O mercado global de masterbatch continua a expandir-se de forma constante, impulsionado pela crescente demanda das indústrias de downstream, incluindo embalagens, automóveis, eletrónica de consumo, agricultura e dispositivos médicos. Como material crítico para a coloração e modificação de plásticos, o masterbatch determina diretamente a aparência, as propriedades mecânicas e o desempenho funcional dos produtos plásticos finais. O processo de mistura é o núcleo da produção de masterbatch, e a qualidade da mistura afeta diretamente a uniformidade da dispersão, a consistência da cor e a estabilidade do desempenho. Equipamentos de mistura tradicionais, como extrusores de um único parafuso e misturadores internos, muitas vezes não atendem aos requisitos da produção de masterbatch de alta qualidade devido à força de cisalhamento insuficiente, à distribuição desigual de materiais e às grandes flutuações de lote para lote. Uma má qualidade de mistura pode levar a diversos defeitos, como aglomeração de pigmentos, manchas de cor, distribuição desigual de enchimentos e propriedades mecânicas degradadas, resultando em altas taxas de rejeição, desperdício de matérias-primas e riscos de reclamações dos clientes para as empresas de produção.
Como um equipamento de mistura contínua eficiente, o extrusor paralelo com dois parafusos co-rotantes tornou-se o padrão da indústria para a produção de masterbatch, contando com suas excelentes capacidades de mistura dispersiva e distributiva. Como fabricante profissional especializado em R&A Kerke lançou a série KTE de extrusores de parafuso gêmeo co-rotativos, com várias otimizações para processos de mistura de masterbatch, baseada em anos de acumulação técnica e experiência de aplicação global. Esta série de equipamentos pode resolver efetivamente vários problemas de mistura na produção de masterbatch, ajudando os clientes a melhorar a qualidade do produto, aumentar a eficiência de produção e reduzir os custos operacionais globais. Neste artigo, analisaremos sistematicamente os desafios comuns na produção de masterbatch, explicaremos em detalhe como os extrusores de parafuso gêmeo resolvem esses problemas a partir de princípios técnicos, apresentaremos as vantagens estruturais dos equipamentos Kerke, forneceremos uma análise detalhada de custo-benefício e uma referência de investimento, e compartilharemos práticas recomendadas de operação e manutenção, fornecendo orientação abrangente para a tomada de decisões nas empresas de produção de masterbatch.
1. Desafios de mistura no processo de produção de masterbatch moderno
1.1 Agregação de pigmentos e grau de dispersão insuficiente
A dispersão de pigmentos é o indicador de qualidade mais importante do masterbatch de cor. Os pigmentos, especialmente os pigmentos orgânicos e o preto de carbono, têm alta energia de superfície e são extremamente propensos a formar aglomerados rígidos de escala micrônica ou mesmo milimétrica durante a produção e o armazenamento. Se esses aglomerados não puderem ser totalmente quebrados e uniformemente dispersos na matriz de resina durante o processamento, o produto final do masterbatch apresentará defeitos de qualidade, como manchas de cor, partículas de pigmento e coloração desigual. Para cenários de aplicação de alto nível, como o masterbatch para filmes e o masterbatch para fibras, os requisitos para a classe de dispersão são extremamente rigorosos, e até mesmo aglomerados minúsculos podem causar quebras de filmes ou bloqueios de spinnerets de fibras, resultando em enormes perdas para os clientes downstream.
Os extrusores tradicionais de um único parafuso dependem da cisalhamento entre o parafuso e o cilindro para a mistura, com baixa resistência à cisalhamento e efeito de dispersão deficiente, o que só permite a mistura primária e não consegue quebrar completamente os aglomerados de pigmentos duros. Os misturadores internos podem fornecer uma forte cisalhamento, mas são equipamentos de produção intermitente com baixa eficiência e a consistência entre lotes é difícil de garantir. Muitas empresas de masterbatch de pequeno e médio porte têm sido atormentadas pelo problema da dispersão insuficiente, incapazes de entrar no mercado de alto nível e apenas podem competir no mercado de baixo nível com lucros escassos.
1.2 Diferença de cor entre lotes e precisão da fórmula instável
A consistência de cor é outro indicador chave de qualidade do masterbatch de cor, e a diferença de cor entre os lotes é um ponto problemático comum no setor. Para os clientes de marcas, até pequenas diferenças de cor podem levar a devoluções de produtos e reclamações, afetando seriamente a reputação da marca dos fabricantes. As principais causas da diferença de cor incluem a proporção de alimentação imprecisa de cada componente, flutuações nos parâmetros do processo de extrusão e diferenças no grau de dispersão causadas pela operação instável do equipamento. Para empresas com várias variedades de produtos e mudanças frequentes de materiais, os problemas de diferença de cor são mais evidentes, e cada mudança requer um longo período de depuração, produzindo uma grande quantidade de resíduos transitórios.
No momento, os clientes de alta qualidade internacionais geralmente exigem que a diferença de cor Delta E entre os lotes seja controlada dentro de 1,0, e algumas marcas de luxo exigem que seja inferior a 0,5. No entanto, os equipamentos domésticos comuns só podem controlar a diferença de cor em torno de 2,0 em condições normais de produção, o que é difícil de atender às exigências dos clientes de alta qualidade. Para reduzir a diferença de cor, muitas empresas são obrigadas a aumentar a frequência de amostragem e testes, o que aumenta os custos de mão-de-obra e os custos de controle de qualidade, mas ainda não consegue resolver o problema de forma fundamental.
1.3 Dificuldade na dispersão de sistemas de masterbatch com alto teor de enchimento
O masterbatch de enchimento, representado por carbonato de cálcio, talco e sulfato de bário, é uma categoria importante de produtos masterbatch, com uma proporção de enchimento geralmente de 70% a 85%. O alto teor de enchimento representa grandes desafios para a mistura por extrusão: por um lado, uma grande quantidade de enchimento é difícil de ser uniformemente encharcada e dispersa pela matriz de resina, e é fácil formar aglomerados de enchimento, resultando em manchas brancas, diminuição das propriedades mecânicas e outros defeitos no produto; por outro lado, os sistemas de enchimento com alto teor apresentam alta viscosidade de fusão, o que exige que o extrusor tenha torque e capacidade de transporte suficientes, caso contrário, é propenso a problemas como sobrecarga do hospedeiro, descarga instável e até mesmo transbordamento de material na porta de alimentação.
Além disso, enchimentos como carbonato de cálcio apresentam uma forte abrasividade para o parafuso e o tambor. Os tambores de parafuso nitridados comuns desgastam-se rapidamente quando se produz um masterbatch com alto teor de enchimento, e a distância entre o parafuso e o tambor aumenta após 1 a 2 anos de uso, resultando em uma diminuição da capacidade de transporte, um efeito de dispersão menos eficaz e uma piora adicional na qualidade do produto. As empresas precisam substituir frequentemente os componentes do parafuso e do tambor, o que não apenas aumenta os custos de peças de reposição, mas também causa perdas de produção devido à manutenção de parada.
1.4 Degradação térmica de materiais e aditivos sensíveis ao calor
Muitas formulações de masterbatch contêm componentes sensíveis ao calor, como resina de PVC, pigmentos orgânicos, retardantes de chama parciais, antioxidantes e estabilizadores de luz. Esses componentes são propensos à degradação térmica em condições de alta temperatura e forte cisalhamento, resultando em alteração de cor, redução das características e até mesmo na produção de substâncias voláteis de molécula pequena, que formam bolhas e poros no produto, afetando a aparência e as características. Para masterbatch de grau para contato com alimentos e de grau médico, os produtos de degradação também podem migrar para alimentos ou medicamentos, trazendo riscos de segurança.
Os equipamentos de mistura tradicionais frequentemente apresentam o problema da distribuição desigual de temperatura e da ampla distribuição do tempo de permanência. Alguns materiais permanecem na zona de alta temperatura por muito tempo, o que leva a sobreaquecimento local e à degradação. Por exemplo, na produção de masterbatch de PVC com extrusor simples de um único parafuso, é fácil ocorrer carbonização local, resultando em manchas pretas no produto e até mesmo na corrosão do parafuso e do cilindro. Para evitar a degradação, algumas empresas são obrigadas a reduzir a temperatura de processamento ou a velocidade de produção, o que resulta em insuficiente plasticização e dispersão, reduzindo a eficiência de produção e criando um dilema.
1.5 Baixa eficiência de mudança e alto desperdício de materiais
A indústria de masterbatches possui as características de muitas variedades de produtos e frequentes alterações de cor e material. Cada mudança requer a limpeza dos equipamentos para remover os materiais residuais da fórmula anterior, até que a cor e a pureza do produto atendam aos requisitos da nova fórmula. Para os extrusores comuns, devido à falta de capacidade de autolimpeza, existem muitos cantos mortos de retenção de materiais no canal de fluxo, portanto, o processo de limpeza requer uma grande quantidade de materiais de limpeza e leva muito tempo. De acordo com estatísticas da indústria, os extrusores comuns de um único parafuso precisam de 2 a 3 horas para mudar uma cor, consumindo dezenas a centenas de quilogramas de materiais de limpeza, e os resíduos gerados pela limpeza representam cerca de 3% a 5% da produção total.
Para as empresas que produzem várias variedades e pequenas quantidades, podem precisar alterar os materiais várias vezes ao dia, e o desperdício cumulativo de tempo e de matérias-primas é muito significativo. Ao mesmo tempo, se a limpeza não for completa, haverá impurezas residuais nos produtos subsequentes, o que pode levar a problemas de qualidade, como manchas de cor e variação, o que afeta a taxa de qualificação do produto. Melhorar a eficiência de limpeza dos equipamentos e reduzir o desperdício de mudança é uma forma importante pelas quais as empresas de masterbatch podem reduzir custos e aumentar a eficiência.
2. Por que o extrusor de parafusos gêmeos co-rotantes é o padrão de ouro para a mistura de masterbatch
2.1 Princípio de funcionamento básico do extrusor paralelo com hélice co-rotante
O extrusor paralelo de parafusos co-rotantes é composto principalmente por sistema de transmissão, sistema de extrusão, sistema de aquecimento e resfriamento, sistema de controle e equipamento auxiliar. O seu núcleo é constituído por dois parafusos paralelos que se engrenam mutuamente e que rotam na mesma direção no cilindro. As matérias-primas entram no cilindro pela porta de alimentação, passando pelos processos de transporte, compactação, fundição, mistura, corte, desgasificação e homogeneização sob a pressão do parafuso, e finalmente são extrudadas da cabeça do matriz em estado fundido uniforme, para depois se transformarem em partículas de masterbatch acabadas após a granulação.
Diferente da extrusora de um único parafuso, que se base na fricção entre o material e o cilindro para transportar os materiais, a extrusora de dois parafusos realiza o transporte por deslocamento positivo através do engrenamento entre os parafusos. O material é empurrado para a frente pela mudança de volume da ranhura do parafuso, e o transporte é mais estável, o que não causará refluxo de material ou retenção devido a alterações de viscosidade. O mais crítico é a zona de engrenagem entre os dois parafusos. Quando o material passa pela zona de engrenagem, é submetido a fortes efeitos de cisalhamento, estiramento e dobramento, o que pode alcançar um efeito de mistura eficiente em um tempo muito curto. Este mecanismo de mistura único é a razão fundamental pela qual as extrusoras de dois parafusos são muito superiores a outros equipamentos de mistura em termos de desempenho de mistura.
2.2 Mecanismo de mistura dual: mistura dispersiva e mistura distributiva
A produção de masterbatch requer tanto mistura dispersiva para quebrar aglomerados e reduzir o tamanho das partículas, como mistura distributiva para distribuir uniformemente cada componente na matriz inteira. O extrusor de dois parafusos co-rotantes pode realizar perfeitamente esses dois mecanismos de mistura ao mesmo tempo, através da combinação de diferentes elementos de parafuso.
O misturamento dispersivo baseia-se principalmente em elementos de moagem em blocos. A disposição escalonada dos discos de moagem forma espaços estreitos. Quando o material passa por estes espaços, é submetido a uma forte tensão de cisalhamento, que pode quebrar aglomerados duros, como pigmentos e enchimentos, em pequenas partículas primárias, o que permite obter um grau de dispersão elevado. Ao ajustar o ângulo de escalonamento e a espessura dos blocos de moagem, a força de cisalhamento pode ser controlada de forma flexível para adaptar-se a diferentes sistemas de materiais.
O misturamento distributivo baseia-se principalmente em elementos de transporte com diferentes comprimentos de condução e elementos de mistura dentes. Através da divisão e reposicionamento do fluxo de material, cada componente é repetidamente redistribuído na posição espacial, e finalmente alcança uma distribuição uniforme em todo o matriço. Um bom misturamento distributivo pode garantir a consistência dos desempenhos do produto em todas as posições, evitando a concentração local ou a deficiência de componentes.
O mecanismo de mistura dupla permite que o extrusor de parafuso gêmeo obtenha efeitos de mistura de alta dispersão e alta uniformidade, o que não é alcançado pelos extrusores de parafuso único e pelos misturadores internos tradicionais. Seja um masterbatch de cor de alta concentração, um masterbatch de enchimento com alto teor de preenchimento ou um masterbatch funcional com componentes complexos, ele consegue uma qualidade de mistura ideal.
2.3 Vantagens abrangentes em relação aos equipamentos de mistura tradicionais
Em comparação com os extrusores de um único parafuso e os misturadores internos tradicionais, os extrusores de parafusos gêmeos em rotação conjunta apresentam vantagens abrangentes em várias dimensões. Em primeiro lugar, alta eficiência de produção. O extrusor de parafusos gêmeos realiza a produção contínua, com grande capacidade de processamento por unidade de tempo. Para produtos de especificações iguais, a produção de um extrusor de parafusos gêmeos é de 2 a 3 vezes maior do que a de um extrusor de um parafuso de mesma especificação, e a produtividade do trabalho é maior.
Em segundo lugar, a qualidade estável do produto. O extrusor de dois parafusos tem distribuição estreita do tempo de permanência, cisalhamento uniforme e parâmetros de processo estáveis, o que garante uma alta consistência da qualidade do produto entre os lotes e uma pequena flutuação do desempenho, o que é favorável ao controle de qualidade na produção em massa.
Em terceiro lugar, a ampla adaptabilidade do processo. Alterando a combinação de parafusos e ajustando os parâmetros do processo, o mesmo equipamento pode processar fórmulas diferentes e produtos de masterbatch de diferentes tipos, permitindo a utilização multifuncional de uma única máquina e reduzindo o investimento repetido das empresas. Desde masterbatch de poliolefina de uso geral até masterbatch modificado de plástico de engenharia, desde toner de baixa concentração até masterbatch de cor de alta concentração, é compatível.
Fourth, low energy consumption per unit output. High-efficiency plasticizing and mixing system and energy-saving drive configuration make the energy consumption per ton of product of twin screw extruder 15% – 30% lower than that of traditional equipment, and the long-term operation cost advantage is obvious. In addition, the twin screw extruder also has the advantages of good self-cleaning performance, convenient material change, and high degree of automation, which can well meet the production needs of modern masterbatch enterprises.
3. Como o extrusor de parafusos gêmeos resolve problemas comuns de mistura de masterbatch
3.1 Eliminação da aglomeração de pigmentos por meio do controle de corte de precisão
Em relação ao problema da aglomeração de pigmentos, o extrusor de dois eixos atinge uma dispersão eficiente através de uma ação de cisalhamento em várias etapas e de uma configuração otimizada dos eixos. Em primeiro lugar, os elementos de mistura do eixo fornecem uma força de cisalhamento forte e uniforme. Quando os aglomerados de pigmentos passam pelo espaço entre os discos de mistura e a parede interna do tambor, são submetidos a uma ação de cisalhamento contínua, e os aglomerados duros são gradualmente quebrados em partículas primárias finas. Ao configurar vários grupos de blocos de mistura com diferentes ângulos de deslocamento, o material pode receber ação de cisalhamento várias vezes durante o processo de transporte, garantindo que todos os aglomerados sejam completamente quebrados.
Kerke’s technical team will customize the optimal screw combination scheme according to different pigment types and concentration requirements. For carbon black masterbatch with high dispersion requirements, increase the number of kneading blocks, use 45-degree and 60-degree stagger angle elements to enhance shear strength, and cooperate with toothed mixing elements to improve distribution effect, ensuring that the dispersion grade reaches level 5 or above, which can meet the requirements of film-grade and fiber-grade applications. For heat-sensitive organic pigments, appropriately reduce the shear strength, use 30-degree kneading blocks with milder shear, and control the melt temperature within a safe range while ensuring dispersion effect, to avoid pigment degradation and discoloration.
Na produção real, a resistência à cisalhamento também pode ser ajustada de forma flexível, alterando a velocidade do parafuso e a taxa de alimentação, para se adaptar a diferentes fórmulas de produto. O sistema de controle em loop fechado garante a estabilidade dos parâmetros do processo, evita flutuações na resistência à cisalhamento causadas por alterações de velocidade e pressão e assegura a consistência do efeito de dispersão entre diferentes lotes.
3.2 Garantir a consistência de cor entre lotes com controle de alta precisão
O extrusor de dois parafusos resolve o problema da diferença de cor a partir de dois aspectos: a proporção exata dos ingredientes e as condições de processo estáveis. Em primeiro lugar, está equipado com um sistema de alimentação de perda de peso de alta precisão. Cada componente, incluindo a resina principal, o pigmento, o dispersante, o lubrificante e outros aditivos, é medida individualmente por um alimentador de perda de peso dedicado. A precisão de alimentação pode chegar a ±0,2%, garantindo que a proporção de cada componente siga estritamente os requisitos da fórmula e não cause flutuações de cor devido à desvio da proporção. O sistema de alimentação e a velocidade do host estão ligados. Quando a velocidade do host é ajustada, a quantidade de alimentação de cada alimentador é automaticamente ajustada proporcionalmente, sempre mantendo a estabilidade da proporção da fórmula.
Em segundo lugar, todo o processo de extrusão adota um controle de precisão em loop fechado. A temperatura de cada zona do tambor é controlada independentemente por PID, com uma precisão de controle de ±0,5 ℃, garantindo que o estado de fusão e a viscosidade do material em cada estágio sejam estáveis. A pressão do fundido e a temperatura do fundido na cabeça do matriz são monitorizadas em tempo real. Quando ocorre flutuação de pressão, o sistema ajustará automaticamente a velocidade do parafuso e a taxa de alimentação para manter o estado de extrusão estável. Condições de processo estáveis garantem um histórico consistente de cisalhamento e calor dos materiais por unidade de tempo, o que mantém estável o grau de dispersão do pigmento e o desempenho final da cor.
Kerke’s control system has a powerful formula storage function, which can store more than 100 sets of production formulas. Each formula records all process parameters including temperature of each zone, screw speed, feed rate, vacuum degree, etc. When producing the same product again, you only need to call the corresponding formula with one click, and the system will automatically set all parameters, avoiding errors caused by manual setting. This design greatly shortens the commissioning time during product changeover, and more importantly, ensures that the process conditions of each batch are completely consistent, controlling the inter-batch color difference Delta E within 0.5, far exceeding the industry average level.
3.3 Obter uma dispersão uniforme de sistemas com alto teor de enchimento, através de um projeto de processo otimizado
For high-filler masterbatch systems, twin screw extruders solve the dispersion problem through targeted structural and process design. First, the high-torque gearbox design provides sufficient power output, which can ensure stable operation under high-fill and high-viscosity working conditions, and will not have overload tripping or unstable discharge. Kerke’s KTE series extruders adopt hard-tooth surface gearboxes with high torque density, and the torque level reaches the international advanced level, which can easily handle various high-fill formulas.
Em segundo lugar, é adotada a tecnologia de alimentação lateral. O enchimento é adicionado pela porta de alimentação lateral após a resina principal ser completamente derretida, em vez de ser adicionado juntamente com a resina pela porta de alimentação principal. Esta configuração evita o problema de pontes de material e deslizamento causado pela entrada de uma grande quantidade de pó na seção de alimentação ao mesmo tempo e garante a transportação estável dos materiais. Mais importante ainda, a resina fundida pode envolver completamente as partículas de enchimento após a entrada, o que é mais propício à humedade e dispersão do enchimento e evita o problema de dispersão inadequada causado pela aglomeração de pó seco. Para masterbatch de enchimento ultra-alto, com conteúdo de enchimento superior a 80%, também é possível configurar alimentação lateral em várias etapas para adicionar enchimentos em lotes, garantindo uma dispersão uniforme.
Em termos de proteção contra desgaste, a Kerke oferece opções de parafusos e tambores bimetálicos. A parede interna do tambor e a superfície do dente do parafuso são revestidas com uma liga de carburo de tungstênio à base de níquel, com uma dureza superficial de HRC 62-66, o que melhora significativamente a resistência ao desgaste. O tempo de vida útil é de 3 a 5 vezes superior ao de tambores de parafusos nitridados comuns, o que é muito adequado para a produção de masterbatch com alto teor de preenchimento. Embora o investimento inicial na configuração bimetálica seja um pouco maior, isso pode reduzir significativamente a frequência de substituição de peças de reposição e manutenção de parada, e o custo de uso a longo prazo é menor.
3.4 Minimização da degradação térmica por meio de uma distribuição de tempo de permanência estreita
O extrusor de dois parafusos pode reduzir de forma eficaz a degradação térmica de materiais sensíveis ao calor, principalmente devido à sua distribuição estreita do tempo de permanência e ao controle preciso da temperatura. O modo de transporte de deslocamento positivo faz com que o tempo de permanência de maioria dos materiais no cilindro seja muito concentrado, geralmente entre 30 segundos e 2 minutos, o que pode ser ajustado de acordo com as exigências do processo. Não haverá situação em que alguns materiais permaneçam na zona de alta temperatura por um longo período, como acontece nos extrusores de um parafuso, o que reduz significativamente a probabilidade de degradação térmica dos materiais.
Ao mesmo tempo, através de um design razoável da combinação de parafusos, a geração de calor por cisalhamento pode ser controlada com precisão. Para materiais sensíveis ao calor, reduza o número de elementos de cisalhamento fortes, aumente adequadamente a distância entre os parafusos, diminua o tempo de permanência do material e controle a temperatura do derretimento dentro do intervalo seguro de processamento. O sistema de controle de temperatura independente em várias etapas pode definir com precisão a temperatura de cada seção funcional. Na seção de mistura, a temperatura é adequadamente aumentada para reduzir a viscosidade do derretimento e melhorar o efeito de dispersão; na seção de homogeneização e de exaustão, a temperatura é adequadamente reduzida para evitar a degradação do material; na seção da cabeça do matriz, a temperatura é mantida estável para garantir uma descarga uniforme.
The efficient vacuum degassing system can timely extract the small molecule volatile substances and residual monomers generated by degradation, avoid them remaining in the product to form bubbles and pores, and also reduce the risk of product discoloration. For food contact grade masterbatch, efficient degassing can also ensure that the product meets relevant safety standards and reduces the migration of harmful substances. Kerke’s equipment can be configured with 2-3 stages of vacuum exhaust ports, which are respectively set in the middle and rear sections of the barrel to achieve step-by-step degassing and ensure sufficient removal of volatile substances.
3.5 Redução dos resíduos de mudança com um desempenho de auto-limpeza excelente
A estrutura de dois parafusos estreitamente interligados possui uma excelente capacidade de auto-limpeza. Durante a rotação dos dois parafusos, a rotação de um parafuso pode retirar o material aderido à superfície do outro parafuso e à parede interna do tambor, por isso, não há praticamente nenhum ângulo morto de retenção de material no canal de fluxo inteiro. Ao alterar os materiais e as cores, apenas uma pequena quantidade de material de limpeza é necessária para rapidamente remover os materiais residuais do equipamento, e a eficiência de limpeza é muito maior do que a dos extrusores de um parafuso.
According to the actual use feedback of customers, Kerke’s twin screw extruder takes about 30-60 minutes to change a conventional color, and consumes 10-30 kg of cleaning material, which reduces the cleaning time by more than 60% and the cleaning material consumption by more than 70% compared with ordinary equipment. For enterprises that frequently change products, they can save thousands of dollars in raw material waste costs every year, and at the same time greatly improve production efficiency and increase effective production time.
Para cenários que exigem frequentes alterações de cor e rigorosos requisitos de prevenção da poluição, a Kerke também oferece um design de tanque de abertura rápida. A metade superior do tanque pode ser aberta rapidamente, o que é conveniente para uma limpeza completa manual da porca e da parede interna do tanque. Ao mudar produtos com grandes diferenças de cor, como de preto para branco, a limpeza completa pode ser concluída em pouco tempo para evitar a contaminação cruzada de cores. O design modular da porca também facilita a rápida substituição de elementos da porca ao mudar tipos de produtos com grandes diferenças, reduzindo ainda mais o tempo de mudança.
4. Extrusor duplo de parafusos Kerke KTE Series: desenvolvido para excelência na produção de masterbatch
4.1 Design modular de parafusos e barril para máxima flexibilidade
Os extrusores de parafusos gêmeos co-rotantes da série KTE adotam um design totalmente modular, que permite ajustar flexibilmente a configuração dos parafusos e a estrutura do cilindro de acordo com as fórmulas de produtos e as exigências do processo. O parafuso é montado por vários elementos funcionais no eixo central, incluindo elementos de transporte, elementos de amassamento, elementos de mistura dentados, elementos de transporte reverso, etc. Cada elemento possui especificações diferentes e pode ser combinado livremente. Por exemplo, os elementos de transporte com diferentes distâncias entre eles podem ajustar a velocidade de transporte e o tempo de permanência do material; os blocos de amassamento com diferentes ângulos de deslocamento podem fornecer diferentes forças de cisalhamento.
O tambor também adota uma estrutura modular segmentada, e o número de seções pode ser aumentado ou diminuído de acordo com as exigências do processo. Portas de alimentação, portas laterais de alimentação, portas de exaustão, portas de vácuo, etc., podem ser configuradas em diferentes posições do tambor para atender às diferentes necessidades do processo. Este design altamente modular permite que um dispositivo se adapte à produção de vários tipos diferentes de produtos de masterbatch. Por exemplo, ao produzir masterbatch de cor, é adotada uma combinação de parafusos que se concentra na dispersão; ao produzir masterbatch de enchimento, é configurada uma porta de alimentação lateral e um tambor de parafusos resistentes ao desgaste; ao produzir masterbatch funcional, são adotadas configurações de exaustão em várias etapas e de cisalhamento suave. As empresas não precisam comprar vários equipamentos diferentes, o que melhora consideravelmente a utilização dos equipamentos e reduz os custos de investimento repetidos.
Em termos de seleção de materiais, o parafuso e o cilindro da configuração padrão são feitos de aço estrutural de liga 38CrMoAlA de alta qualidade, que é tratado por nitretação global. A profundidade de nitretação atinge 0,5-0,8 mm, e a dureza da superfície atinge HV800-1000, o que oferece boa resistência ao desgaste e à corrosão e pode atender às necessidades de produção de fórmulas convencionais. Para condições de trabalho de alto desgaste, como masterbatch de alta carga e materiais reforçados com fibra de vidro, são disponibilizadas opções de parafuso e cilindro bimetálicos. A parede interna do cilindro e a superfície do parafuso são soldadas por pulverização com liga resistente ao desgaste, que possui maior resistência ao desgaste e uma vida útil 3-5 vezes maior do que a configuração de nitretação.
4.2 Sistema de controle de alta precisão para produção em massa estável
Os extrusores da série KTE estão equipados com um sistema de controle PLC de classe industrial e uma interface humano-máquina de tela táctil de grande tamanho, com uma interface intuitiva e fácil de operar. Todos os parâmetros do processo podem ser configurados e monitorizados na tela, incluindo a temperatura de cada zona, a velocidade do parafuso, a taxa de alimentação, a pressão de fusão, a temperatura de fusão, o torque, o grau de vácuo, etc. O sistema possui uma função perfeita de autodiagnóstico de falhas, que permite monitorar o estado de operação dos equipamentos em tempo real. Quando ocorrem condições anormais, como sobreaquecimento, sobrepressão, sobrecarga e temperatura do óleo acima do normal, o sistema envia automaticamente um alerta sonoro e luminoso, e exibe a causa da falha e as sugestões de tratamento na tela, ajudando os operadores a diagnosticar rapidamente os problemas e reduzir o tempo de inatividade.
O sistema de controle suporta uma ampla expansão de funções. Pode ser conectado ao sistema de alimentação por perda de peso, ao sistema de granulação subaquática, ao sistema de embalagem automática e a outros equipamentos auxiliares, para realizar o controle de ligação de toda a linha de produção. Para bases de produção de grande escala, suporta funções de rede, pode ser conectado ao sistema MES da empresa e carregar dados de produção em tempo real, para realizar a gestão centralizada e a rastreabilidade da qualidade de várias linhas de produção. Todos os dados de produção podem ser armazenados e exportados, o que é conveniente para as empresas realizarem estatísticas de produção e análise da qualidade.
For customers who need remote technical support, the equipment can be equipped with a remote diagnosis module. With the authorization of the customer, Kerke’s after-sales engineers can remotely connect to the equipment control system, view the operation parameters and fault information, and solve most operation and process problems online, greatly improving the after-sales response speed and reducing the customer’s downtime loss. Especially for overseas customers, remote diagnosis can save the time cost of on-site service and quickly solve production problems.
3.3 Equipamento auxiliar completo para soluções "chave na mão
A Kerke pode fornecer uma solução completa de linha de produção de masterbatch, incluindo todo o equipamento auxiliar necessário, além do extrusor principal, para garantir a entrega "chave na mão". Os clientes não precisam comprar equipamentos de vários fornecedores separadamente, evitando o problema de incompatibilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes, e o serviço pós-venda posterior é mais garantido.
O sistema de alimentação pode ser configurado com alimentador de vácuo automático, alimentador de dosagem, alimentador de perda de peso, etc., de acordo com as necessidades. Para fórmulas com vários componentes, vários alimentadores podem ser configurados para alimentação simultânea, garantindo uma proporção precisa. O sistema de granulagem oferece diversas opções: o sistema de granulagem de fio é o mais utilizado, com estrutura simples e operação conveniente, adequado para a maioria dos produtos convencionais de masterbatch; a granulagem por face de matriz refrigerada a ar é adequada para materiais com baixa viscosidade e fácil adesão; o sistema de granulagem submerso é adequado para produtos de alta qualidade com altos requisitos de aparência das partículas, produzindo partículas esféricas com aparência bonita e boa fluidez.
Outros equipamentos auxiliares incluem tanque de água de resfriamento, secador de ar, tela vibratória, silo de armazenamento, máquina de embalagem automática, etc. Todos os equipamentos auxiliares e o host estão ligados a uma velocidade, e a velocidade de operação se ajusta automaticamente à saída do host, garantindo a estabilidade de toda a linha de produção. Para linhas de produção com altos requisitos de automação, é possível realizar controle centralizado. Todas as operações dos equipamentos são concluídas na tela de controle principal, reduzindo o número de operadores e melhorando a eficiência da produção.
4.4 Sistema global de serviço pós-venda e suporte técnico
Kerke has always adhered to the service concept of customer first, and has established a comprehensive global after-sales service system to provide customers with full-cycle technical support. After the equipment is delivered, professional engineers will be arranged to guide the installation and commissioning on site, be responsible for the equipment to reach the designed production capacity and quality indicators, and conduct systematic operation and maintenance training for the customer’s operators and maintenance personnel. The training content includes equipment operation specifications, process parameter adjustment, daily maintenance methods, common fault judgment and treatment, etc., to ensure that customers can independently and normatively use the equipment for production after the engineers leave.
Toda a máquina do equipamento Kerke beneficia de uma garantia gratuita de um ano, e componentes principais, como a caixa de engrenagens, têm um período de garantia mais longo. Durante o período de garantia, se houver um problema de qualidade, são fornecidos reparos gratuitos e a substituição de peças. Após o período de garantia, é fornecido suporte técnico vitalício e fornecimento preferencial de peças de reposição. A empresa possui um grande armazém de peças de reposição, e peças de desgaste comuns, como anéis de aquecimento, selos, sensores e lâminas de corte, podem ser entregues rapidamente, reduzindo o tempo de espera dos clientes.
In addition to equipment maintenance services, Kerke also provides process technical support. When customers develop new products or adjust formulas, they can get professional guidance from Kerke’s technical team, including screw combination optimization suggestions, process parameter setting guidance, etc. Customers can also send raw materials to Kerke’s laboratory for trial production experiments. The laboratory is equipped with small and medium-sized test extruders, which can simulate mass production conditions, help customers determine the optimal process plan, reduce trial and error costs, and shorten the new product launch cycle.
5. Análise do custo e do retorno sobre o investimento em uma extrusora de masterbatch Kerke
5.1 Desdobramento do investimento inicial por modelo
Os extrusores de parafusos gêmeos da série KTE da Kerke disponibilizam uma variedade de modelos para escolha, correspondentes a diferentes intervalos de saída e cenários de aplicação. A seguir está a faixa de preços da configuração padrão para referência, e a cotação específica será ajustada de acordo com as exigências de configuração reais.
O modelo KTE-35 possui um diâmetro de parafuso de 35 mm e uma relação comprimento/diâmetro de 40:1. A saída varia de 30 kg/h a 80 kg/h. É adequado para laboratórios e&D, produção em pequenas séries de várias variedades e empresas em fase de criação. O preço FOB de Shanghai para o mainframe padrão varia entre 35.000 e 55.000 dólares americanos. O investimento total na linha de produção completa, incluindo o sistema de alimentação, o sistema de granulagem de fios, o tanque de água de resfriamento, a tela vibratória e outros equipamentos auxiliares, é de cerca de 45.000 a 70.000 dólares americanos.
O modelo KTE-65 possui um diâmetro de parafuso de 65 mm e uma relação comprimento/diâmetro de 40:1. A produção varia de 100 kg/h a 300 kg/h. É o modelo de produção em massa mais comum, adequado para empresas de produção de masterbatch de pequeno e médio porte. O preço FOB de Shanghai do quadro principal padrão varia entre 80.000 dólares americanos e 120.000 dólares americanos. O investimento total da linha de produção completa é de cerca de 100.000 dólares americanos a 150.000 dólares americanos. Se configurada com alimentador lateral, barril de parafuso bimetálico, sistema de granulação subaquática e outras configurações de alto nível, o preço aumentará de acordo.
O modelo KTE-75 possui um diâmetro de parafuso de 75 mm e uma relação comprimento/diâmetro de 40:1. A produção varia de 300 kg/h a 600 kg/h. É adequado para empresas de produção em massa de grande escala, com uma única variedade e grande volume de encomendas. O preço FOB de Shanghai do chassi padrão varia entre 130.000 e 180.000 dólares americanos. O investimento total da linha de produção completa é de cerca de 160.000 a 220.000 dólares americanos. Para necessidades de produção em maior escala, existem os modelos KTE-95 e KTE-110, com maior produção e correspondente aumento de preço.
In addition to the equipment itself, customers also need to reserve 3% to 5% of the equipment price as the initial spare parts reserve, and prepare the plant, power supply, cooling water and other supporting facilities. Kerke’s quotation includes standard installation, commissioning and training services, and customers do not need to pay additional service fees.
5.2 Cálculo dos custos operacionais anuais
Tomando como exemplo a linha de produção de configuração padrão KTE-65 mais utilizada, o custo operacional anual é calculado com base em 7200 horas de operação anual (300 dias, 24 horas por dia) para produzir um masterbatch de PE preto comum com 30% de conteúdo de fuligem.
Raw material cost is the largest part of the total cost. Calculated based on an average output of 200kg/h, the annual output is 1440 tons. The average price of raw materials is calculated at 1200 US dollars per ton, and the annual raw material cost is about 1,728,000 US dollars. Kerke’s equipment has a high product qualification rate, which can reach more than 99%, far higher than the industry average of 95% to 97%. Only reducing scrap can save tens of thousands of dollars in raw material costs every year.
Electricity cost is the main energy expenditure. The total installed power of the complete production line is about 180kW, and the actual average operating power is about 110kW. Calculated at an industrial electricity price of 0.1 US dollars per kWh, the annual electricity cost is about 79,200 US dollars. Thanks to the servo energy-saving drive system and high-efficiency ceramic heating ring, Kerke’s equipment saves 25% to 30% energy compared with traditional extruders of the same specification, and can save about 20,000 to 30,000 US dollars in electricity bills every year.
Custo de mão-de-obra: Uma linha de produção só precisa de 2 operadores por turno e um total de 6 operadores para três turnos. Calculado com base em um salário médio anual de 6.000 dólares americanos por pessoa, o custo anual de mão-de-obra é de 36.000 dólares americanos. Se for uma linha de produção altamente automatizada, o número de operadores pode ser ainda mais reduzido.
Custo de manutenção e peças de reposição: Em condições de uso padrão e manutenção padronizada, o custo anual de manutenção é de cerca de 4% do preço do equipamento, ou seja, cerca de 4.000 a 5.000 dólares americanos, principalmente para a substituição de peças de desgaste, como anéis de aquecimento, selos e lâminas de corte. Se for selecionado um tambor de parafuso bimetálico, o tempo de vida útil dos componentes principais pode chegar a mais de 5 anos, e o custo anual de depreciação médio é menor.
Despesas com a fábrica e outras despesas diversas: Uma linha de produção, mais uma área para armazenamento de matérias-primas e produtos acabados, requer cerca de 300 metros quadrados de fábrica. Calculando-se um aluguel de 5 dólares americanos por metro quadrado por mês, o aluguel anual é de 18.000 dólares americanos. Além dos custos de água, de ar comprimido, das taxas de gestão e de outras despesas, cerca de 5.000 dólares americanos por ano.
Em resumo, excluindo os custos de matérias-primas, o custo operacional anual é de cerca de 142.200 dólares americanos. Incluindo os custos de matérias-primas, o custo operacional anual total é de cerca de 1.870.200 dólares americanos.
5.3 Projeção de receitas e período de amortização do investimento
Calculado com base na produção de masterbatch preto de PE comum, o preço de fábrica do produto é de cerca de 1450 dólares americanos por tonelada, e o lucro bruto por tonelada (excluindo os custos de matérias-primas) é de cerca de 250 dólares americanos. Com uma produção anual de 1440 toneladas, o lucro bruto anual é de cerca de 360.000 dólares americanos. Após a dedução dos custos operacionais, além dos custos de matérias-primas (eletricidade, mão-de-obra, manutenção, aluguel, etc.), o lucro líquido anual antes de impostos é de cerca de 217.800 dólares americanos.
Calculado com base no investimento total de 120.000 dólares americanos na linha de produção completa, o período de recuperação do investimento estático é de cerca de 0,55 anos, ou seja, cerca de 6,6 meses. Mesmo considerando fatores como a utilização insuficiente da capacidade e as flutuações dos preços das matérias-primas, calculado com base em uma utilização da capacidade de 70%, o lucro líquido anual é de cerca de 130.000 dólares americanos e o período de recuperação do investimento é inferior a 12 meses.
Se se produzirem produtos de alto valor agregado, como pigmentos orgânicos, masterbatch retardadores de chama, masterbatch biodegradáveis, etc., o lucro por tonelada será maior. Tomando o masterbatch funcional como exemplo, o lucro bruto por tonelada pode chegar a 500 a 800 dólares americanos, e o período de recuperação do investimento será mais curto, geralmente de 3 a 5 meses. Pode-se ver que investir na produção de masterbatch em extrusora de dois parafusos é um projeto com alto retorno sobre o investimento e curto período de recuperação.
