在雙螺桿配混中優化喂料以獲取更多利潤

文/科倍隆Alex Utrackl

在雙螺桿擠出配混過程中，喂料的優化對于提高喂料效率和擠出量，進而獲取更多利潤十分重要。為此，本文探討了如何選擇喂料器螺桿類型及喂料控制系統，以及如何令粉料保持較高的進料量。

每家企業都想增加利潤。企業可以采取許多策略來實施，這樣會涉及企業的各個方面，比如減少庫存、與供應商談判獲取更低的價格或者加強營銷推廣工作等等。

當談到運營時，固定設備往往已經到位，因而它是一項已支付成本。在這種情況下，增加利潤率通常取決于最大限度地提高這些資產的生產率。對于雙螺桿擠出過程，這通過增加擠出率是最容易實現的，從而把運營成本（折舊、人工和維護等）分攤在相同時間單位內所生產的更多產品上。降低成本的另一種選擇是通過提高原材料轉化為成品過程中的能源效率。由于美國的能源相對便宜，所以這些節省下來的資金數額與生產率提高相比往往很少。但是企業可以通過減少能源消耗來獲得其他的一些好處，比如減少碳足跡和提高公眾形象。在某些情況下，有可能同時實現生產率的提高和比能耗的降低。

當談到增加擠出量時，首先要找出造成當前受到限制的原因是什么。對于雙螺桿擠出過程，限制會存在于從喂料系統到過程段再到下游設備的任何地方。例如，加工困難的材料通過喂料設備可能會粘住或流動不佳，這限制了它們被卸料到雙螺桿擠出機中的速度。在過程段中，設計不當的熔融段可能不能完全熔融超過一定擠出率的聚合物。

反之，熔融需要高能量的材料，其熔融速度可能受到電動機和變速箱組合所能提供功率的限制。下游設備上的限制包括使用高黏度材料和限制性模頭帶來的高出料壓力，以及由規格較小冷卻設備造成的高粒料溫度。只有了解了這些限制，才能采取措施消除它們。這是一個持續改進的過程，一個限制被消除了，但在更高的擠出率下又會發現另一個限制。

喂料系統

為了達到最高的擠出率，喂料設備必須向擠出機提供準確穩定的進料。要做到這一點，喂料系統必須根據被喂送的材料和擠出率進行設計（如圖1所示）。易流化的粉料用一臺窄螺距的凹面雙螺桿喂料器就能很好地處理，因為較小的間隙和到出料口較長的路徑減弱了流態化特性。另一方面，固體聚合物粒料可能會侵入這些螺桿之間的緊間隙，所以粒料應采用一根粗齒節的單螺桿喂料。其他材料，比如濕的或自粘性聚集體，往往最適合于使用皮帶喂料機，而不是螺桿喂料機。向你的喂料機制造商咨詢，以獲得他們的具體建議。

對容易形成壅塞、鼠孔或粘附于料斗的材料，需要采取攪拌使產品保持連續流動。一般用幾款機械攪拌器來實施。這種方法的一個缺點是，它會壓實粘性材料，當改換到不同的材料時，就會增加清洗的時間。一種替代機械攪拌的方法是采用ActiFlow系統，它通過連接在料斗外面的一種智能振動驅動裝置來起作用。根據變化的物料流動情況，它連續優化頻率和振幅，并向喂料控制器提供反饋，以消除來自載荷傳感器信號的振動噪聲。

除了選擇最適合材料的喂料設備外，還要花時間考慮喂料控制系統。其中一個例子是自動料斗重填充控制。如果料斗重填充太頻繁，則控制器花更少的時間測量隨時間變化的失重，從而降低喂料器的準確性。另一方面，如果料斗中的水平線允許下降太低，則在重填充過程中，材料落入料斗中的驟增壓力可能會造成材料料涌而滑過螺桿，特別是對于低堆積密度和易流化的材料。當這種料涌進入擠出機中，會使電動機的負荷瞬間增加，表現為擠出機控制屏幕上的扭矩增加。這些扭矩峰值不能超過擠出機有效扭矩的100%，否則安全聯鎖裝置將關閉擠出機，以避免過載情況發生。因此，過程的正常操作扭矩必須保持較低，以為這些潛在的峰值留有空間。

喂料系統優化所帶來的盈利能力增加可以通過增加的生產率來計算。表1中顯示一個計算的例子，這是一臺70 mm雙螺桿擠出機，加工一種聚烯烴母料，利潤率為10美分/kg。在這個例子中，一臺在重填充過程中經歷料涌的喂料器，被更適合于該材料的喂料器所替換，新喂料器使擠出量從2 000 kg/h增加至2 300 kg/h。這將使年度利潤增加18萬美元，是新喂料器成本的4倍多。此外，由于在雙螺桿擠出機中的填充程度增加，對材料的比機械能輸入減少。這將使每年的能源節省5%或138 MWh。

進料量

在喂料系統向擠出機輸送物料后，物料必須被輸送到進料段下游。當進料段沒有充分的容量來輸送物料時，就會對擠出率有限制。進料段的輸送容量取決于該區域中雙螺桿的自由面積和螺桿元件的間距，以及螺桿轉速和一些與產品有關的參數。

圖1為了選擇合適的喂料器螺桿類型，了解材料的特性是至關重要的。圖中的著色區域表示適合

擠出機的自由截面積在一臺標準雙螺桿擠出機中是固定的。具有較大的內外徑比值的擠出機將有更多的自由面積。當采購一臺新擠出機時就要考慮這一點，這是很重要的。產品參數與原材料的選擇密切相關。由于采購或產品質量的原因，改變往往是復雜的。

因此，現有機器上可以優化的參數是螺桿元件的間距和螺桿轉速。增加螺桿速度通常會導致對材料更高的能量輸入。這種能量的增加可以部分被進料速度的增加所抵消。但是，這種增加往往隨著螺桿轉速增加而減弱。這將導致一個更高的熔體溫度，可能引起切?；虍a品質量的問題。

表1 喂料系統性能優化對擠出機擠出量的影響（ZSK70Mc+）

圖2 在喂送粉料時，當粉料從喂料器中落下進入擠出機時空氣會被夾入。由于擠出機的熔融段被全部填充滿，因此夾帶的空氣不能和熔融聚合物一起移動到下游通過熔體密封。相反，它被迫通過最近的上游開口處逃逸，這個開口通常就是進料口

圖3 減少夾氣量的一種方法是把喂料器放置在和擠出機同一垂直水平上，以盡可能靠近加料斗

增加進料段中螺桿元件的間距是最無害的變化。按照經驗法則，建議從進料段最寬間距的螺桿元件開始增加。當喂送粉料時，特別是低堆積密度或容易流化的物料時，由于粉料從喂料器中進入擠出機時會夾帶空氣，因此會產生進料量限制。

在典型的聚合物擠出過程中，有一個被聚合物全部填充的捏合塊部分組成的熔融段。由于擠出機的這一部分已被完全填充，所以夾帶的空氣不能和熔融聚合物一起移動到下游通過熔體密封。相反，它被迫從最近的上游開口處逃逸，這個開口通常是進料口（如圖2所示）。因此，有一個原材料進入和夾帶空氣退出的競爭流動。

一種減少夾帶空氣量的方法是將粉料喂料器放置在和擠出機同一垂直水平上，以盡可能靠近加料斗。這可以最大限度地減少下落，并減少夾帶的空氣量。

另一種策略是把排氣口設計在系統中，給與空氣其他的逃逸路線。排氣口可以安裝在加料斗中。為了增加效果，料斗應得到特別設計，使喂料器把物料卸在料斗的一側，雙螺桿中的下轉螺桿在相同的一側，排氣立管在料斗的另一側。這允許空氣在向下到擠出機的路徑上可以從聚合物上流出（如圖3所示）。

排氣口可以安裝的另一個位置是在雙螺桿中進料機筒的上游。夾帶的空氣很容易在雙螺桿中向后流動到上游排氣機筒，而固體粉料則由螺桿下游輸送。

這三種策略可以單獨使用，也可以相互并行使用。

另一種使粉料進入雙螺桿擠出機的非常有效的方法是使用喂料增強技術（Feed Enhancement Technology，FET）。在這項技術（如圖4所示）中，利用機筒壁中的一種多孔過濾器來抽真空?？諝獗怀ィ哿狭粼跈C筒中。它的工作原理主要是在機筒上形成一個材料餅，以增加機筒壁上的摩擦系數。這不僅提高了輸送效率，還把粉料中一些夾入空氣除去，減少了它的體積。

FET的效果大小對所有的粉料是不相同的，它取決于一些屬性，比如堆積密度和顆粒尺寸。對于滑石粉，它已被證明可以提高擠出率250%以上，而對于碳酸鈣，擠出量的增加大多是可以忽略不計的。FET的限制是只能被用于存在干且未熔化粉料的區域中。濕的或熔化的材料會堵塞過濾器；大的固體顆粒如粒料，則會損壞過濾器。對于配混過程，這種技術通常適用于側喂料器機筒，雖然它在主擠出機機筒中也是可用的。

為了計算采用FET的盈利能力，可以考慮一個例子：一臺45 mm雙螺桿擠出機配混含有40%滑石粉的聚丙烯，用于一個汽車應用（見表2）。

表2 FET對利潤率的影響（ZSK45Mc18）

圖4 FET插件是一種多孔可透氣的壁部分，在它的上面進行外部抽真空。抽出聚合物周圍的空氣，增加堆積密度，以提高進料速度

對于這個過程，擠出量受到可喂送滑石粉量的限制。在高于600 kg/h的速率下，側喂料器開始堵塞，并且擠出機只能使用其總電動機功率的54%。通過安裝FET，側喂料器的輸送效率大大提高，而且擠出量可以增加，直到電動機功率達到相同螺桿轉速下的上限。對材料的比機械能輸入也減少了，使得每公斤材料需要的功率更少。以20美分/kg為利潤率，擠出率增加500 kg/h意味著每年利潤增加60萬美元，是FET設備成本的幾倍以上。同時比能量的需求每年可減少4%或33 MWh。

上面提供的這些例子僅重點介紹了喂料雙螺桿擠出工藝中幾個常見的限制。還有更多的地方會出現限制。先確定限制，了解它，并實施一個解決方案，然后針對下一個限制重復進行，這個原則可適用于本文中沒有討論的限制。一些因素比如能源成本、利潤和銷售過剩產品的能力等，應針對你的具體業務進行評估。這些計算可以提供框架來證明承擔這些優化項目的合理性。與往常一樣，你的雙螺桿擠出機制造商是第一個向你提供工藝優化建議的人。