王思博，汪洋，劉益弘，游宇，宋宇宸

（中國(guó)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(lèi)成型制品和電線電纜等的關(guān)鍵原材料。在包裝、農(nóng)業(yè)、電子、汽車(chē)、電氣、機(jī)械、日用品等方面有著廣泛的應(yīng)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(yīng)制造得到聚乙烯和聚丙烯粉料，到將其包裝運(yùn)輸?shù)郊庸S，需要用擠壓造粒機(jī)對(duì)粉料聚合物進(jìn)行混煉、擠壓、造粒等過(guò)程，將具有粉塵易爆性的粉料聚烯烴制成便于包裝、計(jì)量和運(yùn)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(jī)廠家設(shè)計(jì)出了多種擠壓造粒機(jī)型式以滿足不同的客戶需求。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)實(shí)例，總結(jié)擠壓造粒機(jī)的設(shè)計(jì)選型經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)項(xiàng)目設(shè)備選型提供參考。

1 擠壓造粒機(jī)介紹

1.1 擠壓造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)

擠壓造粒機(jī)主要由主驅(qū)動(dòng)、加工段和排料段組成，其中主驅(qū)動(dòng)端包括主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱聯(lián)軸減速系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)等[5]，其作用是為加工段的螺桿旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力；加工段包括機(jī)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(dá)到工藝的要求；排料段包括：熔融齒輪泵（可選）、過(guò)濾網(wǎng)更換器和水下造粒機(jī)等，是將物料從模板中擠出，并切割造粒的工段。通過(guò)三個(gè)階段的互相配合，保證其能夠穩(wěn)定地加工出符合市場(chǎng)需求的粒料產(chǎn)品。如圖1 所示。

1.2 擠壓造粒機(jī)的分類(lèi)

擠壓造粒機(jī)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(jī)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(dá)到45 t/h，因此單螺桿擠壓造粒機(jī)已不能滿足需求[7]，目前市場(chǎng)上主要應(yīng)用的擠壓造粒機(jī)一般為雙螺桿型式。雙螺桿擠壓造粒機(jī)，按照布置和結(jié)構(gòu)分為L(zhǎng) 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(dòng)方向劃分，有同向旋轉(zhuǎn)、異向旋轉(zhuǎn)兩種方式[9]。因?yàn)楫愊蛐D(zhuǎn)、嚙合型的雙螺桿擠壓機(jī)存在與螺桿相關(guān)的機(jī)械問(wèn)題，限制了螺桿的最大直徑只能達(dá)到170 mm。所以根據(jù)行業(yè)的研究成果和選型經(jīng)驗(yàn)，目前雙螺桿擠壓機(jī)主要有直線型單端支撐同向嚙合雙螺桿擠壓造粒機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)直線型擠壓機(jī)）和L 型雙端支撐異向非嚙合雙轉(zhuǎn)子擠壓造粒機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)L 型擠壓機(jī)）兩大類(lèi)[10]。

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

2 設(shè)備比選分析

2.1 L型擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

現(xiàn)有的L 型擠壓造粒機(jī)為兩根轉(zhuǎn)子反內(nèi)向旋轉(zhuǎn)[11]，兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間不完全嚙合，工作腔自由容積相對(duì)較大，轉(zhuǎn)子兩端均有軸承支撐，與機(jī)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(guò)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(jì)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(gòu)使物料在單位長(zhǎng)度的停留時(shí)間較長(zhǎng)，因而完成混煉所需轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)徑比（L/D）通常較小，一般為7 ～ 12。由于轉(zhuǎn)子的擠出段沒(méi)有加壓能力，且L 型的布置因?yàn)槲锪蠌臋C(jī)筒到排料段需要轉(zhuǎn)90°彎，所以無(wú)法通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)建立壓力，因此，物料建立熔體過(guò)濾和造粒所需的壓力時(shí)須配置熔融齒輪泵，幫助其對(duì)物料加壓。如圖2 所示。

圖2 L 型擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of L type extruder

2.1.1 設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

L 型擠壓機(jī)因雙端支撐，轉(zhuǎn)子與機(jī)筒不接觸，造價(jià)低，容易開(kāi)車(chē)[12]；兩根轉(zhuǎn)子間不完全嚙合，軸向力較小，因此推力軸承設(shè)計(jì)難度不高，齒輪箱的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，檢維修容易，造價(jià)較低。長(zhǎng)徑比較短，配合齒輪泵，實(shí)現(xiàn)模頭處高壓且低溫?cái)D出，改善混煉質(zhì)量，提高擠出段產(chǎn)品質(zhì)量，能適應(yīng)較寬范圍熔融指數(shù)物料的加工。

2.1.2 L 型擠壓機(jī)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?yàn)殡p轉(zhuǎn)子造粒機(jī)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(wú)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(jī)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(shí)間分布過(guò)寬。

2.2 直線型擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

直線型的擠壓造粒機(jī)可以滿足更多的市場(chǎng)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(jī)型尺寸。直線型擠壓造粒機(jī)全部為同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿完全嚙合。經(jīng)過(guò)了幾代產(chǎn)品升級(jí)，螺桿外徑與根徑之比（簡(jiǎn)稱(chēng)嚙合比）從1.22，經(jīng)過(guò)1.44，1.55 逐代升級(jí)為1.8，扭矩160 N·m，達(dá)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(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of linear extruder

該型設(shè)備兩根螺桿同向旋轉(zhuǎn)，完全嚙合，螺桿僅在驅(qū)動(dòng)端有支撐，另外一端浮動(dòng)[13]，螺桿的轉(zhuǎn)速較低；混煉過(guò)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(shí)間較短，因此完成混煉所需的螺桿長(zhǎng)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(jī)的螺桿自潔性能較好，且正向輸送能力較強(qiáng)，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(jī)相比較短，減少了占地面積，且產(chǎn)量高。

直線型擠壓機(jī)設(shè)計(jì)原理一般基于模塊化[14]，機(jī)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(jìn)行任意組合，因此對(duì)多種物料有廣泛的適應(yīng)性。螺紋組件的形狀使物料在整個(gè)加工過(guò)程中有較好的自潔性，其保證了物料在擠出機(jī)內(nèi)滯留時(shí)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(jī)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(jī)要比異向旋轉(zhuǎn)的非嚙合雙轉(zhuǎn)子擠壓機(jī)生產(chǎn)能力更高。

2.2.1 直線型擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

直線型布置，占地面積小，輔助設(shè)施少，操作維護(hù)工作量小。正向輸送能力強(qiáng)，容易建壓，可不用齒輪泵，傳動(dòng)損失較小。物料停留時(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)的不足

直線型因?yàn)橹挥袉味酥危枰紤]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(guò)大，因此價(jià)格上會(huì)比L 型高。初次開(kāi)車(chē)時(shí)要良好充填，且螺桿與機(jī)筒在開(kāi)車(chē)時(shí)有接觸、磨損[5]。

2.3 兩種類(lèi)型的擠壓造粒機(jī)組選型分析

擠壓造粒機(jī)組選型分析需綜合考慮所生產(chǎn)的物料種類(lèi)、所要求的年產(chǎn)量、整機(jī)費(fèi)用和不同的混煉方式等因素，對(duì)于聚烯烴生產(chǎn)的選擇，雖然兩種機(jī)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(jī)多用于聚乙烯（PE）產(chǎn)品，直線型擠壓機(jī)多用于聚丙烯（PP）產(chǎn)品，具體分析如下：

（1）直線型擠壓機(jī)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(shí)，物料的混煉時(shí)間盡可能相同。同向旋轉(zhuǎn)、嚙合型的雙螺桿擠壓機(jī)因?yàn)槁輻U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(shí)間相差不多。此外，聚丙烯的結(jié)晶度高，結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有較好的力學(xué)性能，其硬度、強(qiáng)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(gòu)成為聚丙烯加工的優(yōu)選方案。

（2） L 型布置的擠壓造粒機(jī)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(jī)生產(chǎn)，也可以使用L 型非嚙合擠壓機(jī)生產(chǎn)。但考慮到L 型擠壓機(jī)在相同產(chǎn)能時(shí)其造價(jià)更低、容易開(kāi)車(chē)、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(shí)候[17]，多選擇用L 型異向旋轉(zhuǎn)非嚙合擠壓機(jī)。

3 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及選型分析

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

德國(guó)Coperion 公司作為國(guó)際范圍內(nèi)較早的擠壓造粒機(jī)廠家，設(shè)備產(chǎn)品主要為直線型，在大規(guī)模聚丙烯的項(xiàng)目上有很多業(yè)績(jī)。因行業(yè)內(nèi)未見(jiàn)其L 型結(jié)構(gòu)的機(jī)型設(shè)備，且在同等產(chǎn)能下直線型的擠壓機(jī)比L 型的造價(jià)高，故在低產(chǎn)能要求的聚乙烯項(xiàng)目中Coperion 相較于JSW、KSL 兩家公司優(yōu)勢(shì)不明顯[20]。

本文給出了不同類(lèi)型擠壓造粒機(jī)2010—2019 年在聚烯烴裝置上的典型應(yīng)用，如表1 所示。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

聚烯烴項(xiàng)目是當(dāng)前我國(guó)長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展所倚重的化工項(xiàng)目之一，是現(xiàn)階段塑料日用品的主要原材料生產(chǎn)項(xiàng)目。本文著重介紹了兩種擠壓造粒機(jī)結(jié)構(gòu)、在不同應(yīng)用場(chǎng)合的優(yōu)缺點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的差距?？偨Y(jié)了國(guó)內(nèi)外聚乙烯和聚丙烯項(xiàng)目的擠壓造粒設(shè)備選型原則和方法，對(duì)于后續(xù)聚烯烴項(xiàng)目的應(yīng)用和研究提供必要的參考。

隨著國(guó)內(nèi)外聚烯烴市場(chǎng)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(shè)備的需求會(huì)越來(lái)越多。要求通過(guò)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研合作加快設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，在增加產(chǎn)能的同時(shí)，不斷降低設(shè)備的成本，保證國(guó)內(nèi)制造的產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)具有核心競(jìng)爭(zhēng)力。

發(fā)展高端裝備制造產(chǎn)業(yè)是我國(guó)重點(diǎn)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(guān)鍵期，相關(guān)單位應(yīng)積極響應(yīng)“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，帶動(dòng)我國(guó)高端裝備制造業(yè)發(fā)展，打破國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)完全自主化，形成自主核心技術(shù)，開(kāi)發(fā)出新型擠壓造粒設(shè)備，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也是現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)化工作的當(dāng)務(wù)之急。