上海原元康機(jī)械設(shè)備有限公司 總師室
出于“拋磚引玉”，過往我公司陸續(xù)發(fā)表了一些針對擠出機(jī)核心部件磨損特征分析的文章，例如【擠出機(jī)的機(jī)筒螺桿在工作狀態(tài)下的磨損特點(diǎn)】，例如【“對癥下藥”是降低擠出機(jī)運(yùn)行成本的關(guān)鍵】等，我們接到不少用戶的贊同來電和建議，這里先表謝意。我們在文章中強(qiáng)調(diào)的一個基本觀點(diǎn)，是“我們要降低擠出機(jī)的運(yùn)行成本，關(guān)鍵在要準(zhǔn)確分析物料的運(yùn)行中，哪一類磨損是其主要磨損特征”，即擠出機(jī)所處的主要工況條件是什么？這個工況或者可能是摩擦磨損為主，例如螺桿剪切物料的剪切摩擦磨損，物料與機(jī)筒內(nèi)壁之間因擠壓位移而產(chǎn)生的摩擦磨損等；也或許是腐蝕磨損為主，例如擠出機(jī)運(yùn)行氯化聚氯乙烯CPVC、氯化聚乙烯CPE、聚化四氟乙烯PTFE、聚化炳烯酸PAA等材料，或者添加有無鹵阻燃高分子材料的生產(chǎn)等，這些高分子材料在擠出機(jī)的機(jī)筒內(nèi)受熱后分解產(chǎn)生的腐蝕氣體，極大地威脅到了機(jī)筒螺桿的使用壽命。針對不同的擠出機(jī)工況條件，我們應(yīng)該選擇與該工況條件相適應(yīng)、能夠抵抗這些不同的或者是摩擦磨損為主，或者是腐蝕磨損為主的恰當(dāng)?shù)慕饘俨牧蟻碇圃鞌D出機(jī)核心部件的機(jī)筒螺桿，這樣才會收到相得益彰，事半功倍的效果。
上述文章及其所闡述的基本觀點(diǎn)，都是從宏觀意義上針對整臺擠出機(jī)運(yùn)行不同高分子材料而存在不同工況條件的分析而言，由于配混改性的平行雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒和螺桿通常采用模塊化組合的方式制造，因此我們在同一臺擠出機(jī)上，即使運(yùn)行的是同一種高分子材料，宏觀上承受的是同一種工況條件，我們還能不能從“微觀”上加以區(qū)別，細(xì)分到不同機(jī)筒組合段，不同螺桿組合段，針對各“工藝區(qū)段”承受的不同的“細(xì)分工況條件”來配置不同材料制造的組合機(jī)筒內(nèi)襯套，配置不同材料制造的螺桿模塊，來設(shè)法降低擠出機(jī)的整體運(yùn)行成本呢？答案顯然是肯定的。針對不同的改性物料生產(chǎn)用戶，我們根據(jù)上述的設(shè)想提出了不同的建議，在實(shí)踐中取得了非常積極而明顯的成果。
我公司一個海外用戶生產(chǎn)60%以上玻璃纖維增強(qiáng)尼龍PA6，有多臺德國COPERION公司出產(chǎn)的ZSK50MC和ZSK70MC PLUS平行雙螺桿擠出機(jī)。其中長徑比40的通常有一個側(cè)喂料口用以喂入玻璃纖維，長徑比44的有二個側(cè)喂料口，分別喂入玻璃纖維和特定的礦物質(zhì)材料。擠出機(jī)的螺桿最高轉(zhuǎn)速1250rpm，機(jī)筒和螺桿的磨損非常嚴(yán)重。
與許多常規(guī)用戶類似，該公司歷史上均采用我公司提供的高鉻鑄鐵Ω101A橢圓內(nèi)襯套和高速鋼螺紋元件，而這些部件在擠出機(jī)的一些特定工藝區(qū)段內(nèi)使用壽命非常有限。在得知我公司研發(fā)了高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套后，用戶于2017年抱著試試看的心情，根據(jù)我公司建議的采用不同制造材料的橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件采取功能化配置擠出機(jī)的方案，下單了二臺擠出機(jī)的核心部件，使用效果相當(dāng)明顯。擠出機(jī)的機(jī)筒螺桿免維護(hù)的使用壽命平均提高了近二倍，擠出機(jī)單位產(chǎn)量的生產(chǎn)綜合成本降低了18%左右，以致用戶的總經(jīng)理特意趕到上海來我公司當(dāng)面致謝。
我公司建議的該用戶長徑比40的高速擠出機(jī)核心部件配置排序如下圖：
我們知道，高分子材料在改性配混中，常常需要加入玻璃纖維，碳纖維，硼纖維，聚氨酯纖維等各類增強(qiáng)劑，需要加入碳酸鈣，滑石粉，云母粉，硅灰石等各類礦物質(zhì)填充料，除這些增強(qiáng)改性和填充改性以外，常規(guī)的改性配混還需要加入各類助劑，例如增塑劑，增韌劑，穩(wěn)定劑，阻燃劑，著色劑和發(fā)泡劑等，其中不少的助劑在擠出機(jī)的高溫環(huán)境下會揮發(fā)出酸性的腐蝕氣體。由于這個原因，組合機(jī)筒的橢圓內(nèi)襯套制造材料中，類似于Ω101A的高鉻鑄鐵類橢圓內(nèi)襯套的使用頻率就非常高，原因是該材料金相組織中高比例的碳化物硬質(zhì)相可以幫助高鉻鑄鐵具有較高的耐磨損特性，同時材料中占比達(dá)到25%左右的鉻元素，又可以幫助高鉻鑄鐵兼具優(yōu)異的耐腐蝕特性，來對付上述提到的各類改性助劑在運(yùn)行中的腐蝕氣體威脅。
我們分析上述排序圖中，主料加入后的三個區(qū)段以及玻璃纖維喂入后的二個區(qū)段，主料和玻璃纖維的固相剪切相當(dāng)嚴(yán)重，摩擦磨損工況格外嚴(yán)峻，如果在這些工藝區(qū)段配置普通高鉻鑄鐵Ω101A橢圓內(nèi)襯套和高速鋼螺紋元件就顯得勉為其難，而采用更勝任對抗摩擦磨損的高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套，以及高釩粉末鋼WR5螺紋元件就能夠取得立竿見影提高部件使用壽命的效果。
高釩鑄鐵Ω102A的材料特性與德國W&P公司專用于平雙擠出機(jī)對抗玻璃纖維增強(qiáng)的代號為99.3的合金相平行，材料在鑄態(tài)下為共晶碳化物M7C3+奧氏體；在硬化態(tài)下為共晶碳化物M7C3+二次碳化物+細(xì)針狀回火馬氏體+殘余奧氏體（文中M代表Fe、Cr等金屬原子，C代表碳原子）。材料極限抗拉強(qiáng)度Intensity of Tension（бb）≥350MPa，斷裂應(yīng)變Breaking Strain（εfB）0.30%。由于價格相當(dāng)昂貴的釩在材料中占據(jù)了一個高的比例，使得材料Ω102A經(jīng)過特定熱處理硬化手段后具有超硬及超高的耐磨損特性。上海材料研究所在相同負(fù)荷，相同“摩擦副”，相同線速度及相同“干摩擦”時間的條件下，多次小樣耐磨損試驗(yàn)測定而得出的高釩鑄鐵Ω102A材料在理論上的“磨損減量”，其耐“摩擦磨損”的性能比高速鋼M2（國內(nèi)牌號W6Mo5Cr4V2）提高了2.5倍以上，比高鉻鑄鐵Ω101A提高了2倍以上，比未添加碳化鎢WC的鎳基Ω201合金還提高了1倍以上。
排序圖中的“HIP粉末鋼元件”，適用的高抗磨損性典型的合金粉末鋼代號是WR5。粉末鋼元件的芯部材料是韌性極高的中碳合金鋼，如右圖所示，其功能是傳遞扭矩，幫助元件適用于高轉(zhuǎn)速，強(qiáng)剪切，需要高扭矩傳遞動力的平行雙螺桿擠出機(jī)的工況條件。而WR5元件的工作面合金則同樣是含釩量相當(dāng)高的特種材料，其抗磨損性能一般表現(xiàn)為普通高速鋼M2的二倍以上。這個使用壽命的提高，不但得益于WR5材料特殊的尤其是金屬釩元素的高占比，更得益于WR5元件在粉末冶金高溫等靜壓PM-HIP工藝方式下成型的材料的極端致密性。
用戶采用我公司建議的不同制造材料的橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件采取功能化配置的方案，其明顯的使用效果最終體現(xiàn)在擠出機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性上面。我公司建議用戶的擠出機(jī)配置，改變了用戶原先選擇擠出機(jī)核心部件，設(shè)想一律采用高端材料來制造的構(gòu)想，其結(jié)果可能是成本偏高但是效果并不同步。我公司建議的配置方案是建立在我們對用戶擠出物料的擠出機(jī)工況條件的精細(xì)化分析，是追求擠出機(jī)核心部件“功能化”的適配性。
無論是高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套，還是高釩粉末鋼WR5元件，價格昂貴的釩元素的占比都相當(dāng)高，因此釩礦的成本直接左右了這二種關(guān)鍵部件的銷售價格。2018年2月釩礦市場價是每噸3萬元，到了2018年10月釩礦價格已經(jīng)升高到了每噸5.1萬元。短短8個月的時間內(nèi)釩礦價格上漲了70%。直至今天，釩礦的價格仍然不見回頭而呈曲線向上的趨勢。這是我們向用戶建議“不同制造材料的橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件采取功能化配置”的一個重要考量依據(jù)，所謂“好金屬用在刀刃上”，高釩部件也是需要用在擠出機(jī)摩擦工況表現(xiàn)極端嚴(yán)重的地方，才能夠效益最大化。
對于生產(chǎn)不同配混改性物料的平雙擠出機(jī)終端用戶，例如采用長徑比18的擠出機(jī)配混55%玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂的用戶，原先采用模具鋼材料制造的襯套使用壽命僅一個星期左右，采用我公司建議的不同制造材料橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件功能化配置后，擠出機(jī)免維護(hù)周期達(dá)到半年以上。例如采用長徑比44的擠出機(jī)配混PE+30%炭黑生產(chǎn)功能母粒的用戶，原先采用高速鋼橢圓內(nèi)襯套的使用壽命僅僅一個月不到，我們在該擠出機(jī)的排氣段段前面三個工藝區(qū)段配置了高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套和高釩WR5螺紋元件，在其它區(qū)段配置了高鉻鑄鐵Ω101A橢圓套后，擠出機(jī)的免維護(hù)周期上升到了三個月以上。例如采用長徑比36的擠出機(jī)生產(chǎn)EPS發(fā)泡建筑板材的用戶，原先使用的是C型內(nèi)襯套機(jī)筒，使用壽命僅僅十個月。針對發(fā)泡劑注入前極端背壓下的強(qiáng)烈摩擦磨損我們配置了高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套和高釩WR5螺紋元件；針對發(fā)泡劑注入后的強(qiáng)烈腐蝕工況我們配置了高鉻鑄鐵Ω101A橢圓套后，擠出機(jī)免維護(hù)周期已經(jīng)達(dá)到了十五個月以上，而且目前仍然在正常運(yùn)行中。
我們還有許多海內(nèi)外生產(chǎn)不同配混改性物料的平雙擠出機(jī)用戶，采用了我公司建議的不同制造材料橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件功能化配置的建議，目前擠出機(jī)還在正常運(yùn)行中而無法提供準(zhǔn)確的對比數(shù)據(jù)，但是我們相信他們的使用效果，包括擠出機(jī)的免維護(hù)生產(chǎn)周期，擠出機(jī)的運(yùn)行綜合成本等，一定會有一個非常明顯的改變，我們在期待中。
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