挤出机温控系统改造及操作优化对聚甲醛产品质量的提升

丁 辉

(开封龙宇化工有限公司 ， 开封市聚甲醛基新材料重点实验室 ， 河南 开封 475200)

0 前言

开封龙宇化工有限公司聚合厂双螺杆挤出机组为德国进口，型号为ZSK177。由加料系统、驱动装置、机筒主体、切粒装置和干燥分级系统等主要部分组成，机筒冷却水系统和真空抽气系统等辅助部分组成。挤出机螺杆转速最大是180 r/min，扭矩保护量110%，最大生产负荷3 300 kg/h。挤出机作为聚甲醛生产过程中的最后一个环节，主要是封端造粒、掺混、脱气、稳定剂添加等。稍有操作不当就会对产品质量造成较大的影响，如何提高挤出机的稳定运行，优化操作和技术改造显得尤为重要。

1 机筒温差对聚甲醛生产的影响及改造

聚甲醛粉状物料通过喂料器进入挤出机加热融化，由粉状物料变为熔融物料。挤出机的温度影响物料在螺杆中的流动速率，随着进料量的增加，机筒温度和压力也逐渐增加。挤出过程中塑料熔体温度发生变化会引起熔体黏度改变，挤出压力和流率也随之波动。公司使用的挤出机共有15段加热段，每段均有电加热器和冷却水，二者共同作用对机筒温度进行调节，不同牌号的聚甲醛产品对应不同的控制温度。以POM牌号MC90为例，机筒设定180～200 ℃为最佳温度，第5段为三乙胺液体加注段，控制190～195 ℃为最佳温度。聚甲醛的熔点在162～166 ℃，温度设定低于180 ℃，物料熔融不完全，直接影响聚甲醛和各添加剂的混合效果，进而影响粒料的热稳定性、外观等各种物理性能；而且挤出机的扭矩大，容易过载跳车，导致生产不稳定，挤出机产生的机头废料增加，产品异形粒增多。温度设定过高，超过200 ℃，容易造成聚甲醛解聚，甚至物料在机筒内碳化，物料发黄、发黑，导致产品粒料中色焦粒过多，影响产品外观。另外，温度控制高，加热器需要输出更大的功率，造成产品单耗增加，生产成本过高。

1.1 循环冷却水箱的补水改造及优化

①封端机机筒温控是通过每段的电加热器和冷却水来控制，冷却水水箱原有设备是通过手动补加脱盐水，操作人员通过巡检或者观察DCS操作面板机筒升降温速度，以及机筒的实际温差来判断水箱是否缺水，来补充脱盐水。手动开关不易操作控制，补水过量水会沿着水箱溢出；补水不及时还会缺水，造成封端机机筒温度波动，色焦粒、小黑粒增加。②为减少脱盐水消耗，保持温控系统的稳定，经研究提出将原有设备通过手动补脱盐水改为自动补脱盐水。改造后通过新增液位计联锁控制，将液位控制在60%～80%，有效降低了脱盐水的消耗，稳定控制了挤出机的机筒温度。

1.2 循环冷却水水温控制的改造及优化

生产过程中挤出机机筒温控系统中冷却水进水温度要求<60 ℃，但是回水温度在95 ℃左右。原有设备换热器换热量受结垢、输水不畅等影响换热量变小，造成进水温度升高，冷却效果降低，进入机筒体内的冷却水严重气化，管道经常出现水击、调节阀损坏等问题。

为稳定挤出机机筒温度的系统控制，在循环泵出口换热器后面新增一个换热器，使用冷冻水(WR)再次降温，使水槽温度控制低于50 ℃。改造后在实际生产中冬季机筒冷却水进口温度30 ℃，夏季38 ℃，完全满足于实际生产的需求。

水温控制改造前后工艺图如图1所示。

图1 水温控制改造前后工艺图

1.3 机筒降温给水方式的改造及优化

原挤出机分段降温的给水方式为电磁阀控制，受机筒回水水击的原因，时常造成电磁阀内漏、失灵、损坏等，造成挤出机单段温度设定值与实际值的偏差较大，影响挤出机正常生产。

将挤出机机筒冷却水原有电磁阀控制方式改为电磁阀与气动球阀相结合的控制方式。由电磁阀控制仪表气源，从而控制气动球阀，由气动球阀来控制冷却水，实现机筒温度的恒定，控制阀改动前后示意图见图2。

图2 控制阀改动前后示意图

从挤出机研究成果实施前后温度控制对比可以看出，研究前挤出机有3个温度控制点的设定值与实际值偏差较大，偏差范围在23～39 ℃，实施后挤出机所有温度控制点的温差都控制在5 ℃以内，大大减小了设定值与实际值的偏差。挤出机温度控制点得到了有效地控制，对工艺参数的调整和控制可以有效地传递到设备和物料中间，提高了设备的稳定性和工艺的准确性。

1.4 色焦粒数据对比

对2020年5—12月的成品数据进行了收集和分析，并对色焦粒按每批次的含量进行了汇总，具体数据见表1。

表1 机筒冷却水控制方式优化后色焦粒变化情况

从表1可以看出，2020年5—7月份聚甲醛成品色焦粒的优等率(指标是≤12粒)一直在60%以下。6月份受色焦粒影响最严重，色焦粒优等率不足40%，>40粒的批次也占到20%以上。挤出机机筒冷却水控制方式优化后，从8月份开始聚甲醛成品色焦粒的优等率逐渐上升，9—12月份，聚甲醛成品色焦粒的优等率一直维持在85%以上，>40粒的批次降到5%以下。说明挤出机机筒冷却水的精确控制有利于降低POM中的色焦粒数量，机筒冷却水冷却效果是影响当前POM色焦粒的关键因素。

2 螺杆转速及扭矩对聚甲醛生产的影响

挤出机的螺杆转速根据生产负荷而定，生产负荷高则螺杆转速要求也高，生产负荷低则螺杆转速相应下降。生产的产品熔融指数不一样，螺杆转速也有差别。低负荷下采用高转速，封端机螺杆螺槽内部物料充满度过低就向后输送，造成聚甲醛物料和添加剂混合不均匀，从而影响产品性能的均一性及稳定性；另外，物料由于在螺杆内部充满度过高，会产生部分聚甲醛挂壁，达不到自清理效果，挂壁物料长时间在机壳内会发黄、变黑，造成聚甲醛产品色焦粒多。同时高负荷下采用低转速，会造成物料输送慢，挤出机扭矩过大，稍有波动即可引起设备跳车，不利于生产稳定。为此，探讨挤出机转速与生产负荷的对应关系，实验数据见表2。

表2 生产负荷与螺杆转速度的关系

从表2可以看出，挤出机生产负荷和转速呈正比关系，生产负荷低于2 400 kg/h时POM中异形粒较多，影响POM的质量外观，高负荷下会产生部分聚甲醛挂壁，长时间受高温影响，机筒壁上的物料会发黄、变黑造成聚甲醛产品色焦粒、小黑粒变多，从而影响产品质量。挤出机主要参数：生产负荷控制在2 400～3 000 kg/h，通过调整螺杆转速控制物料在螺杆内部的充满长度，将扭矩控制在60%左右，可以有效地控制异型粒的产生，对挤出机的稳定运行及产品质量的提升有明显效果。

3 结束语

通过优化挤出机操作及机筒温度改造，分析聚甲醛产品质量的影响因素和控制要点，提出了技术改造和操作管理创新，在采取以上措施的同时，不断对现有设备情况及前聚合反应进行改进和分析，优化操作、降低消耗、提升质量、延长设备运行周期，提高了聚甲醛外观质量和成品质量，将设备对生产系统的影响降到最低。