قطر پیچ و خروجی: نحوه محاسبه ظرفیت اکستروژن

توان عملیاتی پارامتری است که قابلیت تجاری یک خط اکستروژن ورق را تعیین می کند. ظرفیت اکستروژن قطر پیچ شامل ملاحظات خاصی است که با فرآیندهای اکستروژن عمومی متفاوت است. خیلی کم است، و تجهیزات پایین دست کمتر از ظرفیت کار می کنند و حاشیه را از بین می برند. بیش از حد، و رول های خنک کننده نمی توانند ورق را به اندازه کافی سریع جامد کنند و باعث کاهش سرعت خط می شود. در مرکز این محاسبه، قطر پیچ اکسترودر قرار دارد - متغیری که مستقیماً میزان پلیمری را که دستگاه می‌تواند در ساعت پردازش کند، محدود می‌کند. ظرفیت اکستروژن قطر پیچ یک عدد ثابت نیست. این بستگی به سرعت پیچ، خواص پلیمر، هندسه پیچ و فشار کاری دارد. رابطه بین این متغیرها با معادلات جریان اصلی اکستروژن تک پیچ توصیف می‌شود، که خروجی کل را به جریان درگ، جریان فشار و جریان نشتی تفکیک می‌کند. این مقاله تئوری محاسبات ظرفیت اکستروژن را توضیح می‌دهد، فرمول‌های عملی را ارائه می‌دهد و داده‌های توان عملیاتی را برای پلیمرهای اکستروژن ورق معمولی ارائه می‌دهد. برای زمینه گسترده تر فرآیند اکستروژن، به راهنمای مربوطه مراجعه کنید تکنولوژی اکستروژن ورق.

فیزیک خروجی اکسترودر: جریان کشیدن، جریان فشار و جریان نشتی

خروجی یک اکسترودر تک پیچ نتیجه خالص سه مکانیسم جریان است. جریان دراگ عمل انتقال به جلو است که توسط حرکت نسبی بین پیچ و بشکه ایجاد می شود. با سرعت پیچ، عمق کانال و قطر پیچ متناسب است و حداکثر خروجی نظری را نشان می دهد.

جریان فشار در جهت مخالف عمل می کند. قالب در انتهای اکسترودر مقاومت در برابر جریان ایجاد می کند و یک گرادیان فشار ایجاد می کند که جریان رو به عقب را از انتهای قالب پرفشار به سمت انتهای تغذیه کم فشار هدایت می کند. جریان فشار متناسب با گرادیان فشار و مکعب عمق کانال است. جریان نشتی از طریق فاصله کوچک بین نوک پرواز پیچ و دیواره بشکه - معمولاً 0.1 تا 0.15 درصد از قطر پیچ - رخ می دهد و معمولاً کمتر از 5 درصد از کل خروجی را تشکیل می دهد.

خروجی حجمی کل جریان پسا منهای جریان فشار و جریان نشتی است. به شکل ساده شده: Q = Q_drag - Q_pressure - Q_leakage . مفهوم عملی این است که خروجی اکسترودر یک عدد واحد نیست بلکه تابعی از شرایط عملیاتی است. در یک سرعت پیچ معین، با افزایش فشار قالب، خروجی کاهش می یابد. یک پیچ کانال کم عمق دارای منحنی مشخصه صاف تری است، به این معنی که خروجی آن نسبت به تغییرات فشار قالب حساسیت کمتری دارد. یک پیچ کانال عمیق در فشار کم خروجی بالاتری دارد اما با افزایش فشار به شدت کاهش می یابد.

قطر پیچ و قانون مقیاس دهی عملیاتی

قطر پیچ بر خروجی از طریق مدت جریان درگ، متناسب با مربع قطر تأثیر می گذارد. دوبرابر کردن قطر پیچ خروجی نظری را تا ضریب چهار افزایش می دهد. یک پیچ 150 میلی متری می تواند تقریباً 2.25 برابر خروجی یک پیچ 100 میلی متری با همان سرعت پیچ پردازش کند. مقیاس بندی کاملا درجه دوم نیست زیرا عمق کانال، نسبت L/D و سرعت مجاز پیچ نیز با قطر تغییر می کند. پیچ‌های بزرگ‌تر معمولاً با RPM پایین‌تر کار می‌کنند تا سرعت نوک یکسانی را حفظ کنند، که توسط حساسیت برشی پلیمر محدود می‌شود.

توان عملیاتی در محدوده قطر مشترک یک راهنمای اندازه گیری خشن را ارائه می دهد. یک اکسترودر تک پیچ 65 میلی متری پردازش PP می تواند 150-250 کیلوگرم در ساعت تولید کند. دستگاه 90 میلی متر: 350-500 کیلوگرم در ساعت. دستگاه 120 میلی متر: 800-1200 کیلوگرم در ساعت. دستگاه 150 میلی متر: 1200-1800 کیلوگرم در ساعت. این طراحی پیچ اکستروژن نسبت LD بر سقف توان عملی تأثیر می گذارد: L/D طولانی تر ظرفیت ذوب بیشتری را فراهم می کند و اجازه می دهد تا سرعت پیچ بالاتر قبل از اینکه ذوب ناقص شود.

جداول عملکرد عملی برای پلیمرهای ورق معمولی

محدوده توان عملیاتی زیر نشان دهنده عملکرد معمولی برای اکسترودرهای تک پیچ با طراحی خوب است که پلیمرهای ورق معمولی را در 28:1 تا 33:1 L/D پردازش می کنند. مقادیر یک طراحی پیچ متعادل با نسبت فشرده سازی و بخش اختلاط مناسب برای پلیمر را فرض می کنند.

ورق پلی پروپیلن (PP):

• 65 میلی متر: 150-220 کیلوگرم در ساعت

• 90 میلی متر: 320-480 کیلوگرم در ساعت

• 120 میلی متر: 750-1100 کیلوگرم در ساعت

• 150 میلی متر: 1100-1700 کیلوگرم در ساعت

ورق پلی اتیلن (HDPE/LDPE):

• 65 میلی متر: 130-200 کیلوگرم در ساعت

• 90 میلی متر: 300-450 کیلوگرم در ساعت

• 120 میلی متر: 700-1050 کیلوگرم در ساعت

• 150 میلی متر: 1050-1600 کیلوگرم در ساعت

ورق PET:

• 65 میلی متر: 120-180 کیلوگرم در ساعت

• 90 میلی متر: 280-400 کیلوگرم در ساعت

• 120 میلی متر: 650-950 کیلوگرم در ساعت

• 150 میلی متر: 950-1450 کیلوگرم در ساعت

توان عملیاتی PET در قطر پیچ معادل کمتر از PP است که دلیل آن پنجره پردازش باریکتر و طراحی پیچ دو مرحله ای هواکش است.

ورق پلی استایرن (PS):

• 65 میلی متر: 140-210 کیلوگرم در ساعت

• 90 میلی متر: 310-460 کیلوگرم در ساعت

• 120 میلی متر: 720-1080 کیلوگرم در ساعت

• 150 میلی متر: 1080-1650 کیلوگرم در ساعت

این محدوده ها نقطه شروعی را برای اندازه خطوط فراهم می کنند. توان عملیاتی واقعی باید از طریق آزمایش های اکستروژن یا محاسبات مهندسی دقیق تأیید شود.

نقش پمپ های مذاب در ظرفیت اکستروژن

یک پمپ مذاب - یک پمپ دنده ای با جابجایی مثبت که بین اکسترودر و قالب نصب شده است - خروجی اکسترودر را از فشار قالب جدا می کند. اکسترودر پمپ مذاب را با سرعت کمی بالاتر از نقطه تنظیم پمپ تغذیه می کند و فشار ورودی ثابت را حفظ می کند. این پمپ بدون توجه به نوسانات فشار قالب یا بارگذاری صفحه نمایش، خروجی حجمی دقیقی را به قالب اندازه گیری می کند.

با یک پمپ مذاب، اکسترودر در برابر فشار معکوس پایین تر و ثابت عمل می کند و پمپ عملکرد تولید فشار را بر عهده می گیرد. این اجازه می دهد تا پیچ برای راندمان ذوب به جای ایجاد فشار طراحی شود. خروجی پمپ تقریبا مستقل از فشار است، بنابراین تغییرات در مقاومت قالب بر سرعت جریان جرمی به قالب تأثیر نمی گذارد. نتیجه ضخامت ورق ثابت تر است، به ویژه در هنگام راه اندازی و انتقال فرآیند. برای خطی با پمپ مذاب، اکسترودر معمولاً به گونه‌ای اندازه می‌شود که 10 تا 15 درصد خروجی بیشتر از ظرفیت نامی پمپ ارائه دهد. این انتخاب درایو اکستروژن موتور استاندارد سروو موتور برای اکسترودر و پمپ مذاب هم بر دقت کنترل سرعت و هم بر بهره وری انرژی خط تأثیر می گذارد.

تطبیق قطر پیچ با تجهیزات پایین دست

تجهیزات پایین دست - پشته کلندرینگ، ضخامت سنج، و ایستگاه سیم پیچ یا برش - باید اندازه ای داشته باشند که خروجی اکسترودر را با سرعت خط هدف کنترل کند. برای عرض، ضخامت و چگالی پلیمر معین، سرعت خط مورد نیاز عبارت است از تقسیم خروجی اکسترودر بر سطح مقطع ورق و چگالی مذاب. اگر سرعت خط محاسبه‌شده از حداکثر سرعت رول‌های کلندری یا سیم پیچ بیشتر شود، اکسترودر بزرگ‌تر است. اگر سرعت خط کمتر از حداقل سرعت پایدار تجهیزات پایین دستی باشد، اکسترودر کمتر از اندازه است.

ظرفیت خنک کننده رول تقویم نیز محدودیت دیگری است. حرارتی که باید از ورق حذف شود حاصل توان عملیاتی، گرمای ویژه پلیمر و افت دما از مذاب به حالت جامد است. اگر سیستم خنک کننده رول نتواند این گرما را با سرعت لازم حذف کند، ورق از کلندر بالاتر از نقطه نرم شدن خود خارج می شود و باعث چسبندگی یا تغییر شکل می شود.

انتخاب قطر پیچ صحیح برای یک هدف توان عملیاتی معین، از مشکل رایج کوچک کردن یا بزرگ کردن خط اکستروژن جلوگیری می کند. JWELL محاسبات توان عملیاتی و پیش‌بینی ظرفیت دقیق را در طول مرحله تعیین خط ارائه می‌کند و به مشتریان کمک می‌کند تا قطر پیچ‌ها را از 65 میلی‌متر تا 200 میلی‌متر بر اساس نوع پلیمر، خروجی هدف و الزامات پردازش پایین‌دستی انتخاب کنند - رویکردی مشاوره‌ای که تضمین می‌کند تجهیزات انتخابی هم نیازهای تولید فعلی و هم اهداف رشد آینده را برآورده می‌کند.

سوالات متداول

ظرفیت اکستروژن چگونه از قطر پیچ محاسبه می شود؟

خروجی نظری یک اکسترودر تک پیچ از معادله جریان درگ محاسبه می شود: Q = (1/2) * pi^2 * D^2 * N * H * sin(phi) * cos(phi)، که در آن D قطر پیچ، N سرعت پیچ بر حسب دور در ثانیه، H عمق کانال در ناحیه پرواز و p زاویه اندازه گیری پیچ است. نرخ خروجی واقعی جریان درگ نظری منهای جریان فشار و جریان نشتی است که به فشار قالب، ویسکوزیته مذاب و فاصله پرواز بستگی دارد.

چه رابطه ای بین سرعت پیچ و خروجی وجود دارد؟

در تئوری، خروجی اکسترودر با سرعت پیچ نسبت مستقیم دارد. در عمل، این رابطه تقریباً خطی است اما کاملاً متناسب نیست. در سرعت‌های بسیار پایین پیچ، جزء جریان فشار کسری بزرگ‌تر از جریان درگ است و خروجی به زیر طرح خطی می‌رسد. در سرعت های بسیار بالا، ظرفیت تغذیه پیچ ممکن است مقدار مواد وارد شده به بشکه را محدود کند و خروجی ممکن است بالا رود یا حتی کاهش یابد. در محدوده عملیاتی معمولی 30-80 درصد حداکثر دور در دقیقه، خروجی تقریباً خطی با سرعت پیچ است.

آیا قطر پیچ بزرگتر همیشه به معنای خروجی بالاتر است؟

بله، خروجی با قطر پیچ، تقریباً به اندازه مربع قطر افزایش می یابد. با این حال، حداکثر توان عملیاتی نیز توسط ظرفیت ذوب پیچ، ظرفیت خنک کننده تجهیزات پایین دست و حداکثر سرعت خط کلندر و سیم پیچ محدود می شود. قطر پیچ بزرگتر تنها در صورتی به خروجی بالاتر ترجمه می شود که کل خط به اندازه ای باشد که توان افزایش را تحمل کند.

چگالی مذاب چگونه بر محاسبه خروجی تأثیر می گذارد؟

خروجی حجمی محاسبه شده از معادله جریان درگ باید با استفاده از چگالی مذاب پلیمر در دمای پردازش به خروجی جرم تبدیل شود. چگالی مذاب به دلیل انبساط حرارتی کمتر از چگالی جامد است. برای PP، چگالی مذاب در 230 درجه سانتیگراد تقریباً 0.75 گرم بر سانتی متر مکعب است، در مقایسه با چگالی جامد 0.90 گرم بر سانتی متر مکعب. استفاده از چگالی جامد به جای چگالی مذاب، خروجی جرم را حدود 20 درصد بیش از حد برآورد می کند. مقادیر دقیق چگالی مذاب در دمای پردازش برای محاسبات صحیح توان عملیاتی ضروری است.