PVC管材挤出温度的控制与优化

作者:   发布时间:2017/5/20 9:24:12   浏览次数:2954

根据各个加热段具体职能，用锥形双螺杆挤出机进行PVC-U挤出生产，其整个过程大致可分为加温、恒温、保温等三个区域。加温与恒温主要在挤出机内，以排气孔为界，划分为两个相对独立又相互关联的部分，保温区过程由合流芯、挤出模体及挤出口模等部分构成。在这里大家首先应清楚PVC-U挤出过程中有两种热源，一种是电加热器提供的外热，一种是由双螺杆对PVC-U物料进行剪切、压延和摩擦作用，以及PVC-U自身分之间的摩擦作用所产生的内热。两种热源在挤出的不同阶段发挥着不同的作用。温控装置控制的仅是外热。没有内热存在的挤出机头、口模部分的温度一般都容易控制(部分参数设计超常规的挤出模具，也会产生内热);有内热存在，剪切作用较强，但尚未超越物料塑化需求的压缩段和主要为排气服务的熔融段，相对亦比较稳定，也较易控制。剪切相对比较薄弱，主要依赖外加热，但外加热难以满足物料塑化需求的给料段(外加热功率配置较低的挤出机尤为突出);剪切热已超越物料塑化需求的计量段往往也不受温控装置的控制。因此在整个挤出过程的温度控制中，给料段、计量段是温度控制的重点和难点。挤出控制主体是物料温度，而不是螺筒和模具的温度。设定温度仅是手段，而显示温度在不同工况条件下，和物料温度又有不同的对应(给料段物料温度低于显示温度，计量段物料温度高于显示温度)关系，加上热电偶安装位置的关系，显示温度仅能部分反映物料温度，只是设定温度的依据和基准。下面具体说下各段的温度设置机理与重点。

1. 给料段温度：给料段是电加热器传递热给螺筒、显示的温度是该段螺筒的温度，并非是物料温度。物料温度往往远远低于显示温度。当物料通过给料螺杆刚进入挤出机时，温度仅有30℃—40℃左右，而螺杆产生的剪切热带来的物料温升距塑化(玻璃化)温度亦有很大的差距，同时物料经由压缩段，将通过排气孔，需要物料在加温区域完成由玻璃态向粘流态的转化过程，要求基本呈“橘皮状”，没有粉状物质存在，并紧紧包覆于螺槽表面，方不至被真空从排气孔抽出或堵塞排气孔，因此给料段的职能是重在外加热，设定温度应尽量高一些，以便电加热圈给物料提供足够的外热。此时电加热器启闭比较频繁，甚至不停顿工作。由于物料进入给料段，距离从口模挤出还有一段时间，加上为预防物料在加料口“架桥”或在机内“粘壁”，设定温度也不宜过高，应以显示温度185℃以上为宜。虽然给料段设定温度低一些，比如温度设定为170℃左右甚至更低，也能生产出内在质量达标的产品。但由于供给的外热比较少，过多依赖剪切热来提升熔体温度，对螺筒的磨损加大，会影响挤出机螺杆螺筒的使用寿命，是得不偿失的。通过我们长期在挤出设备维护中观察发现，仅经过一两年(有的甚至不到一年)使用，螺筒就发会生严重磨损，磨损大多都集中在压缩比比较大的双头螺绫过后的第一道单头螺绫或第二道单头螺绫部位以及计量段等较宽的工作区域，最大磨损量达2 mm～3mm，这时候挤出生产会出现黄线(因物料回流，在高温状态下停留时间过长造成)，如对间隙进行调整，又会因螺杆与螺筒局部尖点摩擦，制品出现黑线和设备发出异常响声，无法正常工作，只得更换螺筒与螺杆。这种现象的发生，分析起来尽管和制造厂家采用的钢材和热处理方法不当有密切的关系，但其重要要的一点原因也是因挤出温度设定过低，致使这些部位的剪切作用比较强而加剧磨损所致。给料段采用较高设定温度不仅有利于物料熔化，而且可以充分利用外热来减少剪切作用对挤出机的磨损。大量实践证明，在给料、挤出速度和计量段设定温度不变前提下，适当提高给料段的设定温度，可有效降低计量段显示温度与设定温度之间的温差，充分说明给料段温度在一定程度上发挥着调整剪切热的作用。

2. 压缩段温度：物料进入剪切作用较大的压缩段，在螺杆剪切力作用下，升温较快。设定温度高一些，有助于降低物料粘度，加快流动性，同给料段一样，可以减少剪切热的危害。

 3. 熔融段温度：熔融段的物料基本熔化，因螺槽容积的变化，(一般压缩比小于1 )，熔压骤然降低，可以发挥充分恒温和排气的职能。设定温度和压缩段保持一致或略高，有助于防止熔体降温，因熔体压力的降低会使熔体温度也呈下降的趋势。

4 .计量段温度：计量段显示的温度不是物料温度。仅是物料在剪切热作用下传递给螺筒的温度，物料温度往往高于显示温度。设定温度的目的不是为了提供外热，而主要是为了及时停止外加热，并利用螺筒冷却装置和螺杆油温度的适当调节来转移多余的热量，防止物料分解。有的磨损严重的螺筒这段的冷却装置，在设备开机不久就会处于长期工作状态才能勉强保持温度不上升。因此设定温度不宜过高，以显示温度≤l 85℃为宜。当挤出量过小，显示温度过低时，又可视情况适时提高螺筒、螺杆设定温度或给料速度以增加剪切。

 5 .合流芯及挤出模体温度：熔体进入合流芯，已完全呈熔体状态，并开始由变速变压的螺旋运动转变为匀速直线运动，并通过口模建立熔体压力，使温度、粘度和流动速度更趋均匀，为制品成型做最后的准备。由于改变运动方向，建立熔体压力需牺牲一定的能量为代价，同时该区域由剪切作用产生的内热已不复存在。因此温度设定宜高一些，以减缓物料的热损失。从本人查阅的大量行业文献来看，行业中对合流芯温度设定的意见分歧较大，有的人主张将合流芯温度设定在1 65℃～175℃之间，认为提高合流芯设定温度，会导致主机功率和型坯熔压降低，从而影响挤出制品的理化性能。经本人结合生产实际分析和试验证明，其实那是一个误区，因为提供或输出热量与否并不完全由设定温度高低来决定，主要和加热对象的实际温度和设定温度的差值有关。当设定温度远远大于物料温度时，如给料段物料温度那样，提高设定温度，可以给物料提供大量的外热;当设定温度小于物料温度时，不但没给物料加热，反而起着降温的作用。前面已经讲过，经过计量段的熔体实际温度是高于显示温度的，如果显示温度在185℃左右，那么物料温度也大致在190℃以上。合流芯及模体设定温度的目的不是为了加热，只是为了保护熔体热量不因合流芯和模体温度过低而被散失掉。同时熔体在机内被挤出时，靠近螺筒附近的熔体因与螺筒内壁摩擦，流动速度会低于熔体中心速度，发生所谓的“边际”效应。所以设定温度高一些，反而可有效调节熔体截面的流动速度。当设定温度低于合流芯部位熔体实际温度时，其熔体不仅得不到外热，反而会处于完全散热状态，表面熔体流动速度则会减慢，与芯部熔体发生不均衡流动，则会影响口模挤出制品成型质量。甚至在模具分流锥流通截面阻力大的部位，因物料滞留出现黄线。当然提高合流芯设定温度是针对计量段熔体温度而言的。合流芯设定温度过高，表面熔体流动过快，也会使截面流动速度不均衡。还有人认为(我公司大部分操作人员也是如此认为的)：合流芯温度设定高一些，会导致合流芯“糊料”。实际上合流芯发生“糊料”，主要是合流芯内壁光洁度过低，连接部位不平整或存在过渡抬肩，使物料发生滞留或者开机升温后，没有紧固连接螺栓，连接部位出现间隙造成的，并非设定温度过高所致。为了防止合流芯糊料，有意降低合流芯设定温度，无疑是不正确的，过低的合流芯温度反而会使靠近合流芯壁的物料因降温硬化而流动减慢，边角地方甚至不流动，造成因受热时间过长而分解糊料，产生适得其反的效果。

 6.口模温度：口模设定温度主要是为成型和调整流速及表面光亮度服务的，由于熔体进入口模，在分流锥导向下，已由圆柱体转化为呈产品需要形状的薄壁熔体，依靠外加热，也可以将型坯熔体温度均匀提升到最佳塑化度区域。因此、口模温度直接关系到产品的外在成型质量，值得指出的是，当挤出制品轻微塑化不良时，还可以通过适当提高口模温度来解决。但当挤出制品出现严重塑化不良时，过度依赖提高口模温度来解决也是不当的。会因表面温度过高，熔体从口模挤出，发生不均匀膨胀，同时也会因熔体压力的降低而改变设备内部的摩擦和剪切程度，反而加剧物料的塑化不良，这时候还是要通过螺筒各段的温度综合调节来解决。

7. 螺杆温度：螺杆温度的控制一般有两种装置，一种是螺杆自调温，利用热管对流原理，实施热量在螺杆内部的均衡交换，不用外加能量，但换热效率较低。我国目前在5 5型以下的锥形双螺杆挤出机大致都是这种配置;一种是外加热与冷却装置，通过外加能量调节螺杆加热区和恒温区的温度。螺杆温度的的设定，主要依据加温区和恒温区的设定与显示的温差来确定。其主要职能是辅助给料段加温或为计量段降温，平衡两者的温差(我们公司的双螺杆都是采用的这种装置)。从目前实际的挤出机情况和存在的问题来看，主要是发挥后者的作用。

 8. 工艺温度控制机理小结：挤出温度设定之所以要求为“马鞍型”，主要是为确保物料和熔体温度呈“阶梯型”，由低到高，始终处于平稳上升，均衡塑化状态，而不至于因物料在加温区域设定温度太低，物料至排气孔时还未能塑化，从排气孔冒料;在恒温区域因设定温度过高，导致物料发生降解。行业文献中有人主张将设定温度呈“阶梯型”设置，显然是一个误区。当显示温度处于受控状态时，外热和内热是可以相互调节和平衡的。在设定温度一定条件下，当因剪切作用大，内热较高时，外加热圈会自动减少工作时间和加热量，辅助以从外部提供风冷(或油冷)，内部提供油冷，进行冷却，以防止物料分解;当因剪切作用小，内热较低时，外热圈也会自动增加工作时间，从而自动保持所供热量和所需热量的平衡。提高设定温度，在增加外供热量的同时，因物料粘度减少，流动性增加，导致剪切热减少;反过来说，如果降低设定温度，在减少外供热量的同时，因物料粘度增加，流动性减少，导致剪切热增加。挤出机提供的能量总是和设定温度保持协调一致。并不因挤出机剪切性能强弱，挤出量大小而变化。在较高的加工温度、较低的剪切作用下，可获得与较低加工温度与较高的剪切作用下相同的塑化度。因此无论挤出机剪切性能强弱，挤出量大小，挤出工艺温度的设定应基本一致，不应当有太大的不同。这也是本人近期在参考了大量行业文献和充分考虑物料塑化的同时，兼顾如何利用外加热，减缓剪切热，在确保挤出制品塑化质量的基础上，减少螺筒磨损，延长其工作寿命的新思路。