降低平双挤出机运行成本的最佳选择——功能化配置核心部件

来源:荣格国际塑料商情

发布时间:2019年5月14日上午 11:05:46

过往上海原元康机械设备有限公司(简称“原元康”) 陆续发表了一些针对挤出机核心部件磨损特征分析的文章,例如“挤出机的机筒螺杆在工作状态下的磨损 特点”,例如“‘对症下药’是降低挤出机运行成本的关键”等, 也接到了不少用户的赞同来电和建议。

过往上海原元康机械设备有限公司(简称“原元康”) 陆续发表了一些针对挤出机核心部件磨损特征分析的文章,例如“挤出机的机筒螺杆在工作状态下的磨损 特点”,例如“‘对症下药’是降低挤出机运行成本的关键”等, 也接到了不少用户的赞同来电和建议。原元康在文章中强调的一个基本观点,是“我们要降低挤出机的运行成本,关键在要 准确分析物料的运行中,哪一类磨损是其主要磨损特征”,即挤出机所处的主要工况条件是什么?这个工况可能是以摩擦磨 损为主,例如螺杆剪切物料的剪切摩擦磨损、物料与机筒内壁之间因挤压位移而产生的摩擦磨损等;也或许是腐蚀磨损为主, 例如挤出机运行氯化聚氯乙烯(CPVC)、氯化聚乙烯(CPE)、 聚化四氟乙烯(PTFE)、聚化炳烯酸(PAA)等材料,或者添加有无卤阻燃高分子材料的生产等,这些高分子材料在挤出机 的机筒内受热后分解产生的腐蚀气体,极大地威胁到了机筒螺 杆的使用寿命。

针对不同的挤出机工况条件,我们应该选择与该工况条件相适应、能够抵抗这些不同的或者是摩擦磨损为主,或者是腐蚀磨损为主的恰当的金属材料,用来制造挤出机核心部件的机筒螺杆,这样才会收到相得益彰、事半功倍的效果。

以上的基本观点都是从宏观意义上针对整台挤出机运行不同高分子材料而存在不同工况条件的分析而言,由于配混改性的平行双螺杆挤出机的机筒和螺杆通常采用模块化组合的方式制造,因此在同一台挤出机上,即使运行的是同一种高分子材料, 宏观上承受的是同一种工况条件,我们能不能进一步从“微观” 上加以区别,细分到不同机筒组合段,不同螺杆组合段,针对各“工艺区段”承受的不同的“细分工况条件”,来配置不同 材料制造的组合机筒内衬套及螺杆模块,以此来设法降低挤出 机的整体运行成本呢?答案显然是肯定的。

针对不同的改性物料生产用户,原元康根据上述的设想提 出了不同的建议,在实践中取得了非常积极而明显的成果。

原元康公司一个海外用户生产 60% 以上玻璃纤维增强尼龙 PA6,有多台德国某品牌出产的平行双螺杆挤出机。其中长径 比 40 的通常有一个侧喂料口用以喂入玻璃纤维,长径比 44 的 有二个侧喂料口,分别喂入玻璃纤维和特定的矿物质材料。挤 出机的螺杆最高转速 1250rpm,机筒和螺杆的磨损非常严重。

与许多常规用户类似,该公司历史上均采用原元康公司提 供的高铬铸铁 Ω101A 椭圆内衬套和高速钢螺纹元件,而这些 部件在挤出机的一些特定工艺区段内使用寿命非常有限。在得 知原元康公司研发了高钒铸铁 Ω102A 椭圆内衬套后,用户于 2017 年抱着试试看的心情,根据原元康公司建议的采用不同制 造材料的椭圆内衬套和螺纹元件采取功能化配置挤出机的方案, 下单了二台挤出机的核心部件,使用效果相当明显。挤出机的 机筒螺杆免维护的使用寿命平均提高了近二倍,挤出机单位产 量的生产综合成本降低了 18% 左右。

图1 原元康公司建议下的该用户长径比40的高速挤出机核心部件配置排序

原元康公司建议下的该用户长径比 40 的高速挤出机核心部 件配置排序如图 1 所示:

我们知道,高分子材料在改性配混中,常常需要加入玻璃 纤维、碳纤维、硼纤维、聚氨酯纤维等各类增强剂,以及碳酸 钙、滑石粉、云母粉、硅灰石等各类矿物质填充料。除这些增 强改性和填充改性以外,常规的改性配混还需要加入各类助剂,例如增塑剂、增韧剂、稳定剂、阻燃剂、着色剂和发泡剂等, 其中不少的助剂在挤出机的高温环境下会挥发出酸性的腐蚀气 体。由于这个原因,组合机筒的椭圆内衬套制造材料中,类似 于 Ω101A 的高铬铸铁类椭圆内衬套的使用频率就非常高,原 因是该材料金相组织中高比例的碳化物硬质相使得高铬铸铁具 有较高的耐磨损特性,同时材料中占比达到 25% 左右的铬元素, 又可以帮助高铬铸铁兼具优异的耐腐蚀特性,来应对上述提到 的各类改性助剂在运行中的腐蚀气体威胁。

我们分析上述排序图中,主料加入后的三个区段以及玻璃 纤维喂入后的二个区段,主料和玻璃纤维的固相剪切相当严重, 摩擦磨损工况格外严峻,如果在这些工艺区段配置普通高铬铸铁 Ω101A 椭圆内衬套和高速钢螺纹元件就显得勉为其难,而采用 更胜任对抗摩擦磨损的高钒铸铁 Ω102A 椭圆内衬套,以及高钒 粉末钢 WR5 螺纹元件就能够立竿见影,提高部件使用寿命。

高钒铸铁 Ω102A 的材料特性与德国 W&P 公司专用于平双 挤出机对抗玻璃纤维增强的代号为 99.3 的合金相平行,材料在 铸态下为共晶碳化物 M7C3+ 奥氏体;在硬化态下为共晶碳化物 M7C3+ 二次碳化物 + 细针状回火马氏体 + 残余奥氏体(文中 M 代表 Fe、Cr 等金属原子,C 代表碳原子)。材料极限抗拉强度 (Intensity of Tension)(бb)≥350MPa,断裂应变(Breaking Strain)(εfB)0.30%。由于价格相当昂贵的钒在材料中占 据了一个高的比例,使得材料 Ω102A 经过特定热处理硬化手 段后具有超硬及超高的耐磨损特性。上海材料研究所在相同负 荷,相同“摩擦副”,相同线速度及相同“干摩擦”时间的条 件下,通过多次小样耐磨损试验测定而得出了高钒铸铁 Ω102A 材料在理论上的“磨损减量”,其耐“摩擦磨损”的性能比高 速钢 M2(国内牌号 W6Mo5Cr4V2)提高了 2.5 倍以上,比高 铬铸铁 Ω101A 提高了 2 倍以上,比未添加碳化钨 WC 的镍基 Ω201 合金还提高了 1 倍以上。

排序图中的“HIP 粉末钢元件”,适用的高抗磨损性典型 的合金粉末钢代号是 WR5。粉末钢元件的芯部材料是韧性极高 的中碳合金钢,如图 2 所示,其功能是传递扭矩,帮助元件适 用于高转速、强剪切,需要高扭矩传递动力的平行双螺杆挤出 机的工况条件。而 WR5 元件的工作面合金则同样是含钒量相当 高的特种材料,其抗磨损性能一般表现为普通高速钢 M2 的二 倍以上。这个使用寿命的提高,不但得益于 WR5 材料特殊的尤 其是金属钒元素的高占比,更得益于 WR5 元件在粉末冶金高温 等静压 PM-HIP 工艺方式下成型的材料的极端致密性。

图2 双金属PM-HIP元件示意图

用户采用原元康公司建议的不同制造材料的椭圆内衬套和 螺纹元件采取功能化配置的方案,其明显的使用效果最终体现 在挤出机运行的经济性上面。原元康公司建议用户的挤出机配 置,改变了用户原先选择挤出机核心部件,设想一律采用高端 材料来制造的构想,其结果可能是成本偏高但是效果并不同步。 原元康公司建议的配置方案是建立在其对用户挤出物料的挤出 机工况条件的精细化分析,是追求挤出机核心部件“功能化” 的适配性。

无论是高钒铸铁 Ω102A 椭圆内衬套,还是高钒粉末钢WR5 元件,价格昂贵的钒元素的占比都相当高,因此钒矿的成 本直接左右了这二种关键部件的销售价格。2018 年 2 月钒矿市 场价是每吨 3 万元,到了 2018 年 10 月钒矿价格已经升高到了 每吨 5.1 万元,短短 8 个月的时间内钒矿价格上涨了 70%。直 至今天,钒矿的价格仍然不见回头而呈曲线向上的趋势。这是 原元康向用户建议“不同制造材料的椭圆内衬套和螺纹元件采 取功能化配置”的一个重要考量依据,所谓“好金属用在刀刃上”, 高钒部件也是需要用在挤出机摩擦工况表现极端严重的地方, 才能够效益最大化。

对于生产不同配混改性物料的平双挤出机终端用户,例如 采用长径比 18 的挤出机配混 55% 玻璃纤维增强酚醛树脂的 用户,原先采用模具钢材料制造的衬套使用寿命仅一个星期左 右,采用原元康建议的不同制造材料椭圆内衬套和螺纹元件功 能化配置后,挤出机免维护周期达到半年以上。例如采用长径 比 44 的挤出机配混 PE+30% 炭黑生产功能母粒的用户,原先 采用高速钢椭圆内衬套的使用寿命仅仅一个月不到,原元康在 该挤出机的排气段前面三个工艺区段配置了高钒铸铁 Ω102A 椭圆内衬套和高钒 WR5 螺纹元件,在其它区段配置了高铬铸铁 Ω101A 椭圆套后,挤出机的免维护周期上升到了三个月以上。 例如采用长径比 36 的挤出机生产 EPS 发泡建筑板材的用户, 原先使用的是 C 型内衬套机筒,使用寿命仅仅十个月。针对发 泡剂注入前极端背压下的强烈摩擦磨损原元康配置了高钒铸铁 Ω102A 椭圆内衬套和高钒 WR5 螺纹元件;针对发泡剂注入后 的强烈腐蚀工况原元康配置了高铬铸铁 Ω101A 椭圆套后,挤 出机免维护周期已经达到了十五个月以上,而且目前仍然在正 常运行中。

原元康还有许多海内外生产不同配混改性物料的平双挤出 机用户,采用了其建议的不同制造材料椭圆内衬套和螺纹元件 功能化配置的建议,目前挤出机还在正常运行中而无法提供准 确的对比数据,但是原元康相信他们的使用效果,包括挤出机 的免维护生产周期,挤出机的运行综合成本等,一定会有一个 非常明显的改变。

 

 

 

来源:上海原元康机械设备有限公司 总师室

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