Экструзионный ситоизмельчитель и фильтрация расплава: Как уменьшить загрязнение и колебания давления

Когда в экструдированных изделиях появляются черные вкрапления, гелеобразные частицы, случайные следы на поверхности или кратковременные периоды нестабильности размеров, большинство переработчиков в первую очередь обращают внимание на сырье, температурные режимы или состояние фильеры. Это разумные проверки, но не всегда проблема начинается именно с них.

Во многих экструзионных линиях настоящей отправной точкой является система фильтрации. Устройство смены экструзионных сит и его пакет сит находятся между экструдером и фильерой и делают больше, чем просто улавливают грязь. Они контролируют загрязнения, создают противодавление, влияющее на поведение расплава, и - при смене сит - вызывают скачки давления, которые могут напрямую отразиться на размерах продукта.

Если установка фильтрации не соответствует условиям эксплуатации, результатом обычно является не одна драматическая неудача. Это целый ряд проблем, которых можно избежать: повторяющиеся дефекты поверхности, дрейф давления, дополнительные отходы после замены сит и ненужные простои.

В этой статье объясняется, почему фильтрация имеет значение для экструзии, как работает устройство смены сит для экструзии, как рассматривать непрерывную и ручную смену сит и какие вопросы следует задавать при оценке фильтрации в составе линии.

Почему экструзионным линиям необходима система фильтрации

Система фильтрации существует потому, что расплавленный полимер редко бывает настолько чистым, насколько это необходимо для готовой продукции. Даже при использовании высококачественной первичной смолы поток расплава может нести загрязнения - и когда эти загрязнения проходят через точку фильтрации, они могут проявиться в виде видимых дефектов, повредить проточные каналы фильеры или скопиться в местах, откуда их потом будет сложнее удалить.

Откуда берется загрязнение

Примеси в расплаве полимера обычно делятся на три категории:

• Присущие материалу частицы. Многие смолы содержат небольшое количество гелей, высокомолекулярных агломератов или нерасплавленных фрагментов, которые образуются в процессе полимеризации или гранулирования. Это не дефекты смолы - они являются нормальной характеристикой переработки полимеров. О том, как ведут себя различные пластмассы при экструзии и почему свойства материала имеют значение, см. [Common Plastics Used in Extrusion: Практическое введение в материалы, которые вы чаще всего видите].
• Побочные продукты деградации. Термическая деструкция внутри ствола может привести к образованию карбонизированных фрагментов, сшитых частиц или обесцвеченных пятен - особенно при длительных циклах, высокотемпературных операциях или при застое материала в мертвых зонах.
• Инородные загрязнения. Металлические частицы в результате износа оборудования, пыль при обращении, бумага или волокна из упаковки, а также перекрестное загрязнение от предыдущих партий. При использовании переработанного или повторно измельченного материала эта категория значительно расширяется.

Что на самом деле делает пакет Screen Pack

Сито - обычно один или несколько слоев плетеной проволочной сетки, установленной на разрывной плите, - располагается на пути расплава перед фильерой. Его функция часто описывается просто как “улавливание частиц”. Это верно, но неполно. На практике сетка выполняет три функции:

1. Удержание загрязняющих веществ. Самая очевидная функция. Сита физически блокируют попадание в фильеру частиц, размер которых превышает размер отверстия в сетке, предотвращая повреждение проточного канала, образование кромки фильеры и дефекты поверхности готового изделия.
2. Вклад в создание противодавления. Сетчатый пакет создает сопротивление потоку, что повышает давление расплава вверх по потоку. Это дополнительное противодавление помогает дозирующей секции шнека обеспечить более равномерный сдвиг и смешивание. Чистый экран создает лишь незначительное давление, но по мере накопления загрязнений противодавление постепенно возрастает, увеличивая нагрузку на шнек и потенциально снижая производительность.
3. Диагностика процессов. Использованный пакет сит - один из самых малоиспользуемых диагностических инструментов в экструзии. Осмотр экрана после его снятия - изучение цвета, распределения и типа захваченного материала - может выявить информацию о качестве смолы, характере деградации и тенденциях загрязнения, которые иначе были бы незаметны.

Что происходит без надлежащей фильтрации

Работа без фильтрации - или со слишком грубой фильтрацией для конкретного применения - чревата не только дефектами поверхности продукта:

• Урон от смерти. Твердые загрязнения (металлические частицы, сильно сшитые фрагменты) могут забить или заблокировать каналы потока фильеры, что потребует дорогостоящего обслуживания или замены.
• Незапланированные простои. Засорение поверхности матрицы или повреждение канала подачи часто приводит к остановке линии, что гораздо более разрушительно и дорого, чем плановая замена сита.
• Непостоянное качество. Без противодавления, создаваемого правильно загруженным ситовым комплектом, однородность расплава может ухудшиться, что приведет к едва заметным, но устойчивым отклонениям в готовом продукте.

Принцип работы устройства для смены экструзионного экрана

Прежде чем сравнивать различные методы замены сит, необходимо понять основную механическую структуру и, что более важно, динамику давления, которая определяет большинство проблем качества, связанных с фильтрацией.

Основные компоненты

Типичный узел фильтрации расплава состоит из трех элементов:

• Экран (или пакет экранов). Один или несколько слоев плетеной проволочной сетки, которые осуществляют фактическую фильтрацию. Более мелкая сетка улавливает более мелкие частицы, но создает большее противодавление.
• Разрывная пластина. Перфорированный стальной диск, поддерживающий пакет сит от давления расплава. Без него экран деформируется или разорвется под нагрузкой.
• Корпус устройства смены экранов. Корпус, удерживающий пакет сит и разрушающую пластину в потоке расплава и обеспечивающий механизм для замены сит при их загрузке.

Как со временем нарастает обратное давление

Когда устанавливается новый экран, он оказывает относительно небольшое сопротивление потоку. По мере того как он задерживает загрязнения, эффективная открытая площадь уменьшается, и противодавление возрастает. По своей сути это не является проблемой - умеренное противодавление способствует равномерности расплава. Но по мере накопления загрязнений:

• Заднее давление продолжает расти
• Нагрузка на винтовой двигатель увеличивается
• Температура расплава может повыситься из-за увеличения энергии сдвига
• Производительность может постепенно снижаться

В какой-то момент экран необходимо изменить. И здесь в дело вступает самая важная переменная процесса.

Событие "Падение давления

Когда загруженный экран удаляется и заменяется свежим, сопротивление потоку резко падает. Это не тонкий сдвиг - это резкое изменение давления, распространяющееся через поток расплава к выходу из фильеры.

Как отмечает специалист по экструзии Аллан Грифф: “При замене забитых сит давление внезапно падает, температура расплава может измениться, и для сохранения прежних размеров продукта необходимо регулировать обороты шнека или скорость линии”.” Он добавляет, что это касается профильных и плоских штампов, “Изменение температуры расплава может повлиять на форму изделия”.” (Технология производства пластмасс - Умный подход к экранам)

Этот перепад давления является основной причиной ручной замены сита. Резкий сдвиг подачи расплава на выходе из фильеры вызывает:

• Изменение толщины стенки трубная продукция
• Размерные сдвиги которые сохраняются до тех пор, пока процесс не стабилизируется
• Сегмент металлолома количество продукта, экструдированного при переходе под давлением, которое не соответствует допуску

Для изделий с жесткими требованиями этот сегмент брака представляет собой значительные потери материала и времени - особенно при частой смене экранов.

Непрерывная и ручная смена экрана

Именно это решение по выбору оборудования необходимо понять большинству покупателей. Выбор заключается не в том, “лучше” или “хуже”, а в том, чтобы подобрать устройство смены экранов в соответствии с реальными производственными условиями.

Ручная смена экранов (пластинчатый/болтовой тип)

Как это работает: Линия останавливается или замедляется. Оператор снимает держатель сита, заменяет загруженный пакет сита на свежий и снова устанавливает держатель. Затем линия снова набирает скорость.

Где он подходит:

• Простая, проверенная механическая конструкция с низкой стоимостью оборудования
• Простота обслуживания - меньше компонентов, проще в обслуживании
• Хорошо подходит для операций, где смена экранов происходит нечасто, а продукт имеет удобное технологическое окно
• Практично для короткосерийных, многопродуктовых линий, где линия уже регулярно останавливается для изменения цвета или материала - замена экрана может быть включена в существующее время простоя

Компромисс: Каждая смена сита приводит к падению давления. Для изделий с жесткими допусками каждое изменение порождает сегмент брака и требует повторной стабилизации процесса.

Непрерывная смена экрана

Как это работает: Установки непрерывной смены сит используют двухпозиционные конструкции или конструкции с гидравлическим приводом, которые позволяют заменять одну секцию сита, в то время как другая остается в потоке расплава. Переход управляется таким образом, чтобы колебания давления во время замены были сведены к минимуму - не устранены, но снижены до допустимого для большинства продуктов диапазона.

Где он подходит:

• Изделия, чувствительные к размерам (тонкостенные трубки, оптические профили, прецизионные трубки), где даже кратковременные нарушения давления приводят к появлению видимых дефектов
• Операции с высокой степенью измельчения или переработанного материала, где требуется частая замена сит
• Длительные непрерывные циклы, где каждый перерыв стоит значительного производственного времени и брака

Компромисс: Более высокая стоимость оборудования, большая механическая сложность и - что очень важно - другая логика работы. Непрерывная смена сит не может управляться с тем же подходом, что и ручная.

Как предупреждает Parkinson Technologies: “Незнание и непонимание этих двух точек данных [давление на чистом экране и допустимое повышение давления] приведет к неправильному заданию регулятора давления... Это приводит к убеждению, что машины с непрерывной лентой должны эксплуатироваться так же [как машины со скользящими пластинами]. Это не так”.” (Parkinson Technologies - контроль давления по таймеру)

Установки непрерывной смены сит в паре с датчиками давления и надлежащими уставками управления обеспечивают наиболее стабильные результаты. Это также естественная интеграция с системами насосов расплава - о том, как шестеренчатые насосы и датчики давления работают вместе для стабилизации производительности, смотрите [→ Насос расплава для экструзии: Когда он помогает, а когда не нужен].

Система принятия решений

Как фильтрация напрямую влияет на качество продукции

Система фильтрации редко заявляет о себе как о “проблеме”. Обычно она проявляется в виде симптомов, которые выглядят так, как будто они могли возникнуть где-то еще. В этом разделе мы сопоставим распространенные проблемы качества с их причинами, связанными с фильтрацией, чтобы вы могли оценить, могут ли ваши собственные проблемы быть связаны с настройкой устройства смены экрана.

Черные вкрапления и частицы геля

Что вы видите: Небольшие темные пятна или полупрозрачные комочки на поверхности продукта или в его толще.

Фильтрационное соединение: Слишком крупная сетка позволяет крупным загрязняющим частицам - карбонизированным фрагментам, гелям, сшитому материалу - проходить через нее и попадать в фильеру. В прозрачных или светлых изделиях даже мелкие частицы становятся хорошо заметными дефектами.

Систематический подход к поиску источника черных вкраплений (фильтрация, деградация или загрязнение) см. [→ Черные вкрапления при экструзии: как отследить настоящий источник].

Поверхностные полосы и линии потока

Что вы видите: Продольные линии или тонкие вариации текстуры, проходящие вдоль направления экструзии.

Фильтрационное соединение: Частичное, неравномерное засорение сита создает неравномерное сопротивление потоку по всей площади сита. Это создает разницу в распределении давления в расплаве, поступающем в фильеру, что приводит к разнице скоростей в поперечном сечении, видимой в виде поверхностных полос.

Колебания размеров

Что вы видите: Периодические или прерывистые изменения толщины стенок, внешнего диаметра или геометрии поперечного сечения.

Фильтрационное соединение: Перепад давления при смене экрана распространяется на выход из фильеры в виде временного изменения скорости подачи расплава. Продукт, экструдированный во время этого перехода, демонстрирует измеримое изменение размеров. Нестабильность давления при постепенном засорении сита также может вызвать более медленное и малозаметное смещение размеров.

Для диагностики изменений толщины стенок, вызванных всеми распространенными причинами (не только фильтрацией), см. раздел [→ Отклонение толщины стенок экструзии: Причины, диагностика и быстрое устранение].

Несоответствие цвета (переработанное содержимое)

Что вы видите: Тонкие цветовые переходы, полосы нестандартного цвета или заметные вкрапления другого оттенка.

Фильтрационное соединение: Переработанное или вторично измельченное сырье часто содержит небольшое количество различных типов полимеров, красителей или разложившихся материалов. Если сетка сита слишком крупная, чтобы уловить эти частицы, они проходят сквозь нее и проявляются в виде цветовых несоответствий - особенно заметных в светлых или полупрозрачных продуктах.

Самодиагностика

Если вы столкнулись с одним из вышеперечисленных явлений и недавно не оценивали свою систему фильтрации - выбор сетки, частоту смены, способ смены и поведение давления во время смены - это обычно продуктивное место для начала. Если фильтрация кажется адекватной, но поверхностные дефекты сохраняются, первопричина может лежать в другом месте процесса. Более широкую диагностическую схему см. [→ Поиск и устранение неисправностей при экструзии пластмасс: Практическое руководство по быстрой диагностике проблем на линии].

Когда вам не нужна непрерывная смена экрана

Не каждая экструзионная линия выигрывает от непрерывной смены сит. Этот раздел многие поставщики пропускают, но он имеет значение, поскольку модернизация, когда условия эксплуатации этого не требуют, увеличивает затраты и сложность без ощутимой отдачи.

Чистый первичный материал + продукты с умеренной толерантностью. При переработке высокочистой первичной смолы загрузка сита происходит медленно, а его смена - нечасто. Если продукт имеет удобное размерное окно, брак при ручной смене сита короткий и приемлемый. Простой пластинчатый или болтовой сменщик вполне достаточен.

Краткосрочные, многопродуктовые линии. Линии, которые часто меняют цвета, материалы или типы продукции, уже включают плановые остановки в свой цикл. Смена экранов может быть включена в существующее время простоя - нет дополнительного штрафа за остановку, поскольку линия уже останавливается по другим причинам.

Широкое технологическое окно + существующий контроль давления. Некоторые продукты имеют достаточно широкие допуски, чтобы возмущение давления при ручной смене экрана входило в допустимый диапазон. Если линия также оснащена обратной связью с датчиком давления, позволяющей компенсировать это, практическое воздействие ручной замены может быть минимальным.

Главный принцип: не обновляйтесь ради обновления. Выбор устройства смены сит должен определяться двумя переменными - как часто вам нужно менять сита (определяется уровнем загрязнения) и насколько сильно может нарушиться размер продукта во время смены. Если оба параметра указывают на “редкие замены” и “терпимый продукт”, то правильным выбором будет ручная система.

О чем нужно спрашивать в RFQ

При оценке предложений по экструзионным линиям в предложениях поставщиков часто недостаточно четко указывается раздел фильтрации. Эти вопросы помогут вам понять, что вы получаете на самом деле - и соответствует ли это вашим производственным условиям.

1. Диапазон фильтрации. Какие конфигурации сетки может принимать система? Можно ли использовать сетки разных размеров при изменении требований к материалу или изделию?

2. Метод смены экрана. Ручная пластина, полуавтоматическая или полностью автоматическая непрерывная? Требует ли замена полной остановки линии, снижения скорости или ни того, ни другого? От этого напрямую зависит, насколько сильно нарушится производственный процесс при каждой смене.

3. Поведение давления при смене экрана. Каков ожидаемый диапазон колебаний давления? Оснащена ли система обратной связью с датчиком давления для управления в замкнутом контуре или совместима с ним? Для изделий, чувствительных к размерам, это одна из самых важных характеристик, которую необходимо уточнить.

4. Требования к обслуживанию и оператору. Сколько операторов необходимо для замены экрана? Какие средства безопасности предусмотрены для работы в горячих условиях? Насколько доступно устройство смены экранов для плановой очистки и осмотра?

5. Совместимость материалов. С каким диапазоном вязкости расплава может работать устройство смены сит? Существуют ли конструктивные особенности для материалов с высоким содержанием наполнителя (стекловолокно, минеральные наполнители) или абразивного сырья? Материалы, вызывающие быструю загрузку сита или сильный износ, требуют иной конструкции, чем чистые смолы с низкой вязкостью.

Заключение

Устройство смены экструзионного экрана - это не просто аппаратное приспособление между экструдером и фильерой. Оно является частью технологической логики линии.

Система фильтрации должна выполнять сразу две задачи: не допускать попадания загрязнений в расплав и при этом не создавать давления, которое не может выдержать продукт. Лучший выбор - это не абстрактное “ручное или непрерывное”, а тот, который соответствует вашей нагрузке по загрязнению, частоте смены сит, допустимости продукта и стоимости простоя.

Если вы наблюдаете дефекты поверхности или отклонения в размерах и при этом не оценивали свою установку фильтрации в последнее время, обычно это первое, на что следует обратить внимание. Поделитесь спецификацией материала и производственными требованиями - мы поможем вам определить, является ли текущая установка сита вероятной причиной.

Часто задаваемые вопросы

Q1: Что такое устройство смены экструзионных сит?

О: Устройство смены экструзионных сеток - это устройство, установленное между экструдером и фильерой, которое удерживает пакет сеток для фильтрации расплава на пути потока. Оно обеспечивает механизм для замены загруженных сит - либо путем остановки линии (ручной тип), либо путем переключения между фильтровальными станциями в процессе производства (непрерывный тип). Помимо фильтрации, сетчатый пакет также создает противодавление, которое влияет на смешивание расплава и стабильность процесса.

Вопрос 2: Как работает устройство непрерывной смены экранов?

О: В установках непрерывной смены сит используются двухпозиционные конструкции (например, двухболтовые, двухпоршневые или непрерывные ленточные системы), в которых одна позиция фильтра остается активной в потоке расплава, а другая снимается для замены сит. Это позволяет продолжать работу линии во время замены, сводя к минимуму нарушение давления, которое в противном случае возникло бы при полной остановке и замене. Различные конструкции достигают этого разными способами, но инженерная цель одна: сохранить поток расплава и стабильность давления во время замены сетки.

Вопрос 3: Как часто следует менять сетки на экструдере?

О: Частота замены сит зависит от чистоты материала, тонкости фильтрационной сетки и допустимого повышения противодавления. При использовании чистой первичной смолы замена сит может потребоваться лишь раз в несколько часов или даже смен. При использовании переработанного или загрязненного сырья замена может потребоваться гораздо чаще. Большинство производств контролируют давление расплава перед ситовым комплектом - когда давление поднимается до заранее определенного порога, превышающего базовый уровень чистоты сита, наступает время замены.

Вопрос 4: Может ли устройство смены экрана вызывать проблемы с размерами экструдированных изделий?

О: Да. Когда загруженный экран заменяется свежим, внезапное падение сопротивления потоку создает событие давления, которое распространяется к выходу из фильеры. Это вызывает временное изменение скорости подачи расплава, которое может проявиться в виде изменения толщины стенок, колебаний наружного диаметра или изменения геометрии поперечного сечения. Величина зависит от того, насколько сильно был загружен экран перед изменением и насколько чувствителен продукт к нарушению давления.

Q5: Что такое прерывающая пластина и почему она важна?

О: Разрывная пластина - это перфорированный стальной диск, который располагается позади ситового пакета и механически поддерживает его от давления расплава. Без разрушающей пластины сито деформировалось бы или разорвалось под нагрузкой. Она также помогает преобразовать вращательный поток от шнека в более линейный поток перед тем, как расплав попадает в фильеру.

Дальнейшее чтение

Технология пластмасс / Griffex - Умный подход к экранам (Аллан Л. Гриф)

https://griffex.com/wp-content/uploads/2020/09/Griff-screensPT.pdf

Parkinson Technologies - Смена экрана: Движения экрана с таймером и управлением по нажатию

https://parkinsontechnologies.com/index.php/blog/screen-changer-timed-vs-pressure-control-screen-movements