设定温度

科技工作者之家 2020-11-17

在一般的温度控制系统中,根据使用要求,需要设定一个控制温度点,就是设定温度。温控系统可以自动将温度控制在这个温度范围之内。

在塑料挤出行业技术中,有关锥形双螺杆挤出机工艺温度设定和控制, 基本有两种思路:一种是低温工艺,温度设定大致在 165℃~175℃左右;一种是常温工艺。 温度设定大致在 175℃~185℃左右;在温度设定趋势上,有前高中低后高的马鞍型工艺,也有由前到后逐步升高的阶梯型工艺。

塑料挤出工艺温度优化工艺温度的设定挤出各项工艺温度指标具体设定如下:

给料段:185℃,依据挤出机剪切性能和挤出量大小而定,确保显示温度>180℃;

压缩段:180℃;

熔融段:180℃:

计量段:170℃~180℃,依据挤出机剪切性能和挤出量大小而定,确保显示温度≤185℃。必要时可采用螺杆温度、给料速度等方法分别进行调节;

机头温度: 185℃:

口模温度:190℃~200℃,视型材截面成型与壁厚情况,进行对应调整。1

工艺温度的优化机理根据各个加热段具体职能,塑料挤出大致可分为加温、恒温、保温等三个区域。加温与恒温主要在挤出机内,以排气孔为界,划分为两个相对独立又相互关联的部分,保温区过程由合流芯、口模等部分构成。塑料挤出有两种热源,一种是电加热器提供的外热,一种是由双螺杆剪切、压延和摩擦作用产生的内热。两种热源在挤出的不同阶段发挥着不同的作用。温控装置控制的仅是外热。没有内热存在的机头、口模温度一般都容易控制;有内热存在,剪切作用较强,但尚未超越物料塑化需求的压缩段和主要为排气服务的熔融段,相对亦比较稳定,也较易控制。

剪切相对比较薄弱,主要依赖外加热,但外加热难以满足物料塑化需求的给料段(外加热功率配置较低的挤出机)和剪切热已超越物料塑化需求的计量段往往不受温控装置的控制。因此给料段,特别是计量段则是温度控制的重点和难点。挤出控制主体是物料温度,设定温度仅是手段,而显示温度在不同工况条件下,和物料温度又有不同的对应关系,是设定温度的依据和基准。

1、给料段温度

给料段显示温度仅是电加热器传递给螺筒的温度,并非是物料温度。物料温度往往远远低于显示温度。当物料通过给料螺杆刚进入挤出机时,温度仅有30°左右,而螺杆产生的剪切热距塑化温度亦有很大的差距,同时物料经由压缩段,将通过排气孔,需要物料在加温区域完成由玻璃态向粘流态的转化过程,要求基本呈“橘皮状”,没有粉状物质存在,并紧紧包覆于螺槽表面,方不至被真空从排气孔抽出或堵塞排气孔,因此给料段的职能是重在外加热,设定温度应尽量高一些,以便电加热圈给物料提供足够的外热。此时电加热器启闭比较频繁,甚至不停顿工作。由于物料进入给料段,距离从口模挤出还有一段时间,为预防物料在加料口“架桥”或在机内“粘壁”,设定温度也不宜过高,应以显示温度180℃以上为宜。虽然给料段设定温度低一些,比如温度设定为170℃左右,也能生产出内在质量达标的型材。但由于供给的外热比较少,过多依赖剪切热来提升熔体温度,对螺筒的磨损加大,会影响挤出机寿命,是得不偿失的。

实践证明,在给料、挤出速度和计量段设定温度不变前提下,提高给料段设定温度,在可有效降低计量段显示温度与设定温度之间的温差,充分说明给料段温度在一定程度上发挥着调整剪切热的作用。

2、压缩段温度

物料进入剪切作用较大的压缩段,在螺杆剪切力作用下,升温较快。设定温度高一些,有助于降低物料粘度,加快流动性,同给料段一样,可以减少剪切热的危害。

3、熔融段温度

熔融段的物料基本熔化,因螺槽容积的变化(一般压缩比小于1),熔压骤然降低,可以发挥充分恒温和排气的职能。设定温度和压缩段保持一致,有助于防止熔体降温。

4、计量段温度

计量段显示温度也不是物料温度。仅是物料在剪切热作用下传递给螺筒的温度,物料温度往往高于显示温度。设定温度的目的不是为了提供外热,而主要是为了及时停止外加热,并利用冷却来转移多余的热量,防止物料降解。因此设定温度不易过高,以显示温度≤185℃为宜。当挤出量过小,显示温度过低时,可视情况适时提高螺筒、螺杆设定温度或给料速度。

5、合流芯温度

熔体进入机头,已完全呈熔体状态,并开始由变速变压的螺旋运动转变为匀速直线运动,并通过口模建立熔体压力,使温度、粘度和流动速度更趋均匀,为成型做最后的准备。由于改变运动方向,建立熔体压力需牺牲一定的能量为代价,同时该区域由剪切作用产生的内热已不复存在。因此温度设定宜高一些,以减缓物料的热损失。行业中对合流芯温度设定的意见分歧较大,有人主张将合流芯温度设定在165℃~175℃之间,认为提高机头设定温度,会导致主机功率和型坯熔压降低,从而影响挤出制品的理化性能。其实提供或输出热量的大小并不完全由设定温度高低来决定,主要和加热对象的实际温度和设定温度的差值有关。当设定温度远远大于物料温度时,如给料段物料温度那样,提高设定温度,可以给物料提供大量的外热;当设定温度小于物料温度时,不但没给物料加热,反而起着降温的作用。

前面已经讲过,经过计量段的熔体实际温度是高于显示温度的,如果显示温度在185℃左右,那么物料温度也大致在185℃以上。合流芯设定温度的目的不是为了加热,只是为了保护熔体热量不因机头温度过低而被散失掉。同时熔体在机内被挤出时,靠近螺筒附近的熔体因与螺筒内壁摩擦,流动速度会低于熔体中心速度,发生所谓的“边际”效应。设定温度高一些,可有效调节熔体截面的流动速度。

当设定温度低于合流芯部位熔体实际温度时,其熔体不仅得不到外热,反而会处于完全散热状态,表面熔体流动速度则会减慢,与芯部熔体发生不均衡流动,则会影响口模挤出制品成型质量。甚至在口模分流锥流通截面阻力大的部位,因物料滞留出现黄线。当然提高合流芯设定温度是针对计量段熔体温度而言的。合流芯设定温度过高,表面熔体流动过快,也会使截面流动速度不均衡。

6、口模温度

口模设定温度主要是为成型和调整流速和壁厚服务的,由于熔体进入口模,在分流锥导向下,已由圆柱体转化为呈型材形状的薄壁熔体,依靠外加热,也可以将型坯熔体温度均匀提升到最佳塑化度区域。因口模温度直接关系到型材的外在成型质量,值得指出的是,当型材塑化不良时,过度依赖提高口模温度来调解是不当的。会因温度过高,熔体从口模挤出,发生不均匀膨胀。

7、螺杆温度

螺杆温度,一般有两种设置,一种是螺杆自调温,利用热管原理,实施热量在螺杆内部的均衡交换,不用外加能量,但换热效率较低。我国目前在55型以下的锥形双螺杆挤出机大致都是这种配置;一种是外加热与冷却装置,通过外加能量调节螺杆加热区和恒温区的温度。

螺杆温度的的设定,主要依据加温区和恒温区的设定与显示的温差来确定。其主要职能是辅助给料段加温或为计量段降温,平衡两者的温差。从行业目前挤出机存在的问题来看,主要是发挥后者的作用。

8、工艺温度自控机理

挤出温度设定之所以要求为“马鞍型”,主要是为确保物料和熔体温度呈“阶梯型“,由低到高,始终处于平稳上升,均衡塑化状态,而不至于因物料在加温区域设定温度太低,物料至排气孔未能塑化,从排气孔冒料;在恒温区域因设定温度过高,导致物料发生降解。

行业有人将设定温度呈“阶梯型”设置,显然是一个误区。当显示温度处于受控状态时,外热和内热是可以相互调节和平衡的。在设定温度一定条件下,当因剪切作用大,内热较高时,外加热圈会自动减少工作时间和加热量,并从外部提供风冷(或油冷),内部提供油冷,进行冷却,以防止物料分解;当因剪切作用小,内热较低时,外热圈也会自动增加工作时间,从而自动保持所供热量和所需热量的平衡。提高设定温度,在增加外供热量的同时,因物料粘度减少,流动性增加,导致剪切热减少;降低设定温度,在减少外供热量的同时,因物料粘度增加,流动性减少,导致剪切热增加。

挤出机提供的能量总是和设定温度保持协调一致。并不因挤出机剪切性能强弱,挤出量大小而变化。在较高的加工温度、较低的剪切作用下,可获得与较出低加工温度与较高的剪切作用下相同的塑化度。因此无论挤出机剪切性能强弱,挤出量大小,挤出工艺温度的设定应基本一致,不应当有什么不同。1

超负荷挤出,温度不受控状态与对策上述新思路是有前提的,是建立在正常挤出条件下,以显示温度处于受控状态为基准的。若不适当提高挤出效率时,亦会发生给料段所供热量难以满足物料塑化所需热量需求,显示温度不受控,往往低于设定温度,物料至排气孔未能良好塑化,仍有部分粉料,被真空从排气孔抽走;计量段所供热量超越熔体恒温所需热量需求,显示温度不受控,往往高于设定温度,导致挤出制品局部过热、分解。这种现象随挤出效率提高的幅度而变化,挤出效率提的越高,设定温度与显示温度的温差越大,产生的不良后果越严重。

给料段螺杆剪切热或外加热功率配置偏低的挤出机,此现象尤为突出。当显示温度不受设定温度控制时,所谓工艺优化是难以取得实效的。上述现象是挤出机所供热量与物料塑化所需热量失衡的表征。供料段设定温度与显示温度的温差大小,是外加热或剪切热欠缺程度的标志,计量段设定温度与显示温度温差大小,是剪切热过剩程度的标志。目前我国生产的挤出机在给料段热量匹配上,分别采取了两项措施:一是提高加热圈功率,如65/132型锥形双螺杆挤出机给料段功率配置已达9kW;二是改革螺杆螺纹结构,在给料段或压缩段双头螺纹后设置一单头螺纹,有效提高螺槽的压缩比。挤出机给料段热量供给欠缺现象已比过去明显改观。但计量段剪切热过剩,依然制约着挤出效率的提高。

剪切热除受螺杆结构的制约外,还直接受给料速度与挤出速度比的影响。当降低计量段设定温度,加热圈已停止加热,冷却装置不停顿工作,显示温度控制无效时,可根据需要,依照如下程序,采取相应措施,以有效降低计量段显示温度:一是降低螺杆设定温度,用油冷却的方法,转移计量段多余的剪切热。但降低螺杆设定温度,亦会降低给料段物料温度。当挤出机给料段配置加热圈功率较低时,降低螺杆设定温度,应兼顾给料段控制温度的需要,不要顾此失彼;二是适当降低给料速度,减少剪切热。在挤出速度一定条件下,提高或降低给料速度,是调整剪切热的有效手段。但降低给料速度亦会降低给料段物料温度,给料段与计量段物料对剪切热的需要是互为矛盾的。同螺杆温度设定一样,当挤出机给料段配置加热圈功率较低时,降低给料速度,也要兼顾给料段温度控制的需要。同时过度降低给料速度,导致计量段熔体不能完整包裹螺槽,也会加大螺绫与螺筒的磨损,出现所谓的“扫樘”症状;三是适当降低挤出速度与给料速度比。给料速度和挤出速度同是和挤出量有关的概念,又各自有不同的职能。加料速度宜与外供热相协调,以调整剪切热大小与物料塑化程度;挤出速度宜与牵引速度相协调,以调整挤出量和壁厚。当采用给料速度调整计量段显示温度,无法兼顾给料段显示温度时,才有必要降低挤出速度与给料速度比,一方面减少了计量段熔体的剪切热,另一方面延长了物料在给料段的停留时间,以利塑化。

应当指出:降低计量段设定温度,主要是控制剪切热,防止物料降解,并非显示温度越低越好。当加热圈已停止加热,冷却装置不停顿工作,温度设定的再低,亦是没有意义的。当计量段显示温度虽然高于设定温度,但在185℃区间,亦属正常范围,不必要调整。在挤出机生产小规格型材,挤出量较低,导致剪切热过少,计量段显示温度低于180℃时,还需根据情况,适时提高螺筒、螺杆设定温度或给料速度,以保持物料温度始终在理想的温度区域运行。

在挤出机螺杆各段压缩比允许条件下,提高加料速度才能对剪切热发挥作用。1

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学

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