МАШИНОСТРОЕНИЕ

ЭКСТРУДЕРЫ

Экструдеры применяют в качестве гене­раторов расплава в агрегатах для гранулирова­ния пластичных материалов, нанесения тон­кослойных покрытий и пластмассовой изоля­ции, дублирования пленок, для производства пленки, листов, шлангов, труб, профильных погонажных и полых изделий из ненаполнен - ных и наполненных, невспененных и вспенен­ных полимерных материалов; для дегазации,
окрашивания, обезвоживания, смешения, пла­стикации и пластификации термопластов, ре - актопластов и резиновых смесей; для проведе­ния в них некоторых химических реакций и процессов.

Классификация экструдеров. По виду рабочего органа экструдеры разделяются на поршневые, червячные, бесчервячные (диско­вые, гидродинамические, шестеренчатые) и комбинированные (дисково-червячные, чер­вячные с плавильной плитой и т. д.), с электри­ческим обогревом (омическим, индукционным, диэлектрическим), с обогревом при помощи теплоносителя (воды, пара, минерального мас­ла) и без наружного обогрева. По методу регу­лирования и поддержания заданной температу­ры цилиндра различают экструдеры с воздуш­ным, водяным и смешанным охлаждением.

Для привода экструдеров применяют электродвигатель переменного тока со ступен­чатой или бесступенчатой регулировкой часто­ты вращения рабочего органа экструдера, элек­тродвигатель постоянного тока и гидравличе­ский двигатель.

Поршневые и бесчервячные экструдеры имеют ограниченное применение ввиду низкой производительности поршневых экструдеров и недостаточного давления, развиваемого бес­червячными машинами.

Благодаря универсальности наибольшее распространение получили червячные экстру­деры, основными параметрами которых явля­ются: диаметр червяка, отношение его диамет­ра к длине и частота вращения червяка. От диаметра червяка в первую очередь зависят производительность, потребляемая мощность, габаритные размеры и масса машины.

Червячные экструдеры разделяют на од - но - и многочервячные, одно - и многостадий­ные, одно - и многоцилиндровые, с простым профилем червяка (цилиндрический червяк с постоянным или переменным шагом, с пере­

Менной или постоянной глубиной канала) и со сложным профилем червяка (ступенчатым, прерывистым, коническим, параболическим), с винтообразными лопастями, кулачками и т. д.

В зависимости от частоты вращения чер­вяка различают нормальные (политропические) экструдеры (до 150 мин-1) и скоростные (свы­ше 150 мин-1), которые обычно работают в автотермическом режиме На некоторых экс - трудерах червяк кроме вращательного имеет и возвратно-поступательное (осциллирующее) движение в осевом направлении.

В зависимости от конструктивного ис­полнения различают горизонтальные и верти­кальные экструдеры с выходом материала вверх и вниз, стационарные и вращающиеся.

Конструкция экструдера зависит от пере­рабатываемого материала и в меньшей степе­ни - от вида профилируемого изделия. Для переработки гранулированных термопластич­ных материалов применяют в основном одно- червячные экструдеры. Двух - и многочервяч­ные машины, как правило, используются при переработке негранулированных, порошкооб­разных термопластов и композиций на их ос­нове.

Одночервячные экструдеры. В одно- червячном эктрудере вращаемый двигателем 1 через редуктор 2 червяк 5 захватывает матери­ал, поступающий из загрузочной воронки бун­кера 4, пластицирует, сжимает и перемещает его вдоль цилиндра б, обеспечивая гомогени­зацию перерабатываемого материала и его выдавливание через фильтрующие сетки 7 и решетки S, а также профилирующую головку 9 (рис. 7.3.1). Цилиндр разделен на несколько зон автономного автоматического контроля и регулирования температуры. Каждая зона под­ключена к системам обогрева 10 и охлаждения 11. Осевые силы, возникающие при вращении червяка, воспринимаются упорным подшипни­ком 3.

Нагнетающее действие червяка зависит от частоты его вращения, угла подъема винто­вой линии и разницы коэффициентов трения материала о стенки цилиндра и о поверхность червяка, которые зависят главным образом от перерабатываемого материала и температуры поверхности цилиндра и червяка. Наиболее эффективно нагнетающая способность червяка проявляется при максимальном трении мате­риала о стенки цилиндра и минимальном тре­нии о поверхность червяка. Для уменьшения трения материала о поверхность червяка по­следний иногда охлаждают водой, однако при
чрезмерном охлаждении червяка снижается температура экструдируемого материала, уменьшая развиваемое червяком давление и производительность экструдера. Для улучше­ния условий захвата перерабатываемого мате­риала червяком зона загрузки экструдера также охлаждается водой.

В обычном червячном экструдере термо­пласт проходит через три состояния: твердое, смесь твердого материала с расплавом и рас­плавленное, при этом применяются односта­дийные червяки с постоянным шагом и пере­менной глубиной в зонах питания h^ и дозиро­вания /23 (рис. 7.3.2), состоящие из зон пита­ния, сжатия L2 и дозирования (выдавлива­ния) £3 .

Обычно дозирующая зона определяет производительность червячного экструдера и необходимую для привода червяка мощность. В дозирующей зоне существует три потока: вынужденный (прямой) и противоток (обрат­ный) - потоки вдоль винтового канала червяка и утечка материала через радиальные зазоры между гребнями червяка и внутренней поверх­ностью цилиндра. Поток утечки по сравнению с двумя другими потоками незначителен и при расчетах им часто пренебрегают. Объемная производительность дозирующей области рав­на разности расходов между прямым и обрат­ным потоками:

^ N2D2nh sin® cos® ^ Q =------ F„Fitn -

Q Щ

2

' sin2 ф

L ) P W

Где D - диаметр червяка; H - глубина винто­вого канала; п - частота вращения червяка; ф - угол подъема винтовой линии; Ар - Градиент давления на длине канала; L - длина

1,0 Ofi J,6

Ofi 0,2

1,2 1,6 2,0

О Ofi 0,8

Ні в

Рис. 7.3.3. Зависимости коэффициентов формы канала Fq и Fp от относительной его глубины НІ В

Нарезанной части зоны дозирования; , Fp -

Коэффициенты формы канала, зависящие от отношения его глубины H к ширине В (рис. 7.3.3); \іт - + /2 - средняя вязкость находящегося в канале расплава, и - вязкость соответственно расплава на дне кана­ла червяка и у стенок корпуса; F^ и -

Коэффициенты, учитывающие влияние измене­ния вязкости на вынужденное течение и проти­воток (рис. 7.3.4) [9].

В случае если червяк с постоянными раз­мерами канала работает в изотермическом ре­жиме и вязкость постоянна по его длине, то мощность

W 71 D3N2\ImL Ті2 D2NH БІПф Ар

N =------------- HL_ +----------------- J—LL 4.

H 2созф

N2D2ne\imL 5 tg<p

Где e - толщина гребня червяка

Рис. 7.3.4. Зависимости для определения поправочных коэффициентов, учитывающих изменение вязкости по глубине канала червяка

Необходимая для привода червяка мощ­ность может быть также определена из энерге­тического баланса экструдера:

:3210-5Єс(7р-Г0),кВт, (7.3.3)

Где Q - производительность экструдера, кг/ч; С - теплоемкость материала, Дж/(кг °С); Гр - температура расплава, °С; 7Q - температура

Загружаемого материала, °С.

На рис. 7.3.5 приведена номограмма для определения мощности N привода червяка для полиэтилена низкой и высокой плотности 1 и 2, полиамидов 3, полиметилметакрилата 4, ударопрочного полистирола 5 и сополимера АБС 6 в зависимости от температуры перера­ботки и производительности Q экс­трудера. Из номограммы следует, что с увели­чением температуры расплава при данной мощности привода уменьшается его произво­дительность.

На основании обработки показателей технических характеристик одночервячных экструдеров, выпускаемых разными фирмами, получены следующие зависимости, которые позволяют определять с достаточной для ин­женерных расчетов точностью производитель­ность экструдера Q (кг/ч) и мощность его

Привода N (кВт) от диаметра червяка D (мм):

Q = KQDC- ;

N = KNDC" , (7.3.5)

Где Ае=6,7510"2; CQ= 1,8; KN =1,2610"2; CN =1,8.

Основной задачей прочностного расчета червячного экструдера является проверка предварительно рассчитанных размеров червя­ка и определение его максимально допустимо­го прогиба. На червяк действует осевая сила Р, вращающий (крутящий) момент Мкр и равно­мерно распределенная нагрузка Q от собствен­ного веса червяка. Силы Р и Q вызывают про­гиб /червяка (рис. 7.3.6). Максимальный про­гиб червяка от распределенной нагрузки

3*.

8 EJ

Где Е - модуль упругости материала червяка; J - момент инерции поперечного сечения.

Полученный прогиб должен быть меньше радиального зазора между гребнем червяка и стенкой цилиндра.

Так как червяки должны хорошо проти­востоять нагрузкам от кручения и изгиба и обладать повышенной стойкостью к износу, их обычно изготовляют из хромомолибденоалю - миниевой стали (азотируемой 38ХМЮА), хро - моникелевой или хромомолибденовой. По­верхности червяков упрочняют методами тер­мохимической обработки (азотирования, за­калки), а также нанесением на поверхность червяка или его гребней твердого хрома и твердых сплавов [31].

Цилиндры экструдеров должны обладать высокой прочностью, так как они работают при повышенной температуре (до 400 °С) и давле­нии (до 60 МПа), износо - и коррозионностой - костью. Для повышения износо - и коррозион - ностойкости обычно в полость цилиндра уста­навливают гильзу (втулку) или набор гильз. В большинстве случаев внутренняя поверх­ность цилиндра или гильз азотируется. По­скольку азотированная поверхность склонна к

Короблению и образованию трещин из-за кон­центрации напряжений в граничном слое, при­меняют биметаллические цилиндры, изготов­ленные методом центробежного литья. Толщи­на слоя износостойкого покрытия цилиндра после окончательной обработки равна пример­но 1,5 мм. Биметаллические цилиндры в 3 раза долговечнее азотированных.

Так как толщина стенки S цилиндра экс­трудера не превышает 10 % наружного его диа­

Где <Тд - допускаемое напряжение; С - при­бавка на коррозию; (3 - коэффициент, учиты­вающий материал цилиндра; (3 =1,73 для ста­ли и (3 =2 для чугуна; Др - давление в ци­линдре [14].

Существенными недостатками одночер - вячных эктрудеров являются: невозможность создания высокого давления без уменьшения объемной производительности экструдера и регулирования времени пребывания материала в нем; отсутствие сильно выраженного гради­ента скорости сдвига перерабатываемого мате­риала, необходимого для перемешивания и гомогенизации; неспособность непрерывного обновления эффективных поверхностей пере­рабатываемого материала для осуществления процесса массопередачи. Кроме того, при за­грузке одночервячных экструдеров крошкой и мелкодисперсным порошком с низкой насып­ной массой, а также расплавом или пастой, прилипающей к червяку, транспортирование материала, как правило, либо неудовлетвори­тельное, либо вовсе отсутствует.

Двухчервячные экструдеры. Несомнен­ными преимуществами многочервячных экс­трудеров, наиболее распространенными из которых являются двухчервячные, являются хороший захват исходного продукта в зоне питания независимо от формы сырья, принуди­тельное продвижение материала к формующе­му инструменту и взаимная самоочистка чер­вяков.

Различие в принципах работы двух - и од- ночервячной машин связано с разными меха­низмами создания давления в перерабатывае­мом материале. Если у одночервячного экстру­дера давление развивается благодаря вязкому течению, вызванному относительным движе­нием червяка в цилиндре, то у двухчервячных экструдеров давление создается за счет выжимающего действия витка сопряженного червяка. Способность к развитию давления у одночервячного экструдера определяется глу­биной винтового канала, в то время как у двух- червячного - геометрической степенью замк­нутости винтового канала

£ = —, (7-3.8)

T-ie

Где T - шаг винтовой нарезки; І - число захо­дов червяка.

Величина показывает, какая часть се­чения канала перекрывается, и характеризует принудительность транспортирования перера­батываемого материала к формующему инст­рументу экструдера и способность червяка развивать давление.

Кинематическая схема двухчервячного экструдера приведена на рис. 7.3.7. Червяки вращаются от электродвигателя 7, вал которого соединен муфтой с быстроходным валом трех­ступенчатого редуктора 6 Выходной (тихо­ходный) вал редуктора цепной передачей 5 и зубчатыми колесами 4 через жесткую муфту 3 Связан с червяками 2. Основными конструк­тивными элементами двухчервячного экстру­дера являются цилиндр 1, червяки 2, подшип­никовый узел 8, коробка скоростей и электро­двигатель 7. Перерабатываемый материал по­дается через загрузочную воронку 9.

У двухчервячного экструдера основными рабочими органами являются червяки, которые могут вращаться как в одну, так и в разные стороны. При вращении в одну сторону на­правление винтовой нарезки обоих червяков, находящихся в зацеплении, совпадает, в случае встречного вращения - оно различное (табл. 7.3.1).

В зависимости от назначения экструдеры могут оснащаться червяками одного из сле­дующих типов: 1) с малой и нулевой степенью сжатия, которые в основном применяют для смешения материалов при относительно низ­ких температурах, а гакже для переработки полимеров, чувствительных к нагреву: 2) со степенью сжатия 1:1.5. обычно используемые для смешения и переработки термопластов; 3) со степенью сжатия 1:2, применяемые при тщательном распределении добавок в смеси при перемешивании композиций.

Производительность и мощность двух­червячных экструдеров, находящихся в зацеп­лении, можно определить с помощью зависи­мостей (7.3.4) и (7.3.5) при К0 =3,64-КГ2,

CQ= 2. KN = 5,25 10 3 и CN =1,84.

Дисковые и диско-червячные экстру­деры. Необходимость поисков новых способов экструзии объясняется гем, что у червячных экструдеров большая часть теплоты, необхо­димой для пластикации материала, передается путем теплопередачи от стенок обогреваемого цилиндра. Поскольку полимеры имеют низкую теплопроводность, такой способ передачи теп­лоты требует длительного пребывания (обычно несколько минут) материала в экструдере. По­вышение градиента температур между цилин­дром и холодным полимером улучшает тепло-

Передачу, но вызывает опасность термической деструкции полимера. Поэтому желательно, чтобы полимеры нагревались более равномерно и за короткое время в результате трения. Кроме того, червячные экструдеры обычно не обеспечивают высокого качества смешения и диспергирования материалов, для которых необходим равномерный и интенсив­ный сдвиг материала по всей длине червяка экструдера.

В бесчервячном дисковом экструдере ис­пользованы свойства эластичности расплава полимера: эффект нормальных сил, который возникает при сдвиге вязкоэластичного мате­риала между вращающимся и неподвижным дисками.

Дисковый экструдер состоит из профильного вращающегося диска б, расположенного в обогреваемом корпусе 7 (рис. 7.3.8). Диск при­креплен к фланцу 8 вала /, установленного в радиально-упорных подшипниках 5. На кон­соли вала обычно устанавливается зубчатое колесо, связанное с приводом. Для обогрева диска и корпуса предусмотрены электрические нагреватели, необходимые в момент пуска дискового экструдера.

Рабочая камера дискового экструдера расположена между торцовыми частями кор­пуса и диска. Для изменения зазора между диском и корпусом (в пределах 0,2... 10 мм) установлена червячная передача 4, под дейст­вием которой посредством системы плит 3 и колонн 2 происходит относительное переме­щение вала и корпуса. На цилиндрических поверхностях фланца и корпуса имеется вин­товая нарезка, которая выполняет роль лаби­ринтового уплотнения, препятствующего про­никновению через зазор материала. Перераба­тываемый материал в виде порошка или гранул поступает в загрузочный канал 9, расположен - женныи тангенциально по отношению к коль­цевому каналу. Для устойчивой работы диско­вые экструдеры оснащают различными по кон­струкции питателями.

В дисковом экструдере нагрев происхо­дит по всей массе материала вследствие интен­сивных деформаций сдвига. В результате необ­ходимая длительность пластикации и гомоге­низации материала резко сокращаются, что особенно важно для термонестабильных мате­риалов.

Дисковые экструдеры отличаются высо­кой диспергирующей и гомогенизирующей способностью, связанной с однородностью поля скоростей сдвига, простотой конструкции и малыми габаритными размерами. Они пред­назначены в первую очередь для смешения, окрашивания, дегазации и обезвоживания ма­териалов, переработки быстроразлагающихся термопластов и грануляции. Однако крайне ограниченное давление экструзии и недоста­точная производительность затрудняют их промышленное применение.

Дисково-червячные экструдеры обладают высокой пластикационной и гомогенизирую­щей способностью, малым временем пребыва­ния полимера в экструдере, развивают высокое давление расплава на выходе из него.

Дисково-червячные экструдеры с инди­видуальными приводами в одну линию (рис. 7.3.9, а) и под углом (рис. 7.3.9, б) позволяют изменять в широком диапазоне частоты вра­щения диска и червяка.

Как и в случае червячных и двухчервяч - ных экструдеров производительность и мощ­ность дисковых экструдеров можно определять по зависимостям (7.3.4) и (7.3.5) при

,-4

Kg =6,6-КГ4, CQ= 2,23, К к =2,51-10 и CN =2,5.

А)

Рис. 7.3.9. Схемы дисково-червячных экструдеров:

1 - диск; 2 - корпус экструдера; 3 - червяк

Специальные экструдеры. В ряде слу­чаев переработки полимерных материалов ис­пользование червяка без специальных зон или устройств оказывается неэффективным, так как не достигается необходимая степень дисперги­рования и смешения, а в ряде случаев требует­ся проведение операции дегазации.

Диспергирующие элементы червяков по­зволяют создавать большие напряжения сдви­га, а смесительные - большие деформации перерабатываемого материала (рис. 7.3.10). Наиболее простым диспергирующим элемен­том является проточка в нарезке или смещение винтовой нарезки червяка 6. Круглые или тре­угольные кулачковые шайбы 1 устанавливают­ся в виде набора с последовательным поворо­том на некоторый угол. Часто применяется торпеда с «обратной» нарезкой 5 и дисперги­рующий элемент Лероя 2, в котором переме­щение расплава в осевом направлении возмож­но только через кольцевой зазор между по­верхностями элемента и материального цилин­дра. Хорошие результаты дает использование элемента с несколькими кольцевыми и про­дольными прорезями 4. Смесительные и дис­пергирующие элементы, как правило, устанав­ливаются между зонами с обычной нарезкой червяка 3. Смесительные элементы могут ис­пользоваться как диспергирующие, и наоборот.

В одночервячных осциллирующих смеси­телях типа «Ко-Кнеттер» фирмы Басс АД (Швейцария) червяк наряду с вращательным совершает возвратно-поступательное движение (рис. 7.3.11), в процессе которого зубья на ци­линдре многократно проходят через специаль­ные продольные пазы в нарезке червяка, бла - 1

Годаря чему намного увеличивается эффектив­ность смешения полимера. Следует отметить, что для улучшения условий подпора материала в зоне загрузки продольные пазы в нарезке червяка отсутствуют [37].

Одним из частных случаев работы зоны дозирования является режим работы с частич­но заполненным каналом, что широко приме­няется в дегазационных экструдерах для уда­ления из расплава захваченного гранулами воздуха, растворенных низкомолекулярных фракций, газов и др. (рис. 7.3.12). Отсос лету­чих производится через отверстия в корпу­се цилиндра в специально устраиваемой зоне

Дегазации ///, в которой необходимо создать условия для поддержания давления ниже атмо­сферного. Это достигается согласованием ра­боты отдельных зон экструдера путем подбора глубины канала по зонам или установкой спе­циальных дросселирующих устройств. В пер­вом случае производительность дозирующей зоны IV, расположенной за зоной дегазации III, Устанавливается больше производительности дозирующей зоны II и зоны питания I, распо­ложенных до дегазационной секции, вследст­вие применения червяков с отношением глуби­ны канала в указанных зонах, равным 1,2... 1,4. Глубина канала в самой зоне дегазации выпол­няется в 2 - 3 раза больше глубины канала в первой зоне дозирования [3].

Обычно червячные экструдеры работают в политропическом режиме при наличии ин­тенсивного теплообмена от стенок цилиндра к перерабатываемому материалу, а также от ма­териала к деталям машины и дальше к окру­жающей среде. Червячцые машины, работаю­щие без внешнего обогрева, называют адиаба­тическими экструдерами. Однако в реальности всегда происходит теплообмен между стенка­ми цилиндра, червяком и перерабатываемым материалом, поэтому правильнее такие экстру­деры называть автотермическими.

В телескопическом автотермическом экструдере составной червяк состоит из двух червяков (рис. 7.3.13) внутреннего 1 и наруж­ного 13, соединенных болтом 9 и шпонкой 7. Наружный червяк заканчивается гладкой пара­болической торпедой 12, образующей узкий кольцевой канал 8 с цилиндром 14 экструдера, в котором и создаются интенсивные сдвиговые деформации.

Корпусные элементы 14 и 16 экструдера и фланцы 2 и 11 соединены резьбовыми колон­нами 5. Внутри конического корпуса 3 уста­новлен червяк /, а на наружной поверхности имеется винтовая нарезка, которая выполняет роль червяка в среднем кольцевом канале 4.

Перерабатываемый материал поступает из бункера в загрузочное отверстие корпуса 16 и транспортируется витками червяка, при этом материал постепенно нагревается, пластициру - ется и по каналу 4 поступает в канал 6. Нали­чие винтовой нарезки на наружной поверхно­сти конуса 3 и червяка 15 способствует транс­портировке и нагнетанию материала. Однород­ный пластицированный материал через каналы 8 и 12, пройдя дроссель 10, направляется в формующий инструмент экструдера (на рисун­ке не показан), который крепится к фланцу.

Профилирующая головка и корпус экс­трудера оснащены электрическими нагревате­лями, которые включаются только в период пуска экструдера. При нормальной эксплуата­ции экструдера материал нагревается и плавит­ся за счет теплоты, выделяющейся от трения и сдвига. Экструдер имеет небольшие габарит­ные размеры, обеспечивает высокую гомогени­зацию расплава и возможность переработки различных термопластов.