CC BY
43
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 532.517.2
Г. С. Кутузова, А. Г. Кутузов, М. А. Кутузова
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСТРУЗИОННОЙ ГОЛОВКИ НА КАЧЕСТВО ПОЛУЧАЕМОГО ИЗДЕЛИЯ
Ключевые слова: вязкоупругая жидкость, экструзионная головка, температура.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию температуры нагрева формующего канала экструзионной головки на качество получаемых изделий шинной промышленности.
Keywords: viscoelastic liquid, extrusion head, temperature.
The results of the experimental studies on the influence of heating temperature of the molding channel of extrusion head on the quality of the tire industry products are represented in the work.
В работах [1,2] было рассмотрено математическое моделирование течения вязкоупругой жидкости в условиях неизотермичности. Для описания вязкоупругих свойств жидкости была выбрана реологическая модель Фан-Тьен-Таннера. Представлена зависимость распределения температуры от упругих свойств жидкости. С увеличением времени релаксации напряжения происходит полное изменение структуры потока: пики напряжений возрастают и становятся значительно больше, чем в ньютоновском случае; изотермы искажаются; напряжения перераспределяются таким образом, что образующиеся более мощные концентрации напряжений вблизи стенок начинают перемещаться вверх по потоку. Это приводит к более раннему отрыву потока от стенок канала при подходе к сужению. Вихревая зона увеличивается и существенно превосходит по своим размерам вихревую зону для ньютоновской жидкости. В работе показано, что в результате преобразования части механической энергии в тепловую возникает поперечный градиент температуры в выходном сечении экструзионной головки, который существенным образом зависит как от реологических свойств жидкости, так и от температурной зависимости этих свойств. Эта температурная неоднородность приводит к образованию физической по свойствам, а в некоторых случаях и химической неоднородности, образующейся в результате преждевременной подвулканизации смеси в экструзионной головке. Это явление неизбежно сказывается на качестве получаемой продукции. Путем математического моделирования показано, что нагрев узкой части канала, примыкающей к выходному сечению экструзионной головки, позволяет выравнивать температуру в выходном сечении канала.
Для оценки влияния температуры нагрева экструзионной головки на качество получаемого изделия были проведены экспериментальные исследования на червячной машине теплого питания МЧТ 32 х 5, имеющей следующие характеристики: диаметр червяка = 32 мм; отношение длины червяка к его диаметру = 5; червяк цилиндрический двухза-ходный с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки; степень сжатия = 1^1,55; число оборо-
тов червяка = 20^100 об/мин; регулирование оборотов червяка - бесступенчатое; обогрев цилиндра и червячной головки производится горячей водой или паром давлением 3-ь4 кг/см2; регулирование температуры головки первой зоны - автоматическое, цилиндра и червяка - ручное с помощью вентилей; пределы регулирования температуры - 30^134°С; мощность привода машины = 4,5 кВт.
Рис. 1 - Схема одночервячной машины: 1 - головка; 2 - червяк; 3 - корпус; 4 - рубашка для циркуляции теплоносителя; 5 - загрузочная воронка
Для исследования были использованы 2 рецептуры резиновой смеси, применяемые в ОАО “Нижнекамскшина” и представленные в табл. 1 и 2.
В экструзионной головке использовалась насадка вида (рис.2):
Рис. 2 - Насадка
При прохождении резиновой смеси через такую насадку получалась прямоугольная заготовка сечением 12 х 22.
Исследования проводились при следующих температурах экструзионной головки: 90°С,
100°С,110°С. В качестве базовой температуры была принята температура в 100°С. Температура экструзионной головки измерялась лучковой термопарой:
КБ 500 (предел измерения -100°С ^+400°С; цена деления шкалы -1°С; класс точности - 1.0).
С помощью полученной заготовки оценивались следующие физико-механические показатели:
1. условное напряжение при 300% удлинении £,, кгс/см2;
2. предел прочности резины при разрыве ^, кгс/см2;
3. относительное удлинение при разрыве е2, %;
4. остаточное удлинение резины А*,, %;
5. сопротивление резины раздиру ст'2, кгс/см;
6. пластичность резиновой смеси Р, которая выражается отвлеченным числом в пределах от 0 до 1.
7. Эластическое восстановление резины Де, %.
Заготовка образцов, проведение испытаний, вычисление результатов испытаний проводилось по ГОСТу 269-66.
Таблица 1 - Резиновая смесь для выпуска автокамер
ВСЕГО: 182.40 100.00 187.960 173.240
Расчетная плотность 1 ст: 1.110 г/куб. см 2 ст: 1.120 г/куб.см
Исследования показали, что температура подогрева экструзионной головки заметно влияет на физико-механические свойства исследованных образцов.
Таблица 2 - Протекторная резиновая смесь для легковых радиальных шин.
ВСЕГО: 193.10 100.00 168.210 170.000 175.000
Расчетная плотность 1 ст: 1.150 г/куб.см; 2 ст: 1.150 г/куб.см; 3 ст: 1.160 г/куб.см.
Тенденция влияния является следующей. С ростом температуры нагрева экструзионной головки (на 10%) по отношению к температуре корпуса экструдера начинают улучшаться практически все механические характеристики исследованных образцов. Очевидно, что при прочих равных условиях эти изменения связаны, прежде всего, с двумя взаимосвязанными процессами: во-первых, такое увеличение температуры приводит к лучшему формованию изделия за счет уменьшения вязкости экструдата; во- вторых, увеличение температуры стенки формующего инструмента по сравнению с температурой стенки перед формующим инструментом, как показали наши расчеты, приводит к подавлению процесса диссипации механической энергии в области течения экструдата; это неизбежно должно приводить к выравниванию температуры экструдата в поперечном направлении, что в действительности и происходит. Таким образом, можно предположить, что улучшение физико-механических показателей резиновых образцов с повышением температуры экструзионной головки связано с выравниванием свойств экструдата в поперечном направлении вследствие выравнивания температуры в этом же направлении. Интересно отметить, что уменьшение температуры стенки формующей головки по сравнению с температурой стенки корпуса экструдера приводит, с одной стороны, к росту температурной неоднородности экструдата в поперечном направле-
Наименование материала На 100 мас. долей каучука, м.д. Мас- со- вые доли, % Навеска в кг
1 ст. 2 ст. 3ст
СКМС-30АРКМ15 Б ГР2 100.00 51.78 89.00 0
ТЕХУГЛЕРОД П245 65.00 33.64 57.85 0
БЕЛИЛА ЦИНКОВЫЕ 3.00 1.55 2.670
МИКРОВОСК ЗАЩИТН 2.00 1.04 1.780
ДИАФЕН ФП 1.00 0.52 0.890
АЦЕТОНАНИЛ-Р 2.00 1.04 1.780
СМОЛА СТИР-ИНД 4.00 2.07 3.560
СТЕАРИН ТЕХН.1С 2.00 1.04 1.780
МАСЛО ПН6Ш 10.00 5.18 8.900
ДИФЕНИЛГУАНИ ДИН ГРАН 0.30 0.16 0.280
СУЛЬФЕНАМИД Ц 1.50 0.78 1.390
СЕРА ТЕХНИЧЕСКАЯ 2.00 1.04 1.850
САНТОГАРД РУ1 0.30 0.16 0.280
МАТОЧНАЯ СМЕСЬ 170. 0 175.0 0
Наименование материала На 100 мас. долей каучука, м. д. Массовые доли, % Навеска в кг
1 ст. 2 ст. 3 ст
СКИ-3 ГР2 50.00 27.42 53.00 0
СКМС-30АРКМ15 В ГР12 50.00 27.42 53.00 0
ТЕХУГЛЕРОД П514ГРАН 50.00 27.42 52.00 0
БЕЛИЛА ЦИНКОВЫЕ 3.00 1.64 3.150
МИКРОВОСК ЗАЩИТН 1.00 0.55 1.050
ДИАФЕН ФП 0.50 0.27 0.530
АЦЕТОНАНИЛ -Р 2.00 1.10 2.100
КАНИФОЛЬ СОСН. 1СОРТ 2.00 1.10 2.100
СМОЛА СТИР-ИНД 2.00 1.10 2.100
СТЕАРИН ТЕХН.1С 1.00 0.55 1.050
МАСЛО ПН6Ш 17.00 9.32 17.85 0
АНГИДРИД ФТАЛ.МАРБ 0.50 0.27 0.530
ГУАНИДФ 0.60 0.33 0.570
ТИАЗОЛ 2МБС 1.10 0.60 1.050
СЕРА ТЕХНИЧЕСКА Я 1.70 0.93 1.620
МАТОЧНАЯ СМЕСЬ 170.0 0
нии, а, с другой стороны, как показали наши эксперименты, к заметному ухудшению физикомеханических характеристик получаемых изделий.
Таким образом, путем моделирования сходящегося течения вязкоупругой жидкости и измерения физико-механических свойств изделий при различных температурах стенки формующей головки установлено: а) свойства продукции (и соответственно качество продукции) резиновой промышленности в значительной мере зависят от степени температурной неоднородности экструдата на выходе из экструзионной головки; в) выравнивание температуры экструдата на выходе из экструзионной головки крайне важно для получения качественной продукции шинного производства; с) температурная неоднородность экструдата может быть существен-
но уменьшена путем поддержания более высокой температуры стенки формующего экструзионной головки по сравнению с температурой стенки корпуса экструдера.
Литература
1. Кутузов А.Г. Неизотермическое течение вязкоупругой жидкости в фильерах экструдеров / А.Г. Кутузов // Вестник Казанского технологического университета. -Казань: КГТУ, 2008.- №2. - С.37-41.
2. Снигерев Б.А. Течение упруговязкой жидкости со свободной поверхностью / Б.А. Снигерев, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, А. Аль-Раваш // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: КГТУ, 2007.- № 1. - С.85-93.
© Г. С. Кутузова - канд. техн. наук, доц. каф. химии НХТИ КНИТУ; А. Г. Кутузов - д-р. техн. наук, проф. каф. автоматизации технологических процессов и производств НХТИ КНИТУ, [email protected]; М. А. Кутузова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры.
