挤压造粒机组水下切粒状态的影响因素及改进措施

1.引言

挤压造粒技术作为一种重要的颗粒成型工艺，在塑料、橡胶、化工等多个领域得到广泛应用。水下切粒作为挤压造粒机组的关 影响着最 品的质量和生产效益。良好的水下切粒状态能够保证颗粒 提高 品的市场竞争力。然而，在实际生产过程中，挤压造粒机组水下切粒 量不稳定、生产效率低下等问题。通过列举某企业环管 组 粒状态异常状态实例，分析了 挤压造粒系统水下切粒状态影 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 因此， 深 研究挤 造 机组水下切粒状态的影响因素，并探索有效的改进措施，具有重要的现实意义。

某350kt/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。

2.挤压造粒机组水下切粒状态的影响

2.1 切粒小车的运行状态

切粒小车由切粒水室、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。

模板与切刀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。因此对中是造粒机找正的一部分内容。

该装置在某一次停车检修完成后，进行开车前的磨刀、合模，发现小车无法前进。切粒小车的前进程序需要三个条件：加热恒温按钮打旁通、磨刀模式和小车倒退到位。切粒小车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小车的运行状态。

2.2 切粒机刀具寿命

装置切粒机型号UG700，切刀磨损量要求为1.5mm 以内。采取“接触式”切粒模式，切刀始终与模扳保持接触，一旦切粒刀转速和进刀油压被设定，切刀磨损部通过进刀压力自动前进得到补偿，使切刀始终模板接触。开车生产后，连续运行 2 天刀的磨损量为 1.44mm， 一周内更换切刀三次。更换切刀就必须停车，每次停车换刀，重新开车会对经济效益造成最直接也是最大的损失。频繁更换切刀不仅会影响生产稳定性，也会增加备件使用成本与拉料人工成本，从而降低挤压机的运行效率和聚丙烯的生产效率。

切刀与模板配合切粒的三维效果图如图1 所示，通过图片信息分析可知，刀具的材质、硬度、几何形状以及磨损程度都会对切粒状态产生显著影响。若刀具材质不佳或硬度不够，在高速切割过程中容易磨损，导致切割刃口变钝，使得切出的颗粒出现毛刺、不均匀等现象。刀具的几何形状不合理，如刀刃角度不当，也会影响切割效果，造成颗粒形状不规则。除此之外，进刀压力和切刀转速是否匹配直接影响颗粒的外形和切刀的使用寿命。切刀的压力过大或过小都可能造成垫刀或缠刀事故，直接影响颗粒的形状。生产不同类型不同负荷的聚丙烯产品时要及时、准确的调节切刀的进刀压力及切刀转速，以保证颗粒的外观质量。

2.3 切粒机模板

模板加热是否均匀直接影响着熔融物通过模板的畅通率。装置使用的模板是热通道型模板，高温热油从内部进行加热，使树脂保持良好的熔融状态。某聚丙烯装置模板上均匀分布2360 个直径2.6mm的模孔，只有在各模孔的出料速度一致时，才能够保证每把切刀受力均匀。若温度加热不均匀，会造成部分模孔出料速度不一致，分布在每把切刀的力不均匀，不但会出现长短不一的不规则颗粒，而且会造成切刀受力不均影响切刀整体的使用寿命。

在实际生产中，造粒整体加工温度在220～250℃,而切粒端是通入 50～65°C 的脱盐水（切粒水），切刀紧密贴合在模板表面上高速旋转切断颗粒，通过切粒水带至下一道工序。因此对造粒模板表面光洁度、模板和切刀匹配的对中有一定的要求，否则会引起垫刀、颗粒碎片多，并造成切刀磨损严重，进而影响切粒质量。

在切粒机正常运行时，作用于切刀轴上的力是很多的，也是复杂的，这里只选重要的有代表性的和作用相对明显的进行分析，可用以下等式进行表述：

Fx=(F1+F2+F3)-(F4+F5+F6+F7)

式中：Fx 为切刀面对模板的挤压力，N；F1 为进刀油向前推力，N；F2 为切刀在热水中旋转产生的前进力，N；F3 为切刀轴受温度影响热胀冷缩时对切刀产生的力，N（轴向和旋转方向的力）；F4为退刀油向后推力，N；F5 为热水（冷却水）对切刀向后的力，N（向模板造粒带方向的推进力和切粒刀旋转方向的阻力）；F6 为摩擦产生的向后的作用力，N（与切粒刀旋转反向相反的阻力）；F7 为树脂挤出时产生向后的力，N（对切粒刀产生的轴向向后的阻力和切粒刀旋转方向的阻力）。

Fx 是F1～F7 及其它一些不太重要且作用 分明显的作用力共同的作用合力。Fx 过小会使切刀面与模面间隙增大，影响颗粒外 增多），从而使 品外观质量降低，严重时会使颗粒粘连，甚至会造成垫刀等 刀磨损过快，对模板也有较大损伤，大大减少设备使用寿命。另外切粒机处于 也会产生不利影响，当切刀磨损掉一定程度（1.5mm）后，必须及时更换切刀， 严重影响产品质量，甚至发生断刀等事故。因此，必须正确熟练掌握切刀转速与 的关系，对其进行深入探讨和研究。

F1 为进刀压力，它通过手动或自动对仪表阀门开度进行调节，最终将油压转换为刀压。

F2 为切刀在热水中旋转产生的推力，方向也是使切刀向前的（模板方向），它的大小同切粒机转速、切刀数量、切刀形状关系极为密切，几乎成正比。F3 为切刀轴受温度影响所产生膨胀应力，其线性膨胀应力对切刀的一个向前或向后的一个力。环境温度变化越大F3 就越大，所以必须经常观察并对F1 做一微调。

F4 为退刀油压力，此值为一常数设定后一般不作改变。

F5 为热水压力，根据切粒机的结构可以知道它的方向是向后的（退刀方向），其大小与水温、水压、速度、切刀数量、形状均有一定关系。

F6 为切刀与模板磨擦产生的力，它的大小与切刀模板的材质、树脂的熔体流动速率、密度和切刀转速高低有一定的关系。F7 为树脂的推力，它的方向也是向后的，其大小与树脂的熔体流动速率，密度有一定关系，但主要是受生产负荷的影响，即负荷越大F7 值越大，反之亦然。

通过上述分析，可看出F1～F7 几个参数中，F1、F2 起决定性的作用，是主要矛盾，F3 起辅助的作用，是次要矛盾，因此可暂将F4～F7 设定为一常数F（常）。

由前面对 Fx 的分析和几年生产实践中得到经验可知 Fx 微大于 0 为最佳值，即 Fx=0，于是得出

公式：

3.改进措施

3.1 改善切粒小车运行状态

针对35 万吨聚丙烯装置造粒系统中科贝隆ZSK350 挤压机的切粒小车运行状态优化，首要解决的是机械对中精度问题。该装置采用的悬 T 板的对中提出了更高要求，激光跟踪仪测量显示原进水金属软管5 m 存在显著偏差，导致 Y 方向634mm 的高度差。有限元分析表明，这种 2.7N·m 的横向扭矩，使切粒小车中心偏移量达到5.8mm，远超3 管并调整 Y 方向至 5557mm的设计高度，将中心偏移量控制在0.5m m 以内，为后 配合奠定基础。这一改进直接关联到 2.1 节所述的切粒小车运行状态对切粒质 与切刀能够实现理想的接触状态。

液压系统稳定性优化是保障切粒小车动作可靠性的关键环节。检测发现原液压油含水量超标至3.8%4.1% ，导致电磁阀芯产 23 m 的腐蚀凹坑。采用 NAS1638 6 级洁净度的新型液压油配合氟橡胶密封件，使油液清洁度维 06 标准规定的 16/1 等级。同时引入 PID 控制算法调节退刀电磁阀，将油压波动从± 0.07MPa。这些改进措施有效解决了3.2 节提到的切刀寿命问题，稳定的液压压力为切刀提供恒定的进给力，避免因压力波动导致的刀具异常磨损。液压系统升级后，切粒小车进退动作的重复定位精度达到±0.3mm，满足高精度切粒的工艺要求。

多传感器融合技术的应用显著提升了切粒小车的控制可靠性。在导轨两端布置的霍尔效应传感器与光电传感器组成冗余检测系统，通过 RS485 通讯实现信号交叉验证，将误检率降低至 0.1%ΔΔΔΔ 下。结合模糊控制算法对液压油缸行程进行动态补偿，当检测到0.5mm 以上的定位偏差时，系统在300ms内完成自动修正。切粒水室法兰处加装的应变片传感器实时监测管道应力变化，预防机械变形导致的定位偏移[2]。这套智能控制系统与全文论述的切粒质量优化形成完整的技术闭环，既保障了 2.3 节所述的模板与切刀最佳接触状态，又为3.3 节的动态压力平衡系统提供了精确的位置反馈。系统投用后，切粒小车的运行故障率下降 82% ，大幅提高了装置运行的稳定性。

3.2 优化切粒刀具使用方法

刀具与模板的匹配关系直接影响切粒质量和设备运行效率。针对ZSK350 机组采用的24 把铁基硬质合金切刀（HRC59-61）与碳化钨模板（HRC78）的硬度匹配问题，需建立动态磨损补偿机制。通过在线监测系统实时采集切刀磨损量数据，当磨损量达到0.8mm 时自动触发液压补偿系统，将进刀压力由初始4.5MPa 逐步提升至4.8MPa，确保切刀与模板保持恒定接触压力。采用非接触式激光测距仪对刀盘平面度进行周期性检测，平面度偏差超过 0.03mm 时触发自动磨刀程序，避免因刀具不平整导致的局部过载磨损。针对不同聚丙烯牌号的生产需求，建立包含7 种典型产品的工艺参数数据库，根据熔体流动速率自动匹配最优的切刀转速和进刀压力组合。

切刀转速与进刀压力的协同控制是延长刀具寿命的关键因素。建立动态调节模型，通过实时监测筒体温度变化对热膨胀应力进行补偿。针对 35 万吨聚丙烯装置造粒系统的实际产能需求，当生产负荷从基准30t/h 提升至45t/h 时，系统自动将切刀转速从420r/min 提升至480r/min 以匹配熔体流量，同时将进刀压力由 3.9MPa 动态调整至 3.6MPa，抵消树脂推力 F7 因产量提升产生的 18%增量。开发多参数耦合控制系统，集成液压油温度、切粒水温度、螺杆转速等 12 个工艺参数，采用模糊逻辑算法实时优化切刀运行参数。针对高熔指产品生产工况，建立特殊的“软切”模式，将切刀转速降低 8%-12% ，进刀压力提高0.15-0.2MPa，有效减少刀具的冲击磨损。

在聚丙烯装置造粒系统的刀具管理体系中，通过建立全流程的智能化维护机制显著提升生产可靠性。首先构建模块化的刀具快速更换体系，采用标准化接口设计和专用工装夹具，大幅缩短维护作业时间，同时引入惰性气体保护技术确保关键部件在维护过程中的洁净度。其次开发基于图像识别的智能检测平台，通过高精度光学采集系统结合人工智能分析技术，实现对刀具微观损伤的精准识别和早期预警。在管理层面建立覆盖刀具全生命周期的数字化追踪系统，通过实时采集运行参数、磨损特征和维护记录，构建多维度的健康状态评估模型，为预防性维护提供决策支持[3]。针对不同生产工况实施动态化的监控策略，在系统启动、负荷调整等关键阶段加强检测频次，在稳定运行期采用周期性检查与实时监测相结合的模式。同时建立异常工况下的应急响应机制，通过多参数联动分析快速定位问题根源。这套综合管理方案不仅优化维护资源配置，更重要的是通过标准化、智能化的管理手段，显著提升刀具系统的可靠性和使用寿命，为连续化生产提供有力保障。

3.3 合理选用切粒刀具模板

模板热传导均匀性的提升需结合双螺杆挤出特性进行系统性改进。该装置采用的 2360 孔热通道型模板，其热油流道设计直接影响聚丙烯熔体的流变行为。通过计算流体动力学模拟发现，传统单入口热油系统导致模孔区域出现 12-15℃的轴向温度梯度，引发熔体流动指数差异达 18% 。采用双螺旋流道结构后，配合0.1mm 精加工精度的铜合金基板，使模孔出料速度标准差从 7.2%%²⁰ 至 1.3% 。这种改进与前述切粒小车对中精度的提升形成技术闭环，既保证模板出料均匀性，又为切刀提供稳定的受力环境。红外热成像监测数据显示，优化后的模板表面温度场波动控制在±1.5℃范围内，有效避免了因局部过热导致的熔体降解。

刀具与模板的硬度匹配需建立动态磨损补偿机制，特别是针对科贝隆机组 24 刀配置的接触式切粒系统。显微硬度测试表明， 刀 H RC59-61 配合时，切刀磨损速率达 0.2mm/8h。通过梯度热处 激光表面纹理化处理的 6-8μm微沟槽模板，使磨损比优化至 协同控制形成技术联动，当生产高熔指牌号时，系统自动将切 节进刀压力至 3.9-4.1MPa 范围。实验数据证实，该方案使UG700 切粒 连续运 周期 从48 小时延长至120 小时。

动态压力平衡系统的开发需整合多源传感器数据，实现 Fx 合力的精确调控。基于公式(1)建立的机器学习模型，通过0.05MPa 分辨率压力传感器实时捕捉F1-F4 差值，结合光纤应变传感器以1000Hz频率监测刀轴形变。当生产负荷从 30t/h 提升至 45t/h 时，系统在 0.8 秒内完成 F1 的补偿调节，将 Fx偏差控制在±0.03N 范围内[4]。该技术方案与液压系统稳定性改进形成互补，在切粒水室湍流传感器辅助下，使不同生产阶段的压力梯度调节误差小 于 1.5% 。实际运行数据显示，优化后的系统使颗粒带尾率从 3.2% 降至 0.7% ，碎片率从 1.8% 降至 0.4% ，显著提升了产品质量的一致性，具体情况如图2 所示。

4.结语

本研究系统分析