+7 980 743 8008 ; +7 9997998008

 

РЕМОНТ ШНЕКОВ ЭКСТРУДЕРОВ РЕЦИКЛИНГА ПОЛИМЕРОВ

Новости


 
 14.03.2016 13:56 
 

14.03.2016. На нашем сайте, открыт форум: Ремонт и восстановление экструзионных шнеков и шнековых пар,делимся опытом, слушаем советы, даем свои, конструктивные обсуждения.Предлагаем услуги.

подробнее...

 
 23.04.2009 18:46 
 

Открытие нашего официального сайта.

Заходите к нам постоянно! На этой странице вы всегда сможете, узнать, что нового появилось на нашем сайте.

подробнее...

  Раздел ведет, старший научный сотрудник, кандидат технических наук   Луцук Олег Александрович  г. Красноармейск Московская область.

 

Устройство экструдера


По устройству и принципу работы основного узла, продавливающего расплав в головку, экструдеры подразделяются на шнековые, бесшнековые и комбинированные.
Основным оборудованием для переработки пластмасс методом экструзии служат шнековые машины, называемые также червячными прессами.
В отдельных случаях переработки пластмасс применяются бесшнековые, или дисковые, экструдеры, в которых рабочим органом, продавливающим расплав в головку, является диск особой формы. Движущая сила, продавливающая расплав, создается в них за счет развития в расплаве нормальных напряжений, направленных перпендикулярно касательным (совпадающим с направлением вращения диска). Дисковые экструдеры применяются, когда необходимо получить улучшенное смешение компонентов смеси. Из-за невозможности развивать высокое давление формования такие экструдеры применяются для получения изделий с относительно невысокими механическими характеристиками и небольшой точностью геометрических размеров.
Комбинированные экструдеры имеют в качестве рабочего органа устройство, сочетающее шнековую и дисковую части, и называются червячно-дисковыми. Применяются для обеспечения хорошего смесительного эффекта, особенно при переработке композитов. На них перерабатываются расплавы пластмасс, имеющие низкую вязкость и достаточно высокую эластичность.
Шнековые экструдеры могут быть различных типов: одно- и двухшнековые; одно- и двухступенчатые; универсальные и специализированные; с осциллирующим (вдоль оси) и одновременно вращающимся шнеком; с зоной дегазации и без нее; с вращением шнеков в одну и в противоположные стороны, и т. п.
Наиболее простым является одношнековый экструдер без зоны дегазации (рис. 1). Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и формующая головка. В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различным характером изменения глубины h нарезки по длине шнека (рис. 2).


Рис. 1. Схема одношнекового экструдера: 1- бункер; 2- шнек; 3- цилиндр; 4- полость для циркуляции воды; 5- нагреватель; 6- решетка с сетками; 7- формующая головка; /, //, ///- технологические зоны (пояснения в тексте).


Рис. 2. Основные типы шнеков: а- шнек общего назначения с тремя (/, //, III) геометрическими зонами; б- шнек для переработки высококристаллических полимеров (в- шнек для экструзии ПВХ; D- наружный диаметр; L- длина (технологическая) шнека; h- глубина нарезки шнека
В зависимости от вида выпускаемого изделия применяют либо коротко-, либо длинношнековые машины, т. е. с малым или большим отношением длины L к диаметру D шнека (L/D) (рис. 2). Значения D и L/D являются основными характеристиками одношнекового экструдера. Параметрический ряд отечественных экструдеров построен по диаметрам шнека: D = 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320 мм. В наименовании типоразмера пресса указываются D и L/D. Например, ЧП-45х20 означает следующее: ЧП- червячный пресс, D = 45 мм, L/D =20.
Процессы, происходящие при экструзии
Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах (см. рис. 2): питания (I), пластикации (II), дозирования расплава (III), а затем продвижения расплава в каналах формующей головки.
Деление шнека на зоны I-III осуществляется по технологическому признаку и указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурно-скоростного режима процесса и других факторов начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участка в другой. Цилиндр также имеет определенные длины зон обогрева. Длина этих зон определяется расположением нагревателей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека I-III и зон обогрева цилиндра могут не совпадать. Для обеспечения успешного перемещения материала большое значение имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства, находящегося под воронкой бункера.
Рассмотрим поведение материала последовательно на каждом этапе экструзии.
Загрузка сырья. Исходное сырье для экструзии, подаваемое в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Последний вид сырья характерен для переработки отходов промышленного производства пленок и осуществляется на специальных экструдерах, снабженных принудительными питателями-дозаторами, устанавливаемыми в бункерах. Равномерное дозирование материала из бункера обеспечивает хорошее качество экструдата.
Переработка полимера в виде гранул- наилучший вариант питания экструдера. Это объясняется тем, что гранулы полимера меньше склонны к "зависанию", образованию пробок в бункере, чем порошок.
Порошкообразный материал может слёживаться в процессе хранения и транспортировки, в том числе и при прохождении через бункер. Гранулированный материал в отличие от порошка имеет постоянную насыпную массу. Загрузка межвиткового пространства под воронкой бункера происходит на отрезке длины шнека, равном (1 - 1,5)D. При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы: шнековые (объемные), вибрационные, весовые и т. п. Если при применении порошкообразных материалов последние имеют непостоянную сыпучесть, то в бункерах образуются "своды", зависающие на стенках бункера. Питание шнека материалом прекращается. Для устранения этого необходимо в бункер помещать ворошители. Сыпучесть материала зависит в большой степени от влажности: чем больше влажность, тем меньше сыпучесть. Поэтому материалы должны быть вначале подсушены.
Для увеличения производительности машины гранулы можно предварительно подогреть. Применяя приспособления для принудительной подачи материала из бункера на шнек, также удается существенно повысить производительность машины (в 3-4 раза). При уплотнении материала в межвитковом пространстве шнека вытесненный воздух выходит обратно через бункер. Если удаление воздуха будет неполным, то он останется в расплаве и после формования образует в изделии полости. Это является браком изделий.
Изменение уровня заполнения бункера материалом по высоте также влияет на полноту заполнения шнека. Поэтому бункер снабжен специальными автоматическими уровнемерами, по команде которых происходит загрузка бункера материалом до нужного уровня. Загрузка бункера экструдера осуществляется при помощи пневмотранспорта.
Питание шнека зависит от формы частиц сырья и их плотности. Гранулы, полученные резкой заготовки на горячей решетке гранулятора, не имеют острых углов и ребер, что способствует их лучшей сыпучести. Гранулы, полученные холодной рубкой прутка-заготовки, имеют острые углы, плоское сечение среза, что способствует их сцеплению и; как следствие, худшей сыпучести. При длительной работе экструдера возможен перегрев цилиндра под воронкой бункера и самого бункера. В этом случае гранулы начнут слипаться и прекратится их подача на шнек. Для предотвращения перегрева этой части цилиндра в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды (см. рис. 1, поз. 4).
Зона питания (I). Поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое пространство шнека зоны I и уплотняются. Уплотнение и сжатие гранул в зоне I происходит, как правило, за счет уменьшения глубины нарезки h шнека. Продвижение гранул осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о внутреннюю поверхность корпуса цилиндра и о поверхность шнека. Поскольку поверхность контакта полимера с поверхностью шнека больше, чем с поверхностью цилиндра, необходимо уменьшить коэффициент трения полимера о шнек, так как в противном случае материал перестанет двигаться вдоль оси шнека, а начнет вращаться вместе с ним. Это достигается повышением температуры стенки цилиндра (нагревом) и понижением температуры шнека (охлаждением водой в зоне I). В зоне I вследствие большого внешнего и внутреннего трения выделяется тепло, которое также расходуется на нагрев материала. В эту же зону подается тепло от нагревателей, расположенных по периметру цилиндра. Иногда количество выделяющегося при внутреннем трении тепла может быть достаточным для плавления полимера, и тогда нагреватели отключают. Этот режим называется адиабатическим. В подавляющем большинстве случаев процессы по этому принципу не строятся. Если температура цилиндра такова, что начинается преждевременное плавление полимера у его стенки, то материал будет проскальзывать по этой поверхности, т. е. вращаться вместе со шнеком. Поступательное движение материала прекращается. При оптимальной температуре полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом пространстве твердую пробку. Лучше всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют производительность машины, стабильность транспортировки полимера, величину максимального давления и т. д.
С увеличением частоты вращения шнека производительность экструдера должна возрастать в соответствии с уравнением.
Q = arnN, (1)
где Q- производительность машины; r- плотность полимера; n- объем нарезки одного витка шнека; N- частота вращения шнека; a- коэффициент заполнения шнека (0,15-0,50).
Однако точность расчета Q по данному уравнению определяется правильным выбором величины а, которая зависит от формы и размеров частиц исходного полимера (гранулы, порошок) и способа заполнения им межвиткового пространства.
Зона пластикации и плавления (II). В начале зоны II происходит подплавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Расплав постепенно накапливается и воздействует на убывающую по ширине пробку (рис. 3). Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны I к зоне III, то возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.

Рис. 3. Схема плавления пробки материала в зоне II в межвитковом сечении шнека: 1- стенки цилиндра; 2- гребень шнека; 3- потоки расплава полимера; 4- спрессованный твердый полимер (пробка) в экструдере.
В зоне пластикации пробка плавится также и под действием тепла, выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в материале в тонком слое расплава (поз. 3 на рис. 3), где происходят интенсивные сдвиговые деформации,- материал пластицируется. Последнее обстоятельство приводит к выраженному смесительному эффекту. Расплав интенсивно гомогенизируется, а составляющие композиционного материала перемешиваются.
Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых частиц попадает в зону дозирования. Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, которое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге- для выхода сформованного изделия.
Основной подъем давления P расплава происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II- плавящийся. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия.
Зона дозирования (III). Продвижение гетерогенного материала (расплав, частички твердого полимера) продолжает сопровождаться выделением внутреннего тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, что проявляется в окончательном плавлении остатков твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной части. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков, основными из которых являются продольный и циркуляционный. Величина продольного (вдоль оси шнека) потока определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного- качество гомогенности полимера или смешения компонентов. В свою очередь продольный поток складывается из трех потоков расплава: прямого, обратного и потока утечек.

Рис. 4. Эпюры скоростей расплава: а- прямой поток; б- обратный поток; в- результирующий поток; h- расстояние между движущейся (шнек) и неподвижной (цилиндр) поверхностями
На рис. 4 показаны эпюры распределения скоростей прямого (а), обратного (б) и результирующего (в) потоков расплава в межвитковом пространстве шнека. Если бы не было сопротивлений потока (например, при отсутствии сеток и головки), то распределение скоростей V результирующего потока изобразилось бы рис. 4, а, у поверхности шнека V = max, у неподвижной поверхности цилиндра V = 0. Это имело бы место в случае отсутствия сопротивления течению расплава. При наличии сеток, оснастки, трения о поверхность цилиндра и шнека создается обратный поток, или противоток (рис. 4, б). Результирующий поток, изображенный на рис. 4, б, представляет собой сложение эпюр, приведенных на рис. 4, а и б. При отсутствии сопротивления расплава (сняты головка, сетки) давление P чуть больше атмосферного; при максимальном сопротивлении (заглушка вместо головки) P максимально, а величины прямого и обратного потоков равны. Часть материала перетекает в направлении противотока в зазор между гребнем шнека и поверхностью цилиндра. Таким образом, производительность Q экструдера с учетом распределения скоростей различных потоков составляет
Q = Qa - Qb - Qg (2)
где Qa, Qb, Qg- производительности экструдера от прямого потока, противотока и утечек расплава соответственно. В свою очередь, Qa, Qb, Qg зависят от параметров технологии и экструдера:
Q=aN - (b + g)P/h (3)
где N- частота вращения шнека; P-давление на выходе из шнека (в конце зоны III); h- средняя вязкость расплава; - постоянные коэффициенты, зависящие от геометрических параметров шнека.
a = p2D2h sin j cos j/2, b=pDh3sin2j/(12L); g= p2D2d3tg j (10Le),
здесь D- диаметр, L- длина, h- глубина нарезки; j- угол подъема винтовой линии шнека; d- зазор между гребнем и поверхностью цилиндра; е- ширина гребня шнека.
Графическое изображение аналитической зависимости (3) представлено на рис. 5 прямыми 1 и 2. Из рисунка следует, что при отсутствии сопротивлений течению расплава (Р = 0) экструдер работает как винтовой насос с максимальной производительностью Q. Если на выходе из экструдера стоит заглушка, т. е. aN = (b + g)P/h то в нем развивается максимальное давление Р, а Q = 0.

Рис. 5. Зависимость производительности Q от давления Р расплава на выходе из экструдера: 1, 2- характеристики шнека: 3- характеристика головки; а и б - рабочие точки
Анализируя уравнение (3) и значения коэффициентов a, b, g можно проследить влияние геометрических параметров шнека и свойств расплава полимера на производительность Q и характер изменения Q от Р, т. е. угол наклона прямых 1 и 2 на рис. 5. Последнее имеет важное практическое значение. При небольшом колебании DP (см. рис. 5), которое может возникнуть при практической работе, последнее сказывается на величине колебания DQ1 или DQ2. Чем больше DQ, тем больше пульсация расплава, т. е. больше неравномерность во времени скорости и выхода расплава. Это сказывается в первую очередь на разнотолщинности получаемых изделий. Разнотолщинность тем больше, чем выше DQ. Из уравнения (3) легко показать, что при прочих равных, условиях у экструдеров с большим L/D колебания DQ, т.е. пульсация, меньше, чем у экструдеров с меньшим L/D. При равенстве D первый тип экструдера называется длинношнековым, второй- короткошнековым. Кроме того, увеличение L способствует получению расплава более гомогенного, так как время воздействия на него шнека больше, чем в короткошнековых экструдерах. Изделия, получаемые из гомогенного расплава, обладают лучшими свойствами.
Короткошнековые экструдеры имеют L/D = 12-18, длинношнековые L/D > 30. Наиболее распространены экструдеры с L/D = 20- 25.
Течение расплава через сетки и формующую оснастку. Расплав вращающимся шнеком продавливается через решетку, к которой прижаты металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Проходя через систему фильтрующих сеток, порции полимерного расплава с большей вязкостью задерживаются на сетках. Этого времени должно хватить для того, чтобы порция расплава достигла нужной температуры. Сверхвысокомолекулярные фракции полимера и различные примеси задерживаются сетками и через некоторое время они вместе с сеткой удаляются из цилиндра экструдера.
После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (Р = 5,0 - 35 МПа) продавливается в формующую оснастку и, приобретая определенный профиль, выходит практически под очень небольшим избыточным давлением из фильерной части головки.
Кривая 3 на рис. 5 показывает зависимость Q от Р. Количество расплава Qгол, выходящего через головку, можно представить следующим соотношением:
Qгол=К DP/h, (4)
где DP = P - Рвыx- перепад давления в головке (здесь P- давление на входе в головку- конец зоны III, Рвыx- давление на выходе из головки); h- вязкость расплава в головке; К- постоянная, характеризующая сопротивление течению расплава в каналах и формующей части головки.
Если в головке имеется только один цилиндрический канал, например для изготовления прутка, то <b>К = pRн4/(8lф),</b> а уравнение (4) преобразуется в известное уравнение Пуазейля. Для головки с плоской формующей щелью
= wdщ/(12lф),
с кольцевой
К = p(Rн + Rв)(Rн - Rв)3/(12lф),
где Rн- наружный радиус щели; Rв- внутренний радиус щели; w- ширина щели; dщ- толщина щели; lф- длина плоской формующей части щели;
Таким образом, из трех основных форм сечений головок можно рассчитать К головки, состоящей из их сочетаний.
Для получения качественных изделий необходимо, чтобы заключительный отрезок пути расплав перемещался некоторое время при постоянной длине lф и толщине dщ калибруемой формующей части (рис. 6). В этом случае происходит наиболее полное выравнивание скоростей движения расплава, проходят релаксационные процессы, ликвидируется пульсация и т. д. Чем длиннее lф (больше lф/dщ), тем меньше пульсация расплава. В зависимости от типа выпускаемого изделия и требований к точности его размеров значения lф/dщ, находятся в пределах 20-60.

Рис. 6. Схема листовальной головки: D- ширина (диаметр) подводящего канала от экструдера; w•- ширина формующей щели; l0, l1- длины пути расплава; lф --длина плоской формующей части щели; dщ- толщина формующей щели
Работа экструдера в сочетании с головкой. Поскольку экструдер работает вместе с головкой, то и производительность его находится путем совместного решения уравнений (3) и (4) или графически (рис. 5) как точка пересечения прямых 1 или 2 с прямой 3. Точки а и б пересечения называются рабочими точками.
Упрощенный аналитический расчет Q машины с одним шнеком, уменьшающейся глубиной нарезки канала шнека, с учетом сеток и головки можно производить по формуле
Q = aKN/(a + b + g), (5)
где Q- производительность, см3/мин; a + b + g- постоянные прямого и обратного потоков и потока утечек, см3; К- постоянная головки, сеток, решетки, см3. Для различных головок К различна и рассчитывается по соответствующим формулам общего вида:
K=1/S(1/Ki), (6)
где Кi - коэффициент сопротивления каждого из элементов головки, сеток и решетки.
Реальные зависимости Q - P (см. рис. 5) не являются прямолинейными. Зоны экструдера, формующей оснастки имеют различный внешний обогрев, кроме того, в зависимости от интенсивности вращения шнека в расплаве выделяется разное количество тепла. Поэтому такие важнейшие характеристики, как вязкость и плотность расплава зависят от температуры и не являются строго постоянными Эти и другие факторы ведут к отклонению зависимостей (3) и (4) от прямолинейности.
Основные параметры процесса экструзии. К технологическим параметрам относятся температура переработки полимера, давление расплава, температура зон головки и температурные режимы охлаждения сформованного экструдата.
Основными технологическими характеристиками экструдера являются L, D, L/D, скорость вращения шнека N, геометрический профиль шнека степень изменения объема канала шнека.
Основной характеристикой формующей оснастки (вместе с фильтрующими сетками) является коэффициент сопротивления течению расплава K. Перепад давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивления сеток и, следовательно, сигналом к их замене.
Показателем работы экструдера является его эффективность- отношение производительности к потребляемой мощности.

ПЛЕНОЧНЫЕ ЭКСТРУДЕРЫ

На выходе у пленочного экструдера необходимо иметь равномерно прогретый расплав продукта переработки, подаваемый с постоянной скоростью под давлением, достаточным для его продавливания через фильтр и формирующие рукав устройства (узел вращения, спиральный дорн-раздатчик и калибрующий кольцевую щель дорн - насадок с фильерой). Давление и вязкость расплава достаточно велики, чтобы пренебречь утечками от противодавления в зазор между гребнем винта и цилиндром. Поэтому зону дозирования в экструдере можно рассматривать в качестве жидкостного насоса, у которого подача на один оборот шнека равна половине объема витка (в контакте с поверхностью шнека расплав неподвижен, а у стенки цилиндра его скорость максимальная). Такой насос имеет жесткую расходную характеристику.
В зоне загрузки шнек забирает из бункера гранулы продукта переработки, работая как насос с мягкой расходной характеристикой, у которого подача равна объему витка на один оборот (сцепление гранул с поверхностью шнека невелико).
При равенстве шагов винтовой нарезки на входе и выходе стабильную работу экструдера обеспечивает соотношение объемов витков, оцениваемое коэффициентом компрессии К = 2ρ, где ρ - отношение насыпной плотности гранул к плотности расплава (для ПЭНП плотность гранулята равна 0,7г/куб.см, а расплава 0,8г/куб.см.
Если коэффициент компрессии больше 2ρ, увеличивается составляющая нагрева от внутреннего трения гранул и возникает адиабатическая составляющая нагрева от сжатия расплава. Это возможно для аморфных полимеров, затруднительно для полиолефинов с большой долей кристаллической составляющей и недопустимо для пластмасс, склонных к термическому разложению при перегреве. Следует заметить, что нагрев от внутреннего трения гранул и сжатия расплава вызывает дополнительноую нагрузку на привод вращения шнека.
Переход от мягкой характеристики на входе к жесткой на выходе происходит на участке плавления, который в большинстве экструдеров начинается с 5-го витка с шагом винтовой нарезки, равным диаметру шнека. Глубина витка определяет длину этого участка, необходимую для прогрева и плавления гранул. Теплопередача от разогретой гильзы к продукту происходит по границе контакта, а тонкий слой образующегося расплава срезается кромкой гребня винта, задавливается к центру вращения и размазывается по винтовой поверхности шнека. Рассмотрим приемы, позволяющие ускорить плавление гранул.
Изменение шага винтовой нарезки. Уменьшение шага увеличивает длину пути продукта переработки. Объем витка уменьшается и для сохранения требуемого расхода приходится увеличивать число оборотов шнека. При этом растет нагрузка на привод. Увеличение шага сокращает длину пути. Возрастает противоток продукта, улучшая вымешивание по объему витка и теплопередачу от нагретой стенки цилиндра. Нагрузка на привод снижается.
Изменение внутреннего диаметра шнека. Увеличение сокращает объем витка. Гранулы прессуются и теплопередача улучшается. Трение гранул и адиабатическое сжатие расплава вызывают дополнительный нагрев. При этом нагрузка на привод увеличивается. Уменьшение внутреннего диаметра (декомпрессия) способствует перемешиванию продукта в объеме витка. Нагрузка на привод снижается.
Изменение числа витков. В 2-х заходном шнеке с шагом, равном диаметру, улучшается теплопередача, но для сохранения постоянства объема витка приходится уменьшать внутренний диаметр шнека. Увеличение шага при сохранении скорости вращения уменьшает расход потока продукта. Современные технологии изготовления шнека позволяют получать плавное изменение шага и высоты гребня, что открывает новые возможности, например, сепарирования образующегося расплава и накопления его с тыльной стороны гребня винта.
Создание вымешивающих участков. Для достижения однородности получаемого расплава используется участок шнека с развитой поверхностью. Сочетание продольных и поперечных проточек образуют шипы, вымешивающие расплав. Противоток расплава незначителен. Следовательно, такой участок работает в режиме насоса с жесткой расходной характеристикой. Нередко этот участок выполняют в виде привинтной торпеды на конце шнека. Если вымешивающий участок состоит из каналов, вытянутых вдоль оси с возможностью перетекания через щелевой зазор, то образующийся противоток смягчает расходную характеристику. Место такого участка - на стыке зон плавления и дозирования расплава.
Выбор тех или иных конструкторских решений при проектировании шнека для пленочного экструдера обусловлен как теплофизическими свойствами перерабатываемого полимера так и технологическими возможностями его изготовления. Увеличение производительности сопровождается возрастанием нагрузки на шнек, что может снизить его надежность. Возрастают требования к прочности конструкционного материала, упрочняющей обработки рабочей поверхности, ремонтопригодности, обеспечивающей возможности восстановления первоначальной производительности и устранения поломок.

СООТНОШЕНИЕ ОБОРОТОВ ШНЕКОВ И ДОЗАТОРА
«Запуск» экструдера подразумевает комплекс работ, результатом которого является выход из фильеры расплавленного материала. Материал при этом должен достичь «степени нормальной переработки». При запуске конструктивные узлы экструдера подвергается повышенным нагрузкам и износу. В разделе говорится о том, как уменьшить негативные воздействия запуска на станок, приводится пример действий при запуске экструдера с указанием соотношения оборотов шнеков и дозатора, критические параметры процесса запуска и некоторые его особенности.
Соотношение оборотов шнеков и дозатора.
В предыдущих разделах говорилось о том, что для нормальной работы экструдера обороты дозатора надо подбирать таким образом, чтобы в зоне дозирования не было видно шнеков. Однако, во время запуска, для уменьшения нагрузок на главный привод и опорные подшипники шнеков от этого правила можно (и нужно) отступать. Иначе, может возникнуть ситуация, когда при полностью заполненных шнеках, экструдер будет останавливаться из-за срабатывания систем защиты от перегрузок.
Соотношение оборотов шнеков и дозатора, характерные для экструдеров производства автора, не приводятся в этой работе из-за их локальной привязки к конкретным моделям станков. Ниже приведен пример процедуры запуска станка с указанием соотношения оборотов, характерного для указанной модели:
Исходные данные: экструдер KRAUSS MAFFEI 2-50K нагрет до рабочих температур.
Процедура запуска:
• Выполняем «протягивание» болтов крепления на «горячем» экструзионном инструменте.
• Устанавливаем значение оборотов шнека 5, значение оборотов дозатора 8, ждем выхода массы из фильеры постоянно проверяя значения нагрузки на главный привод и давления расплава.
• При выходе материала, добавляем значение оборотов дозатора до соотношения 1/2 (то есть, шнеки 5 об/мин, дозатор 10 об/мин, при этом соотношении шнек «наполнен»).
• С момента начала уменьшения величины давления (об этом подробнее в следующем разделе), плавно увеличиваем значения оборотов шнека и дозатора (совместно) до рабочих значений (берутся из режимных карт производства). При этом контролируем значения нагрузки и давления.
• Проверяем заполнение шнеков и состояние материала в колодцах дегазации. При необходимости , производим корректировку оборотов дозатора.
Во время запуска необходимо постоянно контролировать нагрузку на привод шнеков и давление расплава (нагрузку на опорный подшипник у экструдеров «BAUSANO»). Эти показатели имеют некоторые «критические» значения, превышение которых может привести к различного рода поломкам и сокращению срока службы экструдера.
Обычно, критические значения определяются фирмой-производителем экструдера, реализовываются в виде различных «защит» и «блокировок» от «перегрузок» и могут быть частично изменены с помощью изменения настроек блока управления при наличии соответствующего уровня доступа.
Если вы видите что, на выбранных режимах (оборотах) величины давления и нагрузки приближаются к «критическим», вам необходимо принимать меры (приведены в следующем разделе) к исправлению ситуации.


"КРИТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ".
Каждый экструдер снабжен системами предохранения от перегрузок по давлению расплава, нагрузке на привод, и в случае с «BAUSANO» нагрузке на опорный подшипник. Однако, в силу ряда причин, системы могут не работать как полностью, так и частично. Поэтому, в случаях повышенных нагрузок на элементы экструдера, а это режимы запуска, перехода с дроби на смесь и обратно, НЕОБХОДИМО лично контролировать показания величин указанных параметров.
В общем случае, при запуске станка, при неизменных начальных пусковых оборотах шнека и дозатора, показатели давления и нагрузки на подшипник (если есть) растут до определенного предела, затем начинают уменьшаться (вероятно, с этого момента начинается нормальное плавление материала в цилиндре). Начинать плавно увеличивать обороты шнеков и дозатора до рабочих величин рекомендуется только с момента начала уменьшения значений этих показателей.
В любой момент процесса запуска, при приближении значений давления, нагрузок к «критическим величинам» необходимо прекратить повышение оборотов экструдера. Если показатели продолжают увеличиваться, необходимо уменьшать обороты шнеков (и соответственно, дозатора) до тех пор, пока не прекратится рост значений параметров.После стабилизации значений параметров для достижения требуемой производительности станка, в этом случае рекомендуется:
• перепроверить температурные режимы станка, возможно, существует локальный недогрев каких-либо зон.
• повторить попытку вывода экструдера на рабочие режимы с более плавным увеличением оборотов.
• Если повторная попытка не удалась – рекомендуется повысить температуры зон цилиндра на 5 – 10 С, зоны адаптера на 10 С, зоны фильеры на 5 – 10 С, и снова предпринять попытку повышения оборотов. В случае неудачи и в этом случае, при отсутствии каких-либо видимых предпосылок для возникновения подобной ситуации, рекомендуется сообщить о существующих затруднениях технологу производства, а в случае его отсутствия – прекратить запуск и остановить станок.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ, САМОРАЗОГРЕВ.
Назовем температурным режимом экструдера совокупность установленных значений температур всех зон материального цилиндра станка и температур инструмента. Такой режим может меняться в зависимости от типа используемого сырья, требуемой производительности экструдера, типа установленного инструмента. Правильно подобранный температурный режим экструдера, совместно с правильно установленным соотношением оборотов шнека и дозатора приводит к «нормальному» пластицированию ПВХ.
В приведенной ниже таблице приводятся температурные интервалы зон нагрева одного из экструдеров. Данные интервалы температур характерны только для условий производства автора и могут значительно отличаться в зависимости от модификации станка, применяемого сырья и используемого инструмента.
температуры экструдера AMUT BA67
зона 1 зона 2 зона 3 зона 4 зона 5 шнеки инструмент
145-175 150-180 160-180 170-190 175-195 80-120 175-200
Примечание: Интервалы температур учитывают применение в качестве сырья рецептур на основе ПВХ с индексом от 58 и до 70, а так же «дроби» разного состава. В общем случае, значения температур для сырья на основе ПВХ 58 находятся на нижней границе интервала, а для сырья на основе ПВХ 70 – на верхней. Значения температур для «дроби» могут сильно различаться в зависимости от ее происхождения. При запуске, в качестве начальных, могут быть установлены температуры из середины интервалов.
Необходимо понимать, что указанные величины температур имеют только рекомендательный характер и могут быть изменены в зависимости от ситуации, наблюдаемой в каждой конкретной ситуации. В то же время, к изменению температурных режимов экструдера следует относиться с должной серьезностью, на основе собственного опыта работы с учетом применяемого типа сырья (ПВХ или смесь) и рецептуры смеси (тип смолы, количество стабилизаторов).
Существует прямая взаимосвязь между производительностью экструдера и температурами нагрева цилиндра. При повышении производительности экструдера увеличивается вклад сдвиговых деформаций и сил трения между частицами материала в процесс его пластикации. Другими словами, температура материала в цилиндре начинает увеличиваться за счет тепла, выделяемого при трении частиц материала друг о друга, об шнеки и цилиндр. В этом случае, при недостаточно эффективной системе охлаждения цилиндра, возникает местный перегрев отдельных зон. По этой причине иногда приходится снижать температуры нагрева цилиндров при «разгоне» станков. Здесь необходимо упомянуть и обратную ситуацию: при "разгоне" экструдера иногда отмечается ухудшение степени переработки материала связанная с уменьшением времени его нахождения в разогретом цилиндре. Для такой ситуации требуется увеличение температур экструдера.
В случае, если система охлаждения этих зон не справляется с добавочным выделением тепла, возникает так называемый «саморазогрев» зон цилиндра экструдера. При этом реальные температуры одной или нескольких зон выше установленных значений на несколько градусов (в отдельных случаях – до 20 градусов). Для устранения подобного явления эффективным способом является уменьшение производительности экструдера. «Разгрузка» шнека (уменьшение степени заполнения шнеков материалом) тоже может привести к исправлению ситуации. В случаях если уменьшать производительность экструдера и степень заполнения шнеков не представляется возможным, рекомендуется уменьшить температуры предыдущих зон. Все эти способы можно применять как по отдельности, так и совместно. В любом случае, действуя любым из этих методов, следует избегать «резких» изменений режимов для предотвращения возникновения ситуации, когда материал перестанет перерабатываться.
Как уже упоминалось выше, материал на выходе их экструдера может быть не только «нормально переработан», но так же и «недостаточно переработан» либо «перепластицирован». Оба последних случая могут быть причиной неудовлетворительного качества готового профиля. Ниже приводятся характерные признаки таких состояний материала.

"НЕДОГРЕВ", НЕДОСТАТОЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА МАТЕРИАЛА.
В этом разделе приводятся признаки, позволяющие оценить степень "проработанности" материала на выходе из экструдера. Необходимо понимать, что эти признаки достаточно субъективны, зависят от оператора, руководствоваться ими желательно на основе собственного опыта. В общем случае, ситуация «недостаточной» переработки материала исправляется повышением температур зон экструдера или повышением интенсивности «механической» составляющей в переработку материала за счет увеличения оборотов шнеков и дозатора (увеличением производительности) или за счет увеличения степени заполнения шнеков.
Материал недогрет или «недостаточно переработан», когда:
• Жгут материала расслаивается на отдельные составляющие. Жгут материала легко рвется при растягивании («недостаточная переработка» материала, часто на запуске).
• Надрываются кромки жгута материала («недостаточная переработка» материала, при первоначальном «наполнении» профиля).
• Готовый профиль шероховатый, «сухой» на ощупь (недогрев, нормальный профиль гладкий, слегка «маслянистый» на ощупь)
• Поверхность готового профиля матовая (недогрев, нормальный профиль имеет «небольшой» глянец).
• Материал жгута чрезмерно упругий, при сдавливании быстро восстанавливает форму без оставления следов, отпечатков. Под сдавливанием понимается кратковременное сжатие полки жгута (до калибратора) плоскогубцами или пальцами. (недогрев, возможно «недостаточная переработка», нормальный материал деформируется при сжатии с оставлением отпечатков)
• Отдельные ямки, неглубокие, до 3 мм в диаметре на поверхностях готового профиля, малозаметны. («недостаточная переработка», возможно недогрев, поверхность нормально переработанного материала ровная)
• В колодцах дегазации видно, что материал находится в состоянии порошка или дроби. (недогрев или «недостаточная переработка», в нормальном случае материал должен выглядеть как лента с рваными краями, либо как «сборище комков» или как слипшаяся дробь)
• Поверхность профиля шероховата на ощупь. Данный признак может свидетельствовать так же и о перегреве. При правильных температурных режимах поверхность жгута гладкая.
• Поверхность жгута материала визуально, в просвете между фильерой и калибратором не ровная, видна рябь, мелкие «волны» по поверхности. Этот признак может свидетельствовать как о «недогреве» так и о «перегреве». В любом случае, при «нормальной переработке» материала подобной картины нет.


"ПЕРЕГРЕВ", ИЗБЫТОЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА МАТЕРИАЛА.
Под "перегревом", "перепластикацией" материала понимается чрезмерная переработка сырья в цилиндре экструдера за счет повышенных температуры и сдвиговых деформаций. Перечисленные ниже признаки субъективны, руководствоваться ими желательно на основе собственного опыта. Ситуация «перепластикации» материала в общем случае исправляется понижением температур зон экструдера или понижением интенсивности вклада «механической» составляющей в процесс пластикации материала за счет уменьшения оборотов шнеков и дозатора (уменьшением производительности) или за счет уменьшения степени заполнения шнеков.
Материал перегрет или «перепластицирован», когда:
• Жгут материала вязкий, хорошо вытягивается без порывов. (перегрев, перепластикация)
• В жгуте материала видны «комки», утолщения которые, обычно, не разглаживаются при калибровании. (возможно перегрев, «перепластикация»)
• Материал жгута чрезмерно пластичный, при сдавливании форма жгута не восстанавливается, на поверхности остаются значительные отпечатки которые значительно вытягиваются по направлению экструзии. Под сдавливанием понимается кратковременное сжатие полки жгута (до калибратора) плоскогубцами или пальцами. («перепластикация», возможно перегрев, нормальный материал немного упругий, отпечатки на нормальном материале не растягиваются)
• На поверхности жгута материала вздуваются пузыри, при этом дегазация работает корректно (чистые фильтры и колодцы, вакуум не менее 0,6 бар). (возможно перегрев, «перепластикация», поверхность жгута нормального материала гладкая)
• Материал жгута и готовый профиль имеют желтоватый оттенок. (перегрев, возможно скорое «сгорание» материала если не принимать мер) Признак не распространяется на подоконные смеси без добавления белого красителя (диоксид титана).
• Поверхность профиля, или некоторые ее части, шероховата на ощупь. Данный признак может свидетельствовать так же и о «недогреве». При правильных температурных режимах этого не наблюдается.
• Поверхность жгута материала визуально, в просвете между фильерой и калибратором не ровная, видна рябь, мелкие «волны» по поверхности. Этот признак может свидетельствовать как о «недогреве» так и о «перегреве». В любом случае, при «нормальной переработке» материала подобной картины нет.


ГЛЯНЕЦ НА ПРОФИЛЕ.
Основное влияние на наличие глянца на поверхности профиля, как и качества его поверхности, оказывает сбалансированность рецептуры сырья. Однако, с помощью изменения температур инструмента (фильеры) можно незначительно влиять на данный параметр. Зависимость выглядит следующим образом:
• Для получения глянца необходимо поднимать температуру фильеры вплоть до 210 С (редко, выше). При этом может возникнуть некоторое пожелтение профиля.
• Для устранения глянца можно уменьшать температуру фильеры до 175 С (если обстоятельства позволяют, то и ниже). При этом поверхность профиля становится матовой. Кроме того, возможно возникновение порывов кромок профиля.
При попытках влиять на наличие глянца надо помнить, что получение глянца возможно только при «нормальной переработке» материала в экструдере (см. предыдущие разделы).


ДАВЛЕНИЕ РАСПЛАВА.
Наряду с вязкостью расплава, давление является одним из важнейших параметров, определяющих процесс экструзии. Величина давления расплава (совместно с его вязкостью) определяет характер распределения материала в фильере, оказывает влияние на геометрию готового профиля.
Для получения стабильности при производстве какого-либо профиля, необходимо обеспечить постоянное, повторяющееся от запуска к запуску давление расплава. На практике, добиться подобного постоянства затруднительно. Причины могут быть различны: изменения рецептур сырья и типов смолы, разница в свойствах компонентов сырья, вызванная разными партиями их поставки, производство одного профиля на разных экструзионных линиях.
С помощью изменения температурных режимов экструдера можно некоторым образом влиять на величину давления расплава в процессе производства. Наибольшее влияние на величину давления оказывают температуры адаптера, последних зон цилиндра экструдера и температура первой (кольцевой) зоны фильеры если она есть. Уменьшение температуры этих зон приводит повышению значения давления, повышение температур понижает величину давления (изменения могут достигать 20%). Если при установленных температурах и оборотах величины давления значительно отличаются от обычных для этого инструмента, необходимо выполнить корректировку режимов производства.


ЖЕЛТИЗНА ПРОФИЛЯ.
В условиях нашего производства, иногда возникает ситуация, когда на одной или нескольких линиях выпускаемый профиль приобретает желтый оттенок. При возникновении такого явления сразу на нескольких экструзионных линиях, с большой степенью вероятности можно утверждать, что причина «пожелтения» кроется в составе или свойствах сырья.
Необходимо помнить, что достижение параметров цвета профиля с помощью изменения режимов переработки является внештатной ситуацией и не всегда выполнимо.
В общем случае, «пожелтение» профиля означает, что для применяемого сырья при заданных значениях оборотов установлены слишком большие температуры переработки. Для исправления ситуации рекомендуется снизить «температуру шнеков» (если позволяет конструкция экструдера) и выполнить плавное понижение температур всех зон цилиндра экструдера. Перед началом понижения температур необходимо убедиться (возможно, с помощью ремонтного персонала) в том, что все зоны нагрева экструдера, включая станцию темперирования шнеков (если она есть), и инструмента исправны и отсутствует «перегрев» одной (или нескольких) зон. Порядок действий выглядит следующим образом:
1. Понижаем температуру шнеков если экструдер оборудован станцией темперирования шнеков. Температуру шнеков не желательно понижать менее 90 С. Если станции темперирования нет, либо понижение температуры шнеков не привело к ожидаемым результатам, переходим к шагу 2.
2. Понижаем все температуры цилиндра на 5 С. При этом стараемся не выходить за интервалы температур, указанных в Таблице 2 (Таблица 2 в этой работе не представлена.). Если значения температур каких-то зон находятся на нижнем пределе допусков Таблицы 2, рекомендуется вначале уменьшить значения других зон и только затем выходить из интервала температур, указанных в таблице.
3. Ожидаем результата. При этом отслеживаем состояние материала в колодцах дегазации и на выходе из фильеры. Материал должен оставаться «нормально» переработанным.
4. Если «желтизна» остается, повторяем выполнение шагов 2 и 3. Если в процессе понижения температур материал перестает «нормально» перерабатываться, необходимо прекратить понижение и сообщить о возникшей ситуации лицу, имеющему право принимать решения.


ПРОЧНОСТЬ ПРОФИЛЯ.
В процессе производства возможны случаи повышения хрупкости готового изделия. При принятии решения о дальнейших действиях в подобной ситуации необходимо учитывать ряд моментов, а именно:
• Основной вклад в прочностные характеристики вносит состав сырья. Например, наибольшая прочность готового изделия достигается при использовании смолы с индексом 70, наиболее хрупкий профиль получается из смолы с индексом 58. Другими словами, уменьшение индекса смолы приводит к увеличению хрупкости профиля. Кроме того, большое значение для хрупкости готового профиля имеет количество модификаторов в конкретной рецептуре сырья. Возможны и ошибки при дозировании компонентов во время приготовления смеси. Исходя из перечисленного, первым шагом в случае увеличения хрупкости профиля является замена бункера с сырьем.
• Необходимо помнить, что изменить прочностные свойства готового профиля с помощью режимов переработки удается очень редко. Если ситуация улучшается после корректировки режимов производства, значит при предыдущих режимах материал перерабатывался «ненормально». Принято считать, что хрупкость возникает при недостаточной «переработанности» материала в экструдере. Поэтому, при возникновении проблем с прочностью, необходимо увеличить степень заполнения шнеков (см. предыдущие разделы) и поднять температуры цилиндра экструдера. В настоящий момент трудно сформулировать однозначные рекомендации по изменению температур в рассматриваемом случае. Ниже перечислены несколько фактов из практики, которые могут помочь в принятии решения о путях изменения температур.
o При увеличении температур цилиндра экструдера до определенного предела степень «переработки» материала увеличивается.
o При увеличении температур в зоне загрузки шнека степень заполнения шнеков увеличивается.
o При увеличении оборотов шнека и дозатора (особенно для экструдеров «BAUSANO») степень «переработки» материала увеличивается.
o На экструдере с коническими шнеками улучшение показателей прочности отмечено при понижении температур всех зон цилиндра. Возможно, для улучшения прочностных характеристик готового профиля, требуется увеличить вклад обработки сдвиговыми деформациями в процесс переработки материала.

 

 

 

 

 

© 2009 Компания ЯRпленка
Заказ, разработка, создание сайтов в студии Мегагруп.
Rambler's Top100
РЕМОНТ ШНЕКОВ ЭКСТРУДЕРОВ РЕЦИКЛИНГА ПОЛИМЕРОВ