Основные закономерности и аппаратурное оформление метода экструзии

Экструзия – формование изделий путем выдавливания материала через матрицу с отверстиями. Материал предварительно обрабатывают в смесителе, где при интенсивном перемешивании увлажняют и переводят в пластичное состояние. Затем пластифицированную массу загружают в экструдер, в котором смесь уплотняется и под давлением продавливается через матрицы цилиндрической или иной формы.

Для экструзии материала необходима жидкая фаза, являющаяся смазкой и обеспечивающая как относительное перемещение частиц при их уплотнении, так и появление сил поверхностного натяжения. В процессе перемешивания материалов в экструдере происходит явление сорбции жидкого связующего твердыми частицами с образованием сплошной пленки. При уплотнении пленки связующего сливаются вокруг отдельных зерен, образуя в местах контакта частиц жидкостные «мостики». В этом случае действует растягивающее усилие поверхностного натяжения, а внутри «мостика» возникает капиллярное разрежение (точками приложения капиллярного давления служат края вогнутых менисков). Указанные силы стремятся сблизить частицы и удержать их в таком состоянии.

С уменьшением размера частиц подготовленная порошковая масса уплотняется лучше и прочность образующихся гранул растет. Необходимо стремиться к минимально возможной влажности исходных компонентов, так как переувлажнение приводит к образованию мягких и легко рассыпающихся гранул.

Введение связующих увеличивает силы сцепления внутри гранулы и облегчает ее формование.

Для тонкодисперсного материала (при прочих равных условиях) сила адгезии, приходящаяся на единицу поперечного сечения гранул, больше и, следовательно, их прочность возрастает. Процесс сушки позволяет улучшить физико-механические характеристики гранул.

В зависимости от способа формования гранул (жгутов) различают шнековые и роторные экструдеры. На рис. 16.4 представлена схема гранулятора ФШ 015 КОГ. При работе материал поступает в загрузочную зону экструдера, захватывается роторами запитывающего устройства 4 и подается в межвитковое пространство шнека. С помощью шнека 3 и протирочной головки 6 материал экструдируется через фильерную решетку 5. Получаемые жгуты под действием собственного веса обламываются и падают на движущуюся ленту транспортера.

Одним из недостатков экструдеров является их низкая производительность. К числу достоинств относится только им присущая возможность реализации таких процессов гранулирования, в которых задаются особо жесткие требования к гранулам по геометрии, размерам и прочности. В частности, гранулы такой формы, как трубчатая и кольцевая можно получить только экструзией.

Рис. 16.4. Гранулятор ФШО 15 КОГ: 1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – вал; 4 – корпус; 5 – фильерная решетка; 6 – протирочная головка; 7 – замковое устройство; 8 – роторный нагнетатель; 9 – гильза; 10 - шнек

Другим вариантом конструкции экструдеров являются перфорированные вальцы. Вальцы состоят из двух пустотелых валков, вращающихся навстречу друг другу. Чтобы избежать деформации шихты под давлением, стенки валков делают достаточно толстыми.

Рис. 16.5.Типы экструдеров: а – с одним гладким и одним перфорированным валком; б – с двумя перфорированными валками; в – с вращающейся матрицей: 1 – прессующие ролики; 2 – шихта 3 - нож

Между валками (один из них перфорирован) подается влажная пластифицированная шихта (рис. 16.5).

В каналы валка выдавливается материал, который затем срезается ножом. Для легко прессующихся материалов оба валка можно изготовлять перфорированными.

В результате формования на перфорированных вальцах получают цилиндрические гранулы заданного диаметра и длины, характеризующиеся повышенной прочностью по сравнению со сферообразными гранулами.

Степень уплотнения образующихся гранул определяется сопротивлением, возникающим при их формовании через отверстия. Степень уплотнения пропорциональна отношению длины канала матрицы к диаметру канала. При малых диаметрах каналов это отношение может быть настолько велико, что сопротивление прохождению шихты через канал превысит допустимые пределы, и формование экструзией станет невозможным.

Производительность перфорированных вальцов при грануляции зависит от частоты вращения валков, их живого сечения и размеров формующих отверстий. При одном и том же сечении, но меньших диаметров формующих отверстий производительность вальцов снижается.

В промышленности исследован горизонтальный винтовой экструдер с цилиндрическим корпусом (рис. 16.б). В винтовом экструдере происходит подача шихты из загрузочной воронки в корпус, продвижение ее к предматричной зоне и выдавливание гранул через формующие отверстия матрицы. В соответствии с этим, лопасти, которые воспринимают непосредственно осевое удельное давление, являются выжимными, а работающие в зоне удельного давления распора – нагнетательными. Роль выжимных витков сводится к выдавливанию массы в сторону перфорированной решетки. Нагнетательные витки подают пластифицированную шихту к выжимным виткам экструдера под удельным давлением распора.

Экструдеры со сплошными винтами из листовой стали, используют, как правило, при влажности шихты не более 14-17 %. Для переработки пластифицированных шихт влажностью более 17-18 % используют винты с ленточными витками из полосовой стали.

Рис. 16.6. Конструкции цилиндрической части корпуса винтового экструдера с лопастным (а) и ленточным (б) винтами

Недостатками метода экструзии являются сравнительно сложное оборудование, значительная энергоемкость процесса, необходимость ввода в шихту большого количества воды и пластификаторов, повышенный износ матриц и подвижных деталей экструдеров при переработке материалов с абразивными свойствами.

16. 4. Закономерности уплотнения материала
и аппаратурное оформление метода Прессования

Руда и рудные концентраты, металлическая стружка, отходы металлургических заводов и обогатительных фабрик, стекольные шихты могут быть переработаны в куски-брикеты прессованием с добавлением и без добавления связующего вещества.

Метод прессования используется также в процессах таблетирования, которым подвергаются различные материалы, в том числе шихта катализаторов, порошки бытовой химии, фармацевтические и витаминные препараты, концентраты в пищевой промышленности и другие вещества

Механизм основной стадии брикетирования – прессования в общем виде можно представить следующим образом. При небольшом давлении происходит внешнее уплотнение материала за счет пустот между частицами. Затем уплотняются и деформируются сами частицы, между которыми возникают силы сцепления. Высокое давление в конце прессования приводит к переходу упругих деформаций частиц в пластические, вследствие чего структура брикета упрочняется и сохраняется его заданная форма.

Механизм уплотнения дисперсных материалов при любом способе гранулирования, в том числе прессования, во многом определяется природой материала. Особый интерес в этом плане представляют шихты, в состав которых входят несколько компонентов имеющих различную природу, например, шихты для производства стекол.

Особенность прессования стекольных шихт заключается в том, что по структурно-механическим свойствам они занимают промежуточное положение между металлическими порошками, грунтами, минеральными удобрениями и топливно-рудным сырьем. Так как стекольные шихты полидисперсные и многокомпонентные системы, а их свойства в зависимости от условий подготовки к уплотнению сильно меняются, закономерности процессов прессования, выявленные при исследовании, например, удобрения или металлического порошка, распространять на них нельзя. Однако некоторые общие закономерности процессов прессования порошкообразных материалов при анализе процесса уплотнения стекольных шихт использовать можно. При уплотнении стекольной шихты в пресс-матрице, валковом или вальцовом прессах, ее плотность постепенно изменяется от насыпной до плотности твердого тела.

Анализ поведения шихт под давлением и возможности их прессования можно провести при обработке в закрытой матрице, оценивая получаемые при этом компрессионные кривые. Основываясь на общих закономерностях уплотнения сыпучих дисперсных материалов, можно выделить три фазы уплотнения стекольных шихт.

В первой фазе (заканчивается при давлении 200-350 МПа) уплотнение материала происходит за счет упругой деформации каркаса, образованного при засыпке в закрытую матрицу. При этом удельное давление прессования создает напряжение, превышающее предел прочности при сдвиге каркаса, что приводит к его разрушению и перемещению частиц внутри засыпанного материала. Получить на этой фазе связанные, т. е. прочные, прессовки не удается.

Во второй фазе протекают структурные деформации частиц порошкового многокомпонентного полидисперсного материала. Интенсивно идет переупаковка частиц, уменьшается пространство между парами и растет площадь контактов между частицами. В зависимости от состава шихты может протекать пластическое разрушение частиц материала, заключающееся в их хрупком разрушении и пластической деформации. В результате образуются прочные прессовки. Фаза заканчивается при давлении примерно 600 МПа.

В третьей фазе разрушаются отдельные частицы и при наличии в шихте пластичного компонента наблюдается пластическое затекание материала в пространстве между порами прессовки. Плотность прессовки при этом меняется и достигает максимума при давлении около 800 МПа. Дальнейшее увеличение давления прессования может привести к массовому разрушению частиц шихты.

Рис. 16.7. Схема прессования шихт на валковом прессе

Процесс прессования шихт на валковом прессе происходит следующим образом. Исходная смесь 4 поступает в загрузочный бункер 3 валкового пресса (рис. 16.7). В результате движения вращающихся навстречу друг другу валков 1, сил трения и адгезии шихта поступает в зазор между ними и уплотняется до плитки 5 требуемой толщины и плотности. Для предотвращения механической перегрузки пресса в случае попадания в него инородного предмета или перегрузки один из его валков закреплен в подвижных опорах 2 и может перемещаться. При нормальной работе

валок удерживается в определенном положении пружинами или гидроупорами. Давление на валки, формирующие плитку, обеспечивается гидравлической системой.

Детальные исследования брикетированной шихты показали, что физические и физико-химические свойства брикетов зависят как от химического и гранулометрического состава шихты, так и от способа их изготовления, используемого связующего, формы и размеров брикетов, давления брикетирования, распределения температур, длительности хранения.

«Горячий» способ формования, при котором производится нагрев шихты до температуры 30-40 °С, позволяет получать достаточно прочные брикеты при относительно низком давлении прессования. Это упрощает выбор прессующего агрегата и уменьшает затраты на формование. Нагрев шихты до этой температуры может быть осуществлен за счет теплоты, выделяющейся в результате реакции между содой, сульфатом и водой.

Прокатка (компактирование)- уплотнение дисперсного материала на валковом прессе. Промышленные валковые прессы серийно выпускают для прессования минеральных удобрений, металлических порошков, руд и топливно-рудных материалов, стекольных шихт и др.

Пресс состоит из валков с опорами, станин, привода и гидросистемы. Шейки валка установлены в конических роликоподшипниках, расположенных в корпусах. Корпуса подшипников одного валка во время работы неподвижны, а корпуса подшипников второго валка могут перемещаться и создавать необходимый зазор между валками. Зазор регулируется вставками, размещенными между корпусами подшипников валков. Усилие прессования, создаваемое валками, обеспечивается плунжерами четырех гидроцилиндров одностороннего действия, которые поджимают корпуса подшипников. Рабочее давление в гидроцилиндрах регулируется от 0 до 23 МПа и создается гидросистемой, состоящей из насоса с электродвигателем, бака для масла, аккумуляторов, предохранительных и обратных клапанов. Валки снабжены устройством для охлаждения.

В табл. 16.1 приведены характеристики валковых прессов, предназначенных для компактирования стекольных шихт и предложенных к промышленному внедрению, на рис. 16.8 представлена схема валкового пресса.

Таблица 16.1

На фундаментной плите установлены литые стальные станины с траверсами, несущие корпуса с валковыми подшипниками. В подшипниках размещены шейки двух чугунных валков. Валки приводятся в движение от электродвигателя через коническо-цилиндрический редуктор, приводные и фрикционные зубчатые колеса. Привод и пресс монтируют на одной фундаментной плите. Корпуса подшипников заднего валка закреплены неподвижно, а корпуса переднего могут перемещаться в направляющих станины. Пресс снабжен механизмом для регулировки зазора с предохранительными шайбами, имеющим как ручной, так и электропривод.

В случае перегрузки пресса или попадания между валками инородного тела предохранительные шайбы срезаются, и валки автоматически останавливаются.

Длина валков позволяет устанавливать два бункера и одновременно уплотнять шихту двух типов. Недостатками пресса являются отсутствие гидравлической системы регулирования усилия валков и изготовление валков из чугуна.

Рис. 16.8. Валковый пресс: 1 – подшипники переднего валка; 2 – аварийное устройство; 3 – охлаждающее устройство; 4 – механизм регулировки зазора; 5 – сливная воронка; 6 – ванна; 7 – станина; 8 – фундаментная плита; 9 – траверса; 10 – ограничительные стрелы; 11 – поддон; 12 – электродвигатель; 13 – редуктор; 14 – подшипники заднего валка; 15 - валки

Брикетирование.Разновидностью процесса уплотнения является прессование на валках с профилированной в виде ячеек поверхностью. На таких прессах, называемых вальцовыми (брикетными), можно получать брикеты заданных размеров и формы: в виде лепешки, линзы, шара и т. д. Вальцовые прессы выполнены из двух валков одинакового диаметра, вращающихся навстречу друг другу. На валки надеты стальные сменные бандажи, на износостойкой поверхности которых выполнены симметричные углубления, соответствующие форме брикетов.

Рис. 16.9. Схема вальцового пресса

Процесс прессования (вальцевания) на вальцовых прессах (вальцах) проходит следующим образом. Шихта поступает из загрузочного бункера подпрессовывающего устройства 7 (рис. 16.9) в зону отставания 2,затем проходит зоны открытых 3 или закрытых 4 ячеек и выходит в виде брикетов заданной формы. Основное силовое воздействие на шихту осуществляется в зонах отставания и закрытых ячеек. В зоне отставания действуют силы, не обеспечивающие устойчивого состояния шихты. Слои шихты попадают в зону более высоких давлений с разной скоростью, меньше скорости движения поверхности вальца. Уплотнение и сдвиг шихты происходят по цилиндрической поверхности.

В зоне ячеек шихта, связанная с их поверхностью, не вытесняется действующими на них силами, здесь отсутствует перемещение материала из одной пары ячеек в другую. Рост давления приводит к запрессовыванию шихты в зону ячеек. Условия захвата шихты в вальцах определяются в первую очередь диаметром валков: чем он больше, тем выше удельное давление прессования. Между удельным давлением прессования, прочностью брикетов существует прямая зависимость, сохраняемая до определенного предела.

Очень высокие давления нарушают структуру брикетов, уменьшают пористость, что снижает их прочность. При брикетировании со связующими добавками высокие давления могут выдавливать их на поверхность брикетов, что приводит к залипанию ячеек пресса шихтой, слипанию брикетов во время их транспортировки и хранения.

Недостатком вальцов является взаимное смещение полуформ, вызывающее образование в них ассиметричных брикетов. Прочность брикетов при этом падает на 10-20 %.

Узлом, определяющим надежную работу пресса, являются формующие валки. Прессы выпускают с накладными сегментами или бандажами, имеющими ячейки, с коваными валами, на которых установлены зубчатые колеса. На прессах низкого давления применяют сдвоенные кованые валки меньшего диаметра, выполненные из полой ребристой отливки (рис. 16.10).

Рис. 16.10. Сегмент (а), корпуса валка с сегментами (б), валок с корпусами подшипников (в)

Наряду с коваными валками и валками с кольцевыми бандажами часто применяют упрочненные сегментные элементы, предназначенные для тяжелых условий работы при уплотнении абразивных материалов. Представляют интерес бандажи, собираемые в теле валков из разъемных колец конического сечения. Сегментные элементы небольших размеров изготавливают из специальных сталей, которые не подходят для изготовления корпуса целого бандажа.

Бандажи вальцовых прессов выпускают с ячейками различной формы и размеров.