[摘 要： 本文對水下切粒機的模板進行了深入的介紹和研究，利用先進的模擬軟件對國產(chǎn)化的模板進行模擬和校核，使國產(chǎn)化模板結構機參數(shù)更加優(yōu)化，達到了良好的使用效果。
關鍵詞：水下切粒；模板；擠壓造粒機組；國產(chǎn)化
目前，大部分煤制烯烴項目的主要產(chǎn)品為聚乙烯和聚丙烯，聚烯烴造粒過程是煤制烯烴產(chǎn)品的最后一道重要工序，其運行狀況直接影響到烯烴產(chǎn)品的優(yōu)劣與其在市場上的競爭力。目前，我國擠壓造粒機組基本都是從德國WP公司、日本制鋼所(JSW)、日本神戶制鋼所(Kobe)和美國法雷爾(Farrel)等公司引進，國內(nèi)大型擠壓造粒機組市場長期被國外廠商所壟斷。近年來，大連橡塑先后成功研制并交付使用了10萬噸/年、15萬噸/年、20萬噸/年聚丙烯及25萬噸/年聚乙烯等多種規(guī)格型號的大型擠壓造粒機組，打破了由國外企業(yè)壟斷國內(nèi)大型擠壓造粒機組的市場格局。
水下切粒單元作為擠壓造粒流程的重要環(huán)節(jié)，直接影響產(chǎn)品質量。對水下造粒單元的核心部件的研究具有實際意義。國內(nèi)已有數(shù)家企業(yè)已實現(xiàn)了模板及切刀的國產(chǎn)化，運行中的性能及壽命已經(jīng)可以與進口產(chǎn)品比肩。本文將對水下切粒機模板進行介紹和研究,并對國產(chǎn)化的模板進行一些介紹。
1、水下切粒機概述
傳統(tǒng)的廢塑料回收擠出造粒機的工作原理為通過單階式或雙階式擠出機，將塑料熔融過濾，擠出拉條，再經(jīng)冷卻固化后切粒。水下切粒機是在不用拉條或不能拉條的條件下，在熔體擠出模面的瞬間與冷卻水接觸并直接切粒的一種新型機械，熔體切粒相對固態(tài)切粒有明顯的優(yōu)勢。
1.1 水下切粒機的特點
由于塑料是在熔體狀態(tài)下被切刀切下，經(jīng)顆粒循環(huán)水冷卻后凝固的，不同黏度的高聚物均可采用這種切粒形式，熔體狀態(tài)下切粒不會形成任何粉塵，且切粒形狀規(guī)整，包裝、運輸均比較方便；可根據(jù)擠出量自動匹配調節(jié)模頭的出料量和切粒速度改變切粒的大小，也可人工采用不同刀片數(shù)時的刀架來改變切粒大小和形狀；造粒工藝實現(xiàn)了自動化、操作方便、噪聲較低、顆粒質量好，具有比傳統(tǒng)拉條切粒更大的產(chǎn)——更低的能耗。
1.2 水下切粒機的工作原理
熔融狀態(tài)的黏稠塑料流體在擠壓機螺桿或熔融泵的推動下，進入加熱到規(guī)定溫度的密閉模板料腔內(nèi)，通過縮徑的出料孔在造粒帶表面迅速被適當溫度的顆粒冷卻水冷卻，熔融塑料膨脹表面瞬間固化。當表面固化的塑料連續(xù)生成到規(guī)定長度時，與模板造粒帶平行且保持很近距離的切粒刀在模板出料孔的配合下將塑料剪斷，生成規(guī)定范圍內(nèi)的顆粒。生成的顆粒隨著冷卻水被一起并輸送到下游設備，對顆粒進行干燥和篩選，即完成了塑料生產(chǎn)的造粒過程。
1.3 水下切粒機主要設備組成
水下切粒單元的主要設備包括：模頭、水室和刀盤組件。模頭由模板和模板座組成。模板座通過一個帶法蘭的中間接筒連接到換網(wǎng)器的下游側，模板連接在模板座的另一端。模板座的中心部分帶有夾套，為圓錐形，它將使聚合物成管狀層流流動。模板是一個有鉆孔的熱通道。模板上有多路加熱介質的進、出噴嘴。為了有效地加熱，供應到模板的熱介質被分配到模板的每個內(nèi)部熱通道。
造粒模板結構主要包括兩部分：不銹鋼本體合金層造粒帶，兩者之間采用真空釬焊進行焊接。目前常用的造粒帶材料、制備工藝及優(yōu)缺點比較見表1?
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表1
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常用造粒帶材料比較
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材料
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與本體連接工藝
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硬度HRC
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耐磨性
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耐蝕性
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導熱率
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焊接性能
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WC-Ni
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真空熔燒
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50-55
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較好
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較好
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較低
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較好
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WC-Co
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真空釬焊
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67-68
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很好
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差
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高
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差
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Ti-Fe
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真空釬焊
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61-63
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好
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較好
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高
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好
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TiC-NiCr
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真空釬焊
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61-63
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好
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很好
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低
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好
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目前，美國、德國、法國等國家均采用WC-Co硬質合金，日本則多采用TIC-Fe鋼結硬質合金，WC-Ni因硬度低、耐磨性差已逐漸被放棄[1]。國內(nèi)已研制出以WC-Co為造粒帶的塑料造粒模板。
熱水室由一個快速夾緊裝置連接在模板上，切刀用螺栓固定在另一側。顆粒水的進口、出口接頭分別位于機器垂直中心線的底部和頂部。
刀盤組件用螺栓安裝在切刀軸端。切刀刀片用螺栓固定在刀架上，在刀刃磨損超過2mm前，需更換切刀。為了獲得合適的刀刃與模板間隙，在往刀架上安裝刀片時，所有的刀刃需要預先調整，使高低偏差在0.03mm以內(nèi)。刀刃的材料是碳化鈦(復合型)，其他部分的材料是不銹鋼。
1.4 模板的加熱方式
目前造粒模板的加熱方式基本有以下三種:
(1)電加熱：一般適用于年產(chǎn)能力小于1萬噸的 小型造粒設備上。(2)蒸汽加熱：一般適用于年產(chǎn)能力7萬噸以下的造粒設備上。(3)油加熱：目前應用在年產(chǎn)能力較大的造粒設備。
一般小型造粒模板通過外圓端面加熱孔安裝若干加熱棒對模板造粒區(qū)域進行加熱。其特點是加熱迅速，溫度控制靈活穩(wěn)定。早期的蒸汽加熱造粒模板采用高壓蒸汽進入到造粒帶外環(huán)和內(nèi)環(huán)，對造粒模板工作區(qū)域進行加熱。缺點是造粒帶溫差較大，物料顆粒不均勻。造粒模板以蒸汽或導熱油為加熱介質，以某種進出加熱通道為單元，在模板造粒帶下方沿著單排或雙排出料孔排布密集的導熱通道，造粒帶溫差較小，造粒質量大幅度提高。隨著單機造粒機組生產(chǎn)能力的不斷提高，目前國際上逐漸采用便于控溫的導熱油加熱方式。
1.5 影響水下切粒機產(chǎn)品質量的因素
(1) 切刀與模板匹配的對中度。造粒過程中，切刀緊密地貼合在模板表面上進行高速旋轉切粒。這就要求模板切刀匹配對中度要達到技術要求，否則會引起墊刀、顆粒碎片多的問題，并造成切刀磨損嚴重。
(2) 切刀與模板之間的間隙。顆粒的長短、彎曲程度以及切刀的使用壽命受進刀壓力和切刀轉速匹配度的影響。進刀壓力過大，會嚴重磨損切刀和模板；進刀壓力過小，易發(fā)生墊刀和纏刀事故，影響產(chǎn)品質量。
(3) 切刀刀刃的硬度。切刀必須要有和模板相匹配的硬度，切刀材料過硬會使模板和切刀磨損嚴重，縮短使用壽命。切刀材料硬度過低，會造成切刀過度磨損，從而造成產(chǎn)品不合格。
(4) 切刀的鋒利程度。切刀的鋒利程度對產(chǎn)品外觀影響較大，切刀越鋒利，顆粒的斷面越平滑，反之會發(fā)生拖尾甚至粘連等現(xiàn)象。
(5) 模孔的通暢狀態(tài)和模板加熱均勻性。熔融物料能否順利均勻地通過模板的成型通道受模板加熱均勻性的影響。只有每個模孔出料速度一致時，才能切出大小均勻的顆粒。如果溫度控制不均勻，模孔物料的流速就會不均勻，會使顆粒出現(xiàn)長短不一。
(6)模板的表面粗糙度。模板切粒帶的表面粗糙度應達到要求，否則會引起墊刀、顆粒碎屑多，影響模板和切刀的最佳匹配。
(7)切粒水對造粒的影響。切粒水循環(huán)量、壓力和溫度對產(chǎn)品質量都有很大影響。循環(huán)量過小，容易發(fā)生串粒等故障。水溫過高，會發(fā)生串粒、纏刀和灌腸等事故。水溫過低，會導致模板溫度過低，容易凍堵模孔，同時樹脂變得很脆，切粒時碎屑增多。
2 造粒模板國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2.1 造粒模板國外相關產(chǎn)業(yè)和技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢
塑料造粒模板附加值很高，屬于高科技產(chǎn)品。世界掌握造粒模板設計、開發(fā)及生產(chǎn)技術的只有美國、日本、德國、法國等少數(shù)國家，核心技術一直掌握在美、日、德等國制造商手中，形成了技術和價格壟斷。近五年來造粒模板的價格上漲了一倍，一臺30萬噸級擠壓造粒機的價格，已從2002年的五六百萬美元，上漲到了近千萬美元，而交貨期時間卻從10~12個月延至18~24個月，嚴重影響我國煤化工和石化工程項目的建設，制約了我國煤化工和石化工業(yè)的快速發(fā)展。
2.2 造粒模板國內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)和技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢
長期以來，國內(nèi)大型乙烯的生產(chǎn)裝備全部依靠進口，雖然國家從“七五”開始就對此進行立項研發(fā)，但一直沒有重大突破。我國大型石化企業(yè)目前使用的模板絕大部分由日本制鋼所、日本神戶制鋼所以及德國WP公司提供。我國從20世紀 80年代末期開始進行塑料造粒模板的國產(chǎn)化工作并取得了一些可喜進展。但由于多方面的原因，目前造粒模板國產(chǎn)化工作進展仍不十分理想，許多企業(yè)仍舊依賴進口模板維持生產(chǎn)。進口模板的缺點是價格昂貴，供貨周期長。許多企業(yè)為不影響生產(chǎn)，儲備了一些庫存，積壓了大量資金。2010年，國內(nèi)企業(yè)每年要花費數(shù)億元人民幣購買造粒模板。
3、模板的研究
3.1 模板的工作條件
聚合物擠出壓力：約7.0~8.0MPa；工作溫度：230℃；切粒室水溫：50~70℃。
模板是水下切粒系統(tǒng)的重要組成部分，具備成型、加熱、切割等三項功能。模板上有許多成型孔和特殊結構的噴嘴。它具備將熔融狀態(tài)的樹脂成型并最大限度地減少壓力損失的功能。在模板中設計了各種形式的加熱孔或通道。這些加熱孔或通道內(nèi)通入加熱介質，對樹脂進行加熱，以防止樹脂在型腔內(nèi)凝固。本次國產(chǎn)化的模板加熱方式采用蒸汽直接加熱。
3.2 模板生產(chǎn)能力計算
模板生產(chǎn)能力是由工藝要求確定的，其計算公式2。
式中：R-聚合物的生產(chǎn)量，t/h；H-模板孔數(shù)；K-切粒刀把數(shù)；N-切粒刀轉速，rpm；P-每克切粒數(shù)重量，粒數(shù)/g。
式中，每克重的切粒數(shù)是根據(jù)塑料產(chǎn)品技術指標中規(guī)定的顆粒產(chǎn)品的形狀、幾何尺寸，計算出每克產(chǎn)品有多少粒。而模板出料孔徑的尺寸也依照產(chǎn)品技術指標的要求確定。
4、國產(chǎn)化設計及應用
4.1 造粒模板三維實體建模
首先對造粒模板的壓機接口形式、接口尺寸和進口造粒模板進行測繪，在測繪的基礎上，應用先進的三維軟件Solidworks在計算機上完成造粒模板的三維實體建模，為后續(xù)在造粒模板的應力、應變分析基礎上的強度和剛度設計以及對模板的流場和溫度場的分析為基礎的流道的優(yōu)化設計奠定基礎。
4.2 造粒模板的熔體流道的流場分析
應用SolidWorks軟件建立熔體流道的3D實體模型，利用ANSYS軟件CFD計算模塊進行流場分析。
流場分析過程如下：(1)導入由SolidWorks軟件建立的流道的三維實體模型；(2)在ANSYS軟件中定義材料屬性及參數(shù)，劃分若干網(wǎng)格，建立有限元模型；(3)在ANSYS軟件CFD環(huán)境中施加載荷和邊界條件，主要確定入口、出口參數(shù)，設置壁面類型以及物料初始溫度、初始壓力等；(4)在ANSYS軟件CFD環(huán)境中指定求解器進行有限元求解獲得CFD解；(5)求解之后，利用CFD環(huán)境中的后處理模塊獲得流場的速度分布、壓力分布等結果云圖和矢量圖；(6)對數(shù)值分析的結果云圖或矢量圖進行分析，選取最優(yōu)的熔體流道設計方案。
圖2 熔體流道三維實體模型
4.3 造粒模板的加熱流道的流場和溫度場分析
加熱介質的循環(huán)方式是由模板中加熱介質進出接口的數(shù)量決定的，熱介質進出接口的數(shù)量又是根據(jù)聚合物的熔點確定的。對熔點較高的聚丙烯，造粒模板一般采用較多的熱介質進出接口。模板的熱介質進出接口多，熱介質在模板停留的時間短，熱損失少，加熱更加充分和均勻。模板熱介質進出接口可以分為：一進一出、二進一出、二進二出、三進一出、三進三出、六進六出和八進四出等多種形式。根據(jù)隔斷方式設置的不同，本項目設計了多個方案的三維實體模型。然后利用ANSYS軟件中的CFD分析模塊對流道的流場進行分析，選擇最優(yōu)流場的設計方案，以最終保證模板的造粒質量。
圖
3 加熱通道初始實體模型
圖4 加熱通道的流場分布云圖
4.4 造粒模板的強度與剛度分析及其結構優(yōu)化
粒機模板剛度和強度直接關系到模板的使用壽命，是控制造粒機連續(xù)運轉的關鍵因素。造粒模板的計算機三維建模，是基于遼陽斯佳機械配件有限公司目前擁有的造粒模板制造技術和專利，依靠對模板的接口形式。接口尺寸和進口造粒模板的測繪圖紙的基礎，利用三維軟件Solidworks在計算機上完成了造粒模板的三維實體建模，并在此三維實體模型基礎上進行結構優(yōu)化研究。考慮到實體模型過大會導致劃分的單元和節(jié)點數(shù)過大，會導致計算時內(nèi)存溢出。經(jīng)試驗，對模板整體進行網(wǎng)格劃分后進行有限元分析會造成內(nèi)存溢出,因此分析時采用1/2實體模型進行網(wǎng)格劃分。
對造粒模板進行網(wǎng)格劃分形成有限元模型后，對模型施加邊界條件和載荷。模板所受的力包括：螺栓緊固力、擠出機頭筒體操作壓力。加熱蒸汽或導熱油工作壓力等，與擠出頭接觸面施加固定約束和對稱面施加約束。
圖5 剖切后的造粒模板溫度分布云圖
圖
6 造粒模板應力分布云圖
圖7 總變形云圖
4.5 造粒模板的制造
造粒模板主要由不銹鋼的模板本體和硬質合金層兩部分組成，造粒模板制造的關鍵技術是不銹鋼的模板基體與硬質合金層的復合。復合后模板的技術要求：在工作溫度和工作壓力下，切粒刀與模板復合層的當量切割次數(shù)大于4.8×109次時，復合層不允許有脫塊。點蝕等現(xiàn)象。模板的本體材料為不銹鋼1Cr13，其主要加工表面包括：外圓、內(nèi)孔、溝槽等表面，可采取車削。鉆削、銑削、磨削等冷加工的機械加工方法以及電火花和線切割等特種加工方法完成加工。為保證零件的加工質量。材料機械性能和優(yōu)質的使用性能，還需合理地采用熱加工工藝，如熱處理工藝和氫弧弧焊接方法。模板本體與硬質合金層的復合采用真空釬焊方法，表面強化處理技術主要采用物理氣相沉積(PVD)的方法進行表面噴涂工藝。
5、結論與展望
通過對進口擠壓造粒機組造粒模板進行解剖，對模板的模體。熔體流道、加熱通道和造粒帶等進行深入研究，通過對進口模板進行測繪，從各部件的選材、結構、加熱及熔體流道的流場?模體的應力場和應變場、溫度場等進行分析，對結構進行理論分析，最終完成優(yōu)于進口造粒模板使用效果和壽命周期的國產(chǎn)造粒模板的制造，將為相關裝備的國產(chǎn)化提供有效的幫助和技術支撐，縮短與國外先進模板的距離。將分析結果應用于指導新的造粒模板的設計和制造，實現(xiàn)真正的設計和制造一體化，必將大大提高造粒模板的使用性能。這樣不但可以節(jié)約大量外匯，還為企業(yè)降低生產(chǎn)成本做出了貢獻，經(jīng)濟效益和社會效益相當可觀。
參考文獻
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