Выявление и анализ проблем в экструдерах
Покупка
Тематика:
Общее машиностроение. Машиноведение
Издательство:
Профессия
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 720
Дополнительно
Вид издания:
Практическое пособие
Уровень образования:
ВО - Кадры высшей квалификации
ISBN: 978-5-91884-073-3
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
Скопировать запись
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-