雙螺桿塑料擠出機節能技術研究

梁曉剛，王敏，何振鵬，崔雯

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

雙螺桿塑料擠出機節能技術研究

Study on twin-screw extruder energy saving

梁曉剛，王敏，何振鵬，崔雯

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

列舉了塑料改性造粒雙螺桿擠出機組的能耗組成，提出主電機能耗是其中占比最大的因素。分析了影響主電機能耗的各項因素；收集了與作業物料有關的單產能耗數據；開展了擠出量、螺桿長徑比、螺桿轉速等主要因素的能耗試驗；開展了不同機型的能耗試驗；提出了降低能耗的方法和措施。

節能技術；雙螺桿擠出機；塑料改性；單產能耗

雙螺桿擠出機是目前最重要的塑料機械之一。眾所周知，工業上聚合而成的樹脂產品，如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等，是不能直接用于制造各種塑料制品的，一般都需要進行改性處理。改性通常是指利用物理或化學方法來改變樹脂某些性能的過程。這些性能主要有抗拉強度、斷裂強度、阻燃能力、抗氧化性、抗老化性、抗紫外線能力等。改性后樹脂的性能更加優良和多樣化，更加適應塑料制品的需求。可以說雙螺桿擠出機為注塑機、吹塑機等其他塑料機械提供了原材料，因此雙螺桿擠出機（特別是同向嚙合型雙螺桿擠出機）的重要性顯而易見。

近幾年，隨之塑料加工技術的發展，雙螺桿擠出機被直接應用于型材擠出領域。如天華院研制成功的鋁塑復合板芯材加工技術，利用一臺雙螺桿擠出機同時完成聚乙烯樹脂的改性和型材擠出兩個工藝過程［1］。又如天華院開發成功的聚酯型材免結晶干燥直接擠出技術，將原來需要用專門設備完成的聚酯結晶干燥過程轉移到雙螺桿擠出機中，在擠出型材的同時完成結晶干燥，縮短了工藝流程和設備數量，最主要的是極大地降低了能耗和加工周期［2］。再如雙向拉伸聚丙烯機組中，已經全部采用雙螺桿擠出機代替傳統的單螺桿擠出機，生產出來的產品品質更高，而機組能耗卻更低。

綜上所述，雙螺桿擠出機的重要性毋庸置疑。在全球提倡節能環保的大環境下，開展雙螺桿擠出機的節能技術的研究是極其必要和重要的。

1 雙螺桿擠出機的能耗組成

圖1是一條典型的雙螺桿擠出機塑料改性生產線，分別由上料系統、計量配料系統、雙螺桿擠出機、機筒加熱冷卻系統、真空系統、造粒系統和控制系統等組成。

圖1 雙螺桿擠出機生產線示意圖

以市場上較常用的SHJ-75擠出機為例，上述生產線功率配置情況如表1所示。

此外，SHJ-75生產線在正常工作時，還需要消耗冷卻水約30～50 m3/h和少量壓縮空氣。

表1 典型的雙螺桿擠出機生產線功率配置

根據表1，擠出機生產線中，功率最大的部件是主電機，約占總功率的72.6%；其次是機筒加熱器，約占總功率的16.8%；其余設備的功率僅占總功率的10.6%。因此研究影響主電機能耗的因素是雙螺桿擠出機節能的關鍵。

2 影響主電機能耗的因素分析

影響雙螺桿擠出機主電機能耗的主要因素有：作業物料、擠出量、螺桿組合、螺桿長徑比、螺桿轉速、作業溫度和機頭壓力等。下文是作者在擠出機能耗方面的一些研究、試驗工作的總結。

2.1 作業物料

一般采用單產能耗這一參數來客觀地評價不同雙螺桿擠出機的能耗水平。單產能耗即生產單位質量產品所消耗的電能，單位為卡瓦時/千克（kW·h/kg）。

不同作業物料的單產能耗是完全不同的，圖2是德國科貝隆公司提供的部分聚合物材料改性造粒的單產能耗數值［3］。

2.2 擠出量

為了驗證產量和單產能耗之間的關系，開展了下述試驗。

試驗設備：SHJ-60機，天華院生產；

試驗物料：PP+30% CaCO3；

螺桿轉速：200 r/min；

螺桿長徑比：40∶1；

設定溫度：190～200 ℃。

本試驗僅改變擠出量，而不改變其他任何參數，因此可以直接反應擠出量和單產能耗之間的關系。試驗結果如圖3所示。當產量升高時，單產能耗先降低后升高。這意味著當擠出機的產量較小時，各種機械損耗（如螺桿與機筒的摩擦等）在單產能耗中占較大比重，能量浪費較嚴重。而當產量繼續升高時，物料與設備之間的摩擦等因素又會使單產能耗有所升高。因此，在塑料改性工藝設計時，應當將擠出機的產量控制在合理的范圍內，以降低能耗。

2.3 螺桿轉速和擠出量的綜合作用

影響單產能耗的因素并不是單一的，而是一個綜合的因素。下面選取了螺桿轉速和擠出量2個因素進行交叉試驗，研究二者和單產能耗的關系。

試驗設備：SHJ-38機，天華院生產；

螺桿長徑比：40∶1；

試驗物料：PP（牌號T30S）；

試驗物料熔體流動速率（230 ℃，2.16 kg）：2.9～3.5 g/10min；

圖2 聚合物改性造粒單產能耗（德國科貝隆公司）

圖3 擠出量與單產能耗的關系圖

試驗方法：對每個因素確定3個參數（如表2所示），進行交叉試驗。

表2 試驗參數

通過交叉試驗，得到如表3所示的試驗數據。

表3 試驗結果

從表3可以看出，當螺桿轉速不變時，隨著產量的增加，單產能耗降低，這與前面的試驗結論基本一致。當產量不變時，隨著螺桿轉速的升高，單產能耗降低。

2.4 螺桿直徑

為了驗證不同螺桿直徑的擠出機（即不同機型的擠出機）對單產能耗的影響，開展了以下試驗。

試驗物料：70% PP+30% CaCO3；

PP主要參數：牌號T30S；

試驗物料熔體流動速率（230 ℃，2.16 kg）：=2.56 g/10min；

生產廠家：中國石油蘭州石油化工股份有限公司；

CaCO3：牌號LD-200，超細；

生產廠家：立達超微工業有限公司；

試驗設備：SHJ-38機、SHJ-75機，天華院生產；

螺桿長徑比：40∶1；

螺桿轉速：SHJ-38機：300 r/min；SHJ-75機：215 r/min。

擠出量：SHJ-38機：130 kg·h；SHJ-75機：222 kg；

設定溫度：190～200℃。

表4 螺桿直徑對單產能耗的影響

需要說明的是，為了保證兩組數據的可比性，對SHJ—75機的螺桿轉速和擠出量按相似放大理論進行了修正［4］。

從表4中可以看出，螺桿直徑對單產能耗的影響較大，單產能耗隨螺桿直徑的增大而降低。

3 結論

（1）雙螺桿擠出機的能耗主要是主電機的能耗，選用高效率電機是降低能耗最直接的辦法。

（2）機筒加熱能耗也是擠出機能耗的主要組成之一，提高溫控水平、采用電磁加熱等手段都可以降低能耗。

（3）在確定雙螺桿擠出機的工藝參數時，應當合理的確定擠出量以便降低能耗。由于實際工藝千差萬別，最佳擠出量需要進行試驗確定。

（4）螺桿直徑對單產能耗的影響也很大。螺桿直徑越大單產能耗越低，因此應當選擇較大的機型，進行批量生產。但是也需要注意的是，當擠出量產量低于特定值時，擠出機的能耗仍然較高。廠家在選用雙螺桿擠出機時，應當根據自身的情況，選擇合理規格的機型，使擠出機盡量能夠在70%～90%的能力范圍內工作。

［1］ 劉為強等. 防火鋁塑板用無鹵阻燃聚乙烯芯材的加工裝置：中國，ZL201320489072.8［P］. 2014-02-19.

［2］ 李世通等. 聚酯型材的加工裝置：中國，201410286794.2［P］. 2014-6-25.

［3］ CoperionGMBH.ZSK twin screw extruder ［DB/OL］.［2015-06-09］.http：//www.coperion.com/en/compoundingextrusion/machines-systems/zsk-series/

［4］ C Rauw endaal. Scale-up of Single Screw Extruder［J］.Polymer Engineering and Science， 1987， 27（14） ：1059～1068.

TQ320.66+3

1009-797X （2015） 16-0109-04

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.037

梁曉剛（1980-），男，學士，高級工程師。

2015-06-09