Оборудование заводов по переработке пластмасс

КОНСТРУКЦИЯ ОДНОЧЕРВЯЧНОГО ЭКСТРУДЕРА

Одночервячный экструдер (рис. 5.2) состоит из червяка 1, вра­щающегося внутри цилиндрического корпуса 2, на котором установлен бункер 11. Внутри корпуса, как правило, запрессо­вывается гильза 3 с азотированной, закаленной и термообрабо - танной поверхностью. Обогрев корпуса осуществляется нагрева­телями 4, сгруппированными в несколько (как правило, три или четыре) тепловых зон. На конце корпуса устанавливается голов­ка с профилирующим инструментом 5, соединяющаяся с кор­пусом экструдера посредством адаптера 6. Между червяком и адаптером располагается решетка с пакетом фильтрующих се­ток 7. Корпус устанавливается на станине 8. Осевое усилие вос­принимается блоком упорных подшипников 10. Привод червяка осуществляется от регулируемого электродвигателя через шес­теренчатый редуктор 9. Бункер изготавливается из листовой стали или алюминиевых сплавов со смотровым окном для конт­роля за уровнем находящегося в бункере материала. Для пе­реработки материалов, склонных к сводообразованию (зависа­нию), в бункере устанавливают перемешивающее устройство. Бункера экструдеров, предназначенных для переработки мате­риалов с низкой сыпучестью (порошки, отходы производства пленок и нитей), оборудуют устройствами для предварительно­го уплотнения материала. Для переработки гидрофильных по-

Червяки. В современных экструдерах применяются чер­вяки с относительной длиной L/Z) = 15-f-35. Диаметр червя­

Ков регламентируется ГОСТ 14773—80 и может составлять 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320; 450; 630 мм. Наиболее распространены так называемые зонированные червяки (рис. 5.4), на которых можно выделить зону питания L3, зону плав­ления Ьпл и зону дозирования LH. Основные конструктивные параметры каждой зоны приведены в табл. 5.1.

Экструзионный материал может поступать на переработку в виде гранул или порошка. Гранулы загружаются в бункер и че­рез загрузочное отверстие поступают к червяку. Продвигаясь вдоль червяка, гранулы расплавляются, расплав продавливает­ся через решетку и пакет фильтрующих сеток. Затем расплав проходит через конический диффузор (адаптер) в головку, в ко­торой установлен профилирующий инструмент.

Червяк-—это основной рабочий орган экструдера. Он заби­рает непластицированный материал от загрузочного отверстия, пластицирует его и равномерно подает в Виде гомогенного рас­плава к головке. Продвигаясь по каналу червяка, материал разогревается как за счет тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения, так и тепла, подводимого от расположенных на корпусе нагревателей. В результате уплотнения из материа­ла удаляется захваченный вместе с гранулами (или порошком)

0,5 jl — — — 0,08—0,1 0,002—0,

* Постоянная или плавно уменьшается. ** Выбирается по экспериментальным данным об изменении удельного объема ма­териала по длине червяка.

*** Здесь К — степень сжатия.

Воздух, и удельный объем пробки гранул уменьшается. Для ком­пенсации уменьшения удельного объема гранулята канал чер­вяка выполняется с уменьшающимся объемом витка. Поэтому глубина винтового канала червяка на выходе всегда меньше, чем на входе.

По характеру процессов, протекающих на каждом участке червяка, его обычно можно разделить по длине на три основ­ные зоны:

Зона питания (или зона загрузки) — участок, на котором пе­рерабатываемый материал находится в твердом состоянии;

Зона сжатия (или зона плавления) — участок, на котором почти полностью происходит плавление материала;

Зона дозирования — участок, на котором материал находит­ся в расплавленном вязкотекучем состоянии.

Червяк, представленный на рис. 5.4, имеет явно выражен­ную зону плавления. В зоне питания глубина канала макси­мальна. В зоне плавления она постепенно уменьшается до. зна­чения, соответствующего зоне дозирования. По мере приближе­ния к головке площадь поперечного сечения канала червяка сокращается. Это достигается в результате уменьшения глуби­ны канала червяка, вследствие снижения шага нарезки или за счет того и другого одновременно.

Отношение объемов витков винтового канала в начале и в конце зоны плавления (геометрическая степень сжатия) рассчи­тывают по формуле

* = ZZnlS1 (5-І)

Где Dsi=D—2/ii — диаметр сердечника червяка в начале зоны плавления; Ј>s2=D—2/ї0 — диаметр сердечника червяка в конце зоны плавления (начало зоны дозирования).

Червяки современных экструдеров изготавливают из нержа­веющих хромомолибденовых, хромоникелевых сталей. Высокая поверхностная твердость обеспечивается различными видами термообработки (закалкой, цементацией с последующей закал­кой, азотированием). Гребни нарезки червяков, предназначен­ных для переработки композиций с абразивным наполнителем, защищают, наваривая покрытие из твердых сплавов с твердо­стью HRC^70.

При работе экструдера на червяк действуют значительные осевые и радиальные усилия, для восприятия которых в каче­стве опор применяют конические самоустанавливающиеся под­шипники, воспринимающие осевые и радиальные усилия, в со­четании с радиальными подшипниками, воспринимающими толь­ко радиальные усилия. При расчете подшипников стандартны­ми методами принимают, что давление в конце червяка (для подсчета осевой составляющей) равно 70—80 МПа, а срок службы — 30-103 ч.

Корпус. Корпус одночервячного экструдера изготавливают из поковок, выполненных из стали 45. Крепление корпуса к блоку подшипников осуществляют фланцевым соединением. Гильзы изготавливают из нержавеющей стали, внутреннюю по­верхность цементируют и азотируют. В экструдерах, предназна­ченных для переработки матёриалов, наполненных абразивным

1 — фланец корпуса экструдера; 2 — фланец головки; 3 — болт; 4 — решетка фильтра с пакетом сеток; 5 — опорное кольцо; 6 — червяк; 7 — втулка крепления фильтра.

Рис. 5.6. Фланцевое крепление откидными болтами (поз. 1—7 см. на рис. 5.5).

Рис. 5.8. Байонетно-резьбовой затвор:

I — резьбовое кольцо; 2 — корпус экструдера с резьбой на конце; 3 — неподвижное упор­ное кольцо на корпусе головки (остальные обозначения см. на рис. 5.5).

Наполнителем, применяют гильзы, внутренняя поверхность ко­торых покрывается твердым износостойким сплавом (победит, ксиллой), или борированные биметаллические гильзы длиной (3-ї-4)£>. Для переработки порошкообразных полимеров на уча­стке зоны питания устанавливают втулку с рифленой внутренней поверхностью.

Корпус экструдера может соединяться с головкой при по­мощи одного из следующих четырех типов соединений: 1) флан­цевое крепление обычными болтами (рис. 5.5); 2) фланцевое крепление откидными шарнирными болтами (рис. 5.6); 3) бы­стродействующий затвор, состоящий из двух стяжных клиновых хомутов (рис. 5.7); 4) быстродействующий байонетный затвор, состоящий из установленной на корпусе байонетной гайки и не­подвижного упорного фланца, укрепленного на головке (рис. 5.8).

Преимущество быстродействующих затворов состоит в том, что для их отпирания или запирания достаточно освободить или затянуть только один конструктивный элемент. На больших экструдерах (с диаметром червяка более 250 мм) для стяжных клиновых хомутов вместо винтового механизма применяют гид­равлический или пневматический цилиндр.

Обогрев корпуса осуществляется нагревателями сопротивле­ния. Иногда для этой цели применяют индукционные нагревате­ли, паровой или масляный обогрев.

Для отвода избыточного тепла, выделяющегося из-за вязкого трения в зонах плавления и дозирования, а также для обеспече­ния нужного температурного режима в зоне питания служит система охлаждения. Чаще всего корпус экструдера охлаждают при помощи систем воздушного охлаждения, обеспечивающих плавное снижение температуры со скоростью около 2,5 град/мин. Для этого на экструдере устанавливают систему воздушного охлаждения, состоящую из одного или нескольких вентиляторов, системы воздухопроводов и заслонок, управляющих подачей охлаждающего воздуха.

Для поддержания заданного температурного режима слу­жит система тепловой автоматики, включающая в себя комп­лект термопар и комплект регулирующих приборов, собранных в общий пульт тепловой автоматики. Обычно регулирование температуры тепловой зоны ведут по показаниям термопары, установленной в середине зоны, причем отверстие, в которое вставляется термопара, высверливается до половины толщины стенки корпуса. Такое расположение термопары имеет два не­достатка: 1) значительное отклонение замеряемой температуры от фактической, так как спай термопары регистрирует некото­рую промежуточную температуру между температурой поверх­ности нагревателя и температурой внутренней поверхности кор­пуса; 2) большое время запаздывания и значительные колеба­ния температуры, так как утопленная термопара не сразу реа­гирует на изменение температуры расплава или нагревателя.

Более точное поддержание температуры обеспечивает при­менение систем каскадного регулирования температуры (рис. 5.9), в которых используются две термопары. Одна из термопар (регулирующая) располагается непосредственно у поверхности нагревателя и сразу же реагирует на изменение теплового по­тока, спай второй погружается в расплав или устанавливается на очень небольшом расстоянии от внутренней стенки корпуса. Сигнал с этой термопары Тш подается на вход главного пропор-

Ционально-интегрального регулятора Rc, который сравнивает его с установленной величиной Ts и корректирует установку ис­полнительных регуляторов Rhi—Rh4j соединенных с регулирую­щими термопарами Ts„ управляющими включением и выключе­нием нагревателей Н. Такая система регулирования обеспечи­вает автоматическую корректировку температуры поверхности корпуса, которая изменяется до тех пор, пока температура рас­плава (или внутренней поверхности корпуса) не достигнет за­данного значения.

Фильтр для расплава. Для предотвращения попадания в формующий инструмент частиц непроплавленного полимера на выходе из экструдера устанавливается пакет фильтрующих се­ток. Обычно пакет набирается из трех-четырех сеток с отвер­стиями различной величины. При этом в основание пакета укла­дывается опорная сетка с самыми крупными ячейками. Затем устанавливаются одна или две промежуточные поддерживаю­щие сетки, на которые накладывается последняя фильтрующая сетка с самыми мелкими ячейками. Собранный таким образом пакет устанавливается на решетку и вставляется в корпус экс­трудера между червяком и головкой. При установке пакета необходимо следить за тем, чтобы мелкая фильтрующая сетка была расположена с внешней стороны пакета. В противном случае давление расплава прорвет сетку и выдавит ее в от­верстия решетки.

Такие фильтры рассчитаны на задержание частиц с линей­ным размером не менее 200 мкм.

В экструдерах, применяемых для изготовления сверхтонких конденсаторных или магнитофонных пленок, устанавливаются специальные фильтры, обеспечивающие улавливание посторон­них включений размером до 16 мкм. Обычно такие фильтры состоят из двухпозиционной кассеты, в каждое из гнезд кото­рой вставляется по фильтрующему элементу. Замена фильтра производится без остановки экструдера, простым передвижени­ем кассеты с помощью гидравлического * или пневматического сервопривода. Сигналом, указывающим на необходимость заме­ны фильтра, является повышение давления в расплаве перед фильтром. Еще более тонкой очистки удается добиться, приме­няя фильтрующие элементы, в которых в качестве наполнителя используют кварцевый песок. В таких фильтрах задерживаются частицы размером мкм.

Конструкция фильтров, предназначенных для очистки рас­плава, должна удовлетворять следующим требованиям: а) обес­печивать замену фильтрующих сеток при минимальной продол­жительности остановок (или без них) технологического процесса;

Б) должна быть герметичной, не допускать утечек расплава как мимо фильтрующих сеток, так и в окружающую среду;

В) гидравлическое сопротивление фильтра должно быть мини­мальным; г) в процессе фильтрации в фильтре не должно воз­никать застойных зон; д) распределение температуры в рас-

Плаве при прохождении через фильтр должно оставаться неиз­менным.

Конструкции фильтров классифицируют по характеру фильт­рующих элементов (шиберного, кассетного и пробкового типа) и по числу фильтрующих элементов (одно - и двухкамерные).

Схема однокамерного фильтра шиберного типа приведена на рис. 5.10. Основным рабочим органом такого фильтра явля­ется шибер / (рис. 5.10, а), который перемещается с помощью механического привода, поочередно вводя в корпус экструдера фильтрующие сетки 2 и 3. В фильтре с рулонной самопереме­щающейся сеткой (рис. 5.10,6) сетка / протягивается через щель в корпус 2 потоком утечек, расход которого определяет­ся величиной зазора между корпусом и сеткой со стороны вы­хода сетки. В самоочищающемся фильтре (5.10, в) засоренная сетка очищается обратным потоком расплава. Для этого диск 1 поворачивается таким образом, чтобы установленный в нем па­кет сеток совместился с отверстием, соединяющим камеру фильтрации 2 с атмосферой. Проходящий через пакет сеток в обратном направлении поток расплава промывает фильтр от находящихся на сетке включений.

Типичная конструкция шиберного фильтра приведена на рис. 5.11. Фильтр состоит из корпуса 6, внутри которого пере­двигается плоская плита 1 с гнездами 3 и 4 для фильтрующих сеток. Пакеты сеток 2 установлены на решетках 14 и зафиксиро­ваны стопорными кольцами 15. Винт 16 служит для продольно­го перемещения плиты 1. Уплотнение достигается за счет при­жатия втулки 9 к торцевой поверхности плиты 1 и растяжения давлением расплава фторопластового кольца 7. Для увеличе­ния усилия, с которым втулка 9 прижимается к плите, на втул­ке укреплена обтекаемая торпеда 8. Обогрев корпуса 6 и огра­ничительной плиты 12 осуществляется электронагревателем 13 с регулирующей термопарой 10. Крепление фильтра к корпусу экструдера и адаптеру головки осуществляется болтами 5 и 11.

Большей универсальностью обладают кассетные фильтры (рис. 5.12) с цилиндрической фильтрующей сеткой, имеющей гладкую или гофрированную поверхность (с продольными или поперечными гофрами). Фильтрующий элемент 8 состоит из трех концентрических перфорированных цилиндров 3, 4 и 5 с закреп­ленными на их поверхности фильтрующими сетками и устанав­ливается непосредственно в корпусе 2 адаптера формующей го­ловки. Расплав из экструдера попадает в каналы фильтрующего элемента 8, а затем проходит через отверстия 1 в цилиндрах и ячейки фильтрующих сеток и попадает в формующую головку. Обогрев корпуса фильтра осуществляется нагревателем 7 с ре­гулирующей термопарой 6. Благодаря большой фильтрующей поверхности срок непрерывной работы такого фильтра может достигать одного месяца.

В настоящее время в оборудовании для переработки поли­меров наиболее широко используют фильтры шиберного типа (с ручным или гидравлическим приводом шибера) и фильтры кассетного типа с фильтрующей сеткой цилиндрической формы.

Привод экструдера. Способы регулирования частоты враще­ния червяка зависят от необходимого диапазона регулирова­ния. Чаще всего в качестве привода применяют электродвига­тели постоянного тока с тиристорным управлением и коллектор­ные двигатели переменного тока. Некоторое распространение получил гидропривод и асинхронные двигатели в сочетании с механическими шестеренчатыми редукторами. Зависимость час­тоты вращения от диаметра червяка показана на рис. 5.13. Верхняя граница рабочей области выбрана из условия обеспе-
менных экструдеров.

Рис. 5.14. Зависимость максимального вращающего момента от диаметра чер­вяка.

Чения безопасной с точки зрения механодеструкции максималь­ной скорости вращения червяка (максимальная скорость сдви­га).

Выбранный привод должен надежно обеспечивать необходи­мый для работы экструдера вращающий момент во всем рабо­чем диапазоне частот вращения червяка. Зависимость вращаю­щего момента от диаметра червяка приведена на рис. 5.14.

Удельные энергозатраты при экструзии складываются из энергии, потребляемой приводом червяка, и энергии, потреб­ляемой нагревателями корпуса и головки. С увеличением час­тоты вращения червяка доля энергии, расходуемой на привод червяка, увеличивается, а используемой нагревательными эле­ментами — соответственно уменьшается.

Электроприводы со стабилизацией частоты вращения червяка. Диапазон регулирования частоты вра­щения червяков составляет около 1 : 10 (для приемных устройств диапазон регулирования скорости несколько шире-—от 1 : 30 до 1:50). В настоящее время для регулирования частоты враще­ния двигателя наиболее широко применяют систему тиристор - ный преобразователь — двигатель постоянного тока (ТП—Д) с питанием якорной цепи двигателя от регулируемого тиристор­ного преобразователя при неизменном токе возбуждения дви­гателя.

Принципиальная схема автоматической системы регулирова­ния частоты вращения (АСР) приведена на рис. 5.15. Как и большинство современных АСР, она имеет два контура регу­лирования: внутренний (подчиненный)—замкнутый контур ре­гулирования силы тока с регулятором РТ и измерителем силы тока ДТ — и внешний (основной) контур регулирования час­тоты с тахогенератором в качестве датчика частоты ДЧ и регу­лятором, установленными в цепи обратной связи. При таком
исполнении АСР тиристорный преобразователь ТП, охваченный отрицательной обратной связью по току, играет роль регулируе­мого источника питания с большим внутренним сопротивлени­ем; заданное значение силы тока определяется выходным сиг­налом регулятора частоты РЧ. Ограничение максимальной си­лы тока двигателя Д (следовательно, и крутящего момента) до стигается в такой системе ограничением величины выходного сигнала основного' регулятора РЧ. Системы управления приво­дом такого типа вследствие малой инерционности тиристорных преобразователей обладают высоким быстродействием.

Аппаратура управления экструдеров обычно состоит из пуль­та управления и шкафа тепловой автоматики. На пульте управ­ления располагается аппаратура управления двигателем приво­да, кнопки пуска и останова экструдера и приборы, показыва­ющие основные параметры процесса: частоту вращения червя­ка, силу тока в цепи двигателя - привода, температуру и давление расплава на выходе из червяка. В шкафу тепловой автоматики устанавливаются приборы для контроля и регулирования тем­пературы тепловых зон.

В настоящее время широкое распространение получают мик­ропроцессорные системы управления. В таких системах все управление процессом экструзии осуществляется микроЭВМ, в программирующий блок которой лишь вводится перфокарта с заданным технологическим режимом. Применение ЭВМ с мик­ропроцессором позволяет производить быструю переналадку оборудования при переходе с выпуска одного изделия на выпуск другого. Более качественное ведение процесса дает возможность уменьшить поле допуска на разнотолщинность изделий и сокра­тить на 6—10% расход пластмасс.