Достижения в конструировании одношнековых машин

 

Мощность, диссипированная в одношнековом экструдере, определяется выражением N^1+1/υ, где N — частота вра­щения шнека, υ — индекс псевдопластичности, или ин­декс течения. Величина υ показывает степень отклоне­ния поведения расплава от ньютоновского течения.

Следует отметить, что для ньютоновской жидкости производительность прямо пропорциональна частоте вращения шнека,

в то время как для реальных распла­вов полимеров мощность, диссипируемая в канале шне­ка, резко уменьшается с ростом v (рис. 34).

 

 

Рисунок 34 Зависимость мощности, диссипируемой в канале шнека отего линейной скорости для материалов с различной «степенью псевдопластичности» (индекс течения n):

1 – ньютоновская жидкость (n=1); 2 – псевдопластичная жидкость с n=1 ; 3 – псевдопластичная жидкость с n=3.

 

При конструировании экструдера всегда можно пред­усмотреть систему привода, обеспечивающую практиче­ски любую частоту вращения шнека, необходимую для достижения заданной производительности.

Таким образом, основная задача при разработке кон­струкции экструзионной машины состоит в обеспечении оптимальной степени смешения (гомогенизации) при заданной производительности и минимальных затратах мощности. Однако при увеличении частоты вращения шнека гомогенность расплава может ухудшаться, несмо­тря на повышение его температуры, так как сокращается время пребывания полимера в материальном цилиндре, т. е. время пластикации. Существуют два способа поддержания неизменным качества смешения при возрастании производительности: а) увеличение длины винтового канала шнека, т. е. удлинение пути, проходимого частицами полимера от загрузочной воронки до головки; б) повышение степени смешения путем установки на пути расплава препят­ствий, вызывающих изменение направления его дви­жения.

Теоретическое изучение и математическое моделиро­вание одношнековых экструдеров показало, что произ­водительность этих машин зависит в первую очередь от следующих параметров: 1) окружная скорость поверх­ности цилиндра по отношению к шнеку — в направлении z по спирали (рис. 35); 2) ширина канала w; 3) глу­бина нарезки h; 4) длина винтового канала z (т. е. дли­на траектории частицы полимера от загрузочной ворон­ки до головки).

Значение z можно увеличить за счет удлинения шне­ка при сохранении остальных его размеров. За послед­ние десять лет относительная длина L/D экструзионных машин возросла от 20:1 до 30:1. Чрезмерное удлинение шнека приводит, однако, к нежелательным послед­ствиям. В частности, возрастает опасность возникнове­ния «биения» шнека, что может быть причиной прежде­временного износа материального цилиндра. Кроме того, резко возрастает стоимость и масса опорных подшипни­ков (особенно для

 

Рисунок 35 Геометрические характеристики шнека:

а – обозначение основных размеров шнека; б – развертка канала шнека (двух полных витков нарезки)

 

экструдеров большой производитель­ности). Удлинить винтовой канал можно также за счет увеличения диаметра шнека (рис. 36).

 

 

Рисунок 36 Два шнека очень близкие по технологическим характеристикам, но резко различающиеся по геометрическим параметрам

 

Рассмотрим два экструдера, длины и диаметры шне­ков которых соответственно равны L₁, D₁ и L₂, D₂ . Если выполняется условие

 

L₂ / L₁ = D₁ /D₂ = sin θ ₂ /sin θ₁

 

и частоты вращения шнеков подобраны так, что

 

N₂/N₁ = D₁ cos θ₁/D₂ cos θ₂

 

то производительность обеих машин будет приблизи­тельно одинаковой. При пропорциональном увеличении диаметров шнеков незначительно изменяется потребляемая экструдерами мощность, но это изменение в широ­ком диапазоне L/D невелико. Таким образом, теоретиче­ски шнек длиной L = 20 и диаметром D = 1 подобен шнеку с параметрами L= 10 и D = 2, хотя отношение L/D изменяется при этом от 20 до 5.Необходимо пом­нить, что нагрузка на шнек практически пропорциональ­на квадрату его диаметра, поэтому уменьшение соотно­шения L/D требует усиления опорных подшипников. С другой стороны, уменьшение относительной длины шне­ка L/D (за счет увеличения D) значительно упрощает конструктивное решение

 

системы охлаждения шнека из­нутри, что обеспечивает возможность более точно регу­лировать температуру материала по зонам.

Каландрование

 

В процессе каландрования получают листы и пленки из пластмасс. Каландр состоит из трех или более нагре­тых валков; проходя между ними,

высоковязкая поли­мерная масса перерабатывается в пленки или листы. Масса материала подается в зазор между двумя пер­выми валками, откуда она выходит уже в виде пленки. Затем материал проходит вокруг остальных валков, каж­дый из которых выполняет определенную функцию. В обычном четырехвалковом каландре имеется три фор­мующих (рабочих) зазора; первый регулирует скорость подачи материала, второй действует как дозирующее устройство. Толщину листа определяет зазор между по­следней парой валков. Эти валки могут быть глянце­выми, матовыми или гофрированными. Каландрование часто сравнивают с экструзией, рассматривая последнюю пару валков как фильеру с вращающимися поверхно­стями.

Листы и пленки высокого качества можно с одина­ковым успехом получать как каландрованием, так и экструзией. В общем случае нелегко оценить преиму­щества и недостатки этих процессов, и обычно прихо­дится решать в каждом конкретном случае, какой ме­тод следует выбрать. Можно, однако, констатировать, что пленки и листы из ПЭ, ПП и ПС чаще получают экструзией. Что касается получения пленок и листов из ПВХ, а также переработки резины, то для этих целей почти всегда используют каландрование, так как при каландровании опасность деструкции полимера мень­ше, чем при экструзии.

В промышленных линиях на базе каландра и экструдера применяют практически одинаковое оборудо­вание для подготовки сырья и отбора (приемки) готовой продукции. Экструдеры легче размещать и удобнее обслуживать, чем каландры. Однако выпускаемые в настоящее время каландры обеспечивают большие ра­бочие скорости, чем экструдеры; это свидетельствует о преимуществе технологических линий на базе каланд­ров, несмотря на то, что они требуют больших произ­водственных площадей.

 

Описание процесса

 

Каландр сам по себе еще не способен придать товар­ный вид материалу: он является одним из агрегатов сложной технологической линии, состав которой опре­деляется природой перерабатываемого материала и типом конечного продукта.

 

Схема каландровой линии для получения листов из пластмасс показана на рис. 37. На стадии смешения исходному сырью придается форма, наиболее удобная для переработки на каландре.

Исходным материалом для каландрования может служить просто расплав по­лимера, как это имеет место, например, в случае ПЭ. Для ПВХ обычно используют двухстадийный процесс подготовки сырья. Первая стадия — предварительное смешение композиции при температуре ниже 80 °С. Пос­ле этого следует стадия желатинизации.

 

Рисунок 37 Схема технологической линии на базе L-образного каландра для производства листов из пластмасс:

1 – основной каландр; 2 – гофрирующий каландр; 3 – регулятор толщины; 4 – система водяного охлаждения; 5 – аккумулятор (компенсатор); 6 - намотчик

 

Желатинизацию «мягких» (пластифицированных) композиций проводят на смесителе типа «Banbury», после которого обычно устанавливают одну или две мельницы и экструдер.

После каландра лист проводят еще через один валок, основная функция которого состоит в удалении матери­ала со всех валков каландра. Этот валок может быть обогреваемым или охлаждаемым; обычно он является элементом охлаждающего агрегата, хотя его можно ис­пользовать также и для дополнительного нагрева ма­териала при получении гофрированных листов. Для охлаждения листов чаще всего применяют систему валков, охлаждаемых водой, хотя в некоторых случаях, например при получении массивных листов (толщиной более 3,2 мм), удобнее направлять продукт непосред­ственно в ванну с водой. Практически все технологические параметры оказы­вают влияние на возникновение внутренних напряжений в материале, однако особенно важно осуществлять точ­ную регулировку температурно-скоростного режима процесса.

В большинстве случаев листы, выпускаемые каландрованием, имеют матированную поверхность. Это целе­сообразно по техническим причинам. Дело в том, что полированные листы из ПВХ при укладывании их в пачки так сильно «склеиваются» между собой, что их невозможно отделить друг от друга. Шероховатая по­верхность листов этому препятствует; кроме того, на шероховатой поверхности валков менее заметны царапи­ны и загрязнения.

 

 

Конструкция каландра

 

Прообразом каландров послужили машины, использо­вавшиеся в текстильной промышленности в XVIII веке. Если не считать двухвалковых мешалок, применявшихся в качестве смесителей, то можно сказать, что первые валковые каландры для переработки резины были соз­даны в первой половине XIX века. Основные принципы конструирования и работы этих машин оставались прак­тически неизменными в течение целого столетия. Это было связано с крупными габаритами и большой стои­мостью оборудования; с высокими техническими показа­телями работы и сравнительной простотой устройства; со стабильным ассортиментом перерабатываемых мате­риалов и постоянством применения продуктов; все это делало неэкономичным и нецелесообразным внесение каких-либо существенных изменений.

Однако с 1930 г. положение радикально изменилось. Внедрение новых материалов, таких как, например, ПВХ, и повышение требований к получаемым изделиям вызва­ло необходимость конструирования машин с улучшен­ными системами регулирования температуры и толщины конечного продукта.

Фирма «Troester» в Германии разработала к 1940 г. машину с автономными приводами каждого валка, ав­томатическим регулированием формующего зазора ме­жду рабочими органами и циркуляционной системой смазки. Этот каландр мог работать при температурах до 200 °С. Перечисленные усовершенствования исполь­зуются и в современных агрегатах.

Из изложенного ясно, что получение качественных листов зависит от ряда факторов: а) конструкции вал­ков; б) системы регулирования температуры на валках; в) возможности задания и поддержания точного зазора между валками; д) конструкции системы привода и смазки. Перейдем к последовательному рассмотрению указанных факторов.

Конструкция валковой системы каландра

 

Валки — важнейшая часть каландра. Их изготавливают, как правило, из стального литья с последующей закал­кой. Резкое охлаждение металла подавляет образование графита в закаленной зоне и способствует повышению содержания карбида железа.

Известно множество различных схем расположения валков в каландре; некоторые из них показаны на рис. V. 46. Выбор конкретной схемы зависит от ряда факторов, например от природы перерабатываемого ма­териала, толщины и ширины получаемого листа, скоро­сти процесса и т. д. Кроме того, необходимо учитывать характер дальнейшей обработки продукта, например, предполагается ли их ламинирование и т. п. На рис. V. 47, а и б показаны различные траектории про­хождения материала при вертикальном

 

расположении валков, а на рис. 38, а и б даны два направления про­хождения материала через четырехвалковый каландр 2-образного типа. В первых каландрах валки почти всегда располагали вертикально. В настоящее время предпочитают такие конструкции, как четырехвалковые наклонные каландры L- и Z-образного типа, у которых облегчена загрузка сырья вследствие горизонтального расположения рабо­чего зазора. Кроме того, при этом обеспечивается боль­шая компактность машин и снижается опасность нару­шения установки («флотации») валков.

 

Рисунок 38 Основные схемы расположения валков каландров:

I – двухвалковые (а – вертикальный; б – наклонный); II – трехвалковые (а – вертикальный; б – наклонный; в – А-образный); III – четырехвалковые (а – вертикальный; б – L-образный; в – перевернутое L; г – наклонный Z-образный; д - Z-образный; е - Z-образный с вынесенным валком); IV – пятивалковые (а – вертикальный; б – L-образный; в – перевернутое L).

 

Конструкция каландра с L-образным расположением валков проще, потому что уменьшается необходимая корреляция на изгиб рабочих органов;

 

 

Рисунок 39 Схема заправки и прохождения листа через четырехвалковый вертикальный каландр с обхватом двух (а) и трех (б) валков

 

Рисунок 40 Схема заправки и прохождения листа через четырехвалковый Z-образный каландр с обхватом двух (а) и трех (б) валков

 

в этом случае только два валка расположены вертикально, в то время как в четырехвалковом «угловом» каландре L-образного типа таких валков три, а в вертикальном каландре — четыре.

 

Регулирование температуры

 

Как уже отмечалось, качество конечного продукта нахо­дится в прямой зависимости от точности регулирования температуры при ведении процесса. Более того, приро­да материала во многом определяет необходимую точ­ность поддержания температуры на рабочей поверхно­сти валков; обычно это ±1°С при температуре около 200 °С и нормальных рабочих условиях. Такая точность достигается подачей под давлением через валки горячей воды или пара и циркуляцией горячего масла для уменьшения потерь тепла на краях валков. Обычно при­меняют две основные конструкции валков: пустотелые и с просверленными непосредственно у поверхности ка­налами (см. рис. 41, а и б). В конструкциях первого типа могут возникать перегревы, что вполне

 

 

 

 

Рисунок 41 Наиболее распространенные схемы распределения нагревающего агента в валках каландров:

а – сверленный валок; б – пустотелый валок; 1 – пробка; 2 – разбрызгивающая труба

 

допустимо при переработке некоторых пластмасс и многих видов резин. Валки второго типа используют в тех случаях, ко­гда требуется большая точность поддержания темпера­туры. Нагревательная система сопряжена с приводом валков так, что запуск валков во вращение может про­изводиться до начала подачи теплоносителя. Это сни­жает искажение температурного поля рабочих органов.

 

Регулирование зазора между валками каландра

 

Во время работы каландра валки подвергаются воз­действию больших нагрузок, необходимых для формова­ния из полимеров тонких пленок. Эти силы вызывают изгиб валков, в результате чего толщина пленки в сред­ней части полотна получается больше, чем по его краям. Разнотолщинность можно уменьшить различными спо­собами, из которых обычно используют следующие: 1) применение валков, имеющих в средней зоне больший диаметр, чем по краям; 2) оснащение каждого валка выносными подшипниками, связанными с гидравлической системой, способной отклонять валки; такую регулировку используют сравнительно часто, однако величина откло­нения обычно меньше, чем 10^-4 м; 3) непараллельная установка валков; ось одного валка располагают под углом к оси другого, в результате чего увеличивается «выпуклость» рабочего зазора. Последнее достигается за счет увеличения («раскрытия») зазора по краям валков Локальное сужение зазора между валками можно обес­печить с помощью местных (зональных) индукционных нагревателей.

Геометрические параметры конечного продукта изме­ряют автоматически как в продольном, так и в попереч­ном направлениях, и соответствующие сигналы о разнотолщинности изделия направляют в органы управления системы регулирования валков.

Системы привода и смазки

 

Обычно применяют приводы валков следующих основ­ных типов: 1) индивидуальный для каждого валка при­вод от двигателя через вал-шестерню; 2) привод валка через коробку передач и силовой шарнир. Независимо от типа привода двигатели должны обес­печивать линейную скорость рабочих органов от 10 до 150 м/мин.

Обычно применяют циркуляционную систему смазки, оснащенную одной из двух блокировок: 1) при падении давления масла ниже определенного уровня каландр останавливается; 2) замкнутая схема не позволяет за­пустить каландр в работу до тех пор, пока давление масла в системе смазки не достигнет требуемого значе­ния.

Технология каландрования

 

Скорость получения конечного продукта зависит от ряда факторов: 1) способности каландра смешивать и рас­плавлять материал; 2) интенсивности воздействия рабо­чих органов каландра на свойства материала при его переработке; 3) требуемого комплекса свойств продук­та, особенно качества поверхности листов и пленок.

Получение листов с грубой поверхностью толщиной ≥2,5∙10^-4 м сравнительно несложно, и скорость про­цесса при этом может превышать 60 м/мин. Можно до­стигнуть и больших скоростей формования, если пленка предназначена для дальнейшей переработки (обработ­ки), например для нанесения покрытий или печати, так как в результате этих операций в значительной сте­пени залечиваются дефекты, возникающие при калан-дровании.

Получение тонких пленок часто сопряжено с боль­шими трудностями, однако, несмотря на это, скорости процесса могут достигать 100 м/мин. Для получения глянцевых тонких и жестких пленок и листов рабочую скорость приходится снижать до 10 м/мин.

С помощью каландров можно перерабатывать широ­кий круг материалов, каждый из которых проявляет свою специфику при формовании.

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Перечислите методы безнапорного формования. Охарактеризуйте каждый

2. Технологический процесс напыления

3. Прямое (компрессионное) прессование

4. Транферное (литьевое) прессование

5. Разновидности экструдера. Процесс экструзии

6. Для чего применяют процесс каландрования. Технологическая линия каландрования

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

 

Лабораторная работа № 1