuǎn)速下物料也不易產(chǎn)生降解，可以通過調(diào)節(jié)混煉度調(diào)節(jié)閥使其滿足不同物料的混煉度要求。在物料輸送段、混煉段和計量擠出段為非嚙合狀態(tài).物料可以不斷返混，在混煉度調(diào)節(jié)閥的協(xié)同作用下，物料被多次混合拉伸，混煉分散，正向輸送和逆向返混相結(jié)合；不完全嚙合的混煉結(jié)構使物料在單位長度的停留時間較長，因而完成混煉所需轉(zhuǎn)子的長徑比（L/D）通常較小，一般為7 ～ 12。由于轉(zhuǎn)子的擠出段沒有加壓能力，且L 型的布置因為物料從機筒到排料段需要轉(zhuǎn)90°彎，所以無法通過螺桿的旋轉(zhuǎn)建立壓力，因此，物料建立熔體過濾和造粒所需的壓力時須配置熔融齒輪泵，幫助其對物料加壓。如圖2 所示。

圖2 L 型擠壓機結(jié)構示意圖Fig.2 Structure diagram of L type extruder

2.1.1 設備優(yōu)點

L 型擠壓機因雙端支撐，轉(zhuǎn)子與機筒不接觸，造價低，容易開車[12]；兩根轉(zhuǎn)子間不完全嚙合，軸向力較小，因此推力軸承設計難度不高，齒輪箱的結(jié)構相對簡單，檢維修容易，造價較低。長徑比較短，配合齒輪泵，實現(xiàn)模頭處高壓且低溫擠出，改善混煉質(zhì)量，提高擠出段產(chǎn)品質(zhì)量，能適應較寬范圍熔融指數(shù)物料的加工。

2.1.2 L 型擠壓機的不足

L 型布置，物料需轉(zhuǎn)向，易積料、易降解，支承端易有物料泄漏，且占地面積大，較難布置[5]。因為雙轉(zhuǎn)子造粒機的螺桿為異向不完全嚙合型，混煉能力較弱。物料在轉(zhuǎn)子端部無法建立較大壓力，因此正向輸送能力較弱，且自潔性能差。與同向旋轉(zhuǎn)完全嚙合雙螺桿擠出造粒機相比，同樣產(chǎn)量情況下，雙轉(zhuǎn)子型的螺桿直徑要比同向嚙合型大得多。螺桿轉(zhuǎn)速高，易造成混煉不均勻和物料停留時間分布過寬。

2.2 直線型擠壓機的結(jié)構和特點

直線型的擠壓造粒機可以滿足更多的市場需求，提高生產(chǎn)能力，增加混煉度，縮短成型周期，在保證同等產(chǎn)量前提下減小機型尺寸。直線型擠壓造粒機全部為同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿完全嚙合。經(jīng)過了幾代產(chǎn)品升級，螺桿外徑與根徑之比（簡稱嚙合比）從1.22，經(jīng)過1.44，1.55 逐代升級為1.8，扭矩160 N·m，達到了自由容積和扭矩的平衡。如圖3 所示。

圖3 直線型擠壓機結(jié)構示意圖Fig.3 Structure diagram of linear extruder

該型設備兩根螺桿同向旋轉(zhuǎn)，完全嚙合，螺桿僅在驅(qū)動端有支撐，另外一端浮動[13]，螺桿的轉(zhuǎn)速較低；混煉過程以正向輸送為主，物料在螺桿中幾乎不產(chǎn)生回流.在同一混煉段停留時間較短，因此完成混煉所需的螺桿長徑比（L/D）較大.通常在12 ～ 26。同向旋轉(zhuǎn)完全嚙合雙螺桿擠壓造粒機的螺桿自潔性能較好，且正向輸送能力較強，容易建立壓力，可不配置熔融齒輪泵，生產(chǎn)線與雙轉(zhuǎn)子式擠壓機相比較短，減少了占地面積，且產(chǎn)量高。

直線型擠壓機設計原理一般基于模塊化[14]，機筒與螺桿的模塊組合形式可以根據(jù)物料的不同加工工藝要求和物性的不同進行任意組合，因此對多種物料有廣泛的適應性。螺紋組件的形狀使物料在整個加工過程中有較好的自潔性，其保證了物料在擠出機內(nèi)滯留時間分布均勻一致，確保了物料良好的混煉質(zhì)量。螺桿同向旋轉(zhuǎn)，高聚物熔體均勻地分布在螺桿的四周，因此可以比異向旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子擠出機擁有更高的剪切速率，相同直徑規(guī)格的同向旋轉(zhuǎn)嚙合型雙螺桿擠壓機要比異向旋轉(zhuǎn)的非嚙合雙轉(zhuǎn)子擠壓機生產(chǎn)能力更高。

2.2.1 直線型擠壓機結(jié)構的優(yōu)點

直線型布置，占地面積小，輔助設施少，操作維護工作量小。正向輸送能力強，容易建壓，可不用齒輪泵，傳動損失較小。物料停留時間短，不容易降解[15]；可自潔，流道順暢混煉均勻；剪切速率高，相同直徑規(guī)格生產(chǎn)能力大。

2.2.2 直線型擠壓機結(jié)構的不足

直線型因為只有單端支撐，需要考慮到其非支撐端螺桿與螺桿之間以及螺桿與筒壁之間的摩擦，所以需要選擇較耐磨的材料[16]，螺桿僅有一端支撐，則其螺桿為懸臂梁，需考慮其撓度不可過大，因此價格上會比L 型高。初次開車時要良好充填，且螺桿與機筒在開車時有接觸、磨損[5]。

2.3 兩種類型的擠壓造粒機組選型分析

擠壓造粒機組選型分析需綜合考慮所生產(chǎn)的物料種類、所要求的年產(chǎn)量、整機費用和不同的混煉方式等因素，對于聚烯烴生產(chǎn)的選擇，雖然兩種機型均可用于生產(chǎn)聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)品，但L 型布置的擠壓造粒機多用于聚乙烯（PE）產(chǎn)品，直線型擠壓機多用于聚丙烯（PP）產(chǎn)品，具體分析如下：

（1）直線型擠壓機的選型分析

聚丙烯（PP）的造粒工藝中，為了保證生產(chǎn)出具有良好性能的聚丙烯粒料，要求所有粉料在混煉時，物料的混煉時間盡可能相同。同向旋轉(zhuǎn)、嚙合型的雙螺桿擠壓機因為螺桿之間完全嚙合且螺桿與筒壁空隙很小，所以物料不易回流，所有物料停留時間相差不多。此外，聚丙烯的結(jié)晶度高，結(jié)構規(guī)整，具有較好的力學性能，其硬度、強度和彈性都比聚乙烯（PE）高，因此混煉度和剪切性能較好的嚙合型雙螺桿結(jié)構成為聚丙烯加工的優(yōu)選方案。

（2） L 型布置的擠壓造粒機組的選型分析

聚乙烯（PE）材料相比于聚丙烯材料更容易擠壓造粒，既可以使用直線型嚙合擠壓機生產(chǎn)，也可以使用L 型非嚙合擠壓機生產(chǎn)。但考慮到L 型擠壓機在相同產(chǎn)能時其造價更低、容易開車、檢維修容易等因素，因此在年產(chǎn)量不大，且廠房布置能夠滿足要求的時候[17]，多選擇用L 型異向旋轉(zhuǎn)非嚙合擠壓機。

3 國內(nèi)外技術現(xiàn)狀及選型分析

目前世界上有德國Coperion 公司（以下簡稱Coperion）、日本制鋼所（Japan Steel Works，以下簡稱JSW）、日本神戶制鋼所（Kobe Steel，以下簡稱KSL）和中國大連橡膠塑料機械有限公司（DXS）等幾家公司具有設計、制造大型擠壓造粒機組的能力和業(yè)績[18]。其中大型（超過3.5×105t/a）的聚烯烴項目主要被德國Coperion 和日本JSW、KSL 三家公司壟斷[19]。大連橡膠塑料機械有限公司有幾個3.5×105t/ a的項目業(yè)績和多個進口設備維修的業(yè)績，但目前缺少大型聚烯烴項目的業(yè)績。

德國Coperion 公司作為國際范圍內(nèi)較早的擠壓造粒機廠家，設備產(chǎn)品主要為直線型，在大規(guī)模聚丙烯的項目上有很多業(yè)績。因行業(yè)內(nèi)未見其L 型結(jié)構的機型設備，且在同等產(chǎn)能下直線型的擠壓機比L 型的造價高，故在低產(chǎn)能要求的聚乙烯項目中Coperion 相較于JSW、KSL 兩家公司優(yōu)勢不明顯[20]。

本文給出了不同類型擠壓造粒機2010—2019 年在聚烯烴裝置上的典型應用，如表1 所示。

表1 2010—2019 年在聚烯烴裝置上的典型應用Table 1 Typical application in polyolefin plant from 2010 to 2019

4 結(jié)束語

聚烯烴項目是當前我國長期經(jīng)濟發(fā)展所倚重的化工項目之一，是現(xiàn)階段塑料日用品的主要原材料生產(chǎn)項目。本文著重介紹了兩種擠壓造粒機結(jié)構、在不同應用場合的優(yōu)缺點及國內(nèi)外產(chǎn)品的差距?？偨Y(jié)了國內(nèi)外聚乙烯和聚丙烯項目的擠壓造粒設備選型原則和方法，對于后續(xù)聚烯烴項目的應用和研究提供必要的參考。

隨著國內(nèi)外聚烯烴市場需求的增加，以及聚烯烴裝置的大型化需求，大型擠壓造粒設備的需求會越來越多。要求通過加強國內(nèi)產(chǎn)學研合作加快設備國產(chǎn)化進程，在增加產(chǎn)能的同時，不斷降低設備的成本，保證國內(nèi)制造的產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)具有核心競爭力。

發(fā)展高端裝備制造產(chǎn)業(yè)是我國重點發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，也是在科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關鍵期，相關單位應積極響應“中國制造2025”戰(zhàn)略，帶動我國高端裝備制造業(yè)發(fā)展，打破國外壟斷，實現(xiàn)國內(nèi)完全自主化，形成自主核心技術，開發(fā)出新型擠壓造粒設備，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益，也是現(xiàn)階段國產(chǎn)化工作的當務之急。