影响单螺杆挤条机产量因素的探讨及解决策略.doc

影响单螺杆挤条机产量因素的探讨及解决策略
影响单螺杆挤条机产量因素的探讨及解决策略

摘要：卧式单螺杆挤条机是负载型催化剂成型的主要设备。螺杆的外形结构、表面参数、螺杆和机筒的间隙等对单螺杆挤条机的性能有着重要的影响。本文简单介绍了一些对卧式单螺杆挤条机产量影响较大的因素，挤条机螺杆磨损的机理，并对螺杆的修复工艺和修复材料进行了简单的介绍和对比。
关键字：单螺杆挤条机 螺杆 机筒 磨损机理 修复

前言：随着我国石油炼制和石油化工工业的发展，对各种催化剂的需求量日益增加。卧式单螺杆挤条机作为负载型催化剂生产中的关键设备，在生产中已经得到了广泛的应用。我车间目前在使用的卧式单螺杆挤条机有两种型号，一是美国BONNOT公司生产的6英寸卧式单螺杆挤条机，一是山东淄博三剂化工装备公司生产的DJ-150卧式单螺杆挤条机。目前，挤条产量已成为制约我车间生产产能的关键，因此，认清哪些是影响单螺杆挤条机生产产量的主要因素，如何提高挤条机的生产能力，是我们面临的一个重要问题。
1、 卧式单螺杆挤条机的基本结构
卧式单螺杆挤条机的典型结构见图-1。如图-1所示，卧式单螺杆挤条机主要由挤出系统，传动系统，控制系统，冷却系统四个部分组成。挤出系统主要包括螺杆、机筒；传动系统主要包括电机与传动装置；控制系统包括起停控制及频率控制；故障冷却系统主要由冷却水管道和腔室组成。

图-1：卧式单螺杆挤条机的结构
1-机座；2-孔板架；3-冷却水接管；4-机筒；5-螺杆； 6-喂料斗；7-齿轮箱；8-皮带轮；9-减速机；10-电机
卧式单螺杆挤条机的挤条能力主要和挤条机的功率、螺杆的直径大小有关。增大螺杆直径，单螺杆挤条机的生产能力显著增加，有资料表明，挤出量与螺杆直径的平方几乎成正比。但是，对于单台的卧式单螺杆挤条机，其挤出量除物料性质影响外，主要和螺杆的外形尺寸、表面参数、机筒的参数、螺杆与机筒的间隙等有关。
2、 螺杆的基本结构及主要参数
螺杆的主要结构见图-2

图-2：螺杆的主要结构
螺杆的主要参数有见表-1：
表-1 螺杆的主要参数
参数类型
表示符号
备注
螺杆直径
D
通常指螺杆的外径，目前我国挤出成型机的螺杆直径已经系列化
长径比
L/D
长径比指螺杆的有效长度与螺杆的直径之比
螺槽深度
h1和h2
反应出螺杆的输送量和对物料的压缩比
螺纹导程
t
沿同一条螺线旋转一周的轴向距离
螺距
s
轴向上两个螺棱之间的距离
螺纹头数
i
i＝t/ s
螺棱轴向宽度
e

螺纹升角
φ

根据螺杆在挤出过程中的固体输送理论1，可以知道螺杆影响固体输送的因素，并找到提高固体输送效率的方法。研究在螺杆挤出过程中的固体的输送方面的经典理论是达涅耳-莫尔理论，根据其理论，我们可以得出如下结论：
a、 螺杆的固体输送量Q与螺杆转速n和螺槽深度h1成正比关系，与螺杆直径的平方D2接近成正比的关系；
b、 如物料与螺杆的摩擦因数为fs，与机筒的摩擦因数为fb，则当fs/fb比值下降时，螺杆的输送角增大，固体输送量Q上升，可以提高固体的输送率；
c、 螺纹升角φ。理论计算表明，最佳螺纹升角随着摩擦因素的降低而增加，但是为了便于机加工，一般采用螺纹导程与螺杆直径相等的形式，此时φ＝17°41′；
d、 螺棱宽度e。e太小会削弱螺棱强度，同时使漏流量增加，导致产量Q降低；e太大，增加动力消耗，有局部过热危险， e值一般为螺杆直径的4％；
e、 螺杆与机筒的径向间隙δ。δ太大，则漏流量增加，固体输送量Q降低；δ太小，则螺杆容易与机筒发生摩擦损坏，甚至螺杆抱死，发生设备事故。
3、 生产中单螺杆挤条机挤出量降低的主要原因分析
对于一台生产中使用的单螺杆挤条机，其螺杆的主要尺寸参数都已经固定。但随着生产的进行，挤条机的挤出产量会逐渐降低。出现这种情况的原因是什么呢？在使用中，由于螺杆、机筒与物料之间会发生磨损，导致挤条机螺杆和机筒一些参数的改变。磨损机理研究中2，认为磨损主要可以分为以下5类，参见表-3：
表-3 磨损的类型和原因
序 号
磨损类型
磨损原因
1
黏性磨损
高应力下金属与金属的接触滑动，是一种微量切削过程
2
研磨磨损
较硬材料的尖利部分刺入较软材料体中并由于滑动而移走材料
3
片状磨损
界面层的多组分区域的剪切强度大于单组分区域，仅发生在界面的薄外层
4
表面疲劳磨损
由疲劳裂纹破裂或破碎引起，发生在两表面见滚动接触期间
5
腐蚀性磨损
滑动表面被化学反应腐蚀
挤条机在挤出物料过程中，发生的很重要的磨损机理是黏性磨损、研磨磨损和腐蚀磨损。黏性磨损主要是由于螺杆在重力的作用下下垂，当挤条机空转时，将在螺杆和机筒间发生金属对金属的接触，在螺杆的末端处，这种磨损达到最大；当挤条物料中含有分子筛时，由于分子筛中硅含量高，粒子硬度高，会导致挤条机螺杆和机筒的研磨磨损加剧而物料中的HNO3、NH4F等强腐蚀性介质，是导致挤条机螺杆产生腐蚀性磨损的原因。这几种磨损同时发生并互相作用，其磨损速度比单一的磨损快得多。
由于螺杆和机筒的磨损而发生改变的参数有：螺杆外径、机筒内径、物料与螺杆的摩擦因数fs。由于这些参数的改变，主要从以下两个方面的导致挤条机产量下降：
1、 螺杆外径由于磨损而减小，机筒内径由于磨损而增大，这两个参数的改变导致螺杆与机筒的径向间隙δ增大。在挤出过程中，由于清根螺栓、出料口模对物料的反压，会导致物料在机筒与螺杆的间隙中漏流。研究指出，漏流量Q′＝π2D2δ3tanφΔP/10μeL（μ为物料的运动粘度），与螺杆和机筒之间的间隙δ的三次方成正比3。新挤出机的机筒与螺杆的间隙比较小，而随着使用时间的延长，螺杆、机筒的磨损，使机筒与螺杆的间隙增大，漏流量也急剧增大，导致挤出机产量严重下降；
2、 螺杆表面由于磨损导致表面粗糙度增加，物料与螺杆的摩擦因数fs增加，使得螺杆的输送角减小，固体输送量Q下降。
4、 提升单螺杆挤出机产量的主要方法
挤出系统是决定单螺杆挤条机产量的关键。挤出系统主要包括螺杆和机筒。在生产中，由于螺杆和机筒磨损，往往会准备备用螺杆和机筒，在备用时，我们可以按照螺杆固体输送理论中提到的影响固体输送能力的一些螺杆和机筒的参数，在螺杆和机筒制造中提出相应的技术要求，来到达提高单螺杆挤出机产量的目的。在制造过程中，主要可以通过优化以下挤条机螺杆参数的方法来提高单螺杆挤条机的挤出产量，具体优化内容参见表-4。
表-4 优化螺杆参数以提升单螺杆挤条机产量
调整参数类型
优化方法
注意事项
螺槽深度h1
适当增大h1值
增大后会导致挤条机负荷增大
增大螺杆输送角
降低物料与螺杆的摩擦因数为fs，增大物料与机筒的摩擦因数为fb
常采用在机筒内沿轴向开凹槽以增加fb
调整螺纹升角φ
最佳螺纹升角随着摩擦因素的降低而增加
一般为便于加工，采取φ＝17°41′
机筒和螺杆间隙δ
选择合适的δ以增大挤条产量
δ不宜过大或者过小
新螺杆在使用一段时间之后，会发生磨损。在挤条物料中含有HNO3，尤其当其中加入NH4F、分子筛时，螺杆磨损会加快。螺杆、机筒磨损导致互相之间的间隙δ增加，同时螺杆表面的光洁度降低，从而使单螺杆挤条机的产量大幅下降。而由于更换新螺杆价格昂贵，不如对螺杆进行修复经济，因而在生产中，常需要对磨损的螺杆进行修复。
通过前述部分对挤条机螺杆磨损机理的分析，得出要使修复螺杆具有良好的使用效果和经济效果，就必须选择适当的修复工艺和适当的修复材料。表-5是几种螺杆修复工艺和修复材料的选择和效果对比：
表-5 使用不同材料和工艺修复后螺杆对比
序号
修复材料和修复工艺
修复技术要求、费用（元/根）
使用效果估计
实际使用情况
（吨/根）
1

原装螺杆

100
2
不锈钢焊条堆焊修复、车床加工
技术要求低 费用3500左右
修复后螺杆硬度低，耐磨性差，使用时间短，螺杆表面光滑度不高，挤条效果较原装螺杆差
50～60
3
不锈钢焊条修复后镀铬
技术要求高
费用6500左右
修复后螺杆硬度高（可达约70Rc），耐磨性好，耐腐蚀性不好（镀层薄，约35μm、多孔），表面光滑度高
待使用观察
4
不锈钢焊条修复后镀镍
技术要求高
费用5500左右
修复后螺杆硬度较高，耐磨性好，耐腐蚀性好（镀层稍厚，约45μm、均匀），表面光滑度高
待使用观察
5
表面喷涂硬化材料（镍或钴基材料）
技术要求高
修复后螺杆硬度较高，耐磨性好，耐腐蚀性好（涂层可达1～3mm、均匀），表面光滑度高
待使用观察
注：出于成本考虑和技术方面制约，我车间暂时均采用不锈钢焊条堆焊后车床加工的方法对挤条机螺杆进行修复，修复后的挤条机螺杆基本能达到原装螺杆的使用水平，但磨损较快，使用周期短。在今后将逐渐采用关于采用镀铬、镀镍、电喷涂表面硬化材料等技术修复螺杆，再考察其在生产中的具体应用情况。
5、 结论
单螺杆挤条机是加氢、重整催化剂重要的成型设备。了解影响单螺杆挤条机挤出产量的因素，对我们用好单螺杆挤条机、判断挤条机产量波动的原因、备用新挤条机螺杆时对技术参数做正确、有益的要求具有一定的指导意义。同时，通过对挤条机螺杆磨损机理的分析，对我们选择修复挤条机螺杆的工艺方法和材料可以起到一定的借鉴作用。

参考文献
1 张丽叶. 挤出成型. 北京:化学工业出版社, 2002,56～63
2 任冬云,吴大鸣,刘继红等译. 挤出过程的问题分析及解决方案.北京:化学工业出版社,24~44
3 王加龙. 热塑性塑料挤出生产技术. 北京:化学工业出版社,2003,44～46
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