擠出機(jī)溫控系統(tǒng)改造及操作優(yōu)化對(duì)聚甲醛產(chǎn)品質(zhì)量的提升

丁 輝

(開(kāi)封龍宇化工有限公司 ， 開(kāi)封市聚甲醛基新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 河南 開(kāi)封 475200)

0 前言

開(kāi)封龍宇化工有限公司聚合廠雙螺桿擠出機(jī)組為德國(guó)進(jìn)口，型號(hào)為ZSK177。由加料系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)筒主體、切粒裝置和干燥分級(jí)系統(tǒng)等主要部分組成，機(jī)筒冷卻水系統(tǒng)和真空抽氣系統(tǒng)等輔助部分組成。擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速最大是180 r/min，扭矩保護(hù)量110%，最大生產(chǎn)負(fù)荷3 300 kg/h。擠出機(jī)作為聚甲醛生產(chǎn)過(guò)程中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，主要是封端造粒、摻混、脫氣、穩(wěn)定劑添加等。稍有操作不當(dāng)就會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成較大的影響，如何提高擠出機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)化操作和技術(shù)改造顯得尤為重要。

1 機(jī)筒溫差對(duì)聚甲醛生產(chǎn)的影響及改造

聚甲醛粉狀物料通過(guò)喂料器進(jìn)入擠出機(jī)加熱融化，由粉狀物料變?yōu)槿廴谖锪?。擠出機(jī)的溫度影響物料在螺桿中的流動(dòng)速率，隨著進(jìn)料量的增加，機(jī)筒溫度和壓力也逐漸增加。擠出過(guò)程中塑料熔體溫度發(fā)生變化會(huì)引起熔體黏度改變，擠出壓力和流率也隨之波動(dòng)。公司使用的擠出機(jī)共有15段加熱段，每段均有電加熱器和冷卻水，二者共同作用對(duì)機(jī)筒溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不同牌號(hào)的聚甲醛產(chǎn)品對(duì)應(yīng)不同的控制溫度。以POM牌號(hào)MC90為例，機(jī)筒設(shè)定180～200 ℃為最佳溫度，第5段為三乙胺液體加注段，控制190～195 ℃為最佳溫度。聚甲醛的熔點(diǎn)在162～166 ℃，溫度設(shè)定低于180 ℃，物料熔融不完全，直接影響聚甲醛和各添加劑的混合效果，進(jìn)而影響粒料的熱穩(wěn)定性、外觀等各種物理性能；而且擠出機(jī)的扭矩大，容易過(guò)載跳車，導(dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定，擠出機(jī)產(chǎn)生的機(jī)頭廢料增加，產(chǎn)品異形粒增多。溫度設(shè)定過(guò)高，超過(guò)200 ℃，容易造成聚甲醛解聚，甚至物料在機(jī)筒內(nèi)碳化，物料發(fā)黃、發(fā)黑，導(dǎo)致產(chǎn)品粒料中色焦粒過(guò)多，影響產(chǎn)品外觀。另外，溫度控制高，加熱器需要輸出更大的功率，造成產(chǎn)品單耗增加，生產(chǎn)成本過(guò)高。

1.1 循環(huán)冷卻水箱的補(bǔ)水改造及優(yōu)化

①封端機(jī)機(jī)筒溫控是通過(guò)每段的電加熱器和冷卻水來(lái)控制，冷卻水水箱原有設(shè)備是通過(guò)手動(dòng)補(bǔ)加脫鹽水，操作人員通過(guò)巡檢或者觀察DCS操作面板機(jī)筒升降溫速度，以及機(jī)筒的實(shí)際溫差來(lái)判斷水箱是否缺水，來(lái)補(bǔ)充脫鹽水。手動(dòng)開(kāi)關(guān)不易操作控制，補(bǔ)水過(guò)量水會(huì)沿著水箱溢出；補(bǔ)水不及時(shí)還會(huì)缺水，造成封端機(jī)機(jī)筒溫度波動(dòng)，色焦粒、小黑粒增加。②為減少脫鹽水消耗，保持溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定，經(jīng)研究提出將原有設(shè)備通過(guò)手動(dòng)補(bǔ)脫鹽水改為自動(dòng)補(bǔ)脫鹽水。改造后通過(guò)新增液位計(jì)聯(lián)鎖控制，將液位控制在60%～80%，有效降低了脫鹽水的消耗，穩(wěn)定控制了擠出機(jī)的機(jī)筒溫度。

1.2 循環(huán)冷卻水水溫控制的改造及優(yōu)化

生產(chǎn)過(guò)程中擠出機(jī)機(jī)筒溫控系統(tǒng)中冷卻水進(jìn)水溫度要求<60 ℃，但是回水溫度在95 ℃左右。原有設(shè)備換熱器換熱量受結(jié)垢、輸水不暢等影響換熱量變小，造成進(jìn)水溫度升高，冷卻效果降低，進(jìn)入機(jī)筒體內(nèi)的冷卻水嚴(yán)重氣化，管道經(jīng)常出現(xiàn)水擊、調(diào)節(jié)閥損壞等問(wèn)題。

為穩(wěn)定擠出機(jī)機(jī)筒溫度的系統(tǒng)控制，在循環(huán)泵出口換熱器后面新增一個(gè)換熱器，使用冷凍水(WR)再次降溫，使水槽溫度控制低于50 ℃。改造后在實(shí)際生產(chǎn)中冬季機(jī)筒冷卻水進(jìn)口溫度30 ℃，夏季38 ℃，完全滿足于實(shí)際生產(chǎn)的需求。

水溫控制改造前后工藝圖如圖1所示。

圖1 水溫控制改造前后工藝圖

1.3 機(jī)筒降溫給水方式的改造及優(yōu)化

原擠出機(jī)分段降溫的給水方式為電磁閥控制，受機(jī)筒回水水擊的原因，時(shí)常造成電磁閥內(nèi)漏、失靈、損壞等，造成擠出機(jī)單段溫度設(shè)定值與實(shí)際值的偏差較大，影響擠出機(jī)正常生產(chǎn)。

將擠出機(jī)機(jī)筒冷卻水原有電磁閥控制方式改為電磁閥與氣動(dòng)球閥相結(jié)合的控制方式。由電磁閥控制儀表氣源，從而控制氣動(dòng)球閥，由氣動(dòng)球閥來(lái)控制冷卻水，實(shí)現(xiàn)機(jī)筒溫度的恒定，控制閥改動(dòng)前后示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 控制閥改動(dòng)前后示意圖

從擠出機(jī)研究成果實(shí)施前后溫度控制對(duì)比可以看出，研究前擠出機(jī)有3個(gè)溫度控制點(diǎn)的設(shè)定值與實(shí)際值偏差較大，偏差范圍在23～39 ℃，實(shí)施后擠出機(jī)所有溫度控制點(diǎn)的溫差都控制在5 ℃以內(nèi)，大大減小了設(shè)定值與實(shí)際值的偏差。擠出機(jī)溫度控制點(diǎn)得到了有效地控制，對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整和控制可以有效地傳遞到設(shè)備和物料中間，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和工藝的準(zhǔn)確性。

1.4 色焦粒數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)2020年5—12月的成品數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和分析，并對(duì)色焦粒按每批次的含量進(jìn)行了匯總，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)筒冷卻水控制方式優(yōu)化后色焦粒變化情況

從表1可以看出，2020年5—7月份聚甲醛成品色焦粒的優(yōu)等率(指標(biāo)是≤12粒)一直在60%以下。6月份受色焦粒影響最嚴(yán)重，色焦粒優(yōu)等率不足40%，>40粒的批次也占到20%以上。擠出機(jī)機(jī)筒冷卻水控制方式優(yōu)化后，從8月份開(kāi)始聚甲醛成品色焦粒的優(yōu)等率逐漸上升，9—12月份，聚甲醛成品色焦粒的優(yōu)等率一直維持在85%以上，>40粒的批次降到5%以下。說(shuō)明擠出機(jī)機(jī)筒冷卻水的精確控制有利于降低POM中的色焦粒數(shù)量，機(jī)筒冷卻水冷卻效果是影響當(dāng)前POM色焦粒的關(guān)鍵因素。

2 螺桿轉(zhuǎn)速及扭矩對(duì)聚甲醛生產(chǎn)的影響

擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷而定，生產(chǎn)負(fù)荷高則螺桿轉(zhuǎn)速要求也高，生產(chǎn)負(fù)荷低則螺桿轉(zhuǎn)速相應(yīng)下降。生產(chǎn)的產(chǎn)品熔融指數(shù)不一樣，螺桿轉(zhuǎn)速也有差別。低負(fù)荷下采用高轉(zhuǎn)速，封端機(jī)螺桿螺槽內(nèi)部物料充滿度過(guò)低就向后輸送，造成聚甲醛物料和添加劑混合不均勻，從而影響產(chǎn)品性能的均一性及穩(wěn)定性；另外，物料由于在螺桿內(nèi)部充滿度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生部分聚甲醛掛壁，達(dá)不到自清理效果，掛壁物料長(zhǎng)時(shí)間在機(jī)殼內(nèi)會(huì)發(fā)黃、變黑，造成聚甲醛產(chǎn)品色焦粒多。同時(shí)高負(fù)荷下采用低轉(zhuǎn)速，會(huì)造成物料輸送慢，擠出機(jī)扭矩過(guò)大，稍有波動(dòng)即可引起設(shè)備跳車，不利于生產(chǎn)穩(wěn)定。為此，探討擠出機(jī)轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)負(fù)荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 生產(chǎn)負(fù)荷與螺桿轉(zhuǎn)速度的關(guān)系

從表2可以看出，擠出機(jī)生產(chǎn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，生產(chǎn)負(fù)荷低于2 400 kg/h時(shí)POM中異形粒較多，影響POM的質(zhì)量外觀，高負(fù)荷下會(huì)產(chǎn)生部分聚甲醛掛壁，長(zhǎng)時(shí)間受高溫影響，機(jī)筒壁上的物料會(huì)發(fā)黃、變黑造成聚甲醛產(chǎn)品色焦粒、小黑粒變多，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。擠出機(jī)主要參數(shù)：生產(chǎn)負(fù)荷控制在2 400～3 000 kg/h，通過(guò)調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速控制物料在螺桿內(nèi)部的充滿長(zhǎng)度，將扭矩控制在60%左右，可以有效地控制異型粒的產(chǎn)生，對(duì)擠出機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行及產(chǎn)品質(zhì)量的提升有明顯效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化擠出機(jī)操作及機(jī)筒溫度改造，分析聚甲醛產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素和控制要點(diǎn)，提出了技術(shù)改造和操作管理創(chuàng)新，在采取以上措施的同時(shí)，不斷對(duì)現(xiàn)有設(shè)備情況及前聚合反應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)和分析，優(yōu)化操作、降低消耗、提升質(zhì)量、延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期，提高了聚甲醛外觀質(zhì)量和成品質(zhì)量，將設(shè)備對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響降到最低。