模面熱切式造粒機在PET生產中的應用及異常分析

石 亮

(中國石化儀征化纖有限責任公司聚酯部，江蘇儀征 211900)

造粒機是PET聚酯切片生產的重要設備，是使PET聚酯熔體變成切片粒子的最終設備。常規PET造粒通常使用水下拉條切粒機。隨著PET改性研究的深入，不同特性聚酯產品的造粒顯得尤為重要[1-3]。水下模面造粒技術屬于“模面熱切”的一種[4-5]，均勻的高溫熔體物料從熔體輸送泵末端進入造粒機模板，當熔體物料剛離開造粒機模板模孔時即被高速旋轉的造粒機刀片切削，由于粒子比表面積最大化的物理特性，與切割室內工藝水接觸后，滴狀物凝固并形成接近圓球體的顆粒。圓球體的粒子被輸送并經過干燥、篩分后包裝儲存。這種“先熱切后水冷”的造粒方式決定了它能夠很好地勝任熔融態強度差、黏度大、熱敏感度高的熔體物料造粒作業。改性PET的玻璃化溫度、熔點、特性黏度等特性區別于常規PET，模面熱切式造粒機在改性聚酯產品的生產上具有一定的優勢[6]。

1 工藝流程

終縮聚反應釜送出高溫熔體，經熔體輸送泵輸送至造粒機進口開車閥，熔體在8～12 MPa的壓力下通過模板模孔均勻擠出進入造粒機切割室。造粒過程是在一個直徑40 cm左右的切割室內完成，切刀刀片緊貼著模板高速旋轉，高溫熔體被切削成直徑Φ3 mm的球狀粒子。球狀粒子經過離心干燥機和振動篩進一步冷卻、干燥、篩分后，成為溫度大約在60 ℃左右的合格粒子制品。離心干燥機分離出的工藝水進入工藝水箱并分離粉屑，經過加熱后通過工藝水泵、換熱器后循環進入切割室。工藝流程如圖1。

圖1 水下造粒機系統流程圖1) 開車閥；2) 切割室；3) 旋轉刀片驅動電機；4) 離心干燥機；5) 振動篩；6) 工藝水箱；7) 工藝水循環泵；8) 工藝水換熱器

2 工藝條件

PET熔體理化指標隨產品差異有所區別，PET聚酯產品特性黏度范圍0.4～0.85 dL/g，熔點范圍150～262 ℃。不同特性的PET熔體造粒溫度要求見表1。

特性黏度高，低溫狀態下熔體流動性差。開車閥溫度與模板溫度高于熔體熔點30 ℃左右。工藝水的溫度范圍較寬，根據熔體的特性在40～90 ℃之間選擇，當工藝水需要降溫時換熱器冷卻水對其降溫，當工藝水需要升溫時工藝水貯槽中的加熱器對其升溫。特性黏度0.55～0.70 dL/g之間的熔體更容易被切削成型。

表1 不同特性黏度的PET熔體造粒溫度要求

3 設備組成、安全聯鎖

3.1 設備組成

造粒系統設備組成如表2。

表2 水下造粒系統設備組成一覽表

3.2 安全聯鎖

造粒機工藝聯鎖如表3。

4 粒子外觀異常原因分析及解決方法

造粒機的工藝參數設定、工藝操作流程等均是影響粒子外觀質量的重要因素。造粒機運行正常情況下粒子呈飽滿的圓球狀(a)，不規則粒子通常呈連粒(b)、小粒子(c)、扁長(d)、拖尾(e)等不規則形狀，如圖2所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

4.1 連粒料

由于粒子表面溫度高，兩個或三個粒子粘結形成連粒料。可以通過以下手段降低粒子表面溫度，從而預防粘結粒子產生。

通過降低工藝水溫度，降低工藝水流量，適當延長切片在工藝水輸送管線中停留時間，使粒子得到充分冷卻，可以降低粒子表面溫度，避免粒子粘連；當粒子外形偏大時，單個粒子的溫度高，會產生粒子粘連，此時需要提高切刀轉速，使單個粒子變小。必要時可更換小孔模板或增加切刀刀片數量。

4.2 小粒子

目前，國內小粒子的定義為任意方向上尺寸小于2 mm的粒子，包括碎屑和碎粒。當切刀轉速高于熔體供出量時就會出現小粒子，這時需要降低切刀轉速；由于較長時間的運行或停車后，黏附在模板孔上的物料會被高溫分解炭化，形成積炭堵塞模孔。當積炭達到一定程度造成模板的開孔率不足時，被堵塞的模孔就會不出料或者出料速度變慢，切刀切出的物料就會變小，出現小粒子。此時，需停機沖洗模孔或更換新模板。

4.3 拖尾粒子

拖尾粒子外觀多數為正常物料帶錐角毛刺或薄片狀“尾巴”，但是目前標準檢驗方法所采用的SH/T 1541—2006《熱塑性塑料顆粒外觀試驗方法》 未對拖尾粒長度給出定義，而實際生產中由于長度小于1 mm的錐角或毛刺是不可避免的。拖尾料雖然產品的內在質量指標與正常產品沒有太大區別，但是由于其形狀不規則，產品的堆密度下降，導致產品因重量不足而無法出廠。

刀片安裝時要保證一致的預緊力，并且開機前要進行磨刀，目的是使每片刀片緊密貼合模板。每次開機前要進行至少兩次的磨刀程序(如更換新刀具至少三次)，每次磨刀時間3 min(如圖3所示)。當磨刀電流達到額定電流70%以上視為磨刀成功，方可開機。否則會出現拖尾粒子，嚴重時出現“蛇皮粒”甚至“纏刀”、“堵管”。

圖3 開機前磨刀程序畫面

如果改性PET熔體中加入了硬度較高的添加劑，造粒機長時間運行會損傷模板，在模板表面產生凹槽，使刀片與模板無法緊密貼合，產生拖尾粒子。此時，需要使用磨輪(如圖4)對模板進行打磨清潔。按下“停機”按鈕→打開切割室→取下刀盤→將磨輪安裝在刀軸上→閉合切割室→將控制畫面調至“模板打磨”畫面→按下“磨削孔板”鍵，此時會按照自動打磨程序打磨模板。打磨過程中要密切關注電流，電流高于額定電流的70%，手動終止打磨程序，否則會損傷模板。

4.4 扁長粒子

物料黏度偏低時，由于物料具有良好的流動性能，導致模板壓力偏低，粒子難以成型，切削后成扁長狀。此時要對模板鏜孔進行封堵進而提高模板壓力。封堵可采用兩種增壓銷，實心銷和空心銷，實心銷是將模板鏜孔封堵住，空心銷是將鏜孔縮徑，封閉鏜孔后就提高了流經其他鏜孔熔體的流速及模板壓力，封堵后使模板壓力保持在8～12 MPa最為合適。

圖4 磨輪

5 設備故障原因分析及解決方法

造粒機為造粒系統的核心設備，其工作狀況直接決定著整個機組的運行穩定性。該機組投運初期幾個月一直運行不穩定，各種原因的停機達200余次，主要表現為：自動磨刀失敗、“卡刀”、模板法蘭電加熱棒故障等。

5.1 自動磨刀失敗

熔體在擠出模孔后附著于模板表面，冷卻后在模板表面形成“硬膜”難以切削，導致自動磨刀失敗。采用自行設計的刀片，減小刀片與模板的接觸面積，提高了刀片的切削效果。正常刀片接觸面積為0.80 cm2，特制刀片的接觸面積0.60 cm2，在自動磨刀過程中易于清除模板表面的異物，保證自動磨刀成功。

5.2 “卡刀”

“卡刀”通常有兩種原因，一是刀片的安裝偏差較大，刀片與模板貼合效果不一致，運行時電流過高，刀盤突然卡阻；二是造粒機運行過程中，刀軸的“V形”圈和機械密封件直接與高溫工藝水接觸(結構如圖5所示)，“V形”圈或機械密封失效后工藝水進入刀軸軸承，使軸承潤滑失效造成“卡刀”。”卡刀”嚴重時會造成“纏刀”、“堵管”，處理時間長。

圖5 某進口水下造粒機動刀部分結構圖

避免卡刀的措施，除了刀片安裝要保證一致的預緊力，日常巡檢發現故障苗頭及時停機處理避免事故擴大是較為有效的方法。刀盤與軸承之間下方帶有排水孔，當此孔有連續滴水情況，說明機械密封失效，軸承接觸工藝水，軸承潤滑失效會導致卡刀；切割室粒子輸送管道視鏡處觀察有細長條物料且電流超過額定電流，說明刀盤有卡阻現象；刀盤軸承處有輕微的“咔嗒”聲，說明軸承可能有損傷，應及時采取措施。

5.3 模板加熱棒故障的解決方法

模面熱切式造粒機的模板加熱法蘭使用電加熱，加熱棒處于24 h連續工作狀態，長時間滿負荷工作會直接導致加熱棒工作壽命降低。當控制畫面提示：“模板加熱電流錯誤”、“模板溫度低報”、“模板溫度低低報”時，模板電加熱棒可能出現故障。原設計的模板加熱法蘭共有10只加熱棒，每只加熱棒功率為1 050 W。對模板加熱法蘭進行改造，將加熱棒數量增加為16只均勻分布，每支功率為800 W。改造后，加熱棒壽命從3個月左右延長至半年無故障。

6 結 語

模面熱切式造粒機價格較高，但相比于傳統水下拉條切粒機，模面熱切式造粒機具有操作簡單、能耗低、噪音小、產品潔凈化程度高等優點，在改性聚酯PET產品的生產中具有特殊優勢。

本文通過實踐摸索和分析總結，得出模面熱切式造粒機在PET生產(特別是改性PET生產)中的異常和故障應對策略或方法：

1) 優化熔體負荷與切刀轉速的匹配、降低工藝水溫度，可以避免連粒料的產生；

2) 保證良好的保溫加熱效果、定期對模板模孔進行清理，可以避免小粒子產生；

3) 刀片安裝過程保持一致的預緊力、保持模板表面的光滑，可以避免拖尾粒子的產生；

4) 使用增壓銷對模板增壓，保證模板壓力8～12 MPa，可以滿足極低黏度產品的生產；

5) 對切刀刀片結構進行優化，可以避免自動磨刀失敗；

6) 定期檢查軸承運行狀態，可以避免“卡刀”故障；

7) 適當增加加熱棒數量，同時降低單只加熱棒功率，可以延長加熱棒運行周期。