Разработка технологического процесса производства изделий из термопластов, армированных стекловолокном

1. Современное состояние в области переработки армированных термопластов

1.1 Существующие подходы при создании композиционных материалов

1.2 Армированные термопласты

2. Изделия силового назначения

2.1 Номенклатура разрабатываемых изделий

2.2 Конструктивно-технологическая характеристика изделий

2.2.1 Анализ исходных данных

2.2.2 Технические требования. Технические условия

2.2.3 Качественный анализ технологичности изделия

3. Разработка технологического процесса

3.1 Разработка технологического процесса получения стеклонаполненного полуфабриката

3.1.1 Разработка маршрутной карты получения стеклонаполненного полуфабриката

3.1.2 Разработка линии получения армированного гранулята

3.2 Разработка технологического процесса изготовление изделий из термопластов

4. Экология и безопасность производства

4.1 Безопасность процессов производства стеклонаполненных термопластов и изделий из них

4.2 Устойчивость производства в чрезвычайных ситуациях (ЧС)

5. Организация и экономика производства

5.1 Технико-экономическое обоснование проектирование и изготовления

5.2 Себестоимость изготовления типовой детали

5.3 Оценка технико-экономического эффекта от применения проектируемого оборудования Заключение

Список использованных источников

С целью открытия новых и более совершенных областей применения полимеров или расширения старых, непрерывно продолжается улучшение механических, физических и химических свойств этих материалов, необходимых в промышленности и народном хозяйстве. Это достигается путём химической модификации полимера, либо введением различных модифицирующих добавок.

Существенное улучшение механических свойств достигается введением в полимерный материал стеклянного волокна. Волокно можно вводить в небольшом количестве -20% иногда и до 40% от массы полимерного материала. При таком соотношении компонентов, сохраняется возможность для промышленной переработки материала.

Целью данного проекта является: разработка технологического процесса производства изделий из термопластов, армированных стекловолокном и разработка линии по производству изделий из них, производительностью до 100 кг/час.

На основании литературного обзора проанализирована текущая ситуация с переработкой армированных термопластов, учтены уже существующие способы и технологии. Этому посвящен анализ эксплуатационных, технологических и других свойств обычных и армированных полимерных материалов, применяемых в настоящее время в промышленности. В работе также исследованы основные принципы создания композиционных материалов на основе термопластичных полимеров, армированных стекловолокном.

Разрабатываемый технологический процесс представляет процесс производства изделий из армированных термопластов, на примере изделий из полиамида. На примере конкретного изделия сделан конструктивно-технологический анализ конструкции, произведён выбор марки материала и технологических параметров процесса формования.

В специальной части проекта представлено техническое предложение по усовершенствованию оборудования для формования и технологии процесса наполнения. Особое внимание уделено повышению износостойкости изделий.

1. Современное состояние в области переработки армированных термопластов

Композиционный материал — сложный материал на основе двух или более компонентов: наполнителя (инертного или армирующего) и совместимого с ним связующего матрицы. После отверждения такой композиции получают материалы, обладающие специфическими свойствами. Во всех случаях — это система разных материалов, каждый из которых имеет своё конкретное назначение.

Совместная работа разнородных материалов даёт эффект равносильный созданию нового материала, свойства которого и качественно и количественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы.

1.1 Существующие подходы при создании композиционных материалов

Компоненты композиции различны по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объёму называется матрицей. Компонент, распределённый в объёме матрицы, считается усиливающим или армирующим. Армирующими компонентами могут быть разные дисперсные или волокнистые материалы различной природы.

В зависимости от вида армирующего компонента композиционные материалы могут быть дисперсно-упрочнённые и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности.

Можно выделить следующие признаки, характеризующие композиционные материалы:

компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;

состав и форма компонентов материала заранее определены;

компоненты различаются по свойствам, между ними существует граница раздела фаз;

У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) армирована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами. Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластическое деформирование, а в том, чтобы при его деформации обеспечивалось нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность.

Матрица, заполняющая межволоконное пространство обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счёт собственной жёсткости.

Композиционный материал характеризуется следующими механическими свойствами:

— высокая прочность армирующих волокон;

— жесткость матрицы;

— прочность связи на границе раздела фаз.

В зависимости от соотношения этих свойств в материале, будет зависеть весь комплекс механических свойств композиции и механизм его разрушения.

О дисперсно-упрочнённых композитах можно сказать, что они представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы наполнителя. При нагружении таких материалов всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью частиц второй фазы происходит процесс эффективного сопротивления пластической деформации.

Можно сказать, что при разработке термопластичных волокнитов необходим рациональный типа армирующих волокон, которые должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований.

К этим требованиям относятся:

— требования по прочности, жёсткости;

— требования по стабильности размеров;

— требования по стабильности свойств при определённых условиях эксплуатации (температурный режим и т. д.);

— требования по химической стойкости;

Также особое внимание нужно уделить матрице, которая обеспечивает монолитность изделия и фиксирует его форму, распределяет действующее напряжение по объёму материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и её перераспределение. От выбора материала матрицы будет зависеть метод изготовления изделий и вследствие этого параметры технологического процесса. Механические свойства материала матрицы должны обеспечить работу волокон при различных видах нагружения. Прочностные характеристики будут определяющими при сдвиговых нагрузках, циклическом нагружении. Также выбор материала для матрицы определит диапазон рабочих температур, характер изменения свойств при воздействии атмосферных и других факторов.

Свойства создаваемого композита будут зависеть не только от свойств волокон и матрицы и их адгезионного взаимодействия, но и от способов армирования. Адгезионное взаимодействие волокна и матрицы определяет уровень свойств волокнитов и их сохранение. Граница раздела должна иметь определённые свойства, чтобы обеспечить эффективную передачу механической нагрузки от материала на волокно. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений, возникающих вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения матрицы и волокон или в результате химической усадки связующего при его отверждении.

Итак, можно выделить следующие основные примеры композитов:

— композиты, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами;

— композиты, армированные тканями;

— композиты с хаотическим и пространственным армированием.

В зависимости от природы материала матрицы различают композиты с полимерной матрицей, металлической матрицей, керамической и матрице на основе углерода. Отметим, что композиты на основе полимерной матрицы разделяются на композиты с термопластичной и композиты на основе термореактивного связующего. В зависимости от природы армирующих волокон, композиты на основе полимерной матрицы делятся на стеклопластики, углепластики, органопластики, боропластики и т. д.

Изготовление изделий из композитов, армированных тканями, слоистых пластиков в значительной степени повышает себестоимость изготавливаемых изделий, усложняет технологический процесс их производства и будет неэффективным с точки зрения рационального подбора типа материала для производства данных изделий.

Наиболее предпочтительным будет применение композитов с хаотически армированной структурой коротковолокнистым наполнителем.

Примером подобных материалов являются термопласты, наполненные коротким стеклянным волокном. Производство изделий из этих материалов требует обычного оборудования для переработки. Кроме того, себестоимость таких изделий значительно ниже, по сравнению с изделиями из армированных тканями и слоистых материалов.

1.2 Армированные термопласты

В настоящее время промышленностью предлагается большой ассортимент композиционных материалов, необходимых для производства изделий силового назначения к которым предъявляются повышенные (относительно изотропных не наполненных пластмасс) требования по прочности и деформационной теплостойкости. Остановимся на композитах на основе термопластичных связующих, армированных коротким волокном. Использование таких материалов в качестве материала изделия силового назначения, обеспечивает требуемый уровень эксплуатационных свойств, если в качестве упрочняющих волокон используется стекловолокно.

Введение

в состав полимера наполнителя придаёт изделию более высокую устойчивость к длительному нагружению, повышает прочность при циклическом нагружении, стойкость к расстрескиванию. В таблице (лист) приведены значения коэффициентов возрастания показателей физико-механических свойств термопластов при наполнении стеклянными волокнами (степень наполнения и=20%). Из таблицы видно, что разрушающее напряжение при растяжении полиамидов; полистирола, полифенилен оксида, сополимеров пропилена и этилена возрастает в 2 раза, при армировании этих термопластов стекловолокном. Разрушающее напряжение при изгибе этих термопластов увеличивается в среднем в 1,5 раза; ударная вязкость (по Изоду) значительно увеличивается только при наполнении полистирола (в 8 раз), полиамидов и полиэтилена ВП (в 5 раз). С введением стекловолокна, термический коэффициент линейного расширения уменьшается в 0,15 раза при наполнении полиамидов, в 0,23 раза при наполнении поликарбоната. При введении стекловолокон возрастает теплостойкость (под нагрузкой 1,8 МПа) полиамидов в 2раза, полиэтилена ВП в 2 раза.

В отмечается, что возрастание жесткости и прочности незначительно, по сравнению с отверждёнными смолами. Это объясняется тем, что:

— термопласт, наполненный стекловолокном до 30% веса, трудно перерабатывается. Вязкость расплава велика;

— при переработке термопластичных волокнитов экструзией или литьём под давлением трудно сохранить длину коротких волокон и равномерно распределить волокна по объёму материала;

— поверхность большинства наполнителей является гидрофобной и плохо смачивается многими термопластичными полимерами.

При использовании некоторых термопластов (поликарбонат) происходит снижение ударной вязкости. В это поясняется как следствие неупорядоченности строения полимера и его напряжённостью на границе раздела полимер-волокно.

Прочность наполненного термопласта по мере повышения степени наполнения возрастает лишь до определённого предела, после чего наблюдается замедление роста показателей и далее даже их снижение. Равновесная степень наполнения (армирования) стекловолокном для большинства термопластов составляет не более 25−30%веса. При превышении данного предела происходит резкое увеличение вязкости расплава полимера. Это неизбежно приводит к ухудшению физико-механических свойств армированного термопласта.

Далее представлены графики зависимости основных механических характеристик от содержания стекловолокна:

Рисунок 1.1 — Зависимость модуля упругости при растяжении изотропных стекловолокнитов на основе полиамидов, от степени наполнения [1]: 1. ПА-6,6; 2. ПА-6; 3. ПА-6,6 + ПА-6

Рисунок 1.2 — Зависимость разрушающего напряжения при изгибе изотропных стекловолокнитов на основе полиамидов, при 25 °C (1−3) и 73 °C (4,5) от степени наполнения [1]: 1. ПА-6,6; 2. ПА-6; 3. ПА-6,6 + ПА-6; 4. ПА-6,6; 5. ПА-6

Рисунок 1.3 — Зависимость разрушающего напряжения при растяжении термопластичных изотропных стекловолокнитов, от степени наполнения [1]: 1 — ПК; 2 — ПА-6,6; 3 — сополимер стирола и акрилонитрила; 4 — сополимер стирола, акрилонитрила и бутадиена; 5 — ПС; 6 — ПП По данным графикам можно сделать вывод, что наполнение полиамидов является наиболее эффективным, с точки зрения возрастания показателей механических свойств. Это в особенности важно для изготовления деталей силового назначения.

Итак, показатели прочности монотонно увеличиваются (в три раза) и модуль упругости (в восемь раз) вплоть до степени наполнения 40%. Таким образом, полиамиды (ПА-6,6; ПА-6) могут использоваться в качестве материалов, разрабатываемых изделий в данном проекте, так как только стеклонаполненныи полиамид обладает при растяжении более 20кгс/мм²; модулем упругости при растяжении более 10,0 кгс/мм²; теплостойкостью под нагрузкой 18,2 кгс/см более 200⁰ С.

Повышенная, по сравнению с ненаполненными термопластами теплостойкость, является одним из существенных достоинств термопластов, армированных стекловолокном, например полиамидов. В это объясняется значительно большой жёсткостью полимера, вследствие которой уменьшается его деформируемость при повышенных температурах стеклования (Тс). Молекулярная подвижность в пограничных слоях замораживается при введении стекловолокна. Если полимер обладает хорошей смачиваемостью, это приводит к увеличению Тс.

При наполнении термопластов волокнистыми структурами (стекловолокнами) существенное влияние на Тс оказывает площадь контакта полимера с поверхностью наполнителя: по мере возрастания смачивания полимером стекловолокон, эффект повышения температуры стеклования более значителен.

Для оценки возможности применения материала в качестве материала для изделий в проекте, необходимо проанализировать зависимости прочностных характеристик от температуры.

С увеличением степени наполнения полиамидов происходит заметное повышение прочности и жёсткости. Полученные данные позволяют сделать вывод о возможности применения армированного полиамида при температурах до 200 °C. Но при действии напряжений и высоких температур, интенсивнее развиваются термодеструктивные процессы, ограничивающие область применения таких материалов температурой в 120 °C.

Рисунок 1.4 — Температурные зависимости модуля сдвига при кручении ПА-6, наполненного стекловолокном [1]

Рисунок 1.5 -Температурные зависимости разрушающего напряжения при растяжении ПА-6,6, наполненного стекловолокном [1]

Введение

стабилизаторов может заметно расширить температуру эксплуатации. Это приводит к снижению окислительной деструкции. Так стекловолокнит на основе термостабилизированного ПА-6,6 может находится при Т=180°С в 200 раз дольше, чем ненаполненный.

Введение

в термопласт стекловолокна повышает показатели длительной прочности, динамической выносливости, снижает ползучесть. При сравнительных испытаниях на динамическую усталость ПК и ПА в показано, что с введением в них стекловолокон число циклов до разрушения увеличивается на два порядка.

Рисунок 1.6 -Температурно-временные границы применения ПА-6,6 [4]: 1 -без стабилизатора; 2 — термостабилизированный; 3 термостабилизированный + 30% стекловолокна.

Рисунок 1.7 — Усталостная прочность ненаполненных (1,3) и наполненных стекловолокном (2,4) ПА (1,2) и ПК (3,4).

Степень упрочнения полимера пропорциональна площади контакта его с наполнителем, то есть смачиваемости полимером поверхности частиц. Адгезионное взаимодействие между наполнителем и термопластичным связующим, в значительной степени зависит от качества обработки поверхности и длины волокон. С этой целью применяют аппреты. Наиболее эффективен в полиамидов аппрет, содержащий аминогруппы, например аминосилан. Применение аппретов позволяет снизить степень наполнения или длину волокон, сохраняя при этом достигнутый уровень физико-механических свойств. Огромное влияние на физико-механические свойства армированных термопластов оказывает длина вводимого волокна, сохранение размеров частиц наполнителя после переработки термопласта в изделие. Длину волокна, при которой достигнут заданный и до конца оптимальный уровень свойств называют критической длиной.

Для определения критической длины волокон и среднего напряжения на волокне в предложены следующие формулы:

L_кр/d= _в/ 2 ,_mах (1.1)

_{в (ср)} =_в (1-L_кр/ 2L) (1.2)

где: d-диаметр волокна;

_в — разрушающее значение при растяжении волокна, на концах которого касательное напряжение, переданное через связующее, достигает максимума.

По данным формулам можно определить, при каких значениях L_кр /d волокно можно нагружать до предельного разрушающего значения напряжения. Наполнение волокнами термопластов сопровождается их интенсивным измельчением из-за высокой вязкости полимера. Таким образом, выдвигается задача получения стекловолокнита с заданной длиной волокна или его распределением по длинам. Это позволит производить материал с заранее спрогнозированными физико-механическими свойствами.

Следует сказать об экономической эффективности от использования армированных термопластов. Улучшение свойств термопластов при армировании сопровождается многими преимуществами:

— снижение стоимости материала;

— ускорение процессов формования вследствие повышения теплопроводности и уменьшения усадок и коробления. Ниже в таблице 2.2 приведены приблизительные показатели стоимости некоторых полимеров.

Таблица 1.1

Ориентировочная Стоимость некоторых конструкционных термопластов (2005 г.)

Из таблицы видно, что армирование стекловолокном полиамидов несущественно увеличивает стоимость материалов относительно стоимости ПК, но одновременно увеличивает уровень механических свойств. Стоимость наполнителей на основе стекловолокна тоже различна. Непрерывное стекловолокно в среднем имеется в продаже по цене 1,5−2 тыс. руб. за тонну. Цены на конструкционные материалы в два-три раза выше цен на ненаполненные ПК, ПА. Термоустойчивые армированные термопласты отечественной промышленностью не производятся, а их импорт не оправдывает себя. Можно сказать, что стоимость ненаполненных термопластов близка к стоимости термопластичных стекловолокнитов, а стоимость термоустойчивых армированных пластмасс гораздо выше стоимости традиционных термопластов. Очевидно, что применение термопластичных стекловолокнитов позволит получить заметный экономический эффект (из-за относительно низкой стоимости материала), по сравнению с применением термоустойчивых дорогостоящих пластмасс.

2. Изделия силового назначения

Термопласты, армированные стекловолокном, проникая в новые области промышленности и технологии, эффективно заменяют детали из металлических материалов. При этом достигается значительная экономия, обусловленная снижением стоимости изделий или целых узлов.

2.1 Номенклатура разрабатываемых изделий

Разрабатываемое изделие силового назначения «коромысло» из армированных стекловолокном термопластов, используется в следующих областях народного хозяйства:

1. Общее машиностроение: рычаги, опорные узлы, работающие в более широком диапазоне температур, чем ненаполненные термопласты. В сочетании с высокой теплостойкостью и физико-механическими свойствами применение находят и диэлектрические свойства таких полимеров. В качестве примера можно привести рукоятки и кнопки радиоэлектронной аппаратуры и т. д.

2. Стеклонаполненные термопласты нашли своё применение в силовых конструкциях — силовые кронштейны, профили и другие усиливающие элементы.

Из этих материалов изготовляют различные шестерни, опоры трения, втулки, кулачки и пускатели. Изготовляют вращающиеся детали, благодаря низкому коэффициенту и антифрикционным свойствам некоторых полимеров.

Существуют ненаполненные термопласты, которые превосходят наполненные по теплостойкости, прочности и другим свойствам, но применение данных материалов затруднительно ввиду их высокой стоимости. В качестве примера можно привести сложные полиэфиры ПЭЭК, ПЭЭСу и т. д.

2.2 Конструктивно-технологическая характеристика изделия

Конструкция пластмассовой детали должна отвечать требованиям по: свойствам применяемого материала, особенностям процесса изготовления, условиям сборки и дальнейшей эксплуатации. Поэтому конструирование детали осуществляется одновременно с анализом её технологичности.

В этом разделе будет дана характеристика и анализ конструкции изделия, а также качественная оценка технологичности изделия «коромысло». Можно сказать, что данное изделие является ответственным конструкционным изделием и типичным представителем изделий из пластмасс повышенной прочности.

2.2.1 Анализ исходных данных

Данное изделие — «коромысло», является конструкционным, и служит для передачи окружного усилия на механизм возврата каретки самопишущего прибора. По классификации изделие относится к ответственным сопрягаемым деталям.

Чертёж детали, в соответствии с ГОСТ 2.101−68 (ЕСКД) содержит достаточное количество проекций, разрезов и сечений, необходимых для его изготовления и проектирования оснастки для производства. На чертеже также указаны необходимые допуски и посадки по основным рабочим размерам, обеспечивающие точное сопряжение с муфтой, выполненной из стали. Указан класс чистоты поверхности изделия.

2.2.2 Технические требования. Технические условия

Коромысло в сопряжении с муфтой работают в приборе при следующих условиях:

— максимальная рабочая температура + 150°С

— минимальная рабочая температура — 20°С

— химические среды отсутствуют.

Изделие работает в нормальных атмосферных условиях, внутри прибора и должно отвечать следующим требованиям:

1. Число циклов до разрушения правого и левого крыла — N=10⁶ циклов;

2. Твёрдость опорных поверхностей, работающих в соединении — не менее 100 по Роквеллу;

3. Ударная вязкость по Изоду без надреза — не менее 550 Дж/м;

4. Деформационная теплостойкость при нагрузке 0,46 МПа, не менее 180 °C;

Технические условия изготовления изделия, обеспечивающие технические требования к изделию рассмотрены далее.

Основным эксплуатационным фактором является прочность и жёсткость рабочих поверхностей изделия, низкая деформируемость, стойкость к ударным нагрузкам и достаточно высокая усталостная прочность. Также очень важным фактором для оценки конструкции изделия и правильного выбора полимера для его изготовления, является: стабильность размеров рабочих поверхностей детали, сохранение заданной точности в процессе эксплуатации, стойкость к истиранию.

Очевидно, что для обеспечения точности размеров изделия необходимо учесть технологические свойства материала — литьевую усадку, её стабильность, реологические свойства расплава полимера и другое.

2.2.3 Качественный анализ технологичности изделия

Качественными показателями технологичности конструкции изделия являются:

1. Форма изделия Коромысло есть пластина 60×85 мм, на лицевой поверхности которой выполнены три отверстия: два одинакового диаметра Ш 05 мм. под стальные тяги и одно центральное Ш 08 мм. под стальную муфту. Все отверстия выполнены с учётом окружных выступов, диаметры которых равны Ш 04 мм. Это упрочняющие элементы. В центральном отверстии выполнено посадочное гнездо под шпоночное соединение. Толщина пластины Ш 4 мм. без учёта технологических выступов под отверстия. То есть изделие можно отнести к тонкостенными.

Форма изделия не должна препятствовать процессу формования, т. е. свободному течению расплава при заполнении формообразующей полости; поэтому при разработке изделия учитывалась его разнотолщинность.

Рисунок 2.1 — Различные варианты заполнения формы при литье Оба варианта заполнения расплавом оформляющей полости исключают появление дефектов изделия, связанных с разнотолщинностью, а также позволяет равномерно заполнить форму.

Вариант б) является менее желательным, так как при таком заполнении формы образуется спай, который может негативно сказаться на работе изделия. Данное изделие работает на растяжение и сжатие, поэтому особенно важно сохранить монолитность структуры в особенно нагруженных частях.

Вариант а) исключает появление спаев при литье. Сбалансированная система впускных каналов зонтичного типа позволяет получить большую точность изготовления изделия, что будет вызвано равномерным отверждением материала в форме.

Выбор плоскости разъёма также предопределяет точность размеров различных элементов изделия. На рисунке 2.1 плоскость разъёма обозначена А-А.

2. Технологические уклоны Для обеспечения свободного (без повреждений) извлечения отливки из формы на внешней и внутренней поверхностях изделий, рёбрах, отверстиях, пазах. В направлении разъёма оформляющих элементов формы предусматривается наличие технологических уклонов.

З. Для упрочнения торца изделия со стороны крыла коромысла предусмотрен буртик, имеющий толщину h=2мм. Торцы изделия предохраняют края от поломки, трещин, предотвращают коробление.

4. Оформление отверстий При конструировании данного изделия учитывались следующие требования: оформление зависит от диаметра отверстия, вида отверстия (глухое или сквозное), места его расположения, места подвода литника. Все три отверстия у изделия «коромысло» — сквозные, расположенные по дуге изделия. Отношение диаметра отверстия к его глубине позволяет в соответствие с формовать изделие.

5. Технологические выступы Данное изделие является тонкостенным и поэтому в отмечается, что у таких изделий выступы желательны, поэтому для размещения выталкивателей предусматриваются выступы до 0,5 мм.

3. Разработка технологического процесса

3.1 Разработка технологического процесса получения стеклонаполненного полуфабриката

В данной части будут рассмотрены следующие вопросы:

— разработка линии смешения термопласта со стекловолокном;

— разработка технологического процесса гранулирования термопластов, армированных стекловолокном;

— выбор и расчёт параметров оборудования.

Для производства термопластичных стекловолокнитов будут полезными следующие материалы:

— все термопластичные полимеры, имеющие ПТР=10−25 г/мин и поставляемые в виде гранул размером 3−5 мм;

— армирующие наполнители — ровинги (жгуты) из стеклонитей (магний-алюмосиликатное стекло), например марка РВН 10−2520−78 и др.;

— стабилизирующие добавки, вводимые в количестве до 2% такие, как сульфид молибдена, трихлорвинилсульфат натрия и др.

Применяемый наполнитель должен содержать не более 0,3% влаги, термопласт не более 0,2% влаги. При необходимости надо произвести сушку материала.

3.1.1 Разработка маршрутной карты получения стеклонаполненного полуфабриката

Технологический процесс получения армированного гранулята состоит из отдельных операций, которые выполняются в определённой последовательности и имеют заданную продолжительность. Нарушение регламента неизбежно приводит к браку и порче оборудования. Эти операции подразделяются по очерёдности на подготовительные, основные, заключительные. На каждом этапе выбирается оборудование, рассчитываются основные параметры. Оборудование выбирается с учётом задач производства. Используемое базовое оборудование при необходимости модернизируется.

Разработка технологического процесса (ТП) производства стеклонаполненного гранулята производится согласно ГОСТ 14.301−83 (ЕСТПП), разработка маршрутной карты производится согласно ГОСТ 31 121–84.Выбор оборудования основывается на заданной производительности (3=130 кг/час), литературных данных о применяемых термопластах и их технологических свойствах.

Описание технологических операций

1. Приём сырья Складские помещения должны быть оборудованы подъездными путями, авто разгрузчиками, транспортёрами, обеспечивающими быструю и удобную разгрузку поступившего сырья, и соответствующими транспортными средствами для материалов, поступающих на железнодорожном транспорте или автотранспорте.

Складской учёт сырья обязателен и осуществляется с помощью расходомеров, систем пневмотранспорта и весов. Визуальный контроль производится для мешков массой 30−50 кг обычным счётом или общим взвешиванием.

При приёме любого материала требуется паспорт на материал, в котором указаны условия хранения и меры предосторожности при обращении с ним, а также необходимые накладные документы. В случае несоответствия материала требуемым характеристикам или в случае его полной непригодности, материал не допускается в производство и подлежит немедленному возврату. Необходимо немедленно связаться с поставщиком и договориться о замене партии или о возврате с возмещением убытков.

2. Транспортировка сырья Для транспортировки сырья — гранулированного термопласта, упакованного в мешки, с автомашин или железнодорожных вагонов применяется ленточный транспортёр. В случае большого расстояния между складом химического предприятия и местом разгрузки, используют внутри складские транспортные средства — электрокары. Если сырьё получено от поставщиков в виде сыпучего материала то применяют пневмотранспорт.

Для подачи и предварительного дозирования гранулята, порошкового материала на весы или гранулята смешанного с добавками в экструдер, применяют горизонтальные шнековые питатели.

Расчёт производительности шнекового питателя [11]

Мt= рD· 2/4·t·n·Ш·р (3.1)

где: D-диаметр сердечника шнека;

t — шаг винта;

р-насыпная плотность материала;

Ш =0,2−0,3 — коэффициент заполнения при подаче кусковых (гранулированных) материалов. Для порошка Ш =1 ,

n — частота вращения вала.

Рассчитаем производительность питателя по полимерному грануляту с с=500 кг/м³, n=10 об/мин, t=0,07, Ш=0,2, D=0,05 м Мt = 3,14· 0,05· 2/4 · 0,07·0Д66·0,2·500 =0_/0027кг/с = 8кг/час.

При максимальном числе оборотов шнека n = 1500 об/мин Мt = 3,14· 0,05·2/4·0,07·25·0,2·500=0,343кг/с = 1235,5кг/час.

Для транспортировки гранулята оптимальное число оборотов n, при Мt=130 кг/час=0_/0416 кг/с будет равно:

Если плотность сыпучих порошков и гранулята, смешанного с добавками менее 500кг/м³ или более, то производительность по транспортировке можно определить обычным путём, взвешивая материал вышедший из питателя за единицу времени.

Мощность привода ориентировочно можно определить по формуле [12]:

Р= G/368· з (Н + К· L) (3.2)

где Спроизводительность (130кг/ч)

L-расстояние перемещения материала по горизонтали, м;

К-коэффициент потерь, определяемый коэффициентом трения дозируемого материала (К= 1,3…4,0)

Тогда максимальная мощность привода будет:

Р=130/368· 0,5(0+4,0·0,6) = 1,9 кВт

3. Хранение сырья Температура на складе колеблется в пределах 10−30°С в зависимости от времени года, относительная влажность достигает 75%. Контроль этих параметров осуществляется приборами: жидкостной термометр и РВ-6.

Оборудование для хранения-бункера, ёмкостью от 100 м³ и более. Их количество должно обеспечить 10−15 суточный запас сырья для участка стеклонаполнения. Для двухсменной работы и средней производительности линии 130кг/ч и насыпной плотности материала не менее 500 кг/м³, объём бункера хранения сырья термопласта будет равен:

Vб= 130(8+8)15/500=72м³,

следовательно, необходим бункер ёмкостью не менее 72 м³.

Существует бункер стандартный, выпускаемый нашей промышленностью: объём 100,5 м³. Сделан из листового дюралюминия (Д16) диаметром 4 м. Высотой 8 м. К нижней части приварено коническое днище диаметром 0,8 м, не перекрываемое шлюзовым затвором. Угол наклона стенок днища не более 20° по отношению к вертикальной плоскости во избежание зависания в нём сыпучего материала. Под бункером устанавливается секторный дозатор и трубопровод системы пневмотранспорта. Если сырьё поступило в мешках, то они укладываются в штабели.

4. Входной контроль качества сырья Сырьё, поступившее на предприятие сопровождено документами (ярлыками). В них указан ГОСТ, ТУ.

Для определения параметров переработки материала и для определения соответствия характеристих указанных в документах на материал, ведётся входной контроль:

— Определение показателя текучести расплава термопласта на приборе ИИРТ;

— Для определения влажности используют прибор РВ-6 (ёмкостно-электрическии метод). Если содержание в материале превышает 0,2%, то материал сушат;

— Содержание инертного наполнителя (углерод, стекло итд). Если известно, что они присутствуют, их определяют гидролизом полиамидного образца, фильтрацией оставшегося наполнителя, сушкой и взвешиванием;

— Физико-механические испытания образцов из термопластов, стеклонаполнителя. Отливаются образцы, в соответствии с ГОСТ проводятся испытания на разрывной машине;

5. Растаривание пакетированного сырья Для растаривания термопласта находящегося в мешке, применяется растарочная установка. Принцип работы: мешок с материалом вручную устанавливается на растарочную воронку, в нижней части которой находятся ножи, которые совершают поступательное движение и режут мешок. Материал высыпается в контейнер, откуда пневмотранспортом поступает в силосы;

6. Сушка сырья Если значение влагосодержания превышает допустимое, проводится сушка. Для полиамидов оно равно 0,2%. Ёмкость и число сушилок определяется максимальной производительностью линии по полимеру, минимальной насыпной плотностью и т. д. Разрабатываемая линия имеет производительность по стеклонаполненному материалу до 150 кг/ч. Применяют вакуумные сушилки для подсушки термопласта до 500 кг, необходимых для начала работы линии и работы линии минимум З часа. Сушку производить в течение 4 часов (при Т=140°С для ПА-6,6). К началу смены материал будет готов к переработке. Контейнер с V=0,5 м³ материала подходит к экструдеру и с помощью пневмотранспорта загружается или поступает в отделение смешения и подготовки композиции.

Ёмкость бункера экструдера временно хранящего материал равна:

Vб=Vвк+Vц+Vнк (3.3)

Vвк=3,14· 20·20 = 25 120 см³

Vц=3,14· 20·45=155 340 см³

Vнк=3,14· 30·20 = 50 240 см³

УV=230 790 см³, при использовании Vб=230 000 см³ масса материала в бункере при насыпной плотности 500гр/см³ равна 100 кг и более, т. е. высушенного в вакуумной сушилке сырья хватает на 2 часа работы машины.

7. Взвешивание, дозировка компонентов термопласта Сыпучие материалы хранятся и подаются из бункеров. Бункеры имеют шлюзовые затворы и горизонтальные шнековые питатели для дозирования материалов. Весовые дозаторы обеспечивают более точное дозирование по сравнению с объёмными.

В данном случае применяют автоматические весы дискретного действия (порционные). По ГОСТ 13 712–68 ряд взвешивания в диапазоне от 1 кг. до нескольких тонн. Для взвешивания добавок и красителей, где нужно более точное взвешивание используют весы с диапазоном до 10 кг. Взвешенные добавки засыпаются далее в смеситель.

8. Предварительное смешение Целью предварительного смешения является превращение исходной системы в систему, характеризующуюся неупорядоченным статическим распределением. В результате процесса смешения в системе происходит взаимное перемещение частиц разных компонентов, расположенных до перемешивания отдельно. Это операция технологического процесса необходима, так как введение дисперсных наполнителей непосредственно в гранулирующую установку (экструдер) трудно выполнимы, ввиду сложности дозирования добавок.

Для смешения гранулированных термопластов с дисперсными наполнителями предлагается использовать двухроторный смеситель закрытого типа (ЗРС) с Z-образными лопастями.

В настоящее время основные параметры смесителей с 2 образными лопастями периодического действия нормализованы НИИХИММАШ, откуда выбираемый смеситель должен иметь объём, соответствующий перемешиваемой массе-100 кг, V-200 литров.

Таблица 3.1

Технические характеристики ЗРС смесителя с S-образными лопастями объёмом 200 литров.

9. Транспортировка предварительно смешанной композиции к экструдеру Транспортирование сухой смеси (гранулят+дисперсный наполнитель) с помощью пневмотранспорта недопустимо, так как возможно разделение фаз смеси из-за разной плотности компонентов образующих смесь. В таком случае имеют дело с металлическими контейнерами, куда из смесителя выгружается готовая смесь. Контейнер перевозится электрокаром к экструзионной установке.

10. Подготовка стеклонаполнителя Бобины с ровингами имеют массу до 20 кг. Масса 1 м ровинга равна всего 20 граммам. Желательно, чтобы на поверхность волокон был нанесён аппрет, способствующий хорошей адгезии с термопластичным полимером.

11. Гранулирование термопласта Перерабатываемый материал в виде равномерной смеси гранулированного термопласта со стабилизирующими и другими добавками — порошок с насыпной плотностью не менее 0,3 г/м³ подаётся в бункер временного хранения экструзионной установки и с помощью шнекового питателя подаётся в загрузочное устройство цилиндра машины. Смесь захватывается шнеком экструдера и пластицируется. Причём совмещение стекловолокна возможно и на стадии приготовления смеси с добавками, в этом случае стекловолокно, желательно аппретированное, подаётся в виде рубленного волокна в смеситель (длина волокна 0,5−1мм). Существуют экструзионные машины, которые позволяют вводить стекловолокно непосредственно в зону пластикации материального цилиндра. Это делается по специальным соображениям, связанным с уходом за шнеком и поверхностью материального цилиндра. В этом случае бобины с ровингами устанавливаются на волках и постепенно сматываются. Стекловолокно попадая в цилиндр, распадается, измельчается, гомогенизируется.

Одним словом всё зависит от формы исходного армирующего наполнителя: мелкое волокно, или катушка с очень тонкой и нежной стелонитью.

Далее расплав фильтруется от грубых включений и подаётся в специальную формующую головку, в которой расплав выдавливается в виде стренг, которые после охлаждения в ванне, режутся ножами гранулятора. Полученные гранулы попадают на вибросито и подвергаются помимо сушки горячим воздухом от нагревателя, ещё и фракционированию. Изготовленные в итоге гранулы поступают в бункеры хранения. Далее полученный полуфабрикат поступает на другую линию уже другого технологического процесса — линию литья под давлением. Это осуществляется либо системами пневмотранспорта, либо предварительной фасовкой в мешки и отправкой внутрицеховым транспортом.

Технологические параметры процесса экструзии приведены в операционной карте процесса. Описание основного оборудования и необходимые расчёты приведены далее.

12. Хранение продукта Гранулированный армированный полуфабрикат хранится в ёмкостях-силосах V=150−200 м³ на складе. Поддерживается необходимая для нормального хранения температура и влажность (от +10 до 25°С).

3.1.2 Разработка линии получения армированного гранулята

Технологическая линия стеклонаполнения и гранулирования термопластов предназначена для производства полуфабриката, перерабатываемого в изделия силового назначения, к которым предъявляются повышенные требования по теплостойкости и устойчивости к разрушению.

Создание линии позволяет непрерывно получать специальный полуфабрикат и непрерывно снабжать сырьём литьевой цех.

Проектируемая линия имеет производительность до 1000 тонн/год и обеспечивает сырьём крупное предприятие.

Описание узлов линии В состав линии входят:

1. Экструдер одношнековый

2. Гранулятор

3. Вибросито

4. Охладительная ванна

5. Бункер

6. Устройство охлаждения

7. Устройство обдувочное

8. Установка подогрева воздуха

9. Стол

10. Шпулярник

11. Тензометрические весы

12.Питатель горизонтальный

1. Экструдер одношнековый

Предназначен для получения гомогенного расплава из однородной смеси термопластичного полимера, смешанного с добавками либо с мелкорубленым стекловолокном одновременно, а также для вакуумирования, транспортировки, фильтрации и выдавливания расплава через формующую головку. Экструдер укомплектован дегазационной установкой и гранулирующей головкой.

Принцип работы: с помощью горизонтального питателя предварительно подготовленная композиция подаётся в загрузочное отверстие экструдера, где захватывается шнеками и гомогенно перемешивается.

Благодаря использованию специальной конструкции материального цилиндра, включающей специальные дегазационные отверстия, с помощью вакуум дегазаторов ведётся эффективный отсос летучих компонентов с поверхности расплава. Ими могут быть любые непрореагировавшие мономеры и различные продукты разложения.

Привод экструдера состоит из электродвигателя, муфты, редуктора и распределительной коробки. В системе управления электродвигателем предусмотрены блокировки:

— при токе больше, чем номинальный двигатель выключается;

— при осевом усилии на червяк Р=230 кН двигатель отключается.

Крутящий момент с вала на быстроходный вал редуктора передаётся упругой пальцевой муфтой.

Система обогрева — электрическая, нагревателями сопротивления.

Для равномерности обогрева предусматривается до 6 зон общей мощностью до 20,3 кВт.

Для поддержания заданной температуры предусмотрена и система охлаждения.

Для фильтрации расплава установлен шиберный фильтр, обеспечивающий непрерывную очистку расплава без остановки технологической линии.

Для получения стренг (жгутов) из расплава, непрерывно выходящих из червячноо пресса, применяется головка с Т-образным распределением. Более полная техническая информация приведена ниже.

Технические характеристики экструдера 4П-63Х1.

1. Число червяков…1

2. Диаметр червяков, мм…63

3. Отношение рабочей длины шнека к его диаметру…20

4. Направлени вращения… однонаправленное

5. Частота вращения шнека… до З00об/мин

6. Перерабатываемый материал… термопласт

7. Производительность, кг/ч (при р не менее 0,3г/см³).не менее 150

8. Привод червячного пресса:

8.1 Электродвигатель постоянного тока 2ПФ-280, N=110 кВт, n=25с (1500 об/мин), 440V

8.2 Редуктор Ц2У-315Н-12,5

9. Количество зон обогрева цилиндра и фланца…6

10. Обогрев зон электрический с помощью нагревателя сопротивления-ТЭН

11. Суммарная мощность нагревателей зон, кВт…20,2

12. Охлаждение цилиндра… вода Ранее при экструзии термопластов летучие компоненты и непрореагировавшие мономеры доставляли массу неудобств. Изделие на выходе (выполнено из загрязнённого гранулята) имело сниженные физико-механические показатели, коробилось.

Модернизация материального цилиндра и все связанные с ней затраты позволили решить эту проблему. Применение вакуум насосов непосредственно в зоне пластикации, позволило откачать порядка 93% вредных летучих компонентов, отсюда неплохой экономический эффект.

2.Ванна охлаждения

Ванна охлаждения предназначена для охлаждения стренг термопластов водой. Корпус ванны представляет собой сварную металлическую конструкцию.

Расчёт ванны охлаждения Данные для расчёта:

1) Производительность по материалу:

Пр=130 кг/час=0,041 кг/с;

2) Перерабатываемый материал ПА-6 НСЗО Теплофизические свойства материала:

— Удельная теплоёмкость См=1,46 кДж/кгК

— Теплопроводность л м=0,24 Вт/мК

— Удельный вес Vм=9,8 кг/м³

3) Линейная скорость движения стренг в ванне 10−30 м/мин

4) Температура стренг, входящих в ванну t_BX=260°С, выходящих из ванны t_ВЫХ=100^оС

5) Температура воды в ванне t_ВОДЫ=40−70°С

6) Диаметр стренг d_CTP=3−5 мм

7) Количество стренг n_CTP=14

8) Размеры ванны — длина 4500 мм, -ширина 660 мм, -высота 200 мм Количество теплоты, выделяемое при охлаждении стренг от t_H=260°С до t_k=100°С;

Qохл = ПрСм (Свх-t_ВЫХ)=0,0141,46 (260−100)=9,6 кВт Тепловой поток с поверхности ванны, трубопроводов, теплообменника, насоса в окружающую среду Qпот=5,589 кВт.

Тепловой поток, который необходимо отвести охлаждающей водой:

Q=Qохл-Qпот=9,57−5,59=4,34 кВт Объёмный расход охлаждающей воды, циркулирующей в установке:

Рв=Q/СвДt=4,4/4,183=0,39 кг/сек, где Свтеплоёмкость воды, табличная величина; tтемпературный перепад =3°С К установке прикрепляется насос, объёмной подачи Q=5−13 м³/час, напором 16−11 м.в.ст. с электродвигателем 2,2 кВт.

Скорость движения воды в ванне:

Vв= Рв/РвУв, где Fв — площадь сечения для прохода охлаждающей воды=0,05 м²; Yв=10 кН/м³ — удельный вес воды.

Vв=0,5/0,51 000=0,01 м/с при Рв = 0,5 кг/с.

Относительная скорость воды в ванне:

/отн=/стр-/в=0,5−0,01=0,49 м/с, где Vстр-линейная скорость движения стренг, /стр=30 м/мин=0,5 м/с Критерий Рейнолдса:

Rc = /отнDэкв/U

где, Dэквивалентный диаметр, равный диаметру стренги: 0,003 м;

U — коэффициент кинематической вязкости воды (при 1: в=61_/5°С) = 0,4810 м'2/с

Rс= 0,480,310/0,48 = 3000

Критерий Нуссельта:

В области значений Rе от 210³ до 110⁴ — переходный режим, критерий выбирается из соотношения:, где Ко — значение комплекса в зависимости от критерия Рейнольдса; Рrfкритерий Прандла для tв=61,5 °С, Рr=1,36

Время за которое стренги охладятся: tн = 260 °C до tк=100°С, если процесс нестационарный и описывается зависимостью:

И=(Т2-Тср)/(Т1-Тср)=f (Вi, Fо) где: Т2-температура стренг после охлаждения Т1-температура стренг на входе в ванну

Критерий Био:

Вi=аR/л, где R-радиус стренги в мм.

л-коэффициент теплопроводности, Вт/мс.

Критерий Фурье:

Fо=ат/r2,

где: а-коэффициент температуропроводности материала А=л/cy=0,24/(0,350,98) = 0,412/4

Таким образом, путь, который должны пройти стренги в воде для охлаждения до 100 °C можно рассчитать:

L=VТ=0,0037· 0,33=4,3

где V=0,33 м/с; т=0,0037 (при диаметре стренг=5мм.)

3. Установка охлаждения

Установка охлаждения предназначена для поддержания заданной температуры воды в ванне охлаждения. Она состоит из сварного соединения, на котором установлен насос, теплообменник, трубопроводная арматура и система трубопровода.

Расчёт установки охлаждения.

3.1 Пусковой режим: тепловой поток, необходимый для нагревания ванны, теплообменника, трубопроводов и воды, заполняющей систему за время=1 час от Тн=20°С до Тк=70°С Р=Р1+Р2+РЗ, где Р1-тепловой поток, необходимый для нагрева металлоконструкций Р1 = m1· С₁(tк-tн)/t

M₁ = Мв+М1:+Мtр+Мнас ,

где Мв-масса ванны =290 кг;

Мtмасса теплообменника=174 кг;

Мтр-масса трубопроводов=40 кг;

Мнасмасса насоса = 50 кг.

М₁ = 290+174+40 + 50 = 554 кг

(данные взяты из технического задания на создание линии ЛГНК-250 «Союзхиммаш»)

С₁-удельная теплоёмкость стали=460 Дж/кг К;

t-время разогрева=3600 сек.

Р₁ = 554· 460(70−20)/3600=4,25 кВт, где: Р₂-тепловой поток, необходимый для нагрева воды заполняющей систему: Р2=м₂· сг (tk-tн)/т где м₂-масса воды = 500 кг;

С2-удельная теплоёмкость воды = 4,186 Дж/кг°С Р2=500· 4,186(70−20)/3600 = 34,8 кВт РЗ-тепловой поток с поверхности установки в окружающую среду:

РЗ=РЗ (в)+РЗ (ср) ,

где Р3(в)-тепловой поток с поверхности ванны РЗ=аFтр (tн-tокр.ср.)=11,9· 9·50=5,38кВт где коэффициент теплообмена от поверхности ванны с температурой tн=70^оС в окружающую среду

Fв = 8,4+0,06 [(tн-tокр.ср.)]1,163=8,06[(70−20)]1,16=11,95 Вт/м°С

Fв-площадь контакта теплоотдающей поверхности ванны =9м· 2

РЗ (тр)=Fтр (tн-tокр.ср) = 11,9· 0_/35·50=0_/2кВт где: РЗ (тр)-тепловой поток с поверхности труб в окружающую среду ,

Fтр-площадь теплоотдающей поверхности труб=0,35

Р3 = 5,38+0,2=5,58 кВт Данные для Рв, Ртр разработаны «Союзхиммаш»

Суммарный тепловой поток необходимый для разогрева установки за 1 час составит Р=4,25+34,8+5,58=44,63 кВт Расчёт теплообменника-холодильника

3.2 Рабочий режим Тепловой поток, который необходимо отвести охлаждающей водой в теплообменнике (см. расчёт ванны охлаждения): Qохл=4,35 кВт Объёмный расход оборотной воды:

Роб.в.=Qохл/(Св· Дг),

где Св-удельная теплоёмкость вoды=4,186 Дж/кг°С при Дt.=5°С

Роб.в.=4,35/(4,186· 5)=0,2 кг/с=Qоб.в.0,74 м³/час.

Режим движения охлаждающей воды в трубках теплообменника является развитым турбулентным (Ref>10· 4 критерий Нуссельта определяется по формуле:

Коэффициент теплообмена охлаждающей воды с трубками:

Лк-коэффициент теплопроводности воды при tв=61,5°С лк=66· 10^-2/0,016=2720 Вт/м²°С Скорость оборотной воды (в межтрубном пространстве):

Vоб.в.=0,2/(0,004· 1000)=0,05 м/с ;

Fср=0,003+0,005/2=0,04

Критерий Рейнольдса:

Rе=0,05· 0,02·10⁶/0,8=6840

н=0,8· 10^-6 м²/с Критерий Нуссельта (режим движения воды является переходным, критерий Нуссельта определяется из выражения)

Nufd=K₀/Prf ^-0,43(Prf / Prw)^-0,25 Prf=5,5

Nufd 22/0,48· 0,925=49,5

Коэффициент теплообмена от стенки трубки к оборотной воде:

б2=49,5· 0,6/0,02=1480Вт/м²°С, л=0,6Вт/м°С Коэффициент теплопередачи :

Втр = 2 мм, Лтр = 46 Вт/м°С К=860 Вт/м²°С С учётом коэффициента загрязнения n = 1,2 принимаем К=700Вт/м²°С Требуемая площадь теплообмена:

F=Qохл/(кДt)=4,35/860· 31=0,16 м²

Дt-средне-логарифмический перепад температур Дtб=35°С Дtм=27^оС Дtа = 35−27/2,3(35/27)=31⁰C.

Принятые предварительно площади поверхности теплообмена достаточны для отвода избыточного тепла.