浅谈新品装置熔融纺丝用双螺杆挤压机的特点

姜海峰（中国石油化工股份有限公司天津分公司化工部 天津 300270）

一、前言

天津石化公司2000 吨/年新品装置是中石化集团公司在天津石化设置的差别化涤纶

短纤维研发基地， 装置采用以常规切片及改性聚酯切片以原料的间接纺丝生产工艺，生产的产品为差别化涤纶短纤维，装置设计生产能力为2000 吨/年，其装置是由英国Rosin 公司引进的切片干燥设备、由瑞士Luwa 公司引进的纺丝空调设备、由日本Abe 工程公司引进的螺杆挤出机及纺丝设备以及由德国Feissner 机械制造公司引进的后加工主体设备， 其中集束架、打包机等设备由国内配套，控制系统先进，适合快速转产、小批量研制开发新品种。2011 年，根据聚苯硫醚（简称PPS）纺丝工艺特点对PPS 纺丝工艺及其生产设备进行工程设计， 利用新品装置现有部分设备，引入先进的工艺技术和部分设备，以线性聚苯硫醚切片为原料，改造建设一条年产1000 吨（3 吨/日）的聚苯硫醚短纤维纺丝生产线， 而其中引进的熔融纺丝过程中的关键设备是SHJ 型双螺杆挤压机。

二、双螺杆挤压机工作原理：

熔融纺丝设备的主要作用是把高分子聚合物的熔体在计量泵精确定量后，从喷丝板小孔喷到空气中，使之凝固冷却而成纤维，熔融纺丝设备的纺丝速度高，生产能力大。

双螺杆挤压机是熔融纺丝设备的一个重要组成部分， 与单螺杆挤压机相比， 一方面双螺杆挤压机具有优良的输送物料和自洁的性能，另一方面可在低速下获得满意的混炼效果。 双螺杆挤出机结构形式按其两根螺杆的啮合程度可分为啮合型双螺杆挤出机和非啮合型双螺杆挤出机， 按旋转方向可分为同向旋转双螺杆挤出机和异向旋转双螺杆挤出机， 按照两根螺杆轴线的平行与否可分为锥形双螺杆挤出机和平行双螺杆挤出机，目前，新品装置1000 吨/年的聚苯硫醚短纤维纺丝生产线采用的是SHJ 型同向平行双螺杆挤出机。

工作原理:

料筒中的聚合物切片， 靠喂料螺杆混合送入加料口进入螺杆的螺槽中，由于螺杆的

转动，把切片不断推向前进。 切片一方面不断吸收加热装置供给的热量，一方面因切片与切片、切片与螺杆及机筒的摩擦以及液层之间的剪切作用，而由一部分机械能转化为热能，切片在前进过程中逐渐融化，产生的气体由排气装置排出，最终形成熔体。 所以说双螺杆挤出机对物料有四个作用，一是将固定物料计量输送，二是把聚合物熔融成熔体，三是将物料在熔融过程中产生的气体排出， 四是在一定的机头压力下将熔体定量地不断输出。

三、结构特点:（图1）

1.螺杆的结构特征

螺杆是双螺杆挤压机中的关键零件， 其结构及参数直接影响双螺杆挤压机的性能好坏， 如挤出熔体质量的优劣和产量的高低等。

SHJ 型双螺杆挤出机配套螺杆采用等螺距而不等槽深的渐变螺杆， 熔化过程得以逐步进行， 所有物料能均匀地受热和混合，并在螺杆的头部，加装混合头，以达到增强混合和均匀的效果，并能稳定机头压力和减少流量的波动，提高了熔体温度和粘度的均匀性，保证机头压力和流量的稳定性。 螺杆螺纹组件采用积木式组合，包括螺纹输送组件、混炼组件、剪切组件、返混组件等，可根据物料工艺要求排定组合，螺杆元件与芯轴采用渐开线花键联接，材质采用耐磨高速工具钢。 （图2）

1.1 SHJ 配套螺杆的特点：

（1）高强度：螺杆在工作中受到弯、扭、压的联合作用，特别是在“环结”或金

属杂物卡死螺杆时受力很大， 为了保证其高强度性能，SHJ型双螺杆芯轴采用40CrNiMoA 材质，在加工中经多次调质处理，以清除机械加工中的内应力，保证在高温高压下工作不变形。

（2）高耐磨性：螺杆在工作中，物料与其表面产生一定的外摩擦，在计量段与压

缩段中的摩擦力最大。 为了提高螺杆的耐磨性，SHJ 型双螺杆元件采用40CrNiMoA 合金钢氮化处理，增加耐磨性能。

（3）高耐热性：由于螺杆的工作温度在200～350℃之间，但螺杆与套筒的间隙很小，且接触又很长，而SHJ 型双螺杆能在温度为400℃的工作条件下，不改变其机械性能，保持螺杆原有的强度和尺寸结构的稳定。

（4）高耐腐蚀性：采用40CrNiMoA 合金钢作为螺杆材质，并经离子氮化处理，

最大限度上缓解了螺杆与物料接触时的腐蚀。

2.机筒的结构特征

机筒和螺杆共同完成物料的输送、压缩、熔融与混合，直到熔体挤出，因此，机筒可看成是一个压力容器，SHJ 型双螺杆挤出机配套机筒采用分段式双金属筒体，机筒共分为10 段筒体采用电加热、水冷却方式，其中第二、三节采用铸铜加热器，其余各节采用铸铝加热器。

SHJ 配套机筒的特点：

（1）机筒与螺杆的配合：套筒与螺杆的配合间隙直接影响到双螺杆挤压机的生产效率，间隙太大，产量则显著下降；间隙过小，将给制造和安装带来困难。 由于机筒在工作时受到较大的内应力， 所以SHJ 型双螺杆挤压机机筒内衬采用耐磨、 耐腐蚀45钢镶合金套（α101 材质）并经氮化处理，且表面硬度要高于螺杆。

（2） 机筒的壁厚：SHJ 型双螺杆挤出机机筒壁厚不仅满足强度要求，而且还可满足结构的工艺性和足够的热容量，减小了机筒的温度波动。

3.加热和冷却装置

双螺杆挤出过程是一个热过程， 在这一过程中要向聚合物提供由固态转变为粘流态的热量， 而双螺杆挤出过程的这种热量来源有两个，一个是外加热器提供的热传导，还有一个是由于螺杆对物料的剪切，把电机的机械能转变成的热能，但由于螺杆高速旋转，在有的情况下，由机械能转变成的热能加上加热器提供的热能大于状态转变所需的热能， 这时非但不需要外加热器继续提供热量，还要采取措施把多余的热量移走，否则会造成聚合物过热分解，这时就需要冷却装置，因此，螺杆的挤出过程实际上是一种满足设定温度条件下的热过程， 为提供这一温度条件，就需要加热和冷却装置。

3.1 加热系统

SHJ 双螺杆挤压机采用的是铸铝电阻加热器，采用高电阻导电材料制成，除具有一般电阻加热器的优点之外，铸铝加热器能够制成与机筒表面十分吻合的形体，其间空气间隙很小，有利于热传导，电热棒铸造在铸铝壳体内，改善了热传导性能，增强了电热棒的抗振、抗氧化和防潮、防爆特性。

3.2 冷却装置：

SHJ 双螺杆挤压机冷却装置包括冷却水槽、换热器、离心式循环泵及配套管线，采用封闭式循环水冷却方式，可满足机筒、螺杆和加料口以及三个部位的冷却，此外，传动装置润滑油系统设置有换热器，与冷却装置进行换热，以此降低传动箱内轴承的温度，延长传动装置的使用寿命。

4.真空排气装置

双螺杆挤压机在挤出过程中物料中的空气、残留单体、低分子挥发物、溶剂、反应生成物中的气体如果得不到及时排出，会在挤出的熔体表面或内部出现气隙、气泡、疤痕、 表面昏暗等缺陷，还会影响熔体的物理和力学性能、化学性能、电性能和光学性能，因此，SHJ 型双螺杆挤压机设有真空排气装置，而真空排气过程中起到关键作用的是水环式真空泵。 图4

水环泵是由叶轮、泵体、吸排气盘、水在泵体内壁形成的水环、吸气口、排气口、辅助排气阀等组成的。 叶轮偏心的安装在泵体内，启运前向泵体内注入一定量的水，叶轮旋转时，水受离心力作用，在泵体壁内形成一个旋转液环，叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙空间，在前半转，两叶片与水环之间的密封内腔容积逐渐变大，产生真空、气体由分配板的吸入口吸入，在后半转，密封内腔容积逐渐缩小，气体被压缩并由分配板的排汽口排出。 工作液为冷却水，除了起形成液环作用外，还起着带走气体压缩热以及密封分配板与叶轮端面间隙的作用， 运行时真空泵内的部分工作液会随气体排出，须连续向真空泵供水，工作液温度不断地升高，由管式换热器进行冷却。

四、结束语

以上是本人通过生产实践得到的对熔融纺丝用双螺杆挤压机的一些认识，还不够完整。 SHJ 型双螺杆挤压机在结构上还有很多独到的特点，由于生产时间很短，有些特点还没有被充分的认识到，随着生产的逐渐正常，我们对其在其它方面的设计也会有进一步的了解，同时，也会发现其存在的问题和不足，这些都有待于我们在以后的生产实践中逐步摸索改进， 从而使其发挥最大的功用。

[1]《纤维机械设计原理》纺织工业出版社

[2]《化纤设备》 纺织工业出版社

[3]《螺杆挤出机》 纺织工业出版社