史媛媛，張新超，賈朝陽

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧　大連　116039）

大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組螺桿組件淺析

史媛媛，張新超，賈朝陽

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧大連116039）

螺桿組件是大型混煉擠壓造粒機組中的關(guān)鍵零部件，其穩(wěn)定性對整套裝置的運行至關(guān)重要，本文主要闡述了大型混煉擠壓造粒機組中螺桿組件的特點及在實際運行情況中容易發(fā)生的故障及問題，并針對問題進行了簡要解析，為以后大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組的操作及運行參數(shù)確定提供參考。

大型混煉擠壓造粒機組；同向雙螺桿；螺桿組件

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，塑料制品在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜絹碓街匾慕巧?，塑料工業(yè)也成為國民經(jīng)濟中的重要行業(yè)之一。乙烯是發(fā)展合成樹脂、合成橡膠、合成纖維的基礎(chǔ)原料。大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組是乙烯工程或煤化工項目中的核心設(shè)備，其工藝流程復(fù)雜、配套性強、設(shè)計制造和操作難度大、費用昂貴，是集機、電、儀高度一體化的大型成套化裝置。用于乙烯工程中PE（聚乙烯）/PP（聚丙烯）物料造粒的大型機組主要有異向雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉擠壓造粒機組和同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組兩種形式。據(jù)不完全統(tǒng)計，異向雙轉(zhuǎn)子主要用于PE混煉擠出造粒，同向雙螺桿機組在PE和PP兩種物料中都有應(yīng)用，但以PP混煉擠出造粒居多。目前，大型混煉擠壓造粒機組已實現(xiàn)全面國產(chǎn)化，填補了國內(nèi)空白，真正打破了國外長期以來的壟斷。其中已有5臺套用于PP混煉擠出造粒的大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組已投入連續(xù)、穩(wěn)定運行，全面實現(xiàn)了國產(chǎn)化的目標，機組各項指標達到國際先進水平。

1 概述

在大型混煉裝置中，國際上同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組供應(yīng)商主要為德國Coperion和日本JSW公司。螺桿組件是同向雙螺桿大型混煉擠壓造粒機組中的核心部件，其主要功能是完成對物料的熔融、混煉、塑化、排氣、輸送等功能。初期，兩公司機組中螺桿組件最大區(qū)別為計量輸送段，Coperion公司ZSK系列為嚙合式，JSW公司的CMP系列螺桿計量段為非嚙合式，但在后期發(fā)展中，螺桿組件計量段型式趨于一致，均為全嚙合式。這兩家公司由于技術(shù)先進、性能穩(wěn)定，長期以來占據(jù)了幾乎所有的國際市場。螺桿組件主要由芯軸、螺桿元件、螺桿頭等零部件組成。螺桿元件圖形如圖1所示。

圖1　螺桿元件三維模型

2 同向混煉擠壓造粒機組螺桿組件的特點

2.1產(chǎn)量高

目前，國內(nèi)大型同向雙螺桿混煉機組主流設(shè)備為20萬t/年，螺桿組件要完成每小時約25～30 t物料的塑化、混煉及輸送，并且大型混煉設(shè)備正在朝著大型化方向發(fā)展，例如：Coperion公司ZSK 380 Mc已經(jīng)成功運用，最大產(chǎn)量已達到70 t/h。

2.2對物料的適應(yīng)性強

同向雙螺桿為積木式結(jié)構(gòu)，螺桿元件可拆卸更換，通過改變螺桿組合可以適應(yīng)多種物料的擠出工藝要求，滿足多種物料生產(chǎn)。從實際應(yīng)用來看，同向雙螺桿可用于LLDPE、HDPE、PP等多種物料的生產(chǎn)，適用范圍非常廣泛。

2.3設(shè)計、加工制造困難

（1）螺桿組合設(shè)計困難

螺桿組合是螺桿組件的核心，螺桿組合排列除須滿足擠出穩(wěn)定、加工物料符合制品要求及螺桿受力均勻等要求外，還需滿足低能耗的發(fā)展要求。

（2）螺桿元件設(shè)計困難

螺桿組件是由不同導(dǎo)程、不同形式的螺桿元件組合在一起，所以螺桿元件的端面形線的修形至關(guān)重要，是保證螺桿元件之間順滑過渡、兩螺桿之間間隙均勻和擠出功能的前提；其次，螺桿元件需滿足輸送、混煉、排氣、輸送等各種功能，螺桿元件的導(dǎo)程、頭數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、錯列角、嚙合塊厚度等均會影響螺桿以上功能，較好的螺桿組合必須經(jīng)歷復(fù)雜的設(shè)計過程。

（3）芯軸材質(zhì)的選擇、加工制造困難

芯軸是螺桿組件中最重要的部分，是所有螺桿元件的基礎(chǔ)和載體，其性能直接決定大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組的運行情況。螺桿在實際使用中處于高溫、高負荷、交變彎扭的工作環(huán)境下，因此，芯軸材質(zhì)需是高抗拉強度、高屈服極限和高抗疲勞的材質(zhì)，此外，芯軸材質(zhì)的鍛造及熱處理工藝要求也非常高。

大型同向雙螺桿混煉造粒機組中螺桿長徑比一般在24左右，若機組中無熔體齒輪泵，螺桿還需為換網(wǎng)裝置和模板裝置建立壓力，螺桿長徑比則會更長，故螺桿芯軸處花鍵長度約7 m（長徑比約為40～50），屬超細長軸，花鍵加工難度大，保證花鍵表面粗糙度及整根芯軸的直線度難度非常大。

2.4表面特殊硬化處理

目前，在雙螺桿擠出機中，螺桿元件表面大多采用氮化處理方式，以提高螺桿表面硬度及耐腐蝕性。在大型同向雙螺桿混煉造粒機組中，很多情況下螺桿出口壓力較高、負荷較大，螺桿與機筒之間需匹配良好的摩擦副，很多機組中采用氮化鋼表面堆焊耐磨硬質(zhì)合金，相對應(yīng)機筒內(nèi)表面堆焊耐磨硬質(zhì)合金，控制兩者硬度差，形成穩(wěn)定、有效的摩擦副。

3 螺桿組件運行過程中常見問題及解析

3.1磨損

在多家石化用戶檢修中發(fā)現(xiàn)，螺桿組件最常見的問題為嚴重磨損，從設(shè)計角度出發(fā)，在同向雙螺桿機組中，由于機筒的制造及更換難度較大，因此在設(shè)計時讓螺桿表面的硬度比機筒表面硬度略低一些，一般情況下，螺桿元件的正常磨損是合理的，但嚴重磨損則會造成螺桿之間嚙合間隙變大，擠出過程漏流增大，剪切強度變低，影響混煉效果；其次，嚴重磨損會造成大量金屬碎屑進入物料中，影響產(chǎn)品質(zhì)量；再者，大量金屬碎屑堆積在換網(wǎng)裝置中，堵塞濾網(wǎng)，造成換網(wǎng)裝置前后壓差變大，控制系統(tǒng)頻繁報警，同時頻繁更換濾網(wǎng)，對機組操作帶來不便。一般磨損均可通過修復(fù)或更換新的螺桿元件來解決。

螺桿組件的嚴重磨損通常是由設(shè)備配置不合理而引起的，例如：用未配置熔體齒輪泵的大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組加工熔融指數(shù)非常低的物料，造成螺桿出料端負荷急劇增大，導(dǎo)致螺桿快速磨損；再者，機組負荷不高的情況下利用高速檔加工物料，機組負荷較低，螺桿裝置充滿度不夠，出口端螺桿支撐不足，容易導(dǎo)致“掃膛”現(xiàn)象，造成嚴重磨損。

圖2　螺桿元件磨損照片

3.2振動

在與各石化用戶交流中發(fā)現(xiàn)，部分用戶引進的大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組在運行過程中，螺桿有振動現(xiàn)象，在螺桿尾部測試最大振幅達2 mm，停機后對螺桿進行檢測發(fā)現(xiàn)芯軸直線度超出正常使用范圍，經(jīng)過校直修正后，直線度達到使用要求，螺桿回裝后振動現(xiàn)象消失。由此可以推斷出在高溫高壓及交變載荷作用下螺桿芯軸彎曲是導(dǎo)致螺桿振動的原因之一，建議用戶在使用過程中，合理控制機組產(chǎn)能、螺桿出口壓力，合理選用高低速擋，降低螺桿負荷，延長機組運行壽命。

3.3螺桿松動

機組檢修時，螺桿裝置中螺桿頭和鎖緊螺母松動，計量輸送段螺桿元件之間出現(xiàn)縫隙，螺桿元件端面之間有微動磨損凹坑（此種現(xiàn)象出現(xiàn)較少）。經(jīng)分析，可能引起螺桿松動原因主要有兩點：①螺桿預(yù)緊時沒有嚴格按照預(yù)緊要求實施，冷態(tài)下預(yù)緊力沒有達到規(guī)定值；②芯軸與螺桿元件材質(zhì)在熱態(tài)下的熱膨脹量相差較大，未能對螺桿組件進行熱態(tài)下緊固。

3.4斷裂

螺桿組件的斷裂是最嚴重的失效形式，直接造成大型混煉擠壓造粒設(shè)備停車，因螺桿制作周期較長，用戶若無螺桿備件，設(shè)備停機時間較長，造成的損失不可估量。考慮到螺桿組件的重要性，設(shè)計時螺桿組件的安全系數(shù)一般都較高，截止目前，螺桿組件出現(xiàn)斷裂的案例較少。

4 結(jié)束語

以上內(nèi)容對螺桿組件的特點及運行中常見問題進行了闡述，可以看出，諸如磨損、振動和斷裂等故障，多數(shù)情況下是由于機組負荷過高或者操作參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致（此處不考慮材質(zhì)及加工過程），在實際運行中建議嚴格按照設(shè)備規(guī)格書合理控制操作參數(shù)（例如：嚴格遵守螺桿組合適應(yīng)物料熔指范圍、合理選擇高低速檔等），以確保機組安全、穩(wěn)定、長周期運行。

［1］耿孝正.雙螺桿擠出機及其應(yīng)用.中國輕工業(yè)出版社，2003.

［2］大型同向雙螺桿混煉擠壓造粒機組說明書第一冊，大橡塑.

（R-03）

Simply analysis of screw assembly of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit

Shi Yuanyuan, Zhang Xinchao, Jia Chaoyang
(Dalian Rubber & Plastics Machinery Co. Ltd., Dalian 116039, Liaoning, China)

Screw assembly is the key part of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit, its stability is essential for operation of the entire device. This paper describes characteristics of screw assembly in large co-rotating twin screw mixing extrusion unit, and easy-to-occur faults and problems in the actual operation. The paper also gives a brief analysis of the problem, to provide a reference for operation and operating parameters determining of large co-rotating twin screw mixing extrusion unit.

large co-rotating twin screw mixing extrusion unit; co-rotating twin screw; screw assembly

TQ320.663

1009-797X（2016）10-0020-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.006

史媛媛（1988-），女，本科，畢業(yè)于北京化工大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，主要從事擠出機研發(fā)與設(shè)計工作。

2016-03-25