Вопросы конструирования модульных цилиндров самоочищающихся экструдеров

Модульные элементы цилиндра экструдера имеют различные типоразмеры и модификации, которые позволяют достаточно гибко регулировать технологические параметры процесса компаундирования путем подбора и установки в нужной последовательности необходимых элементов цилиндра. Элементы цилиндрового блока различной конструкции представлены на рис. 2.48.

Рис. 2.48. Возможные варианты исполнения модульных элементов цилиндрового блока

Элементы могут различаться как по длине (ІД 4Д 6?)), гак и по наличию технологических отверстий, которые могут быть верхними и боковыми. Широкие верхние отверстия могут быть предназначены для установки загрузочной воронки, системы атмосферной или вакуумной дегазации. Боковые отверстия могут использоваться для состыковки с боковым питателем, либо установки системы дегазации. Кроме того, в корпусе элемента цилиндрового блока могут быть предусмотрены отверстия для установки жидкостных питателей для впрыска пластификаторов, либо термопары для контроля температурных параметров процесса.

Корпус цилиндров выполняется из специальных марок стали, например азотированной. Внутреннюю поверхность очкообразного отверстия для шнека защищают от коррозионного и абразивного износа (рис. 2.49).

Рис. 2.49. Способы защиты внутренней поверхности цилиндра от коррозионного и абразивного износа

Это может быть установка защитной муфты, выполненной из твердосплавных сортов металла. Кроме того, внутренняя часть цилиндра может подвергаться индукционной закалке, либо на нее наносятся защитное покрытие. Процесс индукционной закалки внутренней поверхности цилиндра представлен в видеоприложении 3.

Следует отметить, что в процессе индукционной закалки непосредственно над нагревательными элементами установлен массивный изолятор. Наличие подобного изолятора позволяет избежать перезакалки выступающей кромки внутренней камеры, которая может стать хрупкой и разрушиться в процессе эксплуатации экструдера при воздействии на нее передаваемого от шнека напряжения. Покрытие, наносимое па внутреннюю поверхность камеры цилиндра при температуре 1100 °С и под давлением в 1000 бар, может быть биметаллическим или из карбида вольфрама. Подобные покрытия позволяют перерабатывать композиции с галогенсодержащими полимерами и/или с высоким содержанием стекловолокна (50-60%). В этом случае твердость покрытия должна быть не менее 65 Ш1С.

Рассмотрим возможные варианты использования технологических отверстий цилиндра для установки различных типов дополнительного оборудования к экструдеру.

Верхнее отверстие, как было отмечено выше, используется в основном для установки различных систем дегазации (рис. 2.50). Используя конструкцию цилиндра с увеличенным верхним отверстием, можно интенсифицировать процесс дегазации. Система атмосферной дегазации позволяет избавляться, например, от избыточного количества влаги в древесной муке, и устанавливается непосредственно перед зоной ввода наполнителя через боковой питатель и после него.

Рис. 2.50. Различные варианты исполнения верхних конструкций вентиляционных шахт

Кроме того, при удалении избыточного количества низкомолекулярного компонента в композиции в вакуумной камере может начать образовываться пена, что может привести к засорению вакуумного канала. Поэтому на технологической части экструдера перед системой вакуумной дегазации, как правило, устанавливается система атмосферной дегазации, которая позволяет предварительно избавиться от избыточного количества газов.

При компаундировании полимеров довольно часто приходиться работать с материалами, имеющими различные вязкостные и адгезионные свойства. Для адаптации различных материалов к процессу дегазации в экструдерах в зоне дегазации установлены специальные вставки, называемые карманами дегазации. Как видно на рис. 2.51, карманы дегазации имеют различную конструкцию канала для отвода газов.

Рис. 2.51. Варианты исполнения карманов дегазации для различных

типов материала

В конструкции экструдеров Кгаизз Ма//е1 Ве^ог//предусмотрено три типа карманов дегазации, отличающихся в основном диаметром и местом расположения входного отверстия газовыводящего канала.

Шнеки экструдера вращаются по часовой стрелке, и материал с левого шнека выбрасывается наверх, поэтому конструкция кармана во всех случаях закрывает камеру левого шнека (если смотреть со стороны двигателя). Полимерная композиция с левого шнека попадает на правый, который затягивает ее дальше. Благодаря тому, что входное отверстие для газа устанавливается со стороны правого шнека под острым углом по направлению движения полимера, при правильно подобранном технологическом режиме и конструкции модульных элементов цилиндра и шнека материал не попадает во входное отверстие дегазации, а увлекается дальше в процесс правым шнеком экструдера. Особенности конструкции кармана дегазации оставляют возможность установки его в гнездо в противоположном направлении. В этом случае перерабатываемый материал быстро забивает входное отверстие. В связи с этим важным моментом в сборке конструкции является контроль корректной установки кармана дегазации. Если рецептура композиции не охарактеризована в достаточной степени, то рекомендуется использовать карман типа В, который также используется для вязких материалов, имеющих высокую адгезию к поверхности стенки камеры. В случае переработки высоконаполненных композиций либо композиций, содержащих большое количество влаги, таких как дре- веснонаполненные полимеры, рекомендуется использовать карман типа А, конструкция которого позволяет отводить достаточно большое количество газов. Данная конструкция также рекомендуется при переработке низковязких материалов, имеющих высокую адгезию к стенкам камеры. В случае переработки материалов, имеющих высокую вязкость и насыпную плотность, таких как фторполимеры или термоэластопласты, рекомендуется использовать карман типа С, который характеризуется минимальным сечением входного газовыводящего канала, смещенного вправо. Все перечисленные рекомендации использования определенной конструкции вставки для определенного вида полимера являются ориентировочными и окончательный выбор кармана производится на основании данных практических испытании.

При верхней установке системы дегазации существует опасность частичного попадания конденсата отводимого газа обратно в полимер. Поэтому при высоких требованиях к чистоте полимерных композиций, а также для достижения особенно высоких степеней дегазации композиции систему дегазации рекомендуется устанавливать через боковое отверстие (рис. 2.52). Примером подобных процессов может быть производство пленочных композиций, композиции для штапельного волокна, оптического поликарбоната.

Рис. 2.52. Возможные варианты использования бокового отверстия для установки системы дегазации или бокового питателя

На рис. 2.52 справа показана в разрезе система вакуумной дегазации, установленной через боковое отверстие. Легколетучие низкомолекулярные компоненты, попадая в вакуумную камеру, удаляются через верхний патрубок. Более тяжелые фракции конденсируются, стекают по стенке камеры и отводятся через нижнее сливное отверстие. Таким образом, исключается вероятность попадания отводимых компонентов обратно в смесь.

При верхней и боковой установке системы вакуумирования существует опасность попадания перерабатываемого материала во входное отверстие кармана, например, при увеличении скорости загрузки ингредиентов. В этом случае полимер, попадая в систему дегазации, через определенное время начинает деструк- тировать. Повторно попадая обратно в смешиваемую композицию, деструктированный полимер может существенно ухудшить потребительские свойства конечной продукции. Для предотвращения попадания полимера в систему вакуумирования компанией Кгаияя Ма[[еі ВепШ// разработана конструкция системы бокового вакуумирования с двухшнековой установкой для отвода полимера из зоны дегазации. Шнековая установка обеспечивает направление транспортировки материала, противоположное направлению дегазации, то есть шнеки постоянно отводят попадающий в систему вакуумирования материал обратно в цилиндр основного экструдера.

Схема установки бокового вакуумирования со шнековым отводом представлена на рис. 2.53.

Рис. 2.53. Система боковой вакуумной дегазации, снабженная шнековым отводом продукта

В случае небольшой модификации данной установки, а именно удаления вакуумной линии, шнековую установку можно использовать также в качестве бокового питателя, для боковой подачи сыпучих компонентов. При приготовлении композиций, наполненных, например, рубленым стекловолокном, боковое отверстие в цилиндре используется для подсоединения бокового шнекового питателя, который используется для подачи наполнителя в композицию (рис. 2.54).

Рис. 2.54. Боковое питающее устройство для подачи наполнителя

Перед подачей наполнителя из бункера в шнековый питатель установлен ворошитель для предотвращения слеживания волокнистых наполнителей. Через боковой питатель целесообразно подавать абразивные сыпучие компоненты, которые оптимально вводить непосредственно в расплав полимера во избежание усиленного износа шнековых элементов экструдера.

При компаундировании высоконаполненных композиций либо при использовании наполнителей с малым удельным насыпным весом в полимерную смесь попадает большое количество воздуха, захватываемое с частицами наполнителя. Это усиливает нагрузку на системы дегазации установки. Для решения данной проблемы используется система удаления избыточного воздуха из наполнителей Ultra Feed, разработанная компанией

Krauss Maffei Berstorff [47]. Система Ultra Feed устанавливается сверху и снизу в центральной части корпуса двухшнекового питателя и представляет собой систему сит и фильтрующих элементов. Замыкают фильтрующую систему сверху и снизу крышки с патрубком для подключения к вакуумной линии. Крепится система через верхнюю крышку с помощью быстросъемных резьбовых шпонок, которые позволяют достаточно быстро раскрыть ее для проверки или смены фильтрующих элементов. Конструкция и внешний вид системы Ultra Feed представлен на рис. 2.55.

Рис. 2.55. Система дегазации наполнителя Ultra Feed

Использование системы Ultra Feed позволяет не только разгрузить системы дегазации экструдера, но также существенно увеличить производительность процесса компаундирования, поскольку за счет удаленного из наполнителя воздуха увеличивается степень заполнения экструдера материалом.

На рис. 2.56 представлены зависимости производительности экструдера от числа оборотов шнека на примере композиции полипропилена, наполненного тальком (50% Finntalc МОЗ, D._M = 1 мкм) с использованием системы Ultra Feed и без нее. Производительность экструдера с использованием системы Ultra Feed существенно возрастает, причем наиболее существенный градиент по производительности наблюдается в области низких (20-200 мин^-1) значений скорости вращения шнеков.

Рис. 2.56. Влияние типа системы дозирования наполнителя на производительность процесса компаундирования

Поскольку скорость вращения шнеков напрямую коррелирует с удельной энергией, затраченной на процесс компаундирования, то в данном случае имеет место снижение энергетических затрат на производственный процесс.

В табл. 2.4 представлено сравнение двух режимов работы экструдера (с использованием системы Ultra Feed и без нее).

Таблица 2.4. Сравнение режимов работы экструдера

В случае режима 2 при заданных производственных параметрах удается не только сэкономить более 17 тыс. евро, но и получить дополнительную прибыль в размере 21 тыс. евро от продажи дополнительного количества выпущенной продукции.

Для стыковки модульных элементов цилиндра на экструдерах ІЕ/ІІТХ Кгашя Ма//еі ВекШ// используется соединительная муфта С-с1атр, конструкция которой представлена на рис. 2.57.

На входе и выходе из каждого элемента цилиндра имеется фланцевый выступ, через который соединительная муфта крепится на элементы цилиндра, центрует и соединяет их.

Рис. 2.57. Соединительная муфта для стыковки и крепления модульных элементов цилиндра между собой

Использование соединительной муфты подобной конструкции, позволяет достаточно быстро демонтировать отдельные элементы цилиндра при изменении их конфигурации без необходимости демонтажа остальных. Менять конфигурацию цилиндрового блока и шнековых элементов приходится, например, при переходе с одного типа материала на другой. В связи с этим данная конструкция муфты используется для небольших (с диаметром шнека до 100 мм) экструдеров и на экспериментальных машинах, на которых проводят отработку рецептур и технологических параметров получения полимерных компаундов. Соединительная муфта С-с1атр позволяет работать при давлении до 350 бар.

Для впрыска в смесь жидких компонентов, а также для установки датчиков давления или температуры расплава используется шайбовый элемент цилиндра, представленный на рис. 2.58. Крепление шайбы к блоку цилиндров производится при помощи спаренной С-образной соединительной муфты, в которой имеются 4 отверстия для установки впрыскивающих дюз, для подачи одного или нескольких жидких компонентов, либо датчики давления или температуры расплава. Дозируемая жидкость подается сверху дюзы под давлением. В месте соединения дюзы и питающего рукава жидкого компонента установлен пружинный механизм, который используется как для контроля уровня давления подаваемой жидкости, так и для управления клапаном, при открытии и закрытии которого осуществляется подача жидкости в смесительную камеру импульсным методом.

Рис. 2.58. Схема установки и крепления к цилиндру шайбового элемента для подачи жидких компонентов и установки измерительных датчиков

На рис. 2.59 показана система регулировки температуры элемента цилиндра в объемном виде и в поперечном разрезе.

Для регулировки температуры технологического процесса в цилиндровом блоке предусмотрена система электрического нагрева посредством нагревательных патронных элементов, которые расположены ближе к внешней части цилиндра. Система водного охлаждения цилиндра находится ближе к внутренней части цилиндра в виде спирально расположенной системы каналов.

Для измерения и регулирования температуры корпуса цилиндра с нижней стороны расположено отверстие для установки термопары.

Как видно из рис. 2.59, отверстие для измерительной термопары проходит через плоскости нагрева и охлаждения, что способствует корректному измерению температуры корпуса цилиндра.

Рис. 2.59. Система регулировки температуры корпуса элемента цилиндра (светлый — система нагрева, темный — система охлаждения)