用于管道和型材挤出的高强力喷淋冷却槽

作者：Conair公司 Steve Sickles

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 冷却塑料管材和型材一直是一个挑战，而在挤出速率超过682kg/h的今天，事实更是如此。当决定怎样最佳地冷却挤出产品时，需要关注的不仅是材料，而且还包括壁厚和挤出的几何尺寸。在冷却厚度仅为几mm的窗户线性型材和冷却厚度达1.5in（38.1mm）的木质复合材料装饰盖板时，其方法是有较大差别的。 高生产率的挤塑操作从过去发展到现在已走了一段较长的路。过去，型材一般采用城市用水或井水在几乎静止的浸浴下进行冷却，当水吸取尽可能多的热量后被排放到污水沟中。在生产率问题促使一种更为智能的方法成为必需之前，水的供应和处理的费用就已经足以使这种冷却方法结束。在Conair公司的帮助下，挤塑厂商们正在精确地计算有多少热量需要被消除以及需要多快的速度进行消除，才能实现运营成功且有利可图。也许有人希望在使水尽可能冷的方面找到一些解决方法。然而实际上，问题要比单独的水冷要更加复杂。 自从发明塑料挤塑以来，下游冷却设备的生产商以及他们的客户都在寻求更好的方法来把过程热量从挤塑型材中消除，而这种努力也得到了一个合理的进展。目前，一种高强力喷淋冷却槽（如图1所示）代表了现有此类技术的高水平。 这种高强力冷却槽产生效果的秘诀在于，它采用了均匀的360°高容量喷淋方式来优化冷却过程，如图2所示。 虽然传统的喷淋槽也能简单地喷水到型材表面，但是这种高强力冷却槽能产生一种全锥度的雾化喷淋形式，以极微小的水滴涵盖所有的型材表面。当挤出物以121℃的温度进入该槽时，微小的水滴撞到型材表面并迅速地变成水蒸汽，从而高效率地带走热量。但是，在大多数的应用中，管材或型材温度仅略微高于水沸点，使得之后水滴不再迅速地变成水蒸汽。尽管如此，这种高强力的喷淋仍然比浸泡冷却或传统的喷淋具有更大的冷却潜力，这是因为虽然这种方式将水以非常细小的微滴进行喷淋，但仍然可以把大量的水带到型材表面。一个传统的冷却槽每分钟可以泵浦379L水，但高强力冷却槽能泵浦1363L水。如图3所示，水和真空岐管可以适合要求更复杂的多中空型材。 同时，挤塑商已经从使用城市用水或冷却塔水（温度范围为4.5~26.5℃）发展到使用能把冷却水温度降到4.5℃以下的冰水机。然而，现在挤塑商需要知道：更冷的水和高度激烈的喷淋方式是否能够继续增强冷却效果？如果型材壁相对较薄且厚度均匀，那么答案几乎肯定是“变冷”。但是，对于较厚的管材和型材，挤出物较冷的外壁实际上可能和中心处较热的塑料隔绝，这样就阻碍了进一步的冷却。我们都见过，当厚壁管从挤出线下来时，表面不热，可以触摸，而将其放在卸料台几分钟后，它的温度又会重新升高。 冷水是最佳的吗？ 冷（湍流）水在帮助优化热传递速度方面可以起到很多作用，但是这种作用仅限于一个特定的壁厚范围内。对于Schedule-40以上壁厚的管材，可以考虑从冷水转到调温水，以优化冷却速度。当挤出物从热的塑性状态转变为硬性状态时，热传递速度降低。因此，管材或型材外表面发生的结皮，实际上就把内部材料和冷却水进行了隔离（如图4所示）。随着壁厚的增加，这变成了一个越来越严重的问题。你可能是在浪费非常昂贵的冷却水。事实上，最好在最初的冷却槽，将水温调高至26.5~54.5℃，在不使表面结皮的情况下带走能量。 再者，如果型材的壁厚不一样，用冷水快速冷却会造成型材弯曲、扭曲和翘曲。这种情况下，则有可能需要在主冷却槽中升高水温，以帮助平衡热传递速度。 为了在水循环系统中精确控制水温，可以在冰水机和过程回路之间使用一种Thermolator模温机（如图5所示）。当这些设备配备远程热电偶时，可以在1℃内控制冷却槽水温。对于挤塑应用，一般使用24kW、36kW或者甚至是48kW的加热器、1.5~7.5hp的泵和调节阀，以优化应用。 应用建议 从这个前提开始：更冷并不一定是更好，因此了解哪一种冷却方法在你的工艺情况下会表现最佳是很重要的。在各种挤塑应用中，对于优化热量排除和提供生产率，这里有如下一些建议。 1. 薄壁管材 冷却壁厚为Schedule-40或更低的管材（如图6所示），特别是RPVC管材，可使用带有适当尺寸水循环系统的高强力喷淋槽，且在整个线上专门使用温度范围为3.3~7.2℃的冷却水。适当设计的喷淋槽可以冷却76~102mm的Schedule-40管材，对于7.3米的喷淋槽，其冷却速度可达364~998kg/h。有意思的是，由于驻留时间和表面积问题，为了实现每小时内相同的输出量，冷却51mm的Schedule-40管材，则实际上需要将冷却槽长度加长约30%。 2. 厚壁管材 冷却Schedule-80管材（如图7所示），可以在主喷淋槽中通过使用调温水来控制结皮的速度，同时把最大的热量从壁中带走。当确定水循环系统的尺寸和喷淋槽所需的长度时，要记住输出量（kg/h）。适当确定热交换器的尺寸来控制水温将是很关键的。 3. 实心型材 木塑复合材料和其他实心或泡沫型材（如图8所示）也能从高强力喷淋槽中获益，以进行工艺优化。同时，可再次利用调温水来控制结皮速度，这将有助于优化冷却速度，且尽可能降低冷却水的成本。目前，典型的加工速度约为682kg/h，而且通过发泡来降低这些型材的密度的工作正在进行中。这种材料的绝缘特性将进一步抑制冷却速度。对于加工速度为682kg/h的发泡HDPE木塑复合材料（50%~60%木质）生产线，它可能包含一系列安装在主喷淋槽前的干燥定型工装，带有3个温度区：第一区为7.3m长的高强力喷淋槽，采用37.7~54.5℃的调温水，第二区和第三区为4.9m长的高强力槽，使用1.6~4.5℃的冷却水，且在其后安装一台对夹式牵引机、切断机和卸料台。 定型工装可以安装在喷淋槽前，且采用独立的水温控制，来进一步优化热传递过程。这与过去依赖于操作人员调整球阀来改变流向模具的冷却水流量的旧技术相比，该过程具有高度可重复性。过去，由于实际温度通常不知道或没有记录，因此过程缺乏一致性和可重复性。 4. 中空型材（窗户和门线型，RPVC栅栏） 复杂的中空型材（如图9所示），特别是那些带有适用性和功能性规范的产品，可以利用喷淋技术提高速度和降低废料。目前的技术是使用9.1m长的干燥定型台，结合一个带有形成导向的浸泡槽。同时，将低真空用于该槽，帮助保持中空。对于高加工速度，挤塑机已采用昂贵的双线，且配备双牵引机、切断机等。但是，高强力喷淋槽采用一个0.3~0.9m的前置干燥工具，能够很容易地超过目前的冷却和定型速度，同时占地面积较少。在这个喷淋槽中安装一个形成导向系统，能够从型材所有的面来控制喷淋的方向，或者在面与面之间采用不同的喷淋，以优化冷却速度。至于实心型材和泡沫，可以再次设计这种干燥工装，从而使它在特定温度下工作，以优化定型和冷却速度，同时确保在高速度下有一致的和可重复的工艺。 如果中空型材具有不对称的壁，那么就要结合一个水温控制系统，以提供调水温的作用，进一步减小翘曲、弯曲和扭曲。 操作人员通过移动球阀来调整流到定型工装中的水流量，进而来调整定型套的温度，这种日子很快就会结束了。挤出和注塑不同，它一定有至少一个模具温度控制单元，采用一个热电偶读出实际温度并控制在1℃范围内。如果一个过程要求3个203~305mm长的定型工装且每个带有不同的温度（这对泡沫型材是典型的），3个单个温度控制单元不能被用来提供整个过程的一致性和可重复性，不仅是班次与班次之间，也包括月与月之间。 Conair公司将继续同塑料挤塑行业合作，不仅提供设备，而且帮助解决生产工艺中的各种不确定性问题，使它成为一门真正的科学。在对塑料怎样冷却有了一个更好的理解下，我们可以设计热交换过程来为我们工作，而不是对我们不利，从而实现最大的输出速度，同时尽可能地减少废料。当挤出过程变得更科学时，它就会更具有一致性和可重复性。 对挤塑冷却的一个回顾 历史上，挤塑厂商依赖于空气冷却或浸泡冷却来排除热量。虽然冷却技术在最近20年中进步迅速，但是这些令人尊敬的技术仍然值得学习。 空气冷却在挤塑型材加工中已被使用了多年，令人惊讶的是它可能是冷却型材的最佳方法之一，特别是对于薄壁型材而言。这种冷却方式较大的缺点是空气冷却较慢，速度一般低于159kg/h，并且空间密集，采用一个简单的空中架子来支撑跨距达6m的型材。虽然这个过程提供较慢的热传递速度，但它通过使厚壁和薄壁以相同的速度冷却，最大程度地减少了翘曲、扭曲和弯曲。因为空气的冷却速度是水的百分之一，不均匀的冷却可能更少。通常，在第一段的3m中，注嘴被用来在型材的特定部分（较厚）吹空气，而最后的3m则在型材上下方采用风箱，使用更普遍的空气冷却。通过调节空气注嘴，可以改变热转移的速度或对准厚壁或截面部分进行更好的冷却。虽然这是一种较慢的热转移方法，但是我们可以从中学到知识，把它应用到其他管材和型材的冷却方法中。 浸泡冷却简单地把熔融塑料从一个装满冷却水的槽中引出，冷却水通过一台水泵、过滤器和热交换器进行循环，排除从挤出塑料中获得的热量。冷却水一般是温度控制的，它是一种转移挤出物热量非常有效的介质。但是，由于在塑料和水之间存在较高的温差，挤出型材周围的水立刻被加热，实际上阻碍了进一步的热传递。对此，解决的办法是把湍流引入到槽中，把被加热的水弄走，使较冷的水能接近挤出物。湍流被认为是该冷却过程中的一个关键因素。 如今，该行业正在不断发明新技术，包括高强力喷淋冷却和沿挤出线不同温度的谨慎使用，它们能够迅速提高挤出量的速度，并帮助加工厂商在一些最热门的新市场中变得更具有竞争力。(end)

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