ЭКСТРУЗИЯ

ОБЩЕЕ

Экструдер в работе – вещь впечатляющая: на глазах происходит маленькое чудо и из засыпаемой крошки возникает вязкая горячая масса, выползающая из формующего отверстия. Авторы умных книжек солидно и снисходительно разъясняют, что это вовсе не чудо, а совершенно напротив – всё ясно и просто. Есть высоколобые, у них есть всякая математика, эмпирика и прочая наука. Внимай и трепещи, кланяйся и плати.

Однако, присмотришься – и как-то всё не так. Уже полная разноголосица по конструк­тиву совершенно озадачивает. Зона питания – короткая или длинная? Легкий уклон на сжатие в зоне питания? Степень сжатия? Длина зоны сжатия? Торпеда нужна или она понапрасну забирает давление, которое могла бы развить более длинная зона дозирования? Какой формы торпеда полезна и чем именно? Дальше – больше. Полуторазаходный шнек, нарезная втулка в зоне загрузки, шнек без сжатия и даже с отрицательным сжатием …. Голова кругом. Сколько голов, столько и мнений, и даже апломбов. Хуже с доказуемостью.

Например, бытовало мнение, что зона сжатия должна быть крутой и короткой ( длиной до половины диаметра шнека ) для кристаллических полимеров и более пологой для аморфных – дескать, при плавлении изменяется плотность материала ( на 10% ), и это следует компенсировать сжатием ( в 3 раза? ). Но материал движется, уплотняясь и прогреваясь. Как угодить с плавлением именно в эту зону шнека? Если гранулят может расплавиться раньше по ходу движения, зачем ему ждать зоны сжатия? А если он не вполне проплавился, его что, не запихнешь в сузившийся зазор? Температуру по цилиндру и скорость вращения шнека можно изменять в широких пределах – и во всех случаях материал умудряется расплавиться именно в зоне сжатия? А если нет – в каком именно случае? Ведь нет никаких способов узнать: угадал в зону сжатия или нет. А раз так, то надо ли угадывать?

Не меньшей была чехарда со степенью сжатия. По тогдашней моде она была 3—4, т.е. слишком высокой по нынешним временам, и зависела скорее от вкуса разработчика, чем от вида поли­мера, кри­с­талличности, температуры плавления или чего-то иного. Попытки обосновать такую ( да и любую иную ) степень сжатия не выглядели серьёзно.

То же с температурными режимами. Ходишь с открытым ртом и внимаешь специалисту: в зоне питания ( на входе ) следует держать как можно более низкие температуры. Если слышно по­скрипывание материала – это хорошо, это – «музыка», при этом процесс стабилизируется. Вроде бы убедительно ( правда, причем тут зона загрузки, если все решает зона дозирования? ). Но это мнение не вполне убеждает другую группу специалистов ( для них этот приезжий консультант – просто выскочка), которые после отъезда первого восстанав­ливают режим горячей зоны загрузки и имеют на руках не худшие козыри.

Но пока ты – зритель, а решения принимают (и отвечают за них) другие, удобнее положиться на специалиста, и спрятать свои сомнения в карман. Иное дело, когда прихо­дится решать самому. Тут-то и начинается переосмысление основ и перебор вариантов.

Начнем с очевидного. Что такое сжатие? – Переход от гранулята к монолиту. Насколько можно сжать гранулят? ( например, если просто насыпать полимерный гранулят в цилиндр и сжать поршнем?). Поскольку насыпная плотность гранулята равна 0,7 ( плотная упаковка ша­ров ), т.е. меньше плотности монолита в 1,4 раза, то сжатие больше, чем в 1,4 раза невозможно физически. Мало того, по­скольку материал попадает в экструдер холодным, а выходит в виде расплава, и его плотность уменьшается ( тепловое расширение ) на 7-10%, то реальная степень сжатия материала еще меньше и вряд ли превышает 20-25% ( например, плотность ПЭНП гранулята равна 0,7, а расплава – 0,8г\см3 ). Следовательно, говоря о степени сжатия 2—4, мы говорим о чем-то ином, о некоей условной величине и такое «сжатие» требуется для чего-то иного, чем простое уплотнение материала.

Процесс экструзии обычно рассматривают по частям, и таких частей в первом приближении три: сухой шнековый транспортер (начало зоны питания), жидкостной шнековый насос (зона дозирования) и переходной участок.

При сухом транспортировании материал движется как гайка, цепляясь за стенки и наворачиваясь на винтовую нарезку. В случае отсутствия проворота «гайки» (если она дви­жется только вдоль оси цилиндра, например, по направляющим пазам) «гайка» продвигается на один шаг нарезки при полном обороте шнека. Тогда подача материала составляет один объём витка на один оборот шнека. Если «гайка» проворачивается (проскальзывает по стенкам), она не идет вперед и подача уменьшается, или вовсе прекращается. (Проскальзывание часто наблюдается при попытках добавить в гранулят жидкую или легкоплавкую добавку. Жидкость смазывает стенку материального цилиндра и экструзия прерывается. В быту это называется «козёл»).

 

При жидкостном транспортировании жидкость сцеплена как с поверхностью ствола (т.е. неподвижна), так и с движущейся поверхностью шнека, так что при вращении шнека жидкость в объёме нарезки движется со средней скоростью примерно вдвое меньшей, чем скорость поверхности шнека. В результате подача жидкости (расплава) в зоне дозирования составляет половину ­объёма витка на один оборот шнека. Сравнение с подачей типа гайки (половинного объёма) здесь не подходит, поскольку механизм продвижения материала принципиально иной. В толще жидкой массы сосуществуют слой неподвижный, слой вращающийся (вместе со шнеком) и промежуточные слои. Гребень соскребает малоподвижные слои и смещает их вперёд вдоль своего наклона. В итоге расплав не просто подаётся вперёд – в его объёме развиваются множественные потоки, и происходит активное перемешивание.

Если взять шнек с постоянным каналом, можно видеть, что объёмная подача на вхо­де в экструдер (сухое транспортирование) вдвое превышает объёмную подачу на выходе (жидкостное транспортирование), т.е. объёмная степень сжатия равна 2. Однако, как уже сказано, степень сжатия гранулята не может превышать 1,25. Следовательно, уже для шнека постоянной глубины объёмная степень сжатия превышает допустимую в 1,6 раза. Но ведь обычно экструдер имеет еще и формальную (за счет изменения диаметра стебля или шага нарезки) степень сжатия 2 – 3. И как же это может быть, если запрещено физически? Ясно, что ничего такого и нет, одна формаль­ность.

На самом деле экструдер представляет собой два насосасухой и жидкостной – установленных последовательно в одном корпусе. Эти насосы вынужде­ны работать сла­женно, с одинаковой производительностью. Но последовательно включённые насосы могут работать устойчиво, только если один из них подлаживается к дру­гому, изменяя свою про­изводите­льность. Способность изменять подачу в широких пределах при изменении про­тиводавления называется мягкой напорно-расходной характеристикой (пример очень мягкой характеристики – вентилятор. Его можно заткнуть, и подача воздуха прекратится, а ротор будет просто перемеши­вать воздух в рабочем объёме). Оценим, где и как такая характеристика обеспечивается в экструдере.

Процесс работы жидкостного насоса описан достаточно надежно. Подача насоса рав­на примерно половине ­объёма витка на один оборот шнека, и его напорно-расходная характеристика оп­ределяется утечками, возникающими из-за противодавления. Это утечка по спиральному каналу (противотоком по центру канала) и утечка по зазору между гребнем и цилиндром. Утечки пропорциональны текучести жидкости (здесь – расплава), поэтому расход линейно уменьшается с ростом противодавления. Когда вязкость велика (обычно выше 500 Па.с), характе­ристика жидкостного насоса жесткая (обычно снижение расхода не превышает 10% при противодавлении 200 бар). Но раз жидкостной насос не способен подстраиваться, следова­тельно, мягкую характеристику должен  иметь именно «сухой насос».

Зона загрузки легко обеспечивает мягкую характеристику. Противодавление мешает продвижению гранулята («гайки») вперед и «гайка» начинает проскальзывать по стенкам цилин­д­ра, вращаясь вместе со шнеком. При высоком противодавлении подача может прекратиться совсем, т.е. расход сухого насоса может в широких пределах подстраиваться под расход жидкостного насоса. Даже если коэффициент трения полимер-стенка велик, «гайка» может прокручиваться относительно цилиндра благодаря выделению тепла трения. При этом полимер плавится, и образовавшийся слой расплава является смазкой. Одновременно происходит сжатие гранулята с образованием «пробки».

Всё это мило, однако картина обманчиво проста. Зачем же тогда нужна привычная «степень сжатия», почему она втрое-вчетверо больше минимально необходимой? И здесь ведь не поспоришь, на том стоит весь огромный опыт переработки полимеров... Ну конечно: мы забыли, что нужно подготовить твёрдый гранулированный материал ко входу в жидкостной насос. Ведь материал нужно не прос­то спрессовать, но еще и равномерно прогреть и проплавить, а это не шутки – теплопроводность полимеров очень низка. При низкой теплопроводности на прогрев нужно время, которого, естественно, не хватает.

Оценим это время на примере шнека D60х30. Шнек – «квадратный» (шаг равен диаметру), D60х30, зоны – 15D+5D+10D, глубина нарезки 8,5 ââ3 мм. Степень сжатия – 2,6. Частота вращения – 150 об/мин = 2,5 об/с. Поскольку для зоны выдавливания подача расплава равна 0,5 объёма витка/об, то время пребывания материала в объёме одного витка этой зоны – 1:2,5.0,5 = 0,8 с. Суммарный объём витков в других зонах в {15х2,6 + 5х(2,6+1)/2} = 48 раз больше, чем объём витка в зоне выдавливания, так что время пребывания материала в зонах дозирования и плавления равно 0,8х48 = 38 с. За 38 секунд блок полимера (ПП, ПЭ) в контакте с горячим металлом проплавится на глубину не более 0,9 мм (примем на веру, чтобы не усложнять текст).

Можно смело утверждать, что если гранулят спрессовать в пробку и попробовать эту проб­ку про­­плавить, то времени требуется много больше, чем может обеспечить экструзия. В рассмотренном при­мере потребуется не менее 13 минут (в 20 раз больше реальных 38 с).

Прогрев на общую глубину 8,5 мм идёт с двух сторон – от шнека и от цилиндра – следовательно, прогреваемая толщина – 4,25 мм, или  в 4,5 раза больше, чем 0,9 мм. Вре­мя прогрева пропорционально квадрату толщины, или 4,52=20

Для больших экструдеров картина ещё хуже из-за большой глубины нарезки. Выход один: чтобы проплавить пробку, необходимо её дробить и перемешивать образовавшуюся массу. Тогда, если постоянно отводить расплав и прижимать твёрдые остатки пробки к металлу (без теплоизолирующего слоя расплава), можно ускорить плавление. Впро­чем,  нагрев контактом недостаточен, и нагрев осуществляется сверх того за счет тепла трения (смешения). Это объясняет потребность в большой «степени сжатия» в нарезке шнека должны возникать интенсивные потоки, которые перемешивают массу. Дело в том, что даже в «сухой» зоне (на первых витках) трудно добиться сухого транспортирования из-за плавления полимера при скольжении. Даже холодный металл цилиндра в зоне загрузки, из-за низкой теплопроводности поли­мера не может отобрать тепло трения из тонкого слоя полимера на границе с металлом. Поэтому подстройка расхода путем истинного проскальзывания гранулята возможна только в самом начале зоны – на 1-2 витках. Далее на трущихся поверхностях быстро возникает поверхностный слой расплава. Этот расплав уходит между гранул или соскребается гребнем шнека, накапливается, и возникшие вязкие массы сначала помогают сформировать пробку, а затем начинают свое движение, дробят пробку и перемешивают образовав­шиеся куски.

Переходная зона (между загрузкой и дозированием) также является жидкостным насосом, но объём витка заполнен кашей из рас­пла­ва и кусков раздробленной пробки, причём по мере продвижения к выходу размер и количество непроплавленных включений уменьшается, а средняя температура массы возрастает. Одновременно падает и вязкость массы как из-за роста температуры расплава, так и из-за снижения концентрации твердого наполнителя (непроплавленного полимера) в нём. Если наполнителя много, то масса малоподвижна и может продвигаться по шнеку пробкой, проскальзывая по стенкам цилиндра. Если наполнителя мало – подача идет как для жидкости. Иначе говоря, переходная зона (и, отчасти, зона питания) представляет собой цепь насосов, каждый со своей характеристикой. Подача этих насосов в 2-3 раза выше, чем в зоне дозирования (из-за большой глубины нарезки шнека), поэтому их характеристика должна быть мягкой. Характеристика у каждого из насосов своя – у одних она смягчается за счёт проскальзывания по стенке цилиндра, у других –  за счёт обратного потока (большого благодаря большой глубине нарезки).

Сопротивление обратному потоку (встречному течению расплава по спиральному каналу шнека) пропорционально кубу зазора щели (здесь –  глубины нарезки шнека), В типичном случае сопротивление нарезки обратному потоку в переход­ной зоне в 2,53 = 15,6 раз меньше, чем в зоне дозирования, и обратный поток возрастает, а харак­теристика смягчается.

Картина экструзии кажется понятной и ведущую роль в ней играет зона дозирования, кото­рая  обеспечивает постоянную производительность,  сглаживает пульсации, возника­ю­щие в зоне питания, и дисциплинирует подачу, вгоняя зону питания в устойчивый режим. Правда, зона дозирования забирает большую долю длины шнека, не производя иного эффекта, кроме стабилиза­ции процесса.  Поэтому всегда есть соблазн сократить её длину в пользу зон питания и сжатия. В то же время, поскольку зона дозирования ограничивает подачу массы, это заставляет массу в предыдущих зонах активно перемешиваться. Совместное действие прямого и обратного потоков рвет пробку и  остав­шиеся от неё куски, перемещает и тасует их по общему объёму, плавит за счёт тепла трения и ускорения теплообмена. Именно смесительный эффект и есть, надо ду­мать, главное пред­назначение «сжатия» материала в шнеке.

Поскольку зона дозирования запирает предыдущие зоны (отбирает расплава меньше, чем в неё пытаются подать), давление перед ней выше, чем после неё. Насколько выше – зависит от конструкции, полимера и режима, но подпор – непременное условие экструзии. Обычно подпор перед зо­­ной дозирования увеличивает её расчетную производительность процентов на 20-25. Величину подпора нельзя рассчитать, как нельзя рассчитать процесс плавления и подачи массы в зоне питания. Конечно, есть много попыток, моделей, уравне­ний и оценок, и все они выглядят очень солидно, однако, они не только недоступны для восприятия, но и просто недостоверны –  нельзя аналитически мо­делировать активно перемешиваемую неоднородную систему с меняющейся степенью неоднородности (да ещё зависящей от интенсивности смешения). Поэтому, в конечном счёте, разработка экструдеров – чисто опытная задача, а оценки носят только полуколичественный, вспомогательный характер. Отсюда и  множество рекламируемых вариантов классической конструкции шнека, не слишком отличающихся друг от друга. То-есть, они, конечно, различаются, но доработка направлена, в основном, на то, чтобы улучшить проработку расплава и его однородность по температуре и по распределению красителей, модификаторов и других смесевых компонентов (имеются и доработки ради патента, но об этом говорить неприлично).

Зато есть тип конструкции, отличающийся принципиально – это экструдер с нарезкой цилиндра в зоне загрузки.

Экструдер с нарезкой цилиндра в зоне загрузки.

В нарезном экструдере нарезка цилиндра в зоне загрузки не позволяет пробке («гайке» из гранулята) проворачи­вать­ся относительно цилиндра. При этом характеристика зоны питания становится жесткой, а следовательно, нарушается принцип единоначалия («двух ведущих насосов не бывает») с соответствующими последстви­ями, которые можно назвать «войной насосов». Как уже говорилось, в гладкоствольном экструдере зона дозирования является жестким насосом, под который вынуждены подстра­иваться предыдущие зоны, имеющие мягкую характеристику. Если придать жесткую характеристику также и зоне пита­ния, то процесс потеряет устойчивость. На­пример, нам приходилось наблюдать, как производительность нарезного экструдера изменяется в широких пределах (почти вдвое) с периодом несколько минут. Это можно объяснить тем, что мас­са со сторо­ны загрузки подаётся жестко, благодаря нарезке (нет проскальзывания), и отбор массы со стороны зоны дозирования – тоже жёстко, но с меньшей скоростью. Поскольку оба насоса – жесткие, то давление перед зоной дозирования растет, масса застаивается и перегревается в активном смешении, после чего перегретый расплав проскакивает сквозь зону дозирования. Перегретая масса сбрасывается, и процесс повторяется. Пульсации растянуты во времени потому, что требуется время на перестройку температурного режима как в объёме массы, так и в контактирующем с ней металле экструдера. Описанный вариант сбоя процесса сопровождался также продав­ливанием массы по пазам нарезки навстречу грануля­ту (пазы нарезки цилиндра заполнялись расплавом вплоть до загрузочного отверстия).

Так происходит, если нарезка цилиндра глубокая. Если нарезка мелкая (меньше радиуса гранулы), то возможен срыв «гайки» с нарезки и проскальзывание её по стенкам цилиндра, т.е. переход в классический процесс экструзии. В таком случае нарезка не улучшает процесс экструзии, но зато появляются пиковые всплески производительности (т.е. давления расплава на выходе шнека), явно по­рождённые случайными нарушениями режима проскальзывания пробки по стенкам цилиндра.

Помимо прямых пазов в своё время предлагалось множество вариантов нарезки (винтовых, геликоидных и прочих), однако все они вымерли, и немудрено – непрямая нарезка тормозит или вовсе остана­в­ливает пробку, и тогда шнек её крошит. Результат был предсказуемым – перегрузка на приводе и износ шнековой пары, так что варианты непрямой нарезки в большинстве вымерли. Соответственно, остались преимущественно пазы постоянной или убывающей глубины, интенсивно охлаждаемые или горячие. За отсутствием прямых сравнительных испытаний ограничимся рассуждениями.

Шнек захватывает гранулят не только в собственную винтовую нарезку, но и в пазы нарез­ки цилиндра. Когда нарезка кончается, вся масса должна перейти в материальный цилиндр, что сопровождается её сжатием. Степень сжатия равна отношению объёма захвата (сумма объёма на­резки шнека и цилиндра) к объёму выдавливания (нарезка шнека). Фактическая степень сжатия не может превышать 1,3, поскольку монолит несжимаем. Формальная степень сжатия может ока­заться и больше – из-за неплотной укладки гранул в объёме захвата. Тем не менее, если сте­пень сжатия чрезмерна, можно ожидать активного сопротивления системы, например, в виде не­стабиль­ности подачи или перегрузки привода

При чрезмерном сжатии материалу совершенно некуда деваться, что особенно опасно при переработке жестких материалов. Например, мы столкнулись с перегрузкой привода на экструдере с охлаждаемой нарезкой умень­шающейся  глубины при пере­работке полипропилена, хотя переработка мягкого полимера (ПЭНП) шла довольно легко.

По величине степени сжатия сведения отрывочны, поскольку фирмы деталей конструкции не раскрывают, а наш опыт ограничен малыми экструдерами, диаметром до 45 мм. Степень сжатия в них составляла от 1,7 (д45) до 2,3-2,5 (д12 и д16). Она интуитивно была выбрана повышенной: каналы малы и гранулы не могут в них поместиться в нес­колько слоёв, стало быть  кана­лы заполняются  гранулами неплот­но, поэтому формальная степень сжатия в нарезке должна быть выше фактической. Для малых экструдеров, в которых гранулы плохо заполняют нарезку цилиндра и шнека, производительность сильно зависит от размеров и скользкости гранул.

Например, экструдер д30 показал производительность 30 кг\час по ПЭНП с крупными гранулами и 45 кг\час по ПЭВП с мелкими. Экструдер д16 показал огромную разницу в производительно­сти для разных материалов – до 3 раз.

Интересно сравнить характер экструзии при пазах постоянной и убывающей глубины. При убывающей глубине пазы довольно быстро становятся мелкими и появляется возможность срыва пробки, особенно при нагреве зоны. Не потому ли приходится старательно охлаждать пазы для сохранения производительности? Но холодный материал труднее спрессовывать в пробку, что осложняет экструзию конструкционных полимеров.  Проще принять горячую нарезную зону и пазы постоянной глубины. Возможно, при этом меньше развиваемое давление, зато меньше риска при выборе степени сжатия – её можно и превысить. Высокая температура на выходе из нарезки уже обеспечивает частичное плавле­ние полимера (температура у точки входа гранулята, конечно, невысокая, чтобы гранулы не слипались). Следственно, часть поли­мера может быть выдав­лена вперед по горячим пазам в материаль­ный цилиндр и избыточ­ность сжатия не угрожает серь­ёзными последствиями (наш экструдер д16 мм  с горячей нарезной зоной благополучно перерабатывал очень жесткий полимер – полиэтилентерефталат).

Главное преимущество нарезного экструдера – повышенная производительность  и жесткая характеристика. Жёсткая пробка в зоне загрузки создаёт большое рабочее давление, а подача удваивается по сравнению с гладким стволом. Сверх того, можно увеличить объём пазов нарезки и захватить больше гранулята, чем при мелких пазах. Но захватить больше материала ещё недостаточно – его надо проработать. Успех в создании нарезного экструдера сопутствовал тем, кто изменил классическую конструкцию шнека, отказался от зон сжатия и дозирования и перешел к шнекам с «отрицательным сжатием»   (т.е.,  уменьшением диаметра стебля шнека на выходе из нарезной втулки цилиндра). При этом в цепи вновь остаётся один ведущий насос (на этот раз – «сухой», располо­женный в начале шнека), а в остальных частях шнека процесс экструзии подстраивается под ведущий насос. Одна­ко, это подстраивание обеспечить отнюдь не просто, особенно в слепом поиске. Ведь за счёт уменьшения диаметра шнека можно обеспечить увели­чение подачи не более 25-30%, тогда как требуется (для перехода от «сухого» насоса к жидкостному) не менее 100% (вдвое). Следовательно, зона питания вынуждена проталкивать избыточный расплав сквозь остальную часть шнека и тратить на это часть развиваемого давления. Спасает положение способность «сухого» дозирования развивать высокое давление, большее, чем класссический шнек (напр., нарезной экструдер д45 мм может работать при давлении расплава на выходе 600ат). Всё же такое «проталкивание» может иметь нежелательные последствия, а именно: нестабильность процесса, перегрев и плохую проработку расплава. Таким образом, основной задачей становится прогрев и промес полимера, поданного нарезной зоной в материальный цилиндр. Этому можно посвятить почти всю длину шнека – 20-25D (нарезная зона обычно занимает 5D).

На выходе из нарезки материал пробки отбирается остальной частью шнека в режиме жидкостного насоса, который должен, естественно, обеспечить ту же производительность, что и «сухой». Для это­го нужно отрицательное сжатие, т.е. объём витка шнека нужно увеличить минимум вдвое при перехо­де с «сухого» режима в жидкостной (если материал пробки – монолит). Но  увеличить вдвое объем витка за счёт изменения диаметра стебля шнека невозможно – просто из-за геометрии и прочности. Возможное решение – увеличить шаг винтовой нарезки. То­гда, если шаг увеличить вдвое, то с учётом уменьшения диаметра стебля можно обеспечить отрицательное сжатие до трёх раз. Такая величина не кажется чрезмерной – если далее по ходу шнека ограничить производительность, то эта зона окажется переходной и в ней масса будет активно перемешиваться, раздробляя пробку.

Итак, рассмотрены две зоны шнека – зона питания (5D) и переходная зона – например, 8D – в которой пробка раздроблена и первично проплавлена. Теперь расплав подготовлен к финишной проработке. Глубокое перемешивание расплава – дело очень непростое, и для него предложено очень много конструктивных приёмов. Причина в том, что обычное перемешивание малоэффективно и требует больших затрат энергии, а энергия эта приводит к нагреву расплава. Приложить сдвиговые усилия равномерно к каждой точке расплава невозможно, так что расплав не просто перегревается, но перегревается неоднородно.  самыми эффективными представляются системы барьерного типа. В них расплав переваливает через зазор между гребнем шнека и стенкой материального цилиндра. Очень эффективен для этого так называемый полуторазаходный шнек. В нём обычный винтовой канал на нескольких (6-10) витках перегорожен наискось дополнительным гребнем меньшей выcоты. Тогда расплав входит в канал нормальной ширины, но по мере продвижения вдоль кана­ла ширина канала уменьшается и расплав вынужден переваливать через дополнительный гребень в параллельный канал, ширина которого, наоборот возрастает к выходу от нуля до полной ширины. Поскольку входной канал одновременно сужается до нуля, весь расплав переваливает из входного канала в выходной. При этом расплав продавливается через своеобразный щелевой фильтр, что гарантирует от проскока крупных непроработанных остатков гранул.  Разумеется, при этом производительность полуторазаходной части шнека должна быть не меньше, чем производительность зоны питания.

Возможно также применить более простой и дешёвый вариант барьерной системы – торпеду барьерного типа. Это винтовая двухзаходная (для больших шнеков возможны и 4, и шесть заходов) нарезка, у которой один канал открыт в сторону подачи (но перекрыт у выхода), а второй – наоборот, перекрыт со стороны подачи и открыт к выходу. Здесь (как у полуторазаходного шнека) расплав должен перевалить через барьер, чтобы выйти через парал­лельный винтовой канал. Такая торпеда проще в изготовлении, но уступает полутора­заходному варианту по производительности (у полутора­заходного шнека ширина канала на входе вдвое шире). Мы применяли две такие торпеды длиной по 6D, установленные по­следовательно, т.е. получали две перевалки расплава через гребень. Естественно, шаг винтовой нарезки такой торпеды должен быть большим и превышать шаг в зоне питания не менее, чем в 2-2,5 раза.

Следует всё же признать, что барьерная торпеда сильно уступает полуторазаходному варианту. Дело в том, что на входе и выходе половина сечения канала перегорожена, поэтому её производительность уже теоретически вдвое меньше. Достоинством барьерной торпеды является только низкая цена.

Отметим, что и полуторазаходный шнек, и барьерная бомба сохраняют способность к нагнетанию расплава, т.е. можно подобрать их параметры так, чтобы давление, создаваемое в зоне, равнялось давлению, затраченному на перевалку расплава через гребень. Тогда зона находится как бы на самообслуживании, и не расходует созданный ранее напор. В результате можно сделать фильтрующий зазор небольшим (например, 0,2 мм) и потому – эффективным. Полезно также сделать фильтрующими (и одинаковыми) все зазоры гребень-цилиндр, так что, например, у шестизаходной бомбы получится шесть фильтрующих зазоров (при трёх рабочих каналах до и трёх – после перевалки гребня) – это позволяет ещё уменьшить величину зазора.

Подытожим: конструкция шнека, которая кажется наиболее эффективной

o          Зона питания (достаточно 5 D) – обычная однозаходная нарезка небольшой глубины (определяется производительностью). Шаг нарезки лучше несколько уменьшить (напр., до S = 0,8D)

o          Переходная зона (напр., 8D) – обычная однозаходная нарезка, стебель шнека уменьшен до предела прочности, шаг нарезки увеличен до 2 S

o          Зона проработки расплава – две барьерные зоны длиной по 6D, установленные последовательно. Барьерные зоны могут быть по принципу бомбы (простые винтовые каналы с тупиком в начале или конце канала). Тогда неплохо еще увеличить шаг нарезки до 2,5 S. Предпочтительно иметь барьерные зоны по принципу полуторазаходного шнека. Тогда шаг нарезки останется равным нарезке в переходной зоне. Внимание! Число заходов в барьерной зоне следует увеличить насколько возможно, чтобы увеличить длину щели, переваливаемой расплавом, и уменьшить соответственно её зазор. Все гребни барьерной зоны имеют занижение такое, чтобы зазор гребень-цилиндр был минимальным для данной производительности и вязкости расплава. Например, мы для шнека 16 мм применяли четырёхзаходную нарезку бомбы с зазором 0,15 мм.

 

 

 

Малый шаг нарезки бомбы несогласованность производительности разных зон экструдера При равном шаге в нашей практике (шнек D45) такая торпеда вызва­ла раскачку производительности почти с двойным размахом. После разборки экструдера оказалось, что металл торпеды и около входа расплава в неё окрасился в цвета побежалости, следовательно, температура металла достигала 400оС.

 

Среди таких попыток можно упомянуть Helibar – экс­трудер, объединивший нарезку в зоне загрузки, полуторазаходный шнек с зоной сжатия и смеси­те­ль­ные насадки на выходе. Разработчикам пришлось ввести нарезные пазы цилиндра (прямые или спиральные) почти по всей длине ствола (исключая смесительную часть). Очевидно, что сделано это для смягчения характеристики экструдера в зоне действия полуторазаходной нарезки, т.е. для согласования  производительности «насосов». В результате прекратились пульсации дозирования, уменьшился перегрев расплава, уменьшился износ нарезной втулки и исчезла необходимость её интенсивного охлаждения. Всё это укладывается в изложенную логику и могло бы быть достигнуто другими средствами, но один эффект интересен. Это – увеличение поверхности теплоотдачи цилиндр-расплав, благодаря нарезке на цилиндре. Увеличение поверхности может достигать 2 и более раз и могло бы увеличить долю тепла, подводимого через нагрев. Впрочем, по дан­­­ным самих авторов, экструдер всё равно работает в адиабатическом режиме.

Нарезка в зоне загрузки позволяет увеличить производительность экструдера почти вдвое (напомним – за счет увеличения объёма захваченного материала), и это очень привлекательно. Близкой производительности достигают и на классических экструдерах, загоняя их в повышенную ча­стоту вращения, но при этом экструзия попадает в адиабатический режим, т.е. режим разогрева за счет тепла перемешивания – режим неуправ­ляемый и потому мало симпатичный. (Похоже, впро­чем, что при высокой производительности экструдера нельзя избежать адиабатического режима – охлаждение расплава, как и его нагрев сдерживается низкой теплопередачей металл-полимер). Дополнительным преимуществом нарезного экструдера является повышенная прочность шнека, т.к. его диаметр в зоне загрузки (самом нагруженном месте) больше, чем у класссического шнека. Возможности развития конструкции нарезного экструдера, в отличие от классического, пока не исчерпаны.

 БЛИЖЕ К ДЕЛУ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭКСТРУДЕРА.

Из изложенного следует, что есть два принципиально различных подхода к конструированию: для экструдера с гладким цилиндром и для экструдера с нарезным цилиндром (точнее – с нарезной зоной загрузки). При любом подходе проектирование экструдера (как и любого объекта) требует согласования многих разнородных требований.

 

Экструдер с гладким цилиндром

У экструдера с гладким цилиндром ведущей является зона дозирования. По ней и ведут расчёт зона дозирования (здесь и далее приведены расчёты, выполненные в программе    MathCad) При этом рассчитывают прямой поток и вычитают из него обратный поток и поток утечки. Пример расчёта экструдера 45 мм приведен ниже.

·         Прямой поток возникает из-за продвижения вперёд расплава, содержащегося в объёме витка нарезки шнека. Продвижение происходит на один шаг винтовой нарезки при од­ном обороте шнека. При этом продвигается  примерно половина объёма витка, посколь­ку одна часть расплава неподвижна (прилипла к стенке цилиндра), а другая – движется вместе со шнеком (прилипла к нему), так что средняя скорость движения равна пример­но половине линейной скорости поверхности шнека. Следовательно, для расчёта пря­мого потока достаточно просто умножить частоту вращения шнека на одну вторую объёма витка шнека. и разделить полученное значение на два.

·         Обратный поток – это воображаемый поток расплава вдоль спирального канала назад под действием давления подпора на выходе шнека. Размеры спирального канала известны, но картина течения по нему совершенно неочевидна. Для оценки приходится считать, что в канале нет никаких потоков кроме обратного. К этому чудовищному упрощению приходится принять ещё одно – о вязкости полимера в канале. Поскольку вязкость зависит от скорости сдвига, можно поступить двояко: (1) принять, что вязкость соответствует обычному профилю потока в плоском канале. Тогда можно провести расчёт как для обычного течения в плоской щели (Обратный поток). (2) можно принять, что вязкость соответствует скорости сдвига, вызванной вращением шнека (хотя она направлена поперёк направления обратного потока). Эта вязкость несколько меньше (скорость сдвига обычно выше), но общий результат  меняется не сильно, если обратный поток невелик.

·         Поток утечки – это утечка по щелевому зазору между гребнем и цилиндром. Сам расчёт  - это  просто течение в плоской щели. Меньше ясности с объёмом утечки через гребень: перевалив гребень на одном шаге нарезки, жидкость пополняет поток в предыдущем шаге, так что суммарный поток на многих шагах вроде бы должен быть равен потоку утечки на одном шаге.  Перепад давлений, определяющий утечку, должен быть равен перепаду давлений на одном шаге, т.е. общему перепаду, делённому на число шагов. Меньше всего ясности с вязкостью расплава: при неподвижном шнеке вязкость соответствует процессу течения по щели, но вращение шнека разрушает параболический профиль такого потока и увлекает расплав в обратном направлении. Поэтому предпочтительно оценивать утечку по двум вязкостям: той, что соответствует неподвижному шнеку и той, что соответствует сдвигу в зазоре шнек-цилиндр при вращении (Утечка через гребень). Впрочем, утечка обычно мала  в обоих вариантах.

Примечание 1: для высоковязких полимеров затраты энергии на сдвиг в зазоре гребень-цилиндр могут оказаться очень велики (Потеря мощности на гребне), тогда приходится увеличивать зазор или уменьшать ширину гребня.

Примечание 2: Расчёт шнека включает в себя расчёт прочности его на скручивание  (Прочность стебля).  Диаметр шнека (в  тонком месте)  должен быть близким к предельно допустимому по прочности (выбор нагрузки на металл шнека требует консультации с машиностроителями). Если 1)диаметр меньше расчетного – следует уменьшить мощность привода (иначе шнек разрушится раньше, чем будет реализована полная мощность). Если 2)диаметр больше расчетного – значит, завышен размер и стоимость экструдера.

Для иллюстрации рассмотрим проектирование гладкоствольного экструдера на производительность 45 кг\час, предположительно, с диаметром шнека 45 мм.

Для начала проектирования удобно руководствоваться правилом: производительность экструдера составляет 5-6 кг\час на 1 кВт мощности привода.

Пусть требуемая производительность = 45 кг\час по ПЭНП.

1.       Шаг 1. Примем диаметр шнека 45 мм. Степень сжатия – 2,5 – 2,8. Частота вращения – 140 об\мин.  Производительность обеспечивается, если диаметр стебля в зоне питания равен 30 мм, а в зоне дозирования – 40 мм. шнек 45 - шаг 1

·         Выбор мощности двигателя. Ближайшие по мощности двигатели – это 7,5 кВт и 11 кВт.

·         Примем двигатель 7,5 кВт (6 кг\час на 1 кВт). Тогда прочность шнека обеспечивается уже при диаметре стебля 21,6 мм. Очевидно, что если принять эту величину, то надо уменьшить диаметр стебля в зоне выдавливания, т.е. производительность будет выше заданной. В производстве потенциал экструдера диаметром 45 мм не будет реализован. Разумнее уменьшить диаметр шнека.

2.       Шаг 2.      Диаметр шнека 40 мм, двигатель 7,5 кВт, частота вращения 140 об\мин, диаметры стебля 21,5\34 мм, степень сжатия 2,55.

·         Производительность – 43,2 кг\час Шнек 45 - шаг 2

·         Потеря производительности из-за обратного потока при 215 бар – 2 кг\час (Обратный поток д40)

·         Поток утечки по зазору гребень-цилиндр– 0,3 кг\час Утечка через гребень д40  

·         Расчётная производительность при 215 бар – 41 кг\час

3.       Окончательный выбор требуется провести между шнеком D45 мм и D40 мм. Шнек 40 мм – это более рациональный, но и более ответственный выбор. По расчёту мы имеем сниженную на 10% производительность. Можно рассчитывать на то, что производитель­ность будет выше расчётной на10-15% за счёт подпора перед зоной дозирования, как это обычно происходит у шнеков с достаточно короткой зоной дозирования (длинная зона свыше 12D успешно гасит и пульсации давления, и подпор перед зоной). Кроме того, можно также увеличить частоту вращения шнека на необходимые 10-15% за счёт привода.

Шнек 45 мм обеспечивает серьёзный запас прочности и производительности. Кроме того, можно использовать повышенную глубину (рост производительности) и уменьшить шаг нарезки (снижение производительности). Уменьшение шага эквивалентно увеличению длины шнека, что весьма полезно для проработки расплава.

Окончательный выбор будет зависеть от решительности проектанта, мнения смежников, возможностей изготовителя, цен и пр.