Выявление и устранение проблем в экструзии
Дорогие коллеги, мы рады представить вашему вниманию второе издание книги «Выявление и устранение проблем в экструзии»!
В этом издании процесс переработки полимеров методом экструзии впервые освещен не только с теоретической, но, что очень важно — с практической точки зрения, что явилось результатом удачного объединения теоретических аспектов экструзии полимеров с их реализацией в современном технологическом оборудовании.
Опыт сотрудников ООО «Эксперт инжиниринг» в области организации экструзионных производств показывает, что зачастую специалисты, занимающиеся переработкой пластмасс, имея глубокие теоретические знания о поведении полимеров в тех или иных условиях, не могут или затрудняются реализовать свои знания при столкновении с реальными производственными проблемами. Имеет место и обратная ситуация, когда специалисты могут решить ряд проблем на практике, пользуясь исключительно опытом. Но во многих случаях их практического опыта оказывается недостаточно для эффективного решения проблем.
Мы надеемся, что благодаря этой книге у специалистов появится собственная «база знаний», в которой обозначены четкие связи между поведением полимеров, технологией экструзии и ее реализацией в экструзионном оборудовании в каждом из множества описанных проблемных случаев.
Данная книга станет непосредственным руководством при решении большинства проблем, возникающих на предприятиях, занимающихся пластопереработкой.
Тарас Карабута
Генеральный директор
ООО «Эксперт инжиниринг»
Светлана Бялик
Руководитель проектов
ООО «Эксперт инжиниринг»
Ирина Юрченко
Технический директор
ООО «Эксперт инжиниринг»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одной из наиболее больших трудностей, возникающих в процессах экструзии, является эффективное и быстрое устранение появляющихся проблем, зачастую приводящих к простою оборудования и/или к получению некачественной продукции.
Решение таких проблем требует значительного количества средств и времени. Из-за сложности природы экструзионного процесса зачастую довольно трудно определить причину возникшей проблемы и найти ее оптимальное решение, особенно если это необходимо сделать довольно быстро. Несмотря на то, что поиск неисправности для промышленности крайне важен, книг, посвященных исключительно этому вопросу, нет. Настоящая книга направлена на исправление сложившейся ситуации.
Оба автора, работая в течение многих лет в области экструзионных процессов, были вовлечены в многочисленные проекты по выявлению и устранению неисправностей экструзионных процессов. Обсудить все проблемы, которые могут возникнуть при экструзии, невозможно, но можно рассмотреть их основные типы и разработать систематический и методический подход к их решению. В книге авторы зачастую используют блок-схемы и диаграммы, которые облегчают систематический поиск неисправностей. Материал книги является основой для компьютерной программы,используемой для автоматизированного выявления и устранения неисправностей. Такая программа CATXTM будет поставляться компанией Rauwendaal Extrusion
Engineering, Inc.
Данная книга — второе исправленное издание. В нее авторы добавили новый материал и некоторые конкретные случаи, связанные с процессами экструзии листов и пленки, гранулирования стренг и касающиеся вопросов узла пластикации, используемого при литье под давлением.
Авторы будут рады получить от читателей отзывы о книге, а также дополнительный материал, касающийся выявления и устранения возникающих проблем экструзии. Это позволит включить в последующие издания настоящей книги еще большее количество полезной информации.
Благодарности
Автор благодарит членов своей семьи за их постоянную поддержку и терпение и за то, что даже после написания им нескольких книг его семья по-прежнему его поддерживает. Крис Раувендаль (Chris Rauwendaal)
Автор Мария дель-Пилар Нориега Е. (Maria del Pilar Noriega E.) благодарит свою семью и лучших друзей за их бесценную поддержку и терпение в течение всех этих длительных лет промышленных и прикладных исследований в области переработки полимерных материалов. Автор благодарна своим коллегам из Института исследования пластмасс и резин (Plastics and Rubber Research Institute, ICIPC), Колумбия, за их своевременное техническое обеспечение и ценные предложения, выдвигаемые во время написания настоящей книги. Автор хотела бы высказать благодарность Норберто Монтоя (Norberto Montoya) за микроснимки, используемые в первом издании данной книги. Автор благодарит также Альберно Нараньё (Alberto Naranjo) из ICIPC и Эберхарда Грюншлосса (Eberhard Grьnschloss) из IKT (Институт переработки пластмасс, Institut fьr Kunststofftechnik, Штутгарт) за их детальные и конструктивные диалоги, а также Диану Энгел (Diana Angel) и Хуана Карлоса Галлего (Juan Carlos Gallego) за рисунки, используемые во втором издании.
Мария дель-Пилар Нориега Е.
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Экструзионные процессы, как и многие другие процессы переработки пластмасс, осуществляются на определенном оборудовании с применением разнообразной технологической оснастки, управляются разнообразными системами, осуществляющими связь между отдельными агрегатами технологической линии и вспо могательным (периферийным) оборудованием. В непрерывном процессе эти взаимосвязи должны быть четко скоординированы и направлены на бесперебойный выпуск качественной продукции с максимально возможной производительностью. На процесс экструзии влияет большое количество факторов, каждый из которых вносит свою долю в работу экструзионной линии и качество получаемой продукции. Некоторые специалисты насчитывают более 70 основных и вспомогательных факторов, от взаимодействия которых зависит производительность оборудования, стабильность процесса, условия работы операторов, качество продукции.
Даже в самом совершенном и отлаженном процессе могут возникать ситуации, в результате которых нарушается нормальный ритм процесса и ухудшается качество продукции вплоть до выпуска брака. Это может быть, например, связано с работой привода экструзионной машины или системы терморегулирования цилиндра машины, с износом шнека или перегревом загрузочной зоны экструдера, с изменением свойств перерабатываемого материала или изменением его гранулометрического состава, с повышением температуры воды, идущей на охлаждение калибрующих устройств, или снижением вакуумирующей способности водокольцевых вакуумнасосов. И так далее, и так далее.
Все неполадки перечислить и предусмотреть невозможно. Основные и часто встречающиеся из них обычно отражаются в технологических регламентах, технологических картах, инструкциях по обслуживанию. Тем не менее, возможны ситуации, когда быстро установить причину сбоя процесса не удается. Приходится прерывать процесс и искать причину сбоя или более серьезной проблемы в течение некоторого, иногда длительного, времени, при этом оборудование простаивает, принося его владельцам одни убытки.
Поскольку специалисты, имеющие дело с конкретным процессом, имеют разную квалификацию, и возможности по устранению проблем у них тоже могут быть разными, то время на устранение возникшей проблемы у них может существенно различаться.
Поэтому необходимы базы знаний, в которых были бы собраны рекомендации по устранению типовых проблем и фрагментов более сложных проблем, рекомендации по приборному оснащению таких работ, методология по их проведению. Такие базы знаний по экструзии встречаются сравнительно редко, далеко не полны и не отражают весь комплекс сведений, которые необходимы для быстрого нахождения причин возникающих проблем и выработки рекомендаций для их устранения.
Несколько лет назад за рубежом появились две книги, небольшие по объему, но близкие по содержанию, которые охватывают необходимый комплекс сведений для решения проблем экструзии и управления технологическим процессом.
Отечественному читателю предлагается перевод этих книг, объединенных в одну под общим названием «Выявление и устранение проблем в экструзии», что вполне целесообразно, поскольку сведения, приводимые в них, относятся к экструзионному процессу в целом, практически отсутствуют в русскоязычных книгах по переработке пластмасс и весьма полезны практикам.
Первая из них касается одной из наиболее серьезных трудностей экструзии — быстрого и эффективного устранения возникающих проблем. Проблемы при экструзии приводят обычно к простоям или получению некачественной продукции, что сулит значительные убытки. Однако в силу природы процесса экструзии часто довольно сложно быстро определить причину возникшей проблемы и найти соответствующее решение. Несмотря на то, что вопросы поиска неисправностей крайне важны для промышленности, на сегодняшний день отечественному читателю не знакомы книги, которые были бы посвящены исключительно этому вопросу. Настоящая книга является попыткой исправить подобную ситуацию.
Эта книга является развитием темы, затронутой в книге К. Раувендааля «Экструзия полимеров», вышедшей в переводе в издательстве «Профессия» в 2006 г.
Книга состоит из 4-х основных глав и практических приложений.
В первой главе формулируются основные требования к эффективному поиску причин проблемы. Важными предпосылками для эффективного решения возникшей проблемы являются: хорошее приборное обеспечение, которое совершенно незаменимо при поиске причин проблемы; глубокое понимание процесса экструзии; сбор и анализ данных при проведении процесса; формирование профессиональной команды; наличие полной и должным образом оформленной информации о состоянии оборудования; максимально возможная информация о перерабатываемых материалах.
В следующей главе рассматриваются инструментальные средства и методы, полезные при определении причин проблем, связанных с температурой как одному из основных факторов, влияющих на процесс и получаемый результат. Это, например, ручной инфракрасный термометр, оптическая микроскопия, термохромные материалы, разнообразные методы термического анализа (ДТА, ДСК, ТГА, инфракрасная Фурье-спектроскопия, термомеханический анализ и др.). Полезно также иметь цифровую фотокамеру и видеокамеру — отснятые материалы впоследствии очень помогут при анализе проблемы и оформлении необходимых документов.
В 3-й главе описывается как осуществляется систематический поиск причин и анализ проблем экструзии. Главное внимание сконцентрировано здесь на различных сбоях в работе экструзионной линии по неизвестным причинам. Многочисленные сбои можно выделить в отдельные группы: связанные с оборудованием (проблемы с приводом экструдера; проблемы с системами загрузки сырья, системами нагрева и охлаждения цилиндра экструдера и головки); проблемы, связанные с износом оборудования. Последняя группа проблем весьма часто встречается и многообразна. Поэтому авторы книги останавливается на ней более подробно. Здесь рассматриваются основные механизмы износа, причины и методы его определения. Приведены рекомендации по решению проблем износа (выбор подходящих материалов для деталей оборудования, нанесение разнообразных покрытий и др.). Отдельно рассматриваются методы восстановления шнеков и цилиндров экструзионных машин. Рассматриваются случаи заклинивания шнека, их причины и способы решения этой проблемы, например, охлаждение шнека в зоне загрузки; повышение температуры цилиндра в загрузочном отверстии; снижение температуры в переходной зоне; снижение температуры в зоне дозирования; увеличение зазора в области загрузочного отверстия.
Подробно описаны типы деструкции полимеров и влияние распределения температур по каналам шнеков, влияющих на возникновения процессов деструкции, приведены рекомендации по уменьшению опасности ее возникновения.
Отдельный раздел 3-й главы посвящен различным нестабильностям, возникающим при экструзии полимерных материалов. Основная из них – это колебание производительности экструдера. Приводятся причины нестабильности производительности, подробно рассмотрены конструкции шнеков с повышенной смесительной способностью. Это особенно полезно, поскольку в настоящее время одношнековые экструдеры оснащаются шнеками со смесительными и диспергирующими элементами и работа которых во многих случаях может быть сопоставима со смесительной способностью двухшнековых машин. Причем вся подготовка материала (диспергирование вводимых добавок, смешение с ними и эффективная пластикация) осуществляется в едином процессе, не прибегая к дополнительным операциям на другом оборудовании.
Применение таких мер, как уменьшение скорости вращения шнека или снижение его температуры, уменьшение температуры на выходе из цилиндра; уменьшение глубины канала в зоне дозирования или увеличение длины зоны сжатия; повышение температуры в первых зонах цилиндра; увеличение давления в головке и др. может значительно уменьшить нестабильность процесса экструзии.
Также отдельный раздел главы посвящен нестабильностям течения расплава в каналах экструзионной головки: огрубление поверхности расплава, отложения на кромках фильеры на выходе, стрелообразные линии на экструдате при выходе из головки, посторонние вкрапления и изменение цвета расплава, различные продольные следы в толще и на поверхности экструдата, снижение его прозрачности, ухудшение внешнего вида. Здесь также приводятся некоторые рекомендации по устранению возникающих проблем.
В последней, 4-й главе, подробно рассматриваются практические примеры поиска проблем экструзии и даются рекомендации по их решению. Примеры касаются, главным образом, качества полимерных пленок, но автор впоследствии предполагает написать ряд книг, относящихся к проблемам для других экструзионных процессов: при производстве листов, труб, кабельной продукции и пр.
Стратегия поиска причин проблем экструзии строится на примере построения технологических карт или схем, в которых осуществляется интерактивный опрос пользователя о возможных причинах проблемы и степени их влияния на конечный результат. Такая методология при систематическом применении в процессе поиска причин проблем позволит накопить специалистам богатый опыт для решения самых разнообразных и сложных проблем, возникающих в самых разных экструзионных процессах, что будет способствовать увеличению сроков работоспособности оборудования и повышению качества продукции.
В Приложениях дается пошаговое описание систематического поиска проблемы, приведены рекомендации по поиску неисправностей в оборудовании и техническому его обслуживанию, даны ориентировочные рекомендации по температурным режимам для различных технологических процессов.
Вторая книга «Управление экструзией» написана основателем американской компании Harrel Inc. Холтоном Харрисом.
В предисловии автор отмечает, что за последние 40 лет конструкция экструдера мало изменилась в механическом отношении. Но управление машинами и технологическими комплексами претерпело революционные изменения. Современные системы микропроцессорного управления имеют гораздо большие возможности по сравнению с прежними системами. Вместе с тем продолжают производиться и эксплуатироваться экструзионные системы, изготовленные по старым меркам, или используется лишь небольшая часть заложенных в них возможностей. Но при современном уровне развития техники и технологии следует признать, что сегодня закладывать трудозатраты по обслуживанию современных экструзионных линий в себестоимость продукции просто нецелесообразно, иначе такое оборудование постепенно переместится в страны с дешевой рабочей силой. И такая тенденция наблюдается на наших глазах. Выход из этого один — полная автоматизация технологических процессов. Этой актуальнойтеме и посвящена книга Х. Харриса.
В книге 12 глав, в которых автор практически без математики последовательно анализирует работу экструзионной линии и отдельных ее компонентов на примерах производства отдельных видов продукции: микротрубок медицинского назначения, листов, рукавной пленки, наложения кабельной изоляции, в том числе, и из вспенивающихся материалов и т. д.
Поясняется почему вообще работает винтовой насос, каким является шнек экструдера, как происходит нагрев материала, зачем нужны внешние нагреватели и системы охлаждения цилиндра экструдера, подробно объясняется целесообразность и необходимость применения в большинстве конструкций редуктора для передачи на шнек крутящего момента.
После разъяснения основных положений работы экструдера и экструзионных линий для производства отдельных видов продукции автор формулирует базовые принципы комплексного управления ими. Упрощенно его смысл сводится к кооперативному взаимодействию управляемого параметра через некоторый исполнительный механизм по определенному принципу. Если таких управляемых параметров несколько, то в системе должен находиться главный координирующий «мозг», определяющий работу всех подсистем как единое целое.
Автор по образованию связан с системами управления различными процессами. Это весьма сложная область, принципы и построения которой трудны для понимания специалистам других областей знаний. И автор практически «на пальцах» объясняет, как осуществляется управление тем или иным экструзионным процессом. Здесь нет никаких математических моделей, сложных выкладок, то есть объяснение дается по принципу «черного ящика»: имеется задача управления и некоторые входные данные и результат этого управления (выход). А как это происходит, тонкости управления (внутри «черного ящика») — дело специалистов.
Среди отечественных публикаций на тему управления экструзионными процессами пожалуй можно назвать только одну книгу (Ю.М. Осецкий, Ю.М. Карелин.
Автоматизация производства труб из пластмасс. – Киев: «Технiка», 1971 г. – 152 с.), которая построена как раз по типовой схеме научных публикаций (с математическими выкладками, ссылками на цитируемую литературу, с результатами экспериментов и пр.). В этом смысле новая книга выгодно отличается от предыдущей, так как более понятна широкому кругу специалистов, особенно работающих в промышленности и не «обремененных» обширными научными познаниями. Хотя без ссылок на литературу она выглядит необычно, поскольку неясно, чем руководствовался автор при ее написании.
Автор разбивает системы управления экструзионными процессами на несколько категорий. Это управление оборудованием, управление процессом (главным образом, управлением течением расплава полимера) и, наконец, управление качеством продукции (то есть управление изделием). В зависимости от этого меняются задачи и способы регулирования работы отдельных компонентов системы управления и результаты комплексного управления системой. В развитие этой темы подробно рассмотрены объекты регулирования и управления: регулирование температуры, энергии для нагрева и охлаждения экструдера, скорости вращения шнека, текучих свойств перерабатываемого полимера. Например, большое внимание автор уделяет регулированию температуры, здесь описаны методы и датчики измерения и регулирования температуры, принципы их размещения, установки и содержания.
Показаны многочисленные преимущества термометров сопротивления перед термопарами. Сравниваются различные системы терморегулирования, показываются их преимущества и недостатки. При анализе регулируемых по скорости электродвигателей, применяемых в современных приводах экструдеров, рассматриваются различные типы электродвигателей: двигатели постоянного тока со щетками и без них, с постоянным магнитом, серводвигатели, асинхронные двигатели переменного тока с регулированием частоты, векторные двигатели. Приведены основные характеристики приводов, значения точности регулирования, проблемы, возникающие при использовании двигателей различного типа. Однако новые типы синхронных двигателей и двигателей с передачей высокого крутящего момента, которые в последние годы стали применять в Европейских странах в приводах экструдеров, не рассматриваются и даже не упоминаются.
Просматривается предпочтение автора к двигателям постоянного тока с модифицированными системами тиристорного управления, обеспечивающими очень высокую точность регулирования скорости вращения. Это в известной мере противоречит представлениям российских специалистов о надежности регулирования скорости в широком диапазоне этих типов двигателей, которое, по-видимому, связано с качеством исполнения самих отечественных двигателей этого типа и особенно электронных систем управления ими.
Большое внимание уделяется методам стабилизации расхода производительности экструдера через экструзионную головку. Здесь подробно описаны принципы работы объемного шестеренчатого насоса и его положительные характеристики при совместном взаимодействии с винтовым (шнековым) насосом экструдера, способы регулирования температуры, давления и вязкости расплава. Приводятся рекомендации по методам стабилизации расхода при отсутствии шестеренчатого насоса.
В конце книги автор останавливается на приемах оформления документации о событиях, происходящих в течение всего периода работы экструзионной линии, вопросах управления экструзионными процессами в масштабе предприятия. Центральный пульт управления предприятием, оснащенный мощным компьютером, позволяет получать информацию на свои рабочие станции любому сотруднику предприятия в любое время и за любой период в прошлом. Это позволяет анализировать ход работы предприятия, выявлять тенденции и строить стратегию на будущее.
Последняя глава посвящена вопросам статистического управления качеством продукции. Этому вопросу в настоящее время за рубежом уделяется самое пристальное внимание. Здесь описана история развития этих методов в промышленности США, Японии, рассмотрены основные характеристики статистического контроля, значение методов статистического контроля, современные приемы статистического контроля, указано положительное внимание даже самых простых методов статистического управления качеством на работу предприятий, на снижение брака и трудозатрат по выпуску сложной продукции (и не только пластмассовой).
Книга написана своеобразным, довольно тяжелым языком, много почти дословных повторов, но тематика и последовательность изложения основных проблем комплексного управления несомненно интересна и очень полезна для отечественного читателя, имеющего отношение к обсуждаемым вопросам.
В целом издание может оказать положительное влияние на отношение к составу оборудованию, его эксплуатации и управлению и заострит внимание на вопросах перевооружения технологического оборудования.
В. Володин