影响造粒模板使用寿命的因素分析

赵岩 朱雪瑞 耿亮

摘要：中国石化齐鲁石化分公司塑料厂（简称齐鲁塑料厂）共有高密度聚乙烯，线性密度聚乙烯，高压聚乙烯，聚丙烯等4套聚烯烃塑料生产装置，以及与之配套的5条造粒生产线，分别进口自德国WP，日本KOBELCO，德国Berstorff，日本JS公司.在前期的使用过程中，均不同程度上出现模板切粒面内环，外环等部位的异常磨损，造粒质量严重下降.模板的最短运行周期仅为3个月，平均6个月，使用寿命不超过4a，严重制约着产品质量和装置连续生产。挤压机造粒模板（以下简称模板）是塑料造粒生产线的关键部件.如何避免非正常磨损延长其使用寿命，是影响安稳生产的重要因素之一.模板的运行周期是指模板自投用（或经过修复）运行至模板切粒面的硬质层磨损较多或出料孔El损坏，不能再生产出符合产品质量标准所要求的塑料颗粒的时间.模板的使用寿命是指模板自投用至无法修复的使用时间总和.

关键词：造粒模板;寿命;影响因素

熔融的聚合物塑料在螺杆的推动挤压下，进 入被热媒介质加热至规定温度的密闭模板料腔流 道内，通过缩径的出料孔流出，并在造粒带表面 （又称为切粒面）与水室内适当温度的造粒冷却 水相遇，熔融塑料膨胀表面瞬间硬化.另一侧动 力轴通过刀盘带动切刀在做旋转运动，切刀刀刃 与模板切粒面平行且相互贴合形成一对剪切刃。切粒面是一对剪刃，整个造粒过程是由切刀和模 板切粒面这对剪刃相对运动，剪切塑料的过程，它 们之间的相互过度摩擦是造成模板切粒面磨损加 剧，影响其寿命的主要因素。相互接触运动的两物体，随摩擦系数变低，磨 损程度降低J.耐磨材质的切刀材料摩擦系数 与普通切刀相比要小，切粒過程中与模板造粒带 表面磨损较小，从而模板造粒带表面机械磨损小. 模板的使用寿命相对较长，反之寿命降低.齐鲁 塑料厂各装置早期使用的进口切刀，多为Fe基钢 质硬质合金材料，摩擦系数为0.28，切刀及模板 磨损较快.2005年沈阳金峰特种刀具有限公司 以中国科学院金属研究所为技术支持，研发了金 属陶瓷材料的复合切刀，在设计状况下，模板切粒面与切刀（刀盘）面 是相互平行的，两者之间的夹角Ot=0.但是一方面在安装切刀或刀盘时的调整不 当，造成模板造粒带与切刀（刀盘）的平行度较差;另一方面是造粒装置由于基础沉降或基础不平整，虽然经过静态调整，但是工作以后的持续震 动使模板和切刀的平行度发生变化，模板轴心线 与刀盘动力轴轴心线出现夹角，使切刀在工作时向某一个区域施加较高的 压力，造成这一个区域磨损严重。板出现局部偏磨现象，经过安装时对模板位置调 整，保证模板切粒面和切刀刃平面之间的平行度， 偏磨现象有所好转，但没有彻底消除.随后德国 Berstorff公司对刀盘重新进行设计，将固定式刀 盘改为随动式刀盘（如图3c所示），偏磨问题得 以解决。刀盘对切刀的压力F来自于作用于动力轴 上的进刀控制压力，在其他条件不变的前提下，当 进刀控制压力提升后，刀盘对切刀的压力相应 增大，切刀和模板的接触压力增大，切刀和模板磨损加大，同时由于切刀是悬臂安装在刀盘 上，以悬臂梁的方式受力工作，当刀盘对切刀的压 力增大后，切刀的近刀盘处比远刀盘处变形小，出 现刀刃端部上翘现象，导致模板与切刀近刀盘内 圈磨损严重.齐鲁塑料厂聚丙烯装置挤压造粒机 2004年前多次出现切刀与模板内圈异常磨损严 重问题，经过对进刀压力进行适当降低调整，模板 切粒面内圆偏磨现象得以解决。通过对模板造粒工作时切刀受力分析得知， 刀盘带动切刀在密闭的冷却水中旋转，由于切刀 前刀面角度的存在，冷却水对切刀阻力产生一 个向模板切粒面方向的分力，切刀刀刃端处的线 速度最大，冷却水对切刀刀刃端处的分力最大. 当动力轴速度提升后，切刀转速加快，冷却水对切 刀产生的压力增大，且位于切刀刀刃端处增加最 大，磨损加剧.齐鲁塑料厂聚丙烯装置在2004年 之前曾经出现过切刀端刃方向以及模板外圈磨损 严重的情况，进刀压力和动力轴转速过高分别对切刀及模 板引起不同形式的磨损，过低又将导致切刀靠不 到模板上，产生片料和尾巴料，甚至垫刀，缠刀停 车.国内多家造粒装置按照JSW提供曲线，进行 进刀压力和动力轴转速调整，模板和切刀的磨损 状况均没有好转.对此通过攻关，对造粒提供的 曲线进行了试验优化，重新校正了进刀控制压力 P与切刀转速n的关系曲线，切刀转速与进刀控制压力关系曲线 在2004年之后，参照校正的曲线，对切刀转 速与进刀控制压力同时调整，相互匹配，齐鲁塑料 厂聚丙烯装置加压造粒机模板没有出现因转速过 高造成的切刀和模板外圈的非正常磨损，"积削瘤"对模板造粒带寿命的影响，被挤出模板出料孔的膨胀变形的熔融塑料，表面遇冷却水瞬间固化，当连续的固化塑料生成 到规定的某一长度时，贴模板造粒带表面做圆周 运动的切粒刀与表面固化的塑料相遇，进行切粒. 在塑料颗粒被剪切的过程中，由于塑料受挤压，摩 擦和自身的剧烈变形，与模板造粒带和切刀接触 的塑料表面瞬间熔化.熔化的塑料以薄膜形式粘 贴在塑料脱落方向的造粒带表面和切刀的前刀 面，后刀面上.经过周而复始的剪切，黏结，塑料 脱落方向的造粒带和切刀刃口，堆积出一定厚度 的固体塑料残留物，俗称为"积削瘤"，"积削瘤"生长到一定厚度时会被连续运转 的切刀刮掉，"积削瘤"脱落时会将造粒带和切刀 刃口处的本体材料黏掉很少的一点.经过无数次 的黏结脱落，造粒带塑料脱落方向和切刀刃口处 产生凹损.齐鲁塑料厂各装置模板受"积削瘤" 影响，磨损较快，其中高密度聚乙烯装置15A线 挤压造粒机模板使用la后，于2004年拆下检查， 其切粒面刃口异常磨损，造粒加热通道出料孔。

从上所知，塑料切粒过程中热量产生不可避 免，"积削瘤"的产生也必然存在，这种磨损也是 模板和切刀的正常磨损."积削瘤"除了与模板 加热通道的设计，模板造粒带材质，塑料的熔融指 数等固有设计因素有关外，它的产生还与塑料切 粒过程中局部热量产生和热量带出有关.通过减 少塑料切粒过程中的剪切变形减少剪切热量生 成，同时迅速将这部分热量带出，减少熔融塑料粘 附，可缓解"积削瘤"的磨损影响.齐鲁塑料厂通 过采取更换新刀后进行认真的磨刀，以及当塑料 颗粒端面出现拖尾时及时进刀，使切刀和模板切 粒面充分贴合并始终保持良好接触，减少塑料剪 切变形;同时采用采用粘附塑料性较差的金属陶 瓷切刀等手段，"积削瘤"的形成和由此引起的磨 损起到减缓作用.高密度聚乙烯装置15A线挤 压造粒机模板经过采取以上措施，在使用后， 于2006年拆下检查，其切粒面刃口状况较好。通过系统分析模板的非正常磨损影响因素， 可以看出：选用摩擦系数低的切刀，采用先进的随 动式刀盘，精确的调整刀盘对模板的压力，细致的 设定刀盘转速并相互匹配，及时调整切刀或更换 切刀，能够充分避免模板的非正常磨损，从而达到 延长模板使用寿命的目的.经过采取上述措施， 齐鲁塑料厂各装置模板现运行周期达到6个月以 上，平均la，异常磨损情况明显减少.根据以上的计算，通过自压的方式进行汽油装车是完全可行的.实施后既节约了电能消耗，又节省了机泵维修费用，取得良好经济效益。