Модернизация парка оборудования для производства и переработки пленки

Индустрия переработки полимеров, например, росла даже в период общего экономического спада 90-х годов. Это, впрочем, неудивительно, если учесть сравнительно высокую отдачу от применения полимеров в народном хозяйстве, с одной стороны, и низкий уровень развития индустрии переработки полимеров, с другой. Впрочем, количественный рост данного сектора экономики достаточно хорошо изучен и описан. Гораздо интереснее понять качественные параметры роста. Дать ответы на то, как и куда растет промышленность переработки полимеров, что питает этот рост и что следует делать предпринимателям, чтобы оказаться в центре событий. Если говорить более предметно, то предпринимателей интересует емкость рынка тех или иных продуктов переработки полимеров и динамика изменений требований к качеству поставляемой на рынок продукции.

Ответы на подобные вопросы дают маркетинговые исследования. Ни в коей мере не подвергая сомнению профессионализм маркетологов и полезность данных исследований, хотелось бы отметить ту очевидную истину, что данные подобный метод предсказаний изначально основан на анализе достигнутого уровня производства и потребления. В такой относительно новой области человеческой деятельности, как производство и переработка полимеров, часто случается, что не производитель следует за рынком ,а рынок следует за новыми видами продукции. Появляются новые виды полимерных материалов, новые способы их применения и новые виды оборудования для их производства. Все три перечисленных направления развития взаимодействуют друг с другом причудливым образом, так что иногда трудно разобраться, где «яйцо», а где «курица». Причем появление новых технологий может в корне изменить всю структуру рынка.

В области производства и переработки полимеров такое наблюдалось неоднократно. Так, к примеру, в 80-е годы на рынок пришел полиэтилен высокой плотности, производимый по новой технологии. ПЭВП, он же полиэтилен низкого давления (ПЭНД), сильно изменил рынок производства и переработки полиэтиленовых пленок за счет более высокой прочности, жесткости и жиростойкости. «Шуршащие» пакеты типа «маечка», фасовочные пакетики и прочая аналогичная упаковка быстро вытеснила авоськи и пакеты из более традиционного полиэтилена низкой плотности. Аналогичные, хотя и менее заметные в быту, процессы происходят сейчас и с появлением новых видов полиэтилена – линейного, бимодального, сверхнизкой плотности. Определенный потенциал развития имеет также применение сэвилена и сшитого полиэтилена. На основе новых материалов сравнительно недавно появились такие способы применения полимеров, как сенажные пленки для хранения и ферментации силоса, защитные пленки, больше известные пока за рубежом под названием «protective film», упаковка паллет в полимерный чулок по технологии «stretch hood». Кто знает, может в ближайшие годы мы будем свидетелями замены бумаги, стекла, дерева и металла а также ПВХ и резины полимерными материалами на основе самых экологичных видов полимера, а именно различными модификациями полиэтилена и полипропилена.

Кроме химии полимеров, существенное влияние на рынок в прошлом оказывали и, по-видимому, будут продолжать оказывать новые способы переработки полимеров. Хотелось бы остановиться на этой стороне вопроса подробнее.

На тему способов переработки полимеров за последние 60 лет написано огромное количество научных трудов. Однако, в отличие от многих других областей знания и технологии, человечество находится пока еще в самом начале пути. Об этом говорит анализ публикаций и фундаментальных трудов в этой области. Даже самые солидные научные труды в этой области часто оперируют понятиями «невозможно предсказать», «существуют различные версии», «не поддается расчету». Так, например, все еще слабо поддается расчету формующий инструмент для экструзии профилей, не удается предсказать или смоделировать движение полимера вблизи твердой поверхности или взаимодействие слоев движущегося полимера. Не существует методов расчета нарушения целостности расплава при экструзии, труднопредсказуетмы процессы плавления и перемешивания расплава в шнековых прессах.

На практике это означает, что качество и скорость процесса получения и переработки полимеров до сих пор основаны на опыте. При этом никто не может гарантировать, что в какой-то момент не возникнет неожиданного «технологического прорыва» на неисследованном направлении.

Для иллюстрации этого можно привести такой пример. Известно, что при получении пленки по традиционной технологии (раздувным методом) через формующую щель шириной в 1,5 мм можно выдавить до 1,2, а в отдельных случаях и до 1,7 кг полимера на каждый миллиметр длины фильеры в час. При попытке увеличить этот показатель резко падает качество поверхности пленки. По поводу причин, приводящих к ухудшению качества, не существует единого мнения. В то же время в некоторых случаях удается на порядок повысить предел пропускной способности фильеры без ухудшения качества. Технологи называют это необычное явление «суперэкструзия». На практике удалось добиться стабильной работы оборудования в режиме суперэкструзии только при покрытии проволочной заготовки полимерным изолятором. Если этот опыт удасться применить и в других областях, это приведет к значительному повышению конкурентоспособности соответствующего оборудования.

Но есть и более актуальные процессы совершенствования технологии производства и переработки полимеров, которые происходят прямо на наших глазах.

В последние годы все большую популярность приобретает технология использования термоножей. Это относительно недорогое устройство позволяет получать из одного широкого рукава несколько узких. Это позволяет уменьшить капиталоемкость производства и снизить удельные затраты труда при получении полимерных материалов. Поначалу рынок с осторожностью отнесся к появлению рулонов и пакетов с боковым запаянным швом. Однако более высокая эффективность технологии в сочетании с конкурентоспособным качеством новой продукции изменили ситуацию.

Сегодня горячие ножи применяются как на пленочных экструдерах, так и в составе нового поколения пакетосварочных машин.

Все большую популярность получает технология непрерывной сварки пакетов. В отличие от обычных пакетосварочных машин, которые реализуют циклическое продвижение пленки в зону сварки и отрезки, в машинах непрерывной сварки пленка перемещается безостановочно. При этом сварочные и отрезные ножи циклически подводятся к пленке и некоторое время движутся вместе с ней. Более сложная кинематика подобных устройств оправдывается значительным ростом скорости переработки. Сегодня такое оборудование выпускается, например, испанской фирмой Коемтер.

Все более широкое распространение получает технология дополнительного понижения температуры воздуха, охлаждающего пленку в процессе экструзии. Специальные охлаждающие устройства, чиллеры, они же промышленные кондиционеры, использовались поначалу лишь для повышения производительности пленочных экструдеров при повышении температуры окружающего воздуха. Однако полученная таким образом пленка обладает более высокой прочностью и прозрачностью. Кроме того, при экструзии непрочных расплавов повышается стабильность процесса, что при использовании рукавного метода позволяет производить более широкие рулоны. Эти преимущества компенсируют увеличение затрат на оборудование и электроэнергию.

Еще одна технология, которая лишь недавно получила окончательное признание, имеет название высоконапорной экструзии за счет применения рифленой втулки. Если раньше пленочные экструдеры с рифленой втулкой поставляли только две ведущие немецкие фирмы, Reifenhauser и Windmoeller und Hoelscher, то сегодня не осталось практически ни одной европейской фирмы, которая поставляла бы оборудование без этого важного элемента. Технология эта, запатентованная в 1940 году и пришедшая в производство пленок в Европе в 60-х годах, позволяет, в конечном счете, заметно повысить два показателя, а именно снизить разнотолщинность пленки и повысить удельную производительность оборудования.

Осевое перемещение материала в прессе можно сравнить с перемещением гайки по винту. Роль гайки при этом играет уплотненный, но еще не расплавившийся полимерный материал, который иногда называют «полимерной гайкой». Внешней силой, удерживающей материал от вращения месте с червяком, является сила трения между полимерной гайкой и стенками цилиндра пресса. Эта сила должна быть возможно большей, в то время как трение между пластмассой и поверхностью червяка - минимальной. В загрузочной зоне это достигается поддержанием определенных температур цилиндра и червяка, поскольку коэффициент трения полимера по стали зависит от температуры. В результате создается выдавливающее усилие, вызывающее перемещение материала. При увеличении давления возрастают проскальзывания полимерной гайки по поверхности цилиндра, что приводит к заметным пульсациям подачи расплава при экструзии.

Теоретически и экспериментально хорошо разработаны основы шнековой экструзии, показывающие, что наилучшим образом работает рифленая втулка, имеющая спиральный (геликоидный) профиль с углом подъема витка, равным подьему витка шнека. При этом, в связи с уплотнением и последующем расширением материала при нагреве, угол подъема витков должен меняться. В связи с необходимостью обеспечивать разные производительности было бы также желательно изменять глубину рифления. К сожалению, изготовить подобные втулки практически невозможно. Большинство фирм-производителей остановилось в своем развитии на уровне втулок с прямым рифлением, и только отдельные фирмы смогли освоить изготовление прессов с геликоидной втулкой с неизменяемым профилем.

Высокое давление расплава, которое можно получить за счет применения рифленых втулок, позволяет использовать более равномерное распределители расплава. Помимо этого, при повышении напора снижаются пульсации давления, что также благоприятно сказывается на толщине пленки в продольном направлении. В результате применения высоконапорной горячей части экструдера удалось снизить абсолютную вариацию толщины пленки с максимального уровня 10-15%, характерного для оборудования 80-х годов до максимального уровня 5%, что позволяет использовать современное скоростное оборудование по нанесению печати и изготовлению пакетов с высоким качеством шва, использовать пленку в процессах ламинирования, снизить расход сырья.

Одновременно с повышением качества экструзии значительно, на 50% и более, повысилась производительность пленочных экструдеров, оборудованных шнековыми прессами с рифленой втулкой. Так, производительность пленочного экструдера, оборудованного прессом с диаметром шнека 75 мм с геликоидной втулкой, способен производить до 240 кг высококачественной термоусадочной пленки в час против 100 кг в час для аналогичного оборудования с гладкой втулкой.

С увеличением трения полимера в прямой рифленой втулке возникла необходимость отвода дополнительного излишнего тепла, что привело к увеличению на 20-25% потерь мощности главного привода. Эти потери отчасти скомпенсированы лучшей термостабильностью шнековой пары, которая практически исключает необходимость отвода избыточного тепла в результате перегрева полимерного материала на выходе из шнекового пресса. Это особенно важно для шнеков с диаметром свыше 70 мм. Ранее проблема перегрева на таких прессах стояла настолько остро, что приходилось делать специальные охлаждаемые шнеки.

Применение прессов с рифленой втулки при экструзии долгое время сдерживалось как более высокой ценой горячей части, так и недостаточным опытом практического применения. Кроме того, более высокая относительная производительность первых прессов с рифленой втулкой приводила к тому, что расплав не успевал гомогенизироваться во время нахождения в шнековом прессе. Эти проблемы были решены путем применения шнеков с более длинной винтовой парой, достигающей сегодня относительной длины в 34 диаметра. Все более широкое распространение получают шнеки с двойным спиральным барьером увеличенной пропускной способности, которые сочетают в себе улучшенную гомогенизацию с минимальном сопротивлением. Прессы с геликоидной втулкой позволяют повысить примерно на 40% обороты шнека, что улучшает гомогенизацию расплава до уровня, недостижимого при использовании шнеков с прямой втулкой при одновременном снижении расхода электроэнергии, потребляемого приводом шнекового пресса, примерно на 15%.

Еще одна новинка, появившаяся в технологии производства пленки в последние годы, связана с измерением толщины пленки в процессе экструзии. Чуть позже появились устройства управления толщиной на основе полученных данных. Пионерами данных технологий в середине 80-х годов выступили немецкие разработчики, показавшие экономическую эффективность применения управления толщиной пленки хотя бы только из соображений экономии сырья. Сегодня на рынке представлено несколько предприятий, выпускающих машины, уже оборудованные системами управления толщиной К ним можно отнести все фирмы первой десятки поставщиков пленочных экструдеров, в том числе, помимо ранее упоминавшихся Reifenhauser и W&H, такие, как CMG, Macro, GAP, BE, Kiefel, Macchi, Hosokava Alpine. На оборудование этих фирм устанавливаются системы контроля толщины таких фирм, как Octagon, K-Design, Kundig, NDC. Один из крупнейших производителей пленки на Украине, например, выразил намерение приобретения нескольких систем измерения толщины пленки в реальном масштабе времени, поскольку это позволяет экономить затраты высококвалифицированного труда операторов.

Системы контроля толщины пленки имеют стоимость от 15 тысяч до 150 тысяч долларов США. За 15 тысяч можно приобрести датчик текущей толщины пленки с программой визуализации и анализа причин отклонений толщины с использованием гармонического анализа. За 150 тысяч можно стать обладателем системы, снижающей примерно вдвое абсолютную вариацию толщины пленки как в продольном, так и в поперечном направлении. Промежуточное положение по цене и практической пользе занимают системы, управляющие толщиной пленки только в продольном направлении. Целесообразность установки системы на действующее оборудование требует дополнительного изучения в каждом отдельном случае, поскольку в случае применения системы управления толщиной на морально устаревшем оборудовании уровень увеличения качества пленки может оказаться недостаточным для достижения конкурентоспособности, а сам процесс установки и наладки на конкретной модели оборудования может труднопредсказуем по срокам и эффекту.

Автоматизация процесса производства и переработки пленки – еще один объективный процесс модернизации парка соответствующего оборудования. Линия, оснащенная дополнительными датчиками, промышленным контроллером и компьютерным интерфейсом взамен «ручных» и полуавтоматических органов управления тепловыми режимами, приводами и исполнительными устройствами, позволяет снизить потери сырья и времени при запуске и переналадке оборудования, уменьшить количество технологических ошибок и повысить качество конечной продукции при одновременном снижении потребности в обслуживающем персонале, затрат на электроэнергию. Переход на компьютеризированное управление - не просто дань моде. Промышленный контроллер, например, может на порядок более точно удерживать тепловые режимы. Может запоминать и точно необходимые температурные профили. Современная система тепловой автоматики осуществляет «умный запуск» оборудования. Ноа учитывает разную скорость нагрева разных частей оборудования с тем, чтобы окончание нагрева всех элементов произошло одновременно. Для этого система начнет нагревать малоинерционные горячего модуля только тогда, когда массивные элементы уже достаточно разогреются. Это не только позволит снизить пиковые нагрузки на электросеть, но и не допустит длительного периода нахождения расплава при максимальных температурах, что предотвратит ненужное окисление полимера. При это, естественно, в автоматизированных системах предусмотрены все возможные аварийные блокировки, предотвращающие, например, запуск непрогретого оборудования или перегрузку или перегрев приводов. Расширены и возможности управления сложными последовательностями включения различных исполнительных устройств, что важно, например, при замене рулонов с готовой продукцией. Очень полезны и такие функции, как, например, синхронизация работы приводов, что позволяет исключить провисание или обрыв полотна при изменении скорости движения пленки. Информация о работе автоматизированной линии может, причем без особых сложностей, передаваться по компьютерным сетям через стандартные протоколы, например RS485, что позволяет наблюдать за работой оборудования из любой точки, оснащенной доступом в Интернет, будь то кабинет технолога за стеной или мобильный телефон в любой точке света.

При этом, как не удивительно, может оказаться, что современная высокоавтоматизированная линия имеет такую же стоимость, что и неавтоматизированный аналог. Это связано с появлением квалифицированных специалистов, быстрым снижением стоимости элементной базы, унификацией и упрощением методов программирования, накоплением опыта.

Еще одна достаточно новая система, которая получает все большее распространение, выполняет функцию распознавания дефектов пленки. Применение таких систем на основе видеокамер и мощных программно-аппаратных средств позволяет своевременно определить и, в конечном счете, исключить появление в конечной продукции таких дефектов, как непроплавы, инородные включения или отверстия.

Для полноты картины следует упомянуть тенденцию к росту размеров перерабатываемых рулонов, повышению требований к торцевому биению края и точности управления натяжением при намотке рулона. Вполне отчетливо просматривается также тенденция к снижению трудоемкости и повышению эксплуатационной технологичности линий за счет применения автоматических намотчиков, малообслуживаемых фильтров, индикаторов выхода из строя термопар и нагревателей, систем документирования работы оборудования, повышения надежности, ремонтопригодности и взаимозаменяемости отдельных узлов, снижения сроков поставки и стоимости запасных частей и т.д.

В последнее время специалисты отмечают также повышенный спрос на дополнительное оборудование, которое повышает гибкость и экономические параметры производства. Все чаще производства оснащаются узлами активации коронным разрядом, устройствами перфорации, воздушными фильтрами, централизованными системами подачи и подготовки сырья. Особое значение имеет оснащение производств системами переработки и возвращения в технологический цикл отходов производства, для чего устанавливаются дробилки, агломераторы или грануляторы.

При этом цена производственных мощностей возрастает до 1,5 и более тысяч долларов за килограмм произведенной пленки, но это оправдано, поскольку приводит к повышению рентабельности и, соответственно, к снижению сроков возврата вложений.

В заключение хотелось бы отметить тот отрадный для рассматриваемого сектора экономики факт, что первоначальное насыщение рынка оборудованием для производства пленок закончилось. Дальнейшие изменения в этой сфере будут связаны с повышением конкурентоспособности производителей за счет повышения качества выпускаемой продукции и экономической эффективности применяемых технологий. Проблемами оптимизации парка промышленного оборудования в дорыночную пору занимались специальные подразделения Госплана. Аналогичные подразделения существовали и в различных ведомствах. В научном центре Министерства гражданской авиации, ГОСНИИГА, существовал, например, даже специальный отдел, который определял оптимальное для страны соотношение ближне-, дальне- и среднемагистральных самолетов. А специалисты НАТИ обращали внимание правительства, что советский парк грузовиков, состоящий преимущественно из 5-тонный машин, не соответствует мировой структуре парка, в котором преобладали полуторатонные внутригородские грузовики и многотонные автопоезда для междугородних перевозок. Но рынок показал значительно большую эффективность решения подобных задач.

В области производства и переработки пленок это выражается в отчетливой тенденции концентрации и роста производственных мощностей крупнотоннажных производств, с одной стороны, и дальнейшей специализацией, повышением гибкости и оперативности работы «нишевых производств», работающих по индивидуальным заказам, с другой. Примером первого типа производств могут служить такие известные предприятия, как Тико-Пластик, Новаролл, Уралпак, Пума, Селена и еще несколько десятков аналогичных производств с капиталом в миллионы и десятки миллионов долларов США. Счет предприятий второго типа идет на сотни при среднем размере капитала от десятков тысяч до полумиллиона долларов США.

Несмотря на постоянный рост спроса на пленку и продукты ее переработки, можно прогнозировать постепенное ужесточение конкуренции в этом секторе экономики, в результате которой в выигрыше останутся предприятия, использующие самые современные и востребованные рынком технологии.