Износ шнека: причины, последствия и решения

Причины износа шнека

В экструдере соответствующими движущимися органами являются шнек и втулка; кроме того, по каналам протекает жидкость, которая может вызвать дополнительный износ. Существует много факторов, способных обусловить износ втулки и шнека:

• Холодный запуск шнека
• Неправильная переработка материалов (например, переработка коррозионно-активных полимеров шнеком, не предназначенным для работы с такими полимерами)
• Неравномерный нагрев цилиндра
• Неправильная центровка шнека и цилиндра
• Кривизна шнека
• Абразивные присадки в составе полимера
• Неправильный материал винта и/или цилиндра
• Коррозия вследствие деструкции полимера или присадки

Все указанные факторы относятся к трем основным видам износа: абразивный, коррозионный и адгезионный.
Абразивный износ вызывается твердыми частицами (например, стекловолокном, карбонатом кальция, антипиренами), которые добавляются в полимеры. Скольжение полимера в канале шнека при высоких значениях давления и температуры обусловливает абразивное воздействие со стороны твердых частиц, которые трутся и ударяются о металлические поверхности шнека и цилиндра. Кроме того, степень износа зависит от твердости частиц, их формы и размера. Этот вид износа можно уменьшить путем поверхностного упрочнения шнека и цилиндра (например, посредством азотирования, хромирования).
Коррозионный износ возникает вследствие того, что агрессивные присадки и частицы разложившихся полимеров оказывают химическое воздействие на компоненты экструдера. Обычно наиболее обширные коррозионные поражения наблюдаются в зоне дозирования, которая характеризуется более высокой температурой и более длительным пребыванием материала, что повышает вероятность деструкции продукта. Чтобы уменьшить данный износ, можно воспользоваться теми же методами поверхностной обработки, которые используются для уменьшения абразивного износа.
 Адгезионный износ может вызываться непосредственным контактом двух металлов (между цилиндром и шнеком): при вращении шнека может возникать мгновенный контакт между гребнем винтовой нарезки и поверхностью цилиндра, вследствие чего образуется некое подобие сварного шва, который незамедлительно удаляется вращающимся шнеком. Данный вид износа можно эффективно уменьшить или даже устранить, обеспечив правильную центровку шнека в цилиндре и максимально прямое положение шнека и цилиндра.

Первое очевидное последствие износа шнека

Первое последствие износа, которое может проявиться, заключается в уменьшении максимального расхода потока, обрабатываемого экструдером. Диаметр резьбы шнека, предназначенного для вращения внутри втулки, немного меньше по сравнению с диаметром втулки, за счет чего обеспечивается беспрепятственное вращение шнека. Конструкцией предусмотрен маленький зазор между гребнем винтовой нарезки и поверхностью втулки, заполненный расплавленным полимером, который выполняет роль смазки. При использовании неабразивных полимеров и правильной центровке шнека внутри втулки возможна непрерывная эксплуатация экструдера продолжительностью до десяти лет и практически без износа. При обработке абразивных полимеров, неправильной центровке либо наличии какого-либо из указанных выше факторов износа, последствия износа особенно сильно сказываются на винтовой нарезке: в основном затрагивается гребень винтовой нарезки, вследствие чего увеличивается зазор между резьбой и поверхностью цилиндра. По мере увеличения зазора производительность экструдера снижается: температура полимера на выходе из экструдера увеличивается, усиливается нестабильность процесса и снижается расход потока.

«Деструкция ведет к необратимой утрате экструдированным полимером механических и оптических свойств»

Первые признаки прогрессирующего износа проявляются по мере уменьшения расхода потока материала, обрабатываемого экструдером. При наступлении сильного износа возникает чрезмерная протечка материала над резьбой, соответственно, сокращается общий расход потока, выходящего из экструдера.
В случае износа шнека необходимо увеличить скорость вращения, чтобы сохранить первоначальный расчетный расход и давление на выходе. Максимально допустимая степень износа – та, при которой процесс экструзии остается экономически целесообразным. Износ может возникать во всех частях шнека, но обычно он наиболее обширен в тех местах, где задействовано наибольшее давление, т. е. в переходной и дозирующей зонах.
 
Еще одним последствием износа винтовой нарезки является повышение температуры полимера. Сначала повышение температуры разрушает слабые связи между макромолекулами, а затем ковалентные связи, что приводит к химическому разложению полимера. Термическая деструкция, процесс которой происходит при превышении температуры плавления, может иметь место либо из-за достижения слишком высокой температуры, либо из-за слишком длительного выдерживания полимера при высокой температуре. Деструкция ведет к необратимой утрате экструдированным полимером механических и оптических свойств. Разрыв ковалентных связей ведет к образованию летучих частиц, поскольку при разрыве макромолекул, находящихся в газообразном состоянии, образуются небольшие молекулы. Еще одним последствием термической деструкции является пожелтение расплавленного полимера и, соответственно, готового продукта; в худших случаях возможно образование углеродистых остатков.

Индивидуальные решения для борьбы с износом шнека

Шнеки, выпускаемые компанией Bausano, специально разрабатываются для удовлетворения производственных нужд каждого заказчика, поэтому они идеально адаптированы к характеристикам перерабатываемого полимера. В частности, шнеки Bausano покрываются твердым металлом (например, стеллитом), который предотвращает их износ. Затем аналогичное покрытие наносится на втулку. Благодаря этому срок службы шнека значительно увеличивается и, соответственно, устраняются все проблемы, связанные с частичной совместимостью шнека и обрабатываемого материала.