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.