挤压造粒机组水下切粒状态的影响因素及其改进

孙海峰，郭俊巍，梁中国，张 彬，邴 磊

(北方华锦化学工业股份有限公司，辽宁 盘锦 124000)

通过列举环管聚丙烯装置开车中挤压造粒机组切粒效果实例，分析了挤压造粒机组切粒效果影响因素，提出了具体的注意事项和相应的对策及控制措施，确保装置安全平稳长周期地运行，并产出合格优等产品。

某新建25万t/a环管聚丙烯装置，挤压造粒机组为德国Coperion悬臂式双螺杆ZSK系列机组。主要参数见表1。

表1 挤压机主要参数

1 切粒小车运行状态

切粒小车(图1)由切粒水室、切粒机、液压油系统等构成，切粒小车前进与模板锁紧构成封闭水下切粒系统，进行切粒。

切粒小车运行状态直接决定了切粒机组是否能够正常进行生产，切粒小车与模板的对中是切刀与模板贴合的前提，切粒小车的合并是磨刀的前提，切粒小车是否能够正常前进后退又是开停车必要条件。下面将对这些因素进行分析。

图1 切粒小车示意图

1.1 切粒小车与模板对中偏离

1.1.1 故障情况

2016年6月初次安装模板后，开始对模板与切刀进行对中找正(对中是刀盘主轴与模板中心线的同轴度)，其调整的位置是小车的四个轮子。这四个轮子是可以上下左右调整的，如果这个对中没有做好，每次开停车都会出现精度超差的问题。之后进行磨刀，小车前进与模板锁紧，运行状态正常。停车后，小车后退，停车0.5 h，准备进行冲模切粒。再次开车前，检查小车运行状态正常。停车12 h后，再次开车时发现小车与模板对中严重偏离，模板四个导向键无法进入切粒小车的键槽，对中偏离导致造粒机与机头无法锁紧合并，4个导向键无法进入模板键槽。导键与键槽的间隙最大为0.5 mm。

1.1.2 原因分析

1)首先根据切刀与模板安装要求，对模板与刀盘的平行度或模板与刀轴的垂直度进行复测，结果显示远远大于0.02 mm(正常标准为≦0.02 mm)。

2)切粒小车的找正基础为模板，针对模板的平面度、垂直度进行复测显示偏差均在0.02 mm以内，排除了因模板引起对中偏离的原因。

3)对切粒小车导轨基础平行度与平面度进行复测，误差均在安装要求0.05 mm以内，排除了导轨基础的原因。

4)排除挤出造粒机组基础沉降因素后，将连接切粒水室的颗粒冷却水软管法兰松开，发现切粒机与模板对中正常。

通过以上检查可判断是由于颗粒冷却水软管安装有偏差，导致切粒小车偏离，造成对中偏差。对切粒水室进出口金属管线的安装尺寸进行复测，进水软管未按照设计安装造成管线应力存在，造成造粒小车中心偏移。安装标准是以模板中心为基准点，模板平面为X、Y方向，垂直模板为Z方向，误差要求不大于5 mm，具体数据如表2。

表2 切粒水室进出水金属软管数据

此次找到原因后，彻底解决了切粒小车对中问题，将进水金属软管更换成长度为6050 mm软管，并在Y方向高度调整到5557 mm。安装的不规范，短时间内小车运行正常，模板锁紧，但是管道应力的存在将会导致刀轴偏离中心，不但切不出合格颗粒，还会造成模板磨损，导致挤出造粒无法正常生产。

1.2 切粒机前进不到位

1.2.1 故障情况

第一次试车，负荷14 t/h排地，16 t/h冲模，再次打回排地时，切粒机前进不到位，被迫停机。切粒机前进，靠液压油油压为动力，液压油作用在液压油缸活塞上，然后通过液压油将压力传到切粒小车上，从而可以通过改变油压来控制切粒机的运行状态。

1.2.2 原因分析

切粒机的前进程序需要三个条件：1)加热恒温按钮打旁通；2)磨刀模式；3)切粒机倒退到位。经过排查，原因为位置显示切粒机未倒退到位导致切粒机无法前进。因此首先对液压油泵振动、油压、电流、电压检查，排除了液压油泵的问题；其次将液压油管接头打开，启动油泵排除了油路堵塞问题；之后对现场仪表限位开关进行检查清理，排除现场仪表接触问题；最后仪表通过查看后台数据发现，切粒机实际已经倒退到位，但由于限位开关的捕捉信号能力较弱，显示切粒机未退到位。仪表通过抗干扰处理将信号锁死，解决了切粒机前进不到位的问题。

1.3 切粒三同时

切粒三同时，指的是颗粒冷却水、熔融物料、切刀同时到达模板。“三同时”的调试是一个非常复杂的过程，仅试车一次就想达到最佳的“三同时”效果几乎是不可能实现的。一般规定如果水比树脂过早流入到切粒室，会造成模孔“冻结堵塞”。造成后果就是，产品流量很不稳定，生产出来的粒料很不均匀；如果水比树脂晚到切粒室处，则在切粒刀贴近模板时，树脂会缠绕切粒刀。如果切粒刀比树脂晚到，就会造成垫刀。因此，在产品到达之前，造粒机的刀片就必须位于模板处； 在造粒机启动时，如果生产能力越高，则说明产品的流量条件也就越好。这样，产品的流量将很快上升到其最终速度。而这些条件又影响着模板处产品的流量，因此，生产负荷调高一点，就能有效地避免产品的波动。

1.3.1 三同时的设定

故障现象：切粒机合模锁紧后，切粒机自动启动，首次切粒垫刀，手动停车，再次试开车两次均因垫刀停机。

原因分析：首先复测模板平面度、模板与刀轴的垂直度、刀盘的平行度，排除模板、切刀的原因；切刀进、退刀压力稳定，排除因刀压引起退刀垫刀。

对三同时进行测定如图2，挤压机发出启动信号，收到启动信号，3个计时器将全部启动。三同时的测定是以切粒机转速为基准，待切粒机转速达到250 r/min时，颗粒水三通阀开始打直通，进行计时。

A=在模板处的造粒水；B=在模板处的造粒机刀片；C=在模板处的产品

图2 三同时测定图

1)操作“复式布置”或对模板进行保护，确定计时器T1的设定时间。从得到信号命令，启动计器，三通阀动作，到切粒水室有水，时间为10.5 s。

2)确定计时器T2的设定时间。切粒机转速达到250 r/min，开始计时，到切刀贴到模板上时间为9.5 s。

3)确定计时器T3设定时间，即，“复式布置”需要时间。从得到信号命令，启动计器，开车阀动作，到切粒水室有物料，时间为9 s。

由此分析，熔融树脂比切粒刀早到了0.5 s是造成开车垫刀的关键原因，当切粒刀贴近模板时被熔融树脂缠绕，失去了正常切粒作用，造成切粒水室充满了物料。如图3。

图3 垫刀事故图

通过仪表修改程序对三同时时间进行修正，三同时时间调整为颗粒水(8,5 s)、切粒刀(9.5 s)、树脂物料(10.5 s)后，开车切粒正常。

1.3.2 切粒刀动作时间

故障现象: 切粒机合模四点锁紧到位，切粒机自动启动，切粒机转速达到250 r/min时，颗粒水三通阀开始打直通。切粒机转速达到设定值450 r/min后，运行约5 s，跳车，操作员站收到切粒机转速低报警联锁停车。

原因分析：反复观看录制的程序视频，切粒机运行15 s内切刀动作未完成，触发联锁。切粒机转速达到250 r/min时到贴到模板需要时间为4.5 s，进刀延时时间为11 s，切刀动作完成需要时间为16 s，而切粒机联锁时间为15 s。更改程序，切粒机联锁时间由15 s延迟到18 s，进刀延时时间由11 s延迟10 s。联锁时间为18 s，切刀完成时间为14.5 s。

2 切刀寿命

2.1 切刀磨损

切粒刀技术规范：造粒机刀片的厚度是14 mm。允许的最大总切除率(打磨和磨损)是1.5 mm。这就是说，造粒机刀片最多只能打磨到12.5 mm厚。

问题描述，开车生产后，每天切粒刀的磨损量为0.34 mm，四天停车更换一次切粒刀。频繁更换切刀不仅影响生产稳定性，也增加了备件使用成本，物料浪费，大大降低了挤压机的运行效率和聚丙烯的生产效率。

2.2 影响因素

2.2.1 切粒刀进刀压力

刀片对模板面的压力对刀片的寿命和颗粒的形状有关键的影响。必须注意：除了刀具液压缸冲程极端外，在刀具装置中设有限位锁紧螺母。在操作期间，对刀具轴的所有前推力都由切粒刀片的刀刃支撑，此刀刃与模板面接触。因此，给切粒刀液压缸施加过大的液压压力可能引起刀片和模板面的异常磨损。

相反，液压压力不足可能引起所谓的“间隙切割”，这可能产生带尾巴的和链接的颗粒等，取决于生产产品。

切粒刀与模板面最佳贴合压力在初始磨刀时确立

切粒机进刀压力初始设定为3.9～4.0 MPa，其速度大约为最高速度的2/3。

起动切粒机电动机，使刀具刀片在热水中运行。

逐渐增大向前的液压压力，同时观察千分表。(I)当刀具开始朝模具面运动时，(II)当刀具不停地向前运动时，(III)当由于刀片接触模板而使切粒机电机扭矩增大时，只在I、II、III可区分时，记录下每个液压压力。正常情况下，将数据II采用作操作设定压力。如果刀具向前的向前运动停在中间位置，则升高空气压力约0.2 kgf/cm2·g(0.2 bar·g，0.02 MPa·g)。

磨削刀片刃口大约15～30 min。

如果在此操作中，在指示器上没有出现变化，则升高空气压力0.2 kgf/cm2·g，0.2 bar·g，0.02 MPa·g。重复此步骤，直至指示器读数(磨损)达到0.05～0.1 mm(0.004英寸)为止。

2.2.2 切粒刀

切粒机刀片的设计及其刀片状况决定着切割效果的好坏。

以下系数是非常重要的：

① 所有新的或重新加工的造粒机刀片的厚度公差，最大± 0.01 mm。

② 切削刃的平整度。

③ 切削刃表面的粗造度。

④ 切削刃的锐利情况。

⑤ 造粒机刀片切割面和背面之间的平行度(< 0.01 mm)。

切削刃的锐利情况：切削刃的锐利情况是决定切割效果的重要因素。钝切削刃切出的粒料有很小的“下垂物”或引发片块粒料形成。不可能再进行产品的切割，同时，水下造粒机会停止。

本机组切粒刀刀刃硬度(金属陶瓷)铁基硬度为HRC59-61，机组模板wc模板造粒带表面是碳化钨(硬质合金)硬度HRC78，造粒带表面是镶柱的，两者硬度匹配。

3 切粒机模板

3.1 模板拆卸与安装

模板安装是否规范是造成模板受热变形主要原因，直接影响切粒效果。

1)原则：热拆(200℃)冷装(环境温度)。

2)说明：由于受停车时间限制，达不到冷装要求温度，最高安装温度要≤150℃。

3)安装时要保证模头、模板接触面的洁净及光洁度，模头内物料要及时清干净，防止黑粒产生。

4)模板螺栓第一次拧紧力矩为螺栓拧紧力矩的60%(这个力矩时密封力矩)；模板升温至200℃(保温1 h后)进行第二次拧紧(80%力矩)；200～230℃(聚丙烯需250℃)进行第三次拧紧(100%力矩)；螺栓拧紧先内后外交叉进行。

5)模板升温：梯度70或100～150～200～230℃，每个阶梯保温1 h。

3.2 切刀对模板压力分析

刀片对模板面的压力对刀片的寿命和颗粒的形状有关键的影响：

①刀轴接触压力的压力控制电路在工厂时已经设置好。如果电位计或放大器规定了标称值(PLC确定的标称值)，则实际值必须自动与标称值相符。

②将刀轴向模板移动，压力调节值位于20和60 bar之间，对液压汽缸是适用的。在40 bar时，液压汽缸上的反压力是恒定的。

③在20和60 bar之间进行压力调节时，刀轴从模板向后移动。在20和60 bar之间进行压力调节时，刀轴是紧靠模板移动的。

1)为了通过向前推力刀具轴给模板施加规定的刀片接触压力，用以弥补刀片上的磨损，要以这样的方式给刀具液压缸施加调整好的液压压力，使刀具轴给模板面施加的推力最佳(刃口给模板面的压力)。

典型的进刀设定压力P与刀具速度n之间的关系表示如图4所示。

图4 进刀设定压力P与刀具速度n之间的关系

2)不要施加过大的进刀压力去迫使刀具刀片朝模板面施加力。为了延长刀具刀片的寿命和制造质量好的颗粒，设定好给刀具液压的进刀压力是造粒中最关键的因素之一。

3)正常地，为了防止模板喷嘴处的凝固，造粒操作以最大负荷的50%～65%开始。刀具速度大约为最高速度的60%～65%。然后增大负荷。

4)在此情形下，进刀压力需要从初始的起动进刀压力(f1)减下来，因为刀具轴向前的推力(f2)(推动力)随着刀具速度的提高而增大。否则，刀片对模具面的压力(Fx)将过分增大，从而引起刀片和模具面的迅速磨损。

5)当开始造粒时，刀具轴对模板面的推力(Fx)是：

Fx = f1+f2-(f3+f4+f5)

式中，f1：液压缸向前的液压压力；f2：由热水给刀片的推力(取决于刀具速度)；f3：液压缸向后液压压力(通常施加恒定的液压压力4.0 MPa)；f4：热水压力(向后)；f5：摩擦损失等(向后)。

6)切刀速度与切刀对模板压力曲线见图5。

f1：给定的进刀压力；f2：切刀对模板压力；n：切刀速度。

图5 切刀速度与切刀对模板压力曲线

3.3 调整措施

ZSK320机组，进刀压力为4.5 MPa，退刀压力4.0 MPa，刀压差为0.5 MPa。但实际运行中进刀压力波动不稳，刀压力逐步下降呈下降趋势，刀压差逐步增加，增加了切刀的磨损量。

3.3.1 更换液压油

液压油为福斯Renosafe/DU 46 阻燃抗磨液压油，经对液压油系统检查，发现液压油乳化严重并且发现大量水珠(见图6)，在加装前在桶内取样送分析检验中心分析水含量，加装新油水含量3.8%～4.1%。福斯厂家解释油品为运输过程中不慎进水，随即将此批进行更换。将液压系进行清理，加入合格油品。

图6 现场检测图

3.3.2 降低进刀压力

ZSK320机组，进刀压力为4.5 MPa，转速500 r/min，切刀数量为24把，负荷为30 t/h，切刀磨损量每小时0.03 mm。保正其他运行参数不变，以每次0.04 MPa 幅度降压，每小时记录一次累计磨损量，为避免退刀，进刀压力最小为4.0 MPa。当进刀压力为4.1时，磨损量基本趋于稳定。

3.3.3 调整切刀转速

机组切刀转速500 r/min，切刀数量为24把(其实若长期不是满负荷运转，应该减少装刀把数)，负荷为30 t/h。以颗粒大小和切刀磨损值为判断依据，逐步降低刀速。切利机转速允许范围为380～600 r/min，其他参数不变，每次调整刀速后每两个小时记录一次切刀磨损量。通过调整发现，国产切刀调整前的使用寿命约为5天，调整后每天磨损量为0.007～0.01 mm，使用寿命为4～5个月。

3.4 开车垫刀

故障描述:挤出造粒机组开车三次均因垫刀停车，三同时、模板平面度、模板与刀轴的垂直度、切粒刀平面度均符合要求。

原因分析：原则上，液压刀轴调节设施的行程是5 mm。按照造粒机罩的对接情况和刀轴逆行位置(刀转子的启动位置)，造粒机刀片和模板切割面之间的距离至少必须是1～1.5 mm。通过测量，造粒机刀片和模板切割面之间的距离为0.6 mm，由于距离过小，切粒机运行时不能把模板表面树脂甩掉，切粒刀进刀与模板贴合造成垫刀。造粒机刀片和模板切割面之间的距离调整为1.3 mm，垫刀问题得到解决。

1、模板，2、切刀，3、刀盘，4、轴位移显示，E、切刀与模板距离

4 结束语

通过对影响挤出造粒机组切粒效果的切粒小车、三同时、切刀磨损、模板等因素分析，并用于实践，影响因素除了各自的性能和质量稳定性影响造粒过程外，还与各部件之间的协调配合有很大的关系。对各因素不断的调整优化，使挤出造粒机组切粒问题得到解决。提高了挤压造粒机组的运行周期和聚丙烯产品的优级品率，为企业创造了良好的经济效益。