Выявление и анализ проблем в экструдерах

      Gregory A. Campbell Mark A. Spalding

      Troubleshooting and Analysis of Single-Screw Extruders











Hanser Publishers, Munich

HANSER
Hanser Publications, Cincinnati

Г. Кэмпбелл, М. Спэлдинг










                ВЫЯВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ В ЭКСТРУДЕРАХ





Перевод с английского языка под редакцией В. С. Кима

т в о

Санкт-Петербург
2015

ЦЕНТР
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ

ПРОФЕССИЯ

УДК 078.06
ББК 35.710 Англ
К983

К983 Г. Кэмпбелл, М. Спэлдинг. Выявление и анализ проблем в экструдерах : пер. с англ. яз.; под ред. В. С. Кима. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2015. — 720 с., цв. ил.

ISBN 978-5-91884-073-3
ISBN 978-1-56990-448-0 (англ.)

    Подробно рассмотрены вопросы возникновения и устранения проблем в работе одношнековых экструдеров. Детально описаны фундаментальные процессы, физические свойства материала, его поведение в экструдере, особенности конструкции и работы оборудования с целью оптимизации производственного процесса и эффективного устранения неисправностей. Процесс диагностирования неисправностей представлен с инженерных позиций и основан на разработке гипотезы, ее проверке, численном моделировании и расчетах. Предложены технические решения с разным уровнем риска модификации процесса. Рассмотрены около 100 конкретных примеров возникновения и устранения неисправностей, 30 из которых являются нетипичными и не рассматриваются в других источниках.
    Руководство предназначено для специалистов инженерно-технического профиля экструзионных производств, проектировщиков и конструкторов экструзионного оборудования, рекомендовано исследователям, преподавателям и студентам профильных специальностей.


УДК 078.06
ББК 35.710Англ


All rights reserved. Authorized translation from the original English language edition published by Carl Hanser Verlag, Munich/FRG.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.




ISBN 978-1-56990-448-0 (англ.)
ISBN 978-5-91884-073-3

       © Carl Hanser Ver lag, Munich/ FRG, 2013
       © ЦОП «Профессия», 2015
                                      © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2015

   Уважаемые читатели!


    Мы рады представить Вам — нашему спонсору — этот справочник. Экструзионные установки являются сложным оборудованием, позволяющим достичь максимальной производительности лишь при обеспечении оптимальной компоновки и качественной взаимосвязи всех компонентов. Поэтому мы рады, что настоящая книга, содержащая технические основы, впервые выходит в свет на русском языке. Группа battenfeld-cincinnati с заводами, расположенными в Германии, Австрии, Китае и США, в течение многих десятилетий известна на рынке как производитель экструдеров и экструзионных линий.

    Экструзия труб была и остается одной из важнейших составных частей нашей производственной программы. Мы предлагаем как одношнековые экструдеры для переработки ПО/ПЭ, так и двухшнековые экструдеры для переработки ПВХ. Наибольший, изготовленный до сих пор на наших линиях диаметр трубы составляет 2,6 м (ПО-трубы). В частности, мы имеем также ноу-хау и опыт в области трубной оснастки для производства многослойных труб из ПВХ/ПЭ/ПО с общим количеством до 7 слоев. Мы выпускаем не только экструдеры, но и трубную оснастку и постэкструзионное оборудование. Как следствие, мы в состоянии предложить комплексную трубную линию из одних рук, отлично адаптированную к требованиям наших клиентов. Важной темой для нас является энергоэффективность — не только наших экструдеров, но и оснастки и постэкструзионного оборудования. Так, например, наша концепция Green Pipe с тремя различными вариантами сокращает длину линии до 45 % или альтернативно увеличивает ее производительность. Кроме того, наше постэкструзионное оборудование Green Pipe экономит воду и энергию. А благодаря отличному распределению толщины стенки в оснастке и прекрасному согласованию компонентов линии между собой достигается и сокращение расхода сырьевого материала. Тем самым у производителя труб обеспечивается не только эффективная эксплуатация, но и экономия затрат. Мы желаем Вам больших успехов и будем рады Вашему посещению нашего сайта, на котором Вы на немецком, английском, русском и китайском языках сможете найти как информацию о нашем предприятии, так и полное портфолио нашей продукции.
    Адрес сайта: www.battenfeld-cmciiiiiati.com

Ваш

Райнер Коттмайер. исполнительный директор подразделения инфраструктурных технологий


             battenfeld-cincinnati

            Оглавление


Предисловие к русскому изданию...........................................13
Предисловие..............................................................14
Благодарность............................................................16
1. Одношнековая экструзия: введение и диагностирование неисправностей....17
  1.1. Структура этой книги..............................................20
  1.2. Неполадки экструзионных процессов.................................21
      1.2.1. Проблемы литья под давлением в корпорации «Сатурн»..........21
  1.3. Геометрия шнека...................................................22
      1.3.1. Выбор геометрии шнека.......................................24
  1.4. Производительность зоны дозирования...............................26
  1.5. Примеры расчетов..................................................31
      1.5.1. Пример 1. Расчет циркуляционной и продольной составляющих потока .... 31
      1.5.2. Пример 2. Расчеты потоков для правильно работающего экструдера...33
      1.5.3. Пример 3. Расчеты потоков для неправильно работающего экструдера.34
      1.5.4. Резюме по расчету зоны дозирования..........................36
  Условные обозначения...................................................36
  Литература.............................................................37
2. Полимерные материалы..................................................39
  2.1. Введение в историю................................................39
      2.1.1. История природных полимеров.................................40
      2.1.2. История синтетических полимеров.............................42
  2.2. Характеристики синтетических полимеров............................44
  2.3. Влияние структуры на свойства.....................................47
      2.3.1. Стереохимия.................................................50
      2.3.2. Температурные переходы плавления и стеклования..............51
      2.3.3. Степень кристалличности.....................................53
  2.4. Технология производства полимеров и реакции.......................56
      2.4.1. Реакции поликонденсации.....................................57
      2.4.2. Реакции присоединенния......................................59
  2.5. Деструкция полимеров..............................................63
      2.5.1. Предельная температура экструзии полимеров..................65
      2.5.2. Деструкция виниловых полимеров..............................67
      2.5.3. Деструкция поликонденсационных полимеров....................70
  Литература.............................................................71
3. Введение в реологию полимеров для экструзии...........................73
  3.1. Введение в деформацию материалов..................................73
  3.2. Введение в базовое понятие молекулярной массы макромолекулы полимера...74
      3.2.1. Пример распределения по размеру.............................74
      3.2.2. Молекулярно-массовое распределение полимеров................76
  3.3. Основные понятия реологии.........................................78
  3.4. Вязкость расплава полимера и молекулярная масса полимера..........83
      3.4.1. Пример расчета вязкости расплава............................86
  3.5. Введение в вязкоупругость.........................................88

Оглавление

7

  З.б. Измерение вязкости полимеров.........................................95
      3.6.1. Капиллярные реометры (вискозиметры)............................96
      3.6.2. Реометры (вискозиметры) «конус-плоскость».....................106
      3.6.3. Индекс расплава и скорость течения расплава....................НО
  3.7. Вязкость расплавов полимеров как функция молекулярных характеристик, температуры и давления..................................................112
  3.8. Модели для неньютоновского течения..................................118
  Условные обозначения.....................................................120
  Литература...............................................................121
4.  Физические свойства полимеров, относящиеся к переработке...............123
  4.1. Объемная (насыпная) плотность и уплотнение..........................124
      4.1.1. Измерение объемной (насыпной) плотности ......................125
      4.1.2. Измерение характеристик уплотнения полимера ..................126
  4.2. Коэффициент нормальных напряжений...................................129
      4.2.1. Измерение коэффициента нормальных напряжений..................130
  4.3. Напряжение на границе полосы скольжения.............................132
      4.3.1. Имитатор шнека и измерение напряжения на границе раздела......133
  4.4. Поток плавления ....................................................135
  4.5. Теплоемкость........................................................137
  4.6. Теплопроводность и теплопередача....................................139
  4.7. Плотность расплава..................................................140
  Условные обозначения.....................................................142
  Литература...............................................................142
5.  Работа зоны загрузки одношнекового экструдера..........................145
  5.1. Описание процесса транспортирования твердых частиц..................146
  5.2. Литературный анализ моделей транспортирования твердых частиц в одношнековом экструдере с гладким цилиндром в зоне загрузки...........148
      5.2.1. Модель Дарнелла и Мола........................................151
      5.2.2. Модель Тэдмора и Кляйна.......................................152
      5.2.3. Модели, разработанные в Университете Кларксона................153
      5.2.4. Модель Хена и Спэлдинга.......................................156
      5.2.5. Модель Моисея и Томпсона......................................157
  5.3. Современные экспериментальные устройства для исследования транспортирования твердых частиц........................................157
      5.3.1. Устройства для исследования транспортирования твердых частиц
в Университете Кларксона ......................................158
      5.3.2. Устройство для транспортирования твердых частиц от фирмы Dow...173
  5.4. Сравнение модифицированной модели Кэмпбелла-Донтулы с экспериментальными данными............................................182
      5.4.1. Пример расчета транспортирования твердых частиц...............187
  5.5. Транспортирование твердых частиц в нарезном цилиндре................189
      5.5.1. Модели транспортирования твердых частиц в нарезном цилиндре...193
  5.6. Примечания к разделу транспортирования твердых частиц...............195
  Условные обозначения.....................................................199
  Литература...............................................................200

Оглавление

6. Процесс плавления.......................................................203
  6.1. Степень сжатия и коэффициент уплотнения.............................205
  6.2. Процесс плавления...................................................206
      6.2.1. Процесс плавления как функция геометрии шнека.................208
      6.2.2. Обзор классической литературы.................................213
      6.2.3. Повторный анализ данных плавления, полученных Тэдмором и Клейном.... 214
  6.3. Развитие теории плавления на основе физики вращения шнека...........217
      6.3.1. Модель плавления для обычной зоны пластикации на основе физики
           вращения шнека..................................................218
      6.3.2. Модели плавления для зон барьерного шнека.....................233
  6.4. Влияние давления на скорость плавления..............................241
  6.5. Одномерное плавление................................................243
      6.5.1. Модель одномерного плавления..................................246
  6.6. Разрушение твердого слоя............................................249
  6.7. Характеристики зоны расплава........................................254
  Условные обозначения.....................................................255
  Литература...............................................................257
7. Течение жидкости в винтовых каналах зоны дозирования....................261
  7.1. Система координат...................................................261
  7.2. Лабораторные наблюдения.............................................264
  7.3. Литературный обзор..................................................269
  7.4. Разработка линеаризованного анализа потока..........................274
      7.4.1. Пример расчета потока.........................................290
  7.5. Оценка потока.......................................................293
      7.5.1. Моделирование экструдера с диаметром 500 мм, на который подается расплав..............................................................295
      7.5.2. Переменные параметры экструзии и ошибки.......................297
      7.5.3. Поправки к прямому потоку.....................................303
      7.5.4. Моделирование экструдера с диаметром 500 мм и использованием F.309
  7.6. Переменные, зависящие от выбора системы координат...................310
      7.6.1. Пример расчета рассеивания энергии............................313
  7.7. Диссипативное рассеивание энергии и температура расплава полимера в канале................................................................314
      7.7.1. Рассеивание энергии и температура в канале при вращении шнека..321
      7.7.2. Рассеивание энергии и температура канала при вращении цилиндра.324
      7.7.3. Пример расчета повышения температуры для шнекового насоса.....325
      7.7.4. Коэффициенты теплопередачи....................................330
      7.7.5. Расчет температуры методом контрольного объема................331
      7.7.6. Численное сравнение температур для вращения шнека
           и для вращения цилиндра.........................................334
  7.8. Характеристики зоны дозирования.....................................336
  Условные обозначения.....................................................338
  Литература...............................................................341
8. Процессы смешения в одношнековых экструдерах............................345
  8.1. Общие операции по смешению в одношнековых экструдерах...............345
      8.1.1. Области применения процессов смешения.........................347

Оглавление

9

  8.2. Процессы диспергирования и распределения при смешении..............349
  8.3. Основы смешения....................................................351
      8.3.1. Измерение степени смешения...................................353
      8.3.2. Экспериментальная проверка качества смеси....................354
  8.4. Процесс плавления как основной механизм смешения...................363
      8.4.1. Экспериментальный анализ эффективности плавления и смешения в шнеке..............................................................365
      8.4.2. Барьерно-винтовые секции смешения и плавления................369
  8.5. Процессы и устройства вторичного смешения..........................369
      8.5.1. Разновидности смесителей Мэддока.............................371
      8.5.2. Блистерные смесители кольцевого типа.........................376
      8.5.3. Винтовые смесители...........................................378
      8.5.4. Шпилечные смесители..........................................379
      8.5.5. Рукояточные смесители........................................380
      8.5.6. Передаточные смесители.......................................381
      8.5.7. Динамические смесители.......................................382
      8.5.8. Статические смесители........................................384
  8.6. Смешение суперконцентратов и чистых полимеров......................389
  8.7. Эффективность смешения и плавления как функция лопастного зазора....392
  8.8. Высокое давление при плавлении и агломераты........................393
  8.9. Влияние давления нагнетания на смешение............................393
  8.10. Оптимизация напряжения сдвига.....................................394
  8.11. Непосредственное смешение одношнековым экструдером................396
  Условные обозначения....................................................397
  Литература..............................................................399
9. Моделирование экструзионных процессов..................................403
  9.1. Правила моделирования..............................................404
  9.2. Инженерные методы проектирования пластицирующих шнеков.............405
      9.2.1. Анализ и моделирование процесса..............................410
  9.3. Моделирование экструдера для изготовления деталей из полиэтилена...410
  9.4. Увеличение производительности экструдера со шнеком диаметром 88,9 мм, работающим с ударопрочным полистиролом..................................414
  Условные обозначения....................................................422
  Литература..............................................................423
10. Введение в диагностику проблем процесса экструзии.....................425
  10.1. Диагностика проблем экструзионного процесса.......................425
  10.2. Выдвижение гипотез и решение проблем..............................429
      10.2.1. Изучение проблемы на примере разработки нового полимерного материала ...........................................................431
      10.2.2. Поиск причины появления поверхностных дефектов изделия......432
      10.2.3. Поиск причин проблемы на примере экструзии профиля..........433
  10.3. Оборудование и инструменты, необходимые для диагностики проблем....435
      10.3.1. Эксперимент Мэддока по охлаждению содержимого шнека.........437
  10.4. Общие механические проблемы.......................................438
     10.4.1. Зазор между гребнем витка и поверхностью цилиндра, упрочнение гребня....................................................438

Оглавление

      10.4.2. Центрирование цилиндра и шнека................................440
      10.4.3. Опорные стойки цилиндра экструдера............................442
      10.4.4. Первичная установка шнека.....................................444
      10.4.5. Разрушение шнека..............................................445
      10.4.6. Защита от превышения давления.................................447
      10.4.7. Система смазки редуктора......................................449
      10.4.8. Уплотнители для защиты от частиц и вязкостное уплотнение......450
      10.4.9. Чистка шнека..................................................452
  10.5. Общие электрические и сенсорные проблемы............................452
      10.5.1. Термопары.....................................................453
      10.5.2. Датчики давления..............................................453
      10.5.3. Электронные фильтры и шум.....................................454
  10.6. Двигатели и приводные системы.......................................456
      10.6.1. Эффективность двигателей и коэффициент использования мощности.... 459
  10.7. Типичные размеры каналов шнека .....................................460
  10.8. Общие расчеты.......................................................461
      10.8.1. Энергия, превращаемая шнеком в тепло..........................461
      10.8.2. Некоторые характеристики геометрии шнека......................462
  10.9. Оптимизация температур по зонам цилиндра............................464
  10.10. Профиль температур по длине шнека..................................468
  10.11. Изготовление шнеков и процесс их восстановления....................477
  10.12. Пластика торы литьевых машин.......................................485
      10.12.1. Расчеты пластикаторов для литья под давлением................488
  10.13. Установка нового оборудования......................................488
      10.13.1. Пример: покупка экструдера большого диаметра.................493
      10.13.2. Пример покупки линии и экструдера для выпуска нового продукта.494
      10.13.3. Заключение по установке нового оборудования..................496
  Условные обозначения......................................................497
  Литература................................................................498
11. Примеси в конечном продукте.............................................501
  11.1. Инородные примеси в экструдате......................................501
      11.1.1. Фильтрация расплава...........................................502
      11.1.2. Частицы металла в экструдате..................................507
      11.1.3. Пузырьки газа на новых линиях для обработки тонколистовых материалов............................................................507
  11.2. Гелеобразование в полиолефинах......................................508
      11.2.1. Протоколы исследования геля...................................510
  11.3. Деструкция полимера в участках застоя в технологическом процессе....516
  11.4. Ненадлежащая остановка технологического оборудования................518
  11.5. Очистка технологического оборудования...............................520
  11.6. Захват кислорода в бункере сырья....................................521
  11.7. Радиусы витков винта................................................522
  11.8. Сушка полимеров.....................................................525
  11.9. Суперконцентраты красителя..........................................526
  11.10. Практические исследования процессов экструзии с примесями в конечном продукте.......................................................527
      11.10.1. Периодические сшитые гели в пленочных продуктах..............527