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擠出工藝與擠出機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2021-05-18 14:29:00
擠出機(jī)剪切性能高低由擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)所決定。但擠出質(zhì)量優(yōu)劣與擠出效率高低，還在于擠出工藝與擠出機(jī)剪切性能相適應(yīng)。否則低剪切擠出機(jī)采用過高擠出速度擠出，難以生產(chǎn)擠出高質(zhì)量型材制品，高剪切擠出機(jī)在過低擠出速度下運(yùn)行，難以有效發(fā)揮擠出效率。不同剪切性能擠出機(jī)都有一定的工藝控制范圍，是有限度的。業(yè)內(nèi)倡導(dǎo)的擠出工藝路線為“馬鞍型”即加熱區(qū)設(shè)定溫度要高一些，恒溫區(qū)設(shè)定溫度要低一些，保溫區(qū)設(shè)定溫度要高一些。但不同剪切性能擠出機(jī)在不同擠出速度下運(yùn)行，“馬鞍型”的“鞍”與“座”高低是完全不同的。在塑料異型材擠出時(shí)，要最大限度發(fā)揮不同剪切性能擠出機(jī)的擠出效率，建立螺桿加熱區(qū)(供料段、壓縮段)與恒溫區(qū)(熔融段、計(jì)量段)所需熱量與所供熱量的平衡是關(guān)鍵所在。依據(jù)擠出機(jī)剪切性能特點(diǎn)，不同剪切性能擠出機(jī)，擠出不同規(guī)格塑料異型材，應(yīng)分別采取不同的擠出工藝，以適應(yīng)制品質(zhì)量性能的需求。塑料異型材擠出，物料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)共計(jì)有兩種熱源，一種是由電加熱器提供的外加熱，一種是由螺桿在旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)物料壓延、摩擦、剪切產(chǎn)生的熱量。在開機(jī)生產(chǎn)時(shí)，物料的熔融主要以外加熱為主，在正常生產(chǎn)階段，物料的熔融主要以螺桿對(duì)物料壓延、摩擦、剪切產(chǎn)生的內(nèi)熱為主。具有關(guān)資料表明在型材擠出中，內(nèi)熱所占擠出機(jī)所供熱量的比例，大致在65％以上。外加熱溫度控制系統(tǒng)主要是通過電器儀表元件實(shí)施溫度設(shè)定與顯示。當(dāng)顯示溫度超過設(shè)定溫度指標(biāo)參數(shù)時(shí)，加熱圈即刻斷電，停止加溫，并由螺桿油冷裝置與螺筒風(fēng)冷裝置進(jìn)行強(qiáng)制冷卻；當(dāng)顯示溫度達(dá)不到設(shè)定溫度指標(biāo)參數(shù)時(shí)，加熱圈就一直不間斷工作。由于內(nèi)熱主要受擠出機(jī)螺桿特性、加料與擠出速度的制約，不受外加熱溫度控制系統(tǒng)的影響。當(dāng)?shù)图羟袛D出機(jī)擠出速度過高時(shí)，即使供料段與壓縮段外加熱圈工作頻率提高，間歇時(shí)間很短，其顯示溫度亦可能達(dá)不到設(shè)定溫度；即使熔融段與計(jì)量段外加熱停止工作并啟動(dòng)螺桿與螺筒冷卻裝置運(yùn)行，顯示溫度仍可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)定溫度。同時(shí)由于反映顯示溫度的測溫點(diǎn)(熱電偶)安裝在擠出機(jī)螺筒壁上，與螺筒內(nèi)物料有一定距離，儀表顯示溫度與物料實(shí)際溫度在不同工況下則有一定梯度，存在不同對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般情況下加料段與壓縮段物料即存在外加熱，又存在剪切熱，為雙向加熱，顯示溫度基本等同于物料溫度；熔融段與計(jì)量段物料顯示溫度未達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，亦為雙向加熱。當(dāng)顯示溫度超越設(shè)定溫度時(shí)，熱量開始由內(nèi)向外傳遞，可稱之為逆向傳熱，顯示溫度低于物料溫度。由此可知低剪切擠出機(jī)擠出速度較高時(shí)，螺桿熔融段、計(jì)量段物料實(shí)際溫度不僅高于設(shè)定溫度，也高于顯示溫度。因此當(dāng)顯示溫度在設(shè)定溫度區(qū)域運(yùn)行時(shí)，設(shè)定溫度參數(shù)基本等同于物料溫度，是物料塑化熔融的控制目標(biāo)與依據(jù)。當(dāng)顯示溫度偏離設(shè)定溫度區(qū)域運(yùn)行時(shí)，顯示溫度可假定為物料溫度，即取代設(shè)定溫度成為物料塑化熔融的控制目標(biāo)與依據(jù)。設(shè)定溫度只是增加或減少外供熱的調(diào)控手段。對(duì)于低剪切擠出機(jī)，由于給料段、壓縮段壓縮比較小，所提供的內(nèi)熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了玻璃態(tài)物料塑化要求，故給料段、壓縮段溫度設(shè)定應(yīng)高一些，因配方不同，大致在190～200℃左右，盡管在提高擠出速度情況下，顯示溫度依然偏低，但提高設(shè)定溫度的目的，是為了供料段、壓縮段電加熱圈，一直不間斷工作，只要顯示溫度在180～185區(qū)間，物料緊包裹于螺桿，處于微熔狀態(tài)，不出現(xiàn)排氣孔冒料現(xiàn)象，可視為正常；熔融段、計(jì)量段設(shè)定溫度應(yīng)低一些，因配方不同，大致在165～175℃左右，盡管在提高擠出速度情況下，顯示溫度依然偏高，但降低設(shè)定溫度的目的，是為了熔融段、計(jì)量段電加熱圈適時(shí)停止加熱，并啟動(dòng)螺桿油冷與螺筒風(fēng)冷對(duì)物料進(jìn)行冷卻，只要顯示溫度在180～185℃區(qū)間，擠出型坯截面未出現(xiàn)氣孔、麻點(diǎn)等癥狀，可視為擠出速度正常。反之即使給料段、壓縮段溫度設(shè)定的再高，加熱圈不間斷工作，排氣孔物料疏松，呈豆腐渣狀，未包裹住螺桿，從螺筒排氣孔出現(xiàn)冒料現(xiàn)象；熔融段、計(jì)量段設(shè)定溫度再低，電加熱圈已停止工作，螺桿油冷與螺筒風(fēng)冷一直對(duì)物料進(jìn)行冷卻，擠出型坯已出現(xiàn)氣孔、麻點(diǎn)等癥狀，可視為擠出速度已到極限，應(yīng)及時(shí)降低擠出速度或加料與擠出速度。排氣孔冒料是低剪切擠出機(jī)塑化不良的表征。但并非排氣孔冒料都是低剪切擠出機(jī)所造成的。導(dǎo)致排氣孔冒料主要有以下原因：加料速度過快，所增加的剪切熱不足于平衡所增加的給料量需要的熱量，導(dǎo)致的塑料塑化不良；擠出速度過快，所增加的剪切熱不足于平衡物料在給料段與壓縮段停留時(shí)間減少而損失的熱量，導(dǎo)致的塑料塑化不良；配方采用CPE抗沖改性劑時(shí)，加工助劑添加量偏少，物料摩擦性能差，到排氣孔時(shí)塑化不良；配方中潤滑劑過量，物料在擠出機(jī)內(nèi)移動(dòng)擠出速度過快，到排氣孔時(shí)塑化不良；擠出機(jī)螺桿與螺筒軸向間隙過大，漏流嚴(yán)重或螺桿給料段、壓縮段溫度過高，導(dǎo)致物料“過塑化”，已轉(zhuǎn)化為熔體的物料經(jīng)歷了壓縮段第一次壓力高峰后，到排氣孔時(shí)應(yīng)力釋放，體積膨脹，粘附在螺棱端面，隨螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)被排氣段螺筒刮落在排氣孔管壁上，積累到一定程度從排氣孔溢出。前兩種排氣孔冒料均和擠出機(jī)剪切性能差有關(guān)，第三種與第四種排氣孔冒料主要與配方有關(guān)，第五種排氣孔冒料主要與擠出機(jī)磨損及剪切性能高有關(guān)。在判斷排氣孔冒料原因時(shí)，應(yīng)綜合考慮，不可盲目而定。如屬于試驗(yàn)配方發(fā)生的排氣孔冒料應(yīng)調(diào)整配方；如屬于擠出機(jī)磨損，應(yīng)調(diào)整擠出機(jī)螺桿與螺筒間隙；如發(fā)現(xiàn)物料在排氣孔“過塑化”應(yīng)調(diào)整加料擠出速度比；前三種排氣孔冒一般表現(xiàn)為扭距升高，后兩種排氣孔冒一般表現(xiàn)為扭矩降低。對(duì)于高剪切擠出機(jī)，由于給料段、壓縮段壓縮比較高，所提供的內(nèi)熱已能滿足玻璃態(tài)物料熔融的需要，故一般情況下，給料段、壓縮段設(shè)定溫度比低剪切擠出機(jī)設(shè)定溫度要低一些。依據(jù)物料在螺筒排氣孔的具體形態(tài)而定。不但要注意排氣孔是否冒料，而且要注意排氣孔物料是否“過塑化”；同樣道理，由于熔融段、計(jì)量段壓縮比較低，剪切熱少，故一般情況下熔融段、計(jì)量段設(shè)定溫度比低剪切擠出機(jī)設(shè)定溫度要高一些。亦按型料，而且要注意排氣孔物料是否“過塑化”；同樣道理，由于熔融段、計(jì)量段壓縮比較低，剪切熱少，故一般情況下熔融段、計(jì)量段設(shè)定溫度比低剪切擠出機(jī)設(shè)定溫度要高一些。亦按型坯在口模出口的形態(tài)而定。不但要注意型坯截面是否出現(xiàn)氣孔，還要注意型坯是否“欠塑塑化”。高剪切擠出機(jī)比低剪切擠出機(jī)設(shè)定溫度曲線相對(duì)比較平緩。高剪切擠出機(jī)擠出最常見的問題不是排氣孔冒料，而是由給料段與壓縮段剪切熱過高，導(dǎo)致物料在排氣孔出現(xiàn)掛料“粘壁”癥狀。開機(jī)一段時(shí)間，型坯出現(xiàn)黃線，難以正常生產(chǎn)。因此應(yīng)盡降低該兩段設(shè)定溫度，減少外供熱量或調(diào)整配方，適量增加潤滑劑或減少加工助劑。如果效果不顯著或配方潤滑劑與加工助劑的變化導(dǎo)致型材質(zhì)量變化，以及同時(shí)采用不同剪切性能擠出機(jī)生產(chǎn)，同一的混料、儲(chǔ)料、輸料系統(tǒng)，不可能為高剪切擠出機(jī)單另配料，只有降低擠出速度，在較低擠出效率區(qū)間運(yùn)行。由此也可以提醒企業(yè)在增加或更新擠出機(jī)時(shí)，最好購置擠出機(jī)螺桿結(jié)構(gòu)與性能一致或相近的機(jī)型。在擠出過程中，物料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)的過程，除搞好物料塑化所需熱量與所供熱量的平衡，使物料完成理想的塑化外，熔壓也是一個(gè)十分重要的控制指標(biāo)。由于物料在擠出過程中受口模阻力、螺桿各段壓縮比的影響，本身不是以常壓存在的。不同口模，螺桿各段壓縮比基本是恒定的，不可變的。螺桿各段壓縮比也只是對(duì)各段螺桿物料壓力進(jìn)行分配與調(diào)整，不可能增加或減少熔體在擠出過程中的總壓力。總壓力調(diào)整主要依靠擠出速度、給料與W擠出速度比等工藝方法進(jìn)行。調(diào)整擠出速度、給料與擠出速度比不僅是調(diào)整擠出溫度的重要措施，也是調(diào)整調(diào)整熔體壓力與擠出效率的主要措施。在擠出速度不變前提下，提高或降低給料速度，給料段螺桿物料容積發(fā)生變化，排氣段物料容積保持不變，故給料段、壓縮段隨壓縮比變化，其熔壓隨之提高或降低；在給料速度不變前提下，提高或降低擠出速度，給料段螺桿物料容積亦發(fā)生變化。排氣段物料容積依然不變，故給料段、壓縮段隨壓縮比變化，其熔壓隨之提高或降低；給料速度隨擠出速度同步提高或降低，由于給料段螺桿物料容積不變，僅是因速度增加或減少，導(dǎo)致的熔壓變化。由此可知：前兩種情況，隨熔體容積變化，熔體壓力同步變化，變化較大；后一種情況因熔體容積不變，熔體壓力變化較小。因此低剪切擠出機(jī)或高剪切擠出機(jī)在溫度調(diào)整時(shí)，都要注意物料熔壓變化情況，擠出型坯應(yīng)在保證既不“欠塑化”又不“過塑化”前提下，盡量提高熔壓，從而確保型材具有較好光潔度、密實(shí)度、尺寸變化率與沖擊性能。不論高剪切擠出機(jī)還是低剪切擠出機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間，螺桿與螺筒軸向間隙磨損增加后，出現(xiàn)漏流現(xiàn)象，當(dāng)仍在允許范圍內(nèi)，都存在一個(gè)工藝與配方調(diào)整問題。一般在不影響制品物化性能與外觀質(zhì)量的前提下，可以通過適當(dāng)降低擠出速度、設(shè)定溫度或適當(dāng)減少潤滑劑，增加填料，以減少熔體流動(dòng)性的方法進(jìn)行處理。當(dāng)然停機(jī)調(diào)整螺桿與螺筒軸向間隙，進(jìn)行拋光處理，保持物料原有流變狀態(tài)，無疑是最有效的解決措施。關(guān)于機(jī)頭與過渡段、口模溫度控制情況，由于低剪切擠出機(jī)與高剪切擠出機(jī)剪切性能的差別主要在螺桿結(jié)構(gòu)，與機(jī)頭、過渡段、口模等關(guān)系不大。同時(shí)機(jī)頭、過渡段、口模設(shè)定溫度僅僅是為熔體物料改變流動(dòng)方向、調(diào)整物料截面物料流速和提高制品外觀光潔度服務(wù)的。故兩種不同剪切性能擠出機(jī)在溫度控制上，沒有大的區(qū)別。主要依據(jù)出口型坯的形態(tài)與外觀色澤進(jìn)行調(diào)整。具體調(diào)整情況見筆者《UPVC型材擠出過程與物料的動(dòng)態(tài)熱平衡》 應(yīng)該指出：采用高剪切或低剪切擠出機(jī)時(shí)應(yīng)與擠出型材規(guī)格相配套。高剪切擠出機(jī)剪切產(chǎn)生熱量多、擠出量大，如果擠出型材規(guī)格過小，受口模與定型模線速度的制約，牽引速度又不能過高，使擠出效率得不到有效發(fā)揮，也不能有效利用擠出機(jī)自身機(jī)械能所轉(zhuǎn)化的熱能，達(dá)到節(jié)能的目的；低剪切擠出機(jī)剪切產(chǎn)生熱量少，擠出量小，如果擠出型材規(guī)格過大，擠出速度提高時(shí)，制品質(zhì)量難以保證。因此在擠出機(jī)配置模具時(shí)，高剪切擠出機(jī)應(yīng)配置大規(guī)格型材模具，低剪切擠出機(jī)應(yīng)配置小規(guī)格型材模具。以確保在相近的工藝條件下，擠出所供熱量與所需熱量的平衡。不論采用高剪切或低剪切擠出機(jī)擠出生產(chǎn)型材，經(jīng)檢驗(yàn)制品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求，工藝參數(shù)確定下來，一定要嚴(yán)格執(zhí)行，一般不要輕易改變。在試驗(yàn)新配方時(shí)，盡量以原工藝參數(shù)為參考體系，根據(jù)物料流變情況，特別是熔壓與制品成型尺寸變化、光潔度等外觀質(zhì)量，適當(dāng)調(diào)整工藝溫度或配方中加工助劑、潤滑劑添加量。擠出機(jī)的剪切性能是由螺桿錐度、螺紋頭數(shù)、螺距、螺棱寬度、螺槽深度、螺旋角等因素所決定的。其中螺桿錐度、螺距、螺棱寬度、螺槽深度主要通過螺槽物料容積改變，來增加或減少螺紋剪切面積與剪切熱的；螺旋角改變是通過增加或減少物料行程的方法來增大或減少剪切熱的。螺紋頭數(shù)增加，例如供料段、壓縮段由單頭變?yōu)殡p頭主要是將加熱區(qū)螺桿物料流動(dòng)由串連流動(dòng)改為并聯(lián)流動(dòng)，流動(dòng)速度加快，然后通過排氣段單頭螺紋堵截，提高其壓縮比和剪切熱的。實(shí)踐證明，增加螺桿前兩段螺紋頭數(shù)雖然導(dǎo)致物料行程減少，但增加的剪切熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物料行程減少所損失的熱量，是提高擠出機(jī)剪切性能最有效的措施；擠出機(jī)剪切熱是根據(jù)擠出物料特性、形態(tài)及塑化所需熱量進(jìn)行配置的。由于給料段、壓縮段物料基本呈玻璃態(tài)，并要求至排氣段處于“微熔狀”并緊緊包裹螺桿，不被螺筒剝離，所需熱量較多；故該加熱區(qū)壓縮比較大；由于熔融段、計(jì)量段物料基本處于粘流態(tài)，只是局部不甚均勻，需要進(jìn)一步恒溫，所需熱量較少，故恒溫區(qū)壓縮比較小。擠出工藝要依據(jù)不同規(guī)格型材擠出對(duì)熱量的需求進(jìn)行控制，以確保擠出機(jī)所供熱量與不同規(guī)格型材物料體積所需熱量的平衡。對(duì)于低剪切擠出機(jī)，供料段與壓縮段設(shè)定溫度要保證外加熱不間斷工作，對(duì)擠出機(jī)剪切熱依然不足進(jìn)行補(bǔ)充。熔融段與計(jì)量段設(shè)定溫度要保證外加熱適時(shí)停止工作，顯示溫度仍處于設(shè)定溫度的控制區(qū)間。否則應(yīng)降低擠出速度。對(duì)于高剪切擠出機(jī)除后兩段工藝控制基本相同外，最大不同點(diǎn)是前兩段剪切熱量即有可能不足，也可能過剩，應(yīng)依據(jù)顯示溫度偏離設(shè)定溫度的方向與幅度進(jìn)行調(diào)整，如顯示溫度低于設(shè)定溫度，應(yīng)提高設(shè)定溫度，保持外加熱圈處于不間斷加熱狀態(tài)，如顯示溫度高于設(shè)定溫度，應(yīng)降低設(shè)定溫度，使外加熱熱圈適時(shí)停止工作并啟動(dòng)螺桿與螺筒冷卻裝置實(shí)施強(qiáng)制冷卻。熔體壓力是保證型材密實(shí)度、尺寸變化率、沖擊強(qiáng)度等性能的主要指標(biāo)，調(diào)整擠出溫度與速度時(shí)，應(yīng)在保證型材外觀成型質(zhì)量前提下，盡量保持比較高的熔壓。擠出機(jī)剪切性能強(qiáng)弱應(yīng)依據(jù)型材規(guī)格大小進(jìn)行配置，以充分發(fā)揮擠出機(jī)擠出效率。不同剪切性能擠出機(jī)有不同工藝參數(shù)。經(jīng)檢驗(yàn)證明能保證型材質(zhì)量的工藝參數(shù)不要輕易改變，以免造成型材質(zhì)量波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)配方應(yīng)以原工藝參數(shù)，特別是扭距為參照體系，以擠出機(jī)排氣孔是否冒料與口模擠出型坯形態(tài)為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。擠出機(jī)螺桿與螺筒徑向間隙發(fā)生變化，在不影響型材質(zhì)量的前提下，可通過調(diào)整擠出溫度、速度與配方，減少熔體流動(dòng)性，適當(dāng)控制物料漏流。

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