Экструдеры: разновидности, принцип работы

Автоматизация и механизация труда требует разработки разнообразного оборудования. Широкое применение в самых разных областях получили экструдеры. Многие процессы в настоящее время просто невозможны без них. Экструдер: что это такое, виды и принципы работы – эти вопросы интересуют многих людей и заслуживают отдельного внимания.

Что такое экструдер?

Экструдер – это специальное оборудование (машина) для изготовления длинномерной продукции из пластичных или сыпучих материалов с использованием принципов экструзии. В свою очередь, экструзия представляет собой технологический процесс непрерывного выдавливания расплава или пастообразного вещества через формующий инструмент, позволяющий в непрерывном режиме получать изделия заданной формы и размера.

В задачу данного оборудования входит:

1. создание нужного запаса сырья для непрерывной работы;
2. подготовка его к формованию (расплавление, дегазация, гомогенизация и т. п.);
3. транспортировка к формующему инструменту;
4. формование и калибровка изделия.

Для обеспечения полноценного, непрерывного технологического процесса экструдер объединяется с другим оборудованием в экструзионную линию.

Важно! Главное преимущество экструдеров – возможность получения изделий непрерывной длины с последующим нарезанием на участки требуемых размеров.

Оборудование обладает высокой производительностью и обеспечивает точное формование. Система регулировки позволяет изменять ширину и толщину изделий. Обслуживается машина просто, и оператору не приходится затрачивать физические силы.

Виды устройств

По принципу действия различаются три основных типа экструдеров:

1. Шнековые установки. Подача сырья на формующий инструмент осуществляется с помощью шнека (винта Архимеда). По сути, аналогичный винт используется в обычных мясорубках. В экструдере он захватывает сырье, уплотняет и продавливает через формующий инструмент. Шнек может иметь разную длину в зависимости от перерабатываемого материала.По мере продвижения по спирали винта сырье прогревается до нужной температуры и гомогенизируется. Из него удаляются газы. Шнековый тип считается наиболее распространенным и используется в разных областях производства.
2. Плунжерные или поршневые установки. Они отличаются тем, что в камеру поступает четко дозированное количество материала, которое затем выдавливается поршнем через отверстие. Такая технология позволяет получать штучные изделия в непрерывном режиме с четко заданными размерами и формой.Широко применяются такие экструдеры при таблетировании изделий, в т. ч. для изготовления лекарственных таблеток. Могут использоваться для производства пластмассовых и резиновых изделий.
3. Плоскощелевые установки. В них выдавливание материала осуществляется через узкую щель, что позволяет получать пленки и рулонные изделия. Подача сырья на формующий инструмент может производиться шнеком, плунжером или иным способом. Важно после выхода из щели сформованное изделие быстро охладить для сохранения формы.

Шнековые экструдеры классифицируются по количеству рабочих органов и по некоторым важнейшим характеристикам. По количеству винтов выделяются такие разновидности:

1. Одношнековые установки. Это наиболее распространенный вариант, когда переработка осуществляется одним винтом.
2. Двухшнековая установка. В ряде случаев требуется тщательная гомогенизация сырья, а предыдущий вариант ее не обеспечивает. Часто такая необходимость возникает при работе с порошковым полуфабрикатом. В этом случае параллельно устанавливаются два шнека, находящиеся во взаимном зацеплении. Они могут вращаться в одном или противоположном направлении.
3. Для обеспечения еще более тщательного перемешивания могут использоваться многошнековые установки (до четырех шнеков). К этой категории можно отнести и планетарные системы, когда вокруг основного шнека вращается несколько (до 12 штук) сателлитных винтов.

Помимо конструктивных особенностей, шнековые экструдеры могут отличаться по скорости вращения. Как правило, используется нормальный или стандартный вариант. Для повышения производительности применяются быстроходные шнеки.

Устройство экструдеров

Устройство экструдеров зависит от их разновидностей, но у всех есть определенные общие принципы конструирования. Выделяются такие основные узлы:

1. Бункер. Он необходим для обеспечения непрерывной работы оборудования. В нем создается необходимый запас сырья. Загрузка может осуществляться вручную или механизированным способом.
2. Корпус (цилиндр), внутри которого располагается подающий механизм (шнек или плунжер).
3. Привод механизма. Движение шнеку или поршню задает электродвигатель значительной мощности через редуктор. Скорость его вращения регулируется.
4. Система нагрева. Нужная температура в цилиндре обеспечивается нагревательными обмотками, установленными поверх корпуса. Обычно выделяется несколько зон с разной температурой для постепенного нагрева материала. Нужная температура каждой зоны устанавливается оператором и поддерживается автоматически.
5. Контролирующие приборы. Для обеспечения нужного качества устанавливаются приборы, регистрирующие температуру, скорость вращения и поступательного движения изделия.
6. Головка с формующим инструментом. Важнейший узел экструдера – формующий инструмент. Он устанавливается в специальной головке, где предусмотрена четкая корректировка его расположения. В зависимости от назначения экструдера в инструменте формируется выход нужного размера. Он может быть круглым, прямоугольным, щелевым, различной сложной формы.

Интерес представляет конструкция шнека как наиболее распространенного механизма. В зависимости от назначения он различается:

• длиной;
• диаметром;
• шагом;
• глубиной нарезки витков.

Определяющим параметром считается отношение диаметра шнека к его длине. Шаг и глубина нарезки витков могут быть одинаковыми по всей длине или различаться по зонам по мере расплавления материала. По форме шнек может быть цилиндрическим или коническим.

Для обеспечения полноценного производственного цикла собирается экструзионная линия. Она включает:

• охлаждающий узел;
• систему роликов для удержания нужной формы до полного отвердения массы;
• тяговое устройство для обеспечения продольного продвижения длинномерного изделия или конвейер для штучных изделий;
• приемное устройство для сбора готовой продукции.

Особые требования выдвигаются к охлаждающей системе, т. к. ряд материалов (например, пластик) может растрескаться при резком охлаждении. В этом случае система формируется из ванн с водой, причем в них поддерживается нужная температура жидкости.

Принцип работы

Общий принцип работы любого экструдера – выдавливание гомогенизированного материала через выход формующего инструмента, что обеспечивает необходимую форму, размеры и структуру изделий. Для совершения такого процесса важно обеспечить следующие условия:

• создание необходимой структуры материала;
• и обеспечение давления в головке для выдавливания массы через отверстие инструмента.

Форма и размеры изделия зависят напрямую от аналогичных параметров выходного отверстия.

Экструдер может обеспечивать такие виды экструзии:

1. Холодное формование. Оно подразумевает только механическое воздействие. Порошковый или измельченный полуфабрикат только тщательно перемешивается и прессуется для придания нужной формы. Аналогично можно перерабатывать и пастообразное сырье.
2. Теплая экструзия. В этом варианте нет специального нагрева. Частичный разогрев материала происходит только за счет механического воздействия.
3. Горячая экструзия. Сырье расплавляется, гомогенизируется и под давлением выдавливается наружу. В этом методе помимо механического движения шнека (поршня) предусматривается принудительный нагрев до высоких температур. При этом в головке развивается высокое давление.

Шнек при горячей экструзии работает следующим образом:

1. Сырье из бункера попадает в зону питания, где остается в твердом состоянии, но уплотняется за счет винтовой подачи.
2. Далее масса попадает в зону пластификации, где под нагревом расплавляется, перемешивается и спрессовывается.
3. Окончательная гомогенизация обеспечивается в зоне дозировки. Здесь расплав становится полностью однородным и обеспечивается давление для его выдавливания через формовочный инструмент.

Справка! При работе экструдера качество расплава зависит от температуры нагрева, скорости вращения шнека и создаваемого давления. В современных установках эти параметры корректируются автоматически при изменении одного из них. Важно обеспечить их постоянство при длительной работе оборудования.

В каких сферах применяют экструдеры?

Экструдеры разного типа широко применяются в различных областях деятельности человека:

1. Переработка пластмассы и резины. В эту категорию входит обширный список продукции: трубы, профили, пленки, рулонные материалы, изоляция кабельных изделий и т. д.
2. Переработка вторичного сырья. С помощью экструдеров возвращаются в производство отходы пластмасс (пакеты, бутылки, банки и т. д.).
3. Порошковая технология. Особую область представляет изготовление ферритов.
4. Пищевая промышленность: макаронные изделия, колбасы, шоколад, батончики и другие кондитерские изделия.
5. Создание кормовой базы. Экструдеры позволяют подготовить корма для животных, которые имеют заданную структуру, и создают возможность оптимального хранения.
6. Топливные брикеты.
7. Фармакология. Экструдеры широко применяются при изготовлении таблеток.

Можно выделить такие типы экструдеров по области применения:

1. Кормовые установки. Применяются чаще всего шнековые экструдеры. С их помощью перерабатывается зерновое и травянистое сырье для получения комбикормов. На выходе из экструдера можно получить длинномерную трубку или гранулы.
2. Установки для пищевой промышленности. Часто используется холодная экструзия. Так готовятся, например, крабовые палочки. Масса просто уплотняется и выдавливается через фильеры.Применяется подобная технология и в кондитерском деле. Заготовка батончиков или конфет выдавливается холодным способом, а затем заготовка режется и покрывается горячим шоколадом. Достаточно давно с помощью шнековых экструдеров делаются макаронные изделия. В качестве полуфабриката используется тесто из твердых зерновых сортов.
3. Фармакологические установки. Экструдеры плунжерного типа обеспечивают высокую точность дозировки, что обеспечивает поточное производство таблеток.
4. Экструдеры для изготовления пластиковых труб. Это один из самых сложных вариантов. В формовочном инструменте кольцевой зазор формируется двумя элементами – дорном и матрицей:
   • первая деталь имеет размер внутреннего канала;
   • а вторая определяет внешний размер.

   Изменяя расстояние между ними, можно варьировать толщину стенок трубы. Важную роль играет система охлаждения. Труба при выходе из экструдера обладает чрезмерной мягкостью, а потому устанавливаются специальные ролики, которые позволяют сохранить форму.

5. Экструдеры для изоляции проводов. Они во многом аналогичны предыдущему варианту. Отличие заключается в наличии сердечника (токопроводящей жилы), которая пропускается через дорн. Экструзионная линия комплектуется отдающим устройством для жилы, а скорость ее протягивания существенно влияет на толщину изоляции и ее адгезию. В линии четко согласуются усилие тяги и скорость вращения шнека.
6. Экструдеры для пленок. Они имеют щелевой формовочный инструмент. Важно обеспечить эффективное охлаждение сразу при выходе из головки. Для этого устанавливаются специальные вентиляторы. Охлажденная пленка наматывается на приемный валик. Натяжение пленки не должно приводить к ее вытягиванию и уменьшению толщины.
7. Грануляторы. При переработке вторсырья необходимо придать ему форму, удобную для дальнейшего использования. Термопластичные полимеры измельчаются и загружаются в бункер экструдера. В нем материал измельчается, гомогенизируется, а готовые гранулы выдавливаются через решетчатый инструмент.

Существует множество и других вариантов исполнения экструдеров. Они выбираются по назначению и исходному сырью.

Какие задачи входят в работу оператора?

На современных экструзионных линиях установлено достаточное количество датчиков и приборов, обеспечивающих контроль и поддержание необходимых параметров. Автоматически происходит их взаимная увязка.

Однако главной задачей оператора становится правильная установка начальных данных, т. е. задание режима. Прежде всего необходимо установить температуру по зонам и скорость вращения шнека. От этого будет зависеть качество продукции и давление в головке, что важно для обеспечения безопасности.

Правильность установок проверяется визуально после анализа образца выдавленной массы. Оценивается его:

• гомогенность;
• отсутствие пор;
• размеры;
• форма изделия и другие важные характеристики.

После этого процесс запускается, а режим поддерживается автоматически. Достаточно контролировать показания приборов и при необходимости принимать меры. Если в процессе работы возникает необходимость изменения размеров, то может потребоваться замена формирующего устройства или внесение корректировки в начальные параметры.

Экструдеры разного типа широко применяются в различных областях деятельности человека. Особенно актуальны они для производства изделий из пластмассы. Данное оборудование обеспечивает изготовление высококачественной продукции с высокой производительностью.

Важно правильно оценить предъявляемые требования и выбрать нужную установку. На российском рынке представлены модели известных производителей, что дает возможность подобрать оптимальный вариант.