автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Метод расчета оснастки оборудования для экструзии труб из композиции "полиэтилен - резиновая крошка"

РГВ од

1 2 СЕН 2ДП

На правах рукописи

ВЕТКИН Юрий Александрович

МЕТОД РАСЧЕТА ОСНАСТКИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭКСТРУЗИИ ТРУБ ИЗ КОМПОЗИЦИИ «ПОЛИЭТИЛЕН -РЕЗИНОВАЯ КРОШКА»

05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль - 2000

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» Ярославского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гончаров Г. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Скуратов В.К. (Московский государственный университет инженерной экологии) кандидат технических наук, с.н.с. Круглов В.П. (ОАО «Ярославский шинный завод»)

Ведущая организация: ОАО «Стройконструкция»

Защита состоится «8» июня 2000 года в _ часов на заседании

специализированного совета Д 063.69.01 в Ярославском государственном техническом университете, по адресу 150023, Ярославль, Московски? проспект, 88, аудитория Г-219.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ярославского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» _2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор химических наук

А л/ У /О /О /V Лп /О

В. А. Подгорнова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Проблема загрязнения окружающей среды отходами производства и жизнедеятельности человека является актуальной для настоящего времени. Этот вопрос касается и предприятий, занимающихся выпуском резинотехнических изделий, и заводов шинной промышленности, на которых в процессе производства основной продукции неизбежно возникает некоторый процент отходов вулканнзовашюй резины, что связано с особенностями производства: облой при прессовании и литье под давлением, брак в результате несоблюдения технологических параметров. В эту же группу отходов можно отнести продукцию резиновой промышленности, пришедшую в негодность в результате эксплуатации: старые покрышки, камеры, диафрагмы и другие виды изделий. В мировой практике существует три основных направления их утилизации, это сжигание с целью получения тепла и сажи, химическое разложение на простые вещества и механическое измельчение в целях дальнейшего использования резиновой крошки в воде наполнителя в различных композициях, например термопластах. Введение крошки в композицию ведет к уменьшению стоимости сырья, при достаточно приемлемом качестве получаемых изделий. Однако эта информация в основном касается вопросов получения композиций и их свойств, в то время как вопросам переработки материалов в конечные изделия уделяется мало внимания. Имеются ограниченные сведения о переработке указашшх композиций методом прессования, информация о других видах переработки, в частности об экструзии, практически отсутствует, в то время как процесс экструзии широко распространен на пред-

приятиях по переработке полимеров и является высокотехнологичным процессом выпуска длинномерных изделий (труб, профилей и т. д.).

В связи с этим очевидна актуальность данной работы, посвященной разработке методики получения экструзией изделий (труб) из композиции «полиэтилен-резиновая крошка» с большим процентом наполнения крошкой, методу расчета технологических и энергосиловых параметров процесса, а та ¡оке методике проектирования оснастки оборудования.

Цель работы.

Изучение экструзии труб из композиции «полиэтилен-резиновая крошка» с большим процентом наполнения крошкой. Создание метода расчета параметров процесса формования трубчатой заготовки.

Научная новизна:

- математ1гческая модель, описывающая процесс неизотермического движения термопласта в канале кольцевого сечения, позволяющая учесть динамику изменения геомстрш! области течения вследствие фазового перехода деформируемой среды. В модели учтено изменение реологических и теплофизических характеристик материала от температуры;

- метод расчета величины давления экструзии с учетом трения на наружной поверхности калибрующего устройства, который дает возможность определения конструктивных, технологических и энергосиловых параметров работы оборудования;

-определение реологические свойств композиции «полиэтилен -резиновая крошка»;

-определение зависимостей коэффициента трения для исследуемой композиции по металлу в зависимости от давления, скорости скольжения и состава композиции;

- метод определения оптимальной скорости вытяжки трубчатой заготовки тянущим устройством.

Практическая ценность. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали принципиальные особенности переработки полиэтилена наполненного резиновой крошкой, и позволили создать метод расчета энергосиловых (сопротивление участка), конструктивных (длина участка хсалибровки) и технолопгческих (скорость вытяжки трубчатой заготовки тянущим устройством) параметров процесса.

Полученные в результате экспериментов реологические и фрикционные характеристики композиции можно использовать при расчете процессов переработки композиции «полиэтилен-резиновая крошка».

Автор защищает: -математическую модель охлаждения вязко-текучего термопласта движущегося в канате кольцевого сечегаи с учетом перехода в твердое состояние, учитывающую зависимость теплофизических и реологических свойств материала от температуры;

-метод расчета длины участка формования трубчатой заготовки и энергосиловых характеристик процесса экструзии при переработке композиции «полиэтилен - резиновая крошка»;

-результаты численного расчета длины участка формования и производительности экструзионного агрегата;

-экспериментально полученные результаты реологических и фрикционных характеристик для композиции «полиэтилен-резиновая крошка»;

-методику расчета оснастки экструдера при экструзии труб из композиции «полиэтилен - резиновая крошка»;

-метод расчета оптимальной скорости вытяжки трубы тянущим устройством.

Апробация работы.

Отдельные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: Межвузовская региональная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов (Ярославль 1997г.), Пятая международная конференция «Наукоемкие химические технологии» (Ярославль 1998г.), Пятая юбилейная научно-практическая конференция резинщиков «Сырье и материалы для химической промышленности. Настоящее и будущее» (Москва 1998г.), Международная научно-техническая конференция «Повышение эффективности тсплообменных процессов и систем» (Вологда 1998г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 трудов (3 статьи, 5 тезисов докладов).

Объем работы.

Основное содержание диссертационной работы изложено на 126 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Список литературы включает 100 работ отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы.

Во введении показана актуальность темы диссертации и цель работы, сформулированы основные положения, выдвигаемые на защиту.

В первой главе приводится анализ научно-технической литературы по современному состоянию технологии и оборудования для вы-

пуска труб из полимерных материалов. Изучение оборудования позволило сделать вывод, что для экструзии композиции «полиэтилен-резиновая крошка» наиболее подходящей является технология переработки полиэтилена. В главе детально изучены конструкции оснастки оборзг-дования и требования, предъявляемые к ним. Это позволило подобрать оборудование для проведения предварительных экспериментов по изучению возможности переработки композиции «полиэтилен-резиновая крошка».

В результате проведенной серии экспериментов была установлена принципиальная возможность экструзии подобных материалов, при этом был выявлен ряд особенностей переработки. Введение крошки в полиэтилен в больших концентрациях (до 70% масс.) ведет к сильному изменению свойств композиции (уменьшение коэффициента относительного удлинения, уменьшение прочности, увеличение вязкости, увеличение коэффициента трения), что делает затруднительным, а порой и невозможным, применение традиционных методов формования и калибровки трубчатой заготовки, применяемых при экструзии нена-полненного полиэтилена. Было предложено формовать профиль заготовки между калибрующей трубкой и дорном, удлиненным на участок кристаллизации трубы (Рис.1). Экструзия композиции таким способом показала устойчивость процесса, однако, при этом на участке калибровки возникает перепад давления, сопоставимый по величине с сопротивлением головки, что приводит к уменьшению производительности агрегата в целом. Кроме этого, возникает вопрос в определении длины участка кристаллизации, так как недостаточная длина не обеспечит устойчивости процесса, а излишняя приведет к дополнительному сопротивлению данного участка. В связи с этим возникает задача

формуемая труба; (Ь- длина участка формования; Яв- радиус дорна; 11н- наружный радиус трубы; Як- текущий радиус границы кристаллизации; стрелками показан подвод охлаждающей воды к устройству).

создания математической модели описывающей процесс течения материала в канале калибрующего устройства.

С этой целью далее в главе рассматриваются вопросы математического описания процессов протекающих в рабочей зоне червячных машин. При этом в работах Торнера, Мак Келви и других авторов достаточно подробно описаны методы расчета процессов протекающих в зоне шнека червячных машин и в каналах головок, в то время как вопросам расчета калибрующих устройств уделяется мало внимания.

Вторая глава посвящена разработке математической модели и метода расчета процесса неизотермического течения термопластичного материала в канале кольцевого сечения.

Для решения задачи приняты следующие допущения:

1. Процесс квазистационарный, течение ламинарное осесимметрич-ное;

2. инерционные силы несоизмеримо малы по сравнению с вязкими, это позволяет исключить их из рассмотрения;

3. материал несжимаем;

4. течение материала подчиняется степенному закону Оствальда-де Билля;

5. на границе «материал-дорн» соблюдается условие прилипания, на границе «материал - калибрующая трубка» - условие скольжения;

6. в связи с тем, что температура поверхности калибрующего устройства существенно шоке температуры материала и, как следствие, температурный градиент ориентирован в радиальном направ-легаш, передача тепла теплопроводностью осуществляется только в радиальном направлении;

7. на границе материал -калибрующая трубка соблюдается условие изотермичности (температура материала равна температуре поверхности формующего инструмента), передача тепла от дорна к материалу отсутствует;

8. Граница кристатлизации заменяется ступенчатой, и рассматривается на каждой ступени кольцевой цилиндрический канал течения.

Анализ уравнений гидродинамической теории с учетом принятых

допущений позволил сформулировать задачу течения материала в

кольцевом канале в виде следующей системы уравнений: уравнение движения:

_ 1 ¿(гр Эг г Зг

уравнение энергии:

зт 1 д ( атЛ

реологическое уравнение:

(^Ч (2)

^ дг 1

уравнение расхода в сечении твердой ((2тв) и вязкотекучей (QЖ) частей материала:

<2 = <2та+<2ж (4)

зависимости реологических (фактора консистентности) и тепло-физических (теплоемкость, теплопроводность, плотность) свойств материала от температуры.

Цг^СЛ, СУ=1-2(Т), }.=Гз(Т), при Т<ТИ> р=*4(Т) (5)

Граничными условиями для уравнения движения на внутренней границе является условие прилипания, а на наружной — условие скольжения:

при г=гу , Уг=0 4 (6)

при г=гк, Уг=Утв (7)

Граничными условиями для уравнения энергии являются условие шотермнчности на границе «материал-калибрующая трубка» и условие адиабатичности на границе «материал-дорн»:

при г=гм, Тгч=Тст (8)

при Г=Гу ,-= 0 (9)

дг

На входе материала в участок калибровки температура во всех

точках сечения постоянна. Исключение составляет точка контакта ма-

\

териала с поверхностью калибрующей трубки, температура которой равна температуре стенки трубы.

Уравнения (1-4), температурные зависимости свойств материалов (5), а также приведенные граничные условия составляют математическую модель процесса.

Преобразуя уравнение движения (1) с учетом граничных условий (5), (б), а также условия максимума эгаоры скоростей (при г=г0 ,

5Vz дт

О) можно получить выражения для расчета распределения

скоростей и градиента давления в сечении:

V. =-

2.Ф. 2 dz

г -

Hi

Sign

2

Г--

дг

(10)

8р__ Q ЯС

дЪ 1 2 r _It_ 1 п

К!).!'.! г Sign К>"

а

(п)

ар

В выражениях (10, 11) помимо Уг и — неизвестной величинои

дЪ

является радиус максимума на эпюре скоростей г0, который находится методом итераций, при условии, что при г=гк тв- Расход вязкоте-кучей части материала определяется из формулы (4).

Решение уравнения энергии проводится численным методом, для этого оно сначала интегрируется по переменной г на интервале от гу до г, и расписывается в виде конечноразностного выражения. Для его

решения используется явная схема. Вопрос сходимости решается путем подбора соотношения шагов методом «замороженных коэффициентов». Это соотношение будет следующим.

. Аг2сурУ2

Дг <-—- (7)

2%

Методика расчета длины участка кристаллизации заключается в следующем. Канал разбивается на кольцевые сечения по оси Ъ, сечение входа устанавливается в качестве текущего. Строится распределение скоростей в этом сечении (распределение температур на входе постоянно). Затем строится температурное распределение на следующем сечении, и данное сечение устанавливается в качестве текущего. Производится сравнение температур в точках сечения с температурой кристаллизации материала с целью определения границы перехода материала в кристаллическое состояние. В соответствие с полученным значением радиуса кристаллизации определяется расход через сечение твердой части и вязкатекучей. Далее вновь определяется распределение скоростей в сечении, и описанный цикл повторяется до тех пор, пока температура кристаллизации не достигнет внутреннего диаметра трубы. Таким образом, определяется длина участка. Определение падения давления на участке ведется путем суммирования по всем сечениям произведений градиента давления в сечении на расстояния между сечениями. На рис.2 приведена блок-схема расчета.

и

Рис. 2. Блок-схема определения длины участка формования и градиента давления по длине трубы

Помимо перепада давления, возникающего вследствие течения вязкой жидкости, на участке калибровки присутствует сопротивление, обуславливаемое трением наружной поверхности закристаллизовавшейся трубы о поверхность формующего инструмента. Сопротивление поверхностного трения учитывается в виде добавки к давлению, возникающему при течении вязкой части композиции, давления затрачиваемого на преодоление сил трения. Расчет силы трения осложнен неравномерностью распределения давления в зоне трения по длине канала, зависимостью коэффициента трения композиции от давления, а также трудностью определения длины поверхности контакта в силу

того, что с одной стороны, вследствие охлаждения, происходит усадка материала, с другой, под действием внутреннего давления в вязкоте-кучей части материала происходит деформация закристаллизовавшейся оболочки. Решение задачи определения силы трения ведется следующим образом: канал разбивается на ряд участков, давление на каждом из которых принимается постоянным, определяется величина деформации затвердевшего кольца и сравнивается со значением усадки. Если деформация кольца больше величины усадки то условие контакта выполняется, в противном случае контакт отсутствует. Определив длину контакта, определяется сила трения путем суммирования силы трения на каждом участке. Деление полученного значения на площадь сечения канала, дает величину давления, затрачиваемого на преодоление силы трения.

Результаты расчета длины и сопротивления участка кристаллизации по предложенному методу приведены на рис. 3, 4. Исходными данными расчета были: наружный диаметр 25 мм, внутренний - 20 мм, температура материала начальная 130°С, температура стенки 20°С. Анализ результатов расчета сопротивления калибрующего устройства показывает, что составляющая сопротивления участка, затрачиваемая на преодоление сил трения, составляет ориентировочно 50% в общем сопротивлении устройства. При увеличении расхода происходит увеличение длины участка кристаллизации, и как следствие дополнительный рост сопротивления, этим явлением объясняется обратная кривизна графиков по сравнению с характеристикой «расход - давление» головок червячных машин. Рост процента наполнения крошкой ведет к увеличению сопротивления участка. Зависимость длины участка от расхода носит линейный характер.

Ж 2. / \ <4.

< у / \

га

ю го за ьа

771%.

Рис. 3 Зависимость расход-давление для калибрующего канала

1- ПЭ, 2- 50%ПЭ+50%РК без учета силы трения; 1а, 2а-с учетом силы трения.

3 -у / а А-

к

ог & ¡¡в

Рис. 4 Зависимость длины участка кристаллизации от расхода.

1.-ПЭ; 2-50%ПЭ+50%РК; 3-30%ПЭ+70%РК.

Третья глава посвящена проведению экспериментальных исследований, которые велись по двум направлениям: определение свойств материала (реологических характеристик материала и величины коэффициента трения) и проверка адекватности предложенной математической модели результатам эксперимента.

Исследование реологических свойств композиции вели с целью проверки адекватности использования степенного закона для описания течения композиции, а также с целью определения численных значений констант уравнения. В качестве установки использовали капиллярный вискозиметр. Параметры проведения экспериментов следующие: диаметр капилляров 3 и 4 мм, отношение длины к диаметру-15-20. Диапазон скоростей сдвига 0-60 1/с. Температурный интервал проведения экспериментов 120-150 °С. Исследуемая композиция состояла из ПЭВД и резиновой крошки с размером частиц до 0,5 мм. Инвариантность кривых течения к диаметру капилляров доказывалась с помощью уравнения Рабиновича. Полученные результаты значений индекса течения и фактора консистентности в виде зависимостей от температуры для композиций с различным соотношением крошки и полиэтилена представлены на рисунках 5,6.

Целью исследования фрикционных свойств композиции было определение коэффициента трения композиции в зависимости от различных параметров процесса: давления, скорости скольжения, процента наполнения полиэтилена резиновой крошкой. Установлено существенное влияние на коэффициент трения значения давления (рис 7), которое можно описать линейной зависимостью (формулой Тириона).

Рис. 5 Зависимость индекса течения от температуры для композиций с различным содержанием полиэтилена

1-ПЭ; 2-75% ПЭ+25%РК; 3-50% ПЭ+50%РК; 4-30%ПЭ+70%РК;

Рис. 6 Зависимость фактора консистснтпостп материала от температуры для композиций с различным содержанием полиэтилена

1-ПЭ; 2-75% ПЭ+25%РК; 3-50% ПЭ+50%РК; 4-3 0%ПЭ+70%РК;

НПа

Рис. 7. Зависимость коэффициента трения^ от давления в зоне контакта при У=сош1 для композиции с наполнением кроткой 50%

Основной целью второй части экспериментальных исследований была проверка адекватности результатов расчета по созданной математической модели.

В качестве объекта исследования были выбраны композиции с содержанием крошки в полиэтилене 0, 25, 50, 70 %.

Экспериментальная установка представляла собой экструдер оборудованный электрообогревом, с диаметром шнека 63 мм, отношение диаметра к длине нарезки (ЬЛЭ) равно 10, температура переработки -130°С, температура охлаждения калибровки - 20°С. Наружный диаметр получаемой трубы 25мм, внутренний - 20мм.

В процессе проведения экспериментальных исследований проводилось измерите давления на входе в калибрующую трубку, температуры рабочих зон экструдера, головы! и охлаждаемой воды в калибрующем устройстве, регистрировалась производительность машины путем замера линейной скорости выхода изделия.

Проведены экспериментальные исследования по определению сопротивления на участке калибровки в зависимости от расхода мате-

МПа

Рис. 8. Экспериментальные зависимости «расход -давление» формующего участка

1- Полиэтилен; 2-25% крошки; 3-50% крошки; 4-70% крошки.

риала и процентного содержания его компонентов (Рис. 8), Сопоставление которых с данными, полученными в результате проведения расчета по предложенной математической модели показало их удовлетворительную сходимость, расхождение составило до 20%. Пример сопоставления представлен на рис.9.

Зависимость расхпд-даплсние

а

МПа.

Рис. 9. Сопоставление экспериментальной ^швон (1) с теоретической (2) для композиции с содержанием 50% крошки.

/ /'

18 '

Для экспериментального определения длины участка кристаллизации использовался набор дорнов разной длины, которые во время проведения заменялись от большего размера к меньшему до тех пор, пока не происходило затекание отверстия трубы вследствие недостаточной длины участка кристаллизации. Проведенные эксперименты по определению длины дорна показали расхождение с теоретического расчета до 20 процентов, результаты приведены на рис. 10.

Результаты сопоставления экспериментальных и теоретических исследований позволяют сделать вывод, что предложенный метод расчета может быть использован для определения параметров оснастки эксгрузионного оборудования.

Рис. 10 Зависимость длины участка кристаллизации от расхода материала

1, 1-ПЭ; 2, 2-50%ПЭ+50%РК; 3, 3—30%ПЭ+70%РК; - эксперимент.

В четвертой главе приведена методика расчета оснастки эксгрузионного оборудования под выпуск труб из композиции «полиэтилен -

резиновая крошка» с использованием дорна, удлиненного на участок калибровки. Методика представляет собой перечень последовательных действий по определению конструктивных, режимных и энергосиловых параметров.

В этой же главе рассмотрен вопрос интенсификации процесса экс-трузш! композиции «полиэтилен - резиновая крошка». Как способ увеличения производительности, предложено использовать тянущее устройство. Однако при этом возникает трудность с определением соотношения скоростей экструзии и вытяжки, поскольку слишком большая скорость вытяжки может привести к обрыву трубы. Другой проблемой применения тянущего устройства, является то обстоятельство, что сила трения может достигнуть такого значения, при котором напряжения в сечешш вытягиваемой трубы превысят предел текучести и произойдет разрыв. Выше сказанное обусловило решение оптимизационной задачи определения максимально возможной производительности агрегата в условиях применения вытяжки. Критерием оптимизации принят максимальный расход материала, управляющими параметрами - скорость вытяжки и расход экструдера. В качестве условия обеспечения устойчивости процесса принят напорный режим течения мате-

дгУ

риала в калибрующем зазоре, —~ < 0, что представляет собой па-

Зг

раметрическое ограничение, другим ограничением являлось условие прочности стенки трубы при вытяжке. Результат решения данной задачи для композиции с содержанием резиновой крошки 50% для температуры композиции на входе в калибрующее устройство 130°С представлен на рис. 11. Пример показывает рост производительности примерно на 50% и уменьшения сопротивления оснастки на 40% с учетом применения тянущего устройства.

г ^^^ / х: л •

ч ч

\

1 1 1 тг

/О Сп ¿о р

Рис.11 Обобщс1шая характеристика экструзиоиной установки 1,2- характеристики шнека при разном числе оборотов; 3 - характеристика головки без вытяжки; 4 - характеристика головки с применением вытяжки. Штриховкой показана область применения тянущего устройства при условии устойчивого процесса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. На основании анализа применимости современных методов экструзии предложено использовать способ экструзии труб для композиции «полиэтилен - резиновая крошка» с применением дорна, удлиненного на участок формования. Проведена апробация данного метода и установлена возможность получения трубчатой заготовки с большим процентом наполнения крошкой до (70% масс.). Обоснована актуальность создания метода расчета энергосиловых и конструктивных параметров формующего инструмента.

2. С учетом неизотермичности процесса впервые разработаны математическая модель течения вязкой жидкости в кольцевом канале с учетом изменения фазового состояния перерабатываемого материала и метод решения полученной модели, позволяющие определить градиент давления и длину участка формования.

3. Разработаны алгоритм и программа численного исследования процесса течения аномально-вязкой жидкости между коаксиальными цилиндрами с учетом ее охлаждения и перехода в твердое состояние, учитывающая трение получаемой трубы о поверхность калибрующего инструмента. В результате расчетов получены распределение давления, а так же поля скоростей и температур в кольцевых'сечениях по длине канала.

4. Проведены исследования по определению реологических свойств полиэтилена, наполненного резиновой крошкой. Установлено, что реологические характеристики композиции в диапазоне скоростей сдвига 0-60 1/с можно удовлетворительно описать с помощью уравнения Оствальда-де Билля. Определены реологические константы уравнения.

5. Проведены исследования по определению фрикционных характеристик материала. В результате установлена зависимость коэффициента трения от давления, скорости скольжения, и степени наполнения полиэтилена крошкой.

6. Выполнены экспериментальные исследоватпш по определению длины участка формования трубчатой заготовки и распределения давления по длине. Оценка сходимости теоретических расчетов с экспериментальными данными показала их удовлетворительное совпадение (при доверительной вероятности 0,95 расхождение не превышает для давлений -20%, для длины -20%, что позволило использовать раз-

работанные теоретические положения для создания методики проектирования оснастки.

7. Предложена методика расчета и подбора оснастки оборудования для экструзии труб из композиции «полиэтилен - резиновая крошка» с применением дорна, удлиненного на участок кристаллизации.

8. С целью интенсификации процесса переработки композиции «полиэтилен - резиновая крошка» предложено использовать тянущее устройство. Разработан метод расчета оптимальной скорости вытяжки трубчатой заготовки, обеспечивающей стабильность процесса. Теоретически показано, что использование тянущего устройства дает увеличение производительности примерно до 50%, снижение давления в головке до 40%.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ р - давление, Па; т - напряжение, Па; г - текущее значение радиуса, м; rv, г0, Гк, rN - радиусы поверхности дорна, максимума на эпюре скоростей, границы кристаллизации, наружной поверхности трубы соответственно, м; Т - температура, °С; (j-i - фактор консистентности, Па-сп; и - индекс течения; Q - расход, м3/с; Vz - скорость в направлении оси Z, м/с; Дг,Дг - шаги по осям R и Z, м; р - плотность, кг/м3; X - теплопроводность, Дж/(М'С-К); Су- теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(кг-К);

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1.Веткин Ю.А., Гончаров Г.М., Шилов М.О. Композиционные материалы с применением резиновой крошки // IV-я конференция по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия - 96»: тез. докл. - Нижнекамск, 1996.

2.Веткнн Ю.А., Шилов М.О. О возможности экструзии труб из композиции полиэтилен - резиновая крошка // Межвузовская научно - техническая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов: тез. докл.,— Ярославль, 1997.

3. Веткин Ю. А., Гончаров Г.М, Сахаев А.И. К расчету процесса оснастки оборудования дтя экструзии труб из композиции полиэтилен -резиновая крошка // У-я международная конференция «Наукоемкие химические технологии»: тез. докл., Ярославль 1998.

4. Веткин Ю.А., Гончаров Г.М. Расчет процесса охлаждения трубчатых заготовок в калибрующих устройствах при экструзии полимеров // Международная научно-техническая конференция «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем»: тез. докл., Вологда, 1998.

5. Веткин Ю.А., Гончаров Г.М., Шилов М.О. Реологические свойства композиций с применением резиновой крошки П Пятая юбилейная научно - практическая конференция резинщиков «Сырье и материалы для резиновой промышленности. Настоящее и будущее»: тез. докл., М., 1998.

6. Веткин Ю.А., Гончаров Г.М., Сахаев А.И., Ушенин М.В. Изготовление труб из композиции полиэтилен - резиновая крошка. Метод расчета оборудования // Процессы в дисперсных средах: межвуз. сб., Иваново, 1998.

7. Реологические свойства композиций на основе полиэтилена, содержащих резиновую крошку. Каучук и резина, 1998 - №5.

8. Веткин Ю. А., ЛшрапшзЮ.Б, Гончаров Г.М. Определение силы трения в калибрующих устройствах при экструзш! труб из термопластичных композиций // Вестник Ярославского государственного технического университета: Сб. науч. тр. Вып. 2., 1999.

Введение.5.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭКСТРУЗИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К НАПОЛНЕННЫМ ТЕРМОПЛАСТАМ.7.

1. ¡Описание процесса экструзии полимерных материалов.

1.1.1 Состояние экструзионного оборудования на современном этапе.

1.1.2 Экструзионные установки для получения полиэтиленовых труб. 10.

1.2 Экспериментальные исследования возможности получения труб композиции полиэтилен - резиновая крошка.20.

1.3 Теоретическое моделирование процессов экструзии.23.

1.3.1 Общие сведения.-.

1.3.2 Расчет процессов течения в экструдерах.25.

1.3.З.Расчет головок экструдеров.27.

1.3.4 Расчет калибрующих устройств.28.

1.4 Свойства перерабатываемых материалов.31.

1.4.1 Реологические свойства.-.

1.4.2 Теплофизические свойства полимеров.35.

1.4.3 Фрикционные свойства полимеров.

1.5.Выводы по главе и постановка задачи исследования.43.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ ПОЛИМЕРА В КАНАЛЕ КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ С ПЕРЕХОДОМ В ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ.46.

2.1 Постановка задачи моделирования.-.

2.2 Допущения и ограничения, принимаемые при моделировании.>47.

2.3 Математическая модель процесса.49.

2.3.1 Уравнения математической модели.-.

2.3.2 Аналитическое преобразование уравнения движения.53.

2.3.3 Вывод численных зависимостей для определения градиента давления и поля скоростей в зоне вязкого течения .54.

2.3.4 Преобразование уравнения энергии для решения в численном виде.56.

2.3.5 Решение проблемы сходимости уравнения энергии.57.

2.4 Метод расчета процесса течения материала в канале калибрующего устройства.58.

2.5 Моделирование процесса движения заготовки в калибрующем канале с учетом сил трения.61.

2.6 Анализ результатов расчета параметров течения в кольцевом канале формования трубчатой заготовки.67.

2.7 Выводы по математической модели.73.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ.75.

3.1 Исследование реологических свойств композиций.-.

3.1.1 Подбор исследуемых композиций.

3.1.2, Проведение экспериментов и обсуждение результатов.-.

3.2 Экспериментальное изучение фрикционных свойств материалов.85.

3.2.1 Схема экспериментальной установки.-.

3.2.2 Порядок проведения экспериментов.87.

3.2.3 Результаты исследований.-.

3.3 Экспериментальное исследование экструзии полиэтилена наполненного вулканизованной резиновой крошкой.91.

3.3.1 Формулировка задачи экспериментального исследования.-.

3.3.2 Устройство и принцип действия экспериментальной установки.-.

3.3.3 Методика проведения эксперимента.94.

3.3.4 Результаты экспериментального определения перепада давления на участке калибровки.95.

3.3.5 Результаты экспериментального определения длины участка кристаллизации .98.

3.3.7 Оценка точности экспериментальных данных.99.

3.4 Результаты и выводы по главе.102.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ КОМПОЗИЦИИ «ПОЛИЭТИЛЕН-РЕЗИНОВАЯ КРОШКА» МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА.103.

4.1 Методика подбора оборудования и проектирования оснастки.-.

4.2 Интенсификация процесса экструзии. Постановка задачи оптимизации.107.

4.3 Решение задачи оптимизации.110.

4.4 Результаты и выводы по главе.113.

Проблема загрязнения окружающей среды отходами производства и жизнедеятельности человека является актуальной для настоящего времени. Во многих развитых странах существуют специальные государственные программы по вторичному использованию промышленных и бытовых отходов. Эти действия помимо решения экологических проблем приводят к экономии дорогостоящего сырья путем замены его продуктами переработки промышленного и бытового мусора.

Этот вопрос касается и предприятий, занимающихся выпуском резинотехнических изделий, и заводов шинной промышленности, на которых в процессе производства основной продукции неизбежно возникает некоторый процент отходов вулканизованной резины, что связано с особенностями производства: облой при прессовании и литье под давлением, брак в результате несоблюдения технологических параметров. В эту же группу отходов можно отнести продукцию резиновой промышленности, пришедшую в негодность в результате эксплуатации: старые покрышки, камеры, диафрагмы и другие виды изделий.

Существуют различные предложения по переработке отходов резины, которые можно разделить на три группы: а) сжигание; б) химическое разложение в) механическое измельчение с последующим использованием резиновой крошки. Наибольшее применение получила третья группа методов, их суть, в основном, сводится к добавлению предварительно измельченных отходов резиновой крошки, как добавки, в различные материалы (например, в резиновые смеси, в битумные композиции, в защитные мастики и др.). В литературе также встречается информация по использованию резиновой крошки в композициях с термопластами (полиэтиленом, полипропиленом, и др.)[82-91]. В этих материалах термопласт является связующей средой, а крошка выступает, в основном, как наполнитель, придающий материалу свойства, отличные от свойств термопласта.

Изделия из этих композиций могут быть использованы, в ряде случаев, как заменители продукции получаемой из термопластов. Такая замена обещает экономический эффект за счет экономии полиолефинов и утилизации отходов резиновой промышленности. Кроме того, производство изделий из этих материалов практически безотходное, так как отходы производства и брак могут быть вновь пущены в переработку, поскольку в материале не происходит необратимых структурных изменений.

Получение продукции из таких композиций осуществляется по технологии близкой к технологии переработки пластмасс (прессование, литье под давлением, экструзия и др.). Экструзия является одним из современных высокотехнологичных методов переработки полимеров. Этот метод применяется при производстве длинномерных изделий (трубы, уплотнения, обкладка электропроводки и др.). Однако отличие свойств рассматриваемых материалов от термопластов обуславливает особенности технологии экструзии этих смесей. В большинстве литературных источников, в которых встречается информация по этим материалам, основной упор делается непосредственно на получение самих композйций и их свойства, в то время как вопросам практического применения и получения изделий т них уделяется мало внимания, а информация по экструзии практически отсутствует.

Данная работа посвящена изучению возмржности экструзии труб из композиций полиэтилен-резиновая крошка, подбору оснастки оборудования, расчету режимов переработки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании анализа применимости современных методов экструзии предложено использовать способ экструзии труб для композиции «полиэтилен - резиновая крошка» с применением дорна, удлиненного на участок формования. Проведена апробация данного метода и установлена возможность получения трубчатой заготовки с большим процентом наполнения крошкой до (70% масс.). Обоснована актуальность создания метода расчета градиента давления на калибрующем участке и длины участка. Установлена необходимость экспериментального определения реологических и фрикционных свойств рассматриваемых материалов.

2. С учетом неизотермичности процесса разработаны математическая модель течения вязкой жидкости в кольцевом канале с учетом изменения фазового состояния и метод решения полученной системы уравнений, позволяющие решить задачу по определению градиента давления и длины участка кристаллизации.

3. Разработаны алгоритм и программа, позволяющие проводить численное исследование процесса течения аномально-вязкой жидкости между коаксиальными цилиндрами с учетом ее охлаждения и перехода в твердое состояние, а также учитывающая поверхностное трение получаемой трубы о поверхность калибрующего инструмента. В результате расчетов получены величины падения давления на участке и длина участка, а так же поля скоростей и температур в кольцевых сечениях.

4. Проведены эксперименты по определению реологических свойств полиэтилена, наполненного резиновой крошкой. Экспериментально подтверждено увеличение вязкости композиции с возрастанием наполнения полиэтилена резиновой крошкой. Установлено, что реологические характеристики композиции можно удовлетворительно описать с помощью уравнения Оствальда-де Билля.

5. Проведены эксперименты по определению фрикционных характеристик материала. В результате установлена зависимость коэффициента трения от давления, скорости скольжения, и степени наполнения полиэтилена крошкой. Подтверждена справедливость использования формулы Тириона для описания зависимости «коэффициент трения - давление».

6. Выполнены экспериментальные исследования по определению длины участка калибровки, градиента давления на нем. Оценка сходимости теоретических расчетов с экспериментальными данными показала их удовлетворительное совпадение (при доверительной вероятности 0,95 расхождение не превышает для давлений -20%, для длины -21%), что позволило использовать разработанные теоретические положения для создания методики проектирования оснастки,

7. Предложена методика расчета и подбора оснастки оборудования для экструзии труб из композиции «полиэтилен - резиновая крошка» с применением дорна, удлиненного на участок кристаллизации.

8. С целью интенсификации процесса переработки предложено использовать тянульное устройство. Разработан метод расчета скорости вытяжки трубчатой заготовки, обеспечивающей стабильность процесса. Теоретически показано, что использование тянульного устройства дает увеличение производительности примерно до 50%, снижение давления в голове до 40%.

1. Шварц А.И. Интенсификация производства резинотехнических изде-лий.-М. :Химия, 1989.-205с.

2. Тадмор 3., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров.-М.:Химия,1984.-632с.

3. ГОСТ 14773-69. Прессы одночервячные для переработки термопластов.

4. ГОСТ 114441-76. Машины одночервячные для переработки резиновых смесей. Технические условия.

5. Янков В.И., Первадчук В.П., Боярченко В.И. Процессы переработки во-локнообразуюпщхполимеров.-М.: Химия, 1989-320с.

6. Скульский О.И. Разработка методов расчета одно- и двухчервячных машин для переработки полимеров и дисперсных систем с учетом гидромеханических, тепловых и ориентационных явлений: Дис. . д-ра техн. наук. Пермь, 1991.-307с.

7. Jonson P.S., Development in extrusion science and technology // Rubber Chemistry and Technology.- 1981.-№56.- p.575-593.

8. Capelle G. Maschinen-neuentwicklungen fur die Gummi-Profilherstellung // Kautsch. und Gummi Kunstst.-1981 .-34,№9.-p.744-749.

9. Грифф А. Технология экструзии пластмасс. M.: Мир, 1965.-307с.

10. Ю.Силин А.И., Остапчук Ю.Г., Борисюк Л.Н., Тенденции развития пластосмесительного оборудования непрерывного действия. М.: ЦИН-ТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978.-46с.

11. П.Фишер Э. Экструзия пластических масс. М.: Химия, 1970.- 288с.

12. Экструзия. Бухгалтер В.И., Гецас С.И., Диденко В.Л., Курженкова М.С. Л.: Химия, 1980.-112с.

13. Торнер Р.В., Акутин М.С. Оборудование заводов по переработке пластмасс- М.: Химия, 1986.-400 с.

14. Техника переработки пластмасс./ Под ред. Н.И. Басова. М.: Химия, 1985-528с.15.Англ. пат. 81070316.Пат. США 780900

15. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. М.: Госхимиздат, 1962. -466с.

16. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров- М.: Химия, 1977. 464с.

17. Carley J.F. Mallou R.S., McKelvey J.M. Ind. Eng. Chem. 1953, v.45, №5. -p. 974-977.

18. Carley J.F. Strub R.A. Ind. Eng. Chem. 1953,v.45, №5. - p. 970-974.21Carley J.F. SPE Journal. 1953,v.9, №3. - p. 9-13.

19. Carley J.F. Strub R.A. Ind. Eng. Chem. 1953,v.45, №5. - p. 978-982.

20. Балашов M.M., Левин A.H. Хим. маш. 1961, №6. - с. 29-34.

21. Торнер Р.В., Гудкова Д.Ф., ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1965, т.10, №2.-с. 122-131.

22. Торнер Р.В., Майзель М.М. В кн.: «Научные труды Московского технологического института легкой промышленности». 1958, вып. 10. -с.89-96.

23. Торнер Р.В. и др. Каучук и резина. 1966, №9 - с.27-31.

24. McKelvey J.M., Wheeler N.C. SPE Trans. 1963, v.3, №2. - p. 138-147.

25. Mori J., Ottotake N. Chem. Eng. Japan. 1955, v.19, №1. - p. 9-17.

26. Тябин H.B. «Труды Казанского химико-технологического института». -1960, вып. 29.-с. 127-131.

27. HavenE.S., de. Ind. Eng. Chem. 1959, v.51, №9. -p. 813-820.31 .Бастанджиян CA, Столин А.И. Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1965, №4. - С. 127-131.

28. Бернхард Э. Переработка термопластичных материалов М.: Химия, 1965, -747с.

29. Немытков В.А. Машины и аппараты заводов резиновой промышленности. Ярославль: ЯПИ, 1983. - 84с.

30. Бортников В.Г. Основы технологии переработки пластических масс. -Л. Химия, 1983.-304с.

31. Оборудование для переработки пластмасс. Под ред. В.К. Завгороднего. М.: Машиностроение, 1976. - 407с.

32. Schenkel G., "Kunststoffe", 1961, Bd.51, №3. S. 95-100.

33. Малиновский B.B. Исследование процессов охлаждения материалов при переработке их непрерывным способом: Дис. . канд. техн наук. -Киев, 1969.

34. Malkin A.J., Vinogradov G.V. J. Appl. Polymer Sei., 10, №5 1966

35. Виноградов Г.В. Малкин Н.Я. Прозоровская Н.В. Каргин В.А. ДАН СССР, 154,4,890,1964.

36. Виноградов Г.В. Малкин Н.Я. Прозоровская Н.В. Каргин В.А. ДАН СССР, 150,3, 574, 1963.

37. Бартенев Г.М. ДАН СССР 110, 5, 805,1956.

38. БартеневГ.М. ДАН СССР 133,1, 88,1960.

39. Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф. Вестн. Технико-эконом. Информ., №7, 17, 1964.

40. Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф. ДАН СССР 178, 3, 653,1968.

41. Торнер Р.В., Майзель М.М. Изв. вузов легкой пром. вып. 4, 93,1959.

42. Леонов А.И. ЖПМТФ, №4,1964.

43. Трусов С.А. Тябин Н.В. Химия и химическая технология. Труды Волгоградского политехнического института, Волгоград, 1968.

44. Gaskins F.H. Filippoff W. J. Appl. Politn. Sei. 3, 5,143,1959.

45. Gaskins F.H. Filippoff W. J. Polim. Sei. 21, 98,205,1956.

46. Pao Jon-Han. J. Polim. Sei. 61,172,413,1962.

47. Metzner A.P., Brodkly R.S. J. Appl. Polim. Sei. 7,2,399,1963.

48. Трелоар Л. Физика упругости каучука. -М., 1953.53.0лдройд Д.Г. Неньютоновское течение жидкостей и твердых тел / гл. 16 в книге «Реология» под ред. Ф. Эйриха, Издатинлит, 1962.

49. Алфрей Т. Герни Е.Ф. Динамика вязкоупругого поведения / гл. 11 в книге «Реология» под ред. Ф. Эйриха, Издатинлит, 1962.

50. Ферри Д.Д. Вязкоупругие свойства полимеров, Издатинлит, 1963

51. Лодж A.C. Упругие жидкости, Изд-во «Мир», 1968.

52. Уилкинсон У.А. Неньютоновские жидкости, Изд-во «Мир», 1964.

53. Севере Э.Т. Реология полимеров, изд-во «Химия», 1966.

54. Бленд Д. Теория линейной вязкоупругости, М.: «Мир», 1965.

55. Ostwald W. ,Kolloid-Zeitschr. ,36,96,1925.

56. Бартенев Г.М. ДАН СССР, 133, 88, 1960.

57. Powell R.E.JEyring Н. Natyre, 154, 427,1944.

58. Bird R.W., Stewart W.E. Lighfoot E.N., Transport Phenomena, New-Vork, 1960.

59. De Witt T.W, J. Appl. Physics, 32,2326,1961.

60. Prandte L., Physik, 5,161,1949.

61. Philippoff W.,Kolloid-Zeitschr., 71,364,1955.

62. Рейнер M. Деформация и течение, гл XVIII, Гостоптехиздат, 1963.

63. Трапезников A.A., ДАН СССР, 102,1177,1955.

64. Bueche F., J.Chem. Phys., 22,1570, 1954.

65. Rouse P.E., J. Chem. Phys., 21,1272,1953.

66. Gee R.F., Lyon I.B., Ind. Eng. Chem., 49, 956,1957.

67. Ferry D., J. of American chemistry Society, 64,1330, 1942.

68. Богданов B.H. Механика полимеров. 3, 565,1968.

69. Новое в технологии резины. Сборник переводов и обзоров из иностранной периодической литературы под ред. З.А. Роговина. Изд.М.: Мир, 1968.

70. Лыков A.B. Теория теплопроводности. Гостехиздат, 1952.

71. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: "Высшая школа", 1975. 496с.

72. Годунов С-К. Рябенький B.C. Разностные схемы (введение в теорию). М.: "Наука", 1977.-440с.

73. Красовский В.Н., Воскресенский А.М. Сборник примеров и задач по технологии переработки полимеров. Минск: "Вышэйш. Школа", 1975. -320с.

74. Веткин Ю.А., Шилов М.О., Гончаров Г.М. Композиционные материалы с применением резиновой крошки // IV-я конференция по интенсификации нефтехимических процессов "Нефтехимия 96": тез. докл.- Нижнекамск, 1996.- С.211-212.

75. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

76. Иванова В.М., Калинина В.Н., Нашумова Л.А., Решетникова И.О. Математическая статистика.-М. ; Высшая школа, 1981.-368с.

77. Разумов A.C., Соловьев Е.М. Получение резинопластов из вторичного полимерного сырья //Экологические производства и применение пластмасс и изделий из них. Всес. Конф: тез. докл.-Л.,1989-С.75-76.83. Пат. США 4795603.84.Пат. США 4970043.

78. Верещагина И.А. Разработка составов композиций типа резинопластов на основе отходов полимерных материалов // М-лы 4-й конф. ЯПИ: тез. докл.-Ярославль, 1988.-С. 19-24.86.Англ. пат. 2177706.

79. Разумов Е,С., Соловьев Е.М. Получение термопластичных резин из амортизированных изделий на основе бутилкаучука // Всес. научн.-техн. конф. "Качество и ресурсо-сберегательные технологии в резиновой промышленности": тез. докл.-Ярославль: ЯПИД991.-С.151.

80. Stoffiches Recicling von Altgummiabfellen // Schmidt PIGAK: Gummi, Fasern, Kkunststoff.-1991,-44№6.-S.302.

81. Разумов A.C., Урядов В.Ю. Гудков C.B. Получение резинопласта из измельченных полимерных материалов // Всес. конф. "Технология сыпучих материалов": "Хим. техника-89": тез. докл.-Ярославль, 1987.-С.47.

82. Коляго Г.Г. Мануленко А.Ф. Композиционные материалы на основе термопластов и отходов вулканизованных эластомеров // Пути повышения эффективности использования вторичных полимерных ресурсов. Тез. док.-Кишинев, 1989-С. 128.

83. Literaturberihte „Nutzung von sekundär Rochstoffen. 1.Plasten und Altreifen". „Akademie der Wissenschaften der DDR wisstnschaftliches informations Zentrum. Berlin" 1978.-1 lös.

84. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов М., 1960-743с.

85. Билик М.М. Износ и трение металлов и пластмасс М., 1964- 87с.

86. Тобольский A.A. Свойства и структура полимеррв Л.,1964-164с.

87. Бартеньев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. -Л.,1972-240с.

88. Демкин Н.В. Площадь фактического контакта сопряженных поверхностей при трении.-Л.Д965.-70с.

89. Крагельский И.В. Трение и износ.-М.,1968.-324с.

90. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка.-М., 1960.-270с.

91. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения.-М., 1963-186с.

92. Hanssen D.M. Optimization of the polymer melt thickness distribution on a cable of large diameter // Polymer Engineering and Science. 1991. - v.31, № 16/-p.1165 - 1171.

93. Лаврентьев Ю. Б. Интенсификация экструзии резиновых смесей с применением валковых головок и метод расчета оборудования: Дис. . канд. техн наук. Ярославль, 1996.

94. Силин В.А. Динамика процессов переработки пластмасс в червячных махпинах.-М., 1972г.-150с.

95. Голдинг Б. Химия и технология полимерных материалов.-Л, 1963г.

96. Лазарев Г.Е. Фрикционная теплостойкость материалов.-М., 1969.123