挤压 | 8分钟读

如何获得最佳性能&挤出生产线的效率,第一部分


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要实现我喜欢的高效挤压,必须做很多事情。为了获得高质量,稳定的过程,您需要好的人来运行生产线并管理运营。设备必须处于良好状态,应制定全面的预防性维护计划,并且设备设计应允许有效运行。高效挤出需要良好的制造纪律,人们要注意细节,并始终在设法改进工艺。成功的挤出并不是正确地做两三件事—it’关于正确地做几百件事。

 

三个M’s

高效挤出需要适当的仪器。在这里,最关键的过程变量是“the three M’s”:熔体压力,熔体温度和电动机负载。它们是挤出过程的重要标志。必须对其进行连续的测量和监控。还应该测量和监视以下参数:

  • 机筒和模具温度
  • 螺杆转速
  • 每个加热或冷却区域的功耗,
  • 环境温度
  • 相对湿度,
  • 进入挤出机的原料温度,
  • 进入挤出机的原料的水分含量(如果吸湿),
  • 冷却水通过进料箱的流量,
  • 进水口的进水温度
  • 进水口的出水温度,
  • 排气口的真空度(如果适用)。 

 

进料水流速加上入口和出口温度可以定量确定发生的冷却量。如果进料箱中的冷却通道积聚有钙沉积物,则传热会逐渐变差,从而严重影响挤出机的性能。如果未测量进料壳体的冷却速率,则很难将挤出机性能的下降与进料壳体中不良的传热联系起来。

 

获取数据

数据采集​​(DA)功能对于开发可靠的挤出过程,保持过程一致性,优化过程以及有效地进行故障排除至关重要。幸运的是,今天’廉价的计算机和广泛可用的DA软件可以在现有的挤出生产线上安装功能强大的DA系统。不幸的是(神秘地),相对较少的处理器可以利用此功能。

最近,我与一个处理器一起在相对较旧的挤出生产线上安装了基于PC的DA系统。 DA系统的成本不到20,000美元。在大约三个月内,这条线上的废品率从大约15%下降到5%。结果,DA系统在短短几个月内就收回了成本,现在允许处理器在每条线上始终以显着降低的报废率运行。

降低了废品率,因为使用DA系统可以以前所未有的方式优化工艺。另外,可以在实际生产不合格产品之前立即找出并纠正可能导致不合格产品的问题。这不是航天科技!它只是使用易于使用的工具并有效地使用它们。只要旧的挤出生产线得到良好维护,并具有良好的仪器和控制能力以及DA功能,通常就能生产出优质的产品。

进料的稠度和进料到挤出机的流动对于实现工艺稳定性至关重要。进料的变化(例如,不同水平的再生料)总是导致挤出过程的变化。甚至看似较小的问题(例如颗粒大小分布)也会影响该过程。通常,较窄的颗粒尺寸分布将增强挤出过程的稳定性。

 

进料选项

基本的喂养方法有两种:洪水喂养和饥饿喂养。在溢流进料中,给料斗被填充到一定水平,物料以质量流的形式(大部分时间)流向挤出机,并且挤出机会吸收尽可能多的物料。螺钉通道往往几乎立即被完全充满(见图1)。结果,在溢流进给中,螺杆的有效长度与螺杆的飞行长度或多或少相同。

在缺乏进料的情况下,通过进料装置将聚合物计量加入挤出机中(图2)。料斗中没有堆积;取而代之的是,物料直接掉入螺旋槽,螺旋槽在进料口处仅部分充满。随着物料向前输送,螺杆通道将在进料下游一定距离处完全充满。

结果,在饥饿进给中,螺杆的有效长度小于螺杆的螺纹长度。一个重要的优点是可以在挤出机运行时调节有效螺杆长度。与有效长度不可调节的洪水进给相比,它可以进行更广泛的过程控制。仅在挤出机足够长以实现完全熔融和有效混合的情况下,饥饿进料才是有益的。因此,饥饿的进料通常不能改善短(25D长)挤出机的工艺。饥饿的进料需要一个进料器,但它可以降低电动机负载,熔融温度以及料斗中的团聚,桥接和离析的机会。

饥饿的进料允许一定程度的工艺优化,这是洪水进料无法实现的。图3显示了管道挤出操作的示例,其中在几个填充水平下测量了壁厚变化。百分之一百的填充量代表洪水。而小于该值则表示饥饿。填充百分比是相对于洪水进料速度的实际进料速度。

显然,最小化壁厚变化的最佳工艺条件约为98%填充。最佳饥饿程度下的壁厚变化大约是洪水供应时的一半。这意味着在最佳条件下,可以使用较少的材料,因为可以将管壁的厚度制作成更接近最小值。在这种情况下,仅材料节省一项每年就可节省约100,000美元。

工厂的环境在挤压过程中也起着重要作用。室温和相对湿度的变化会影响该过程。气流也可以:打开门或窗户会改变挤出机周围的传热条件,并引起工艺转移。在挤出机附近打开或关闭风扇会导致类似的过程更改。由于这种性质的事件通常不会显示在仪表板上,因此可能不容易找到这种过程变化的根源。

 

螺丝速度& BARREL SETTINGS

当螺杆提供大约80%至90%的能量来加热和熔化塑料时,挤出机的运行效率最高。在这种情况下,桶形加热器可提供10%至20%的额外热量。有时,螺丝会提供加热和熔化塑料所需的能量的100%以上。我们可以称之为“hyperactive”拧。在此需要机筒冷却以控制温度。

桶式冷却是不理想的,因为它浪费了能量,当然,能量不是免费的。图4显示了以kWh / kg为单位的单位能耗(SEC)如何随螺杆转速变化。每种塑料对加热和熔化都有一定的比能量要求。对于半结晶塑料,该值约为0.15 kWh / kg,对于无定形聚合物,该值约为0.10 kWh / kg。

图4中的曲线表示由螺杆进行的摩擦和粘性加热的组合。尽管此术语并非严格正确,但通常称为剪切加热。在低螺杆速度下,螺杆的加热较低,并且桶形加热器必须做出很大贡献。在较高的螺杆速度下,大部分热量(80%至90%)由螺杆产生—这是首选的工作范围。

当螺杆速度进一步提高时,它越过表示塑料的SEC要求的水平线。该交叉点称为自生挤出点。此时,所有热量都由螺杆产生,桶形加热器不再需要提供热量。超出此自发点,螺钉产生的热量超过了必要—它变得活跃。当螺杆速度增加到超过交叉点时,机筒需要冷却以消除螺杆提供的多余热量。
当机筒冷却时,由于热量从机筒内部流到外部,因此挤出机中的熔体温度将高于机筒温度设定点。当进行少量冷却时,熔体温度可能为10° to 50°F高于设定值。在中等冷却量下,熔体温度可能为50° to 100°F高于设定值。始终进行全风冷却时,实际熔体温度可能为100° to 150°F高于设定点,甚至更高。由于通常无法测量此时的熔融温度,因此大多数加工商没有意识到这种情况可能是有害的。

重要的是要了解,冷却的必要意味着塑料的过热。这增加了降解塑料并产生黑色斑点,凝胶和变色的风险。它还降低了模头出口处的熔体强度,并使挤出物更难以冷却。使用机筒冷却来运行挤出机就像在踩刹车踏板时驾驶汽车—它浪费能量并导致过度磨损。

高效挤出需要仔细优化料筒温度。许多公司对机筒温度曲线没有给予足够的重视。有多种设置机筒温度的方法。机筒温度优化的有效方法是动态优化(请参阅Plastics 技术,2008年5月,第72页,或访问ptonline.com)。该方法涉及设定值的大变化,以及跟踪实际温度和压力变化如何随时间变化。图5显示了将设定值从390 F降低到300 F时压力变化随温度的变化。

在上面显示的情况下,机筒区域1的最佳设定点约为330F。这种查找最佳设定点的方法比对设定点进行小幅更改并等待挤出机对设定值的这种变化做出反应要快。对于大型挤出机,机器可能需要30分钟或更长时间来响应设定值的变化。如果进行了六次更改,则挤出机可能很容易需要三个小时或更长时间才能对这些更改做出反应。

 

关于作者

克里斯·劳文达(Chris Rauwendaal)在挤出领域已经工作了37多年。他在加利福尼亚州奥本市领导自己的工程公司,该公司提供定制螺钉和模具,培训以及过程故障排除服务。作者欢迎读者’通过电子邮件将问题或评论发送至chris@rauwendaal.com。

 

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