设定温度

更新时间:2022-09-16 15:30

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。

温度设定

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。

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。

状态对策

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。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。

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