PVC管材擠出溫度的控制與優(yōu)化

作者:   發(fā)布時間:2017/5/20 9:24:12   瀏覽次數(shù):3902

根據(jù)各個加熱段具體職能，用錐形雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行PVC-U擠出生產(chǎn)，其整個過程大致可分為加溫、恒溫、保溫等三個區(qū)域。加溫與恒溫主要在擠出機(jī)內(nèi)，以排氣孔為界，劃分為兩個相對獨立又相互關(guān)聯(lián)的部分，保溫區(qū)過程由合流芯、擠出模體及擠出口模等部分構(gòu)成。在這里大家首先應(yīng)清楚PVC-U擠出過程中有兩種熱源，一種是電加熱器提供的外熱，一種是由雙螺桿對PVC-U物料進(jìn)行剪切、壓延和摩擦作用，以及PVC-U自身分之間的摩擦作用所產(chǎn)生的內(nèi)熱。兩種熱源在擠出的不同階段發(fā)揮著不同的作用。溫控裝置控制的僅是外熱。沒有內(nèi)熱存在的擠出機(jī)頭、口模部分的溫度一般都容易控制(部分參數(shù)設(shè)計超常規(guī)的擠出模具，也會產(chǎn)生內(nèi)熱);有內(nèi)熱存在，剪切作用較強(qiáng)，但尚未超越物料塑化需求的壓縮段和主要為排氣服務(wù)的熔融段，相對亦比較穩(wěn)定，也較易控制。剪切相對比較薄弱，主要依賴外加熱，但外加熱難以滿足物料塑化需求的給料段(外加熱功率配置較低的擠出機(jī)尤為突出);剪切熱已超越物料塑化需求的計量段往往也不受溫控裝置的控制。因此在整個擠出過程的溫度控制中，給料段、計量段是溫度控制的重點和難點。擠出控制主體是物料溫度，而不是螺筒和模具的溫度。設(shè)定溫度僅是手段，而顯示溫度在不同工況條件下，和物料溫度又有不同的對應(yīng)(給料段物料溫度低于顯示溫度，計量段物料溫度高于顯示溫度)關(guān)系，加上熱電偶安裝位置的關(guān)系，顯示溫度僅能部分反映物料溫度，只是設(shè)定溫度的依據(jù)和基準(zhǔn)。下面具體說下各段的溫度設(shè)置機(jī)理與重點。

1. 給料段溫度：給料段是電加熱器傳遞熱給螺筒、顯示的溫度是該段螺筒的溫度，并非是物料溫度。物料溫度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于顯示溫度。當(dāng)物料通過給料螺桿剛進(jìn)入擠出機(jī)時，溫度僅有30℃—40℃左右，而螺桿產(chǎn)生的剪切熱帶來的物料溫升距塑化(玻璃化)溫度亦有很大的差距，同時物料經(jīng)由壓縮段，將通過排氣孔，需要物料在加溫區(qū)域完成由玻璃態(tài)向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，要求基本呈“橘皮狀”，沒有粉狀物質(zhì)存在，并緊緊包覆于螺槽表面，方不至被真空從排氣孔抽出或堵塞排氣孔，因此給料段的職能是重在外加熱，設(shè)定溫度應(yīng)盡量高一些，以便電加熱圈給物料提供足夠的外熱。此時電加熱器啟閉比較頻繁，甚至不停頓工作。由于物料進(jìn)入給料段，距離從口模擠出還有一段時間，加上為預(yù)防物料在加料口“架橋”或在機(jī)內(nèi)“粘壁”，設(shè)定溫度也不宜過高，應(yīng)以顯示溫度185℃以上為宜。雖然給料段設(shè)定溫度低一些，比如溫度設(shè)定為170℃左右甚至更低，也能生產(chǎn)出內(nèi)在質(zhì)量達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品。但由于供給的外熱比較少，過多依賴剪切熱來提升熔體溫度，對螺筒的磨損加大，會影響擠出機(jī)螺桿螺筒的使用壽命，是得不償失的。通過我們長期在擠出設(shè)備維護(hù)中觀察發(fā)現(xiàn)，僅經(jīng)過一兩年(有的甚至不到一年)使用，螺筒就發(fā)會生嚴(yán)重磨損，磨損大多都集中在壓縮比比較大的雙頭螺綾過后的第一道單頭螺綾或第二道單頭螺綾部位以及計量段等較寬的工作區(qū)域，最大磨損量達(dá)2 mm～3mm，這時候擠出生產(chǎn)會出現(xiàn)黃線(因物料回流，在高溫狀態(tài)下停留時間過長造成)，如對間隙進(jìn)行調(diào)整，又會因螺桿與螺筒局部尖點摩擦，制品出現(xiàn)黑線和設(shè)備發(fā)出異常響聲，無法正常工作，只得更換螺筒與螺桿。這種現(xiàn)象的發(fā)生，分析起來盡管和制造廠家采用的鋼材和熱處理方法不當(dāng)有密切的關(guān)系，但其重要要的一點原因也是因擠出溫度設(shè)定過低，致使這些部位的剪切作用比較強(qiáng)而加劇磨損所致。給料段采用較高設(shè)定溫度不僅有利于物料熔化，而且可以充分利用外熱來減少剪切作用對擠出機(jī)的磨損。大量實踐證明，在給料、擠出速度和計量段設(shè)定溫度不變前提下，適當(dāng)提高給料段的設(shè)定溫度，可有效降低計量段顯示溫度與設(shè)定溫度之間的溫差，充分說明給料段溫度在一定程度上發(fā)揮著調(diào)整剪切熱的作用。

2. 壓縮段溫度：物料進(jìn)入剪切作用較大的壓縮段，在螺桿剪切力作用下，升溫較快。設(shè)定溫度高一些，有助于降低物料粘度，加快流動性，同給料段一樣，可以減少剪切熱的危害。

 3. 熔融段溫度：熔融段的物料基本熔化，因螺槽容積的變化，(一般壓縮比小于1 )，熔壓驟然降低，可以發(fā)揮充分恒溫和排氣的職能。設(shè)定溫度和壓縮段保持一致或略高，有助于防止熔體降溫，因熔體壓力的降低會使熔體溫度也呈下降的趨勢。

4 .計量段溫度：計量段顯示的溫度不是物料溫度。僅是物料在剪切熱作用下傳遞給螺筒的溫度，物料溫度往往高于顯示溫度。設(shè)定溫度的目的不是為了提供外熱，而主要是為了及時停止外加熱，并利用螺筒冷卻裝置和螺桿油溫度的適當(dāng)調(diào)節(jié)來轉(zhuǎn)移多余的熱量，防止物料分解。有的磨損嚴(yán)重的螺筒這段的冷卻裝置，在設(shè)備開機(jī)不久就會處于長期工作狀態(tài)才能勉強(qiáng)保持溫度不上升。因此設(shè)定溫度不宜過高，以顯示溫度≤l 85℃為宜。當(dāng)擠出量過小，顯示溫度過低時，又可視情況適時提高螺筒、螺桿設(shè)定溫度或給料速度以增加剪切。

 5 .合流芯及擠出模體溫度：熔體進(jìn)入合流芯，已完全呈熔體狀態(tài)，并開始由變速變壓的螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閯蛩僦本€運(yùn)動，并通過口模建立熔體壓力，使溫度、粘度和流動速度更趨均勻，為制品成型做最后的準(zhǔn)備。由于改變運(yùn)動方向，建立熔體壓力需犧牲一定的能量為代價，同時該區(qū)域由剪切作用產(chǎn)生的內(nèi)熱已不復(fù)存在。因此溫度設(shè)定宜高一些，以減緩物料的熱損失。從本人查閱的大量行業(yè)文獻(xiàn)來看，行業(yè)中對合流芯溫度設(shè)定的意見分歧較大，有的人主張將合流芯溫度設(shè)定在1 65℃～175℃之間，認(rèn)為提高合流芯設(shè)定溫度，會導(dǎo)致主機(jī)功率和型坯熔壓降低，從而影響擠出制品的理化性能。經(jīng)本人結(jié)合生產(chǎn)實際分析和試驗證明，其實那是一個誤區(qū)，因為提供或輸出熱量與否并不完全由設(shè)定溫度高低來決定，主要和加熱對象的實際溫度和設(shè)定溫度的差值有關(guān)。當(dāng)設(shè)定溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物料溫度時，如給料段物料溫度那樣，提高設(shè)定溫度，可以給物料提供大量的外熱;當(dāng)設(shè)定溫度小于物料溫度時，不但沒給物料加熱，反而起著降溫的作用。前面已經(jīng)講過，經(jīng)過計量段的熔體實際溫度是高于顯示溫度的，如果顯示溫度在185℃左右，那么物料溫度也大致在190℃以上。合流芯及模體設(shè)定溫度的目的不是為了加熱，只是為了保護(hù)熔體熱量不因合流芯和模體溫度過低而被散失掉。同時熔體在機(jī)內(nèi)被擠出時，靠近螺筒附近的熔體因與螺筒內(nèi)壁摩擦，流動速度會低于熔體中心速度，發(fā)生所謂的“邊際”效應(yīng)。所以設(shè)定溫度高一些，反而可有效調(diào)節(jié)熔體截面的流動速度。當(dāng)設(shè)定溫度低于合流芯部位熔體實際溫度時，其熔體不僅得不到外熱，反而會處于完全散熱狀態(tài)，表面熔體流動速度則會減慢，與芯部熔體發(fā)生不均衡流動，則會影響口模擠出制品成型質(zhì)量。甚至在模具分流錐流通截面阻力大的部位，因物料滯留出現(xiàn)黃線。當(dāng)然提高合流芯設(shè)定溫度是針對計量段熔體溫度而言的。合流芯設(shè)定溫度過高，表面熔體流動過快，也會使截面流動速度不均衡。還有人認(rèn)為(我公司大部分操作人員也是如此認(rèn)為的)：合流芯溫度設(shè)定高一些，會導(dǎo)致合流芯“糊料”。實際上合流芯發(fā)生“糊料”，主要是合流芯內(nèi)壁光潔度過低，連接部位不平整或存在過渡抬肩，使物料發(fā)生滯留或者開機(jī)升溫后，沒有緊固連接螺栓，連接部位出現(xiàn)間隙造成的，并非設(shè)定溫度過高所致。為了防止合流芯糊料，有意降低合流芯設(shè)定溫度，無疑是不正確的，過低的合流芯溫度反而會使靠近合流芯壁的物料因降溫硬化而流動減慢，邊角地方甚至不流動，造成因受熱時間過長而分解糊料，產(chǎn)生適得其反的效果。

 6.口模溫度：口模設(shè)定溫度主要是為成型和調(diào)整流速及表面光亮度服務(wù)的，由于熔體進(jìn)入口模，在分流錐導(dǎo)向下，已由圓柱體轉(zhuǎn)化為呈產(chǎn)品需要形狀的薄壁熔體，依靠外加熱，也可以將型坯熔體溫度均勻提升到最佳塑化度區(qū)域。因此、口模溫度直接關(guān)系到產(chǎn)品的外在成型質(zhì)量，值得指出的是，當(dāng)擠出制品輕微塑化不良時，還可以通過適當(dāng)提高口模溫度來解決。但當(dāng)擠出制品出現(xiàn)嚴(yán)重塑化不良時，過度依賴提高口模溫度來解決也是不當(dāng)?shù)摹虮砻鏈囟冗^高，熔體從口模擠出，發(fā)生不均勻膨脹，同時也會因熔體壓力的降低而改變設(shè)備內(nèi)部的摩擦和剪切程度，反而加劇物料的塑化不良，這時候還是要通過螺筒各段的溫度綜合調(diào)節(jié)來解決。

7. 螺桿溫度：螺桿溫度的控制一般有兩種裝置，一種是螺桿自調(diào)溫，利用熱管對流原理，實施熱量在螺桿內(nèi)部的均衡交換，不用外加能量，但換熱效率較低。我國目前在5 5型以下的錐形雙螺桿擠出機(jī)大致都是這種配置;一種是外加熱與冷卻裝置，通過外加能量調(diào)節(jié)螺桿加熱區(qū)和恒溫區(qū)的溫度。螺桿溫度的的設(shè)定，主要依據(jù)加溫區(qū)和恒溫區(qū)的設(shè)定與顯示的溫差來確定。其主要職能是輔助給料段加溫或為計量段降溫，平衡兩者的溫差(我們公司的雙螺桿都是采用的這種裝置)。從目前實際的擠出機(jī)情況和存在的問題來看，主要是發(fā)揮后者的作用。

 8. 工藝溫度控制機(jī)理小結(jié)：擠出溫度設(shè)定之所以要求為“馬鞍型”，主要是為確保物料和熔體溫度呈“階梯型”，由低到高，始終處于平穩(wěn)上升，均衡塑化狀態(tài)，而不至于因物料在加溫區(qū)域設(shè)定溫度太低，物料至排氣孔時還未能塑化，從排氣孔冒料;在恒溫區(qū)域因設(shè)定溫度過高，導(dǎo)致物料發(fā)生降解。行業(yè)文獻(xiàn)中有人主張將設(shè)定溫度呈“階梯型”設(shè)置，顯然是一個誤區(qū)。當(dāng)顯示溫度處于受控狀態(tài)時，外熱和內(nèi)熱是可以相互調(diào)節(jié)和平衡的。在設(shè)定溫度一定條件下，當(dāng)因剪切作用大，內(nèi)熱較高時，外加熱圈會自動減少工作時間和加熱量，輔助以從外部提供風(fēng)冷(或油冷)，內(nèi)部提供油冷，進(jìn)行冷卻，以防止物料分解;當(dāng)因剪切作用小，內(nèi)熱較低時，外熱圈也會自動增加工作時間，從而自動保持所供熱量和所需熱量的平衡。提高設(shè)定溫度，在增加外供熱量的同時，因物料粘度減少，流動性增加，導(dǎo)致剪切熱減少;反過來說，如果降低設(shè)定溫度，在減少外供熱量的同時，因物料粘度增加，流動性減少，導(dǎo)致剪切熱增加。擠出機(jī)提供的能量總是和設(shè)定溫度保持協(xié)調(diào)一致。并不因擠出機(jī)剪切性能強(qiáng)弱，擠出量大小而變化。在較高的加工溫度、較低的剪切作用下，可獲得與較低加工溫度與較高的剪切作用下相同的塑化度。因此無論擠出機(jī)剪切性能強(qiáng)弱，擠出量大小，擠出工藝溫度的設(shè)定應(yīng)基本一致，不應(yīng)當(dāng)有太大的不同。這也是本人近期在參考了大量行業(yè)文獻(xiàn)和充分考慮物料塑化的同時，兼顧如何利用外加熱，減緩剪切熱，在確保擠出制品塑化質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少螺筒磨損，延長其工作壽命的新思路。