耿東方 唐迎迎 張紹武 孔 健 徐海波 王兆堃

(1.中國神華煤制油化工有限公司榆林化工分公司；2. 甘肅宇辰化工公司；3. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司)

蘭州石化年產(chǎn)20萬t的高壓聚乙烯裝置引進(jìn)德國Basell公司LUPOTECHT?管式法反應(yīng)器技術(shù)，以乙烯為主要原料，醋酸乙烯為共聚單體，過氧化物為引發(fā)劑，丙烯、丙醛為分子量調(diào)整劑；聚合反應(yīng)是采用乙烯單點進(jìn)料、過氧化物四點注入的脈沖式反應(yīng)。裝置由意大利TECNIMONT工程公司進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計，大慶石化設(shè)計院進(jìn)行部分詳細(xì)設(shè)計，由中國石油吉林化工建設(shè)公司建設(shè)。2005年4月15日破土動工，于2006年12月21日投產(chǎn)。裝置占地面積近3萬m2，設(shè)計年生產(chǎn)能力20萬t聚乙烯(顆粒)樹脂，年操作時數(shù)8 000h，可生產(chǎn)薄膜、電纜及管材等高壓低密度聚乙烯樹脂和乙烯-醋酸乙烯共聚樹脂共16個牌號的產(chǎn)品。

1 擠壓造粒概況及模板結(jié)構(gòu)

1.1 擠壓造粒概況

擠壓造粒機(jī)是廣泛應(yīng)用于橡塑機(jī)械行業(yè)的重要設(shè)備[1]。擠壓和造粒系統(tǒng)的主要組成部分包括主擠出機(jī)、輔助擠出機(jī)和造粒機(jī)。主擠出機(jī)型號為單螺桿KE600，螺桿直徑600mm，螺桿長度L與直徑D比為16∶1，螺桿最大轉(zhuǎn)速為87.5r/min，最大處理能力34.5t/h。輔助擠出機(jī)型號為雙螺桿KTX73 MX。造粒機(jī)型號為UP-650N，期望處理能力40.0t/h，保證處理能力34.5t/h，切刀共20把，材料為工具鋼(硬度約為60HRC)，切刀轉(zhuǎn)速200.0～750.0r/min，顆粒水量550m3/h，溫度40.0～70.0℃。按照擠壓造粒系統(tǒng)工藝操作單元分類，造粒機(jī)組設(shè)備主要包括3部分：擠壓造粒機(jī)組本體部分、擠壓造粒機(jī)組輔助系統(tǒng)和擠壓造粒機(jī)組外圍工藝設(shè)備[2]。

擠壓和水下切粒工藝流程為：溫度在210.0～280.0℃熔融的高壓聚乙烯從低壓產(chǎn)品分離器經(jīng)過閘板閥進(jìn)入主擠壓機(jī)中；加入添加劑，爽滑劑由計量泵、穩(wěn)定劑由計量泵注入到進(jìn)料區(qū)的下游。開口劑和返回的不合格品，通過輔助擠壓機(jī)加入主擠壓機(jī)中，熔融聚合物與所有添加劑混合，在到達(dá)模板前完成。聚合物壓力升高并混合均勻后，通過擠壓機(jī)螺桿輸送到模板，然后經(jīng)水下切粒機(jī)切粒，所切粒子由顆粒循環(huán)水送到離心干燥器脫水，進(jìn)入振動篩，在此將不合格的粒子分出后，將合格顆粒送入料倉等待包裝[3]。

1.2 造粒模板

造粒模板采用熱槽式，本體材料為SUS403。表面硬化層材料為碳化鈦，厚度為3mm，硬度為60～62HRC。模板采用HPS加熱，模板孔數(shù)為3 376個，模板孔徑2.4mm。

擠壓機(jī)造粒時，在擠壓機(jī)單螺桿的推力作用下，熔融聚乙烯物料從擠壓機(jī)筒體通過模頭濾網(wǎng)孔進(jìn)入模板流道；高壓蒸汽在模板通道內(nèi)流動，其熱量由換熱通道傳遞給熔融物料，熔融物料由出料孔擠出造粒面被冷卻水迅速冷卻硬化，隨即被高速旋轉(zhuǎn)的切刀切割成顆粒，完成整個造粒過程。

1.3 國產(chǎn)模板技術(shù)參數(shù)

擬試用國產(chǎn)模板參數(shù)如下：

釬焊接頭剪切強(qiáng)度 不小于150MPa

造粒帶表面硬度 62～66HRC

造粒帶表面粗糙度 不大于0.8μm

造粒帶平面誤差度 不大于0.2μm

造粒帶與止口平面度誤差 不大于30.0μm

造粒帶表面溫差(工況下) 不大于2.0℃

出料孔直徑誤差 不大于40.0μm

出料孔粗糙度 不大于1.6μm

2 國產(chǎn)模板及切刀的安裝

2.1 國產(chǎn)模板的安裝

國產(chǎn)模板與刀軸的垂直度調(diào)整是影響模板壽命的關(guān)鍵因素。理想狀態(tài)下，模板與切刀切割表面是平行的。因此，垂直度調(diào)整的好壞，不僅影響模板的壽命，也直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，在現(xiàn)場實際生產(chǎn)中要求平行數(shù)據(jù)在30.0μm內(nèi)。

將模板常溫緊固，然后對模板進(jìn)行升溫，升溫時間與梯度均有嚴(yán)格要求，升溫過快極有可能造成模板造粒帶裂紋，升溫過慢則使模板不能達(dá)到最佳效果。

對于長時間停車情況，模板加熱的升溫速度不宜過快，初次加熱升溫速度應(yīng)控制在1.0～1.5℃/min，每50.0℃為一個加熱梯度，分步進(jìn)行，每上升50.0℃都應(yīng)恒溫1h后再升溫，直到加熱到100.0℃。當(dāng)升溫到100.0℃后，按每10.0℃為一個加熱梯度繼續(xù)升溫，直到達(dá)到工藝要求值，然后進(jìn)行恒溫傳熱2h，使各部件溫度均衡。最后使用專用工具對模板安裝螺栓進(jìn)行熱緊固。

對于短時間停車情況，模板溫度未降至100.0℃以下，加熱升溫速度應(yīng)小于6.0℃/min，溫度達(dá)到180.0～220.0℃時，同樣保持該溫度條件下恒溫2h。

模板找正方法：將找正專用表固定在切粒機(jī)切刀軸上，然后將水室移動使表能接觸到造粒帶的表面。然后合模、加鎖并移去視窗玻璃。此時不急于觀測數(shù)據(jù)，由于千分表的表針剛接觸到模板的表面，二者存在較大溫度差，因此需將其放置一段時間，然后通過視窗盤車觀察。若發(fā)現(xiàn)磁力表座的指針在同一位置不再發(fā)生偏移，即可進(jìn)行垂直度的找正工作。此時刀軸聯(lián)軸器已經(jīng)脫開，盤車一周記錄下8個位置的數(shù)據(jù)，具體位置如圖1所示。位置3的偏移0.01mm，位置6偏移-0.01mm，其余位置無偏移。如果數(shù)據(jù)超差，必須拆下切刀，清理刀盤的切刀安裝槽，重新安裝找正，直至數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)。

圖1 模板找正測量位置標(biāo)號

2.2 切刀的安裝

影響模板使用周期和效果的因素中，除了模板自身質(zhì)量之外，切刀的選擇與安裝對其的影響最大。2006年10月開車時，蘭州石化高壓聚乙烯裝置的切粒機(jī)是日本神戶制鋼公司生產(chǎn)的P-650N，刀盤每次換刀量為20把，材料為碳化鎢。至2006年12月開車平穩(wěn)后，為了降低企業(yè)生產(chǎn)成本，在不影響設(shè)備長周期運行的前提下，蘭州石化公司積極推進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備部件國產(chǎn)化，并取得巨大成功，實現(xiàn)切刀備件國產(chǎn)化，目前國內(nèi)同類裝置此類備件國產(chǎn)化技術(shù)較為成熟。

隨著塑料牌號的不斷增加，塑料樹脂的熔融指數(shù)范圍逐步增大。高熔融指數(shù)塑料造粒過程中，不但要求模板造粒帶表面必須平整，出料孔邊緣必須鋒利，造粒帶與切刀刃部的間隙必須相當(dāng)小，而且對切粒刀刃口的鋒利程度要求也非常嚴(yán)格。為了適應(yīng)生產(chǎn)不同熔融指數(shù)樹脂原料工況要求，切粒刀的選用原則：

a. 當(dāng)模板表面狀態(tài)很平整，切刀與之較容易磨合時，可采用金屬陶瓷復(fù)合切刀，但刃帶寬度應(yīng)控制在2.5mm以下；

b. 當(dāng)模板表面狀態(tài)不平整時，可選用整體復(fù)合涂層切粒刀；

c. 調(diào)整切粒刀刃部的硬度，為使切粒刀刃部與模板造粒帶的硬質(zhì)面硬度匹配，將切刀刃部的硬度調(diào)低至53～55HRC，使之與模板造粒帶的硬度差為7～13HRC，以保證模板的正常磨損。硬度差太小會使模板造粒帶磨損嚴(yán)重，進(jìn)而影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量和模板壽命；硬度差太大則會造成切刀使用周期太短，甚至造成拖尾料的產(chǎn)生。

切刀使用周期一般為3～6個月，模板使用周期一般為3年。數(shù)據(jù)顯示切刀國產(chǎn)化后，切刀壽命一般為3個月，但可以在不影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量的前提下保證模板達(dá)到3年的使用壽命，國產(chǎn)切刀壽命約是進(jìn)口切刀壽命的2/3，但費用為進(jìn)口切刀費用的1/4，對模板的磨損明顯小于進(jìn)口切刀。

裝切刀的時候要清理刀片和刀架的安裝面，保證刀片和刀架之間不夾有外界顆粒及熔融料等雜質(zhì)。固定螺栓的擰緊力矩要控制均衡，要使每個刀刃上的切割表面偏移盡可能小。20把切刀刀刃與模板的平行偏移度控制在30.0μm以內(nèi)，因為每組刀片的厚度偏差不同，所以一個組中的刀片要一起保存并一起使用。為了確保刀片的位置，要用由廠家提供刀片的專用固定螺栓。

切刀找正方法：切刀安裝在切刀盤后，置于找正專用基準(zhǔn)平臺(圖2)，將20把切刀編號為1～20，把千分表固定至第一把切刀，調(diào)整至零位，旋轉(zhuǎn)一周分別記錄下20把切刀的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)超出范圍，則需要調(diào)整后重新找正，切刀找正數(shù)據(jù)見表1。

圖2 切刀找正專用基準(zhǔn)平臺

表1 切刀找正數(shù)據(jù)

3 模板的操作維護(hù)

3.1 模板與切刀的對磨

切刀與模板的第一次磨合對整個模板的壽命有重要影響。進(jìn)刀壓力過大會造成切刀啃噬模板造粒帶表面硬質(zhì)層，減少模板的使用壽命；進(jìn)刀壓力過小會使切刀研磨不均，無法達(dá)到磨刀效果，開車后有可能產(chǎn)生拖尾料，影響產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)進(jìn)口模板的相關(guān)經(jīng)驗，同時考慮國產(chǎn)模板的特殊性，初次磨刀進(jìn)刀壓力控制在0.17MPa，磨刀時間約20min，解鎖檢查切刀正常磨損是否均勻。磨刀的最好效果是切刀與造粒帶的結(jié)合處每把切刀都有輕微、均勻的磨損痕跡。同時，磨刀后檢查造粒帶有無細(xì)小裂紋，內(nèi)六方緊固檢查造粒帶內(nèi)側(cè)固定合金墊內(nèi)六方有無松動，確認(rèn)是否具備開車條件。

3.2 關(guān)鍵工藝操作及設(shè)備濾網(wǎng)的優(yōu)化

開車前氧化熔融物料未全部排出、排料后部分?？锥氯?、部分模孔未填充均勻熔融物料、開車前模板表面物料清理不徹底及未涂抹相關(guān)保護(hù)油脂等，都將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和模板使用壽命。同時，顆粒水工藝參數(shù)對模板也有影響，一般將水溫控制在55.0℃左右。水溫過低會使模板上、下游長期處于高溫差和高壓差環(huán)境，對模板壽命有嚴(yán)重影響；水溫過高會使熔融物料造粒后產(chǎn)生拖尾料，因此顆粒水的溫度要隨著生產(chǎn)產(chǎn)品熔融指數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。顆粒水的流量也要控制在一個合適的范圍之內(nèi)，一般控制在550m3/h左右。

模頭濾網(wǎng)是主擠壓機(jī)模板最重要的保護(hù)部件，是熔融物料進(jìn)入模板流道前的保護(hù)設(shè)施，其作用是過濾掉擠壓機(jī)筒體內(nèi)熔融物料的機(jī)械雜質(zhì)及未融添加劑等，保護(hù)?？撞槐欢氯?。對于原裝進(jìn)口模頭濾網(wǎng)，由于生產(chǎn)特點的局限性，使用周期短，約3個月需更換濾網(wǎng)，遠(yuǎn)低于計劃檢修周期。在外方專家和相關(guān)技術(shù)單位的配合下，通過對模頭濾網(wǎng)進(jìn)行多次技術(shù)改造，最終把進(jìn)口原裝四層復(fù)合濾網(wǎng)的4種濾網(wǎng)目數(shù)規(guī)格改為40mm×100mm×40mm×20mm，改造后運行平穩(wěn)。

理論上濾網(wǎng)目數(shù)越大對模板?？妆Ｗo(hù)越好，但是會提高模頭壓力，嚴(yán)重時會造成止推軸承失效，因此，合理的濾網(wǎng)目數(shù)對于模板及主擠壓機(jī)具有重要的影響。

4 國產(chǎn)模板與進(jìn)口模板對比

4.1 產(chǎn)品關(guān)鍵數(shù)據(jù)對比

自2012年6月17日更換國產(chǎn)模板后，先后多次生產(chǎn)了車間的3種代表性產(chǎn)品——2426H、2426F、1810D。3種產(chǎn)品熔融指數(shù)由高至低，其中2426H為裝置生產(chǎn)過的熔融指數(shù)最高的產(chǎn)品，1810D為裝置生產(chǎn)過的熔融指數(shù)最低的產(chǎn)品，此3種產(chǎn)品可以代表裝置的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。通過隨機(jī)抽取這3種產(chǎn)品的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對比進(jìn)口與國產(chǎn)模板的性能，使用進(jìn)口模板與國產(chǎn)模板產(chǎn)品關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表2。通過對比擠壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，國產(chǎn)模板可以達(dá)到進(jìn)口模板的運行工況。

表2 KE600擠壓機(jī)使用進(jìn)口模板與國產(chǎn)模板關(guān)鍵數(shù)據(jù)對比

4.2 產(chǎn)品外觀質(zhì)量對比

在正常開車時，隨機(jī)抽取進(jìn)口模板與國產(chǎn)模板產(chǎn)品進(jìn)行外觀質(zhì)量對比(表3)。通過對比產(chǎn)品外觀質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)模板的產(chǎn)品外觀質(zhì)量優(yōu)于進(jìn)口模板外觀質(zhì)量。國產(chǎn)模板試用過程中常見異?，F(xiàn)象及對策見表4。

表3 進(jìn)口、國產(chǎn)模板粒料外觀質(zhì)量對比

表4 國產(chǎn)模板試用過程中常見異?，F(xiàn)象及對策

5 結(jié)束語

高壓聚乙烯裝置KE600擠壓機(jī)通過積極推進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備核心部件的國產(chǎn)化，將進(jìn)口模板更換

成國產(chǎn)模板，運行一年半后，擠壓機(jī)模板運行平穩(wěn)，產(chǎn)品外觀、質(zhì)量甚至優(yōu)于進(jìn)口模板的。通過測量模板表面造粒帶磨損情況，對比同期進(jìn)口模板磨損情況發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)均優(yōu)于進(jìn)口模板，預(yù)計壽命可達(dá)3.0～3.5年。國產(chǎn)化模板的成功應(yīng)用，將會對此類裝置設(shè)備核心部件的國產(chǎn)化產(chǎn)生積極影響。

[1] 趙文增.聚丙烯擠壓造粒機(jī)組自控系統(tǒng)分析及故障處理措施[J].化工自動化及儀表,2012,39(11): 1397～1403.

[2] 劉瑞年.PCS7在聚丙烯擠壓造粒機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2010,37(8):124～126,130.

[3] 曾正，師燕燕.590P系列直流調(diào)速器在雙螺桿擠壓造粒機(jī)主機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2010,37(9):132～136.