CC BY
79
ГРНТИ 73.01.77; 73.39.31; 50.05.09
Маздубай Асылхан Владимирович
доктор PhD, ассоц. профессор (доцент), кафедра «Металлургия»,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова,
г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан,
e-mail: [email protected].
Амерханов Тимур Бакеевич
магистрант, кафедра «Металлургия»,
Павлодарский государственный университет имени С.Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, е-mail: amerhanov.08 r/,mail.ai.
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНАСТКИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭКСТРУЗИИ ТРУБ ИЗ КОМПОЗИЦИИ «ПОЛИЭТИЛЕН-РЕЗИНОВАЯ КРОШКА»
Рассмотрена переработка отходов резины механическим измельчением с последующим использованием предварительно измельченных отходов резиновой крошки, как добавки, в различные материалы (например, в резиновые смеси, в битумные композиции, в защитные мастики и др.). Информации по использованию резиновой крошки в композициях с термопластами, такие как полиэтилен и полипропиленом встречаются во многих источниках литературы. В этих материалах термопласт являете связующей средой, а крошка выступает, в основном, как наполнитель, придающий материалу свойства, отличные от свойств термопласта. Изделия из этих композиций могут быть использованы, в ряде случаев, как заменители продукции, получаемой из термопластов. Такая замена обещает экономический эффект за счет экономии полиолефинов и утилизации отходов резиновой промышленности. Кроме того, производство изделий из этих материалов практически безотходное, так как отходы производства и брак могут быть вновь пущены в переработку, поскольку в материале не происходит необратимых cmруктурн ых изменен и й.
Ключевые слова: экструзия тр}б, полиэтилен, резиновая крошка, червячные экструдеры, термошкаф, дисковые экструдеры, плунжерные экструдеры.
ВВЕДЕНИЕ
Экструзией называется процесс получения длинномерных изделий, заключающийся в придании материалу требуемой формы за счёт продавливания его через профилирующий инструмент.
В настоящее время экструзивное оборудование является основным видом при производстве длинномерных изделий из полимеров. Методом экструзии получают трубы, шланги, полимерные пленки (полиэтиленовые, полипропиленовые, лавсановые и др.), различные уплотнения. В последнее время освоены технологии по производству экструзией полимерных строительных материалов, как заменителей традиционных (плинтуса, заготовки для оконных рам, дверных косяков и др.). Применение валковых головок, как оснастки экструдеров, позволяет получать длинномерные листовые заготовки большей толщины лучшего качества по сравнению с методом каландрования, кроме этого экструзионнные установки более технологичны с точки зрения металлоемкости, размеров, санитарных условий труда.
По способу воздействия на материал современные экструдеры можно разделить на червячные, дисковые и плунжерные. В червячных машинах материал движется в винтовом зазоре между вращающимся червяком и неподвижным цилиндром. В литературе [5] можно встретиться с разновидностью червячных машин - спиральными экструдерами. По способу воздействия на материал они похожи на червячные. В таких машинах основным рабочим органом является диск со спиральной нарезкой, вращающийся относительно неподвижной камеры. Однако о практическом применении таких установок информация отсутствует. Дисковые экструдеры предназначены для переработки маловязких материалов, принцип их действия основан на эффекте нормальных напряжений Вайссенберга [2]. Эти установки позволяют экструдировать материал с большой скоростью, однако создают малое давление нагнетания. Для ликвидации этого недостатка разработаны комбинированные - червячно-дисковые экструдеры [11], в них, для увеличения рабочего давления рабочий орган представляет собой комбинацию диска и червяка. До сих пор находят применение плунжерные экструдеры, что связано с особенностями переработки некоторых материалов, например, при производстве изделий из фторопласта, при экструзии растворов полимеров, при экструзии реактопластов [12, 14]. Существуют сведения о процессе гидроэкструзии - продавливания материала через профилирующий инструмент за счет воздействия на него давления жидкости, но этот метод не находит широкого применения в процессах переработки полимеров.
Из всех вышеперечисленных методов наиболее массовое применение находят в настоящее время червячные экструдеры. Эти установки позволяют перерабатывать полимерные материалы с широким диапазоном вязкости. Устройство, принцип действия, применение, основные типоразмеры, особенности работы подробно изложены в литературе [3, 4]. Далее в данной работе под понятием экструдер будет пониматься червячный экструдер.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
По температурному режиму экструдеры подразделяются на машины теплого питания и машины холодного питания. В машины теплого питания подается расплав предварительно разогретого полимера. На настоящем этапе эти машины вытесняются машинами холодного питания, как более технологичными (отсутствует стадия предварительного разогрева, используется тепло вязкостного трения, достигается лучшая гомогенизация и др.), несмотря на то, что у МЧХ большая потребляемая мощность (примерно на 25 %), большая масса (примерно на 30 %) и большая стоимость [1].
По количеству рабочих органов червячные машины подразделяют на одночервячные, двухчервячные и многочервячные. При этом шнеки машины могут вращаться как в одну сторону, так и навстречу друг другу, могут входить в зацепление дуг с другом и быть не зацепляющимися. Хотя такие машины дороже одночервячных, они обладают лучшей смесительной способностью, большей нагнетательной возможностью, дают лучшую стабильность процесса. Машины с зацепляющимися червяками обладают также свойством самоочищения [6]. Однако, применение многочервячнвых машин носит ограниченный характер. В силу простоты конструкций, более низкой стоимости наибольшее применение находят одночервячные экструдеры.
По геометрическим размерам, диаметру и отношению длины нарезки червяка к диаметру (L/D), экструдеры также довольно разнообразны. В производстве полимеров в последние годы преобладает тенденция к использованию длинных червяков, так у современных экструдеров отношение L/D может составлять 15-20, а порой доходить до 30 и более. Это позволяет достигать лучшей гомогенизации расплава, выравнивания температурного поля по сечению экструдата, проводить на одной машине сразу процесс плавления и пластикации. Существуют экструдеры, снабженные зоной дегазации материала, для получения лучшего качества изделий.
Для повышения эффективности экструзии в последнее время известные зарубежные фирмы, такие как, «Унироял» (США), «Крупп», «Трестер», «Берсторфф» (Германия) используют червячные экструдеры штифтового типа [7,8 ]. Эти машины снабжены цилиндром с радиально установленными -штифтами, которые перемещаются в направлении, перпендикулярном оси червяка. Это позволяет на 40-60 % увеличить производительность машины, увеличить смесительный эффект, а также добиваться на одном экструдере оптимальных параметров процесса для различных материалов за счет возможности автономного ввода-вывода штифтов [9].
Существуют машины с осциллирующими шнеками, которые совершают помимо вращательного движения, поступательное. Это позволяет также повысить эффективность экструзии. Примером таких установок может быть продукция фирмы «Buss» (Швейцария) [11].
Для получения изделий, состоящих из различных материалов, используются агрегаты из сдвоенных (дуплексы), строенных (триплексы) и счетверенных (квадруплексы) червячных машин с общей головкой. Агрегатирование червячных
машин позволяет получать материалы с лучшими эксплуатационными свойствами, в ряде случаев увеличить производительность процесса. Хотя такие установки дорогостоящие и требуют строгого соблюдения технологических параметров процесса переработки [7]. В последнее время такое оборудование широко распространено, например, в производстве многослойных полимерных пленок [13].
Современное отечественное химическое машиностроение выпускает широкий диапазон экструзионных установок. Вследствие широкого многообразия их конструкций не все их типы стандартизированы, существуют два стандарта:
а) ГОСТ 11441-70 «Червячные машины для резиновых смесей»;
б) ГОСТ 14773-69 «Прессы одночервячные для пере работки термопластов». Однако спектр выпускаемых промышленностью установок гораздо шире и позволяет подобрать машину практически для любых материалов в широком диапазоне производительностей.
1 - пневмозагрузчик; 2 - бункер с устройством, для сушки и подогрева гранул; 3 - экструдер; 4 - трубная головка; 5 - калибрующая насадка; 6 -охлаждающая ванна; 7 - маркирующее приспособление; 8 - тянущее устройство;
9 - получаемая труба; 10 - отрезное устройство; 11 - штабель.
Рисунок 1 - Экструзионный агрегат для изготовления труб
На рисунке 1 представлена типичная схема агрегата для изготовления полиэтиленовых труб.
Гранулы полиэтилена по пневмотранспорту поступают в бункер 2, где подогреваются для уменьшения влажности гранул и уменьшения затрат тепла на нагрев в экструдере, кроме того, высота столба гранул в бункере обеспечивает начальное гидростатическое давление в зоне питания. Затем в экструдере 3 гранулы переходят в расплав. В головке 4 формируется труба, а в калибрующем устройстве 5 происходит охлаждение и кристаллизация перерабатываемого материала с целью сохранения формы и размеров готового изделия. Затем горячая труба поступает в ванну 5, где окончательно охлаждается. Вытяжка из калибрующего устройства и протяжка через охлаждающую ванну обеспечиваются тянущим устройством 8, кроме этого, данное устройство выполняет ещё другую функцию - изменяя соотношение скоростей экструзии и вытяжки можно в определенных пределах
изменять толщину стенки получаемой трубы. На заключительной стадии труба или разрезается на куски, как показано на рисунке, или укладывается в бухту.
Проведенные ранее исследования по выявлению рациональных соотношений содержания резиновой крошки в полиэтилене показали, что приемлемые прочностные свойства дают композиции с процентом введения крошки до 70 % (в интервале содержания крошки от 20 до 70 % предел прочности композиций изменяется с 25 до 12 МПа). При большем содержании крошки прочность резко падает, что связано с разрушением полиэтиленового каркаса композиции. Поэтому, в качестве исследуемого материала была выбрана композиция с содержанием резиновой крошки в полиэтилене 50 %.
Композиция предварительно разогревалась в термошкафу, а затем загружалась в экструдер, выведенный на стационарный температурный режим. Анализ экспериментов по методике экструзии полиэтиленовых труб показал следующую особенность. Из-за отличных от чистого полиэтилена физико-механических свойств композиции, происходило нарушение сплошности кольцевого потока (разрыв трубы) при вытягивании заготовки из калибрующего устройства или «схлопывание» отверстия трубы. Основная причина этих явлений заключается в том, что у полиэтилена коэффициент относительного удлинения для температур переработки существенно выше, чем у рассматриваемого материала. Поэтому, в случае если скорость вытяжки превышает скорость экструзии, за счет упомянутого свойства у полиэтиленовой заготовки лишь уменьшается толщина стенки, а нарушения ее целостности не происходит. В то время как заготовка из рассматриваемой композиции рвется. Таким образом, при экструзии данной композиции интервал варьирования скоростью вытяжки по отношению к скорости экструзии значительно уже в сравнении с экструзией чистого полиэтилена. Кроме того, введение крошки в полиэтилен повышает его вязкость, а также увеличивает адгезионные свойства. Это создает трудности при получении продукции экструзией из данной композиции и требует создания иной технологии переработки.
Основываясь на результатах литературного обзора методов калибровки труб по обоим диаметрам, а также методике экструзии труб из высоковязких термопластов, рассмотренных выше, с целью преодоления выше указанных негативных явлений, было предложено формовать профиль заготовки между калибрующей трубкой и дорном, удлиненным на участок кристаллизации трубы (рисунок 2). Кристаллизация материала происходит, в этом случае, в кольцевом зазоре между калибрующей трубкой и дорном по всей толщине стенки трубы, что исключает «схлопывание» отверстия на выходе из головки. Движение трубы осуществляется за счет нагнетательной способности машины, это исключает нарушение сплошности трубчатой заготовки. Данный способ формования и охлаждения трубы, кроме того, менее требователен к качеству сырья, в частности, возможно использование вторичного полиэтилена с различной степенью загрязнения.
\ / / 1
у-- "Ч
1
*
\
Г
I
1 - головка экструдера; 2 - дорн; 3 - калибрующее устройство; 4 - формуемая труба; (Ь - длина участка формования; Лв - радиус дорна; Кб - наружный радиус трубы; Як - текущий радиус границы кристаллизации; стрелками показан подвод охлаждающей воды к устройству). Рисунок 2 - Схема калибровки на удлиненном дорне
Серия экспериментов, проведённая с применением удлинённого дорна, показала принципиальную возможность переработки полиэтилена наполненного резиновой крошкой. Однако подбор оборудования сопряжен с определенными трудностями, во-первых, на участке калибровки трубы возникает значительный перепад давления, величина которого сопоставима с сопротивлением головки, следовательно, его необходимо учитывать при построении совмещенной характеристики экструдера и определении рабочей точки. Во-вторых, возникает задача определения длины части дорна на участке калибровки, так как излишняя длина создаст лишнее сопротивление, а недостаточная не обеспечит необходимое качество процесса. Эти вышеперечисленные факторы определили необходимость моделирования процесса экструзии труб с использованием данной методики.
Моделирование процессов экструзии призвано решать следующие основные задачи:
1 Определение энергосиловых параметров процесса фактической производительности и рабочего давления. Эти параметры получаются путём решения системы из двух уравнений. Первое уравнение описывает соотношение между давлением нагнетания шнека и расходом материала. Второе - зависимость давления сопротивления головки экструдера от расхода. Общая точка этих уравнений называется рабочей точкой. Она показывает значение производительности экструзивного агрегата и давление, возникающее в головке. Графическое представление зависимостей расход - давление называется совмещенной характеристикой червячной машины.
2 Установление зависимостей, связывающих технологические параметры и свойства перерабатываемого материала с энергосиловыми характеристиками экструзии, что создает предпосылки для автоматизации процесса.
3 Исследование термодинамики неизотермического процесса экструзии с целью выборов оптимальных температурных режимов переработки и разработки систем тепловой автоматики.
4 Разработка методики расчета технологических режимов переработки и создание на этой основе предпосылок для регулирования и оптимизации процесса.
В настоящее время существуетдва подхода к моделированию процессов экструзии полимеров.
Первый основан на выводе эмпирических зависимостей путём обработки данных эксперимента с помощью теории подобия. Этот способ предполагает многочисленные экспериментальные данные по переработке широкого ассортимента материалов на установках различной конструкции. Он связан со значительными затратами, хотя при наличии этих данных позволяет весьма просто решить задачу расчета энергосиловых параметров и технологических характеристик процесса. Кроме того, этот метод не может раскрыть картину движения материала в машине, не позволяет получить поля температур в сечениях перерабатываемого материала при неизотермическом процессе экструзии.
Второй способ, который подучил всеобщее признание, основан на использовании уравнений гидродинамики. Основу этого метода составляют уравнения неразрывности, движения и энергии (1.1) - (1.3), они представляют собой математическую формулировку основных физических принципов и не зависят от природы жидкости.
йр
17= -РОЮ <1Л)
(ч
(IV
р— = ур + ут + рд (1.2)
йТ др
РС„-£=-(?я)-Т(—)р&У) + (Т + РУ) (1-3)
В зависимости от особенностей процесса данные уравнения пополняются дополнительными реологическим уравнением, температурными зависимостями реологических и теплофизических параметров, другими уравнениями.
ВЫВОДЫ
На основании анализа применимости современных методов экструзии предложено использовать способ экструзии труб для композиции «полиэтилен -
резиновая крошка» с применением дорна, удлиненного на участок формования. Проведена апробация данного метода и установлена возможность получения трубчатой заготовки с большим процентом наполнения крошкой до (70% масс). Обоснована актуальность создания метода расчета градиента давлений на калибрующем участке и длины участка. Установлена необходимость экспериментального определения реологических и фрикционных свойств рассматриваемых материалов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Шварц А. И. Интенсификация производства резинотехнических изделий. -М. : Химия, 1989.-205 с.
2 Тадмор 3., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. -М. : Химия, 1984.-632 с.
3 ГОСТ 14773-69. Прессы одночервячные для переработки термопластов.
4 ГОСТ 114441-76. Машины одночервячные для переработки резиновых смесей. Технические условия.
5 Янков В. П., Первадчук В. П., Боярченко В. И. Процессы переработки волокнообразующих полимеров. - М. : Химия, 1989 - 320 с.
6 Скульский О. И. Разработка методов расчёта одно и двухчервячных машин для переработки полимеров и дисперсных систем с учетом гидромеханических, тепловых и ориентационных явлений: Дне.... д-ра техн. наук - Пермь, 1991 - 307 с.
7 Jonson Р. S. Development in extinsion science and technology // Rubber Chem-istty and Technology - 1981 - № 56 - p. 575-593.
8 Capelle G. Maschinen-neuentwicklimgen fax die Gummi-Profilherstellung // Kautsch, und Gummi Kunstst. - 1981. - 34. - № 9. - P. 744-749.
9 Грифф А. Технология экструзии пластмасс. - M. : Мир, 1965. - 307 с.
10 Аскаров Е. К. Кулачково-винтовой пресс с нижним расположением привода // Наука и техника Казахстана. - 2018. - № 2 - С. 5-13.
11 Силин А. И., Остапчук Ю. Г., Борисюк JI. Н. Тенденции развития пласт смесительного оборудования непрерывного действия. - М. : ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978. - 46 с.
12 Фишер Э. Экструзия пластических масс - М. : Химия, 1970. - 288 с.
13 Бухгалтер В. И., Гецас С. И., Диденко В. JL, Курженкова М. С. Экструзия. Л. : Химия, 1980- 112 с.
14 Красовский В. Н., Воскресенский А. М. Сборник примеров и задач по технологии переработки полимеров. - Минск : «Вышэйш. Школа», 1975. - 320 с.
Материал поступил в редакцию 20.05.19.
Маздубай Асылхан Владимирович
PhD докторы, кауымд. профессор (доцент), «Металлургия» кафедрасы, С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекетпк университета.
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: [email protected].
Амерханов Тимур Бакеевич
магистрант, «Металлургия» кафедрасы,
С.Торайгыров атындагы Павлодар мемлекетпк университета,
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
е -mail : amerhanov. 0 Mil mail. га.
Материал баспага 20.05.19 тустг
«Полиэтилен-рэзецкел1 к;ок;ымдар» композициясынан кубырларды экструзияларга арналган жабдьщтардыц куралдарын есептеу жене жобалау
Резецке цалдьщтарын механикальщ унтацтау арцылы оцдеумен, содан кешн эр турлI материалдарва (мысалы, резецке цосылыстарга) крепа реттде алдын ала июгшетт резецкелi цоцые цалдьщтарын пайдалану царастырылган. Квптеген эдебиеттерде полиэтилен жэне полипропилен mapisdi термопластикамен композициялардагы цабыцшалы резецкеш пайдалану туралы аппарат бар. Бул материалдарда термопластиктщ байланыстырушы ортасы болып табылады, ал сыньщ нег131нен термопластиктен ерекшеленетт материалдьщ цасиеттерт беретт толтыргыш реттде цолданылады. Бул композициялардыц отмдерг Keùôip жагдайларда термопластикалардан алынган отмдердщ алмастырвыштары реттде пайдаланылуы мумкт. Осындай ауыстыру полиолефиндердг сацтау жэне резецке цалдьщтарын цайта оцдеу арцылы экономикалыц пайда экеледг. Сондай-ац, осындай матералдардан оцдгру цалдыцсыз, ce6e6i материалда цайтымсыз цурылымдыц озгер1стер болмагандыцтан цалдыцтар мен ацаулы OHiMdepdi цайта оцдеуге мумтндт болады.
KLnmmi создер: цубыр экструзиясыб, полиэтилен, резщке усацтары, червячные экструдерлер, термошкаф, ducKmi экструдерлер, плунжерлт экструдерлер.
Mazdubay Assylkhan Vladimirovich
Doctor PhD, associate, professor (docent). Department of «Metallurgy»,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan
e-mail: [email protected].
Amerkhanov Timur Bakeevich
undergraduate student. Department of «Metallurgy»,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: [email protected].
Material received on 20.05.19.
Calculating and design of auxulary equipment for extrusion of pipes from «polyethylene-rubber dust»
The processing of rubber waste by mechanical grinding is considered, followed by the use of pre-crushed rubber crumb waste as additives in various materials (for example, rubber compounds, bitumen compositions, protective mastics, etc.). Information on the use of crumb rubber in compositions with thermoplastics, such as polyethylene and polypropylene, is found in many sources. In these materials, thermoplastic is a bonding medium, and the crumb acts mainly
