Двухшнековый экструдер

Двухшнековый экструдер — это технологическая машина для непрерывной переработки полимерных, пищевых, химических и других материалов методом экструзии, в которой рабочим органом являются два параллельных или конических шнека, вращающихся в общем корпусе (цилиндре). От одношнековых аналогов отличается более интенсивным смешением, лучшим контролем температуры и способностью перерабатывать многокомпонентные смеси с высокой вязкостью.

История

Первые экспериментальные двухшнековые экструдеры появились в 1930-х годах в Европе. В 1935 году итальянская компания LMP (Lavorazione Materie Plastiche) запатентовала конструкцию с двумя шнеками, вращающимися в одном направлении. Однако массовое промышленное применение началось в 1950-х годах, когда немецкие фирмы Werner & Pfleiderer (ныне часть Coperion) и Berstorff разработали серийные модели для переработки поливинилхлорида (ПВХ) и термочувствительных материалов.

В СССР двухшнековые экструдеры начали выпускаться в 1960-х годах на предприятиях Министерства химического и нефтяного машиностроения. Крупнейшими производителями были заводы в Воронеже, Омске и Ленинграде. В 1970-1980-х годах советские машины использовались для производства труб, листов и профилей из ПВХ, но уступали западным аналогам по точности и производительности.

В 1990-2000-х годах, после открытия рынка, в Россию начали активно поставлять оборудование немецких (Coperion, KraussMaffei Berstorff, Leistritz), японских (Japan Steel Works) и китайских производителей. С 2010-х годов российские компании, такие как «Кузполимермаш» (Кумертау) и «Татнефть-Нефтехиммаш», освоили выпуск собственных двухшнековых экструдеров для переработки полимеров.

Устройство и принцип действия

Основные компоненты

Двухшнековый экструдер состоит из следующих узлов:

• Привод — электродвигатель с редуктором, обеспечивающий вращение шнеков с регулируемой скоростью (обычно 20–600 об/мин).
• Цилиндр (корпус) — разъёмная конструкция из износостойкой стали (например, 38CrMoAlA) с каналами для жидкостного или электрического обогрева и охлаждения. Цилиндр может быть цельным или секционным (для модульной сборки).
• Два шнека — валы с винтовой нарезкой, установленные в цилиндре. Шнеки изготавливаются из закалённой стали или с наплавкой из твёрдых сплавов (например, стеллит).
• Загрузочное устройство — бункер или дозатор для подачи сырья (гранулы, порошок, жидкость).
• Головка (фильера) — формующее устройство на выходе, придающее расплаву заданную форму (профиль, лист, гранулы).
• Система управления — контроллер с датчиками температуры, давления и скорости.

Принцип работы

Сырьё подаётся в загрузочную зону, где захватывается шнеками. За счёт вращения шнеков материал перемещается вдоль цилиндра, проходя через зоны:

1. Зона загрузки и транспортировки — твёрдые частицы нагреваются и уплотняются.
2. Зона пластикации — под действием тепла и сдвиговых деформаций материал переходит в вязкотекучее состояние.
3. Зона гомогенизации — интенсивное смешение компонентов (наполнителей, красителей, стабилизаторов) за счёт перетирания между шнеками и стенками цилиндра.
4. Зона дозирования — создание стабильного давления для выхода через фильеру.

Вращение шнеков может быть сooсным (в одном направлении) или встречным (в противоположных направлениях). Встречное вращение обеспечивает более высокое давление, но меньшую производительность, и используется для профильных изделий. Соосное вращение (наиболее распространённое) даёт лучшее смешение и применяется в компаундировании.

Классификация

По направлению вращения шнеков

• Сooсные (сooсного вращения) — шнеки вращаются в одну сторону, материал перетекает между ними в виде восьмёрки. Обеспечивают высокую интенсивность смешения.
• Встречные (встречного вращения) — шнеки вращаются навстречу друг другу, создавая зону сжатия. Используются для переработки термочувствительных материалов (например, ПВХ) и для формования профилей.

По конструкции шнеков

• Цельные — шнеки выполнены как единая деталь. Просты в изготовлении, но ограничены в гибкости.
• Секционные (модульные) — шнеки собираются из отдельных элементов (кулачков, дисков, шнековых сегментов), насаженных на вал. Позволяют менять конфигурацию под конкретную задачу (например, для интенсивного смешения или дегазации).

По назначению

• Компаундирующие — для смешения полимеров с наполнителями, красителями, модификаторами (например, производство полимерных композитов).
• Профильные — для изготовления изделий постоянного сечения (трубы, листы, оконные профили).
• Реакционные — для проведения химических реакций в расплаве (например, полимеризация или прививка функциональных групп).
• Пищевые — для переработки пищевых масс (тесто, крахмал, белковые смеси) с соблюдением санитарных норм.

Применение

Переработка полимеров

Наиболее массовая область. Двухшнековые экструдеры используются для:

• Компаундирования — введение в полимерную основу (полиэтилен, полипропилен, полиамид) наполнителей (тальк, мел, стекловолокно), антипиренов, стабилизаторов. Например, производство стеклонаполненных полиамидов для автомобильной промышленности.
• Гранулирования — получение однородных гранул из смесей полимеров (рециклинг отходов, окрашивание).
• Производства профилей — оконные рамы, плинтусы, кабель-каналы из ПВХ.
• Изготовления листов и плёнок — для упаковки, строительства, медицины.

Пищевая промышленность

В пищевой отрасли двухшнековые экструдеры применяются для:

• Экструзионной варки — производство сухих завтраков, хлопьев, снеков (например, кукурузные палочки).
• Текстурирования — получение растительных аналогов мяса из соевого белка.
• Производства макаронных изделий — формование теста под давлением.

Химическая промышленность

• Синтез полимеров — реакционная экструзия для полимеризации капролактама в полиамид-6.
• Переработка резиновых смесей — смешение каучука с серой и наполнителями (с последующей вулканизацией).
• Утилизация отходов — компаундирование вторичных полимеров с добавками для повторного использования.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое качество смешения — за счёт многократного перетирания материала между шнеками достигается равномерное распределение компонентов (до 0,1% отклонения).
• Гибкость — модульная конструкция позволяет перенастраивать машину под разные рецептуры.
• Точный контроль температуры — секционный обогрев и охлаждение минимизируют перегрев и деструкцию материала.
• Возможность переработки вязких и термочувствительных материалов — ПВХ, полиэтилен высокой плотности, резиновые смеси.

Недостатки

• Высокая стоимость — двухшнековые экструдеры в 2–3 раза дороже одношнековых аналогов при равной производительности.
• Сложность обслуживания — требуется квалифицированный персонал для разборки и замены шнековых элементов.
• Ограниченная длина — из-за высоких крутящих моментов длина шнеков редко превышает 60 диаметров.
• Шум и вибрация — особенно на высоких скоростях (свыше 400 об/мин).

Интересные факты

• Самые мощные двухшнековые экструдеры (например, Coperion ZSK 320) имеют производительность до 100 тонн в час и используются для компаундирования полиолефинов.
• В России двухшнековые экструдеры применяются для переработки вторичных полимеров: около 30% всех ПЭТ-бутылок перерабатываются в гранулы с помощью таких машин.
• В пищевой промышленности двухшнековые экструдеры позволяют создавать продукты с заданной текстурой — от хрустящих хлопьев до пористых снеков.
• Первый двухшнековый экструдер для пищевых продуктов был запатентован в 1958 году в США компанией Wenger Manufacturing.

Источники

• Рябинин Д. Д., Соколов М. В. «Экструзия полимеров: оборудование и технология». — М.: Химия, 2018.
• Калинчев Э. Л., Саковцева М. Б. «Оборудование для переработки пластмасс». — М.: Машиностроение, 2015.
• Техническая документация производителей: Coperion GmbH (Германия), KraussMaffei Berstorff (Германия), «Кузполимермаш» (Россия).
• Стандарт ГОСТ 22032-76 «Экструдеры двухшнековые. Типы и основные параметры».