高效单螺杆挤出机

聚乙烯管材挤出生产线的重要核心之一就是挤出主机，最广泛使用的主机都是单螺杆挤出机。单螺杆挤出机是一种已有几十年发展历史的机种，存在以下缺陷：低扭矩、低挤出量；高混炼与稳定挤出相冲突；高产量依赖于大直径的螺杆。因此，传统的单螺杆挤出机只能满足PE63以下材料的加工，由于挤出量的限制，生产大口径高压力等级的PE管材比较困难，如果生产Φ400的PE管材，使用传统的机型，必须选择螺杆直径Φ200mm以上的单螺杆主机，这样就增加了设备的加工难度，更重要的是产量 / 功率的比例就显得太低、耗能太大。

因此，为了达到最佳的熔体质量与制品质量，不断提高生产效率，高品质的单螺杆挤出机必须满足下列的要求：

◆高扭矩、以保证高挤出量；

◆合理的螺杆直径，极高的挤出量；

◆理想的混炼效果，稳定的高挤出量；

◆严格控制剪切作用，以获得理想的物料温度，防止由于

降解与交联导致材料性能的变化；

◆较强的加工适应性。

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HDPE管材加工的螺杆结构

螺杆是挤出机的心脏，各种类型的螺杆都可适用于 HDPE管材的挤出，但要得到产量高、熔体均匀并且挤出稳定的螺杆，其设计上必须使螺杆混炼效果好，避免过高的剪切力使聚合物剪切损伤，或熔融过热而降低树脂的性能。

HDPE在挤出机料筒内熔融塑化，通过模头成型管坯。要求挤出机能快速而充分地将树脂熔融，熔体温度要尽可能均匀，方可确保熔体流量的恒定，平稳流动的熔体通过模头把树脂分散，形成沿圆周方向均匀的、同一壁厚在整个长度方向一致的管材，为此，挤出机的螺杆长径比由以前的25发展到现在的30、33、34、36。挤出机的驱动功率要大，减速箱采用高扭矩、低噪音，机筒进料段开设纵向沟槽，增加强制喂料系统，使挤出机的产量大大地增加，沟槽的形状有矩形、半圆形、月牙形、三角形。沟槽的走向由原来的轴向开槽改为螺旋形沟槽和非对称性开槽，使输送效率提高，并降低磨耗 20％以上。

为了更好地提高主螺杆的塑化效率，联塑机器率先推出了一种简称为“双阶式螺杆”的结构，基本原理是把两根单独的螺杆所配合产生的优点结合起来，物料的塑化不全依赖于压缩比和剪切的大小，而主要体现在物料的混合以及相互的热交换上。

因此，特殊的斜沟槽加料衬套和双阶式螺杆的相互结合，体现了一种全新理念的单螺杆机型，突破传统的产能概念，可以实现小螺杆高产能的目标；有效合理地控制物料所受的剪切，完成塑化；提高了挤出机的加工适应性，真正达到一机多用、一杆多用的效果。对于双阶式螺杆系统而言，螺杆机筒的材质与传统的氮化钢材质有所改进，提高了螺杆的抗韧抗弯强度，提高机筒螺杆的滑动效率。材料及工艺处理的方法有两种，一是采用双金属材料，二是采用合金主体烧结特殊合金材料。

体现传统机型与新机型差异的最直接的反映就是挤出效率的极大幅度提高，同等直径的单螺杆挤出机，新机型的产量水平是传统机型的两倍。

对于高速挤出而言，物料的塑化效果很关键，使用屏蔽式单螺杆挤出效果较好，由于屏蔽式螺杆特有的双螺旋线结构，可以确保物料均匀塑化，既提高了产量又降低了能耗。

屏障型螺杆的原理图

宁波康润机械设计生产的螺杆采用屏障式螺棱、带混炼头的双阶式螺杆，该螺杆具有物料输送能力强、混炼效果好，熔体均匀挤出稳定的特点；对于大口径的管材生产，最好采用多机共挤技术，节省能源，提高产量，自动换网装置用于过滤细化已塑化的熔融物，可进一步提高管材性能。

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管材挤出成型模具的最新进展

在HDPE管材挤出生产中，挤出模具的优劣对产品的品质同样起着非常重要的作用。随着近年来许多新型原料的出现，挤出模具适应生产直径9mm到1.6m，生产线速度0.3-22m/min。PE管材挤出的模头可归结为螺旋机头、篮式机头、过滤机头。螺旋机头的设计原理是通过利用多股螺旋分流对主机挤出的物料进行多次的轴向和径向的重叠，以达到充分混合的目的，以期实现高度均匀的挤出熔体。螺旋机头的合理与准确的设计非常难于掌握，修模时间会变得更长，成功率大大降低。在篮式机头里，存在着关键的部件——筛篮，在筛篮区域内熔体料流两次改变流向，首先由轴向变成径向，然后再变成轴向，物料得到均化混合。物料在筛篮区域的流动状态直接影响熔体的质量和管材的品质。过滤式机头里关键核心部件是过滤网板，物料的流动速率发生多次的变化，从而增加了机头的混合效果，再经过过滤网板使料流之间产生重叠。这种机头特别适合管材的高速挤出，并具有交好的适应性能，能满足各种型号物料的高品质管材的挤出。

管材挤出后进入定径水箱，如何冷却定径将是HDPE管材生产的课题，模具中的定型装置是管材挤出系统中较重要的部件。熔融物料在定径套内表面被冷却下来，从而形成一层固相表层，保证管材获得准确的外径，也保证管材的稳定与正常的牵引和挤出。熔融物料在定型装置的状态和成型条件直接影响管材的内外表面质量，也直接决定着整个挤出系统的稳定性和高速生产的可靠性。

根据物料的不同和生产速度、质量要求的不同，可以选择不同的定型结构，目前较流行的HDPE管材定型装置主要有圆筒状定径套与片状组合式定径套两种。其中使用最广泛的是圆筒状定径套，有较广的适用性能，能满足HDPE大口径管材的Φ20-Φ630的高速挤出成型。在定径入口处设置冷却水入口，通过特殊的喷嘴或在定径套上开缝，让水直接包覆在管坯外圆。导入水流的稳定性和均匀性直接影响管材的挤出质量，而熔融物料在定径套的冷却速率可以直接影响管材的内壁的品质。

在中国，通过快速变径系统的使用，管材生产商可以实现多品种小批量的自动化生产，而且生产准备时间更短，废料更少。KraussMaffei Berstorff 成熟的全自动的快速变径系统是对管材生产从标准化大批量生产阶段向多品种、个性化、高品质的定制化生产趋势发展的积极响应，可以大大节省时间，降低成本，是经济化节约化生产的典型范例。此外，该系统可以为管材生产者提供高度的灵活性，从而确保最大的市场竞争力。投资快速变径系统可看作是投资于智能高效生产，为未来的“智慧工厂”建设铺平道路。

快速变径系统

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下游装置的进展

管材切割装置是生产过程中最后的质量控制环节，理想的切割装置应保证切断的管材截面与轴心线的垂直度，保证切断的管材截面的平整度，不允许出现毛边等缺陷，满足生产线速度的要求。目前应用较多的切割装置主要有锯片式、行星式等几种切割装置。锯片式最古老，过去常被用来切割小口径薄壁管，由于很难保证管材截面与轴心的垂直度，切断截面不平整，以及噪音较大，目前处于被淘汰阶段。而行星切割适合于大口径 HDPE 管材，其原理是高速旋转的圆盘锯片围绕管材旋转，旋转一周将管材切断。

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控制系统

稳定可靠的电气控制和精确的机筒加热冷却控制精度是保证HDPE熔体均匀的关键。为了有效监控整个管材生产线的运行参数，实现更经济和更合理的生产状态，一套现代的HDPE管材挤出生产线应配备全电脑控制系统和可靠的壁厚测量装置。电脑控制界面能智能化地有效控制生产线的各项参数，及时快速地查询故障产生原因，提供方便的远程信息交换功能。壁厚测量装置提供及时的在线管材的厚度，从而通过闭环控制快速调整，最终实现最大限度的生产经济性。

实际案例

佛山巴斯特科技股份有限公司在Chinaplas 2019上展 出了CE60-36挤出机，它用于HDPE 16-63mm管材 挤出生产线上，产量可达350kg/h，每吨能耗为290kwh。挤出机电机转速、牵引机电机转速均由编码器测速反馈，从而保证了螺杆转速和牵引速度的稳定。挤出机螺杆优化设计，保证螺杆高转速时的塑化效果，实现高产低能耗。模具使用内冷系统，提高冷却效果，减少喷淋箱长度，减少生产成本。生产线可在主挤出机实现对下游设备的各项控制。生产线使用多个国际知名品牌部件，里面的电控系统是最新的集成化，完全能与德国的技术相匹配，整个设备的特点是高效、稳定、节能。

巴斯特HDPE管材挤出生产线

上海金纬管道设备制造有限公司生产的超大口径2米PE保温管生产线，设计独特新颖。主机采用新型高效单螺杆挤出机，挤出压力稳定，薄壁管厚度均匀。挤出速度快，相比传统吹气式产量大幅度提高，表面更加光亮，操作自动化程度高，操作方便，连续生产。电机驱动、西门子PLC处理器确保设备运转稳定可靠。主机温控系统采用西门子PLC控制系统加扩展模块组成，温控精度能控制在 ±0.5℃。设计有特殊的 PE 保温管模具，采用螺旋式结构，由优质合金钢锻造；模具芯部采用电加热的温控方式，温控精度高，导油铜管不会结碳；加热圈分区多，对模具各区域温度调节可控。

金纬的保温管生产线

-作者：冯大勇

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