Принципы управления современными экструзионно

тема номера: экструзионное формование
Принципы управления современными
экструзионно-раздувными установками
для производства рукавных пленок
Фото: Macro Engineering and Technology Inc.
Ф. И. Губерман, к. т. н.,
Macro Engineering and Technology Inc. (Канада)
(Продолжение. Начало в ПМ № 11 (114), 2008)
Введение.
1. Основные узлы установки для производства многослойной пленки.
2. Контроль температуры.
3. Дозирование материалов.
4. Контроль и управление установкой для производства
многослойной пленки.
5. Системы наружного и внутреннего охлаждения.
6. Контроль натяжения пленочного полотна.
7. Контроль коронатора.
8. Контроль намотки.
3. Дозирование материалов
Есть два основных метода подачи твердого материала
в экструдеры: насыпной и так называемый режим «голода». В насыпном режиме (рис. 3, а) материал забирается
из бункера шнеком экструдера, который при этом фактически является дозатором. Когда уровень материала в
загрузочном бункере понижается до заданного предела,
в бункер засыпается новая порция материала. В режиме
«голода» (см. рис. 3, б) количество материала, подаваемое
дозатором в бункер, и расход материала, зависящий от
скорости вращения шнека, связаны между собой, обеспечивая при этом определенный постоянный уровень
12
материала в бункере, вплоть до минимума, когда шнек
обнажается, т. е. «голодает». Постоянная высота уровня
загружаемого ПМ способствует стабильности давления
расплава на выходе из экструзионной головки, что особо
заметно для небольших экструдеров с коротким шнеком.
Данный режим наиболее часто применяется при подаче порошковых материалов или липких гранул, так
как отсутствие столба материала в относительно узкой
загрузочной зоне предотвращает застревание порошка
в зоне загрузки. Это явление зачастую случается при
насыпной загрузке материала и образно называется
«бриджинг» (bridging), отражая в названии эффект образования арочных мостиков.
В случае насыпной загрузки очевидно, что смесь
компонентов ПМ (в заданном соотношении) должна
быть приготовлена заранее. При загрузке в режиме
«голода» смесь необязательно готовить заранее, так
как смешивание может происходить с помощью
самого шнека. При этом отдельные компоненты,
каждый из своего дозатора, могут подаваться одновременно и непосредственно в горловину экструдера.
Считается, что данный метод особенно предпочтителен при смешивании компонентов, которые
существенно различаются по плотности (например,
полиэтилен и суперконцентрат двуокиси титана –
белый краситель).
2008/№ 12
тема номера: экструзионное формование
3
2
4
1
а
3
2
1
б
Рис. 3. Схема загрузки материального цилиндра (1) экструдера
полуфабрикатом ПМ (2) в насыпном режиме (а) и режиме «голода» (б): 3 – загрузочный бункер; 4 – датчик уровня
2008/№ 12
При приготовлении смесей используется как весовое
(gravimetric), так и объемное (volumetric) дозирование.
Оба метода могут быть использованы в обоих вариантах
загрузки: насыпном и режиме «голода».Гарантия качества пленочной продукции, требуемая современными
потребителями от ее поставщиков, диктует необходимость автоматического дозирования, при котором влияние человеческого фактора сводится к минимуму (не
является секретом, что и в настоящее время требуемые
смеси на некоторых заводах продолжают готовить в так
называемых «бетономешалках», поочередно добавляя
разные компоненты в одну емкость и смешивая их,
после чего эти смеси засыпаются в бункер экструдера).
Другими словами, необходимо производить смешивание
компонентов в процессе работы оборудования, поддерживая при этом высокую точность их соотношения
и обеспечивая однородность состава пленочного ПМ в
готовом рулоне. В настоящее время стандартный метод
приготовления смесей в ходе процесса изготовления –
это весовое (гравиметрическое) дозирование, хотя в
техническом отношении оно сложнее объемного (волюметрического). Достоинством гравиметрического
дозирования, когда вес или весовой расход подаваемого
материала непрерывно измеряется, является, прежде
всего, возможность определения массовой производительности экструдера и управления ею.
Средняя плотность ρср.i смеси, подаваемой каждым
экструдером в каждый i-й слой пленки, рассчитыва-
13
тема номера: экструзионное формование
ется по известной формуле исходя из плотности ρij и
заданного содержания Cij [% масс.] каждого из m компонентов, входящих в i-ю смесь:
ρ ср.i =
1
m
∑C
j =1
ij
,
(2)
2
/ 100 ρ ij
где j = 1, 2, …, m.
Следует заметить, что из двух наиболее распространенных форм полуфабрикатов ПМ и их компонентов –
гранулированной и порошкообразной – гранулят
более технологичен при дозировании и смешивании
(практически отсутствует комкуемость) и обеспечивает
более высокую однородность смеси. Поэтому в данной
статье речь идет о дозировании гранулированных компонентов смеси (полимеров и добавок). Причем подразумевается, что жидкофазные или порошкообразные
добавки предварительно закапсулированы в гранулах
полимера в виде суперконцентрата.
Рецептуры современных пленочных ПМ достаточно
сложны. В каждом слое многослойной пленки может
находиться в среднем от 3 до 5 компонентов, а в некоторых случаях и более. Например, весьма распространенный набор компонентов выглядит следующим
образом: ПЭНП, линейный ПЭНП, антиблокирующая
добавка, антиоксидант, суперконцентрат красителя и
антифрикционная («скользящая») добавка. К этому
«пакету» компонентов могут быть добавлены (в зависимости от назначения пленки) ультрафиолетовый
стабилизатор, противотуманная добавка (антифог),
антистатическая добавка и пр.
При всем разнообразии методов автоматического
дозирования в процессе изготовления пленок различают два основных метода (рис. 4): порционный (batch)
метод и непрерывный метод, или, иначе, дозирование
по потере веса (loss in weight).
При порционном дозировании (см. рис. 4, а) каждый
компонент последовательно подается в емкость, находящуюся на весах, образуя тем самым вместе с другими
компонентами порцию, которая перемешивается и
подается в загрузочную зону экструдера. Затем, пока
экструдер забирает материал, готовится следующая
порция. Метод загрузки экструдера – насыпной, и при
достижении материалом в загрузочном бункере уровня нижней отметки срабатывает датчик уровня, затем
система управления запрашивает следующую порцию.
Существуют некоторые приемы для увеличения точности и скорости приготовления смесей. Предположим,
например, что в порции, общая масса которой составляет 2000 г, основной и дополнительный компоненты
должны быть в равных долях – по 50 % масс. Если подача
первого компонента делается ускоренной, то при этом,
как правило, ухудшается ее точность, и на весах может
оказаться, например, 950 г первого компонента, тогда
второй компонент, скорость подачи которого нормирована, будет подаваться таким образом, чтобы общая
масса порции оказалась равной 1900 г. Тем самым строго
поддерживается заданное соотношение компонентов.
14
1
3
4
а
1
2
2
б
Рис. 4. Схемы порционного (а) и непрерывного (б) методов приготовления смеси: 1 – бункеры с компонентами; 2 – тензодатчик;
3 – мешалка; 4 – датчик уровня
Как было сказано выше, для поддержания экструдером
заданной производительности необходимо ее измерение.
Чем быстрее определяется этот параметр, тем эффективнее управление экструдером (частотой вращения шнека).
При порционном дозировании производительность
Qi (кг/ч) i-го экструдера (ограниченная ее номинальным
значением) для переработки i-й смеси, подаваемой в
него порциями, средняя масса каждой из которых равна
Mi (кг), рассчитывается по следующей формуле:
Qi =
M i ⋅ ni ,
ti
(3)
где ni – количество порций, поданных в i-й экструдер
в течение времени ti (ч).
С увеличением значения ni (и соответственно – ti)
уменьшается относительная погрешность определения
отношения ni / t i и, значит, возрастает точность определения производительности Qi при порционном методе
дозирования. Поэтому для экструдеров со сравнительно небольшой производительностью (до 20 – 30 кг/ч)
определение более точного значения Qi по формуле (3)
может занять значительное время. Предположим, например, что для более надежного расчета Qi требуется
10 порций. Тогда при порции весом 1000 г более или
менее корректное определение производительности
2008/№ 12
тема номера: экструзионное формование
Qi может быть произведено за 20÷30 мин наблюдений
(работы экструдера). Для ускорения определения производительности можно было бы уменьшить массу
порции, однако возможности метода порционного
дозирования ограничены минимально допустимым ее
значением (из-за требуемой точности взвешивания и
собственно дозирования). Так, например, масса 1 %
добавки при порции массой 1000 г составит всего 10 г.
При дальнейшем же уменьшении порции добавки ее
масса может быть уже соизмерима с массой отдельной
гранулы. Очевидно, что управление экструдером при
порционном дозировании будет более успешным при
работе с высокопроизводительными экструдерами.
При непрерывном дозировании (см. рис. 4, б) бункер
с каждым компонентом взвешивается независимо от
другого бункера. Материал подается в загрузочный
бункер экструдера или непосредственно в его горловину. При этом конечным информативным параметром
является не сам вес, а скорость уменьшения веса, и
соотношение скоростей уменьшения веса в дозаторах –
пропорционально соотношению относительных массовых содержаний каждого компонента.
Помимо точности взвешивания, очень важно обеспечить равномерность подачи материала, которая
чаще всего осуществляется червячным дозатором или
ленточным транспортером. Червячный дозатор имеет
диапазон производительностей приблизительно в
2008/№ 12
пределах 1:20. Ограничения связаны со сложностью
обеспечения линейной зависимости между оборотами
привода и расходом подаваемого материала. Необходимо также учитывать производительность червячного
дозатора. Предположим, что пленка изготавливается
из смеси основного компонента (90 % масс.) и добавки (10 % масс.). При выборе червячного дозатора (для
каждого диапазона производительности выбирается
соответствующий шнек) необходимо заранее оценить,
какая понадобится производительность дозатора для
обеспечения подачи 10 % добавки. Если, например,
производительность экструдера составляет 50 кг/ч,
то добавка должна будет подаваться с производительностью 5 кг/ч, и тогда выбирается шнек, имеющий
соответствующий диапазон производительностей,
например, от 1 до 10 кг/ч. При варьировании производительностью экструдера (сравнительно высокой –
более 100 кг/ч или низкой – менее 10 кг/ч) может
возникнуть ситуация, когда подача добавки (с тем же
ее 10%-ным содержанием) не сможет обеспечиваться
тем же шнеком, так как будет вне диапазона его производительности, и потребуется выбирать новый шнек.
В этом смысле ленточная подача (некоторые компании
производят такие дозаторы), имеющая более широкий рабочий диапазон значений производительности
(в пределах 1:50 и более), является более универсальной
и более удобной для оператора.
15
тема номера: экструзионное формование
Производительность Qдоз непрерывного дозатора
определяется на участке снижения веса в бункере
(см. рис. 4, б), установленном на весах, по следующей
формуле:
Qдоз = (F1 − F2 ) (t 2 − t1 ),
(4)
где F1 и F2– значения веса бункера, соответствующие
моментам времени t1 и t2 его взвешивания.
Периоды, когда бункер загружается, исключаются
из расчета из-за значительных погрешностей, которые
могут быть внесены в результаты расчета (рис. 5).
F
Fmax
F1
F2
Fmin
4. Контроль и управление установкой
для производства многослойной пленки
Функциональное назначение системы контроля и
управления установкой для производства многослойной
пленки заключается в поддержании параметров технологического процесса на заданном уровне в целях выпуска
пленки требуемого качества. Из выражения (1), приведенного в разд. 1 статьи, вытекает, что в установившемся
процессе экструзионно-раздувного формования отношение массовой производительности Q (кг/ч) к скорости
вытяжки (иначе – окружной скорости тянущих валов)
полотна υ (м/мин) является величиной постоянной и
равной массе погонного метра полотна в целом или массе
погонного метра каждого слоя в полотне (если речь идет
о производительности экструзии данного слоя):
Q
−3
υ = 0,12 ⋅ 10 b ⋅ δ ⋅ ρcp = const.
t1
t2
t
Рис. 5. График работы непрерывного дозатора (изменение веса F
бункера в зависимости от времени t): Fmax (Fmin) – максимальный
(минимальный) вес бункера с материалом; F1 и F2 (t1 и t2) –
значения веса (времени), используемые для расчета производительности дозатора (волнистой линией показана фактическая
форма зависимости «F – t»; заштрихованы нерабочие периоды
времени)
Достоинством метода дозирования по убыванию
веса, несомненно, является быстрота определения
производительности, поскольку именно этот параметр используется в автоматическом регулировании
подачи расплава экструдером. Фактическое значение
производительности определяется в считанные минуты, иногда секунды. Для сравнения: при порционном
дозировании после изменения числа оборотов шнеков
экструдера правильное значение производительности
вычисляется лишь спустя 10 – 60 мин. Однако метод
дозирования по убыванию веса менее точен – при
порционном дозировании используются только одни
весы, а также отсутствует динамическая погрешность,
всегда обнаруживаемая у червячного или ленточного
дозатора. Кроме того, оборудование для порционного
дозирования значительно дешевле.
Распространенным конструктивным вариантом является система, совмещающая простоту порционного
дозирования и быстроту измерения производительности
при загрузке смеси в экструдер. В этих системах используется бункер на весах (со смесью компонентов ПМ),
расположенный над загрузочным отверстием экструдера.
В этот бункер подается смесь, приготовленная с помощью
порционного дозатора. Расход этой смеси определяется
частотой вращения шнека самого экструдера. Очевидно,
что в этом случае сам экструдер и бункер в совокупности
выполняют функцию дозатора. Производительность
экструдера определяется по такой же формуле (4), как и
16
производительность индивидуального дозатора, только в
этом случае взвешивается бункер со смесью.
(5)
где b – ширина сложенной рукавной пленки, мм; δ –
толщина пленки, мкм; ρср – средняя плотность многослойного пленочного материала, г/см3.
В случае экструзии отдельного слоя в формуле (5)
используется значение производительности Qi соответствующего экструдера, питающего данный слой:
Qi
−3
.
υ = 0,12 ⋅ 10 b ⋅ δ i ⋅ ρcp.i
(6)
Например, процедура расчета параметров многослойной линии выглядит следующим образом. Исходя
из задаваемых параметров многослойной пленки, таких, как ее ширина b и общая толщина δ, толщина δi
каждого i-го слоя в пленке (i = 1, 2, 3 ..., n, где n – число
слоев), относительное массовое содержание основного
полимера и добавок в каждом слое и значения плотности каждого компонента, рассчитывается масса
погонного метра пленки. Для этого перемножаются
удвоенная ширина сложенного полотна, общая толщина пленки и средняя плотность многослойной пленки,
которая определяется по известной формуле
n
δi
⋅ ρ ср.i,
δ
i =1
ρ ср = ∑
(7)
где значения средней плотности ρср.i смеси, выходящей
из каждой отдельной i-й экструзионной головки, рассчитываются по формуле (2).
Из разд. 1 следует, что исходным параметром процесса является общая производительность многослойной установки Q. Далее с использованием формулы (1)
вычисляется линейная скорость υ тянущих валов:
υ = Q /(0,12 ⋅ 10 −3 b ⋅ δ ⋅ ρ ср ).
Эта расчетная величина скорости, задаваемой приводом электродвигателя тянущих валов, поддерживается замкнутой системой контроля и регулирования, в
которой обратной связью является сигнал тахометра,
установленного на валу электродвигателя. Точность
2008/№ 12
тема номера: экструзионное формование
поддержания скорости должна быть в пределах ±0,5 %.
При этом ширина b полотна контролируется независимой системой автоматики, управляющей наддувом
рукава (данная система будет рассмотрена в разд. 5).
Одновременно с расчетом общей массы погонного
метра многослойной пленки определяется масса погонного метра каждого слоя путем умножения удвоенной
ширины сложенного полотна на толщину и плотность
данного слоя, рассчитываемую по формуле (2). Исходя
из этих значений, а также скорости, которая одинакова
для всех слоев, вычисляется производительность каждого экструдера.
Далее система дозирования выводит скорость вращения шнека каждого экструдера на значение, необходимое для обеспечения расчетной производительности.
Система контроля линии позволяет, не изменяя параметры выпускаемой пленки, ускорить или замедлить
процесс. Для этого следует поддерживать неизменными
отношения по формуле (6) для каждого слоя и в целом
для пленки [см. выражение (5)]. При этом более предпочтительно задавать производительность процесса, т. е.
считать ее ведущим параметром, а скорость тянущих
валов – ведомым расчетным параметром. Дело в том,
что именно от производительности зависит высота
линии «замерзания» отводимого рукава (чем больше
производительность, тем выше линия замерзания) и
соответственно его стабильность – очень низкое или
слишком высокое расположение этой линии приводит
к неустойчивости рукава и (в крайнем случае) к его обрыву или полному разрушению.
Достижение расчетной производительности всей
линии путем регулирования производительности
каждого экструдера является непростой задачей.
И если в дозаторах непрерывного типа обратная связь,
передающая данные о фактической производительности, работает быстро, то для более экономной, но
более медленной системы порционного дозирования
применяется определенный допуск. Суть его заключается в том, что при небольших изменениях скорости
вращения шнека зависимость производительности от
скорости вращения шнека принимается линейной.
Тогда при изменении заданного значения производительности число оборотов шнека изменяется, согласно
линейной модели, пропорционально. Впоследствии,
когда становится известным достоверное значение производительности, эта величина корректируется.
(Продолжение следует)
Control principles for modern blown film lines
(Continued from PM No. 11 (114), 2008)
F. I. Guberman
Logic, principles and means of controlling installations for blown film,
including multilayer film, production are discussed.
(To be continued)
Несомненно, что только пленочные линии с
превосходным соотношением между инвестиционнопроизводственными затратами и производительностью
могут обеспечить заказчику наилучший экономический
эффект. Нашей обязанностью является производство
линий
для
плоской
пленки
с
максимальной
производительностью и высокой надежностью при
разумной цене. Как результат, мы можем предоставить
заказчику самое эффективное решение.
СМЛ Машиненгезельшафт мбХ
Пихльвангер штрассе 27
Тел. в Москве: +7 926 4490025
А-4860 Ленцинг
E-mail: [email protected]
Австрия, Европа
www.sml.at
2008/№ 12
17