用于解決同向平雙擠出機(jī)喂料限制的特殊進(jìn)料元件――設(shè)計(jì)特征及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2017-05-13 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要

強(qiáng)制喂料和饑餓喂料是眾所周知的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的加料方式。粉狀聚合物以及一些如滑石粉和云母這類的材料則很難喂入擠出機(jī)中。進(jìn)料段螺紋元件和側(cè)向加料段螺紋元件的結(jié)構(gòu)決定了擠出機(jī)的輸送能力和進(jìn)料能力。采用“FV”型元件(正在申請(qǐng)專利)中的單頭螺紋鏟型元件(Single Flight Shovel,SFV)、三頭螺紋鏟型元件(Triple Flight Shovel,TFV)和常規(guī)螺棱鏟型元件(Regular Flight Shovel,RFV)可解決進(jìn)料能力低的問(wèn)題。螺棱設(shè)計(jì)成像雪鏟車的工作原理一樣從物料中鏟過(guò)。相較于Erdmenger型和Schubkanten型螺紋元件,本文討論了“FV”型元件喂料能力的提升情況。

引言

早期的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)都是淺螺槽,采用加料斗供料,與注塑機(jī)或單螺桿擠出機(jī)的方式相同。隨著技術(shù)進(jìn)步,螺槽加深,因而需要采用不同的方法向擠出機(jī)供料,這種方法是饑餓喂料。該方法是由額外的加料裝置向擠出機(jī)供入穩(wěn)定的物料流。料斗不再是一個(gè)盛裝物料的容器,而是物料進(jìn)入擠出機(jī)所經(jīng)過(guò)的一個(gè)腔體。在加入不含任何填料的聚合物時(shí),物料加料速率通常是擠出機(jī)總的體積容量的幾分之一。如果不施加控制,這種情況會(huì)導(dǎo)致機(jī)械零部件的損壞。這種情況下,限制因素是可用扭矩。近年來(lái),出現(xiàn)了一些采用低松密度材料的應(yīng)用,如聚合物粉末、木粉、滑石粉、云母片、氣相法白炭黑、精細(xì)碳等等。在這些應(yīng)用中,擠出機(jī)的吃料能力是限制因素。如果達(dá)到了進(jìn)料極限,大量的物料會(huì)返回料斗,料斗很快就會(huì)填滿。過(guò)去幾位研究人員探討了這一問(wèn)題。Stropole和Wolfe曾表示:“在聚合物配混過(guò)程中,產(chǎn)量的限制因素不是混煉能力,而是填料進(jìn)料區(qū)的容積限制,因?yàn)樘盍系乃擅芏刃〔⒕哂辛鲬B(tài)化性質(zhì)”[1]。螺桿速度、自由面積、螺距、松密度是影響加料段的主要因素[2]。Schüler認(rèn)為,隨著應(yīng)用量增加,“所有進(jìn)料工藝都存在體積限制因素”[3]。

圖1加料段螺桿配置

喂料、熔融、排氣、混合和計(jì)量是配混擠出機(jī)的重要加工區(qū)域。擠出機(jī)喂料段的功能是輸送并壓實(shí)松散物料。在松散物料的壓實(shí)過(guò)程中,卷入物料中的空氣被排出。卷入的空氣需要一個(gè)通道排放。如果料斗填滿,空氣沒(méi)有排放通道,會(huì)進(jìn)一步降低擠出機(jī)的進(jìn)料能力。帶有填滿粉料的料斗的加料段其加料能力遠(yuǎn)低于缺料料斗,因?yàn)榫砣氲目諝庖莩鰰r(shí)增加了粉料流動(dòng)性。幾位研究人員模擬了受螺桿作用時(shí)粒料的行為。Vlcek等人模擬了固體顆粒在機(jī)筒和螺桿表面摩擦拖曳力作用下的固體輸送機(jī)理[4]。就材料自身的行為而言,Prescott和Barnum認(rèn)為,粉料的流動(dòng)能力是物料物理性能和用于處理、儲(chǔ)存或加工物料的設(shè)備綜合影響的結(jié)果[5]。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比了Erdmenger型螺紋元件(圖2),Schubkanten型螺紋元件(圖3)和SFV型螺紋元件(圖4)的性能,并在結(jié)果中給出了與標(biāo)準(zhǔn)Erdmenger型螺紋元件和Schubkanten型螺紋元件相比SFV螺紋元件的進(jìn)料能力。

圖2Erdmenger型雙頭螺紋元件

圖3Schubkanten型螺紋元件

圖4 SFV型螺紋元件

擠出機(jī)結(jié)構(gòu)

本研究所用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒直徑為40 mm。螺紋元件的外徑相同,均為39.70 mm。擠出機(jī)D/d(大小徑比)為1.71。螺桿和機(jī)筒之間的間隙為每邊0.15 mm,螺紋元件與螺紋元件之間的間隙為0.19 mm。Erdmenger型兩頭螺紋元件、Schubkanten(SK)型螺紋元件和SFV型螺紋元件的導(dǎo)程分別為60 mm、60mm和40 mm。

圖5用于強(qiáng)制喂料的TFV型螺紋元件

圖6用于側(cè)向加料段的RFV型螺紋元件

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以粉狀LLDPE作為基礎(chǔ)樹(shù)脂進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。LLDPE粉料采用粉碎工藝制備。LLDPE的熔體流動(dòng)指數(shù)為50?；圩鳛樘盍?其松密度為0.37 g/cc,中值粒徑為3.38μm,如圖7所示。材料配方為49% LLDPE,50%滑石粉和1% PE蠟。使用高速混合機(jī)將這些材料進(jìn)行了充分混合。采用重量計(jì)量加料器將預(yù)混料加入擠出機(jī),加料精度在1%內(nèi)(2西格瑪置信水平)。并記錄了各類加料段螺紋元件在料斗出現(xiàn)溢料時(shí)的實(shí)際產(chǎn)量。

圖7滑石粉的SEM照片

以螺桿轉(zhuǎn)速為300、600、900和1000 RPM進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并記錄了在每一組螺桿速度下擠出機(jī)的功率消耗,列于表1、表2和表3中。如圖1所示,僅改變了短導(dǎo)程密封元件之前的由頭6個(gè)螺紋元件構(gòu)成的加料段。在下游區(qū)域采用了混合元件,以達(dá)到可以接受的產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)果與討論

在?40雙螺桿同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)的加料段用圖2、圖3和圖4所示的三類螺紋元件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),測(cè)量了不同螺桿轉(zhuǎn)速下的產(chǎn)量并列于表1、表2和表3中。表中還列出了可用功率以及在加料段采用不同螺紋元件的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的使用功率。從表1可看出,采用SFV螺紋元件時(shí),該應(yīng)用達(dá)到了扭矩極限。采用新型加料元件,其進(jìn)料能力幾乎可達(dá)到普通加料元件的3倍。扭矩利用率的提高改善了工藝過(guò)程中的比機(jī)械能輸入,如表1所示。計(jì)算加料能力的公式為:加料能力=自由面積x導(dǎo)程x螺桿速度x松密度x輸送效率x填充度。

圖8采用玻璃壁的透明擠出機(jī)

由于“自由面積”和“導(dǎo)程”都與機(jī)筒直徑(D)相關(guān),所以可以看到,擠出機(jī)的加料能力隨機(jī)筒直徑(D)的立方變化。對(duì)于40mm擠出機(jī),自由面積為10 cm2。對(duì)于60mm導(dǎo)程加料元件,材料松密度為0.37,效率為100%,填充度為1,(螺桿轉(zhuǎn)速為300 RPM時(shí))其加料能力可達(dá)400 kg/h。采用圖8所示的玻璃壁透明擠出機(jī)獲得了如下結(jié)果。在加入摩擦系數(shù)較低(約0.2)的滑石粉時(shí),對(duì)于普通加料元件,如Erdmenger型螺紋元件和Schubkanten型(SK)螺紋元件,如果填充度低于0.35,輸送效率一般約為20%。因此,可達(dá)到的總體效率僅約為5~7%。一旦加料段被填滿(填充度= 1.0)或料斗溢出,由于卷入的空氣通過(guò)料斗逸出擾動(dòng)粒子,輸送效率會(huì)進(jìn)一步降低。

在加入摩擦系數(shù)中等(約0.4)的大多數(shù)其它聚合物時(shí),即使在較高的填充度下,輸送效率也可達(dá)30%。采用方解石時(shí)(摩擦系數(shù)為0.74),在高填充度下其輸送效率最高(約50%)。對(duì)于這些物料,填充度升高不會(huì)顯著降低輸送效率。因此,當(dāng)螺槽完全充滿時(shí)其加料能力最大。這就是對(duì)于大多數(shù)聚合物來(lái)說(shuō)滿料斗往往會(huì)導(dǎo)致扭矩過(guò)載的原因。

用PET碎片進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn),采用TFV螺紋元件(圖5)進(jìn)行強(qiáng)制加料(或填塞式進(jìn)料),RFV螺紋元件(圖6)用于側(cè)向加料(用于加入云母、滑石粉或碳粉)。這些試驗(yàn)表明,兩種情況下的加料能力提升幅度相同(改善幅度超過(guò)100%)

表1在擠出機(jī)加料段采用SFV型螺紋元件

表2在擠出機(jī)加料段采用Schubkanten型螺紋元件

表3在擠出機(jī)加料段采用Erdmenger型螺紋元件

提高輸送速率的機(jī)理

采用與雪鏟相似的工作原理是輸送速率大幅提升的原因。鏟子相對(duì)于表面的角度對(duì)物料是向前移動(dòng)還是側(cè)向移動(dòng)具有巨大的影響。雪鏟的作用是使物料向側(cè)向移動(dòng),這與FV改進(jìn)元件的工作目的不同。如果在前行方向上雪鏟面向下(同時(shí)小角度垂直于運(yùn)動(dòng)方向),就可成功地將物料推向一側(cè)。另一方面,如果其正面朝向物料,則物料不會(huì)被推向側(cè)面,而是被推動(dòng)前行。普通Erdmenger型螺紋元件和Schubkanten型螺紋元件的工作原理與標(biāo)準(zhǔn)雪鏟相同,將物料推向側(cè)面,而非向前推送。FV改進(jìn)螺紋元件可以將物料向前推送,從而大幅提升了輸送速率。

盡管這些元件一般用于加料區(qū),此時(shí)固體物料還沒(méi)有形成熔體,但它們也可用于物料熔融后的各個(gè)部分充滿區(qū)。這是因?yàn)槲锪狭鲃?dòng)自身會(huì)產(chǎn)生清潔效應(yīng)。重要的是,自擦式輪廓不是總能進(jìn)行清潔,因?yàn)榍鍧嵾^(guò)程中需要將物料向前推送。如果物料被向后方或徑向推送,就不會(huì)有清潔作用。

結(jié)論

FV改進(jìn)螺紋元件(正在申請(qǐng)專利)可以將大多數(shù)受加料限制的應(yīng)用場(chǎng)合轉(zhuǎn)變?yōu)槭芘ぞ叵拗频膽?yīng)用場(chǎng)合,從而提高擠出機(jī)的效率。由于比機(jī)械能輸入降低,效率提高,進(jìn)一步增加了擠出機(jī)的產(chǎn)能。這些螺紋元件用于增強(qiáng)加料段、側(cè)向加料段或排氣段的輸送能力。

本文作者:Babu Padmanabhan, SteerAmerica Inc, Uniontown, USA Chetan Chincholi Jayanth, STEER Engineering Private Ltd, Bangalore, India