Шнековый экструдер

Шнековый экструдер — это технологическая машина непрерывного действия, предназначенная для переработки полимерных, пищевых, строительных и других материалов путём их пластикации, гомогенизации, сжатия и продавливания через формующую головку (фильеру). Основным рабочим органом является один или несколько вращающихся шнеков (червяков), размещённых в цилиндрическом корпусе. Шнековые экструдеры являются ключевым оборудованием в процессах экструзии — получения изделий или полуфабрикатов постоянного поперечного сечения (плёнок, труб, листов, профилей, гранул).

История

Принцип шнековой экструзии был впервые реализован в середине XIX века для производства макаронных изделий. В 1856 году английский инженер Джозеф Брама запатентовал устройство для непрерывного формования глиняных труб, однако широкое промышленное применение шнековые экструдеры получили лишь в начале XX века с развитием химической промышленности и переработки пластмасс.

В 1930-х годах немецкие инженеры разработали первые одношнековые экструдеры для переработки термопластов, что позволило наладить массовое производство полимерных изделий. В 1950-х годах появились двухшнековые экструдеры, обеспечивающие более интенсивное смешение и лучшую гомогенизацию материала. С 1970-х годов началось применение экструдеров в пищевой промышленности для производства кукурузных палочек, сухих завтраков и кормов для животных. В России и СССР серийный выпуск шнековых экструдеров освоен в 1960-х годах на предприятиях химического и пищевого машиностроения.

Устройство и принцип действия

Основными узлами шнекового экструдера являются:

• Привод — электродвигатель с редуктором, обеспечивающий вращение шнека с заданной скоростью (обычно 10–300 об/мин).
• Цилиндр (корпус) — стальная или биметаллическая гильза с системой обогрева (электрические нагреватели, индукционный нагрев) и охлаждения (воздушное или жидкостное). Внутренняя поверхность цилиндра часто имеет продольные канавки для улучшения захвата материала.
• Шнек (червяк) — винтовая деталь с переменной геометрией, состоящая из зон загрузки, сжатия и дозирования. В зависимости от конструкции шнек может иметь одно-, двух- или трёхзаходную нарезку.
• Фильера (экструзионная головка) — формующий инструмент, придающий расплаву требуемую форму поперечного сечения (круглую, прямоугольную, профильную).
• Система управления — контроллеры, регулирующие температуру по зонам цилиндра, скорость вращения шнека и давление в головке.

Принцип действия: сыпучий или гранулированный материал поступает из бункера в загрузочную зону, захватывается витками шнека и перемещается вдоль цилиндра. За счёт трения, внешнего нагрева и внутреннего сдвига материал разогревается до температуры плавления (для полимеров) или пластификации (для пищевых масс). В зоне сжатия происходит уплотнение и дегазация (удаление воздуха). В зоне дозирования материал гомогенизируется и под давлением (до 50–100 МПа) продавливается через фильеру.

Классификация

По количеству шнеков

• Одношнековые экструдеры — наиболее распространённый тип (до 80 % рынка). Просты в конструкции, обслуживании и эксплуатации. Используются для переработки большинства термопластов (полиэтилен, полипропилен, ПВХ) и пищевых продуктов.
• Двухшнековые экструдеры — имеют два параллельно расположенных шнека, вращающихся в одном направлении (сопряжённые) или в противоположных (встречные). Обеспечивают интенсивное смешение, самоочистку и возможность переработки труднотекучих материалов, наполнителей и смесей. Широко применяются в компаундировании (смешении полимеров с добавками) и производстве композиционных материалов.
• Многошнековые экструдеры (трёх-, четырёхшнековые) — используются в специальных технологиях, например, при переработке высоковязких или термочувствительных материалов.

По назначению

• Полимерные экструдеры — для переработки термопластов (полиэтилен, ПВХ, полистирол, полиамиды) и эластомеров (резиновые смеси).
• Пищевые экструдеры — для производства кукурузных палочек, хлебцев, сухих завтраков, соевого текстурата, кормов для животных и рыб. Отличаются возможностью регулировки температуры и влажности продукта.
• Строительные экструдеры — для изготовления пенополистирольных плит, профилей, оконных рам, труб и листов.
• Экструдеры для переработки отходов — для рециклинга полимерных материалов (плёнки, бутылки, канистры) с последующей грануляцией.

По типу привода

• С прямым приводом — шнек соединён с валом редуктора напрямую.
• С ременным приводом — используется ременная передача для изменения скорости вращения.
• С частотным регулированием — современные модели с инвертором, позволяющим плавно менять частоту вращения шнека.

Применение

Шнековые экструдеры являются универсальным оборудованием в ряде отраслей промышленности:

• Производство полимерных изделий: плёнка (до 12 м шириной), трубы (диаметром от 2 мм до 2 м), листы, профили, кабельная изоляция, гранулят.
• Пищевая промышленность: экструдированные закуски, сухие завтраки, макаронные изделия, корма для животных, соевые текстураты.
• Строительство: пенополистирольные плиты, оконные и дверные профили, сайдинг, террасная доска (древесно-полимерный композит).
• Медицина: производство катетеров, трубок, шприцев, контейнеров.
• Переработка отходов: рециклинг полимеров, производство вторичной гранулы, изготовление композитных материалов из отходов.

Характеристики и параметры

Основные технические параметры шнековых экструдеров:

• Диаметр шнека — от 20 мм (лабораторные) до 500 мм (промышленные).
• Отношение длины шнека к диаметру (L/D) — от 20:1 до 40:1 для полимеров, до 50:1 для пищевых продуктов.
• Производительность — от 5 кг/ч (лабораторные) до 10 т/ч (промышленные линии).
• Мощность привода — от 1 кВт до 500 кВт.
• Температура переработки — от 50 °C (для некоторых пищевых масс) до 450 °C (для фторопластов).
• Давление в головке — до 100 МПа (для полимеров), до 10 МПа (для пищевых продуктов).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Непрерывность процесса, высокая производительность.
• Возможность переработки широкого спектра материалов (от гранул до порошков).
• Точный контроль температуры и давления.
• Компактность по сравнению с другими типами экструдеров (например, поршневыми).
• Относительная простота обслуживания (для одношнековых моделей).

Недостатки:

• Ограниченная возможность переработки высоковязких или термочувствительных материалов без специальных модификаций.
• Износ шнека и цилиндра при переработке абразивных наполнителей (стекловолокно, минеральные добавки).
• Сложность настройки для двухшнековых экструдеров.
• Высокая стоимость многошнековых моделей.

Интересные факты

• Первый в мире шнековый экструдер для полимеров был запатентован в 1935 году в Германии.
• Самые мощные шнековые экструдеры (диаметр шнека до 500 мм) используются для производства полиэтиленовых труб большого диаметра.
• В пищевой промышленности экструдеры позволяют получать продукты с заданной текстурой — от хрустящих (кукурузные палочки) до пористых (хлебцы).
• В России крупнейшими производителями шнековых экструдеров являются заводы в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге и Новосибирске.

Источники

• Рябинин Д. Д., Ковалёв А. А. «Оборудование для переработки пластмасс». — М.: Химия, 2012.
• Шенкель Г. «Экструзия полимеров». — СПб.: Профессия, 2008.
• ГОСТ 26277-84 «Экструдеры одношнековые. Основные параметры».
• ГОСТ 34233-2017 «Экструдеры пищевые. Общие технические условия».
• Каталоги производителей: KraussMaffei, Coperion, Bühler, «Кузполимермаш».