先进结构挤出机-课件

1.先进结构挤出机介绍

（AdvancedStructureExtruder，简称ASE）先进结构挤出机（ASE：AdvancedStructureExtruder），利用了轴流式涡轮结构来进行物料输送、熔融换能、熔体混合的一类挤出机。先进结构挤出机是轴流式涡轮结构在高分子材料挤出成型装备领域的首次应用，相关知识产权已经申报中国发明专利CN201510019482.X。先进结构挤出机轴流式涡轮结构轴流式涡轮结构由多个动叶轮和静叶轮组成，动叶、静叶的倾斜角方向相反。一个动叶轮和一个静叶轮构成一级涡轮结构，多个动叶轮和多个静叶轮交替排列构成多级涡轮。ASE的动叶、动叶轮、轴一起构成了ASE的螺杆。一般动叶动叶轮为一体结构；动叶（轮）和轴可以是整体式，也可以是组合式。静叶、静叶轮和料筒一起构成了ASE的料筒，一般是整体结构。因为装配需要，ASE的料筒采用剖分料筒结构。先进结构挤出机（ASE）项目的成果，是秉承性能优良、结构简洁、节能降耗、维护简单的原则研发的一款新型挤出机。先进结构挤出机利用了涡轮结构普遍具有流量大、计量输出；轴功率大、能量转换效率高；混合效率高、效果好；受力平衡、驱动方便；高速、结构简单维护性好等优点。先进结构挤出机结合了单螺杆挤出机结构简单、双螺杆挤出机性能优良的特点。ASE与双螺杆的拓扑变形ASE可以看作是同向双螺杆的一种变异结构：双螺杆其中的螺杆B拓扑变形，反向包覆螺杆A，形成料筒反向螺纹结构——>反螺纹开槽料筒挤出机（螺杆螺纹-料筒螺纹的啮合程度为0，非啮合）。开槽料筒挤出机的螺杆螺棱、料筒螺棱交替延伸至对方螺槽——形成涡轮结构的原始形态——叶片形状、参数优化——ASEASE将同向双螺杆的一条螺杆变为料筒螺纹；双螺杆变为动静螺杆；双轴结构变为单轴结构；侧向啮合变为端面啮合。∴ASE既有单螺杆结构简单、受力均衡的优点，又有双螺杆性能优良的特性，是一种优秀的挤出机型。ASE与其他挤出机ASE具有单螺杆的单轴结构及优点，比双螺杆挤出机结构简单、动力加载方便、高速性能好、操作-维护方便、可靠性高等优点；ASE比常规单螺杆挤出机产量、塑化、混合、高速、节能性能更好；ASE具有同向双螺杆挤出机塑化好、混合好、产量无限制优点，可以用于造粒；ASE具有异向双螺杆挤出机机头压力高、挤出稳定优点，可以用于制品挤出生产。ASE是常规挤出机的一种进步机型。提问：先进结构挤出机的螺杆结构有什么特点？先进结构挤出机是一种单螺杆挤出机，还是多螺杆挤出机？什么是轴流式涡轮结构？在其他行业有哪些应用？2.先进结构挤出机（ASE）之

物料输送轴流式涡轮结构是指流体由轴向进入叶轮又沿轴向输出的涡轮结构；先进结构挤出机（ASE）是运用了轴流式涡轮结构进行物料输送的一类挤出机；ASE输送量由固体输送量决定：

式中： Q：输送量； n：转速；A：断面流道面积； S：螺旋导程

η：输送效率

边界效应料流和叶片表面的接触，对边缘物料的流动产生了阻碍作用，即边界效应；叶片尺度越小，叶片数量越多，边界效应越明显；高摩擦系数物料、高粘度物料边界效应明显；由于边界效应的影响，中小型的先进结构挤出机需要改进其物料输送系统，提高物料输送效率。先进结构挤出机ASE因此变化出了几种不同的机型结构。全涡轮结构型ASE整个螺杆完全采用涡轮结构，适合于大型的先进结构挤出机；此时，物料输送的边界效应小，涡轮的输送效率高；优点：结构简单，加工容易；但是涡轮叶片参数需要匹配加工物料及运行参数。运行工况偏离设计状态可能引起物料输送困难。外涵道型ASE加料段流道由料筒反向螺槽结构和涡轮结构结合构成的一类型ASE。从加料段到均化段，料筒螺槽比例逐渐减少，涡轮比例逐渐增加，直到完全的涡轮结构。外涵道型适合大中型先进结构挤出机。料筒反向螺槽相当于涡轮的外涵道，外涵道的输送遵循摩擦输送原理。外涵道加大了加料段物料输送量，相应降低了对于涡轮输送的依赖。外涵道型ASE加料段涡轮叶片比较短，增强了加料段螺杆及叶片强度。半涡轮型ASE加料段流道由螺杆螺槽、料筒反向螺槽构成，过渡到螺槽结构减少、涡轮结构增加的半涡轮结构，最后到完全涡轮结构的一类型ASE。半涡轮型适合中小型先进结构挤出机。螺槽输送遵循摩擦输送原理，加料段相当于开槽料筒挤出机。料筒反向螺槽加大了挤出机输送量，相应降低了螺杆螺槽输送的依赖，螺杆根部直径增大，增强了螺杆的根部强度。反IKV型ASE加料段流道完全由料筒反向螺槽构成，过渡到料筒螺槽结构减少、涡轮结构增加，最后到完全涡轮结构的一类型ASE。反IKV型的加料段流道完全建立在料筒上，螺杆是一条光杆（为了增大摩擦可开设沟槽），和IKV挤出机加料段的螺杆-料筒结构完全相反。反IKV型适合小微型先进结构挤出机。反IKV型的螺杆强度达到最大，解决了小微机型螺杆强度不够的问题。涡轮输送在小尺寸时，边界效应加剧，输送效率降低；摩擦输送在小尺寸时效率高，但是在大尺寸时，输送效率低；先进结构挤出机就是根据不同螺杆尺寸、物料粒度优化螺杆结构，得到四种机型，加料段在不同情况下都可以保持较高的物料输送效率。加料段输送方式涡轮输送涡轮+螺槽螺槽输送全涡轮型ASE外涵道型ASE半涡轮型ASE反IKV型ASE提问：先进结构挤出机几种机型是哪些？先进结构挤出机不同机型选择依据是什么？轴流式涡轮输送结构在其他行业有哪些应用？输送量怎么样？3.先进结构挤出机（ASE）之

物料熔融ASE的熔融能量来源ASE的熔融能量来源，和一般挤出机一样，遵循能量守恒定律1）料筒的外加热；2）螺杆的机械能耗散发热。外加热的缺点：能量传递有限，且不利于大型挤出机：温差不能太大，否则容易烧焦，且温度不均衡严重；（只能低温差）大尺寸螺杆，受热比表面积小，且温度不均衡严重。（只能小尺寸）ASE机械能耗散发热机械能主要消耗在物料在动静叶片间的摩擦（固体）、和动静叶片间的粘性耗散（熔体）；机械能做功：

ASE机械能耗散发热特点机械能主要消耗在物料在动静叶片间的摩擦（固体）、和动静叶片间的粘性耗散（熔体）；固体物料摩擦热随摩擦系数增加而增加，随轴向压力增加而增加；熔体物料摩擦热随熔体粘度增加而增加；物料随通过涡轮级数增加逐级升温；忽视物料之间的差异、设备制造误差，物料可以均匀的获得摩擦热；高速、大扭矩（螺杆强度足够）——很大的机械能耗散发热，足够熔融加料段输送的物料。ASE熔融方式的优点ASE高速运行模式下，可以提供大功率的熔融能量；ASE的均衡分布的摩擦热，能够在大功率条件下的高质量、高效率熔融，是大型挤出机熔融方案的一个优秀选择；ASE的均衡分布的摩擦热，有利于热敏性树脂的加工；ASE的逐级升温特点，使物料高温时间缩短，及热敏性树脂的加工。不同参数涡轮元件的组合，可以拓展ASE的原料、运行包线。ASE熔融能量中机械能比例高，有利于降低能耗。ASE的高效率混合，也有利于温度的均衡，消除过热点。提问：先进结构挤出机（ASE）螺杆大功率做功时，是如何避免物料的熔融过热的？先进结构挤出机（ASE）可以加工PVC之类的热敏性树脂吗？使用常用螺杆材料38CrMoAl制造的D=65的半涡轮型ASE螺杆，d=55、400rpm/600rpm时，机械能最多能够熔融多少单耗0.35KwH/Kg的树脂（取安全系数2.5）?4.先进结构挤出机（ASE）之

熔体混合ASE的熔体混合ASE的熔体混合类似于化工过程常见的管道搅拌器，秒级的混合时间和挤出机物料停留时间可以很好的匹配；ASE相对较低的驱动功率（仅指熔体混合驱动功率），使熔体的温升作用有限，有利于高质量的挤出。ASE的拉伸流动与剪切流动ASE的动态拉伸：与常见的流道面积变化产生的拉伸流动不同，ASE熔体的拉伸流动是由叶片流道内流动速度v1和涡轮叶片旋转速度v2的不同带来的；拉伸比v2/v1在10至100之间，依熔体情况及涡轮参数而定；ASE的拉伸流动，是熔体混合的主要因素。ASE的剪切流动：主要来自于动叶片与静叶片之间的速差，是熔体混合的次要因素。ASE的不稳定流动多普勒效应：动叶轮旋转使得动静叶片间流道大小周期性变化，带来熔体局部压力、流速的周期性变化，产生不稳定流动；卡门涡街效应：熔体绕过动静叶片时，两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。ASE混合的优点多种混合形式及不稳定混合流场，使得ASE具有高效率混合的特点。对于大中型挤出机、高产量挤出机、高混合需求材料的挤出装备，ASE是其混合方案的一种优秀选择；高效率的传质，带来高效率的传热，减少了过热点，有利于热敏性树脂的加工；熔体混合驱动功率小，熔体温升低，有利于低温挤出；ASE使用涡轮端面混合，混合面积随涡轮级数成正比。采用更密集的涡轮叶片排列，比双螺杆加大长径比，更加容易获得超大的混合面积。提问：先进结构挤出机（ASE）高效混合的原因是什么？先进结构挤出机（ASE）的拉伸流动有什么特点？先进结构挤出机（ASE）混合对于小型挤出机是否有效？5.先进结构挤出机（ASE）之

应用展望ASE先进结构挤出机（ASE）理论上的物料输送能力、熔融功率、混合效率、结构、能耗等方面都有不俗的表现，和传统单螺杆挤出机、双螺杆挤出机比较也是不落下风，各种应用场景都能够适应。下面就ASE理论上的一些应用场景进行推算，应用情况还看试验数据结果。1.石化级大型挤出造粒机高产量要求；大功率且及均衡分配的熔融功率，满足熔融和不过热的要求；大混合空间条件下高混合效率，满足微小组份的分散要求；可靠性高，可连续生产，无临时停机。是挤出机皇冠上的明珠。ASE可以满足上述要求，和双螺杆造粒机比较，单轴结构，无侧向受力，动力加载方便，可靠性、维护性会更好。2.高分子改性材料、功能材料制造高混合效率，组份分布均匀；粒子直径足够小，形成一定的机械互容。ASE可以满足上述要求。和同向双螺杆造粒机比较：单轴结构；容易高速、容易高产量；动力加载方便；可靠性、维护性更好。3.纳米改性材料、石墨烯改性材料、色母制造高分散性混合效率，彻底的分散粒子团聚；高分布性混合效率，粒子分布均匀。ASE可以满足上述要求。和同向双螺杆造粒机比较：优势同上；和连续密炼机、BUSS机比较，结构简单，投资少，产量高。4.PVC高速挤出PVC高速塑化，无过热不分解。ASE可以满足上述要求。和异向双螺杆挤出机比较：无分离力，容易高速，无产量限制能够成型大型制品，可靠性、维护性更好。5.PVC压延预塑化PVC高产量、彻底塑化，无过热不分解。。ASE可以满足上述要求。和开炼-行星螺杆挤出机（或者密炼-开炼-挤出）比较：工艺流程简化，设备简化、投资少、占地小，可靠性、维护性更好。6.长纤维增强材料制造高效率分布混合，耐磨或者挤出性能对磨损不敏感。ASE可以满足上述要求。和同向双螺杆挤出机比较：ASE磨损主要在端面，对性能影响小；纤维长度小于叶片及流道尺寸，对流动性影响小。汽车轻量化的关键技术7.高填料材料制造、金属粉末混炼、陶瓷混炼高效率分布混合，输送能力强，挤出性能对磨损不敏感。ASE可以满足上述要求。和同向双螺杆挤出机比较：ASE磨损主要在端面，对性能影响小。8.微发泡挤出发泡剂组份高效分散混合（化学发泡），气泡高度分散、微粒化（物理发泡），较高机头压力（超临界发泡）。ASE可以满足上述要求。和单螺杆挤出机、双螺杆挤出机比较有优势。是汽车轻量化关键技术。9.大型制品挤出快速塑化、温度均匀、挤出稳定。ASE可以满足上述要求。和传统单螺杆挤出机多级共挤比较，单机挤出，占地小，工艺简单；和同向双螺杆机+熔体泵比较，工艺简