駛入擠出生產(chǎn)快車(chē)道新一代單螺桿擠出機
新一代單螺桿擠出機的螺桿轉速最高可達1500r/min，這一速度是傳統設備的8~10倍。而正在開(kāi)發(fā)中的新設備還可能將螺桿轉速提升至2000r/min或更高
節能和節省空間
6年前，歐洲的加工商購買(mǎi)了首個(gè)高速擠出機，用于在線(xiàn)熱成型PS和PP片材。他們購買(mǎi)的主要目的是節能和減小占地面積。
這些擠出機大多用于片材的在線(xiàn)熱成型，其運行速度可達400~800r/min，離線(xiàn)生產(chǎn)的運行速度為 900~1500r/min。用戶(hù)表示，由于不需要對擠出機機筒的大部分金屬進(jìn)行加熱或冷卻，而且即使減少齒輪也不會(huì )造成熱量的損失，因而這些高速擠出機能夠節約10%~15%的能量。有必要的話(huà)，高速擠出機可使用加熱套，但更多時(shí)候則完全不需要。加熱套能夠很方便地安裝和拆卸，而且也只有在最初的啟動(dòng)階段才使用。隨后，塑料會(huì )在摩擦熱的作用下熔融。不管是在線(xiàn)還是離線(xiàn)生產(chǎn)，機筒始終保持冷態(tài)，除了喂料區，幾乎無(wú)需冷卻。
這些高速擠出機還可以通過(guò)配置齒輪減速機來(lái)實(shí)現節能的目的。這些設備通常直接通過(guò)馬達連接螺桿進(jìn)行驅動(dòng)，齒輪比為1:1?！霸诔^(guò)750r/min的螺桿轉速下加工PS和PP等材料時(shí)，不僅可提高速度，還可以有效降低單位能耗?！?德國Kuhne公司的薄膜和片材部門(mén)經(jīng)理Rainer Bobowk先生說(shuō)。
捷克斯洛伐克的Faerch Plast公司使用螺桿轉速達到1500r/min的巴頓菲爾擠出機老熱成型PP擠壓片材，這在世界上尚屬首次
大多數高速擠出機的螺桿直徑為60~75mm，一般不超過(guò)90mm。Kuhne公司可提供螺桿直接范圍為60~72mm，長(cháng)徑比為33:1的擠出機。而B(niǎo)EX公司可提供螺桿直徑為75mm，長(cháng)徑比為34:1~40:1的高速擠出機，并能夠使產(chǎn)量得到最大程度的優(yōu)化。該公司表示，當螺桿直徑小于75mm時(shí)，設備制造商不能充分利用高速螺桿的所有優(yōu)勢，因為在高轉速下，螺紋過(guò)深可能會(huì )造成螺桿斷裂。而螺桿直徑大于75mm時(shí)，會(huì )在一定程度上削弱絕熱效果，因此，需要額外添置加熱和冷卻設備。
小尺寸的高轉速設備由于占地面積小，允許加工商在現有的工廠(chǎng)規模下擴大生產(chǎn)。早在6年前，Bartling公司裝配了其第一臺高速 BEX設備，隨后又安裝了一臺Kuhne公司的設備。
其目的是在現有的生產(chǎn)規模下提高產(chǎn)量?！皩?shí)踐證明，這是非常正確的決策?！?Bartling公司的負責人Axel Bartling先生說(shuō)，“在線(xiàn)熱成型盛裝人造黃油的PP包裝盒時(shí)，因為這些設備非常小，啟動(dòng)和停止非常容易?！?/span>
在小型設備上，顏色的更換更快速，浪費也更少。丹麥的Faerch Plast公司在2007年首次以1500r/min的速度擠出PP片材。在螺桿直徑為75 mm的BEX擠出機上，該公司將黑色、藍色、白色和透明片材熱成型為食品盛裝盤(pán)。因為螺桿可以保留4kg樹(shù)脂（一個(gè)螺桿直徑為150mm的擠出機需要保留40kg樹(shù)脂，才能達到同等產(chǎn)量），Faerch公司表示，該設備從黑色更換為透明色時(shí)需要大約1h，（相比之下，傳統的擠出機則需要1.5h），而從透明色更換為黑色僅需要3min。
Huhtamaki Oyj公司的總部設在芬蘭，據說(shuō)比其他加工商擁有更多的高速擠出機。該公司在其工廠(chǎng)中安裝了超過(guò)10臺高速擠出機，用以片材的在線(xiàn)擠出和熱成型。據介紹，Huhtamaki公司使用Kuhne公司的高速擠出機（螺桿直徑為72mm）在線(xiàn)熱成型硬質(zhì)PP和PS片材，并將BEX高速擠出機（螺桿直徑為75mm）引入其阻隔片材生產(chǎn)線(xiàn)中。
追溯設備的發(fā)展史
歐洲的熱成型設備制造商與高速擠出頗有淵源。早在20世紀70年代，Thyssen Plastikmaschinenbau公司就制造出了螺桿直徑為90mm的擠出機，能夠以高達450r/min的速度加工PS片材，其產(chǎn)量可達1179.4kg/h。在1980年，Thyssen Plastikmaschinenbau公司被BEX公司收購，其高速擠出機的開(kāi)發(fā)也相應停止?！皵D出機制造商最初秉承著(zhù)這樣一個(gè)理念，‘我能賣(mài)給客戶(hù)一臺大的設備，為什么還要費盡心思來(lái)制造一臺小的設備呢？’” 德國一家設備制造商的技術(shù)總監說(shuō)，“而B(niǎo)EX公司并不是這樣，他們打破常規，開(kāi)始制造小型的高速擠出機。因此，我們又都說(shuō)，‘我們也可以這樣’?！?/span>
現在，高速擠出機的發(fā)展非常迅速，以至于很難界定高速的概念。通常，螺桿的圓周轉速超過(guò)1m/s就被認為是高速的，而現在，螺桿的圓周轉速要達到3m/s、4m/s，甚至5m/s，才被認為是高速的。
在美國，高速單螺桿擠出機多用于色母粒的混配，而不是片材的熱成型，其首要目標是實(shí)現快速混合和顏色更換，而不是追求更高的產(chǎn)量。20世紀60年代，Prodex公司制造了2臺螺桿直徑為50mm的擠出機（轉速為1000r/min），用于PP色母粒的生產(chǎn)。后來(lái)，該公司成為HPM公司的一部分。在20世紀90年代中期，HPM公司開(kāi)始制造螺桿直徑范圍為50~114mm，長(cháng)徑比為50:1的擠出機，主要用于色母粒的生產(chǎn)。這些設備使用了HPM公司專(zhuān)利的Triple Wave螺桿，螺桿轉速為800~1000r/min。螺桿直徑為63.5mm的擠出機采用了功率為367.5kW的馬達，能夠以850r/min的轉速加工HDPE，產(chǎn)量可達1089kg/h。該公司螺桿直徑為90mm的機型，其最高螺桿轉速可達500r/min。
盡管本文關(guān)注的焦點(diǎn)是單螺桿擠出機，但不可否認的是，自20世紀90年代以來(lái)，高速同向雙螺桿混配擠出機同樣取得了突破性進(jìn)展?，F在，許多設備的螺桿可實(shí)現1200r/min的高轉速，有些機型甚至達到了1800r/min。
早期報告
歐洲的新一代高速單螺桿擠出機已經(jīng)以“24/7”的生產(chǎn)模式正常運行了1~4年。Faerch Plast公司對PP片材離線(xiàn)擠出時(shí)的冷卻輥溫度進(jìn)行測量并發(fā)現，在高速運行時(shí)，薄壁冷卻輥能夠改善PP片材的晶體結構?！案叩耐该鞫仁锹輻U的高轉速與冷卻優(yōu)化控制相結合的產(chǎn)物?！?Faerch Plast公司的產(chǎn)品經(jīng)理Frank Ostervemb先生解釋道。
在美國，大直徑的薄壁冷卻輥的使用十分普遍，但是在歐洲卻是新生事物。2007年，德國兩家輥子制造商開(kāi)發(fā)出了可用于高速擠出的薄壁輥。Derichs Maschinenund Apparatebau公司和Josef van Baal公司推出的薄壁輥子帶有6或8條螺旋形冷卻道，能夠賦予輥子高的強度和剛性。其好處是，允許將輥子保護套的厚度降低至12.7mm（常用的輥子保護套的厚度為25.4mm，即歐洲標準）， 從而將熱傳遞的速度提高了20%~40%。
波蘭的Huhtamaki公司使用小型的高速擠出機在線(xiàn)熱成型PP杯子，顯著(zhù)提升了產(chǎn)量，而且杯子的質(zhì)量更好
在加工PP材料時(shí)，在高速擠出機的計量段，由于較高的剪切力，使得材料的熔體溫度要比在傳統的擠出機中高幾度。另外，高的剪切力還會(huì )降低PP的熔體黏度。通過(guò)一系列試驗，Faerch Plast公司已經(jīng)確定，高的螺桿轉速不會(huì )影響片材的抗沖擊性能。
另一個(gè)關(guān)于高速擠出機的驚人發(fā)現是，PS、ABS和其他樹(shù)脂在高速擠出機中的停留時(shí)間更短，因此在加工處理時(shí)，材料發(fā)生降解的幾率將大大降低。BEX公司有一家來(lái)自荷蘭的客戶(hù)，他們使用BEX公司的高速擠出機來(lái)生產(chǎn)APET片材，生產(chǎn)速度最高可達800r/min，產(chǎn)量可高達998kg/h。這家客戶(hù)表示，他們在進(jìn)行高速擠出時(shí)，很少發(fā)生材料降解的情況。
非包裝應用的片材也可以用高速擠出機生產(chǎn)。波蘭的Alma Polska Wroclaw公司在2009年2月將螺桿直徑為75mm的高速擠出機引入其生產(chǎn)線(xiàn)中，用于生產(chǎn)可作冰箱襯里用的ABS和PS片材（1~6mm厚），生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量超過(guò)1360.8kg/h。該公司還被認為是首家使用高速擠出機生產(chǎn)非包裝用片材的生產(chǎn)商。據介紹，Alma公司為其高速擠出機配置的螺桿是傳統的ABS螺桿。
除此之外，一些加工商開(kāi)始以適中的螺桿轉速來(lái)生產(chǎn)LDPE產(chǎn)品，并獲得了很高的產(chǎn)量。目前，已經(jīng)有6臺高速擠出機正用于生產(chǎn)LDPE拉伸薄膜，其中，資歷最老的來(lái)自德國的Manuli Stretch公司，至今已有3年的生產(chǎn)經(jīng)驗了。還有一些加工商開(kāi)始用其來(lái)生產(chǎn)管材。在2006年，奧地利辛辛那提擠出技術(shù)公司向Rehau公司售出了一臺螺桿直徑為60mm、長(cháng)徑比為37:1的高速擠出機。該設備配置了Rehau公司的標準直流馬達和雙級齒輪箱，可用于生產(chǎn)PP管材。但是，Rehau公司的齒輪箱在進(jìn)行高速生產(chǎn)時(shí)，噪聲比較大，而且要求較高的熔融溫度。經(jīng)多方考慮，Rehau公司最終選擇在正常的速度下（約為100r/min）進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)能也從理想的1587.6kg/h降低為339kg/h。
辛辛那提擠出技術(shù)公司在K2007展會(huì )中推出了其商用版Rapidex 1500擠出機。與早期的樣機不同，該機型安裝了 Oswald永磁同步扭矩馬達，并將其與螺桿直接相連。目前，該公司已經(jīng)交付了2臺該系列擠出機，能夠以800r/min的速度生產(chǎn)最大直徑為1200mm的HDPE管材制品，有效產(chǎn)量可高達1147kg/h，這相當于3m長(cháng)的大型擠出機（螺桿直徑為150mm）的產(chǎn)量。另外，該公司還展示了其新的高速管材冷卻技術(shù)，據說(shuō)能夠在既定冷卻長(cháng)度的條件下，將產(chǎn)量提升一倍。
意大利阿穆特公司交付了2臺GLE 9000 HS系列高速擠出機，能夠分別以400r/min和700r/min的速度生產(chǎn)PE和PP管材。
共擠出流延薄膜是高速擠出的另一個(gè)全新應用領(lǐng)域。除了 Huhtamaki公司位于法國的阻隔薄膜生產(chǎn)線(xiàn)外，西班牙的EDV Packaging公司也采用高速擠出機來(lái)擠出PP和PS阻隔型流延薄膜。但是，該公司拒絕透露相關(guān)細節。
高速螺桿的設計
高速擠出機的螺桿需要更長(cháng)的熔融段和更高的長(cháng)徑比（通常，L/D=30:1~40:1），以確保能夠在相同的螺桿轉速下獲得更高的產(chǎn)量。
20世紀90年代，Kuhne公司開(kāi)始嘗試制造高速擠出機。當時(shí)，該公司的常務(wù)董事Kurt Huth先生提出，將其螺桿直徑為120mm的標準擠出機的速度提升50r/min，結果將PS片材的產(chǎn)量從原來(lái)的800kg/h提高到了2600kg/h。該公司的Bobowk先生回憶道，運行一年后，齒輪箱遭到損壞，該公司也從中得到了大量有關(guān)高速擠出機螺桿的設計經(jīng)驗。
BEX公司對于螺桿設計的探索階段是與Faerch Plast公司展開(kāi)合作的那一年。2006年，Faerch公司安裝了BEX公司轉速為1500r/min的擠出機，該設備在高速運行時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)高的剪切力。經(jīng)過(guò)一年的優(yōu)化設計，該設備目前已經(jīng)能夠在1500r/min的速度下正常生產(chǎn)PP片材，其產(chǎn)量可達1360.8kg/h。
BEX公司將經(jīng)特殊設計的螺桿命名為是一個(gè)“改進(jìn)的5區域屏障螺桿”，但是，這里面的5個(gè)區域并不是我們想象中的螺桿分區——加料段、熔融段、混料段、排氣段和計量段，而是加料段、熔融段、導流段/節流段、排氣段和計量段。
加料段和計量段（螺桿的螺紋不算在內）很長(cháng)，約占據了整個(gè)螺桿長(cháng)度的2/3。PP加料段的螺紋很深，之后會(huì )逐漸變淺，到達導流段時(shí)已經(jīng)完全平滑，沒(méi)有任何螺紋痕跡。這種結構設計產(chǎn)生的扭矩較小，能夠保證塑料更快速地通過(guò)該區域。隨后的節流段含有阻隔元素，接下來(lái)是傳統的排氣段和計量段。值得注意的是，新設計省去了混料段?！艾F在，還沒(méi)有人找到能夠在高速范圍內使用的動(dòng)態(tài)混料器?！钡聡鳳lastconsulting公司的主要負責人 Huth先生解釋道。通常，混料都是在湍流狀態(tài)下完成的，而高速運行能夠為聚合物的混合創(chuàng )造湍流環(huán)境，從而確保物料的均勻混合。Faerch公司在1500r/min的高速下，將著(zhù)色劑和添加劑很好地混合到了PP中?！爱斘覀冎饾u將速度降下來(lái)后，實(shí)驗證明，混合同樣沒(méi)有任何問(wèn)題?！盕aerch Plast公司的項目經(jīng)理Carina Nielsen先生說(shuō)。
當速度為800 r/min時(shí)，對螺桿進(jìn)行校正非常關(guān)鍵。Kuhne公司的高速螺桿經(jīng)過(guò)改進(jìn)，其加料段的孔隙更大，因此，在更高的速率條件下不會(huì )導致螺桿的偏移，但需要添加機筒加熱和空氣冷卻裝置，以控制加料區的高溫。
對于高速擠出而言，如何處理廢料時(shí)常困擾著(zhù)加工商，而直到加深了螺桿的加料段后，這一問(wèn)題才得到解決。 Bartling公司表示，他們能夠很好地混合50%的PP回收料。Faerch公司最高則能夠混合70%的回收料。
在高速擠出機安裝了換網(wǎng)器后，齒輪泵、長(cháng)的超靜態(tài)混料器也隨之出現在設備中?；炝掀鲹碛卸鄠€(gè)探頭，能夠有效探測和監控溫度（尤其適用于PP）?！按_保材料完全熔融非常重要，”Faerch公司的Ostervemb先生說(shuō)，“因為你并不想使用濾網(wǎng)來(lái)處理那些未熔融的物料?！?/span>
誰(shuí)在制造？
高速單螺桿擠出機最早在K2004展會(huì )中出現，被認為是生產(chǎn)薄片材的新技術(shù)。自那時(shí)起，BEX公司已經(jīng)成功交付了25臺轉速為400r/min的設備，以及超過(guò)50臺轉速為600~1500r/min的設備。
HPM公司已經(jīng)交付了超過(guò)30臺螺桿直徑為50.8mm和63.5mm的擠出機，其轉速分別為700r/min和850r/min。另外，還有超過(guò)20臺螺桿直徑為90mm的設備，其轉速最高可達500r/min。其中一臺設備用于生產(chǎn)片材，而剩下的則用于色母?；炫?。
Kuhne公司已經(jīng)交付了超過(guò)20臺轉速為400~800r/min的擠出機。奧地利的SML Maschinengesellschaft公司采購了10臺，其中，4臺螺桿直徑為90mm的擠出機用于生產(chǎn)PS/PP復合膜，剩余6臺則用于生產(chǎn)LDPE拉伸薄膜，設備的轉速可達400r/min，產(chǎn)量超過(guò)998kg/h。
Welex公司向中東地區交付了一臺高速擠出機，主要用于薄片材的生產(chǎn)。德國的Esde Maschinentechnik公司交付了27臺擠出機，其中多數的平均轉速為380~450r/min。
為管材生產(chǎn)而供應高速擠出機的有兩家設備制造商，分別是辛辛那提擠出技術(shù)公司和意大利阿穆特公司。本文在前面已經(jīng)有所介紹，這里就不再贅述。
高速擠出機在美國的發(fā)展前景如何？拉伸薄膜是一個(gè)不錯的選擇，因為該市場(chǎng)具有競爭力，而且正經(jīng)歷整合?，F在，美國加工商主要關(guān)注節約成本，而接下來(lái)必將會(huì )將目光轉向提高產(chǎn)量上。另外，高速擠出機還適用于奶酪杯和咖啡蓋的在線(xiàn)熱成型?！叭绻脩?hù)想在有限的生產(chǎn)規模下提高產(chǎn)量，高速擠出機是一個(gè)很好的選擇?！盡aplan公司的CEO兼總裁Kurt Waldhauer先生補充說(shuō)。
螺桿設計顯著(zhù)改善了一些樹(shù)脂，如PLA和PET等的加工性能，使得片材的質(zhì)量和顏色更佳，同時(shí)無(wú)形中也推動(dòng)了高速擠出機的進(jìn)一步發(fā)展?！拔覀儸F在僅僅是對一些潛在材料進(jìn)行試驗，看其他哪些材料還可以使用高速擠出機進(jìn)行加工?！盞uhne公司的Bobowk先生說(shuō)，“這只是研究的初期階段?！钡侥壳盀橹?，這些擁有大馬力驅動(dòng)的設備已經(jīng)嘗試著(zhù)加工一定選擇范圍的材料——以PS、PP和ABS等材料為主，還有少量的PE，它們均為未填充或少量填充的材料。每種樹(shù)脂都要求使用不同的優(yōu)化螺桿。
新一代的高速單螺桿擠出機要更長(cháng)、更薄，觸感冰冷，被譽(yù)為是擠出領(lǐng)域的“法拉利”。在最高轉速下運行時(shí)，這些設備難免會(huì )產(chǎn)生一定的噪音。盡管噪聲分貝低于歐盟噪聲標準規定的80dbA，一般還是建議加工商將設備獨立放置。另外，設備在高速運行下的磨損情況目前還是未知數。就目前所知，只發(fā)生過(guò)兩臺馬達燒壞的情況，而且還是安裝在早期開(kāi)發(fā)的設備中。
越來(lái)越快
高速擠出機的發(fā)展得益于馬達和傳動(dòng)裝置的快速發(fā)展。早在2002年，BEX公司就開(kāi)發(fā)出了首個(gè)單螺桿擠出機，并配置了一個(gè)與螺桿直接連接的4馬達CMG驅動(dòng)裝置（來(lái)自Knoedler公司）。據介紹，該設備的螺桿直徑為90mm，長(cháng)徑比為33:1。2003年，其轉速為400r/min的試驗機型被Bartling公司選用。在接下來(lái)的2年間，BEX公司共售出了超過(guò)25臺這類(lèi)擠出機，全部用于在線(xiàn)熱成型。
2004年4月，BEX公司對其螺桿直徑為75mm、長(cháng)徑比為30:1的新一代擠出機進(jìn)行了測試。該設備采用一個(gè)標準的直流馬達來(lái)驅動(dòng)螺桿，螺桿轉速最高可達1200r/min。在K2004展會(huì )中，該公司展出了該設備，當時(shí)設備的運行速度為750r/min。該樣機被德國的Coexpan Deutschland公司購置，主要用于生產(chǎn)PS密封包裝制品。據了解，該設備目前仍運轉正常。6個(gè)月后，BEX公司為其螺桿直徑為75mm的擠出機裝配了CMG馬達，螺桿的轉速最高可達1200r/min。升級后的首兩臺設備被奧地利的Greiner Packaging公司選購，其中一臺位于羅馬尼亞的Sibou地區，主要用于片材的離線(xiàn)擠出生產(chǎn)，而另一臺位于捷克斯洛伐克的Litvinov地區，主要用于在線(xiàn)擠出和熱成型。在2006年，Kuhne公司開(kāi)發(fā)出了其首個(gè)螺桿直徑為60mm、轉速達400r/min的高速擠出機（配置了CMG傳動(dòng)裝置），并被Bartling公司選購。
在K2004展會(huì )中，Kuhne公司演示了其螺桿直徑為60mm的擠出機（當時(shí)還處于研發(fā)階段），其螺桿轉速最高可達700r/min，這也是首個(gè)使用了永磁同步扭矩馬達（來(lái)自德國的Oswald Electromotoren公司，功率為260kW）的高速擠出機。據介紹，該設備能以400~600r/min的速度生產(chǎn)PP和PE片材。
在2006年早些時(shí)候，BEX公司向Faerch Plast公司交付了世界上首臺螺桿轉速為1500r/min的擠出機。該設備最初采用了Knoedler公司的CMG馬達（功率為440kW）進(jìn)行驅動(dòng)，其內置齒輪的齒輪比為1:1，但由于軸承不合格，而最終被Elin EBG Motoren公司的水冷直流馬達驅動(dòng)代替。
在K2007展會(huì )中，Kuhne公司展示的螺桿直徑為72 mm、長(cháng)徑比為33:1的高速擠出機采用了水冷式Elin交流馬達驅動(dòng)裝置，而且無(wú)需再配置變速箱。一臺帶有CMG驅動(dòng)裝置的該設備被塞爾維亞的Orka/Hipol AD公司選購，用于離線(xiàn)生產(chǎn)PP和PS薄片材，設備的螺桿轉速最高可達900 r/min。
現在，Kuhne公司正在開(kāi)發(fā)螺桿轉速為2000r/min的高速擠出機，而B(niǎo)EX公司也正在試圖將螺桿的轉速提高至2400r/min。與此同時(shí)，Knoedler公司正在研制功率為600kW的新型CMG馬達驅動(dòng)裝置，其尺寸要比現有裝置大一倍。所有這些新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品預計將在K2010展會(huì )中亮相。
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