用于解決同向平雙擠出機喂料限制的特殊進料元件――設計特征及實驗結果

2017-05-13 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要

強制喂料和饑餓喂料是眾所周知的同向旋轉雙螺桿擠出機的加料方式。粉狀聚合物以及一些如滑石粉和云母這類的材料則很難喂入擠出機中。進料段螺紋元件和側向加料段螺紋元件的結構決定了擠出機的輸送能力和進料能力。采用“FV”型元件(正在申請專利)中的單頭螺紋鏟型元件(Single Flight Shovel,SFV)、三頭螺紋鏟型元件(Triple Flight Shovel,TFV)和常規螺棱鏟型元件(Regular Flight Shovel,RFV)可解決進料能力低的問題。螺棱設計成像雪鏟車的工作原理一樣從物料中鏟過。相較于Erdmenger型和Schubkanten型螺紋元件,本文討論了“FV”型元件喂料能力的提升情況。

引言

早期的同向旋轉雙螺桿擠出機都是淺螺槽,采用加料斗供料,與注塑機或單螺桿擠出機的方式相同。隨著技術進步,螺槽加深,因而需要采用不同的方法向擠出機供料,這種方法是饑餓喂料。該方法是由額外的加料裝置向擠出機供入穩定的物料流。料斗不再是一個盛裝物料的容器,而是物料進入擠出機所經過的一個腔體。在加入不含任何填料的聚合物時,物料加料速率通常是擠出機總的體積容量的幾分之一。如果不施加控制,這種情況會導致機械零部件的損壞。這種情況下,限制因素是可用扭矩。近年來,出現了一些采用低松密度材料的應用,如聚合物粉末、木粉、滑石粉、云母片、氣相法白炭黑、精細碳等等。在這些應用中,擠出機的吃料能力是限制因素。如果達到了進料極限,大量的物料會返回料斗,料斗很快就會填滿。過去幾位研究人員探討了這一問題。Stropole和Wolfe曾表示:“在聚合物配混過程中,產量的限制因素不是混煉能力,而是填料進料區的容積限制,因為填料的松密度小并具有流態化性質”[1]。螺桿速度、自由面積、螺距、松密度是影響加料段的主要因素[2]。Schüler認為,隨著應用量增加,“所有進料工藝都存在體積限制因素”[3]。

圖1加料段螺桿配置

喂料、熔融、排氣、混合和計量是配混擠出機的重要加工區域。擠出機喂料段的功能是輸送并壓實松散物料。在松散物料的壓實過程中,卷入物料中的空氣被排出。卷入的空氣需要一個通道排放。如果料斗填滿,空氣沒有排放通道,會進一步降低擠出機的進料能力。帶有填滿粉料的料斗的加料段其加料能力遠低于缺料料斗,因為卷入的空氣逸出時增加了粉料流動性。幾位研究人員模擬了受螺桿作用時粒料的行為。Vlcek等人模擬了固體顆粒在機筒和螺桿表面摩擦拖曳力作用下的固體輸送機理[4]。就材料自身的行為而言,Prescott和Barnum認為,粉料的流動能力是物料物理性能和用于處理、儲存或加工物料的設備綜合影響的結果[5]。

本文通過實驗方法對比了Erdmenger型螺紋元件(圖2),Schubkanten型螺紋元件(圖3)和SFV型螺紋元件(圖4)的性能,并在結果中給出了與標準Erdmenger型螺紋元件和Schubkanten型螺紋元件相比SFV螺紋元件的進料能力。

圖2Erdmenger型雙頭螺紋元件

圖3Schubkanten型螺紋元件

圖4 SFV型螺紋元件

擠出機結構

本研究所用同向旋轉雙螺桿擠出機的機筒直徑為40 mm。螺紋元件的外徑相同,均為39.70 mm。擠出機D/d(大小徑比)為1.71。螺桿和機筒之間的間隙為每邊0.15 mm,螺紋元件與螺紋元件之間的間隙為0.19 mm。Erdmenger型兩頭螺紋元件、Schubkanten(SK)型螺紋元件和SFV型螺紋元件的導程分別為60 mm、60mm和40 mm。

圖5用于強制喂料的TFV型螺紋元件

圖6用于側向加料段的RFV型螺紋元件

實驗結果

以粉狀LLDPE作為基礎樹脂進行了實驗。LLDPE粉料采用粉碎工藝制備。LLDPE的熔體流動指數為50。滑石粉作為填料,其松密度為0.37 g/cc,中值粒徑為3.38μm,如圖7所示。材料配方為49% LLDPE,50%滑石粉和1% PE蠟。使用高速混合機將這些材料進行了充分混合。采用重量計量加料器將預混料加入擠出機,加料精度在1%內(2西格瑪置信水平)。并記錄了各類加料段螺紋元件在料斗出現溢料時的實際產量。

圖7滑石粉的SEM照片

以螺桿轉速為300、600、900和1000 RPM進行了實驗,并記錄了在每一組螺桿速度下擠出機的功率消耗,列于表1、表2和表3中。如圖1所示,僅改變了短導程密封元件之前的由頭6個螺紋元件構成的加料段。在下游區域采用了混合元件,以達到可以接受的產品質量。

結果與討論

在?40雙螺桿同向旋轉擠出機的加料段用圖2、圖3和圖4所示的三類螺紋元件進行了實驗,測量了不同螺桿轉速下的產量并列于表1、表2和表3中。表中還列出了可用功率以及在加料段采用不同螺紋元件的實驗過程中的使用功率。從表1可看出,采用SFV螺紋元件時,該應用達到了扭矩極限。采用新型加料元件,其進料能力幾乎可達到普通加料元件的3倍。扭矩利用率的提高改善了工藝過程中的比機械能輸入,如表1所示。計算加料能力的公式為:加料能力=自由面積x導程x螺桿速度x松密度x輸送效率x填充度。

圖8采用玻璃壁的透明擠出機

由于“自由面積”和“導程”都與機筒直徑(D)相關,所以可以看到,擠出機的加料能力隨機筒直徑(D)的立方變化。對于40mm擠出機,自由面積為10 cm2。對于60mm導程加料元件,材料松密度為0.37,效率為100%,填充度為1,(螺桿轉速為300 RPM時)其加料能力可達400 kg/h。采用圖8所示的玻璃壁透明擠出機獲得了如下結果。在加入摩擦系數較低(約0.2)的滑石粉時,對于普通加料元件,如Erdmenger型螺紋元件和Schubkanten型(SK)螺紋元件,如果填充度低于0.35,輸送效率一般約為20%。因此,可達到的總體效率僅約為5~7%。一旦加料段被填滿(填充度= 1.0)或料斗溢出,由于卷入的空氣通過料斗逸出擾動粒子,輸送效率會進一步降低。

在加入摩擦系數中等(約0.4)的大多數其它聚合物時,即使在較高的填充度下,輸送效率也可達30%。采用方解石時(摩擦系數為0.74),在高填充度下其輸送效率最高(約50%)。對于這些物料,填充度升高不會顯著降低輸送效率。因此,當螺槽完全充滿時其加料能力最大。這就是對于大多數聚合物來說滿料斗往往會導致扭矩過載的原因。

用PET碎片進行了生產試驗,采用TFV螺紋元件(圖5)進行強制加料(或填塞式進料),RFV螺紋元件(圖6)用于側向加料(用于加入云母、滑石粉或碳粉)。這些試驗表明,兩種情況下的加料能力提升幅度相同(改善幅度超過100%)

表1在擠出機加料段采用SFV型螺紋元件

表2在擠出機加料段采用Schubkanten型螺紋元件

表3在擠出機加料段采用Erdmenger型螺紋元件

提高輸送速率的機理

采用與雪鏟相似的工作原理是輸送速率大幅提升的原因。鏟子相對于表面的角度對物料是向前移動還是側向移動具有巨大的影響。雪鏟的作用是使物料向側向移動,這與FV改進元件的工作目的不同。如果在前行方向上雪鏟面向下(同時小角度垂直于運動方向),就可成功地將物料推向一側。另一方面,如果其正面朝向物料,則物料不會被推向側面,而是被推動前行。普通Erdmenger型螺紋元件和Schubkanten型螺紋元件的工作原理與標準雪鏟相同,將物料推向側面,而非向前推送。FV改進螺紋元件可以將物料向前推送,從而大幅提升了輸送速率。

盡管這些元件一般用于加料區,此時固體物料還沒有形成熔體,但它們也可用于物料熔融后的各個部分充滿區。這是因為物料流動自身會產生清潔效應。重要的是,自擦式輪廓不是總能進行清潔,因為清潔過程中需要將物料向前推送。如果物料被向后方或徑向推送,就不會有清潔作用。

結論

FV改進螺紋元件(正在申請專利)可以將大多數受加料限制的應用場合轉變為受扭矩限制的應用場合,從而提高擠出機的效率。由于比機械能輸入降低,效率提高,進一步增加了擠出機的產能。這些螺紋元件用于增強加料段、側向加料段或排氣段的輸送能力。

本文作者:Babu Padmanabhan, SteerAmerica Inc, Uniontown, USA Chetan Chincholi Jayanth, STEER Engineering Private Ltd, Bangalore, India