用于管材和型材擠出的高強力噴淋冷卻槽
冷卻塑料管材和型材一直是一個(gè)挑戰，而在擠出速率超過(guò)682kg/h的今天，事實(shí)更是如此。當決定怎樣最佳地冷卻擠出產(chǎn)品時(shí)，需要關(guān)注的不僅是材料，而且還包括壁厚和擠出的幾何尺寸。在冷卻厚度僅為幾mm的窗戶(hù)線(xiàn)性型材和冷卻厚度達1.5in（38.1mm）的木質(zhì)復合材料裝飾蓋板時(shí)，其方法是有較大差別的。
高生產(chǎn)率的擠塑操作從過(guò)去發(fā)展到現在已走了一段較長(cháng)的路。過(guò)去，型材一般采用城市用水或井水在幾乎靜止的浸浴下進(jìn)行冷卻，當水吸取盡可能多的熱量后被排放到污水溝中。在生產(chǎn)率問(wèn)題促使一種更為智能的方法成為必需之前，水的供應和處理的費用就已經(jīng)足以使這種冷卻方法結束。在Conair公司的幫助下，閔氏塑料設備集團和擠塑廠(chǎng)商們正在精確地計算有多少熱量需要被消除以及需要多快的速度進(jìn)行消除，才能實(shí)現運營(yíng)成功且有利可圖。也許有人希望在使水盡可能冷的方面找到一些解決方法。然而實(shí)際上，問(wèn)題要比單獨的水冷要更加復雜。
自從發(fā)明塑料擠塑以來(lái)，下游冷卻設備的生產(chǎn)商以及他們的客戶(hù)都在尋求更好的方法來(lái)把過(guò)程熱量從擠塑型材中消除，而這種努力也得到了一個(gè)合理的進(jìn)展。目前，閔氏塑料設備集團的一種高強力噴淋冷卻槽（如圖1所示）代表了現有此類(lèi)技術(shù)的高水平。
這種高強力冷卻槽產(chǎn)生效果的秘訣在于，它采用了均勻的360°高容量噴淋方式來(lái)優(yōu)化冷卻過(guò)程，如圖2所示。
雖然傳統的噴淋槽也能簡(jiǎn)單地噴水到型材表面，但是這種高強力冷卻槽能產(chǎn)生一種全錐度的霧化噴淋形式，以極微小的水滴涵蓋所有的型材表面。當擠出物以121℃的溫度進(jìn)入該槽時(shí)，微小的水滴撞到型材表面并迅速地變成水蒸汽，從而高效率地帶走熱量。但是，在大多數的應用中，管材或型材溫度僅略微高于水沸點(diǎn)，使得之后水滴不再迅速地變成水蒸汽。盡管如此，這種高強力的噴淋仍然比浸泡冷卻或傳統的噴淋具有更大的冷卻潛力，這是因為雖然這種方式將水以非常細小的微滴進(jìn)行噴淋，但仍然可以把大量的水帶到型材表面。一個(gè)傳統的冷卻槽每分鐘可以泵浦379L水，但高強力冷卻槽能泵浦1363L水。如圖3所示，水和真空岐管可以適合要求更復雜的多中空型材。
同時(shí)，擠塑商已經(jīng)從使用城市用水或冷卻塔水（溫度范圍為4.5~26.5℃）發(fā)展到使用能把冷卻水溫度降到4.5℃以下的冰水機。然而，現在擠塑商需要知道：更冷的水和高度激烈的噴淋方式是否能夠繼續增強冷卻效果？如果型材壁相對較薄且厚度均勻，那么答案幾乎肯定是“變冷”。但是，對于較厚的管材和型材，擠出物較冷的外壁實(shí)際上可能和中心處較熱的塑料隔絕，這樣就阻礙了進(jìn)一步的冷卻。我們都見(jiàn)過(guò)，當厚壁管從擠出線(xiàn)下來(lái)時(shí)，表面不熱，可以觸摸，而將其放在卸料臺幾分鐘后，它的溫度又會(huì )重新升高。
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冷水是最佳的嗎？
冷（湍流）水在幫助優(yōu)化熱傳遞速度方面可以起到很多作用，但是這種作用僅限于一個(gè)特定的壁厚范圍內。對于Schedule-40以上壁厚的管材，可以考慮從冷水轉到調溫水，以?xún)?yōu)化冷卻速度。當擠出物從熱的塑性狀態(tài)轉變?yōu)橛残誀顟B(tài)時(shí)，熱傳遞速度降低。因此，管材或型材外表面發(fā)生的結皮，實(shí)際上就把內部材料和冷卻水進(jìn)行了隔離（如圖4所示）。隨著(zhù)壁厚的增加，這變成了一個(gè)越來(lái)越嚴重的問(wèn)題。你可能是在浪費非常昂貴的冷卻水。事實(shí)上，最好在最初的冷卻槽，將水溫調高至26.5~54.5℃，在不使表面結皮的情況下帶走能量。
再者，如果型材的壁厚不一樣，用冷水快速冷卻會(huì )造成型材彎曲、扭曲和翹曲。這種情況下，則有可能需要在主冷卻槽中升高水溫，以幫助平衡熱傳遞速度。
為了在水循環(huán)系統中精確控制水溫，可以在冰水機和過(guò)程回路之間使用一種Thermolator模溫機（如圖5所示）。當這些設備配備遠程熱電偶時(shí)，可以在1℃內控制冷卻槽水溫。對于擠塑應用，一般使用24kW、36kW或者甚至是48kW的加熱器、1.5~7.5hp的泵和調節閥，以?xún)?yōu)化應用。
應用建議
從這個(gè)前提開(kāi)始：更冷并不一定是更好，因此了解哪一種冷卻方法在你的工藝情況下會(huì )表現最佳是很重要的。在各種擠塑應用中，對于優(yōu)化熱量排除和提供生產(chǎn)率，這里有如下一些建議。
1. 薄壁管材
冷卻壁厚為Schedule-40或更低的管材（如圖6所示），特別是RPVC管材，可使用帶有適當尺寸水循環(huán)系統的高強力噴淋槽，且在整個(gè)線(xiàn)上專(zhuān)門(mén)使用溫度范圍為3.3~7.2℃的冷卻水。適當設計的噴淋槽可以冷卻76~102mm的Schedule-40管材，對于7.3米的噴淋槽，其冷卻速度可達364~998kg/h。有意思的是，由于駐留時(shí)間和表面積問(wèn)題，為了實(shí)現每小時(shí)內相同的輸出量，冷卻51mm的Schedule-40管材，則實(shí)際上需要將冷卻槽長(cháng)度加長(cháng)約30%。
2. 厚壁管材
冷卻Schedule-80管材（如圖7所示），可以在主噴淋槽中通過(guò)使用調溫水來(lái)控制結皮的速度，同時(shí)把最大的熱量從壁中帶走。當確定水循環(huán)系統的尺寸和噴淋槽所需的長(cháng)度時(shí)，要記住輸出量（kg/h）。適當確定熱交換器的尺寸來(lái)控制水溫將是很關(guān)鍵的。
3. 實(shí)心型材
木塑復合材料和其他實(shí)心或泡沫型材（如圖8所示）也能從高強力噴淋槽中獲益，以進(jìn)行工藝優(yōu)化。同時(shí)，可再次利用調溫水來(lái)控制結皮速度，這將有助于優(yōu)化冷卻速度，且盡可能降低冷卻水的成本。目前，典型的加工速度約為682kg/h，而且通過(guò)發(fā)泡來(lái)降低這些型材的密度的工作正在進(jìn)行中。這種材料的絕緣特性將進(jìn)一步抑制冷卻速度。對于加工速度為682kg/h的發(fā)泡HDPE木塑復合材料（50%~60%木質(zhì)）生產(chǎn)線(xiàn)，它可能包含一系列安裝在主噴淋槽前的干燥定型工裝，帶有3個(gè)溫度區：第一區為7.3m長(cháng)的高強力噴淋槽，采用37.7~54.5℃的調溫水，第二區和第三區為4.9m長(cháng)的高強力槽，使用1.6~4.5℃的冷卻水，且在其后安裝一臺對夾式牽引機、切斷機和卸料臺。
定型工裝可以安裝在噴淋槽前，且采用獨立的水溫控制，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化熱傳遞過(guò)程。這與過(guò)去依賴(lài)于操作人員調整球閥來(lái)改變流向模具的冷卻水流量的舊技術(shù)相比，該過(guò)程具有高度可重復性。過(guò)去，由于實(shí)際溫度通常不知道或沒(méi)有記錄，因此過(guò)程缺乏一致性和可重復性。
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4. 中空型材（窗戶(hù)和門(mén)線(xiàn)型，RPVC柵欄）
復雜的中空型材（如圖9所示），特別是那些帶有適用性和功能性規范的產(chǎn)品，可以利用噴淋技術(shù)提高速度和降低廢料。目前的技術(shù)是使用9.1m長(cháng)的干燥定型臺，結合一個(gè)帶有形成導向的浸泡槽。同時(shí)，將低真空用于該槽，幫助保持中空。對于高加工速度，擠塑機已采用昂貴的雙線(xiàn)，且配備雙牽引機、切斷機等。但是，高強力噴淋槽采用一個(gè)0.3~0.9m的前置干燥工具，能夠很容易地超過(guò)目前的冷卻和定型速度，同時(shí)占地面積較少。在這個(gè)噴淋槽中安裝一個(gè)形成導向系統，能夠從型材所有的面來(lái)控制噴淋的方向，或者在面與面之間采用不同的噴淋，以?xún)?yōu)化冷卻速度。至于實(shí)心型材和泡沫，可以再次設計這種干燥工裝，從而使它在特定溫度下工作，以?xún)?yōu)化定型和冷卻速度，同時(shí)確保在高速度下有一致的和可重復的工藝。
如果中空型材具有不對稱(chēng)的壁，那么就要結合一個(gè)水溫控制系統，以提供調水溫的作用，進(jìn)一步減小翹曲、彎曲和扭曲。
操作人員通過(guò)移動(dòng)球閥來(lái)調整流到定型工裝中的水流量，進(jìn)而來(lái)調整定型套的溫度，這種日子很快就會(huì )結束了。擠出和注塑不同，它一定有至少一個(gè)模具溫度控制單元，采用一個(gè)熱電偶讀出實(shí)際溫度并控制在1℃范圍內。如果一個(gè)過(guò)程要求3個(gè)203~305mm長(cháng)的定型工裝且每個(gè)帶有不同的溫度（這對泡沫型材是典型的），3個(gè)單個(gè)溫度控制單元不能被用來(lái)提供整個(gè)過(guò)程的一致性和可重復性，不僅是班次與班次之間，也包括月與月之間。
Conair公司將繼續同塑料擠塑行業(yè)合作，不僅提供設備，而且幫助解決生產(chǎn)工藝中的各種不確定性問(wèn)題，使它成為一門(mén)真正的科學(xué)。在對塑料怎樣冷卻有了一個(gè)更好的理解下，我們可以設計熱交換過(guò)程來(lái)為我們工作，而不是對我們不利，從而實(shí)現最大的輸出速度，同時(shí)盡可能地減少廢料。當擠出過(guò)程變得更科學(xué)時(shí)，它就會(huì )更具有一致性和可重復性。
對擠塑冷卻的一個(gè)回顧
歷史上，擠塑廠(chǎng)商依賴(lài)于空氣冷卻或浸泡冷卻來(lái)排除熱量。雖然冷卻技術(shù)在最近20年中進(jìn)步迅速，但是這些令人尊敬的技術(shù)仍然值得學(xué)習。
空氣冷卻在擠塑型材加工中已被使用了多年，令人驚訝的是它可能是冷卻型材的最佳方法之一，特別是對于薄壁型材而言。這種冷卻方式較大的缺點(diǎn)是空氣冷卻較慢，速度一般低于159kg/h，并且空間密集，采用一個(gè)簡(jiǎn)單的空中架子來(lái)支撐跨距達6m的型材。雖然這個(gè)過(guò)程提供較慢的熱傳遞速度，但它通過(guò)使厚壁和薄壁以相同的速度冷卻，最大程度地減少了翹曲、扭曲和彎曲。因為空氣的冷卻速度是水的百分之一，不均勻的冷卻可能更少。通常，在第一段的3m中，注嘴被用來(lái)在型材的特定部分（較厚）吹空氣，而最后的3m則在型材上下方采用風(fēng)箱，使用更普遍的空氣冷卻。通過(guò)調節空氣注嘴，可以改變熱轉移的速度或對準厚壁或截面部分進(jìn)行更好的冷卻。雖然這是一種較慢的熱轉移方法，但是我們可以從中學(xué)到知識，把它應用到其他管材和型材的冷卻方法中。
浸泡冷卻簡(jiǎn)單地把熔融塑料從一個(gè)裝滿(mǎn)冷卻水的槽中引出，冷卻水通過(guò)一臺水泵、過(guò)濾器和熱交換器進(jìn)行循環(huán)，排除從擠出塑料中獲得的熱量。冷卻水一般是溫度控制的，它是一種轉移擠出物熱量非常有效的介質(zhì)。但是，由于在塑料和水之間存在較高的溫差，擠出型材周?chē)乃⒖瘫患訜?，?shí)際上阻礙了進(jìn)一步的熱傳遞。對此，解決的辦法是把湍流引入到槽中，把被加熱的水弄走，使較冷的水能接近擠出物。湍流被認為是該冷卻過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵因素。
如今，該行業(yè)正在不斷發(fā)明新技術(shù)，包括高強力噴淋冷卻和沿擠出線(xiàn)不同溫度的謹慎使用，它們能夠迅速提高擠出量的速度，并幫助加工廠(chǎng)商在一些最熱門(mén)的新市場(chǎng)中變得更具有競爭力。
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