Универсальный преобразователь: экструзионные прессы сегодня и завтра

Автор: admin Сегодня, 11:17 Просмотров: 0
Дата: Сегодня, 11:17
ДЬЯВОЛ В ДЕТАЛЯХ

Технология процессинга материалов всегда была важна в самых разных областях человеческой деятельности. От качества подготовки сырья зависят свойства бетона и асфальта, бумаги стекла, хлеба и стали. Более ста лет назад для перемешивания и подачи глины был впервые использован шнек. С тех пор технология перемешивания при помощи шнеков быстро развивалась. Сегодня шнековые прессы используются в разных областях: в производстве комбикормов, тротуарной плитки, переработке отходов и в производстве алюминия. Однако наиболее широко они используются в индустрии пластмасс.

[Шнеки со сменными смесителями] Бурный рост переработки и потребления пластиков во второй половине 20 века привел к значительному прогрессу в конструкции шнековых прессов. Совершенствование коснулось трех основных функций прессов: подачи, нагрева и смешивания полимерной массы. Попытки аналитического расчета и численного моделирования работы шнековых прессов сопровождали весь период развития технологии. Однако наибольший вклад в то, чтобы шнековые прессы стали такими, какими мы их видим сегодня, внесли натурные эксперименты и практика промышленной переработки пластмасс.

За последние десятилетия были запатентованы, воплощены в металл и испытаны бесчисленные варианты компоновки прессов. Созданы и применяются на практике шнеки цилиндрические и конические, компрессионные и декомпрессионные, барьерные и термосбалансированные. Активно применяются многошнековые схемы, различные смешивающие элементы, разнообразные устройства подачи и плавления материала. Проводились исследования с использованием прессов, снабженных прозрачными окнами, многочисленными датчиками давления по ходу движения расплава. Испытаны перемещаемые вдоль оси шнеки и переменная геометрия каналов. Продолжают предприниматься попытки отказа от шнека, как универсального устройства, комбинирующего три основные функции пресса. Для этого используются различные сочетания шестерённых насосов, нагревателей, подвижных и неподвижных смесителей. Однако винт Архимеда, хотя и претерпел ряд метаморфоз, всё же остался основным элементом абсолютного большинства машин для переработки полимеров.

Справедливости ради надо заметить, что сегодняшний промышленный шнековый пресс мало похож на своего прародителя. Это неудивительно. Расплавы полимеров относятся к классу неньютоновских жидкостей, поведение которых нельзя описать только законами гидродикамики. В отличие от ньютоновских жидкостей, полимеры существенно, на порядки, меняют вязкость в зависимости от скорости сдвига. И это при том, что исходная вязкость разных марок полимеров также отличается на порядок!Они обладают свойством релаксации формы и напряжений. Полимеры требуют втрое больше удельной энергии при плавлении и нагреве, чем лёд и вода. А ведь привычная нам H2O сама уже имеет высокие значения этих показателей! К особенностям полимеров следует добавить повышенное, порядка 20%, тепловое расширение при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления, а также очень низкую теплопроводность. Это приводит к тому, что прямые и, тем более, обратные задачи расчёта течения полимеров решаются только для каналов самой простой формы. А значит двигаться вперед разработчикам приходится на ощупь.

Стоит ли удивляться тому, что первые шнековые прессы имели весьма посредственные эксплуатационные характеристики? Они плохо плавили и смешивали полимерную массу. Даже незначительное отклонение от узкого коридора допустимых режимов работы приводило к перебоям в подаче или к перегреву и разложению сырья. Первые прессы были громоздкими, энергоёмкими и недолговечными. Однако, постепенно, шаг за шагом, оборудование совершенствовалось. При этом самые важные изменения коснулись геометрии шнековой пары. Потенциал простого винта оказался достаточным, чтобы этот простой механизм сохранил ключевое значение в экструзии на протяжении всей истории развития технологии переработки полимеров. Но ведь и современные газотурбинные двигатели представляют собой, по сути, тот же винт Архимеда. Правда, с некоторыми изменениями. Так что дьявол кроется в деталях!


СМЕШИВАНИЕ

Смешивание – важнейший компонент процесса переработки полимеров. Наибольшее количество копий разработчиков поломано именно в данной области. Повышение требований к качеству изделий из полимеров привело к необходимости получить очень однородную по составу и температурному полю массу расплава. Проблема состоит в том, что формующая оснастка ни в коей мере не может обеспечить высокое и стабильное качество продукции, если расплав имеет даже незначительные неоднородности. Простое увеличение времени и количества циклов перемешивания приводило к снижению производительности, усложнению оборудования и деструкции сырья. Чтобы избежать термического и механического разложение полимеров при переработке, применялись многостадийные энергозатратные технологии на основе многошнековых компаундеров, каскадных прессов, статических и динамических смесителей, а также других устройств, повышающих капиталоёмкость и, в конечном счете, цену переработки.

[Статический смеситель] Ставшая реальностью информационная революция позволила специалистам не просто становиться на плечи предыдущих поколений исследователей, но делать это быстро и с размахом. Что можно увидеть сегодня на поле битвы за идеальный экструдер? Патентные и технические библиотеки изобилуют оригинальными, экзотическими и часто остроумными способами решения проблем, на которые натыкались первопроходцы шнековой экструзии.

Удивительно, но факт: несмотря на массу воплощенных идей, шнек всё ещё остаётся вне конкуренции. Форма шнековой пары при этом значительно изменилась, что позволило существенно улучшить функциональное содержание несложного механизма.

Гомогенизирующая функция шнека реализуется за счет вращение полимерной массы внутри витков и обратных потоков расплава. Для интенсификации смешивания используются разные, более или менее удачные сочетания геометрии витков и смесительных элементов. Однако практика показала, что за попытку быстро гомогенизировать расплав приходится расплачиваться локальным перегревом и потерей давления. Поэтому применение разных «мешалок» дополняет, но (пока) не может заменить увеличения относительной длины шнека. Эволюция шнеков демонстрирует рост этого показателя от 20 единиц в начале 60-х годов до 34 в конце века.


ПОДАЧА

Функция обеспечения равномерной подачи полимерного расплава также привлекала постоянное внимание разработчиков. Действительно, шнековый пресс можно рассматривать в качестве насоса, важнейший показатель работы которого - стабильность расходно-напорных характеристик.

[Конический двухшнековый пресс] На первый взгляд кажется, что напор полимерной массы создается по всей длине шнека. На самом деле пик давления, достигающий сотен и тысяч бар, приходится на границу твёрдой и жидкой фазы в начальной части шнековой пары. Уплотнённый полимер превращается в поршень, называемый также «полимерной гайкой». Он двигается вперед вращающимся шнеком. Созданное при этом давление падает по длине шнека тем быстрее, чем выше сопротивление его каналов.

Расходно-напорные характеристики полимерной гайки, в свою очередь, зависят от характера её движения. Он, с одной стороны, определяется углом, а с другой стороны, геометрией соответствующей охлаждаемой части материального цилиндра. Трение гайки о цилиндр не позволяет ей свободно прокручиваться вместе со шнеком без поступательного движения вперед.

[Рифлёная втулка] Если поверхность материального цилиндра гладкая, то полимерная гайка, увлекаемая шнеком, будет двигаться по винтовой траектории, определяемой коэффициентом трения металл-полимер и противодавлением. Нестабильность этих факторов приводит к неравномерности подачи материала. На практике это проявляется в виде пульсаций давления и снижении производительности. Такие негативные явления чаще всего возникают на переходных режимах и при пусках оборудования.

В 80-е годы, для повышения стабильности напорно-расходных характеристик шнековых прессов, ведущие производители оборудования постепенно начинают переходить на рифленые втулки. Рифление меняет траекторию движения полимерной гайки с непредсказуемой спиральной на поступательную, что не только повышает стабильность, но и приводит к значительному росту напорно-расходных характеристик. При этом материал стал быстрее проходить через шнековый пресс, что усложнило гомогенизацию. Для

сохранения смешивающей способности пресса пришлось увеличивать относительную длину шнековой пары. Возникли также трудности в связи с быстрым повышением давления, а значит и температуры по длине полимерной гайки. Однако, несмотря на эти минусы, к концу 90-х годов в мире осталось мало производителей оборудования, не использующих преимуществ рифленых втулок.

[Нарезная геликоидная втулка] Решение, которое одновременно позволяет снизить термические и механические нагрузки, связанные с применением рифленых втулок, было известно давно. Для уменьшения удельной подачи материала на оборот шнека необходимо расположить рёбра втулки не по оси, а по винтовой траектории. При этом гомогенизирующая способность пресса возрастает за счет увеличения скорости вращения шнека. Полимерная гайка в этом случае будет двигаться по спирали, что позволяет также уменьшить боковые нагрузки на оребрение, замедлить рост давления и связанный с этим локальный перегрев и износ шнековой пары.

У такого решения у него есть один недостаток – сложность изготовления спиральной нарезки материального цилиндра переменной глубины. Сегодня несколько фирм освоили технологию изготовления геликоидных втулок. Выгоды с лихвой перекрывают увеличение стоимости техники, поэтому есть основания считать, что за такой конструктивной схемой будущее.


НАГРЕВ

Если говорить о третьей основной функции – нагреве, то эволюция в этом плане шла по пути повышения термической сбалансированности пресса. Это требуется пояснить.

[Барьерные и перемешивающие элементы] Полимеры имеют аномально высокую теплоёмкость и скрытую теплоту плавления, что повышает потребную мощность пресса. Это сочетается с крайне низкой
теплопроводностью, что, в совокупности, сильно усложняет равномерное распределение энергии по объему полимерной массы. В результате первые шнековые прессы имели малую удельную производительность и большие габариты. Высокое давление и сильный нагрев в зоне уплотнения приводили к быстрому износу, коррозионному, абразивному и тепловому повреждению шнековой пары. Для эффективного подвода и отбора тепла от материального цилиндра и шнека применялись дорогостоящие решения. Например, появились износостойкие биметаллические цилиндры и шнеки. Между нагревателями и материальным цилиндром устанавливались медные тепловые проводники с выносным радиатором.

Применялись жидкостные системы термостатирования материального цилиндра и охлаждения шнека через внутренние каналы. В этом же ряду стоят малоинерционные инфракрасные нагреватели и мощные вентиляторы. Как часто бывает в жизни, борьба шла не с причиной, а со следствием. Высокие тепловые потери приводили к увеличенному энергопотреблению. Удельный расход составлял обычно 350 Джоулей на килограмм продукции. Сегодня, к слову, оно снижено практически до теоретического минимума, составляющего 185..195 Джоулей на килограмм. Это означает, что практически вся механическая и тепловая энергия, подведенная к шнековому прессу, идет на нагрев и плавление сырья.

Согласно закону сохранения энергии, вся мощность, подводимая к шнеку от двигателя, переходит в тепло за счет диссипации механической энергии. Сначала тепло выделяется при деформации частиц полимера в процессе формирования полимерной гайки. Затем разогреваются поверхность шнека и материального цилиндра за счет перемещения гайки при высоких силах трения, возникающих под действием давления в сотни атмосфер. Дополнительное тепло получается от перемешивания слоёв расплавленного полимера в процессе движения по оси шнека. На разогрев полимерного сырья идет и тепло от наружных нагревателей.




Видео дня: