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优化的挤出螺杆设计最大限度地提高硬质PVC产品的产量和质量

时间:2021-10-12 17:56:52  来源:

在塑料行业,双螺杆是将原材料转化为硬质 PVC 管材或型材的挤出工艺的核心。这些高度工程化的组件是运输、压缩、混合、加热、冷却、剪切和将各种粘性物质通过模具泵入高度结构化产品的组成部分。因此,螺杆也是影响产量和最终质量的主要因素。

鉴于螺杆在挤出过程中发挥的关键作用,当不可避免地需要更换它们时,许多刚性 PVC 管材或型材制造商继续低估优化螺杆设计的影响。由于所使用的原材料、配方、添加剂和填料的可变性,螺钉不是现成的零件,可以根据产品类别简单地“更换”。

另一方面,优化设计是一种咨询方法,其中评估过程的每个参数以创建适合应用的定制解决方案。当与具有广泛设计知识基础和对挤出工艺有深入了解的更换螺杆供应商相结合时,螺杆更换从一项任务转变为硬质 PVC 挤出机改进其工艺、解决当前加工和产品质量问题的机会,甚至确保下次更换更远。

优化硬质 PVC 生产

硬质 PVC 常用于制造管材挤出,但也用于生产乙烯基点击地板等产品的型材。硬质 PVC 的理想加工涉及螺杆设计,该设计能够将材料非常均匀地加热到大约 150°C 的温度,所有添加剂始终分布在粉末颗粒周围。然后将材料/粉末剪切并加热到最终温度,从而实现最佳的凝胶化和性能均匀性。最终工艺温度为 180°C 至 200°C。

在此过程中,双螺杆挤出机将两个相互啮合的相同螺杆封装在匹配的机筒中。设计可以是平行的或锥形的。在双螺杆挤出过程中,用于制造管材的PVC/cPVC(氯化聚氯乙烯)在进入模具之前经过输送、压缩、脱气、塑化、剪切、捏合、熔融和均质化。平行和锥形螺钉也用于加工用于门窗的 uPVC(未增塑聚氯乙烯)和 cPVC。

在这些螺杆类型中,锥形的进料面积大,齿轮箱更简单,但由于螺杆长度的限制,产量低到中等。另一方面,平行双螺杆不受长度限制。这种差异反映在称为长度对直径 (L/D) 的关键参数上,它是螺杆的螺纹长度与其外径的比率。

“30 年前,螺钉的 L/D 约为 20,而 15 年前约为 30 L/D。今天,许多螺杆运行 40 L/D,”Shayan Moin 说,他拥有聚合物工程硕士学位,并且是 UniSol 的总裁,UniSol 是一家位于加拿大安大略的专业聚合物技术营销商,拥有塑料挤出生产线的螺杆和机筒制造专业知识。

处理螺丝磨损

无论螺杆是锥形的还是平行的,在挤出具有挑战性的材料时,磨损寿命都是一个问题。对于硬质 PVC,挤出机通常需要在一到四年内更换螺杆,因为填料会磨损或具有腐蚀性。“PVC 含有滑石粉或碳酸钙等填料,会加速螺杆磨损。因此,有些螺丝需要在一到一年半内更换。其他具有良好配方且非常小心地运行的产品可能会持续四年,”Moin 说。

在大多数情况下,螺钉磨损的迹象是明确的,即使是细微的。螺杆磨损会影响加工或产品质量。症状包括产量减少、电热使用增加、需要更多添加剂或生产过程中出现烧焦的气味。磨料磨损还可能导致主进料口、侧进料器和模具加压区的堵塞,所有这些都会进一步降低生产率。

不解决螺杆磨损问题对挤出机来说可能代价高昂。

“虽然用于刚性 PVC 管应用的废料通常在 1.5% 的范围内,但如果螺钉磨损,则废料率可能高达 10%,”Moin 说。

另一个磨损迹象是挤出机开始生产新管材尺寸所需的时间,通常为一到两个小时。“当螺钉磨损时,切换到开始运行另一个管道尺寸需要两到四倍的时间,”他补充道。

当螺杆磨损导致材料烧毁时,可能需要大量的生产停机时间进行清洁。

“如果材料燃烧,挤出机可能需要每隔几天停止生产线以清洁螺杆。通常他们永远不必清洁它。但是,当螺钉非常磨损时,就需要进行更多的清洁工作,而且劳动力成本也更高,”Moin说。

然而,挤出机通常通过使用额外的添加剂来应对螺杆或性能方面的挑战。鉴于 80% 的成本都在配方中,减少添加剂的数量和数量可以降低运营支出。

“大多数情况下,制造商并不真正需要更多添加剂——他们只需要使用精心设计的替换螺钉来优化工艺,”Moin说。

延长螺杆寿命,确保质量

传统上,螺杆制造商通过选择钢材料和应用耐磨涂层来解决磨损问题。对于平行双螺杆,运行表面带有碳化钨的双金属机筒和螺杆有助于延长使用寿命。对于锥形螺钉,类似的方法可以抵抗磨损以及特殊的包层。

然而,改善磨损保护远不止应用涂层。Moin 表示,更好的解决方案是用优化设计替换磨损的螺钉,这样可以将磨损减少多达 60%。

“在大多数情况下,磨损是压力突然增加的结果,这会导致一些熔体湍流损坏螺杆,”Moin 解释说。“挤出机可以通过适当的设计减少磨损,消除这些突然的压力增加。”

在螺杆和机筒的设计和制造方面,UniSol 与 GermanTwinscrewS (GTS) 合作,这是一家在塑料挤出领域拥有数十年经验的德国制造商。GTS 已经为 100 多个国家的客户制造和交付了数万个螺钉,积累了材料、配方、参数和 OEM 设计的数据库。此外,该公司还开发了专有模拟软件,可根据特定原材料、化合物、配方、温度和操作条件优化反向旋转螺杆设计。

“最终,来自模拟的信息用于确定材料在螺杆上不同点的熔体压力。GermanTwinscrewS 的首席执行官兼创始人 Ernest Krüger 说,熔体压力是设计螺杆以提供卓越的磨损保护以及确保原材料适当熔化和复合的关键。

或者,GermanTwinscrewS通常可以通过仔细检查将要更换的旧磨损螺钉来确定应用的特定应力。

“通过仔细测量,我们可以计算出螺杆在高磨损或低磨损区域必须承受的能量。据此,我们计算出新螺杆的最佳螺杆设计,使其能够可靠地承受预期的磨损,”Krüger解释说。

除了设计之外,螺杆的加工也是最重要的。

“市场上的大多数螺钉在材料收集的不同设计之间都有高达一英寸的间隙。残留在间隙中的材料会增加压力,导致磨损,甚至燃烧导致质量问题,”Krüger 说。

为了延长螺钉的使用寿命并提高产品质量,GTS 设计了不断变化的螺钉(几乎没有自由切割)以防止材料挂起。

“螺杆设计更改之间没有中断,因此在新设计中,材料直接从一个通道流到下一个通道。没有材料挂起,也没有等待时间,这可以防止螺杆磨损和聚合物分解,”Krüger 说。

此外,为了增加螺杆设计最后 100 至 250 毫米压力区域的输出,GTS包括两倍数量的“螺纹”,以实现更平滑的管道内部并减少来自螺杆的任何压力脉动。

提高生产力和盈利能力

对于寻求优化螺杆设计的挤出机来说,产量的增加通常是显着的。这通常通过增加螺杆和机筒的长度来实现。

根据Krüger 的说法,通过将螺杆从 32 L/D 扩展到 34 L/D 并确保齿轮箱具有足够的能量密度,通常可以将产量提高 25%。这种简单的调整使平行螺杆更经济,通常用于硬质 PVC 挤出。

此外,根据应用定制螺杆设计还可以通过增加填料的使用和最大限度地减少必要的添加剂来显着降低硬质 PVC 配方的成本。

据Krüger 称,硬质 PVC 配方因制造商而异,主要在于所用稳定剂的百份之比 (PPH) 和碳酸钙填料的变化。增加填料的用量会降低成本,因为填料便宜。然而,使用过多的填料是一个问题,因为它会使刚性 PVC 管变脆。

据Krüger 称,在许多应用中,碳酸钙填料的百分比在管道应用中达到 100 甚至 150 PPH。一些应用,例如乙烯基点击地板型材可能使用高达 300 PPH 的碳酸钙。

他指出,优化螺杆设计可以解决这个问题。“通过优化螺杆,挤出机可以使用更高百分比的填料,同时仍能获得更好的均质性并保持相同的整体质量。”

此外,他指出,由于稳定​​剂是配方中最昂贵的部分,因此在减少其使用量的同时仍能通过螺杆设计稳定硬质 PVC 材料非常具有成本效益。

“通过优化平行螺杆的螺杆设计,硬质 PVC 挤出机可以具有更简单的配方,添加剂的百分比非常低,填料的百分比更高,”Krüger说。“因此,硬质 PVC 挤出机可以降低配方成本并实现更高的产量。”

精确调节温度也是硬质 PVC 生产的一个重要方面,改进设备设计可以促进这一点。多年来,挤出机制造商一直利用外部油温控制来保持螺杆温度。但是,GTS 的经验表明,闭环水温控制更为有效。

据 Krüger 介绍,如果流程前端的热量过多,可以在一个闭环循环中自动输送到进料区。这节省了大量的热能并降低了运营成本。

“闭环系统有利于刚性 PVC 应用,因为这些配方更敏感。此外,有许多挤出机没有最好的配方。螺杆必须与所有这些配方配合使用,因此闭环系统无需维护且非常有用,”他总结道。

硬质 PVC 挤出机可能已经接受降低螺杆磨损寿命和产量作为经营成本,并通过使用更多添加剂来控制其工艺进行调整。但是,优化螺钉更换设计可能是实现其性能目标的更具成本效益的方式。在这方面,与更换螺钉专家合作根据应用定制设计可以显着提高底线。

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