Основные закономерности и аппаратурное оформление метода экструзии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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