Цилиндр

Цилиндр — это чехол, окружающий шнек экструдера.

Цилиндр экструдера представляет собой простой фланцованный цилиндр, который должен выдерживать относительно высокое давле­ние (не менее 70 МПа), при этом максимально сохранять свою форму, т. е. не испытывать деформаций изгиба.

Для увеличения срока службы внутреннюю поверхность большин­ства цилиндров делают износостойкой.

 

Наиболее распространенные технологии придания износостойко­сти — это поверхностная закалка (азотирование) и покрытие специ­альным сплавом.

Поверхностное закаливание может быть произведено ионным азо­тированием (методом тлеющего разряда или плазмой) или по стан­дартным технологиям азотирования (газовое и жидкостное).

Распространено мнение, что наилучшие результаты дает ионное азотирование. При этом методе поверхность рабочего цилиндра за- грубляют до необходимого уровня, затем деталь помещают в вакуум­ную камеру и подводят к ней высокое напряжение (400—1000 В). При этом деталь является катодом, а анод — стенки вакуумной установки. После этого в объем вводится газообразный азот. Его молекулы иони­зируются под действием электрического поля, и ионы движутся к по­верхности обрабатываемой детали.

Столкновение ионов со стенками детали вызывает ее разогрев, и ни­триды заполняют неровности поверхностного слоя детали. В итоге полу­ченный поверхностный слой состоит из диффузной зоны и зоны, где об­разовались нитриды (нитридная зона). Толщина нитридной зоны обычно составляет 5—8 мкм, но ее толщина может быть увеличена для придания большей коррозионной устойчивости и износостойкости. Общая глубина проникновения нитрид-ионов составляет приблизительно 0,4 мм.

Покрытие биметаллическим сплавом осуществляется путем центро­бежного литья биметаллического легирующего расплава на внутрен­нюю поверхность рабочего объема. Это оказывается возможным, по­скольку температура плавления биметаллического сплава значительно ниже температуры плавления материала, из которого изготавливается цилиндр экструдера. Затем цилиндр закрывают и начинают нагревать при медленном вращении, и при достижении определенной темпера­туры вращение резко ускоряют до очень больших скоростей, что вызы­вает вдавливание биметаллического расплава в поверхность цилиндра и обеспечивает прочное сцепление легирующего слоя с основой. На последнем этапе покрытие полируют для создания гладкой поверхно­сти. В итоге получают равномерную би металлическую втулку толщи­ной примерно 1,5—2 мм.

Сравнительное исследование показало, что по стойкости биметал­лическая втулка превосходит нитридное покрытие, а срок службы би­металлического покрытия выше времени службы нитридного покры­тия в 4-8 раз при равных условиях эксплуатации.

К недостаткам нитридного покрытия можно отнести относительно малую толщину твердой нитридной зоны. Как только эта зона истира­ется, следующие слои рабочего объема подвергаются быстрому износу, поскольку диффузная зона обладает гораздо меньшей твердостью.

В некоторых случаях в экструдерах применяются плоскостные жидкостные подшипниковые узлы. Они обладают малой нагрузочной способностью при невысоких скоростях вращения, при этом потеря жидкостной пленки может привести их к выводу из строя. При ис­пользовании гидравлического привода может быть оправдано также применение гидравлического подшипникового узла. В работе описан экструдер с гидравлическим приводом, в котором использован ги­дравлический подшипниковый узел с гидравлической аксиальной ре­гулировкой шнека. Такая конструкция позволяет определять давление расплава полимера на выходе из фильеры путем измерения давления в гидростатической камере[3].

 

Шнек

Шнек можно представить себе как стержень переменного диаметра, на котором вырезана спиральная канавка. Зазор между шнеком и ци­линдром обычно делают очень малым. Отношение величины этого за­зора к радиусу, как правило, составляет 0,001, но может колебаться от 0,0005 до 0,002.

 

В зависимости от природы полимера, наличия добавок (наполните­ли, стабилизаторы, модификаторы и т. д.), технологических режимов переработки применяются шнеки различных типов, в частности с раз­ным характером изменения глубины нарезки по длине шнека.

Деление шнека на зоны I—III осуществляется по технологическому при­знаку и указывает, какую операцию выполняет данный участок шнека. Это деление условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурно-скоростного режима процесса и других факторов начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шне­ка, захватывая различные зоны или переходя из одной в другую.

В настоящей работе речь идет об экструзии термопластичного сы­рья, поэтому в дальнейшем будут рассмотрены конструкции типовых шнеков для термопластов (группы 1—3).

Типовой шнек

На рисунке 8 представлены типовой шнек и его зоны.

Рисунок 8. Схема зон шнека с дополнительными участками

 

Таблица 6. Количественные параметры типового шнека

Количественные параметры *	типового шнека:
• полная длина 20-30/)	• шаг нарезки ID (угол наклона 17,66)
• длина зоны питания 4—8D	• ширина лопасти 0, ID
• длина зоны дозирования 6-10D	• глубина канала в зоне питания 0,15-0,20/)
• число заходов нарезки 1;	• степень сжатия от 1: 3 до 1: 5

* Приведенные параметры являются ориентировочными, верны для большинства современных шнеков.

 

Такая конструкция вырабатывалась в течение нескольких последних десятилетий и хорошо подходит для переработки многих полимеров. В зависимости от теплофизических и реологических свойств поли­меров количество зон шнека может варьироваться. На рисунке 8 пред­ставлен шнек, включающий помимо зон загрузки, сжатия и дозирова­ния два дополнительных участка — зону смешения и зону изменения направления движения расплава[3].

Рисунок 9. Основные типы шнеков:

а — шнек общего назначения с тремя (I, II, III) зонами; б — шнек для переработки высококри­сталлических полимеров; в — шнек для экструзии ПВХ; О — наружный диаметр; L — длина (технологическая); h — глубина нарезки; I, II, III — зоны (пояснения в тексте)

 

Таблица 7. Зоны шнека.

Зона шнека	Характеристика зоны	Рекомендуемая длина, витков
Зона загрузки	Уплотнение и прогрев гранул при движении их по винтовому каналу: порошок НГТВХ; материал низкой сыпучести; необходим хороший прогрев материала перед плавлением	В зависимости от типа загружаемого материала: 0(1) или 5—6 (2) 8-10 10-12
Зона перехода (пластикации)	Совершается основная часть работы процесса и наблюдается максимальный износ шнека и цилиндра	Длина зоны должна соответствовать скорости плавления перерабатываемого материала. Обычно 5—6 витков
Зона дозирования	Завершается плавление материала, и расплав нагнетается в головку	5—6 витков перед зоной смешения (3), 2 витка после зоны смешения (4). Для шнеков небарьерного типа рекомендуется удлинение зоны
Зона смешения	Два типа смесительных элементов: разделительные и дисперсионные	витка для большинства смесительных зон, для некоторых элементов дисперсионного типа с более интенсивным смесительным воздействием — витка и более. Смесительная зона должна быть отделена от наконечника шнека участком длиной в 2 витка (4)

Примечание. (1) — старая конструкция шнека; (2) — типовая конструкция; (3) — даже в случае использования шнеков со смесительной зоной для обеспе­чения стабильной подачи расплава в головку; (4) — для изменения направле­ния движения расплава.

Поскольку для одношнековых экструдеров шаг между витками обычно равен наружному диаметру (D), то длины зон можно так­же оценивать в количестве витков в пределах соответствующей зоны (с точностью до ближайшего целого числа).

Важной характеристикой шнека является степень сжатия CR, представ­ляющая соотношение глубин винтовой нарезки в зоне питания и в зоне до­зирования (рисунок 9).

Для барьерных шнеков, которые имеют более сложную конструк­цию нарезки, чем у стандартных шнеков, применяют объемную сте­пень сжатия VCR.

 

Разновидности типовых экструзионных шнеков

Модификаций типовых экструзионных шнеков множество. Основное внимание будет уделено наиболее распространенным конструкциям.

Типовой шнек с увеличенной заходностью в зоне питания (рисунок 10)

Дополнительные витки призваны сгладить колебания давления, происходящие вследствие перерывов в подпитке материала из загру­зочного бункера при вращении шнека. Важное преимущество двух- заходной геометрии заключается в том, что силы, действующие на шнек, сбалансированы таким образом, что его прогиб становится ме­нее вероятным. Недостаток такой конструкции в том, что дополни­тельные витки уменьшают поперечное сечение канала и увеличивают поверхность контакта твердой пробки и шнека. Так можно снизить колебание давления, но при этом уменьшится скорость перемеще­ния твердого материала. Поэтому применение двухзаходной нарезки в зоне питания экструдеров с плавным, гладким сечением цилиндра часто приводит к понижению их производительности.

 

Рисунок 10. Типовой шнек с увеличенной заходностью в зоне питания

 

Шнек переменным увеличивающимся шагом нарезки (рисунок 11)

Переменный шаг позволяет использовать оптимальный угол наклона нарезки локально, т. е. обеспечить оптимальный угол наклона в зоне питания для перемещения твердого материала и в зоне дозирования для перемещения расплава.

 

Рисунок 11. Шнек с переменным увеличивающимся шагом нарезки

 

Шнек с переменным уменьшающимся шагом нарезки (рисунок 12)

Уменьшение шага приводит к поперечному сжатию материала в кана­ле шнека. В результате этого обычное сжатие, обусловленное умень­шающейся глубиной канала, можно снизить или вообще не приме­нять. Фактически многие шнеки такого типа сохраняют постоянную глубину канала вдоль всей его длины.

 

Рисунок 12. Шнек с переменным уменьшающимся шагом нарезки

 

Шнек с уменьшающимся шагом для ЛПЭНП (рисунок 13)

Поставщики ЛПЭНП для переработки этого полимера обычно реко­мендуют шнеки с переменным уменьшающимся шагом, потому что зазор между витками и цилиндром в данной конструкции примерно вдвое больше, чем в других. Эта конструктивная особенность обычно не подчеркивается, но именно в ней заключается причина использо­вания шнеков с переменным уменьшающимся шагом для экструзии ЛПЭНП, поскольку потери энергии в радиальном зазоре играют до­минирующую роль. Однако шнеки с переменным уменьшающимся шагом с увеличенным радиальным зазором не пригодны для экстру­зии какого-либо другого полимера кроме ЛПЭНП[3].

 

Рисунок 13. Шнек с уменьшающимся шагом для ЛПЭНП