上海原元康機械設備有限公司 總師室
出于“拋磚引玉”，過往我公司陸續(xù)發(fā)表了一些針對擠出機核心部件磨損特征分析的文章，例如【擠出機的機筒螺桿在工作狀態(tài)下的磨損特點】，例如【“對癥下藥”是降低擠出機運行成本的關鍵】等，我們接到不少用戶的贊同來電和建議，這里先表謝意。我們在文章中強調的一個基本觀點，是“我們要降低擠出機的運行成本，關鍵在要準確分析物料的運行中，哪一類磨損是其主要磨損特征”，即擠出機所處的主要工況條件是什么？這個工況或者可能是摩擦磨損為主，例如螺桿剪切物料的剪切摩擦磨損，物料與機筒內(nèi)壁之間因擠壓位移而產(chǎn)生的摩擦磨損等；也或許是腐蝕磨損為主，例如擠出機運行氯化聚氯乙烯CPVC、氯化聚乙烯CPE、聚化四氟乙烯PTFE、聚化炳烯酸PAA等材料，或者添加有無鹵阻燃高分子材料的生產(chǎn)等，這些高分子材料在擠出機的機筒內(nèi)受熱后分解產(chǎn)生的腐蝕氣體，極大地威脅到了機筒螺桿的使用壽命。針對不同的擠出機工況條件，我們應該選擇與該工況條件相適應、能夠抵抗這些不同的或者是摩擦磨損為主，或者是腐蝕磨損為主的恰當?shù)慕饘俨牧蟻碇圃鞌D出機核心部件的機筒螺桿，這樣才會收到相得益彰，事半功倍的效果。
上述文章及其所闡述的基本觀點，都是從宏觀意義上針對整臺擠出機運行不同高分子材料而存在不同工況條件的分析而言，由于配混改性的平行雙螺桿擠出機的機筒和螺桿通常采用模塊化組合的方式制造，因此我們在同一臺擠出機上，即使運行的是同一種高分子材料，宏觀上承受的是同一種工況條件，我們還能不能從“微觀”上加以區(qū)別，細分到不同機筒組合段，不同螺桿組合段，針對各“工藝區(qū)段”承受的不同的“細分工況條件”來配置不同材料制造的組合機筒內(nèi)襯套，配置不同材料制造的螺桿模塊，來設法降低擠出機的整體運行成本呢？答案顯然是肯定的。針對不同的改性物料生產(chǎn)用戶，我們根據(jù)上述的設想提出了不同的建議，在實踐中取得了非常積極而明顯的成果。
我公司一個海外用戶生產(chǎn)60%以上玻璃纖維增強尼龍PA6，有多臺德國COPERION公司出產(chǎn)的ZSK50MC和ZSK70MC PLUS平行雙螺桿擠出機。其中長徑比40的通常有一個側喂料口用以喂入玻璃纖維，長徑比44的有二個側喂料口，分別喂入玻璃纖維和特定的礦物質材料。擠出機的螺桿最高轉速1250rpm，機筒和螺桿的磨損非常嚴重。
與許多常規(guī)用戶類似，該公司歷史上均采用我公司提供的高鉻鑄鐵Ω101A橢圓內(nèi)襯套和高速鋼螺紋元件，而這些部件在擠出機的一些特定工藝區(qū)段內(nèi)使用壽命非常有限。在得知我公司研發(fā)了高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套后，用戶于2017年抱著試試看的心情，根據(jù)我公司建議的采用不同制造材料的橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件采取功能化配置擠出機的方案，下單了二臺擠出機的核心部件，使用效果相當明顯。擠出機的機筒螺桿免維護的使用壽命平均提高了近二倍，擠出機單位產(chǎn)量的生產(chǎn)綜合成本降低了18%左右，以致用戶的總經(jīng)理特意趕到上海來我公司當面致謝。
我公司建議的該用戶長徑比40的高速擠出機核心部件配置排序如下圖：
我們知道，高分子材料在改性配混中，常常需要加入玻璃纖維，碳纖維，硼纖維，聚氨酯纖維等各類增強劑，需要加入碳酸鈣，滑石粉，云母粉，硅灰石等各類礦物質填充料，除這些增強改性和填充改性以外，常規(guī)的改性配混還需要加入各類助劑，例如增塑劑，增韌劑，穩(wěn)定劑，阻燃劑，著色劑和發(fā)泡劑等，其中不少的助劑在擠出機的高溫環(huán)境下會揮發(fā)出酸性的腐蝕氣體。由于這個原因，組合機筒的橢圓內(nèi)襯套制造材料中，類似于Ω101A的高鉻鑄鐵類橢圓內(nèi)襯套的使用頻率就非常高，原因是該材料金相組織中高比例的碳化物硬質相可以幫助高鉻鑄鐵具有較高的耐磨損特性，同時材料中占比達到25%左右的鉻元素，又可以幫助高鉻鑄鐵兼具優(yōu)異的耐腐蝕特性，來對付上述提到的各類改性助劑在運行中的腐蝕氣體威脅。
我們分析上述排序圖中，主料加入后的三個區(qū)段以及玻璃纖維喂入后的二個區(qū)段，主料和玻璃纖維的固相剪切相當嚴重，摩擦磨損工況格外嚴峻，如果在這些工藝區(qū)段配置普通高鉻鑄鐵Ω101A橢圓內(nèi)襯套和高速鋼螺紋元件就顯得勉為其難，而采用更勝任對抗摩擦磨損的高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套，以及高釩粉末鋼WR5螺紋元件就能夠取得立竿見影提高部件使用壽命的效果。
高釩鑄鐵Ω102A的材料特性與德國W&P公司專用于平雙擠出機對抗玻璃纖維增強的代號為99.3的合金相平行，材料在鑄態(tài)下為共晶碳化物M7C3+奧氏體；在硬化態(tài)下為共晶碳化物M7C3+二次碳化物+細針狀回火馬氏體+殘余奧氏體（文中M代表Fe、Cr等金屬原子，C代表碳原子）。材料極限抗拉強度Intensity of Tension（бb）≥350MPa，斷裂應變Breaking Strain（εfB）0.30%。由于價格相當昂貴的釩在材料中占據(jù)了一個高的比例，使得材料Ω102A經(jīng)過特定熱處理硬化手段后具有超硬及超高的耐磨損特性。上海材料研究所在相同負荷，相同“摩擦副”，相同線速度及相同“干摩擦”時間的條件下，多次小樣耐磨損試驗測定而得出的高釩鑄鐵Ω102A材料在理論上的“磨損減量”，其耐“摩擦磨損”的性能比高速鋼M2（國內(nèi)牌號W6Mo5Cr4V2）提高了2.5倍以上，比高鉻鑄鐵Ω101A提高了2倍以上，比未添加碳化鎢WC的鎳基Ω201合金還提高了1倍以上。
排序圖中的“HIP粉末鋼元件”，適用的高抗磨損性典型的合金粉末鋼代號是WR5。粉末鋼元件的芯部材料是韌性極高的中碳合金鋼，如右圖所示，其功能是傳遞扭矩，幫助元件適用于高轉速，強剪切，需要高扭矩傳遞動力的平行雙螺桿擠出機的工況條件。而WR5元件的工作面合金則同樣是含釩量相當高的特種材料，其抗磨損性能一般表現(xiàn)為普通高速鋼M2的二倍以上。這個使用壽命的提高，不但得益于WR5材料特殊的尤其是金屬釩元素的高占比，更得益于WR5元件在粉末冶金高溫等靜壓PM-HIP工藝方式下成型的材料的極端致密性。
用戶采用我公司建議的不同制造材料的橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件采取功能化配置的方案，其明顯的使用效果最終體現(xiàn)在擠出機運行的經(jīng)濟性上面。我公司建議用戶的擠出機配置，改變了用戶原先選擇擠出機核心部件，設想一律采用高端材料來制造的構想，其結果可能是成本偏高但是效果并不同步。我公司建議的配置方案是建立在我們對用戶擠出物料的擠出機工況條件的精細化分析，是追求擠出機核心部件“功能化”的適配性。
無論是高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套，還是高釩粉末鋼WR5元件，價格昂貴的釩元素的占比都相當高，因此釩礦的成本直接左右了這二種關鍵部件的銷售價格。2018年2月釩礦市場價是每噸3萬元，到了2018年10月釩礦價格已經(jīng)升高到了每噸5.1萬元。短短8個月的時間內(nèi)釩礦價格上漲了70%。直至今天，釩礦的價格仍然不見回頭而呈曲線向上的趨勢。這是我們向用戶建議“不同制造材料的橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件采取功能化配置”的一個重要考量依據(jù)，所謂“好金屬用在刀刃上”，高釩部件也是需要用在擠出機摩擦工況表現(xiàn)極端嚴重的地方，才能夠效益最大化。
對于生產(chǎn)不同配混改性物料的平雙擠出機終端用戶，例如采用長徑比18的擠出機配混55%玻璃纖維增強酚醛樹脂的用戶，原先采用模具鋼材料制造的襯套使用壽命僅一個星期左右，采用我公司建議的不同制造材料橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件功能化配置后，擠出機免維護周期達到半年以上。例如采用長徑比44的擠出機配混PE+30%炭黑生產(chǎn)功能母粒的用戶，原先采用高速鋼橢圓內(nèi)襯套的使用壽命僅僅一個月不到，我們在該擠出機的排氣段段前面三個工藝區(qū)段配置了高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套和高釩WR5螺紋元件，在其它區(qū)段配置了高鉻鑄鐵Ω101A橢圓套后，擠出機的免維護周期上升到了三個月以上。例如采用長徑比36的擠出機生產(chǎn)EPS發(fā)泡建筑板材的用戶，原先使用的是C型內(nèi)襯套機筒，使用壽命僅僅十個月。針對發(fā)泡劑注入前極端背壓下的強烈摩擦磨損我們配置了高釩鑄鐵Ω102A橢圓內(nèi)襯套和高釩WR5螺紋元件；針對發(fā)泡劑注入后的強烈腐蝕工況我們配置了高鉻鑄鐵Ω101A橢圓套后，擠出機免維護周期已經(jīng)達到了十五個月以上，而且目前仍然在正常運行中。
我們還有許多海內(nèi)外生產(chǎn)不同配混改性物料的平雙擠出機用戶，采用了我公司建議的不同制造材料橢圓內(nèi)襯套和螺紋元件功能化配置的建議，目前擠出機還在正常運行中而無法提供準確的對比數(shù)據(jù)，但是我們相信他們的使用效果，包括擠出機的免維護生產(chǎn)周期，擠出機的運行綜合成本等，一定會有一個非常明顯的改變，我們在期待中。
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