LDPE高壓聚乙烯造粒切刀優化

李朝林

(神華榆林能源有限公司，陜西 榆林 719302)

神華榆林能源化工有限公司高壓聚乙烯裝置采用德國Basell公司的LUPOTECH TS?高壓管式反應器技術，該技術以乙烯為主要原料，以丙烯或丙醛為分子量調整劑，以過氧化物為引發劑，反應溫度為270～330℃，反應壓力為220～300 MPa。引發劑分四點注入反應器的四個區域，反應產物通過反應器末端的脈沖閥減壓后排放至高壓分離器，分離的熔融聚乙烯經低壓分離器再次分離進入擠壓機，經擠壓機送至切粒機造粒，成型的產品顆粒經造粒系統冷卻、干燥后由氣力輸送系統輸送至脫氣倉，脫氣合格的產品顆粒由氣力輸送系統送至成品包裝庫房。擠壓造粒單元采用兩套德國科倍隆公司的雙螺桿擠壓機（ZSK350和ZSK70）。開口劑作為母料通過輔助擠出機ZSK70注入到主擠壓機ZSK350，液體添加劑被融化后經計量泵注入至主擠壓機ZSK350。結合實際生產，探討導致切刀損傷的影響因素，提出有針對性的預防和處理措施，延長切刀的使用壽命及保證產品質量具有重要意義。

1 切刀損傷說明

聚乙烯熔融料及添加劑經過擠壓機筒體中雙螺桿的進料段、增壓段、均化段、擠出段后，以熔融態通過模板，然后由切粒機在顆粒水中造粒。切刀以一定轉速進行水下切粒，由進退刀液壓油系統調節切刀與模板的距離，以生產外觀合格的粒料。然而，在長期連續生產中，會出現不同形式的切刀損傷，包括切刀磨損、鈍化、變形、腐蝕、斷裂等，如圖1所示。

其中，正常生產時，切刀磨損及鈍化是最常見的現象；生產出現大的波動時，切刀易發生纏刀現象，清理包覆于切刀的樹脂易使刀刃鈍化及變形。為了延長切刀使用壽命，應對切刀磨損及纏刀現象予以重點關注。

圖1 切刀外觀圖示

切刀正常生產磨損量的影響因素有：切刀的數量、切刀安裝的角度、切刀盤的設計（有無沖洗內孔）、切刀接觸模板的壓力、切粒機的轉速、顆粒水對刀的作用力（刀片推進器效應）等等。切刀磨損量是通過切刀與模板位置的減小值來衡量，當切刀位置減小值達2 mm時就需更換新的切刀，這個數值在現場的千分尺可讀出，在擠壓機控制畫面也有相對位置和絕對位置（沒有實際的參考價值）的讀數。

實際生產時，切刀位置減小值需在較長的時間內才能體現，而切粒機扭矩或者電機電流（顯示值在電氣）在一定程度上能實時反映切刀磨損量的大小。一般地，切粒機扭矩較大時，切刀與模板緊密接觸使摩擦阻力增大，切粒機轉速較高使切刀與模板摩擦次數增加，導致單位時間內切刀磨損加快。故調整造粒工藝時，通常為觀察電機扭矩的變化。

2 切刀損傷的影響因素

2.1 造粒系統的影響

2.1.1 進退刀壓差的變化

切刀與模板的接觸壓力是由進刀油壓與退刀油壓共同調節的。正常情況下退刀油壓靠壓力閥控制，設定之后是不允許動的，所以進刀油壓增加，進退刀壓差增大，切刀與模板接觸緊密，切刀與模板摩擦越大，切粒機扭矩增加，切刀磨損量增加。液壓油系統的穩定性同樣會影響到進退刀壓差的變化，進而影響到切粒機的運行。

2.1.2 磨刀操作

切粒機在更換新切刀時，為優化切刀與模板的貼合度而進行磨刀操作，通過磨刀，可使切刀盤的平面度、切刀軸與模板的垂直度以及切刀面的平面度三者與模板的匹配度提高，故應提高磨刀質量，合理控制進退刀壓差及磨刀時間，以免磨刀過程中切刀損傷。正常操作將初始進退刀壓差設定為0.6 MPa，切粒機轉速設定為800 r/min，進行磨刀操作，磨刀15～30 min，解模查看磨刀情況，檢查每把切刀均有磨痕，模板磨痕光滑，則磨刀合格，如果不合格重新調大進退刀壓差和切粒轉速磨刀，直至合格，最終磨刀距離不能超過1 mm，如果磨刀時進退刀壓力過大，切刀磨損量就會增大。所以磨刀的好壞直接決定著切刀使用壽命的長短。

2.1.3 切刀的數目以及切粒機的轉速

切粒機切刀數目的多少和切粒機的轉速也同樣決定著切刀的壽命。切刀的數目少時就會相應的提升切粒機的轉速來滿足切粒量，這樣單個切刀切粒的次數就會增加，切刀的磨損量就會增加。但是也并不是切刀的數量越多越好，切刀的數量太多，切刀之間的空間就會小，開車期間產生的花料、墊刀料就不容易掉落造成墊刀或者纏刀。切粒機轉速增加使得單位時間內切刀與模板的摩擦次數增加，顆粒水對切刀壓向模板的作用力(流體動力分量)增大，這樣就會加快切刀磨損。需注意的是，當切刀轉速過高時，切刀轉速成為影響切粒機扭矩的主要因素。

2.1.4 溫度調節

溫度控制主要包括顆粒水溫度、模板溫度以及筒體溫度等的控制。實際生產中，顆粒水的作用是冷卻、輸送顆粒。顆粒水溫度對于顆粒的外觀及切刀的磨損有重要影響。水溫過低擠出的樹脂溫度低料硬，不但對切刀磨損大易產生細粉，而且易堵膜孔，但優點是切出的顆粒飽滿外形較美觀。水溫過高擠出的樹脂溫度高料軟，切出的顆粒容易帶尾，顆粒外形不規則，但優點是對切刀的磨損小。顆粒水溫度較高時，出現的拖尾料或拉絲料，影響離心干燥器、振動篩、轉閥、淘洗器等的正常運行，嚴重時造成纏刀或者墊刀導致系統停車。模板溫度及筒體溫度一定程度上也影響熔融料的流動速率和切粒硬度。

2.1.5 其他

設備因素包括刀盤的平面度、切刀軸與模板的垂直度、切刀刀盤安裝不到位（生產中出現過因安裝不到位導致切刀崩刃）、切刀面的平面度及切刀材質。切刀盤的平面度不佳，導致切刀磨損程度不一致，損傷模板嚴重，當部分切刀磨損較大而造成切粒不合格時，就需提前更換切刀。刀軸垂直度不佳，導致切刀與模板的不平行及不均勻接觸，轉動的切刀受到高頻率的交變載荷，造成整體異常磨損甚至切刀斷裂，同時切粒外觀質量變差及碎屑增多。切刀面的平面度不佳，導致單個切刀不同部位的磨損程度不一致，當切刀部分位置磨損嚴重時，造成切粒不合格就需更換切刀。切刀材質對切刀壽命也有較大影響，切刀硬度過高，導致模板過度磨損，極易發生切刀斷裂，切刀和模板使用壽命縮短；切刀硬度過低，導致切刀過度磨損，造成產品不規則顆粒及切粒細粉增多；另外，不同廠家對切刀材質的加工工藝不同，若加工工藝不當，可導致切刀的微觀組織結構出現缺陷，形成切刀斷裂源 。

由于切粒水循環使用且添加劑中含弱酸成分，切粒水中溶解的酸性成分不斷累積，導致顆粒水PH下降，可腐蝕切刀和模板，使切刀和模板損傷，嚴重時導致刀刃呈鋸齒狀而不能正常切粒，縮短了切刀壽命 。

2.2 產品指標的影響

2.2.1 產品牌號切換過程的不穩定性

聚乙烯設計產品牌號14個，對于不同牌號的聚乙烯，其物理性質有較大的差異。一般聚乙烯的MFR越低，說明熔融料的硬度較大，則對切刀作用力越大，使切刀鈍化，如聚乙烯的MFR太高，由于熔融料太軟無法正常造粒。例：2016年12月，當采用較高MFR的聚乙烯料開車時，扭矩過低導致在擠壓機運行10 min時聯鎖停止；當擠壓機低扭矩被旁路重新啟動后，切粒機合模后產生大量墊刀料和花料等不合格產品。

可見聚乙烯熔融指數的控制對擠壓造粒系統操作具有重要作用。實際生產時，涉及經常性的使用產品牌號的切換，不可避免的產生過渡料，過渡料的密度及熔融指數波動范圍較大，導致切粒機的切刀易受交變應力的反復，切刀極易鈍化。因此，一般需要及時調整擠壓機筒體溫度、模板溫度及切粒水溫度等參數，使擠出的熔融聚乙烯硬度變化盡可能的減少。

2.2.2 聚合反應控制不平穩

在正常的聚合生產中，原料質量不達標、反應壓力和溫度不穩定等因素會導致聚合反應的不穩定性增加，極易導致產品質量指標產生波動，甚至產生不合格產品。另外，低壓分離器的液位通過調節擠壓機轉速來調節，當低壓分離器料位不穩定時，擠壓機轉速調節的頻率加大，同樣也會對切粒機切刀的使用壽命產生影響。

3 優化方案

3.1 造粒系統的優化

3.1.1 進退刀壓差的優化調節

正常生產時，進刀、退刀刀壓應維持穩定，避免波動。為保證切粒質量，實際操作維持進退刀壓差，當切粒機扭矩較大時，小幅降低進刀壓力并調節背壓，產生尾巴料或拉絲料。

進退刀液壓油系統應維持穩定，選擇合適的液壓油，新加液壓油后對液壓油系統徹底排氣，油泵入口增加過濾器泵出口增加可在線切換過濾器，保證油的潔凈程度，防止雜質進入到油系統造成進退刀壓差的波動。

開車過程中，提高進刀油壓可使切刀磨損增加，避免頻繁開停擠壓機；同時，在調節進退刀壓差過程中，逐步降低進刀壓力，若將設定值突降，使切刀對模板的貼合力瞬間減小，熔融料易沖出模板，導致墊刀及纏刀。同時，開車前須涂硅油，使粘刀的熔融料及時甩離切刀，避免墊刀、纏刀現象發生。

3.1.2 磨刀優化操作

切刀的安裝水平直接影響磨刀效果，目的是使刀與模板完全貼合，如刀面偏差過大，產生部分刀磨損過大影響切刀壽命。刀與刀表面偏差理想值是 0.015 mm，且越低越好。經實踐，只要刀盤裝到位，切刀與模板貼合度較好時，磨刀操作可避免，使得切刀在造粒之前無損傷，且維持長周期運行。磨刀模式壓力高于造粒模式而轉速較低，據經驗分析，不同刀所需時間不同，所有刀都剛好磨到是磨刀的最佳狀態，如磨刀時間不夠，刀與模板未完全貼合，易產生大小粒。磨刀后切刀圖案（如下圖2所示）。開始磨刀前必須滿足以下條件：

（1）磨刀前前進行了“Spaghetti run”也就是沖模。

（2）顆粒水溫度設定為45℃左右，pH在7～8之間。

（3）整個擠壓機包括模板溫度達到工作溫度。

（4）切刀和模板的接觸面必須清潔涂有硅油。

（5）切刀面沒有損壞（鋸齒狀缺口/凹痕）。

圖2 磨刀后的切刀

3.1.3 切刀數目及切粒機轉速的優化

切刀數量的安裝是根據聚合的負荷和切粒機在正常生產時的轉速在正常范圍內決定的，這在調試階段就決定了切刀的數量。切粒機的轉速是根據擠壓機的實際負荷來設定，切粒機轉速提高相應的扭矩增加，切刀磨損量增大，片料也會增多，在實際生產發現，低轉速高進退刀壓差（切刀和模板貼合度高）和高轉速低進退刀壓這兩種工藝參數，可生產出同樣外觀的樹脂顆粒，為保證顆粒質量的情況下會相應的用提高轉速降低進退刀壓差（模板對切刀的損傷比粒子對切刀的磨損量大）的方法來調節。正常情況下切刀與模板的作用力F(n)主要受液壓油驅動氣缸產生推力F1和切刀高速旋轉產生的推力F2,其關系為：F(n)=F1+F2（如圖3所示）。

3.1.4 其他

切刀安裝精度十分重要，切刀盤的平面度應小于或等于0.01 mm，切刀軸與模板的垂直度以及切刀面的平面度均小于或等于0.03 mm。切刀材質選擇也很重要，切刀硬度應低于模板硬度，以避免切刀刮傷模板；若切刀頻繁出現斷裂現象，可選用其他優質切刀或對切刀重新進行熱處理，消除切刀材質的組織缺陷。顆粒水的pH值也會影響到切刀的損傷，當pH值小于7時，及時的補充pH調整劑，從而使顆粒水pH值合格。

圖3 理想切刀與模板作用力下轉速與F1 的關系圖

3.2 防止產品指標異常波動

3.2.1 產品牌號切換過程操作優化

針對產品牌號的切換時，切粒機切刀易出現的應力波動較大時，要求及時調整擠壓造粒系統參數，做到“盯壓力，調參數，看粒形”。根據擠壓機模頭壓力的變化趨勢，調整切粒水溫度、模板溫度及筒體溫度，使熔融料達到合適切粒的硬度，確保粒形外觀良好，及時根據產量調整切粒機轉速。若出現拖尾料、蛇皮料等異常狀況，及時調整造粒工藝參數，避免墊刀及纏刀現象。另外，在產品牌號的切換時，避免切換熔融指數跨度過的大產品牌號，減少過渡料量，切牌號過程中擠壓造粒系統參數調整，利于保證切刀壽命。

3.2.2 聚合反應控制不平穩

保證原料質量合格，平穩操作壓縮機，確保壓縮機打氣量平穩，緩慢調節反應器壓力及溫度，防止反應條件波動較大，造成產品密度及熔融指數等波動較大。對低壓分離器的料位的控制應平穩操作，防止擠壓機轉速變化過大，影響擠壓造粒系統的穩定性。

4 其他

影響切刀使用壽命因素還有很多，如機組頻繁開停、頻繁提降產量等。平穩操作對所有運行的機組來說都是有利的，尤其對于擠壓機這樣的聯合機組更是如此，因此應該在平穩操作上多下功夫，加強日常維護、保養，強化巡檢力度及時發現問題并及時處理，避免不必要的停車。