Режущие устройства для измельчения полимеров

Процессы измельчения полимеров и композиций на их основе методом их резки нашли широкое применение, как в подготовительных производствах, так и в производстве гранулированных продуктов – резка расплава на экструзионной решетке, резка охлажденного прутка.

В подготовительных производствах используют режущие устройства как поступательного (типа гильотины для резки первоначально прессованных или связанных материалов, а так же массивных заготовок, листов и пленок перед их последующим измельчением), так и вращательного движения - ножевые дробилки.

Процессы разрушения за счет сдвига (среза) включают несколько последовательных стадий развития упругой деформации, которая сменяется пластической с последующим распространением среза, сопровождающимся изгибом и разрывом материала; последнее завершается разрушением. Пока отсутствуют необходимые теоретические разработки и экспериментальные данные о развитии контактных напряжений и характере разрушения полимерных материалов при различных скоростях среза, что позволяет обоснованно проводить расчеты производительности и потребляемой мощности.

С технологической точки зрения, резку можно начинать в одной точке, а затем распространять на всю ширину или выполнять одновременно по всей ширине, что требует увеличения мощности привода и более частой вследствие большего износа замены ножей. Первый из этих способов резки позволяет уменьшить мощность привода, шум и количество пылеобразных отходов, создает более «мягкие» условия работы, что увеличивает срок службы ножей.

Для повторного использования отходов процессов переработки полимеров в изделия (литники, облой, отходы пленки, а также отбракованные изделия) предварительно подвергают измельчению, которое выполняют обычно на ножевых дробилках. Измельченный полимер используют либо в чистом виде, либо после смешения с исходным материалом. Смешение можно выполнять как в индивидуальных смесителях, так и централизованно с использованием пневмотранспортных систем дробилка – смеситель – загрузочное устройство перерабатывающего оборудования.

Централизованное измельчение отходов эффективно в условиях, где используют материал с ограниченным набором цветов, на предприятиях с централизованными распределительными системами и смешением, а также при дроблении массивных отходов.

Выбор дробилки определяется требуемой производительностью и максимальными размерами и массой отходов, что определяет размеры загрузочного устройства, а в ряде случаев (переработка отходов труб, пленки) и его конструкцию, а также необходимую мощность привода. Как правило, это – крупногабаритные установки, размещаемые в специальных помещениях.

Измельчение отходов непосредственно у машин по переработке полимеров выполняет сам оператор, благодаря чему, уменьшается по сравнению с централизованным измельчением количество обслуживающего персонала. При этом для отходов не нужны дополнительные площади и средства их транспортировки. Они легко могут быть использованы для повторной, переработки; при пневматической загрузке подачу отходов легко автоматизировать. Кроме того, отпадает опасность смешения материалов разных цветов, а возможность загрязнения полимера сводится к минимуму. При выборе дробилок такого назначения учитывают в основном размеры измельчаемых кусков и максимальную толщину стенки. Стоимость таких дробилок примерно в 10 раз ниже стоимости дробилок централизованного измельчения.

Производительность ножевых дробилок от 15 до 500 кг/ч при установочной мощности привода от 0,8 до 50 кВт. Измельчаемый материал загружается через бункер в корпус дробилки и находится в нем до тех пор, пока ножи не измельчат его до частиц нужного размера (ячейка сетки на выходе).

Форма и размер загрузочного бункера определяются характером и
размерами подлежащего измельчению материала. Обычно загрузку производят сверху, в редких случаях - по касательной к окружности вращения ножей. Питание дробилки может осуществляться вручную или автоматически. Из механических устройств применяют шнековые и роликовые питатели и др.

На рис. 10 показано устройство ножевой дробилки со шнековым питателем. Измельченный материал загружается в бункер 9, оттуда шнеком 8, расположенным в корпусе 7, подается в приемную камеру 6 ножевой дробилки. Материал измельчается в основном за счет среза ножами: неподвижными 4, закрепленными в корпусе 6, и подвижными 3, установленными на вращающемся роторе 5. Измельченный до требуемого размера материал проходит через сито 2, установленное в нижней части дробилки, и через выводной патрубок 1 выгружается из дробилки в приемную емкость или с помощью шнековых питателей и пневмотранспорта подается на переработку.

Рис. 10.

Форма и размеры загрузочного бункера определяются характером загружаемого материала. Обычно загрузку выполняют сверху, в редких случаях – тангенциально к окружности вращения ножей.

Объем приемного бункера выбирают обычно достаточно большим, чтобы при периодической загрузке была обеспечена непрерывная работа дробилки. Для отходов трубных производств используют наклонные бункера, рассчитанные на прием длинных заготовок. Для уменьшения выброса измельчаемого материала из загрузочного бункера, особенно при измельчении пенополистирола и отходов процесса раздувного формования, применяют упругие шторки или металлические дверцы; иногда бункер изготовляют с изменением направления перемещения измельчаемого материала на 90°.

Конструкции ротора и подвижных ножей в наибольшей степени влияют на качество измельчения, производительность дробилки и потребляемую мощность. Как правило, ротор соединяется с приводным электродвигателем либо непосредственно, либо через клиноременную передачу; частота вращения вала ротора составляет от 600 до 800 об/мин.

В зависимости от условий работы ротор можно изготовлять открытым или закрытым. При «легких» условиях работы (измельчение отходов пленки, полых изделий) используют ротор составной конструкции в виде рамы, на которой закреплены ножи. При измельчении материалов высокой плотности ротор, выполняет и роль маховика, поэтому его выполняют массивным, иногда литым. Для особо тяжелых условий работы, при измельчении массивных плотных отходов, ротор выполняют в виде фрезы, ножи, снабжают дополнительными режущими поверхностями.

Число ножей, их форму и расположение выбирают таким образом, чтобы в каждый момент времени только один подвижный нож участвовал в разрезании материала при его контакте с неподвижным ножом. При измельчении мягких и пластичных материалов ножи устанавливают таким образом, чтобы разрушение происходило за счет среза; для хрупких материалов предпочтительно разрушение от удара. Ножи располагают таким образом, чтобы динамические нагрузки воспринимались ротором, а не устройствами крепления ножей к ротору.

Профиль ножей определяется характеристикой измельчаемого материала. Учитывая достаточно быстрый износ рабочих кромок ножей, их изготовляют с несколькими лезвиями (до четырех режущих кромок) и по мере износа переставляют. В конструкциях дробилок предусматривают также быструю замену ножей. Число подвижных ножей обычно составляет от 2 до 4, однако есть конструкции с 27 подвижными ножами; число неподвижных ножей обычно равно 2, но может достигать 12.

Измельченный материал выгружается из дробилки через сетку, расположенную в нижней части измельчительной камеры и занимающую 35—50% ее цилиндрической поверхности. Размеры отверстий – от 1 до 15 мм, в зависимости от размеров дробилки.

К дополнительным устройствам, которыми снабжают ножевые дробилки, относятся магнитные ловушки, устройства для снятия статического электричества и системы блокировки, делающие невозможным доступ к вращающемуся ротору. В больших, дробилках предусматривается закрытие камеры с помощью гидроцилиндров и водяное охлаждение камеры и ротора.

Значительным недостатком ротационных дробилок является очень высокий уровень шума – до 115 дБ. Основными источниками шума являются вращение частей, соударение частиц измельченного материала с корпусом, ножами и между собой, также наличие турбулентных воздушных потоков. Уменьшение уровня шума и снижение его вредного влияния на обслуживающий персонал может быть достигнуто различными способами. Централизованные дробилки устанавливают в отдельных помещениях. Звукоизоляция бункера и особенно загрузочного окна позволяет снизить уровень шума на 20–25 дБ; применение массивных корпусов и пониженных частот вращения ротора – на 10–15 дБ. Кроме того, применяют тангенциальный ввод материала.

Лишены указанных выше недостатков ножевые дробилки, разработанные и изготавливаемые на ЗАО «Атлант» г. Минск. Дробилки (рис. 11) имеют вращающийся вал, на котором установлены фрезы 2, а между ними серповидные ножи 5.

Имеются так же неподвижные ножи 3 и отбойники 4. При загрузке литников или некондиционных деталей в дробилку, серповидными ножами производится предварительное дробление, а фрезами на неподвижных ножах, окончательное. Величина дробленой фракции зависит от высоты и ширины зубьев фрез, а так же от размера отверстий на сите 6. Поверхности переточки инструмента обозначены буквой А. Блок дробления представлен на рис. 12.

Рис. 11.

Рис. 12.

В корпусе дробилки закреплены болтами 3, 5 подшипниковые опоры 2, 4 центрального вала. Крепления мотора–редуктора 7 на валу осуществляется с помощью шайбы и болтов 6. Серповидные ножи 8 закреплены между фрезами 9 на центральном валу.

Дробилки отличаются количеством фрез и ножей, мощностью привода, размерами дробильной камеры, габаритными размерами. Особенностями дробилок этого типа являются:

- эффективное дробление при малой скорости вращения инстру­мента – 28 об/мин;

- низкий уровень шума (менее 70 дБ) и вибраций, обусловленный малой скоростью вращения инструмента и позволяющий эксплуатировать дробилки в непосредственной близости от термопластавтомата или экструде-ра;

- однородность дробленой фракции, небольшое содержание пыле­видных частиц;

- возможность подсоединения к термопластавтомату;

- простота эксплуатации и обслуживания при компактных разме­рах.

Разработано несколько типоразмеров дробилок, технические характе­ристики которых приведены ниже.

Параметры

Производительность

Фракция

Количество фрез

Скорость вращения инструмента

Установленная мощность

Количество электродвигателей

Размеры загрузочного окна

Габаритные размеры: длина´ширина´высота

Масса

Для дробления крупногабаритных деталей размерами до 1500´770´450 мм и толщиной стенки до 6 мм разработана автоматическая линия дробления пластмасс модели БЗЛ0045. Дробление производится в два этапа: в дробилке крупного дробления до размера фракции 40´50 мм и дробление в дробилке мелкого дробления до фракции 5´5 мм.

Вторичное использование пленочных полимерных материалов позволяет агломератор. Он обеспечивает утилизацию путем переработки самого распространенного вида полимерных отходов и вторичных ресурсов – пленочных отходов (в основном из полиэтилена различных типов): бракованных полотнищ, кромок, изношенной сельскохозяйственной пленки (от теплиц, экранов защиты грунта, мульчирования почвы, тентов для укрытия сенажа), мешков из-под минеральных удобрений, упаковочной пленки, пакетов бытового назначения и т.п. Агрегат обеспечивает выпуск из пленочных отходов катышек-гранул, которые могут служить полноценным вторичным сырьем для изготовления различных литьевых изделий, а также в качестве добавки (10–30%) в первичное гранулированное сырье при выпуске упаковочных пленок и бытовых мешков и пакетов.

Агломератор (рис. 13) представляет собой цилиндрическую камеру 2, которая смонтирована на станине 6. На этой же станине смонтирован фланцевый электродвигатель 1. Крутящий момент от электродвигателя на вал агломератора передается при помощи клиноременной передачи 7. На быстроходном валу агломератора имеется мешалка, оснащенная ножами – сабельными 4 и квадратными 5. Аппарат обеспечивает возможность агломерирования пленочных отходов, загружаемых в отверстие 3, с размерами частиц в широких пределах. За счет трения частиц друг о друга и рабочие органы аппарата происходит саморазогрев материала, который приводит к испарению влаги, находящейся на поверхности измельчаемой пленки. Удаление паров влаги осуществляется вентилятором.

Рис. 13.

Техническая характеристика:

Для прерывания агломерации в аппарат вводится так называемая «токовая» вода, которая вызывает резкое охлаждение пластифицированной массы полимера. Одновременно с охлаждением лепестков пленки происходит их усадка, и формируется сыпучий продукт с размером частиц неправильной формы примерно 2–8 мм.

Струйные мельницы

Измельчение частиц материала в струйных мельницах происходит при их движении в высокоскоростном газовом потоке внутри рабочей камеры за счет истирания частиц при их соударениях друг с другом и со стенками камеры. Такое оборудование используют для измельчения полимеров, красителей и пигментов до частиц размером в несколько микрометров. Предварительно материал измельчается до размера частиц 0,1–0,5 мм на каком-либо другом оборудовании.

По конструктивным признакам струйные мельницы подразделяют на мельницы с горизонтальной и вертикальной размольной камерой.

Рис. 14.

В струйных мельницах с горизонтальной размольной камерой (рис. 14) предварительно измельченный материал через штуцер питания 5 подается в камеру измельчения 1. Материал подается через окна на периферии по касательной к внутренней поверхности камеры. Одновременно в камеру через штуцер 3 подачи энергоносителя, распределительное кольцо 4 и сопло поступает под давлением газ или пар. Благодаря соответствующему расположению сопл внутри камеры происходит пересечение струй и движение подхваченного ими измельчаемого материала по концентрическим окружностям. Измельчение происходит за счет соударения частиц, двигающихся с большой скоростью, с частицами, циркулирующими в тонком слое около стенки камеры с меньшей скоростью.

Частицы большого размера под действием центробежных сил отбрасываются к периферии и подвергаются дальнейшему измельчению. Частицы меньших размеров увлекаются газовым потоком к центру камеры, и после прохождения сепаратора, в котором отделяются более крупные частицы, собирающиеся в сборнике 8, через выводной патрубок 7 подаются на отделение тонкой фракции в мокром мешочном фильтре или водяном скруббере.

Диаметр камеры измельчения может составлять от 50 до 1000 мм. В качестве рабочего газа чаще всего используют сжатый воздух при давлении до 0,75 МПа и температуре от 50 до 500 °С. Расход сжатого воздуха при давлении 0,7 МПа на 1 кг готового продукта составляет 4–12 м³. Обычно размер частиц измельченного продукта не превышает 0,02 мм.

Производительность струйных мельниц с горизонтальной камерой составляет от 0,25 (для лабораторных мельниц) до 3000 кг/ч. Качество измельчения, его однородность и производительность мельницы определяются давлением и температурой газа.