姜海峰

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津300270)

中國石油化工股份有限公司天津分公司2 kt/a的紡絲試驗(yàn)裝置采用以常規(guī)切片及改性聚酯切片為原料的間接紡絲工藝，生產(chǎn)聚酯細(xì)旦及多功能仿毛短纖維。該裝置自1994年開車以來，已生產(chǎn)多個(gè)品種(規(guī)格)的差別化滌綸短纖維。2011年，在原前紡裝置基礎(chǔ)上，根據(jù)聚苯硫醚(PPS)紡絲工藝特點(diǎn)對PPS紡絲工藝及其生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，利用試驗(yàn)裝置現(xiàn)有部分設(shè)備，改造建設(shè)了一條1 kt/a的PPS短纖維紡絲生產(chǎn)線，而其中關(guān)鍵是采用SHJ嚙合同向型雙螺桿擠壓機(jī)替代原裝置的單螺桿擠壓機(jī)，作者詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)。

1 雙螺桿擠壓機(jī)與單螺桿擠壓機(jī)比較

1.1 工作原理

單螺桿擠壓機(jī)將高聚物的固體物料由加料口進(jìn)入螺桿加料段后，隨著螺桿的回轉(zhuǎn)，物料被螺紋強(qiáng)制向前推進(jìn)，逐步進(jìn)行加熱壓縮、熔融混合均化，最后從螺桿頭部擠出的過程。

雙螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)與單螺桿擠壓機(jī)很相似，但工作原理差異卻很大。嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng)由于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿在嚙合位置的速度方向相反，一根螺桿要把物料拉進(jìn)嚙合間隙，而另一根螺桿要把物料從間隙中推出，結(jié)果使物料從一根螺桿轉(zhuǎn)到另一個(gè)螺桿，呈∞形前進(jìn)，這種速度的改變以及嚙合區(qū)較大的相對速度，非常有利于物料混合和均化，由于嚙合區(qū)間隙很小，嚙合處螺紋和螺槽的速度相反，剪切速度高，有很好自潔作用，即能刮住粘附在螺桿上的任何積料，從而使物料的停留時(shí)間很短。

1.2 物料的傳送方式

在單螺桿擠壓機(jī)中，物料傳送是拖曳型的。固體輸送段中為摩擦拖曳，熔體輸送段中為粘性拖曳。固體物料的摩擦性能和熔融物料的粘性決定了輸送行為。

而在雙螺桿擠壓機(jī)中，特別是嚙合型雙螺桿擠壓機(jī)，物料的傳送在某種程度上是正向位移傳送，正向位移的程度取決于一根螺桿的螺棱與另一根螺桿的相對螺槽的接近程度。緊密嚙合異向旋轉(zhuǎn)擠壓機(jī)的螺桿幾何外形能得到高度的正向位移輸送特性，形成了強(qiáng)制進(jìn)料。

1.3 轉(zhuǎn)速控制

單螺桿擠壓機(jī)因物料是直接通過料斗加到螺桿和料筒之間的，進(jìn)料速度與螺桿的轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，同時(shí)也與原料外形、密度、表面物理性質(zhì)有關(guān)，粉狀的物料、密度小的物料、物料不光滑、活動(dòng)阻力大的物料都會使進(jìn)料速度變慢，有時(shí)還輕易產(chǎn)生架橋阻止進(jìn)料。單螺桿擠壓機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速直接影響擠出的壓力、物料的融熔程度和轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿電機(jī)的負(fù)荷。

雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)料方式是依靠兩根螺桿的間隙擠壓的強(qiáng)制進(jìn)料方式，在雙螺桿擠壓機(jī)中往往采用限制或是定量加料的方式。在進(jìn)料口上方設(shè)有喂料器，由喂料器中的加料螺桿轉(zhuǎn)速來控制物料進(jìn)擠壓機(jī)的量，實(shí)際上也控制了擠出的速度。加料速度應(yīng)與擠壓機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速相匹配，達(dá)到最好的塑化質(zhì)量和形成適當(dāng)?shù)臋C(jī)頭壓力。

1.4 混煉效果

單螺桿擠壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低特點(diǎn):適合聚合物的塑化擠出，適合顆粒料的擠出加工。對聚合物的剪切降解小，但物料在擠壓機(jī)中停留時(shí)間長，單位產(chǎn)量耗能高。

雙螺桿擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，但其具有很好的混煉、輸送、自潔性能，物料在擠壓機(jī)中停留時(shí)間短，有良好的排氣裝置;而且產(chǎn)量大，擠出速度快，單位產(chǎn)量耗能低。因此，與單螺桿擠壓機(jī)相比，雙螺桿擠壓機(jī)在低速下可獲得滿意的混煉效果。物料在機(jī)器中停留時(shí)間短，受到的剪切熱小，適合于加工熱敏感性大的物料。雙螺桿擠壓機(jī)主要依靠穩(wěn)定而易于控制的加熱器供熱，熱穩(wěn)定性差的物料不易分解產(chǎn)生有毒氣體，能夠保證安全操作。但比較每單位輸出量的機(jī)器總功率消耗時(shí)，則單螺桿擠壓機(jī)幾乎比同樣功能的雙螺桿機(jī)高約2倍。

2 SHJ型雙螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

SHJ型雙螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 螺桿擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of screw extruder

2.1 螺桿的結(jié)構(gòu)特征

螺桿是雙螺桿擠壓機(jī)中的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)(見圖2)及參數(shù)直接影響雙螺桿擠壓機(jī)的性能。SHJ型雙螺桿擠壓機(jī)配套螺桿采用等螺距而不等槽深的漸變螺桿，熔化過程得以逐步進(jìn)行，所有物料能均勻地受熱和混合，并在螺桿的頭部加裝混合頭，以達(dá)到增強(qiáng)混合和均勻的效果，并能穩(wěn)定機(jī)頭壓力和減少流量的波動(dòng)，提高了熔體溫度和黏度的均勻性，保證機(jī)頭壓力和流量的穩(wěn)定性。螺桿螺紋組件采用積木式組合，包括螺紋輸送組件、混煉組件、剪切組件、返混組件等，可根據(jù)物料工藝要求排定組合，螺桿元件與芯軸采用漸開線花鍵聯(lián)接，材質(zhì)采用耐磨高速工具鋼。

圖2 螺桿結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Screw structural diagram

2.2 機(jī)筒的結(jié)構(gòu)特征

機(jī)筒(見圖3)和螺桿共同完成物料的輸送、壓縮、熔融與混合，直到熔體擠出，因此，機(jī)筒可看成是一個(gè)壓力容器，SHJ型雙螺桿擠壓機(jī)配套機(jī)筒采用分段式雙金屬筒體，機(jī)筒共分為10段筒體，采用電加熱、循環(huán)水冷卻方式，其中第二、三節(jié)采用鑄銅加熱器。

圖3 機(jī)筒結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Barrel structural diagram

2.3 真空排氣裝置

雙螺桿擠出機(jī)在擠出過程中物料中的空氣、殘留單體、低分子揮發(fā)物、溶劑、反應(yīng)生成物中的氣體如果得不到及時(shí)排出，會在擠出的熔體表面或內(nèi)部出現(xiàn)氣隙、氣泡、疤痕、表面昏暗等缺陷，還會影響熔體的物理和力學(xué)性能、化學(xué)性能、電性能和光學(xué)性能。因此，SHJ型雙螺桿擠出機(jī)設(shè)有真空排氣裝置，而其中真正起到真空排氣關(guān)鍵作用的是水環(huán)式真空泵。

2.4 液壓換網(wǎng)裝置

SHJ型雙螺桿擠出機(jī)配置液壓換網(wǎng)裝置目的在于將雙螺桿擠出機(jī)擠出的熔體進(jìn)行初級過濾，將物料中的雜質(zhì)過濾，防止雜質(zhì)進(jìn)入熔體增壓泵，造成齒輪損壞，液壓換網(wǎng)裝置采用雙柱塞換網(wǎng)器，換網(wǎng)器采用優(yōu)質(zhì)氮化鋼材質(zhì)，經(jīng)氮化熱處理，配套設(shè)計(jì)的液壓站，它具有體積小、可移動(dòng)、操作簡單、維修方便等特點(diǎn)，該機(jī)噪音低、流量大、集成化等多項(xiàng)優(yōu)越性，為主機(jī)可靠工作提供了保證。

2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)

雙螺桿擠壓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是雙螺桿擠壓機(jī)的重要組成部分，其作用是在設(shè)定的工藝條件下，向兩根螺桿提供合適的轉(zhuǎn)速范圍，穩(wěn)定而均勻的速度、足夠且均勻相等的扭矩，并能承受完成擠出過程所產(chǎn)生的巨大的螺桿軸向力。

SHJ型雙螺桿擠壓機(jī)傳動(dòng)裝置采用平行三軸式設(shè)計(jì)，集減速與扭矩分配于一體，一方面可滿足在有限的中心距內(nèi)大扭矩的傳遞和減速的要求，另一方面可承載螺桿末端產(chǎn)生的軸向力，有效抵銷齒輪傳動(dòng)的徑向力，防止螺桿彎曲，提高齒輪的承載能力和傳動(dòng)精度，傳動(dòng)箱采用球墨鑄鐵材料鑄造，增加了箱體剛度，提高運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性及安全系數(shù)。

2.6 控制系統(tǒng)

SHJ型雙螺桿擠壓機(jī)組控制系統(tǒng)采用PLC為核心的控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)主要由PLC主機(jī)、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊及操作面板(HMI)等部分組成。

PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，其CPU采用SIEMENS S7-300系列的CPU314程控器，通過輸入、輸出模塊完成各種數(shù)字量模擬量的采集，實(shí)現(xiàn)對喂料機(jī)、增壓泵系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制、最終保證喂料機(jī)、雙螺桿、增壓泵的運(yùn)行。

PLC系統(tǒng)的主要控制范圍包括:喂料機(jī)、雙螺桿、增壓泵的驅(qū)動(dòng)，喂料機(jī)、雙螺桿和增壓泵之間的聯(lián)鎖控制，關(guān)鍵控制點(diǎn)壓力的顯示。1臺喂料機(jī)、1臺雙螺桿擠壓機(jī)、1臺增壓泵用電機(jī)均采用西門子6SE440系統(tǒng)變頻驅(qū)動(dòng)。各個(gè)變頻器與PLC之間采用PROFIBUS通訊，傳送數(shù)據(jù)及進(jìn)行控制。計(jì)量泵前及泵后的熔體壓力，采用RFC FB900控制儀表，通過閉環(huán)控制喂料機(jī)、增壓泵的轉(zhuǎn)速來維持，以達(dá)到穩(wěn)定地向紡絲組件輸送熔體的目的。另外，在控制柜上配有喂料機(jī)、增壓泵的的手動(dòng)自動(dòng)切換開關(guān)，以方便正常的生產(chǎn)運(yùn)行。

3 結(jié)語

改造原常規(guī)滌綸紡絲裝置，引用SHJ嚙合同向型雙螺桿擠壓機(jī)生產(chǎn)特種纖維，剖析了該螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，螺桿是雙螺桿擠壓機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，并和機(jī)筒共同完成物料的輸送，設(shè)有真空排氣裝置，液壓換網(wǎng)裝置等，采用PLC為核心的控制系統(tǒng)。隨著對雙螺桿擠壓機(jī)的深入了解，對生產(chǎn)特種纖維將有更進(jìn)一步作用。