誰(shuí)與爭(zhēng)鋒之單螺桿擠出機(jī)
誰(shuí)與爭(zhēng)鋒之單螺桿擠出機(jī)
一、基本結(jié)構(gòu)
單螺桿擠出機(jī)是最為常見(jiàn)的擠出設(shè)備，包括主機(jī)、輔機(jī)以及電器控制系統(tǒng)。
主機(jī)含擠壓系統(tǒng)（機(jī)筒和螺桿）、傳動(dòng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)和加熱、冷卻系統(tǒng)。螺桿是擠出機(jī)的心臟，是關(guān)鍵部件，可以直接影響到擠出機(jī)的應(yīng)用范圍和生產(chǎn)效率。通過(guò)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使物料在機(jī)筒中移動(dòng)、增壓以及從摩擦中獲取部分熱量，其性能好壞決定了一臺(tái)擠出機(jī)的生產(chǎn)率、塑化質(zhì)量、填加物的分散性、熔體溫度、動(dòng)力消耗等等。機(jī)筒通常是整體式的，由合金鋼或者內(nèi)襯為合金鋼的復(fù)合鋼管制成，以耐熱、耐壓、耐磨和耐腐蝕等。機(jī)筒的長(zhǎng)度為螺桿直徑的15~30倍，其長(zhǎng)度以使物料得到充分加熱和塑化均勻?yàn)樵瓌t。螺桿和機(jī)筒通常采用氮化鋼38CrMoAIA并氮化處理，或表面合金處理以達(dá)到更高硬度。傳動(dòng)部分為螺桿提供在擠出過(guò)程中所需要的力矩和轉(zhuǎn)速，通常由電動(dòng)機(jī)、減速箱和軸承等組成。一般采用交流整流子電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等裝置，以達(dá)到無(wú)級(jí)變速，一般螺桿轉(zhuǎn)速為10~100轉(zhuǎn)/分。在機(jī)筒外部附有電阻、電感以及其它方式加熱的電熱器、溫度自控裝置及冷卻系統(tǒng)，采用鑄銅、鑄鋁加熱器，可根據(jù)要求采用風(fēng)冷與水冷。
圖1 單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)
輔機(jī)的組成需根據(jù)制品的種類而定，通常由機(jī)頭、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置以及制品的卷曲或堆放裝置組成。高性能的配套輔機(jī)設(shè)計(jì)在現(xiàn)今的高速擠出機(jī)組設(shè)計(jì)中是非常重要的一環(huán)。
控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠出機(jī)組的自動(dòng)控制，主、輔機(jī)的匹配以及各段工藝參數(shù)的控制和協(xié)調(diào)。
二、擠出過(guò)程
普通單螺桿擠出機(jī)也稱為三段式螺桿擠出機(jī)。物料沿螺桿前移時(shí)，經(jīng)歷著溫度、壓力、粘度等的變化，根據(jù)物料的變化特征可將螺桿在有效長(zhǎng)度上分成三段，即加料段（固體輸送段）、熔融段（壓縮段）和均化段（計(jì)量段），按螺桿直徑大小、螺距、螺槽深度確定三段有效長(zhǎng)度。
圖2 三段式擠出機(jī)簡(jiǎn)圖
加料段（固體輸送段）：其作用是將料斗供給的物料進(jìn)行壓實(shí)和輸送。該段輸送機(jī)理為摩擦輸送機(jī)理，物料在進(jìn)入螺桿以后，在旋轉(zhuǎn)螺桿的作用下，通過(guò)機(jī)筒內(nèi)壁和螺桿表面的摩擦作用向前輸送和壓實(shí)。其輸送效率取決于物料與機(jī)筒以及物料與螺桿之間的摩擦系數(shù)之差，通常要對(duì)螺桿進(jìn)行表面涂層，機(jī)筒內(nèi)表面開(kāi)槽以提高摩擦系數(shù)差，提高固體物料的輸送效率。物料在移動(dòng)過(guò)程中一般保持固體狀態(tài)，但因受熱部分物料會(huì)熔化，因此有些擠出機(jī)采用強(qiáng)制冷卻加料段機(jī)筒，使被輸送物料的溫度在軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)以下，從而避免熔膜出現(xiàn)來(lái)提高固體輸送效率。加料段的長(zhǎng)度隨塑料種類而不同，擠出結(jié)晶聚合物最長(zhǎng)，硬性無(wú)定形聚合物次之，軟性無(wú)定形聚合物最短。螺旋角的大小對(duì)輸送能力影響較大進(jìn)而影響著擠出機(jī)的生產(chǎn)率，通常粉狀物料的螺旋角為30度左右，方塊狀物料螺旋角宜選擇15度左右，球形物料宜選擇17度左右。
熔融段（壓縮段）：其作用是使物料進(jìn)一步壓實(shí)和塑化，并使物料中所含的空氣被壓回到加料口排出，完成塑化的物料進(jìn)入到第三段。此段螺槽容積逐漸變小，物料受到來(lái)自機(jī)筒外部加熱和螺桿與機(jī)筒間的剪切作用升溫熔融。通常這個(gè)區(qū)域的螺桿壓縮比為3:1，對(duì)于粉料，由于其比重小，夾帶的空氣多，需較大的壓縮比(可達(dá)4~5)。壓縮段的長(zhǎng)度與物料熔融溫度有關(guān)，熔融溫度范圍寬的塑料（如聚氯乙烯），壓縮段最長(zhǎng)；熔融溫度范圍窄的（如聚乙烯），壓縮段短；對(duì)于結(jié)晶型高聚物，壓縮段長(zhǎng)度可以在1～4倍螺桿直徑間取值。
均化段（計(jì)量段）：物料進(jìn)入均化段后進(jìn)一步塑化和均勻化，在計(jì)量段形成一定的壓力以克服流動(dòng)中的阻力，并將處于塑化狀態(tài)的物料準(zhǔn)確、定量輸送給機(jī)頭擠出成型。均化段的螺槽容積恒定，為避免物料滯留在螺桿頭端面死角處而引起分解，螺桿頭部常設(shè)計(jì)成錐形或半圓形。該段占螺桿全長(zhǎng)20%～25%左右。該段輸送理論為粘性流體輸送理論，熔融物料在螺槽中的流動(dòng)是正流、逆流、橫流和漏流的組合。
常規(guī)全螺紋三段螺桿按其螺紋升程和螺槽深度的變化可分為等距變深螺桿、等深變距螺桿和變深變距螺桿，但由于加工問(wèn)題，廣泛應(yīng)用的普通螺桿是等距變深螺桿。
三、新型單螺桿擠出機(jī)
這里的新型單螺桿擠出機(jī)是相對(duì)于常規(guī)三段式單螺桿擠出機(jī)而言。在三段式螺桿擠出機(jī)各功能段，都存在一定的問(wèn)題制約著生產(chǎn)，如熔融段固體床和熔池同居一個(gè)螺槽中，熔池不斷增寬，固體床逐漸變窄，減少了固體床與機(jī)筒壁面的傳熱面積和傳熱量，固體碎片為熔體所包圍，所受剪切力小，熔融緩慢，甚至引起塑化不均等質(zhì)量問(wèn)題。為追求高品質(zhì)基礎(chǔ)上的高速、高產(chǎn)擠出，在對(duì)擠出機(jī)理研究以及大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)上，發(fā)展了多種新型的螺桿以克服常規(guī)全螺紋三段式螺桿的局限性，在原理和結(jié)構(gòu)上有許多特點(diǎn)來(lái)提高擠出量、塑化質(zhì)量和減少波動(dòng)，已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
1、分離型螺桿
分離型螺桿是根據(jù)傳熱原理研究出來(lái)的一種新型螺桿，在熔融段增設(shè)一條起屏障作用的副螺紋。副螺紋外徑小于主螺紋，其后緣與主螺紋推進(jìn)面構(gòu)成液相槽，起始于加料段末，終結(jié)于計(jì)量段初，將熔融物料和未熔物料盡早分離，克服了常規(guī)螺桿中固體床和熔體共存一個(gè)螺槽中所產(chǎn)生的缺點(diǎn)，從而促進(jìn)了未熔物料的熔融。這種螺桿塑化效率高、塑化質(zhì)量好，而且由于沒(méi)有固體床破碎，產(chǎn)量波動(dòng)、壓力波動(dòng)和溫度波動(dòng)都比較小，擠出物均勻，并具有排氣性能好、能耗低、生產(chǎn)能力高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較廣。
圖3 分離型螺桿
2、屏障型螺桿
屏障型螺桿是由分離型螺桿演變而來(lái)的，是在普通螺桿的某一部位設(shè)置屏障段，以使殘余固相徹底熔融、均化的一種新型螺桿。多數(shù)情況下設(shè)置在靠近螺桿頭部的區(qū)域，因此常稱為屏障頭。在一段外徑等于螺桿直徑的圓柱上交替開(kāi)出進(jìn)、出料槽，且每一對(duì)進(jìn)、出料槽間設(shè)置一比螺桿外徑稍小的屏障棱。含有未熔融固體顆粒的物料分成若干股進(jìn)入進(jìn)料槽，當(dāng)越過(guò)屏障棱進(jìn)入出料槽時(shí)，塑化不良的小顆粒料受到強(qiáng)烈剪切而熔融。這種螺桿通過(guò)剪切作用和渦流的混合作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⑦M(jìn)行熱交換，使物料熔融均化，徑向溫差小，產(chǎn)量、質(zhì)量都比常規(guī)螺桿好。
圖4 屏障型螺桿
3、銷釘螺桿
銷釘螺桿是一種分流型螺桿，利用設(shè)置在螺桿上的銷釘將含有固體顆粒的料流分成許多細(xì)小料流，這些料流在兩排銷釘間較寬位置又匯合，經(jīng)過(guò)多次分離匯合，物料塑化和均化質(zhì)量得以提高。此外，由于銷釘不斷打碎固體床，固體小碎片在熔融的過(guò)程中不斷從熔體中吸收熱量，有可能降低熔料溫度，從而可得到混合均勻和低溫的擠出物。銷釘通常設(shè)置在熔融段末端或均化段上，銷釘形狀有圓柱形、菱形、方形等，排列形狀有人字形、環(huán)形等。銷釘由于加工容易，可實(shí)現(xiàn)對(duì)普通螺桿的改進(jìn)，擴(kuò)大螺桿用途，適應(yīng)不同物料加工條件。
圖5 銷釘螺桿
4、DIS螺桿
DIS螺桿也是一種分流型螺桿。設(shè)置在普通螺桿均化段末端的DIS混煉頭，其外徑等于螺桿直徑，設(shè)置有若干數(shù)量相等的進(jìn)料槽和出料槽，進(jìn)、出料槽通過(guò)分流孔相連。其工作原理主要是通過(guò)進(jìn)、出料槽和分流孔將料流分成許多許多細(xì)小料流，并在此過(guò)程中改變料流的流動(dòng)方向和位置，然后又把各股小料流在匯合區(qū)匯合而使物料得到充分的混合，消除物料的軸向溫差。在此分流過(guò)程中，對(duì)物料還有剪切作用，以達(dá)到對(duì)物料的塑化。通常在螺桿末端設(shè)置4～6個(gè)混煉頭，對(duì)于提高生產(chǎn)能力而消除軸向溫差的效果極佳。
圖6 DIS螺桿
5、組合型螺桿
組合型螺桿是用以解決擠出機(jī)專用與通用之間矛盾的，由帶加料段的螺桿本體和各種不同職能的螺桿元件（如輸送元件、混煉元件和剪切元件等）組成。改變這些元件的種類、數(shù)量和組合順序，可以得到各種特性的螺桿，以適應(yīng)不同物料和不同制件的加工要求，并找出最佳工作條件。這種螺桿適應(yīng)性強(qiáng)，易獲得最佳工作條件，因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但設(shè)計(jì)復(fù)雜，組合元件拆裝較麻煩，在直徑較小的螺桿上比較難于實(shí)現(xiàn)。
6、排氣式擠出機(jī)
在擠出成型過(guò)程中，由于所使用的物料往往夾帶空氣、水分、剩余單體、低聚物等等揮發(fā)分，如不排除，則會(huì)形成氣泡、孔隙、疤痕等等，影響到制品的質(zhì)量。在用普通螺桿擠出機(jī)加工制品時(shí)，通常是將原料進(jìn)行預(yù)熱干燥處理或者在加料段通過(guò)螺桿擠壓從加料口逸出，但預(yù)熱干燥會(huì)使成本增加，螺桿轉(zhuǎn)速高時(shí)又無(wú)法在顆粒熔融前完全將揮發(fā)分排出。排氣擠出機(jī)是脫除揮發(fā)分的一個(gè)更有效的途徑，可以更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。
圖7 排氣擠出機(jī)
a—加料段；b—壓縮段；c—第一計(jì)量段；d—阻尼段；
e—排氣段；f—壓縮段；g—第二計(jì)量段；h—閥，i—機(jī)頭
排氣螺桿從其本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為是由兩根普通螺桿串聯(lián)而成的，可根據(jù)各段功能分為加料段、壓縮段、第一計(jì)量段、阻尼段、排氣段、第二壓縮段、第二計(jì)量段。物料從加料口進(jìn)入第一階螺桿，經(jīng)過(guò)壓縮、混合、熔融達(dá)到基本塑化的狀態(tài)，然后進(jìn)入排氣段。由于排氣段螺紋元件螺槽的自由容積加大，而且通常與真空泵相連，使得在排氣段的物料壓力驟然降至零或負(fù)壓，使已基本塑化的熔融物料膨脹發(fā)泡。物料在螺桿的攪拌下，氣泡破裂，物料中含有的水分、低分子易揮發(fā)物以及從加料口夾帶進(jìn)來(lái)的氣體脫出。脫除了氣體和揮發(fā)物的物料在螺桿的輸送下，繼續(xù)經(jīng)第二計(jì)量段進(jìn)一步壓縮和混合，最終從機(jī)頭擠出成形而成制品。排氣擠出機(jī)適用于加工硬聚氯乙烯干混料、ABS、尼龍、聚甲基丙酸甲酯等吸濕性大或含揮發(fā)分比較多的物料。
四、優(yōu)缺點(diǎn)
從發(fā)展的角度來(lái)看，單螺桿擠出機(jī)已較為完善，且向著高速、高效、智能化、專用化方向發(fā)展，大型造粒用單螺桿擠出機(jī)，螺桿直徑達(dá)700mm，產(chǎn)量高達(dá)36噸每小時(shí)。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，因而得到廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)有：
物料輸送主要靠摩擦，從而加料性能受到限制，較難加入粉料、糊狀料、玻璃纖維及無(wú)機(jī)填料等。
當(dāng)機(jī)頭壓力較高時(shí)，逆流增加，使生產(chǎn)率降低。
物料在排氣區(qū)的表面更新作用小，因而排氣效果較差。
不適于某些工藝過(guò)程，如聚合物著色、熱固性粉料的加工等等。
自潔功能差，不適于加工熱穩(wěn)定性差的塑料和共混料
五、應(yīng)用范圍
單螺桿擠出機(jī)主要用于軟/硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料的擠出加工，與相應(yīng)的輔機(jī)及成型機(jī)頭配合，可加工多種塑料制品，如管、板、膜、絲帶等，亦可用于造粒。
管材擠出：適用于PPR管、PE燃?xì)夤堋?/span>PEX交聯(lián)管、ABS管、PVC管、HDPE硅芯管、鋁塑復(fù)合管及各種共擠復(fù)合管。
板材/片材擠出：適用于PVC、PET、PS、PP、PC等片材或板材的擠出，以及其它塑料絲/棒的擠出等等。
型材的擠出：調(diào)節(jié)擠出機(jī)轉(zhuǎn)速及改變擠出螺桿的結(jié)構(gòu)可適用于PVC、聚烯烴類等各種塑料異型材的生產(chǎn)。
改性造粒：適用于各種塑料的共混、改性、增強(qiáng)造粒。
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