Аналіз роботи сучасного одношнекового екструдера

Одношнековий екструдер з моменту його створення (1935) працював як гвинтовий насос, в якому тиск розплаву створювалося на останніх витках шнека в зоні нагнітання (дозування). Від відомих з кінця позаминулого століття «шприцмашин» для переробки гуми екструдер відрізнявся лише довжиною і геометрією шнека, пристосованої до реологічних і теплофізичних властивостей розплаву полімеру. Незважаючи на те, що до 1965 фактично було повне кількісне опис екструзійного процесу від завантажувального бункера до формуючого інструменту, екструдер залишався дуже недосконалим і, за сьогоднішніми мірками, малопродуктивним.

З середини 70-х років минулого століття в Німеччині почалися інтенсивні дослідження та масові випуски екструдерів із поздовжнім рифленням циліндра в зоні завантаження. Це було своєрідною революцією на майже півстолітньому шляху розвитку теорії та практики екструзійного процесу.

Із застосуванням у зоні завантаження рифлених втулок, що охолоджуються, принцип роботи екструдера різко змінився. Гвинт шнека, звичайно ж, продовжує працювати на нагнітання (закони гідродинаміки суцільних середовищ ніхто не скасовував), але визначальним у русі полімеру в екструдері стала "здатність, що штовхає", що штовхає, зони завантаження, що в 3-5 разів перевищує напірну продуктивність зони дозування. Американські дослідники довгий час ігнорували очевидні успіхи західнонімецьких фахівців, зосередивши всю свою увагу виключно на проблемі плавлення матеріалу у витках шнека.

Перші екструдери, забезпечені рифленою втулкою (ТПМ 63; ТПМ 90; ТПМ 150 та ТПМ 200) фірми «Тіссен Пластик Машинен» з'явилися в СРСР із закупівлеюобладнання для Казанського трубного заводу (1980-ті рр.) і вражали своєю небачено високою продуктивністю. Незвичайним виглядав і шнек, що має однакову глибину нарізки по всій його довжині. На кінці шнека був прообраз сучасного змішувального елемента.

Після початкової ділянки довжиною близько 5D(з рифленням на циліндрі)шнекможе взагалі не мати звичної нарізки з функцією транспортування і повинен мати конфігурацію, що максимально відповідає задачі плавлення полімеру. Найбільш повно, як свідчить практика, таке завдання вирішує так званий бар'єрний шнек. Не останню роль у цьому відіграли результати досліджень американських спеціалістів.

Нагрів і плавлення полімеру в сучасному екструдері відбувається в основному за рахунок механічної енергії обертання шнека. Механічна енергія найбільш ефективно витрачається і переходить у теплову в зонах «сухого» тертя полімеру про металеві поверхні шнека та циліндра екструдера. Розплав полімеру, хоча і має високу в'язкість (коефіцієнт тертя), у цьому сенсі не може конкурувати з тертям, що виникає в твердому полімері (або в дуже тонкому прошарку розплаву, що утворився) при високих контактних тисках і швидкостях руху.

У бар'єрному шнеку розплав, що утворився на першій третині його довжини, починає відокремлюватися від твердої фази, яка продовжує ущільнюватися з ефективним виділенням тепла для повного (або майже повного) свого плавлення. Довжина бар'єру становить приблизно третину довжини шнека, і на виході з нього ми маємо повністю розплавлений полімер, можливо, з невеликою часткою твердої фракції.

Довжина шнека, що залишилася, призначена для вирівнювання температури в потоці розплаву (температурна гомогенізація). Цьому процесу сприяють змішувальніелементи тієї чи іншої конструкції, що встановлюються у цій частині шнека.

Розглянемо докладніше осьовий функціональний розріз сучасного шнека загальною довжиною 36-37D.

На довжині близько 10 D відбувається ущільнення і розігрів полімеру до температури плавлення; початок плавлення. Обсяг витка у цій довжині змінюється незначно, тобто. ущільнення матеріалу визначається «штовхає» здатністю рифленої втулки та опором «бар'єра», а не «ступенем стиснення» шнека в цій зоні.

На довжині від 10 до 29Dвідбувається плавлення. При цьому розплав сепарується у знову утворений додатковий виток (виток Майллефера), обсяг якого монотонно збільшується до кінця цієї ділянки, тоді як обсяг основного витка сходить до нуля, що, по суті, є бар'єром для виходу з цієї зони нерозплавленого матеріалу.

У США бар'єрний шнек винайдений і до останнього часу застосовувався без рифленої втулки. У цьому варіанті велика ймовірність, що при підвищенні швидкості обертання шнека (продуктивності) тверда пробка не встигне розплавитися і закупорить бар'єр. Насправді це призводить до пульсації продуктивності. Тому бар'єрний шнек без встановлення в зоні завантаження рифленої втулки часто програвав у порівнянні з традиційним «компресійним» шнеком стабільності в роботі.

У Європі бар'єрний шнек почав застосовуватися лише у поєднанні з рифленою зоною завантаження, коли стало можливим ігнорувати замикаючу дію бар'єру. В даний час поєднання - "рифлення в зоні завантаження + бар'єрний шнек" - стало загальноприйнятим у всьому світі.

Безпосереднім продовженням зони плавлення є змішувальний елемент – так звана торпеда (рис. 3).

По суті це теж бар'єр, тільки не гвинтовий, а"корковий". У циліндрі зовнішнім діаметром, що дорівнює внутрішньому діаметру циліндра екструдера, виконані пари поздовжніх пазів, один з яких відкритий з боку входу, але заглушений на виході, інший, навпаки, відкритий на вихід. Розплав втікає у відкритий на вхід паз і вузької радіальної щілини, виконаної між пазами, перетікає в сусідній, відкритий на вихід. Таких пар пазів – від 6 до 12, залежно від діаметра шнека. Довжина «торпеди» - близько 5D, висота щілини не перевищує 1 мм (для шнека діаметром 90 мм). Крім очевидної гомогенізуючої дії, «торпеда» створює істотне (за нашими оцінками, до 100 бар) гідравлічний опір перебігу розплаву в шнеку, що ніяк не позначається на його продуктивності, але підвищує здатність гомогенізувати попередніх зон шнека. Дещо раніше, коли ефективна довжина шнека не перевищувала 32D, цим елементом (або більш раннім його різновидом – «пропелером») шнек і закінчувався.

Сучасний шнек (довжиною 37D) має два послідовно встановлені змішувальні елементи - «торпеду», найчастіше більш сучасну, гвинтову, і «пропелер». Загальна довжина цієї зони становить близько 8D.

Прослідкувавши еволюцію конструкції шнека, перейдемо до деяких практичних спостережень за роботою екструдерів.

Порівняльною характеристикою «ступеня досконалості» екструдерів одного діаметра шнека є продуктивність на один оборот шнека =Qе/n.

Ранжування обстежених екструдерів за цим показником проведено у табл. 1.

Обозначення:Qе- продуктивність;Dш– діаметр шнека;hз– глибина нарізки шнека у зоні завантаження;t- крок нарізання шнека;n- Число оборотів шнека.

Простежимо за характеристиками екструдерів з діаметром шнека 90 мм. Порівняння екструдерів ПП («Більшовик») та ТПМ – суто історичне. Застосування рифлення дозволило підвищити продуктивність екструдера у 2,5 рази.

Китайські екструдери, в цілому грамотно копіюють дизайн шнека і рифленої втулки екструдерів серії Proton (фірми Cincinnati Extrusion) мають непогані питомі показники ефективності роботи шнека (порівняємо також До 75 і Proton 75), проте оснащені приводом меншої потужності і з меншим максимальним.

Дещо пізніша, ніж Proton 90, модель КМЕ 90 (фірма Krauss - Maffei ) має велику продуктивність при подібних числах оборотів шнека. З порівняння величинhзіtу табл. 1 видно, що шнеки КМЕ в зоні завантаження мають більший обсяг витка, ніж у Proton. Напрошується висновок, що фірма Krauss – Maffei на першому етапі змагання з фірмою Cincinnati підвищила продуктивність екструдера виключно тим, що розширила обсяг витка шнека у зоні живлення. Звичайно, фірма ввела в конструкцію шнека та інші зміни (у тому числі подовжила шнек до 36 D8), так як необхідно було розплавити і гомогенізувати більшу кількість матеріалу.

Monos 90, що змінив Proton 90 «підскочив» у продуктивності до рівня КМЕ 90 тільки за рахунок збільшення числа оборотів від 150 до 184 об./хв при фактично збережених питомих характеристиках шнека (Qе/n= 5,4 та 5,68).

Monos + 90 підданий суттєвій модернізації (Qе/n= 7,48): «гвинтове» рифлення завантажувальної втулки замість «осьового» і глибший шнек в цій зоні. До речі, прискорена модернізація екструдерів останніми роками багато в чому пов'язана з технічною конкуренцією фірм Krauss - Maffei таCincinnati.

За рік експлуатації екструдерів Monos + 90 на Климівському трубному заводі (група ПОЛІПЛАСТИК) виявлено слабкі місця матеріального циліндра у зоні максимального ущільнення матеріалу (перед входом до «бар'єру»). У цій зоні в екструдері справді розвивається максимальний тиск. Однак для того, щоб зруйнувати циліндр, виконаний з високоякісного матеріалу, потрібен тиск більше 3000 бар. Фахівці фірми Cincinnati вважають, що остання модифікація зони завантаження і геометрії шнека (успішні в технологічному відношенні) призвели до граничного стану міцності в місці, де на максимальні дотичні напруги кручення циліндра накладаються напруги максимального внутрішнього тиску. Наступні екземпляри циліндрів екструдерів Monos + 90 матимуть підвищену товщину та виготовлятимуться з якіснішого металу.

Мал. 5. Епюра розподілу тиску за довжиною екструзії

На закінчення розглянемо екструдер Rapidex. Екструдер має однакові з КМЕ 60 питомі показники роботи шнека (завантажувальної зони). Розробники екструдера Rapidex підняли продуктивність за рахунок більш ніж триразового збільшення числа оборотів шнека.

Зазначимо, що, задаючи максимальну кількість обертів шнека, конструктори розглянутих нами екструдерів, не перевищують значення окружної швидкості гребеня шнека 0,9 м/с. Їх побоювання, що серйозніша «розкрутка» шнека призведе до перегріву розплаву, цілком обгрунтовані. Швидкі шнеки давно використовуються для переробки низьков'язких матеріалів і для виробництва найпростіших виробів типу тонкого листа для вакуумного формування, в кабельній промисловості, коли перегрів розплаву не критичний. Розробники екструдера Rapidex (фірма Cincinnati) вже двароку використовують його для виробництва труб із ПЕ 100 (1000 кг/год) та ПП (800 кг/год), а наприкінці 2007 року зробили «заявку» на 1600 кг/год (в робочому режимі 1450 кг/год).

Нагадаємо, що екструдер Monos + 90 у звичному діапазоні чисел оборотів шнека дає продуктивність 1300 кг/год (максимально до 1400). Інші переваги екструдера Rapidex (цитуємо розробників) - мала довжина, що дозволяє збільшити довжину охолодження труби; малий час перебування розплаву в екструдері, що дозволяє максимально зберегти властивості сировини; відсутність редуктора, що забезпечує економію олії та підвищення ККД витрат потужності; компактність, що знижує тепловиділення в навколишнє середовище, та ін. - ймовірно, не компенсують повною мірою неможливості регулювати (знижувати) температуру розплаву інакше, як зменшуючи кількість обертів шнека, тобто продуктивність екструзії. Крім того, залишається відкритим питання про можливе підвищене зношування робочих поверхонь шнека і циліндра в умовах високооборотної експлуатації?

Насамкінець хотілося б відзначити, що прискорення технічного розвитку останніх років призвело до появи на ринку цілого ряду концептуально нових екструдерів зі значно підвищеною продуктивністю і, найчастіше, унікальними характеристиками. Підприємства групи ПОЛІПЛАСТИК одними з перших європейських виробників, спільно з провідними європейськими машинобудівними фірмами, понад два роки займаються випробуваннями та впровадженням нових високоефективних типів екструдерів. Остаточно їх переваги та можливі недоліки покаже час, але вже зараз зрозуміло, що створена нова технічна концепція екструзійного обладнання для виробництва полімерних труб, яка багато в чому визначатиме параметри подальшого розвитку технології та галузі.

Автори:Наталія Готовко, Володимир Швабауер,НТЦ «Пластик»