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试析70000t/a大型挤压造粒机组关键技术

2020-09-15 879 上传者：管理员

摘要：对目前聚烯烃挤压造粒装置现状进行了阐述,并对南京越升7万t/年挤压造粒装置中关键技术点进行了浅析,为以后大型混炼挤压造粒机组设计、制作以及安装提供参考。

关键词：
化工工业
同向双螺杆
大型挤压造粒机组
有机化工
水下切粒
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近年来,塑料制品在日常生活中扮演着越来越重要的角色,我国塑料工业也进入快速发展时期。乙烯/丙烯是发展合成树脂、合成橡胶、合成纤维的基础原料,乙烯的产量亦是衡量一个国家石油化工发展水平的一个重要的标准。2015～2018年,中国聚丙烯行业产能整体呈现出爆发增长态势,2015年聚丙烯产能仅为1766万t/年,但截至2018年末,中国聚丙烯产能已达到2258万t/年,新增产能为493万t/年。未来几年,我国更是拟建多套乙烯化工工程,我国将在在全球塑料工业中占据越来越重要的地位。

1、大型挤压造粒机组发展现状

大型挤压造粒机组是将乙烯工程中反应聚合的聚乙烯/聚丙烯树脂,根据客户不同的工艺要求,进行混炼、熔融、稳定挤出造粒的大型生产设备,是聚烯烃工程中关键设备。大型混炼挤压造粒机组设计制造困难,是机、电、仪高度集成的成套化生产装备。在很长的一段历史时间中,大型混炼挤压造粒机组一直被国外垄断,造成国内采购、维护成本高,国内聚烯烃工业发展受制于人。

大型混炼挤压造粒机组,目前国内石化企业中应用主要有三种形式:

1.1大型同向双螺杆挤压造粒机组

如图1,同向双螺杆挤压造粒机组型式为:双螺杆挤出机→节流开车阀→熔体泵(可去除)→过滤器→切粒系统→辅助系统。双螺杆挤压造粒机组的优势在于螺杆为积木式结构,可以随意更换螺杆组合,适用物料范围更广,螺杆检维修方便。劣势在于同向双螺杆(图2)减速箱由于低速、重载、窄中心距的特性,因此设计困难,制造工艺复杂,检维修复杂。

图1南京越升SAT-175大型混炼挤压造粒机组

图2大型同向平行双螺杆

1.2大型异向双转子混炼挤压造粒机组

如图3,大型异向双转子混炼挤压造粒机组采用“L”型排列,混炼部分采用双转子结构型式,其下游设备与同向双螺杆挤压造粒机组相似。双转子采用两端支撑型式,双转子直径较大,可以承受较大的扭矩如图4。目前国内主要应用于PE物料的加工,优势为:减速箱设计制造简单,双侧支撑双转子运行稳定,特别是适合超高分子量物料的加工。劣势在于:双转子加工制造困难,物料适用范围窄,双转子结构不可调节。

图3日本神钢LCM大型双转子造粒机组

图4日本神钢LCM机组转子模型图

1.3大型单螺杆挤压造粒机组

大型单螺杆挤压造粒机组主要适用于LDPE的熔融造粒,在近些年新建聚烯烃项目较为少见,主要供货商为Berstorff,Kobelco,JSW等。单螺杆制造工艺简单,熔融能力较双螺杆或双转子结构型式弱,且螺杆结构更改困难。

目前,在全球范围内,仅有寥寥几家公司具备大型混炼造粒机组的供货能力,分别是德国Coperion,日本JSW,日本Kobelco,中国大连橡塑等几家公司。南京越升为印度尼西亚大型石化企业制备7万t混炼挤压造粒机组于2019年10月顺利开机,代表着南京越升具备大型混炼挤压造粒机组的设备、安装、调试的整套能力,在项目实施过程中,亦是攻克了机、电、仪中的一道道难关,为国产化大型装备贡献一份力量。

2、高扭矩减速箱

众所周知,减速箱是大型同向双螺杆的核心部件,其承载能力对产量、设备的稳定运行起着决定性的作用。由于同向双螺杆窄中心距、低速、重载的特性,其结构设计尤为复杂,制造困难。此套SAT-175大型同向双螺杆齿轮箱设计比扭矩为12Nm/cm3。

根据客户要求,最高螺杆转速为400r/min,最高可匹配电机功率为:

此套机组实际配备电机功率为2000kW,设备扭矩余量较大,为设备稳定运行提供了坚实基础。

本文就减速箱几个关键点做如下阐述:

SAT-175大型同向双螺杆挤压造粒机组减速箱为自主设计,减速箱采用4层铸件箱体结构,方便了整体的安装以及维护。扭矩传递采用一分二,二合一结构,利用两套过渡齿轮轴传递扭矩,大大提高了减速箱的承载能力。

为减轻齿轮的冲击振动和噪声,减小振动载荷,改善齿面的工作状况,延长工作寿命,所有轮齿进行了齿廓和齿向修型如图5、图6。事实证明,此套减速箱运行稳定,振动极小。

图5齿轮修型数据1

3、联轴器

如图7、图8联轴器连接于主电机和齿轮箱之间,作为传递扭矩的关键零部件,其稳定性至关重要,此套7万t/年造粒装置采用德国进口扭矩限制器,在扭矩达到设定值时,联轴器自动脱开,断开主电机传动,从而保护减速箱以及混炼系统的安全。

此联轴器搭载球形销钉扭矩限制器,扭矩设定值17000N.m,可允许最大扭矩值23000N.m。此联轴器主要有以下特点:

(1)连接端为剖分式轮毂,安装方便;

(2)扭矩限制设定值通过弹簧压力调整,利用专用工具设定,操作简单方便;

(3)扭矩限制为球形+弹簧结构,一旦联轴器过载保护,复位简单便捷;

(4)检修维护方便,更换易损件简单快捷。

4、螺杆、机筒

螺杆、机筒作为混炼系统的核心部件,其寿命及稳定性对大型造粒机组至关重要。原则上设备在无检修计划内不允许停车,故而对螺杆结构设计、机筒流道设计,材料选择以及加工都有着极高的要求,如图9、图10、图11。

图6齿轮修型数据2

图7联轴器外形图

图9输送元件

图8联轴器结构图

图10啮合元件

螺杆由芯轴、螺纹原件、螺杆头三部组成。螺杆组合的排列为积木式结构,不同导程,不同种类的螺纹元件按序列依次排列。主要由以下几种螺纹元件。

输送元件的主要作用为输送物料,不同导程的输送元件用于不同的位置。由于螺杆端面形状固定,故导程越大,相对自由容积越大,物料充满度越低。大导程螺纹元件应用于加料口和排气段位置。小导程螺纹元件主要用于物料的进一步塑化和机筒出口的建压。

按旋转方向分,啮合元件分为正向啮合元件和反向啮合元件,其输送效率非常低,主要功能为塑化和分散,不同啮合块分度角、不同啮合块单片厚度对塑化和分散的效果有较大的区别。有试验证明,单片厚度越大,分度角越大,分散和塑化效果越好。在不同的位置放置不同型式的啮合元件,以适应不同物料的加工,此点也是同向双螺杆的一大优势。

反向输送元件由于螺棱旋转方向和输送元件相反,对物料的输送方向亦是相反。物料经熔融后到达反向输送元件时遇阻,物料只能由反向螺纹元件和机筒之间的间隙通过,对物料的混炼强度起到调节作用。

螺杆组合的排布对主电机电流,物料熔融指数变化,物理性能参数等有较大的影响。此套机组SAT-175螺杆组合基于自身多年实践经验排布,从目前实际运行状态来看,螺杆组合的排布是非常成功的,物料整体表观质量良好,熔融指数变化和鱼眼量均在标准范围内。以薄膜料MAS4508为例,粉末熔融指数为8±1.5g/10min,经检测,颗粒熔融指数为7.5～8.4g/10min。

机筒装置在实际安装使用过程中,最容易出现的问题就是由于温度变化引起的机筒翘曲变形。国内很多石化装置中均有出现过类似的现象。引起机筒翘曲变形的原因很多,最主要的原因为机筒加热时,机筒温度不均造成的金属延展不一致。此套装置在设计过程中,针对最容易变形的机筒位置采取了油加热,使机筒温度均一。经过现场实际升温发现,整套机筒延展平整,无明显翘曲变形。螺杆转动无任何异响,包括减速箱在内,振动极小。

图11反向输送元件

5、水下切粒装置

本套机组采用德国Nordson水下切粒系统。设计产能:10t/hr.。

针对水下切粒系统容易出现的问题,现浅析如下:

5.1开机工艺复杂,不好开车,易缠刀

有很多装置在实际开车过程中,不易开车,切刀容易缠刀,尤其是对刚开始使用水下切粒装置的业主。主要原因是水、刀、料、模板温度没有掌握好。对于一些比较难开的物料,尤其是高熔指物料,开车工艺更加复杂,往往1s以内的时间都能决定开车是否成功。Nordson的工艺将开车阀移至模板前端,换向阀工作后,熔体进入模板的时间更加精确,更加容易控制,开车工艺更加简单。

5.2颗粒粒形不好,大小粒,拖尾粒等

颗粒粒形不好,绝大部分因素是因为模板温度不合理。颗粒大小粒的现象主要由两个方面:一是,模板温度不均;二是,模板堵塞。为解决这一现象,模板采用导热油加热,经实际测量,模板温度均匀性在3℃以内。模板堵塞时,需要将模板拆卸,利用真空炉进行煅烧,将杂质彻底清理干净。

拖尾粒是在切粒项目中比较常见的。主要原因是切刀与模板贴合不好,或者切刀刀刃和模板孔忍不够锋利造成。切刀锋利度可以通过肉眼进行检查。切刀贴合不好大部分原因为磨刀不彻底,或者安装精度不够。Nordson为解决切刀贴合的问题,将刀盘做成挠性结构,大大降低了对安装精度的要求,实际操作更加简单。

5.3切刀磨损较快

切刀磨损过快大部分原因在于切刀顶住模板的压力较大或者材料原因。在大型石化装备中,大部分切粒机采用气液转换系统,利用常规起源,经过气液转换系统得到较高的油压,尽管切粒机配置液压锁紧装置,但是每次切刀补偿移动时的压力仍是一个关键点。此套机组采用单独液压系统驱动,并且油压调节采用双路信号反馈系统,及时调整实际压力,可以将压力调整非常精准。目前的一盘切刀的寿命在2～3个月。

5.4粉末处理

粉末是每个挤压造粒系统中避免不了的一个问题,即使上面各个环节都控制的很好,但是仍然不能保证粉末的产生。再加上设备产量较大,所以颗粒水的粉末处理一直是一个比较头疼的问题。

Nordson颗粒水系统配备了一套转鼓清理系统,颗粒水在未进入水箱之前,先进入转鼓,转鼓表面配有过滤网,当转鼓内外液位差达到设定值时,转鼓转动,利用冲洗装置将粉末清理出来。此亦为Nordson公司专利技术。

6、设备安装

大型混炼造粒机组的安装和普通小型双螺杆挤出装备不同,因为设备主体较重,电机扭矩较大,设备必须坐落在经过校核的水泥基础上,并符合设备的动载荷和静载荷要求。再者设备地脚螺栓必须浇灌在水泥基础内。一次灌浆结束后,为避免调整垫铁经过长时间振动下沉的可能性,最好进行设备二次灌浆,以消除设备位移造成尺寸变化,进而对装置造成破坏,影响设备的稳定运行。

在整个安装过程中,设备的找正是重中之重,也是设备能否稳定运行的核心。需要有经验的工程师进行。整个关键核心就是减速箱、机筒、后续装置的找正,找正精度须达到0.05mm/m。

7、电气、仪表

电气、仪表系统可以说是整套挤压造粒装置的灵魂,也是最能衡量一个企业是否具有大型挤压造粒装置成套能力的关键。正如前文所说,大型挤压造粒装置的基本要求为无计划不可停机。所以对电气系统要求极高,包含信号采集,远距离信号传输,程序连锁点报警控制等。

此套生产线严格按照化工标准以及国家标准对安全区和Zone22区设备设计、制作,目前整条生产线运行良好,设备信号采集以及连锁正常运行,达到了最初的设计要求。

综上所述,大型混炼挤压造粒装置是机械、电气、仪表高度集成的成套装置。对设计、制造和安装团队要求极高。目前,7万t/年装置的成功运行,也标志着南京越升具备了整套装置的供货能力,同时,我方也希望为国家石化装备事业做一份自己的贡献。

张新超,陈志强.70000t/a大型挤压造粒机组技术点浅析[J].橡塑技术与装备,2020,46(18):26-30.