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提高挤出机螺杆机筒的寿命,需“对症下药”

来源:国际塑料商情     发布时间:2021-01-20
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螺杆和机筒是塑料挤出机的关键零部件,堪称“心脏”,业内有人也称之为料杆和料筒(或炮筒)。因其自身材质硬度和耐磨性、设计、加工工艺、装配对挤出设备的使用寿命、挤出制品产品的质量、生产效率有着非常大的影响,可以说一套挤出机的品质好坏、档次高低在很大程度上取决于螺杆和机筒这一组核心零部件。


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螺杆由高强度耐腐蚀的合金钢制成;机筒是一金属圆筒,一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。机筒与螺杆配合,实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、排气和压实,并向成型系统连续均匀输送胶料,同时机筒还是其他装置(加热器、冷却装置、加料斗、计量装置等)的安装支撑件。


如何优化螺杆和机筒的有效寿命?


提高挤出机螺杆机筒的有效使用寿命,这个话题一直以来都备受关注。


物料在螺杆内停留时间的减少会导致物料混炼塑化不均,物料经受过度剪切可能造成物料急骤升温和热分解,挤出稳定性控制困难会造成挤出物大小的变化,相关的辅助装置和控制系统的精度必须提高,螺杆与机筒的磨损加剧需要采用高耐磨及超高耐磨材质,减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等问题都需要解决。


在竞争激烈的全球市场上,塑料加工业者可以通过将一些相对简单的做法融入到他们的操作中来获得优势。在挤出过程中,螺杆和机筒应设计成在机筒壁内径与螺棱外径之间的原始间隙处提供最大的熔化效率。这些间隙通常是极小的,达到良好的传热和剪切速率。


一旦螺杆开始在机筒内旋转,就产生了磨损。磨损既可能发生在螺棱或机筒表面,也可能两者兼而有之。无论是正在加工的聚合物中的研磨填料,还是不属于熔体流的“流浪”金属颗粒,被加工的材料越硬,则磨损越快,原始间隙就会增加。随着间隙的增加,熔化效率会随之降低。随着熔化效率在原来的设置之下降低,许多操作人员倾向于通过提高螺杆速度、调整机筒温度、增加背压、或将这些调整组合起来,以做出补偿性调整。


做出这些调整,可帮助操作人员试图避免更长的周期、未熔化的材料、更高的熔体温度或更高的废料率。通常,这些变化是渐进的,不易被注意到,直到它们显著影响到制品质量或生产效率。


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当金属表面(螺棱表面和机筒内表面)接触时,就会发生附着磨损


当塑化率、生产率或废料率达到不可接受的水平时,工艺工程师将会开始寻找原因。不过,在这一点上可能无法做到快速检修,除非在边上就有备用的螺杆或机筒。如果有备用零件可用,可以在一天左右的时间完成更换。如果没有,则必须停机或以降低效率的方式运行,直到备用零件能够被定位和安装好为止。


那么,如何走出螺杆机筒磨损的困境呢?我们首先需要认识三种类型的磨损。


1.附着磨损。当金属表面(螺棱表面和机筒内表面)接触时,就会发生这种情况。当表面短暂接触并焊接在一起,然后破裂时,会产生极高的应力。附着磨损的证据可以是螺棱末端的毛刺,也可以是堆焊材料被划痕或者从螺棱顶部消失了。此外,还应检查机筒是否在机筒内螺杆的受损点处被划伤或出现磨损。


2.研磨磨损。这是塑料机械中十分常见的磨损类型。在未填充或加工低粘度聚合物的情况下,研磨磨损可能非常小。当胶粒沿螺杆被输送并在机筒壁上被挤压时,剪切作用会对螺棱和机筒壁造成一定程度的磨损。当加工含有填料、添加剂或污染物的树脂,甚至当加工高粘度聚合物时,研磨磨损就可能变得明显了。硬质材料倾向于从较软的表面去除材料,因此,螺棱表面材料通常是坚硬的耐磨合金。玻璃和矿物填充树脂也可能导致螺杆根部的磨损,通常在胶料通道的后部,在添加剂被浸湿、与熔融塑料混合之前。


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当胶料沿螺杆向前输送并在机筒壁上遭遇挤压时,剪切作用会对螺棱和机筒壁造成一定程度的磨损


3.腐蚀性磨损。腐蚀是通过化学侵袭,对材料进行逐步的破坏。同一金属表面上的大部分原子被氧化,破坏了整个表面。一旦金属表面被侵蚀,更容易受到机械磨损作用的影响。当挤出加工PVC或氟聚合物时,腐蚀是最为常见的,且会强烈攻击以铁为主要基材的部件。


2020年上半年,诺信(Norson)公司推出了Xaloy®螺杆和机筒定制组合套装,可耐受含氟聚合物在电线和电缆绝缘层挤出加工中的腐蚀作用,同时又满足了不同氟塑料如氟化乙烯丙烯(FEP)和聚偏氟乙烯(PVDF)不同加工温度和个别客户特殊混合要求。对于FEP应用螺杆,诺信的耐腐蚀方案是用Inconel®镍铬合金作为基材,Colmonoy®镍基合金作为表面硬质合金焊接在螺杆螺棱的易磨损表面。对于PVDF应用螺杆,诺信推荐采用镀铬的4140HT合金钢或不锈钢作为基材。对于以上这两种应用,诺信均推荐配有Xaloy®X-800®内层的机筒,它是一种含有碳化钨的镍基合金具有高度耐腐蚀和耐磨性能,在机筒的出口端法兰和进料口采用Inconel材料。


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腐蚀是通过化学侵袭,对材料进行逐步的破坏


让我们再深入探讨一些主要的磨损原因。


•直线度、同心度和校准:在准备翻新或安装新的螺杆时,应仔细检查螺杆的直线度和同心度。如果要将螺杆安装在一个新的机筒中(或者现有的机筒是可用且干净的),将螺杆滑动到机筒中,用手旋转(如果可能的话),以确保直线度和同心度。螺杆应在机筒内自由旋转,不受干扰。在挤出机上,在加工新部件之前,机器应该提前校准。在检查时,仅有很少的机器不需要做校准。


•螺杆设计不佳:当螺杆熔化段的容量小于进料输送的未熔化材料的数量时,会导致通道被未熔化材料堵塞。所产生的压力实际上迫使螺杆在对侧顶在机筒上,造成螺棱以及机筒表面的磨损和损坏。这种情况通常被称为固体楔入。当最初设计用于加工特定树脂的螺杆在不同的聚合物上以不同的熔融速率运行时,通常会发生固体楔入。


•不相容的金属:一般来说,较软的材料在接触较硬的材料时有更大的磨损倾向。因此,考虑螺杆材料以及螺棱堆焊材料及其与机筒内衬材料的相容性是非常重要的。这可能更容易应用到碳化钨含量较低的合金,但毫不奇怪,其提供的耐磨性较弱。它们也有更大的磨损倾向,特别是当运用一些高硬度的筒衬材料时。双金属工艺是近年来较常用的一种耐腐蚀、耐磨性极好的工艺,采用HVOF高速喷涂设备,对螺杆表面进行熔射喷涂,得到结构致密的双金属螺杆;而双金属机筒采用熔铸的办法,把碳化钨含量高的合金与筒体铸成一体,运用特殊加工技术,精密成型。


•研磨填料、添加剂和外来物料:随着塑料的应用变得更加专业化,研磨填料和添加剂需要更好地防止磨损和腐蚀。含有玻璃纤维、矿物、阻燃剂、稳定剂和其他添加剂的树脂,需要考虑它们对研磨磨损的影响,在挤出这些材料时也需要适当考虑它们的腐蚀性磨损。一些最具侵略性的填料可能降低螺杆/机筒的使用寿命达50%或更长。如果制造螺杆和机筒时有适当的保护,磨损寿命可以延长,而研磨磨损程度可以大大减轻。


螺杆和机筒被磨损和损坏的另一个常见原因是外来材料——从螺丝刀到磨床刀片,再到螺母和螺栓,似乎它们都找到了进入塑机料斗的门道。如果没有被筛除或磁吸掉,那么这些材料会对螺杆机筒造成严重损坏。在合金没有被正确粘结或出现裂纹和断裂松动的情况下,堆焊合金从螺棱表面断裂或脱层,当它们沿螺杆移动时也会出现问题。


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如果没有被筛除或磁吸掉,那么外来材料会对螺杆机筒造成严重损坏


未来,通过数字化,我们希望能够用传感器准确地测量螺杆和机筒的磨损,然后预测什么时候应该翻新或更换零件,以保持最佳生产力。在该技术达成完善之前,塑料加工业者可以通过将生产效率与螺杆和机筒的测量联系起来,绘制与螺杆和机筒磨损有关的性能图表。


不过,定期测量螺杆和机筒可能是不实际的,尤其是在较大的机器上。然而,如果对操作参数的调整被记录下来,并根据生产效率的变化绘制图表,则可以建立参考点,其中螺杆和机筒上的磨损通过与输出、控制器设定点、能耗和最终产品质量的关系来表示。


有了良好的记录保存,可以相对准确地预测螺杆和机筒的变化。可以优化组件的寿命,避免“一直撑到出故障”以及非计划的停机时间。


当安装螺杆或机筒时:


•螺杆应为应用而设计


•螺杆和机筒应由相容性合金制成


•螺杆和机筒应由最好的耐磨材料制成


•安装前,应仔细检查螺杆和机筒的尺寸精度


挤出机螺杆、机筒的发展趋势


更精密、更高效、更节能成为挤出技术发展的典型特征,那么在螺杆、机筒方面,该如何创新突破,以更好地实现这样的目标呢?


1、大型化、高转速、高扭矩、高产量


国外螺杆直径为200~250mm的挤出机已很普遍,螺杆直径大于400mm的专用挤出机也已不罕见。增大螺杆直径,可以提高挤出机的生产能力,当螺杆直径增大一倍时,挤出机的生产能力可增加几倍。


国外已经出现转速在300r/min以上的高速和超高速挤出机,生产能力得到很大提高。但是转速提高以后会带来塑化不良等问题,因此市面上出现了许多新型螺杆,如分离型、混炼型、屏障型、分流型、组合型等。螺杆的长径比(L/D)也由20:1发展到36:1,有的高达43:1。


2、智能化和网络化


发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术,对整个挤出过程的工艺参数进行在线监测,其中就包括主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量等参数,并采用微机闭环控制。


3、定制化


为了适应新材料和新工艺的要求,新的螺杆机筒组合和专用螺杆机筒组合不断出现,如三螺杆挤出机和行星式多螺杆,等等。


妥妥地让螺杆机筒“动起来”,高效、精密、节能的挤出就不是梦!



作者:王平



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