Теория и практика экструзии полимеров

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Изготовление труб на экструзионных агрегатах включает в себя следующие технологические стадии:

— плавление исходного сырья и гомогенизация расплава в эк­струдере;

— выдавливание трубчатой заготовки в вязкотекучем состоя­нии из кольцевого зазора экструзионной головки;

— придание заготовке необходимой формы и размеров и их фиксирование за счет частичного охлаждения в калибрующем уст­ройстве;

— завершение процесса охлаждения трубы в охлаждающем уст­ройстве;

— отвод непрерывно изготовленной трубы, разрезка ее на мер­ные отрезки или намотка на барабан;

— контроль качества готовой продукции.

Технологическая схема аг­регата для производства труб приведена на рис. 6.17. Ком­поновка машин и устройств, показанная на нем, являет­ся наиболее распространен­ной.

В табл. 6.3 приведены дан­ные по производительности трубных линий в зависимости от типоразмера изготовляе­мой трубы. Данные взяты из предложения фирмы «Тис - сен» (ФРГ) на поставку комп­лектного оборудования заво­да мощностью 60 тыс. т/год.

Из табл. 6.3 видно, что в настоящее время производи­тельность базового экструдера может составлять до 800 кг/ч.

11роизводительность линии зависит от типоразмера трубы

и с увеличением последнего возрастает. Линейная скорость отвода трубы не превышает 4 м/мин (исключение составляют только наи­более мелкие трубы). Таким образом, рост производительности линии в первую очередь связан с проблемой повышения линей­ной скорости отвода трубы.

Выходящая из формующего зазора головки 2 расплавленная за­готовка проходит через калибрующее устройство 3, частично ох­лаждаясь в нем, приобретает форму и размеры, соответствующие форме и размерам готовой трубы 8. Окончательное охлаждение происходит в ванне 4. В зависимости от того, какая из поверхнос­тей трубы подвергается калибрующему воздействию, различают наружное, внутреннее и двухстороннее калибрование. Прижатие заготовки к калибрующей поверхности осуществляется способами раздува ее сжатым воздухом, подаваемым в полость трубы (пнев­мокалибрование), присоса (вакуум-калибрование), а также про­тяжки. Различные способы калибрования трубчатой заготовки по­казаны на рис. 6.18.

Калибрование заготовки (рис. 6.18, в), раздуваемой за счет из­быточного внутреннего давления (пневмокалибрование) путем ее протяжки через ряд диафрагм, установленных в охлаждающей ванне, впервые было предложено в 1944 г. в США (21]. Охлаждае­мая водой калибрующая втулка (рис. 6.18, г) предложена в 1952 г. [22). В конструкции фирмы «Понт-а-Муссон» сделана попытка интенсифицировать теплообмен во входной зоне калибрующей втулки [23]. Авторы заявки стремятся связать длину входного ка­нала с диаметром трубы.

Рис. 6.18. Устройства для калибровки труб:

а - но наружному диаметру сжатым воздухом; б - по наружному диаметру вакуумировани- ■ м. в - по наружному диаметру путем протяжки через калибровочное отверстие; г - по наруж­ному диаметру путем протяжки через диафрагму; д - по внутреннему диаметру.

/ - мундштук; 2 - калибрующая гильза; 3 - выход хладагента; 4 - вакуумная камера; 5 - Фуочатая заготовка; 6- трос: 7- пробка; 8 - подача хладагеюа; 9- лорн; 10- подача сжатого •нилуха; II - штуцер вакуумный; 12 - входная калибрующая пластина; 13 - термопара; N - шаровое окно; 15 - охлаждающая жидкость; 16 - выходная калибрующая пластина; 17- пол - | рживаюшая стойка: 18- вентили; 19- манометр; 20- оросительные каты и; 21 - калибрую­щие диафрагмы; 22- входная калибрующая пластина; 23- калибрующая втулка I.* 4741)

Отметим направление разработок, связанных с проблемой спи жения трений заготовки о калибрующую поверхность |65|. Ирм применении подобных конструкций следует учитывать недопус тимость прямого контакта жидкой смазки с расплавленными но димерами (рис. 6.18, d), характеризующимися значительной тер мической усадкой. Такой контакт приводит к образованию на по верхности трубы усадочных раковин.

В настоящее время с методом пневмокалибрования конкурпру ет метод вакуумного калибрования с помощью блока диафрани, погруженных в жидкость или орошаемых ею (251. Очевидным преимуществом метода является отсутствие заглушающих трубчи тых устройств 5 (см. рис. 6.17). В непрерывном процессе эти уст ройства помещаются во внутреннюю полость грубы и при прош водствс груб диаметром до 160 мм существенно затрудняют веде­ние процесса.

В калибрующем устройстве 3 (см. рис. 6.17) отводится лишь не значительная часть тепла, содержащегося в материале трубы Большая его часть отбирается в охлаждающем устройстве 4. При современном уровне производительности экструзионных машин длина охлаждающих ванн составляет до 70 % длины трубной ли нии. В связи с гем, что процессу охлаждения трубной заготовки первоначально не придавали существенного значения, а также и связи со значительными габаритами охлаждающих ванн, в течение длительного времени стремились к максимально упрощенным ком структивным решениям. Трубную заготовку охлаждали погруженн см в неподвижную или слабо перемешиваемую жидкость. Так как максимальный тепловой поток при охлаждении заготовки наблю дается на стадии калибрования и в начальной сталии охлаждении, влияние повышения температуры охлаждаемой поверхности заго товки вследствие недостаточности теплоотвода на продолжитель­ность охлаждения не представлялось очевидным. Кроме того, су­ществовало ошибочное мнение, что вследствие низкой теплопро - водности полимеров внешние условия теплообмена не являются фактором, лимитирующим интенсивность отвода тепла от заго­товки. Однако, как показала практика, интенсификация теплооб мена в охлаждающем устройстве может повысить его производи тельность на 30 %.

Основным путем интенсификации является принудительная циркуляция охлаждающей жидкости у поверхности заготовки Это достигается, в частности, путем отвода жидкости из калиб­рующей насадки через кольцевой зазор, направляющий струю жидкости вдоль поверхности заготовки 124, 26]. Струя разруша ет пограничный тепловой слой, препятствующий интенсивному теплообмену. Однако се действие распространяется лишь па весьма незначительную часть длины заготовки и не может су­щественно сказаться на уровне коэффициента теплоотвода и целом.

Авторами работы 127J интенсификация охлаждения достигает - »я путем создания кольцевого потока жидкости или водовоздуш - мой смеси.

Мри производстве труб большого диаметра применение ванн наливного типа затруднено из-за весьма значительных усилий всплытия, воздействующих на трубную заготовку. Этого недостат­ка лишены охлаждающие ванны оросительного типа |28|. Охлаж - ыющая жидкость подается в этом случае либо путем полива, либо разбрызгиванием с помошыо форсунок, установленных вокруг за - юговок с шагом, обеспечивающим создание на ее поверхности непрерывной пленки жидкости, стекающей под действием соб-

• I ионного веса. Как показал опыт, такая организация охлаждения имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее рассмотренными. Основным из них является то. что слой жидкости на поверхности Фубы, достаточный для максимальной интенсификации теплоот - нода от заготовки, оказывается весьма тонким, а энергетические расходы, связанные с циркуляцией жидкости, минимальны, по­вышается стабильность и равномерность охлаждения по перимет­ру трубы. Кроме того, существенно снижаются металлоемкость конструкции и требования к уплотнению отсеков ванн при входе и выходе заготовки. Наиболее прогрессивные технологические процессы производства труб малого диаметра также включают в

* ебя такой способ охлаждения, в частности вакуумные ванны с ка - шбрующими шайбами и распылением жидкости.

Другие методы и устройства охлаждения труб, в том числе и на < Iалии калибрования, подробно описаны в работе |29|. В практике производства напорных труб из термопластов они не могут конку­рировать с рассмотренными выше.

Конструкции механизмов для отвода трубы и разрезания ее на отрезки требуемой длины в настоящее время хорошо отработаны | Ю—32].

Контроль готовой продукции включает в себя проверку соот­ветствия размеров трубы заданным, а также оценку эксплуатаци­онных характеристик трубы. Требуемая точность геометрических размеров труб, определяемая многими факторами, подробно рас­смотренными в работе |33|, в подавляющем большинстве случаев юстигастся стабилизацией параметров технологического режима (скоростные и температурные режимы рабочих органов и меха­низмов агрегата).

Одним из решающих качественных показателей напорныхтруб как конструкционных изделий является их несущая способность. В связи с этим наиболее важной характеристикой труб являются их прочностные свойства и способность противостоять опрсде - юнному давлению в течение заданного промежутка времени.

Применяемый метод контроля долговременной прочности тру­пы состоит в следующем: образец изготовленной трубы при испы - 1лнии нагружают внутренним гидростатическим давлением, уро­

вень которого зависит от типа трубы, и при определенной темпе­ратуре выдерживают контрольное время. Метод испытания осно­ван на большом объеме экспериментальной работы, проведенной К. Рихардом и Е. Гаубс (34—361, и позволяет экстраполирован, данные сравнительно кратковременных испытаний на 30—50-лст ний срок службы напорных труб в условиях эксплуатации. Болес простые и оперативные методы оценки качества основаны, на­пример, на определении физико-механических показателей мате­риала стенки трубы, уровня внутренних остаточных напряжении, характера надмолекулярной структуры. Хотя все перечисленные факторы влияют на долговременную прочность трубы, последний определяется их совокупностью и особенно — характером их из­менения во время и при условиях эксплуатации. Поэтому оконча­тельное заключение о пригодности трубы может быть сделано только после соответствующих гидравлических испытаний.

При решении задачи оптимизации процесса необходимо выя* вить основные факторы, определяющие стойкость выпускаемого изделия к длительной эксплуатации.