Пластмаси – Екструзия

март 29, 2013 от  
Публикувано в Новини

Пластмаси.Екструзия.Изследвания,подобрявящи перспективите пред високоскоростната екструзия.

ext

Правилно конструирани  високоскоростни едношнекови екструдери могат значително да ускорят преработващите възможности на машините с малък диаметър на шнека за широк набор от приложения.Това е заключението на изследване,проведено от Davis – Standard LLC (D-S)-Pawcatuck,Кънектикът,САЩ и представено на среща на Обществото на инженерите по преработка на пластмаси миналия април от John Christiano – вице-президент на D-S  по технологиите за преработка.D-S представиха първия си високоскоростен екструдер на изложението NPE 2012 в Orlando,Флорида,където се провеждаше и срещата на упоменатото по-горе Общество.

Системите за високоскоростна екструзия с двушнеков екструдер бяха норма при смесването от 90-те години насам,когато група машиностроители въведоха сръхбързите,високоскоростни конструкции.Впрочем,при едношнековите екструдери високоскоростната технология е много по-често срещана  в Европа отколкото в Северна Америка.

Проучването на D-S  е изследвало характеристиките на екструзията при високоскоростни едношнекови екструдери,за да определи дали са подходящи за няколко различни приложения,в т.ч. екструзия на листове,влакна и нанасяне на покрития чрез екструзия.Тази статия дава информация по отношение на екструзията на листове,като се разглеждат резултатите при РР(полипропилен)  и HIPS(удароустойчив полистирол)

За проучванията е използван екструдер с диаметър на шнека 63 мм. и съотношение L:D(дължина на шнека към диаметъра му) = 40:1,оборудван с двигател с мощност 500 конски сили.Били са развити скорости на въртене на шнека до 1200 об./мин.

Екструдера е бил наситен с много измервателни и контролни уреди.По-специално е била използвана  системата Termatic Temperature Control  на D-S за контролиране на температурите на цилиндъра и измерване на излъчената  топлина от всяка зона на екструдера.Разположени са били 8 уреда за измерване на налягането  по дължината на цилиндъра на приблизителен интервал от 5D,за да се измерва генерираното аксиално(осово) налягане по дължината на шнека и открити(в пряк контакт със стопилката) термодвойки за измерване на температурата на стопилката в преходната зона след шнека и оценка на производителността и температурната стабилност на стопилката.

Използвани са адаптер(преходна зона между цилиндъра и главата) с клапан и глава за производство на лист  с ширина 760 мм. и  процеп с ширина 1,3 мм. за всички проби с листове.Бил е инсталиран статичен смесител  A4D  между адаптера и главата.За преработка на  РР и HIPS(марки за производство на листове) е използван дву-стадиен шнек с умерена да висока смесителна способност.

Записани са данните при всички условия на работа,в т.ч.  производителност на екструдера,температура на стопилката,консумирана мощност от двигателя и налягане на изхода на главата.Записите на налягането са били направени със система за запис на данни с честота 50 Hz.Стабилността на процеса се оценява за всеки материал чрез наблюдаване на изменениеята на налягането и температурата във времето при излизане на материала от екструдера.Качеството на екструдата на стопилката е поверявано визуално на изход от главата.Изпитанията са проведени при скорост на въртене на шнека от 400 до 1200 об./мин. за всеки от материалите.

Стабилността на високоскоростния двушнеков екструдер е била определяна чрез сравняване на работата му с предварително определен набор от параметри,които обикновено се използват за всяко приложение,особено постоянство ва захранването съобразно скоростта на въртене на шнековете или линейната връзка на специфичната производителност(в  кг./оборот  на шнека) и скоростта на въртене на шнека;приемлив обхват на температурата на стопилката; и необходимата стабилност на процеса.

Стабилността на процеса е била оценявана чрез наблюдение на измененията на налягането като индикатор на устойчивостта на производителността и на измененията на температурата на стопилката във времето като индикатор на температурната еднородност.Качеството на стопилката е проверявано визуално за дефекти на изход от главата.

При пробата с лист от РР  производителността е нараствара линейно с нарастване на скоростта на въртене на шнека.Имало е леко нарастване на специфичната производителност при 800 об.мин.При 400 и 1200 об./мин. стойността(на специфичната производителност) е била постоянна.Относително постоянната специфична производителност при различна (часова) производителност на екструдера показва,че зоната на шнека ,където материала се транспортира в твърдо състояние,работи ефективно.Изменението на специфичната производителност с по-малко от 1,8% в рамките на желаната производителност на екструдера и е доста под изискванията за необходимия критерии за постоянство на захранването(т.е. отговаря на този критерии).Като цяло са достигвати производителности от 730 кг./час – приблизително 8 пъти повече в сравнение с очакваното от екструдер с конвенционална конструкция със същия диаметър на шнека.

Температурата на стопилката нараства при по-високи обороти на шнека от 225 град. Целзии при при 400 об./мин. до максимум 247 град. Целзии при 1200 об./мин.Стабилността на термичния процес остава в желаните граници до 800 об.мин.

При 1200 об./мин. флуктуациите на температурата на стопилката нарастват до 36 град..Вариациите на налягането на изход от екструдера са били в рамките на плюс/минус  2%  от целевите.Повечето системи за екструзия на листове работят с екструдери,оборудвани с помпи за стопилка,за да се поддържа  необходимото  ниво на отклонения на налягането.Външния оглед на изтичащата като лист стопилка при 400 и 800 об./мин. е показал,че тя е с превъзходно качество.Качеството на стопилката при външен оглед се отклонава при 1200 об./мин.В излизащия от главата лист са били наблюданани смущения в стопилката.Като цяло работата на високооборотния двушнеков екструдер при преработка на марки РР,предназначени за производство на листове,е била приемлива при скорост на въртене на шнека до 800 об./мин.

При екструзия на листове от удароустойчив полистирол специфичната производителност  е била най-ниска при 400 об./мин. и е била приемлива при 800 об./мин.Най-високата специфична производителност при 800 об./мин. е била 10% над средната,а стойността при 400 об./мин. е била  с 10% под средната.Температурата на стопилката е нараствала с нарастване на оборотите.Горната граница на температурата на стопилката е била достигната при 800 об./мин.Температурата на стопилката нараства от 234 град. Целзии при 400 об./мин. на 247 град. Целзии при 800 об./мин.Това надхвърля максималната температурна граница с 36 град. Целзии.

Листа от удароустойчив полистирол е бил произвеждан с желаните параметри до производителност от 800 кг./час D-S  са на мнение,че е  възможна  по-висока производителност при по-нататъшно оптимизиране на геометрията на шнека,за да се подобри стапянето и смесването.

Стабилността на термичния процес остава в желания интервал.Флуктуациите на температурата на стопилката остават под 33 град. над желаното при преработката ниво(т.е не повече от 33 град. над желаното).Това е показател за добра температурна еднородност.Варирането на налягането на изход от екструдера остава в приемливи граници за всички производствени условия.

Визуалния оглед на стопилката при 400,800 и 1200 об./мин. показва превъзходно качество.Като цяло работата на високооборотните двушнекови екструдери при преработка на марки удароустойчив полистирол,предназначен за производство на листове,е била приемлива до 800 об./мин.Над тези оборати е била надвишена максималната(приемлива) температура на стопилката.За да се осигури устойчива производителност и се намали температурния градиент на потока на  стопилката,излизаща от ексрудера,се препоръчват помпа за стопилка и статично смесващо устройство(монтирани между екструдера и главата).

За да се контролира температурата на стопилката над 800 об./мин. е необходима конструкция на шнека с по-малка интензивност.Изследването показва,че по-нататъшно оптимизиране на температурата на екструдера в зоната на транспортиране на материала в твърдо състояние ще помогне да се намалят  колебанията  на специфичната производителност при различни скорости на въртене на шнека.

Пластмаси – Смесване / част 1

март 27, 2013 от  
Публикувано в Акценти

smesИма много техники(известни на операторите и инженерите в предприятията)  за подобряване на качеството на смесване при 2-шнекови смесващи екструдери(в смисъл предназначени за смесване на полимер с друг полимер или на полимер с не-полимерни добавки – пълнители,усилватели,пигменти,модификатори и т.н.).Поради неформалната си природа  повечето от тези методи не се появяват в ръководствата за работа с машините.Общо взето не се споменават и в техническата литература и техническите документи.Но понякога вниманието към няколко дребни детайли може да доведе до голяма разлика в качеството на работа на екструдера.Съветите,описани в този материал,попадат в три категории: техники на преработка ; модификации на машината ; процедури при поддръжката.

1. УПЛЪТНИТЕЛИ НА ТЕРМИЧНАТА ИЗОЛАЦИЯ :

Захранващата секция на цилиндъра почти винаги се охлажда с вода.Но тъй като тази част на цилиндъра е свързана с болтове и фланци със следващата секция(на цилиндъра),която се нагрява,то непрекъснато се прехвърля топлина от по-горещата към по-студената  секция на цилиндъра.В резултат следващата(след захранващата зона) секция на цилиндъра не е в състояние да поддържа достатъчно висока температура.В типичния случай оператора е настроил 180 град. Целзии за втората секция,но температурата в тази секция никога не надхвърля  180 град. Целзи поради топлинните загуби към захранващата зона на цилиндъра.

Най-лесното решение е да се инсталира изолиращо уплътнение между фланците на захранващата зона и следващата след нея зона(на цилиндъра).Това уплътнение е обикновено дебело 1 мм.,поради което се препоръча да се поставят два броя за по-добра изолация.Все още ще има известна топлопроводност през болтовете и през шнека,но не такава както без изолация.

Новите екструдери често се доставят с такава изолация,но много оператори не осъзнават важността й я отстраняват при разглобяване на цилиндъра.След няколко години изолиращите уплътнения трябва да се сменят,тъй като материала старее и се руши.

2.СТРАНИЧНО  ПОДАВАНЕ(НАГНЕТЯВАНЕ)  НА  ПРАХООБРАЗНИТЕ  МАТЕРИАЛИ :

То се използва широко за захранване с пълнители на 2-шнековите екструдери.Много производители целят много висока степен на напълване  с пълнители,които често са с ниска обемна(насипна плътност.Най-високия % напълване,който може да се постигне  обикновено се ограничава от два фактора:

А) Обемния дебит на шнека на захранващото устройство за пълнителя  и на основния шнек на екструдера.Обемния дебит  зависи от  свободния обем на   захранващото устройство  и на шнековете на основния(2-шнеков) екструдер,както и  от настроените обороти на всяка от двете групи шнекове.

Ако обемния капацитет на захранващото устройство за пълнителя е изпитван без устройството да е монтирано към основния екструдер,то вероятно лесно ще се получи висока стойност.Но когато захранващото устройство за пълнител е  монтирано на  екструдера,обемния капацитет(обемната производителност) често е ограничен от количеството материал,което могат да поемат шнековете на главния екструдер.

Следователно е най-добре шнековете на главния екструдер да имат витки(ребра)  с голяма стъпка  в мястото,където захранващото устройство подава пълнителя.Дължината на този участък от шнековете на основния екструдер трябва да е от 2 до 4 пъти диаметъра на шнека след мястото на подаване на пълнителя.По този начин се поддържа бързо движение на стопилката напред,като се оставя максимален свободен обем за навлизане на пълнителя. Ако конструкцията(геометрията) на шнека води до “заприщване”(забавено движение на стопилката)  в този участък,това сериозно ще ограничи количеството пълнител,който може да се подаде.

В)Възможността за подаване на пълнител зависи и от възможността за вентилиране(обезвъздушаване) на шнека,като се даде възможност въздуха да излезе лесно.С това се предотвратява възможността  големи количества от пълнителя да бъдат загубени през вентилиращия отвор(при отделянето на въздуха,ако това отделяне не е максимално улеснено).Най-добрата конфигурация е вентилиращото устройство да е отгоре на цилиндъра,непосредствено след устройството за принудително захранване с пълнител.Също  може да се използва малка вентилираща вложка с полу-прорез в горната част на устройството за захранване с пълнител.

Ето някои от факторите,които трябва да се имат предвид :

- Височина на падане на материала в захранващото устройство: Идеалния случай е височината на падането да е минимална.Ако ” пухкав”(т.е. с ниско насипно тегло) материал  пада от голяма височина,той се аерира,при което насипното му тегло намалява значително.Това може да намали производителността на цялата линия.

-Вид на разбъркването на захранващото устройство(което подава пълнител): Разбъркването на пълнителя не трябва да аерира материала,за да не се намали насипното тегло.Много производители на захранващи устройства имат специални конструкции на разбъркващото устройство за прахообразни вещества.

- Уверете се,че фунията на захранващото устройство се вентилира(продухва) : Заедно с пълнителя захранващото устройство вкарва и значително количество въздух в екструдера.За да се осъществи вентилиране,горната част на улея(фунията) за захранване с пълнител трябва да е отворена към атмосферата.Ако върху фунията има плътен капак e важно да има вентилиращ отвор(на капака).Всички фунии/улеи  трябва да са заземени,за да се отстрани статичното електричество.Някои материали генерират статично електричество от триене.Статичното електричество може да предизвика полепване на праха по вътрешните повърхности на фуниите и улеите,което води до сбиване(задръстване).Едно лесно решение е да се прокара заземителен проводник(препоръчва се размер 10?) от улея/фунията до рамата на машината(като се осигури добра проводимост).

-Продухване със сгъстен  въздух : В случай че има сбиване(задръстване) понякога са необхдими специални мерки.Може да се използват вибратори,поставени на захранващата фуния,но е трудно да се оразмерят и монтират.Една алтернатива е “духало” с вдухващи въздух дюзи,разположени на подходящи места по стените на улеите,за да се разрушават сбивания на материал,преди да са станали твърде големи.Въздушните дюзи са свързани с клапан с бобина(соленоид),като клапана се активира(пропуска въздух под налягане) през определен интервал,настройван с таймер.Настройват се както времето за продухване,така и интервала между две продухвания.Най-добре е да има малък съд за акумулиране на въздух(ресивер) точно преди клапана,за да може да се осигури “въздушен удар” през дюзите.

3.ВОДНА ПОМПА С ВИСОКО НАЛЯГАНЕ :

Известно е добре,че турбулентен поток в тръба  води до по-интензивно прехвърляне на топлина през стената на тръбата в сравнение с ламинарен поток.Потока е ламинарен при ниски скорости на флуида вследствие на ниско налягане.При ламинарен поток се развива устойчива система от граници между отделните слоеве на течащия флуид,което действува като изолатор между главния поток на флуида и стените на тръбата.”Слоевете” се плъзгат върху съседните слоеве без смесване и без  пренасяне  на много топлина.

При турбулентен поток,предизвикан от високо налягане,се осъществява висока степен на напречен обмен,което разрушава “обвивката”  от  слоеве.Принудителното движение на флуида води до значително по-голям пренос на топлина от стените на тръбата към флуида.

Най-лесния начин да се предизвика турбулентно течене в каналите за охлаждане на цилиндъра е да се увеличи налягането на флуида.Рециркулиращите охлаждащи системи на екструдерите обикновено имат налягане от 20 до 60 psi(1,4 – 4,2 атм.). За постигане на турбулентен поток е необходимо налягане от приблизително 120 psi(8,4 атм.)(Бел.пр.: Границата на турбулентност зависи от много фактоликато диаметър на тръбата,вискозитет на флуида,температура и др.). Това може да се постигне сравнително лесно като се смени помпата в системата за рециркулиране на охлаждащия флуид с помпа за високо налягане.Почти всички компоненти на охладителните системи на екструдерите(маркучи и клапани) са оразмерени за налягане поне 150 psi(10,5 атм.),така че налягане от 120 psi(8,4 атм.) все още осигурява известен коефициент на сигурност.

Когато процеса е силно екзотермичен(с отделяне на много топлина) предимствата ще се появят незабавно.Прегряванията по зони могат да бъдат намалени значително  или даже да бъдат отстранени.(Бел.пр.: Очевидно става дума за екструдери с наличие на водно охлаждане по зоните на цилиндъра).Допълнителна полза от турбулентния поток е,че подтиска покриването на охлаждащите канали с котлен камък.

Пластмаси – Екструзия

март 27, 2013 от  
Публикувано в Новини

extКакто повечето преработващи системи, при едношнековите екструдери трябва да има баланс между секциите,за да бъде максимално ефективен.За да се постигне баланс между захранване,стапяне и помпене е необходимо да се използват доказани изчисления и/или проверени емпирични данни за всяка от секциите.Просто да се изменят някои размери в една или друга секция може да доведе до неочаквани последствия.

Помпенето(вероятно се има предвид дебита на помпената зона)  може да се изчисли приблизително чрез прости уравнения за потока на влачене и потока на налягане ,доколкото има точни данни за вискозитета.Стапянето е доста по-сложен процес,но може да бъде изчислено с разумна точност чрез приспособяване на някои от основните уравнения,развити през 60-те години от изследователи на Western Electric.Впрочем,основните уравнения изискват оценка на множество данни,за да са успешни многото въввеждания  при строги анализи.Придобиването на някои от тези данни е трудно и скъпо,дори в лабораторна среда,което ги прави непрактични и неикономични за повечето конструкции шнекове.В резултат повечето пресмятания за нивото(степента) на стапяне съдържат доста емпирични данни,за да допълнят основните данни с оглед получаване на разумно точни анализи.

Това включва информация като начало на стапянето,стойността на налягането в различни места по остта на шнека,вискозитета и температурата на стопения  материал и информация от рода на дебелина на стените на цилиндъра,местоположение на термодвойките и температура от вътрешната страна на стените на цилиндъра,топлопроводност и криви на специфичната топлина,индекс на промените и постоянството на консумираната мощност и топлина на  стапяне.

Прегледах моите собствени “опростени”  изчисления за степен на стапяне и изчислих почти сто бр. данни,необходими,за да се изпълнят анализите.Това изчисление обединява  изчисленията  за генериране на вискозна топлина в полимера,преноса на полимер,развитие на налягане и термичната динамика на нагретия,остърган от стените на цириндъра полимер.

За захранващата секция предизвикателството е  даже  по-голямо.Необходимите данни се публикуват рядко и е много трудно да се получат и  приложат към основните обемни изчисления за захранването.Данни като средния размер на частиците,уплътняването,триенето между частиците на полимера,триенето между частиците на полимера и шнека и стените на цилиндъра и температурата на вътрешната стена на захранващата гърловина и цилиндъра са необходими даже за извършване на основни(елементарни)  анализи.Следователно анализите на захранването са почти изцяло емпирични,тъй като повечето от тези данни е почти невъзможно да се получат без наличие на широк набор инструменти и провеждане на голям обем  изпитания.

За съжаление концепцията за “степента на компресия” често е единствения използван инструмент при анализите на захранването.Това е рискован и неточен подход,тъй като степента на компресия взема предвид само съотношението на  обема на захранващата секция спрямо обема на помпената секция.Всички др. аспекти на степента на захранване се игнорират.Освен това степента на компресия засяга степента на стапяне,което потенциално включва някои неизвестни последствия.

Ако тези отделни(различаващи се помежду си) функции на шнека не са балансирани,може да се появат най-различни негативни процеси при работата  му.Един от най-често срещаните проблеми е нестабилността на теченето на полимера.Свръхзахранването може да предизвика нестабилност,бързо износване на щнека и цилиндъра,висока температура на стопилката,излишна консумация на енергия и нееднородност на стопилката.Недостатъчното захранване може да причини нестабилност,ниска степен на стапяне и занижена производителност.

Същите въпроси се отнасят и за степента на стапяне,тъй като свръх захранването може да причини задръстване на каналите и в резултат – нестабилност,ускорено износване на шнека,повишено натоварване на двигателя и ниска еднородност на сместта.

Също толкова важно е съгласуването на помпената секция с предхождащите я секции.Ако тази секция е конструирана със завишен дебит или с недостатъчен такъв,то това засяга производителността,температурата и стабилността на стопилката и нейната еднородност.

Успешното функциониране на всяка от секциите зависи от производителността на предходната .Обстоятелството,че първата секция е най-трудна за предвиждане въпреки усъвършенствуването на изчисленията и компютърните анализи.,е неблагоприятно.

На първия етап от изчисленията се оформят няколко конструкции(на шнека) и в крайна сметка трябва да се подбере една секция(от наколкото конструкции/геометрии),за да се постигне баланс.

Ако(на шнека) се поставят смесителни секции,то те добавят още секции,които трябва да се балансират с предходните и включват друга система(мрежа) от изчисления,за да се определи ефективността и транспортиращата способност(на смесителните секции).

В заключение – практиката да се променят няколко отделни размера,без да се вземе предвид необходимия баланс между секциите,може да доведе до възникване на повече проблеми,отколкото са решените такива. Едношнековия екструдер е относително просто механично съоръжение,но когато превръща полимери от твърдо тяло в стопилка ,поведението му става по-сложно.

Пластмаси – Екструзия

март 26, 2013 от  
Публикувано в Акценти

 

eksВ “старите времена” много проблеми в екструзията можеше да бъдат  изяснени с използване на аналогови измерителни устройства.Чрез сравняване на лесно разбираемите движения на циферблатния индикатор можеше да се решават проблеми като задръстване,ограничения в захранването,несъответствуващи температурни профили,нестабилност,свързана с помпата за стопилка  и даже външни пречки.Например чрез просто наблюдение на ампермера и налягането в главата бихте могли да откриете задръстване на канала за стопилка,недостатъчно захранване или незапълване(на шнека).Даже нестопилки можеше понякога да бъдат открити чрез аналогов уред за измерване на налягането в края на цилиндъра.При задръстване се наблюдава много бързо изменение на ампеража,но устойчиво налягане в главата.При задръстване в захранването се наблюдава пропорционална промяна и на двете величини(ампеража и налягането в главата),но със закъснение във времето за което задръстването премине през екструдера(т.е. докато порцията поет материал бъде преместена по дължината на  цилиндъра.При липса на запълване в помпената секция(на шнека)  се наблюдава ритмично пулсиране на потока на стопилката,но без изменение на ампеража.Пулсиране,свързано със скоростта въртене  на шнека, и  с помпата за стопилка,често може да се открие чрез наблюдение на ритъма на налягането на засмукване(на помпата)  и скоростта на въртене на шнека.Чрез описание във времето на движението на показателите на аналогавия измерителен уред,проблемите с нестабилността може понякога да се свържат с неща,засягащи работата на инсталацията,но които вече не присъстват в екструдера.

Само  чрез  наблюдения на аналоговите измерителни уреди(без др. средства) могат да се обследват  фактори като последователността и влиянието на зареждащите устройства,сушителни инталации,уплътняващи устройства,устройства за принудително захранване,захранващи устройства,промени при смилането и даже промени в околната среда на инсталацията.

Дигиталните измерителни уреди често се движат толкова бързо,че е трудно,а в някои случаи невъзможно,да се определи стойността в бъркотията от цифри.А и различните уреди имат различно време за показване на резултата,което затруднява сравняването на последователността на резултатите във времето.Аналоговите измерителни уреди се захранват от функцията,която измерват,така че те работят директно и в същата последователност във времето.

Разбираемо е защо производителите на машини залагат на цифровите измерителни уреди.Те са по-компактни,по-точни и по-пригодни за натрупване на данни и изглеждат доста по-усъвършенствувани.И, разбира се,производителите на екструдери не работят с тях.

Но дигиталните измерителни уреди всъщност намаляват възможностите  на оператора  или инженера да установи проблемите при работата на екструдера.Контролните уреди за всеки процес трябва да са конструирани за оптимално ползване при провеждане на процеса,а не за външен вид или свързване с дистанционно водене на процеса.Ако по други съображения въпросите с вторични данни(записани ивъзпроизведени по-късно) са важни,те могат да се дублират от резервни уреди.

Новите екструдери най-често имат цифрови измерителни уреди,освен ако сами не поискате други.Обърнете се към опитен в екструзията човек по въпроса  с какъв вид измерителни уреди би желал да работи.