Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Выявление и анализ проблем в экструдерах

Покупка
Артикул: 650660.01.99
В книге подробно рассматриваются вопросы возникновения проблем в работе одношнековых экструдеров и пути их устранения. Детально описаны фундаментальные процессы, физические свойства материала, его поведение в экструдере, особенности конструкции и работы оборудования, что позволяет максимально оптимизировать производственный процесс и эффективно устранять неисправности. Процесс диагностирования неисправностей представлен с инженерных позиций и основан на разработке гипотезы, ее проверке, численном моделировании и расчетах. В результате для устранения основных причин специалисту предложены технические решения с разным уровнем риска модификации процесса. Рассмотрены около 100 конкретных примеров возникновения и устранения неисправностей, 30 из которых были отобраны как нетипичные и не рассматриваются в других источниках. Материал изложен в доступной форме и позволит специалистам самостоятельно разобраться в причинах возникновения неисправностей, их диагностировании и устранении в короткое время с минимальными экономическими потерями. Новые сведения в этой книге будут очень полезны для инженеров-технологов, инженеров технических служб, работающих с потребителями, консультантам, специализирующимся на диагностировании неисправностей и проектировании, исследователям процесса и конструкторам, а также для студентов и аспирантов профильных ВУЗов.
Кэмпбелл, Г. Выявление и анализ проблем в экструдерах / Кэмпбелл Г., Спэлдинг М. - СПб:Профессия, 2015. - 720 с. ISBN 978-5-91884-073-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/770702 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.


      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

Оглавление

11

      11.10.2. Мелкие гели в пленочном продукте из ЛПЭНП......................534
      11.10.3. Дегазационные отверстия в бутылках, формованных раздувом.......537
  11.11. Загрязнение инжекционно формуемых изделий.......................................541
      11.11.1. Дефекты искажения в инжекционно формуемых изделиях.............541
  11.12. Тематические исследования литьевого формования.......................543
      11.12.1. Искажения и плохая очистка окрашенного полимера в инжекционно формуемых изделиях....................................................543
      11.12.2. Черные полосы в формованных деталях: первое исследование.......548
      11.12.3. Черные полосы в формованных деталях: второе исследование.......553
      11.12.4. Серебряные полосы и пятна в инжекционно формованном упаковочном
             изделии из непигментированного полистирола общего назначения.....558
      11.12.5. Проблема литья под давлением на линии компании «Сатурн» ..................566
  Условные обозначения...................................................................566
  Литература.............................................................................567
12. Колебание потока.....................................................................569
  12.1. Обзор общих причин возникновения колебания потока................................570
      12.1.1. Связь между давлением нагнетания и скоростью в формующей головке.... 571
  12.2. Диагностика процессов колебания потока...........................................571
  12.3. Зона цилиндра и температурные режимы шнека ......................................572
      12.3.1. Водное и воздушное охлаждение зоны цилиндра................................574
  12.4. Колебания давления, вызванные вращением и геометрией.............................574
  12.5. Регулирование процесса шестеренным насосом.......................................577
  12.6. Твердые частицы, блокирующие путь потока.........................................579
  12.7. Тематические исследования для процессов экструзии с колебанием потока.579
      12.7.1. Ненадлежащий температурный режим зоны цилиндра.............................580
      12.7.2. Оптимизация температур цилиндра для улучшения транспортировки твердых частиц.......................................................582
      12.7.3. Колебание потока из-за высоких температур в питающей зоне            шнека.585
      12.7.4. Колебание потока из-за высокой температуры в корпусе зоны подачи .... 592
      12.7.5. Колебание потока из-за плохо спроектированного входа
            в барьерную зону с использованием полистирола общего назначения .... 593
      12.7.6. Блокировка твердыми частицами на входе в смеситель спирального типа... 598
      12.7.7. Колебание потока, вызванное износом корпуса загрузочной зоны
            и новым цилиндром............................................................604
      12.7.8. Процесс экструзии с поликарбонатом с колебанием потока.....................615
  Условные обозначения...................................................................619
  Литература.............................................................................619
13. Ограничение скорости и экструзии.....................................................621
  13.1. Поток расплава через вентиляционное отверстие в многоступенчатых экструдерах ............................................................ 623
  13.2. Износ шнека .....................................................................625
  13.3. Высокопроизводительные и барьерные шнеки для улучшения скорости..................627
  13.4. Тематические исследования процессов с ограниченной скоростью.....................628
      13.4.1. Ограничение скорости из-за износа шнека....................................628
      13.4.2. Ограничение скорости из-за твердых фрагментов полимера в экструдате . 629

Оглавление

      13.4.3. Ограничение скорости температурой нагнетания для экструдера-гранулятора............................................634
      13.4.4. Экструдер большого диаметра, работающий с полистиролом.......642
      13.4.5. Ограничение производительности из-за температуры нагнетания и крутящего момента при экструзии крахмала ..........................646
      13.4.6. Поток через вентиляционное отверстие в двухступенчатом шнеке, работающем с полистирольным сырьем низкой объемной плотности .... 650
      13.4.7. Увеличение производительности процесса раздувного формования большой детали.......................................................652
  Условные обозначения.....................................................657
  Литература...............................................................657
14. Барьерные и высокоэффективные шнеки....................................659
  14.1. Барьерные шнеки....................................................661
  14.2. Волновые диспергирующие шнеки......................................667
      14.2.1. Шнеки с двойной волной.......................................667
      14.2.2. Энергопередающие шнеки.......................................669
      14.2.3. Барьерные энергопередающие шнеки с переменными параметрами...676
      14.2.4. Шнеки с ламинарным смешением расплава........................680
      14.2.5. Шнеки для плавления..........................................684
  14.3. Другие высокоэффективные конструкции шнека.........................684
      14.3.1. Str at able nd шнеки.........................................685
      14.3.2. Unimix шнеки.................................................687
  14.4. Расчет удельной скорости вращения..................................688
  Условные обозначения.....................................................688
  Литература...............................................................689
15. Экструдеры с подачей сырья в расплавленном виде........................691
  15.1. Методы моделирования...............................................691
  15.2. Процессы компаундирования..........................................692
      15.2.1. Общие проблемы для экструдеров с подачей расплава на линиях компаундирования.....................................................695
  15.3. Экструдеры большого диаметра с насосом.............................696
      15.3.1. Снижение производительности из-за плохого перемещения материала в зоне подачи экструдера.............................................706
      15.3.2. Эксплуатация золотникового клапана...........................708
      15.3.3. Инертирование азотом камеры дегазационного отверстия.........709
  15.4. Вторичные экструдеры для тандемных линий по производству листовых пенопластов.....................................................709
      15.4.1. Высокопроизводительные охлаждающие шнеки.....................714
  Условные обозначения.....................................................718
  Литература...............................................................718

            Предисловие к русскому изданию


   Предложенная читателю книга американских авторов «Выявление и анализ проблем в экструдерах» значительно отличается от подобных работ по теории экструзии в силу своего нетрадиционного подхода. В основу рассматриваемых процессов положен принцип вращения шнека, а не цилиндра. При этом и математические модели, и численные решения для конкретных случаев соответствуют выдвигаемым гипотезам, а их результаты представлены инженерными решениями и рекомендациями.
   Таким образом, реализуемый подход к решению проблем не соответствует общепринятым отечественным подходам. Тем он и будет интересен для наиболее грамотных специалистов отрасли.
   В книге приведены краткие сведения о химии высокополимеров и реологии полимеров, сведения о вязкоупругих свойствах растворов полимеров. Особенностью издания по сравнению с практикой отечественных производств является и то, что за рубежом потребитель, то есть переработчик полимерных материалов, заказывает экструдер нужной производительности при заданных диаметре шнека и частоте вращения. Тогда как у нас в силу фактического отсутствия собственного полимерного машиностроения (остался единственный завод в России) потребитель может лишь подобрать наиболее подходящий экструдер из имеющихся на рынке. Таким образом, он уже не может повлиять на конструктивные особенности оборудования и должен в дальнейшем учитывать этот факт при поиске оптимальных и эффективных путей решения проблем. За рубежом полимерное машиностроение и промышленность переработки полимерных материалов развиваются самостоятельно, в чем-то независимо друг от друга. С этой точки зрения книга будет полезна для проектировщиков, конструкторов и менеджеров таких заводов.
   Авторы во многом игнорируют достижения советской и немецкой школ экструзии полимеров, которые представлены в многочисленных книгах и статьях, и опираются в основном на американские и европейские труды.
   Для специалистов производств эта книга будет полезна многочисленными примерами выявления и устранения неисправностей, включая нетипичные случаи, решениями проблем с разным уровнем риска модификации процесса. В ней предлагается инструмент для анализа проблем и принятия решения в зависимости от конечных производственных задач, где последнее слово остается за специалистом-практиком.



                                   Доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Ким В. С.

            Предисловие


   Все ранее изданные книги по экструзии традиционно основывались на физике вращения цилиндра. Материал данной книги изложен на основе действительной физики процесса — физики вращения шнека. В первых девяти главах разработаны теория и математические модели, в остальных главах приведено применение этик моделей для решения фактических проблем в промышленности. Изучение реальных случаев уникально тем, что они изложены языком, понятным инженерному персоналу предприятия. Исследование проводится при использовании ряда гипотез, которые разрабатываются и проверяются для обоснования технических решений.
   Новые сведения, детально раскрытые в этой книге, будут очень полезны для инженеров-технологов, инженеров технических служб, работающих с потребителями, консультантов, специализирующихся на диагностировании неисправностей и проектировании, исследователей процесса и конструкторов, ответственных за процессы, проводимые на максимальных скоростях и с максимальной рентабельностью.
   Поиск неисправностей в одношнековых экструдерах и их устранение является важным опытом для инженеров, работающих на производстве. Для снижения производственных потерь необходимо восстановить первоначальные расчетные характеристики. При умении диагностировать неисправности и фундаментальном понимании процесса характеристики экструдера могут быть восстановлены за относительно короткое время, что сведет к минимуму экономические потери предприятия.
   Проверка гипотез в общих чертах приведена в главе 10 и используется во всех главах, посвященных поиску основных причин неисправностей, устранение которых обеспечивается за счет предложения собственнику? оборудования нескольких технических решений, позволяющих ему выбрать уровень риска, связанный с модификацией процесса. Примеры, приведенные в книге, сопровождаются конкретными решениями.
   В книге приводятся приемлемые технические решения примерно для 100 конкретных примеров и неисправностей.
   Авторы надеются, что эта книга содержит информацию и технологии, которые требуется для понимания, эксплуатации и диагностирования неисправностей одношнековых экструдеров.


Грегори А. Кэмпбелл
Марк А. Сполдинг

            Благодарность



   Представления и взгляды, выраженные в этой книге, являются исключительными для авторов и спонсоров. Эти представления и взгляды не обязательно отражают представления и взгляды каких-либо аффилированных людей, компаний или торговых объединений.
   Мой интерес к фундаментальному исследованию полимеров возник в 1964 году, когда я был аспирантом. На мою исследовательскую работу сильное влияние оказал мой наставник профессор Эдвард Г. Бобэлек, один из самых прекрасных людей и новаторских исследовательских умов, когда-либо мне встречавшихся. Моя философия исследования во многом определялась встречами с Эдом перед тем, как я защитил свою диссертацию, и после этого. Особенно важная встреча произошла, когда я пожаловался, что своим диссертационным исследованием я не совершил действительно важного прорыва. Эд сделал длинную затяжку своей неизменной трубки и сказал: «Грег, именно поэтому мы называем это исследованием, а не поиском». С того времени я всегда смотрел на свои усилия как на обучение предшествующими исследователями, создавшими техническую основу в области, к которой я теперь обращаюсь. Таким образом моя роль — продолжать строить на этом фундаменте, когда ищешь решение задач, которые я описываю в настоящее время.
   После отъезда из Университета штата Мэн я работал с замечательными группами выдающихся ученых в разработках General Motors, Mobil Chemical и Университета Кларксона. Многие из этих людей потратили свое драгоценное время, чтобы помочь мне отшлифовать исследовательские навыки. Самым важным человеком был доктор Уильям Мелуч; истинный гений, с которым я имел удовольствие работать в течение 13 лет. Другим хорошим другом, который оказал огромное влияние на мой метод пограничных технических исследований, был профессор Арт Фрик, с которым я сотрудничал в Университете Мэна и Университете Флориды. Мой коллега доктор Дон Рэссмассен в Университете Кларксона обеспечил важное руководство в решении всех термодинамических задач.
   Мое знакомство с экструзией состоялось, когда я начал заниматься исследованиями в Mobil Chemical в начале 1980-х. Мы разрабатывали и анализировали данные, полученные на одношнековом экструдере с соотношением длины к диаметру 24 к 1 с 12 инфракрасными датчиками и 12 датчиками давления, применив высокоскоростной метод получения данных. Затем я поменял работу ив Университете Кларксона занялся преподаванием химического машиностроения. Новые принципы, изложенные в этой книге, сначала были разработаны доктором Полом Свини, когда он был аспирантом примерно в 1988 году. Я должен признать, что Полу стоило значительных усилий убедить меня обратиться к этим новым принципам. Как только мы убедились, что это важно для завершения изучения одношнекового экструдера, и приняли решение вернуться к лабораторной системе, потребовалось 25 лет, чтобы достигнуть нашего

Техника экструзии полимеров

нынешнего полного понимания. Я не смог бы приобрести эти знания без преданности и усилий моих коллег и студентов, проводивших изучение экструзии в моей лаборатории: Пола Свини, Джеффа Фелтона, Дугласа Смола, Чиченга Ванга, Донтулы Нарасимхарао, Дианы Хант, Хонгиинга Ченга, Зиронга Танга, Мэри Энн те-Риэл, Джейсона К. Байрда, Сириши Бомма и Сэма Сент-Джона.
   Написание этой книги было утомительным, но интересным «путешествием», которое, по всей вероятности, не было бы завершено без поддержки и понимания моей жены Сью.

                                        Грегори А. Кэмпбелл, Castle Research, Джонспорт, Мэн



   Я начал работать в области экструзии в качестве одного из членов-учредителей группы по технологии переработки полимеров в Dow Chemical Company в 1987 году? Группа была создана и возглавлена доктором Кун Суп Хьюном и состояла из четырех членов (вместе с Джозефом Дули и Томасом Маккалло). В течение первых лет группа изучала многие аспекты переработки полимеров, включая технологические аспекты одношнековой, двухшнековой экструзии и экструзионных фильер. Эти первые годы позволили группе приобрести серьезный практический опыт относительно основных принципов, проектирования и диагностирования неисправностей в процессе. Я благодарен многим наставникам, которые прошли через мою жизнь, включая моего отца, Роберта Бина, Джина Крэцмена, профессора Лайла Ф. Олбрайта и доктора Хьюна.
   Написание этой книги было бы невозможно без помощи и вклада коллег, промышленных экспертов и семьи. Большой вклад внесли эксперты, имена которых указаны в рисунках. Фотографии, содержание и помощь были предоставлены Тимоти В. Уомером (консультант), Джеффри Кухлманом (Glycori), Джеффом Майерсом (Robert Barr, Inc.), Джеймсом Фогарти (Plastics Engineering Associates Licensing, Inc.), Джоном Христиане (Davis Standard), Уильямом Крамером (American Kuhne) и многими другими. Многочисленные диаграммы были сделаны и улучшены моими сыновьями Стивеном В. Сполдингом и Аароном Ф. Сполдингом. Я также благодарю тех, кто рецензировал исходный материал.
   Моя жена Памела была источником вдохновения и движущей силой во время этого проекта. Я благодарю ее и моих сыновей за их постоянную поддержку во время написания этой книги. Мои родители, Уильям и Джоан, создавали мне атмосферу любви во время моего взросления, и они создали основу для моего успеха.

                                                    Марк А. Спэлдинг, Dow Chemical Company, Мидленд, Мичиган

            1.  Одношнековая экструзия: введение и диагностирование неисправностей


   Эта книга была написана для того, чтобы предоставить инженеру-технологу, занимающемуся экструзией, средства для оценки и выявления проблем процесса, связанного с применением одношнековых экструдеров. Оба автора работали в области промышленного проектирования экструдеров, анализа и фундаментальных исследований аппаратурного оформления, эксплуатации и диагностирования неисправностей процесса одношнековой экструзии. За последние несколько десятилетий значительно выросло количество действующих одношнековых экструдеров, увеличились их диаметр и длина, особенно для дозирующих экструдеров, используемых на крупных заводах по производству полимеров. Кроме того, производители полимеров разработали много новых марок материалов для таких изделий, как экструзионные листы, пленки, трубы, волокна, покрытия и профили. Экструдеры все еще являются предпочтительным оборудованием при изготовлении гранул в производстве полимерных материалов. Обычно при их производстве используют два типа экструдеров: одношнековые и двухшнековые. В книге приведены анализ и диагностирование неисправностей одношнековых экструдеров. Быстрое расширение полимерной отрасли потребовало большое количество новых инженеров, специализирующихся в экструзии.
   Все одношнековые экструдеры имеют несколько общих характеристик (рис. 1.1 и 1.2). Основные их узлы включают цилиндр, шнек, находящийся в цилиндре, систему электропривода для вращения шнека и систему управления нагревательными элементами цилиндра и скорости вращения двигателя. Много новшеств в конструкции этих узлов было введено производителями оборудования. Загрузочный бункер соединяется с цилиндром в месте зоны загрузки шнека, куда полимер подается либо под действием силы тяжести (избыточная подача), либо дозируется (голодная подача) через бункер в канал шнека. Полимер может находиться как в виде твердых частиц, так и в виде расплава. Если сырье находится в твердом состоянии, обычно в виде гранул (или порошка), шнек экструдера должен сначала транспортировать гранулы от загрузочного отвер-