Метод расчета оснастки оборудования для экструзии труб из композиции "полиэтилен - резиновая крошка" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.09, кандидат технических наук Веткин, Юрий Александрович

• Веткин, Юрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Веткин, Юрий Александрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета оснастки оборудования для экструзии труб из композиции "полиэтилен - резиновая крошка"»

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.

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств», Веткин, Юрий Александрович

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%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Веткин, Юрий Александрович, 2000 год

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