Екструзия.Динамична оптимизация на температурата на цилиндъра на екструдера.

Екструзия.Динамична оптимизация на температурата на цилиндъра на екструдера.

Определянето на оптималния температурен профил на цилиндъра на екструдера е една от най-важните задачи при екструзията.Температурен профил на цилиндъра(ТПЦ),който работи добре на даден екструдер,може да не работи добре на същия тип екструдер,разположен в съседство,даже ако се преработва една и съща пластмаса,използва се един и същ тип шнек и се работи на еднакви обороти.
Така че в предприятие с много еднакви екструдери опита да се работи с еднакъв ТПЦ вероятно ще доведе до понижаване на качеството при някои от екструдерите.
За това има много възможни причини.Една от тях е дълбочината,на която са температурните сензори(датчиците) в стените на цилиндъра.Ако на даден екструдер се използват плитко поставени термодвойки,а на друг – термодвойки ,поставени дълбоко,то те ще отчетат различни температури на стената на цилиндъра в точките,където измерват(на различни дълбочини в стената температурите са различни).ТПЦ се влияе също от налягането в главата на екструдера,износването на шнека и цилиндъра,околните условия(температура и влажност на въздуха) и температурата и влажността на пластмасата при постъпването й в цилиндъра.
Намирането на правилен ТПЦ изисква да се наблюдава как реагира процеса при настъпване на промени.Някои промени се правят съзнателно(умишлено,с цел) и са очевидни(видими,измерими) като нпр.промяната на скоростта на въртене на шнека или настройката на температурите на цилиндъра.ТПЦ,който работи добре при 50 об./мин. на шнека,може да не работи добре при 120 об./мин.Когато на даден екструдер се инсталира нов шнек,особено с различна геометрия,то ТПЦ ще е необходимо да се настрои отново.
Някои промени на процеса са неумишлени(непреднамерени) и не непременно очевидни(измерими),нпр. когато работата на екструдера се променя в резултат на износване на шнека или натрупване на замърсявания на фиптриращите мрежи.
Започнете настройването на температурите като изхохдате от следните общи насоки за трите зони на екструдера – захранваща,преходна(уплътняваща) и дозираща(помпена).В захранващата зона настройте температурите на цилиндъра,така че двигателя да се натовари максимално,а налягането в главата да е максимално стабилно(без колебания).В преходната зона настройте температурата на цилиндъра така че температурните колебания в главата да са минимални.В дозиращата зона настройте температурите на цилиндъра,така че да се постигне температурата на стопилката за дадената пластмаса,която се препоръча от доставчика – но имайте предвид,че спадането на температурата на стопилката в тази зона може да е значително по-високо от това в цилиндъра.
За едношнеков екструдер без вакуумна зона (за отстраняване на летливи от стопилката) захранващата зона се състои от една и понякога две нагревни зони(със собствено терморегулиране,нагряващи и охлаждащи елементи-терморегулатори,нагреватели,вентилатори).Дозиращата зона обикновено обхваща последните две температурни зони.Преходната зона обхваща нагревните зони между тези,описани по-горе.Къси екструдери(със съотношение L:D от 24:1 до 26:1) обикновено имат всичко три или четири нагревни зони.По-дългите екструдери(със съотношение L:D от 30:1 до 32:1) обикновено имат 5 до 6 нагревни зони,докато дългите екструдери(с L:D 34:1 и повече) могат да имат от 6 до 10 нагревни зони.
Типичните температури за преработване на полу-кристални(частично кристални) пластмаси са най-общо казано около 50 до 75 град. Целзии над точката на топене на полимера.Например HDPE(полиетилен висока плътност) с точка на топене 130 град. Целзии обикновено се преработва при температури от 180 до 205 град Целзии и по-високи.Ако пластмасата е склонна към деструкция,тя може да се преработва при температури по-близки до точката на топене.Аморфните пластмаси обикновено се преработват при около 100 град. Целзии над температурата им на встъкляване(Твст.). Например PS(полистирол) с Твст. около 100 град. Целзии обикновено се преработва при около 200 град. Целзии.
Ако стандартен или типичен ТПЦ не доведе до приемливо качество,температурните настройки трябва да се оптимизират.Единствения технически правилен път за намиране на най-добрия ТПЦ е да се проведе процедурата „Умишлени(планирани) експерименти“(ПЕ),обхващаща всички температурни зони на цилиндъра.В идеалния случай процедурата следва да се роведе при „пълен факториел“,тъй като температурните зони на цилиндъра могат да си влияят взаимно.За да се отчете влиянието на всички фактори, броя на необходимите изследвания при четири температурни зони(експерименти) ще е 4!(четири факториел),което е 1х2х3х4=24 експеримента.Ако всеки експеримент отнема 30 мин,то това ще отнеме общо 12 часа(една и половина смяна).
ТИПИЧНИ ТЕМПЕРАТУРИ НА ЦИЛИНДЪРА ПО ЗОНИ ЗА НЯКОИ ОСНОВНИ ПЛАСТМАСИ:
Данните са за екструдер с четири температурни зони,като за всяка пластмаса шестте стойности на температурите се отнасят съответно по реда им за: 1-ва зона ; 2-ра зона ; 3-та зона ; 4-та зона ; адаптор(прехода от цилиндъра към главата) ; глава.Стойностите на температурите са в градуси Целзии.
Полиетилен висока плътност(HDPE) – екструзия на лист : 185 195 205 210 210 210 .
Полиетилен висока плътност(HDPE) с високо молекулно тегло – екструзия на лист : 190 230 240 250 250 250 .
Полиетилен ниска плътност(LDPE) – полагане на кабелна изолация чрез екструзия : 175 190 195 195 195 195 .
Линеен полиетилен ниска плътност(LLDPE) с индекс на стопилка 1,0 гр./10 мин. : 180 185 185 185 200 215 .
Линеен полиетилен ниска плътност(LLDPE) с индекс на стопилка 0,5 гр./10 мин. : 190 200 200 200 220 240 .
Полиетилен ниска плътност(LDPE) – екструдиране на фолио по раздувния метод: 175 180 185 185 185 185 .
Полиметилметакрилат(PMMA): 190 205 210 210 210 210 .
Полистирол(PS): 165 180 190 195 195 200 .
Акрилнитрил-бутадиен-стирол(ABS): 205 220 230 230 240 240 .
Полипропилен(РР): 210 215 215 225 225 225 .
Найлон 6(полиамид – РА): 220 240 250 250 260 250 .
Поливинилхлорид(РVС)- твърд: 150 160 170 180 185 185 .
Когато има пет или повече зони, динамичната оптимизация на екструдера с отчитане на всички фактори отнема много време и е твърде скъпа ,за да се прилага на практика в повечето случаи,особено при дълги екструдери.
Затова най-често се използва метода на едновременните експерименти като начин за оптимизиране на температурния профил на цилиндъра.При него обикновено се работи с малки промени на температурата(5 град. Целзии).Но този метод също е бавен и скъп.Всеки път,когато се променя температурата,трябва да се изчака докато зоните на цилиндъра достигнат настроените температури и екструдера се стабилизира.Достигането на настроените температури може да отнеме 5-10 мин. при малък екструдер(с диаметър на шнека от 20 до 40 мм. или 30 до 60 мин. при голям екструдер(с диаметър на шнека над 100мм.).Може да са необходими още 5-10 мин. за стабилизиране на малък екструдер и 30-60 мин. при голям екструдер.Така че извършването на 5 или 6 промени на температурата може да отнеме цял ден,а и повече ,при голям екструдер.Освен това този метод не отчита влиянието на вътрешните(между зоните) взаимодействия.
ДИНАМИЧНА ОПТИМИЗАЦИЯ: Третия метод за оптимизиране на ТПЦ е динамичната оптимизация,която включва извършване на големи температурни промени(20-40 град. Целзии и повече) и проследяване на динамичния отговор(реакция,промени) на екструдера.Този метод е бърз,но ясен и надежден начин за оптимизиране на температурата на цилиндъра,който е приложим дори за много дълги екструдери,работещи в производствена среда.Метода е бил използван години наред и е с доказана ефективност при широка гама екструдерни производства,въпреки че все още не е широко известен.
Когато температурната настройка на дадена зона на цилиндъра е променена с голяма стойност,то системата за контрол на температурата може да не достигне настроената(зададената) стойност на температурата.Например,ако температурната настройка на трета зона е променена от 220 на 160 град. Целзии,фактическата температура на цилиндъра може да спадне само до 184 град. Целзии(т.е. да не спада повече,въпреки че системата продължава да охлажда зоната).Единствения начин да се постигне по-нататъшно намаляване на температурата би било увеличаване на капацитета на охлаждащата система или изменение на условията(технологичните параметри) на процеса,например намаляване на оборотите на шнека.
Като пример за динамична оптимизация на екструдер с диаметър на шнека 100 мм. да предположим,че температурата на първа зона е променена от 200 на 150 град. Целзии.Може да са необходими 15-20 мин. за да се понижи температурата до 150 град.При динамичната оптимизация фактическата температура се записва на всеки 15 до 30 сек. или през някакъв друг интервал,позволяващ точно определяне на поведенито на екструдера.(Когато е налице съответна система за запис на данни,то те се записват автоматично през интервали,които позволяват да се запише достатъчно точно поведението на екструдера при температурния преход).При всеки запис на температурата на цилиндъра се записва и съответното изменение на налягането на стопилката.Това дава възможност за съставяне на графика на зависимостта на изменението на налягането от температурата.Най-ниското налягане(при този пример) се достига между 160 и 165 град. Целзии.Измененията на налягането(нарастването му над постигнатото най-ниско налягане) нарастват рязко при температури под 155 град. Целзии и по-бавно при температура над 170 град. Целзии.Това означава,че температурата на първа зона следва да се настрои на 165 град. Целзии,за да се избегне стръмната част на кривата между 150 и 155 град. Целзии.
Възможно е при установена(устойчива) работа на екструдера промяната(стойността) на налягането да не е същата както при условията на експеримента(когато се извършва температурен преход и екструдера не е в стабилизиран режим).Ако при стабилизиран режим на екструдера налягането при 165 град. Целзии е малко по-високо в сравнение с това при условията на експеримента,може да е необходимо да се направят няколко промени(вариации)около 165 град. Целзии(с цел да се постигне стойността на най-ниското налягане,установено при експеримента).В повечето случаи това няма да е необходимо и екструдера ще работи добре при настройката,установена при динамичното оптимизиране.
Температурата на първа зона в много случаи има най-силен ефект върху стабилността на процеса на екструзия,така че често не е необходимо да се провеждат по-нататъшни експерименти по ТПЦ.Поради това при екструдер с диаметър на шнека 100мм. е възможно да се постигне оптималния ТПЦ за по-малко от един час.
ЗА АВТОРА: Сkris Rauwendaal работи в областта на екструзията от 35 год.(2008год.)Той оглавява собствена фирма в Auburn – Калифорния,която доставя шнекове по поръчка и екструдерни глави,извършва обучение и обслужване при проблеми.Автора приема с удоволствие въпроси и коментари на читатели на e-mail : chris@rauwendaal.com .
Бел. на пр.: По мисъла на текста преди започване на динамична оптимизация температурите на екструдера следва да се настроят съгласно общите правила за настройване,дадени по-горе в този материал.