8.3. Сущность и экономическая оценка технологических процессов переработки топлива
Топливом называются твердые, жидкие и газообразные горючие вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности.
В результате химической переработки различных топлив получают огромное количество углеводородного сырья для производства пластических масс, химических волокон, синтетических каучуков, лаков, красителей, растворителей и т.п. Так, например, при коксовании углей получают: бензол, толуол, ксилолы, фенол, нафталин, антрацит, водород, метан, этилен и другие продукты. При добыче нефти из нее выделяют "попутные" газы, которые содержат метан, этан, пропан, бутан и другие углеводороды, используемые в химической промышленности.
Источниками углеводородного сырья служат также газы, полученные в результате переработки нефти (крекинге, пиролизе, риформинге). Эти газы содержат предельные углеводороды - метан, этан, пропан, бутан и непредельные углеводороды - этилен, пропилен и др. Кроме того, при переработке нефти могут быть получены и ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилол и их смеси.
Одним из важнейших видов химического сырья является природный газ, содержащий до 98% метана. Древесина и древесные отходы являются источником получения целлюлозы, этилового спирта, уксусной кислоты, фурфурола и ряда других продуктов. Из сланцев и торфа производят горючие газы, сырье для производства масел, моторных топлив, высокомолекулярных соединений и т.п.
Сжигание топлива обеспечивает энергией тепловые электростанции, промышленные предприятия, транспорт, быт. Значение топлива как химического сырья с каждым годом растет.
Поскольку в мировом топливном балансе повышается роль твердого топлива, то во всем мире разрабатывают методы получения из углей и сланцев дешевого жидкого и газообразного топлива, а также химического сырья.
Развитие угольной и ядерной энергетики даст в будущем возможность прекратить потребление нефти и природного газа в энергетических целях и полностью передать эти виды топлива в сферу промышленности как сырье для химической промышленности, а также для синтеза белков и жиров.
Все топлива по агрегатному состоянию делятся на твердые, жидкие и гааообразные; по происхождению - на естественные и искусственные {См.табл.}.
Искусственные топлива получают в результате переработки естественных топлив.
Виды топлива
|
Агрегатное состояние топлива |
Т О П Л И В О |
|
|
естественное |
искусственное |
|
|
Древесина, торф, уголь, сланцы |
Кокс, полукокс, древесный уголь |
|
|
Бензин, керосин, лигроин, мазут |
||
|
Газообразное |
Природный газ, попутные газы |
Кокосовый газ, генераторные газы, газы нефтепереработки |
Твердые топлива состоят из горючей органической массы и негорючей, или минеральных примесей и баласта. Органическая часть топлива состоит из углерода, водорода и кислорода. Помимо этого в ней могут содержаться азот и сера. Негорючая часть топлива состоит из влаги и минеральных веществ. Важнейшим жидким топливом является нефть.
Нефть содержит 80-85% углерода, 10-14% водорода и представляет собой сложную смесь углеводородов. Помимо углеводородной части в нефти имеются небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси. Углеводородная часть нефти состоит из углеводородов трех рядов: парафинового (алканы), нафтенового (циклены) и роматического (арены).
Газообразные парафиновые углеводороды от СН 4 до С 4 Н 10 находятся в нефти в растворенном состоянии и могут быть выделены из нее в виде попутных газов при добыче нефти. Жидкие парафиновые углеводороды от С 5 Н 34 до С 15 Н 34 составляют основную массу жидкой части нефти и жидких фракций, получаемых при ее переработке.
Твердые парафиновые углеводороды от С 16 Н 34 и выше растворены в нефти и могут быть выделены из нее.
Нафтеновые углеводороды представлены в нефти главным образом производными циклопентана и циклогексана.
Ароматические углеводороды содержатся в нефти, в виде бензола, толуола, ксилола в небольших количествах.
Неуглеводородная часть нефти состоит из сернистых, кислородных и азотистых соединений. Кислородные соединения - это нафтеновые кислоты, фенолы, смолистые вещества.
Минеральные примеси - это механические примеси вода, минеральные соли, зола.
Механические примеси - твердые частицы песка, глины, пород - выносятся из недр земли с потоком добываемой нефти. Вода в нефти присутствует в двух видах: свободная, отделяемая от нефти при отстаивании; в виде стойких эмульсий, которые могут быть разрушены только специальными, методами.
Минеральные соли, например, хлориды магния и кальция, растворены в воде, содержащейся в нефти.
Зола составляет в нефти сотые, и даже тысячные доли процента.
Твердые топлива перерабатывают следующими методами: пиролиз, или сухая перегонка, газификация и гидрирование.
Пиролиз осуществляется при нагревании топлива без доступа воздуха. В результате протекают физические процессы, например испарение влаги, и химические процессы - превращение компонентов топлива с получением;ряда химических продуктов. Характер отдельных процессов, протекающих при переработке различных топлив, различен.
В основном все они требуют подвода тепла извне. Нагрев реакционных аппаратов производится горячими дымовыми газами, которые передают тепло топливу через стенку аппарата или же при непосредственном соприкосновении с топливом.
Газификация - процесс переработки топлива, при котором органическая часть его превращается а горючие газы в присутствии воздуха, водяного пара, кислорода и других газов. Этот процесс экзотермический. Температура газификации составляет 900-1100 °С.
Гидрирование - переработка твердого топлива, при которой под влиянием высокой температуры, при действии водорода и в присутствии катализаторов происходят химические реакции, приводящие к образованию продуктов, более, богатых водородом, чем исходное сырье. Качество и количество продуктов, полученных при гидрировании, зависит от вида перерабатываемого топлива, от условий проведения процесса и ряда других факторов.
Методы переработки нефти различны и их можно разделить на две группы: физические и химические.
Физические методы переработки основаны на использовании физических свойств фракций, входящих в состав нефти. Химических реакций при, этих методах переработки не протекает. Наиболее распространенным физическим методом переработки нефти является ее перегонка, при которой нефть разделяет на фракции.
Химические методы переработки основаны на том, что под влиянием высоких температур и давления в присутствии катализаторов углеводороды, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах, претерпевают химические превращения, в результате которых образуются новые вещества.
Термический крекинг- химический метод переработки нефти, суть которого заключается в расщеплении длинных молекул тяжелых углеводородов, входящих в высоко-кипящие фракции, на более короткие молекулы легких, низкокипящих продуктов Термический крекинг протекает при высоких температурах 450-500 °С и повышенном давлении. Термический крекинг, проводимый при температуре 670- 1200 °С и при атмосферном давлении называется пиролизом.
Каталитическим называется крекинг с применением катализатора. Применение катализатора позволяет снизить температуру крекинга и не только увеличить количество получаемых продуктов, но и улучшить их качество. Катализаторами служат глины типа бокситов, а также синтетические алюмосиликаты, содержащие 10-25% А1 2 О 3 , SiO 2 . Температура крекинга - 450 - 500 °С. Процесс идет при повышенном давлении.
Разновидностью каталитического крекинга является риформинг. Катализатором служит платина, нанесенная на окись алюминия.
С помощью вышеописанных методов переработки естественных топлив получают искусственные твердые, жидкие и газообразные топлива, а также важнейшие виды нефтепродуктов.
В результате коксования углей получают следующие продукты:
1. Кокс - продукт темно-серого цвета, пористость которого составляет 45-55%, содержит 97-98% углерода. В зависимости от назначения делится на:
а) доменный кокс - крупный, более 40 мм в диаметре, прочный и пористый. По содержанию серы подразделяется на марки КД-I, КД-2, КД-3. Содержание серы не должно превышать 1,3-1,9%;
б) литейный кокс (марки КЛ). Нижний предел крупности- 25 мм в диаметре. Содержание серы в нем допускается не выше 1,2-1,3%. Он имеет меньшую пористость и прочность по сравнению с доменным коксом;
в) коксовый орешек (КО) применяется для производства ферросплавов. Размер 10 - 25 мм в диаметре. Коксик - фракция от 10 до 20 мм - применяется для газификации;
г) коксовая мелочь (фракция диаметром менее 10 мм) применяется для агломерации;
д) кокс, не пригодный для технических нужд из-за большого содержания золы и серы, а также вследствие низких механических свойств, используется в качестве топлива.
Обратный коксовый газ содержит 60% водорода и 25% метана, остальное - азот, окись углерода, углекислый газ, кислород, непредельные углеводороды. Применяется для подогрева воздушного дутья в доменных печах, для обогрева сталеплавильных, коксовых и других печей, а также служит сырьем для производства водорода и аммиака.
Сырой бензол состоит из бензола, толуола, ксилола, сероуглерода, фенолов и др. Вещества, входящие в состав сырого бензола, широко используются в производстве полимеров, красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ, ядохимикатов и др.
4. Каменноугольная смола является смесью ароматических углеводородов. Ее используют для производства красителей, химических волокон, пластических масс, в фармацевтической промышленности, а также для производства различных технических масел.
Продукты прямой перегонки нефти можно разделить на три группы: топливные фракции, масляные дистилляты и гудрон. Наиболее ценной топливной фракцией являются бензины, в состав которых входят углеводороды с температурой кипения 180-200 °С. Бензины применяются как компоненты автомобильных и авиационных бензинов и в качестве растворителей.
Лигроины включают углеводороды с температурами кипения 105-220 °С. Легкий лигроин (с температурой кипения 105 - 150 °С) используется как сырье для дальнейшей переработки на бензины, а тяжелый - как компонент реактивных топлив или растворителей для лакокрасочной промышленности.
Керосины - углеводородная фракция с температурами кипения 140-330 °С; Применяются в качестве осветительного керосина, а также в качестве реактивных и дизельных топлив.
Газойль - фракции с температурами кипения до 400 °С. Легкий газойль (соляр) является основой дизельных топлив. Тяжелые газойли являются сырьем для дальнейшей переработки.
Maзут - фракция, включающая углеводороды, парафин, маслянистые и смолистые вещества с температурой кипения свыше 300 °С. Легкие мазуты применяются в качестве котельного топлива и топлива газовых турбин; тяжелые идут на дальнейшую переработку.
Масляные дистилляты - фракции, состоящие из углеводородов С 20 –С 70 . Температуры кипения веществ, входящих в их состав, составляют от 350 до 550 °С. Масляные дистилляты применяют для получения большого количества смазочных и специальных масел.
Гудрон состоит из смолистых веществ, парафинов и некоторого количества тяжелых углеводородов циклического строения. Гудрон - полупродукт для получения битумов и кокса. Некоторые виды гудрона применяются в качестве мягчителей для резиновой промышленности.
Продуктами крекинга являются: крекинг-бензины, крекинг-газы и крекинг-остаток.
Крекинг-бензины применяют в качестве компонентов автомобильных бензинов. Крекинг-газы используются в качестве топлива и как сырье для синтеза органических соединений. Крекинг-остаток является смесью смолистых и асфальтовых веществ с некоторым количеством непрореагировавшего сырья. Применяется крекинг-остаток как котельное топливо и сырье для производства битума.
К технико-экономическим показателям нефтеперерабатывающей и коксохимической промышленности относятся: производительность и мощность оборудования, интенсивность процесса, производительность труда, себестоимость продукции, капитальные затраты. Коксохимическая и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности характеризуются высокой материале- и энергоемкостью.
Затраты на сырье при производстве нефтепродуктов составляют 50-75%. Следовательно, основным фактором, влияющим на себестоимость, является снижение затрат на тонну выпускаемой продукции, которое можно осуществить совершенствованием технологических процессов переработки нефти и кокса, применением каталитических процессов, более совершенных аппаратов и комплексной автоматизации, что ведет к сокращению капитальных затрат, затрат на энергию и пар, повышение производительности
Полимерами называются продукты химического соединения одинаковых молекул в виде многократно повторяющихся звеньев. Молекулы полимеров состоят из десятков и сотен тысяч атомов. К полимерам относятся: целлюлоза, каучуки, пластмассы, химические волокна, лаки, клеи, пленки, различные смолы и др.
По своему происхождению полимерные материалы делятся на природные и синтетические . К природным относятся: крахмал, канифоли, белки, натуральный каучук и др. Основную массу полимерных материалов, применяемых в современной промышленности, составляют синтетические полимеры. Они получаются с помощью реакций полимеризации (без образования побочных продуктов), например получение полиэтилена, и поликонденсации (с образованием побочных продуктов), например получение фенолформальдегидных смол.
Получение полимеров по реакции полимеризации осуществляется следующим образом. В реакцию полимеризации вступают органические вещества, содержащие в молекуле двойные связи. Под воздействием света, тепла, давления или в присутствии катализаторов молекулы веществ за счет раскрытия двойных связей соединяются друг с другом, образуя полимер.
При получении полимеров по реакции поликонденсации в реакцию вступают два мономерных продукта с образованием полимера и побочного продукта.
Среди полимерных материалов особое место принадлежит пластмассам. Это материал, в состав которого в качестве основного компонента входят высокомолекулярные синтетические смолы. Их получают путем химического синтеза простейших веществ, извлекаемых из столь доступного сырья, как уголь, известь, воздух, нефть.
Главное преимущество использования пластмасс по сравнению с другими материалами – это простота переработки их в изделии. Присущие им пластические свойства позволяют с помощью пресс-автоматов, автоматов для литья и др. изготавливать в час сотни деталей сложных конфигураций. При этом расход материалов минимальный (практически нет отходов), уменьшается количество станков и обслуживающего персонала, сокращается расход электроэнергии. Ввиду этого требуется значительно меньше капиталовложений в организацию производства изделий из пластмасс.
Методы переработки пластмасс и изготовления пластмассовых изделий зависят от отношения пластмасс к температуре. Выделяют термопластичные и термореактивные пластмассы .
К термореактивным относятся пластмассы, которые при нагревании до определенной температуры размягчаются, а затем переходят необратимо в неплавкое и нерастворимое состояние. Термореактивные пластмассы после отвердевания не могут быть переработаны повторно и поэтому называются необратимыми. Примером термореактивных пластмасс могут служить фенопласты. Изделия из термореактивной пластмассы получают методом прессования в пресс-формах. Последние имеют внутреннюю полость, соответствующую форме и размерам будущего изделия, и обычно состоят из двух разъемных частей – матрицы и пуансона. Матрица укрепляется на нижней плите пресса, пуансон – на подвижном ползуне пресса. Отмеренное количество пресс-порошка, нагретого до 90 – 120 °С, подается в матрицу, имеющую температуру, необходимую для прессования. Под воздействием тепла от нагретой матрицы полимер размягчается и приобретает необходимую пластичность. Под действием пуансона размягченный материал заполняет полость пресс-формы. При этом в термореактивной смоле проходят сложные химические превращения, приводящие к образованию неплавкого материала. Затвердевание изделия происходит в форме, находящейся под давлением. После определенной выдержки изделие извлекается из пресс-формы. Температура, давление и время прессования определяются свойствами прессуемых материалов. Кроме того, для переработки термореактивных пластмасс применяют и метод выдавливания, или экструзию. Этим методом получают изделия плоской (листы, пленки) или цилиндрической (стержни, трубы) формы.
Для получения изделий из термопластичной пластмассы применяют следующие способы: литье под давлением, экструзию (выдавливание) и формование из листа . Их применение обусловлено термопластичностью материала.
Наиболее применимый способ переработки термопластичных пластмасс – литье под давлением. Выполняется на специальных литьевых машинах. Порошкообразный или гранулированный полимер подается в обогреваемый цилиндр литьевой машины, где и расплавляется. При охлаждении термопластичный полимер застывает и приобретает вид детали.
Также при переработке пластмасс в изделия применяют формовку, штамповку, механическую обработку резанием, выдувание пустотелых изделий. Все способы характеризуются коротким технологическим циклом, небольшими затратами труда и легкостью автоматизации.
Синтетические волокна получают из синтетических высокомолекулярных смол. Большую группу составляют полиамидные волокна – капрон, нейлон. Они характеризуются высокой прочностью, эластичностью, стойкостью к действию щелочи, электроизоляционной стойкостью. К группе полиэфирных волокон относится лавсан. Он используется для производства тканей, трикотажных изделий, электроизоляционных материалов. Отличается высокой механической прочностью.
Технологический процесс получения химических волокон включает следующие стадии:
1) приготовление прядильной массы;
2) формование волокна;
Отделка.
Каучук – характерный представитель высокомолекулярных (полимерных) соединений. Он является основной составной частью резины, бывает растительного происхождения (натуральный) и синтетический. Наиболее широкое применение в промышленности получил синтетический каучук. Его химический состав и строение, а также физические свойства могут быть весьма разнообразны и сильно отличаться от свойств натурального каучука, в чем и заключается преимущество синтетических каучуков.
Основным сырьем для производства синтетических каучуков являются попутные газы нефтепереработки, этиловый спирт и ацетилен. Основные методы получения – полимеризация и поликонденсация. При переработке каучуки превращают в резину. Она характеризуется высокой эластичностью, сопротивлением к истиранию, изгибам, обладает газо- и водонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами, стойкостью к агрессивным средам.
Резину получают добавлением к каучуку ряда компонентов (ингредиентов). Затем эту смесь подвергают вулканизации. Вулканизация заключается в образовании мостиков между линейными молекулами каучука и получении трехмерной пространственной молекулярной структуры. Такая структура приводит к повышению термической стойкости и прочности материала, к уменьшению его растворимости и увеличению химической стойкости. Наиболее распространенным вулканизатором является сера, она же определяет и твердость резины. Также вводятся различные наполнители как для улучшения свойств (сажа, цинковые белила, каолин, противостарители), так и для удешевления (мел, тальк).
Резиновые изделия изготавливают: методом шприцевания, штамповкой, литьем под давлением, окунанием моделей в латекс и др. Разделяют резиновые изделия по назначению и условиям эксплуатации.
В химической промышленности наибольшие расходы приходятся на сырье и составляют в среднем 60 – 70 % себестоимости, а на топливо и энергию – около 10 %. Амортизационные отчисления составляют 3 – 4 %, заработная плата основных производственных рабочих колеблется от 3 до 20 % себестоимости продукции и зависит от типа производства.
Наблюдаемое в настоящее время в России становление машиностроительной индустрии, обеспечивающей реализацию технологических процессов производства полимерной тары и упаковки, как и всякая новация, сопровождается появлением всякого рода проблем, на которые и хотели бы обратить ваше внимание.
Появление новой области промышленной индустрии обусловило и появление специальной терминологии, которая достаточно широко, но, к сожалению, не всегда правильно употребляется, даже в среде специалистов. Такая ситуация создаёт вполне определённые трудности не только в восприятии различного рода информационных материалов о полимерной упаковке и оборудовании для её производства, но, что ещё более неприемлемо, зачастую вводит в заблуждение, формируя ложные представления по тем или иным аспектам, связанным с производством и использованием полимерной упаковки. Попробуем разобраться с основными определениями, понятиями и экономическими категориями, сопровождающими процессы производства полимерных упаковочных средств и оборудование для их реализации.
Если обратиться к ГОСТ 17527-86 "Упаковка. Термины и определения", то станет понятно, что под упаковкой понимается некий комплекс защитных мер и материальных средств (курсив наш), обеспечивающих подготовку различного рода продукции к транспортированию и её материальную сохранность. Из приведённого определения ясно, что разработчики ГОСТ стремились в одном определении совместить понятие об упаковке как о комплексе технологических процессов, обеспечивающих упаковывание продукции с помощью специального оборудования или вручную, с одной стороны, а с другой - как о материальных средствах (конкретных видах изделий), обеспечивающих защиту продукции от повреждения или потерь в процессе транспортировки, складирования и хранения. Отсюда и совершенно разный смысл, который может вкладываться в термин "упаковка". Не будем обсуждать достоинства или недостатки данного определения, но отметим тот факт, что оно совсем не затрагивает такого понятия как "тара", которая является неотъемлемым, а иногда и единственным элементом (средством) упаковки, и также представляющая собой конкретные виды изделий для размещения продукции. Во многих конкретных случаях достаточно сложно разграничить понятия "тара" и "упаковка", а поэтому в литературе часто пользуются обобщённым понятием, определяемым как тароупаковочное средство. О технологиях производства таких средств из полимерных материалов и оборудовании для их реализации и пойдёт речь ниже.
В мировой практике существует большое разнообразие технологических методов переработки полимерных материалов в тароупаковочные средства, реализуемых на соответствующих видах специального оборудования. Наиболее распространены среди них следующие: литьевое (инжекционное) формование, экструзионно- и инжекционно-раздувное формование, пневмо- и вакуумформование, механотермоформование , а также экструзионные технологии получения листовых и плёночных материалов . Рассмотрим существо этих технологических методов, учитывая, что полимерные тароупаковочные средства изготавливаются из термопластичных полимерных материалов, часто называемых термопластами.
Метод литьевого (инжекционного) формования термопластов (рис.1) заключается в том, что исходный полимерный материал в виде гранул или порошка загружается в бункер литьевой машины, где захватывается вращающимся шнеком (червяком) 3 и транспортируется им вдоль оси пластикационного обогреваемого цилиндра 2 в его сопловую часть, переходя при этом из твёрдого состояния в состояние расплава. По мере накопления необходимого объёма расплава полимера 4 последний впрыскивается за счёт поступательного перемещения шнека через специальное сопло 5 в сомкнутую охлаждаемую литьевую форму 1 . Заполнивший полость формы расплав полимера удерживается в ней какое-то время под давлением и остывает. Далее литьевая форма раскрывается, готовое изделие 6 удаляется из её полости, а цикл формования повторяется.
Метод реализуется с помощью специального оборудования, называемого литьевыми машинами (выпускавшиеся ранее в СССР литьевые машины носят название "термопластавтоматы" ), и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами формования изделий из полимеров: высокая производительность, высокий уровень механизации и автоматизации реализуемого процесса, отсутствие этапа получения заготовки для формования изделий, небольшое количество отходов, возможность формования изделий с практически любым заданным распределением толщины стенок. К недостаткам следует отнести невозможность формования полых изделий закрытого типа (бутылок, канистр, и т. п.) и крупногабаритных изделий. Вместе с тем, как ни один другой, этот метод имеет хорошо развитую теоретическую базу, научно обоснованные и широко применяемые в практике методы расчёта и конструирования формующего инструмента для его реализации, обеспечивающие производство изделий с задаваемыми параметрами.
Реализация метода экструзионно-раздувного формования полимерной тары и упаковки (рис.2) заключается в следующем: исходный полимерный материал в виде гранул или порошка пластицируется вращающимся шнеком экструдера (червячного пресса) в его обогреваемом цилиндре и продавливается (экструдируется) через формующий инструмент - кольцевую экструзионную головку 1 , выходя из него в виде трубчатой (рукавной) заготовки 2 и попадая в пространство между разомкнутыми половинами охлаждаемой раздувной формы 4 , смонтированными на подвижных плитах приёмного устройства. По достижению заготовкой определённой длины полуформы смыкаются с захватом заготовки и её раздуванием сжатым газом, подаваемым в полость заготовки через раздувной ниппель 3 . После охлаждения раздувные формы размыкаются, и готовое полое изделие 5 снимается с раздувного ниппеля. Далее цикл формования повторяется.
Данный метод обладает рядом преимуществ: простота технологии и возможность полной автоматизации процесса формования, высокая производительность в сочетании с возможностью совмещения производства тары в одном потоке с производством затариваемой продукции, её расфасовкой, укупоркой, этикетированием тары и т. п., относительно невысокая стоимость технологического оборудования и формующего инструмента (раздувных форм, экструзионных головок). К основным недостаткам метода следует отнести следующее: его реализация протекает в два этапа (получение трубчатой заготовки и её последующее раздувное формование в изделие), что требует наличия двух типов формующего инструмента (экструзионной головки для получения заготовки и раздувной формы); получаемые изделия обладают значительной разнотолщинностью (неоднородностью толщины стенок); наличие технологических отходов. Однако достоинства и технико-экономические показатели метода устойчиво обеспечивают не только "выживаемость", но и его развитие в условиях рынка. Так, например, в последнее время появились сведения о новых разновидностях метода экструзионно-раздувного формования и формующих элементах оборудования для их реализации. Отдельными исследованиями показано, что, например, принудительное растяжение заготовки в процессе её раздувания в сочетании с интенсивным охлаждением изделий приводит к изменениям в структуре полимеров, влияющим на их эксплуатационные характеристики (прочность, газопроницаемость, теплопроводность и т.п.). Однако пока эти разновидности не получили широкого распространения в производстве упаковки.
Разнотолщинность полимерной тары и упаковки, получаемых методом экструзионно-раздувного формования, обусловлена несколькими причинами. Одна из них заключается в гравитационной вытяжке заготовок в процессе их экструзии через формующий инструмент. Для борьбы с этим явлением разработано несколько способов. Например, для снижения гравитационной вытяжки заготовок оптимизируют скорость экструзии заготовок. Широко также применяется "программирование" заготовки, когда её гравитационная вытяжка компенсируется за счёт целенаправленного изменения толщины стенки последней в процессе экструзии. Для этого используются экструзионные головки специальных конструкций, позволяющие в процессе экструзии по определённой программе управлять шириной формующего кольцевого зазора головки. Успех "программирования" заготовки зависит от корректности решения задачи о её гравитационной вытяжке, представляющего собой функцию управления формующим зазором экструзионной головки. В соответствии с этой функцией программируются командно-задающие устройства, управляющие работой экструзионно-раздувных агрегатов.
Управление формующим зазором инструмента (кольцевой экструзионной головки) используется и для получения "программированных" трубчатых заготовок, обеспечивающих производство изделий с заданным распределением толщины их стенок. Задача определения функции управления формующим зазором головки в этом случае гораздо сложнее, чем в предыдущем. На практике функцию управления подбирают опытным путём при формовании каждого конкретного изделия.
С этой целью сначала экструдируют заготовку с постоянной толщиной стенки, нанося на её поверхность маркировку, а затем раздувают её в изделие. Полученное изделие разрезают и анализируют распределение толщины стенок, сравнивая с заданным. Затем вся процедура повторяется, но с той разницей, что при экструзии заготовки за счёт изменения зазора формующего канала головки увеличивают или уменьшают толщину стенки заготовки в необходимых (согласно маркировке) местах в соответствии с результатами предыдущего эксперимента. Полученное изделие вновь подвергают анализу, и так продолжают до тех пор, пока распределение толщины стенок в получаемом изделии не будет соответствовать заданному. Такая процедура, повторяемая иногда до десятка и более раз, требует определённых трудозатрат, расхода сырья, тепло- и энергоносителей. Более того, зачастую оказывается, что спроектированная конструкция изделия вообще не позволяет отформовать его с заданным распределением толщины стенок.
Ещё одна важная практическая проблема, которую приходится решать при реализации рассматриваемого метода состоит в необходимости учёта явления высокоэластического восстановления, наблюдаемого при экструзии заготовок и заключающегося в изменении геометрических размеров ("разбухании") экструдата по отношению к геометрическим размерам формующего канала инструмента. Не вдаваясь в анализ теоретических представлений о существе этого процесса и способах его описания, подчеркнём лишь актуальность учёта этого явления с точки зрения расчёта и конструирования геометрических параметров профилирующих элементов (дорнов и мундштуков) экструзионных головок, обеспечивающих получение заготовок с заданными геометрическими параметрами.
Метод инжекционно-раздувного формования заключается в том, что на первой стадии процесса методом литьевого формования (см. выше) получают трубчатую заготовку, называемую преформой, которую затем раздувают в полое изделие. Данный метод может осуществляться по двум технологическим схемам. Первая из них предусматривает раздувное формование полученных заготовок сразу, после стадии литьевого формования. Для этого литьевые машины, обеспечивающие формование заготовок, оснащаются дополнительным узлом, в котором осуществляется раздувание заготовок в изделия. В этом случае отливаемые трубчатые заготовки, остающиеся на полых сердечниках, после раскрытия литьевой формы переносятся в узел раздувного формования, оснащённый раздувными формами, в котором и происходит раздувание заготовок в изделия. В соответствии со второй схемой (рис.3) стадии получения заготовок и их раздувного формования в изделия осуществляются отдельно друг от друга. В этом случае для получения преформ применяются обычные литьевые машины, оснащённые формующим инструментом, но стадия раздувного формования преформ в изделия осуществляется на специальных раздувных линиях, содержащих бункер-накопитель, устройство для ориентации и перемещения заготовок, устройство для разогрева заготовок 1 , узел раздувного формования разогретых заготовок 2 в изделия 5 , оснащённый раздувными полуформами 4
И раздувным ниппелем 3 . К преимуществам данного метода следует отнести высокую степень механизации и автоматизации, а также высокую производительность оборудования: линии для раздувного формования полых изделий из инжекционных заготовок, выпускаемые фирмами "Сидель" (Франция), "Крупп-Каутекс" (Германия), позволяют производить от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч изделий в час. Недостатки этого метода формования заключаются в высокой стоимости основного технологического оборудования и формующего инструмента, используемого для его реализации; во-вторых, промышленном использовании практически пока только одного полимерного материала - полиэтилентерефталата. Кроме того, производимые изделия также обладают разнотолщинностью.
Метод пневмо - и вакуумформования полимерных изделий (рис.4) заключается в том, что закреплённая по контуру в зажимном устройстве 4 и установленная над формой (формующей матрицей) 3 плоская (листовая или плёночная) заготовка 1 разогревается нагревательным устройством 2 до определённой температуры, а затем под действием перепада давления, создаваемого между поверхностями заготовки, происходит её формование в изделие 5 . Известно много разновидностей данного метода, в которых перепад давлений обеспечивается различными способами. Наибольшее распространение получили два из них: создание избыточного пневматического давления над заготовкой и вакуумирование объёма полости под ней.
Данный метод реализуется на различных типах вакуумформовочных машин, установках для механопневмоформования и разного рода нестандартном оборудовании. К его основным достоинствам следует отнести возможность производства крупногабаритных изделий, простоту технологии, относительно невысокую стоимость основного оборудования и формующего инструмента. Основные недостатки связаны с невысокой производительностью, наличием вспомогательных технологических операций (раскрой и вырезка заготовок для формования, механическая обработка готовых изделий), зависимостью от наличия исходных заготовок и достаточно большим количеством технологических отходов. Развитие и совершенствование метода направлено на создание автоматизированных машин и линий, обеспечивающих высокую производительность и отсутствие дополнительной механической обработки изделий в сочетании с их удовлетворительным качеством.
Метод механотермоформования (рис.5) отличается от метода пневмо- и вакуумформования только тем, что формование изделия 5 из плоской заготовки 1 осуществляется за счёт поступательного перемещения формующего пуансона 3 , вытягивающего предварительно нагретую устройством 2 заготовку, закреплённую в зажимном устройстве 4 .
Метод реализуется на вакуумформовочных машинах, специальном штамповочном оборудовании и линиях производства тары из рулонных материалов. Соответствующие современные автоматические линии (например, германской фирмы "Иллиг") характеризуются очень высокими параметрами: скорость движения рулонного материала достигает нескольких десятков метров в минуту, а штучная производительность - до десятков тысяч изделий в час. Это обеспечивает конкурентоспособность метода даже по отношению к литьевому формованию изделий из полимеров. К основным его недостаткам следует отнести зависимость от наличия листового или рулонного материала, относительно большое количество отходов и ощутимую разнотолщинность получаемых изделий.
Экономическая целесообразность той или иной технологии определяется, прежде всего, серийностью производства изделия, что наглядно демонстрируется сравнительными данными, приведёнными в таблице, где за относительные условные единицы капитальных затрат и себестоимости производства 20-литровой ёмкости из полиэтилена приняты параметры, соответствующие её формованию пневмовакуумным методом.
Кроме рассмотренных технологических методов, обеспечивающих, как правило, производство жёстких видов полимерной тары и упаковки, существуют технологии производства мягких упаковочных средств, к которым относятся полимерные плёнки и изделия из них (пакеты, мешки и т.п.). Заметим, что в популярной литературе достаточно часто понятие "полимерные плёнки" связывают с неким понятием "гибкие упаковочные материалы " . Хотелось бы обратить внимание на бессмысленность последнего понятия вообще: можно говорить лишь о свойстве различных материалов, полимерных в том числе, сопротивляться деформированию, вызываемому внешней нагрузкой. А вот сама сопротивляемость связывается в технике с совершенно чётким и давно известным понятием о жёсткости конструкции (именно конструкции, а не материала), определяемой её геометрией и свойствами материала, из которого она изготовлена. Если говорить о конструкциях, жёсткость которых мала и которые, как следствие, не могут передавать изгибающих моментов, то такие конструкции, изготовленные из металлов, называются безмоментными (безмоментные оболочки, мембраны), а из полимерных материалов - мягкими. Кстати, именно по критерию относительной жёсткости плоские полимерные изделия делятся на листы и плёнки.
|
Методы производства и экономические
|
Годовой выпуск изделий, тыс. шт. |
||
|
Инжекционно-раздувное формование: |
|||
| себестоимость ……………………. | |||
|
Пневмовакуумное формование: капитальные затраты ……………. |
|||
| себестоимость ……………………. | |||
|
Экструзионно-раздувное формование: капитальные затраты ……………. |
|||
| себестоимость ……………………. | |||
Производство полимерных плёнок базируется на экструзионных технологиях , реализация которых имеет две разновидности. Технологию производства рукавных плёнок можно пояснить на примере работы плёночной линии (рис.6) .
Полимерное сырьё в виде гранул из загрузочного бункера 1
захватывается вращающимся шнеком червячного пресса 2
и транспортируется им внутри цилиндра
пресса, расплавляясь и гомогенизируясь. Далее получаемый расплав полимера продавливается вращающимся червяком через кольцевую экструзионную головку 10
, выходя из неё в виде трубчатой заготовки 3
, которая раздувается сжатым газом в рукавную плёнку 4
, охлаждаемую обдувочным кольцом 9
. Полученная рукавная плёнка складывается специальным устройством 5
и "отбирается" тянущим устройством 6
, с которого затем поступает на устройство 8
, обеспечивающее сматывание её в рулон 7
.
Однако не все полимерные материалы способны раздуваться в оболочечные конструкции, и описанная технология не годится для производства плёнок из таких материалов. В таких случаях применяют так называемый плоскощелевой метод, в соответствии с которым расплав полимера экструдируется через плоскощелевую экструзионную головку в виде полотна, которое "калибруется" в зазоре двух- или многовалковых гладильных каландров и окончательно охлаждается на рольганге (иногда и путём водяного орошения). Существующие технологии производства полимерных плёнок обеспечивают получение как однослойных, так и многослойных плёнок; производство последних сопряжено с большими сложностями как технологического, так конструктивного характера.
В заключение обратим внимание на один из самых важных аспектов производства полимерных тароупаковочных средств, которому, даже в специализированных отечественных периодических изданиях не уделяется должного внимания, что не поддаётся никакому разумному объяснению. Речь о том, что ни одно тароупаковочное полимерное средство не может быть изготовлено без формующего инструмента, которым должен быть оснащён тот или иной тип технологического оборудования. Производители же оборудования, как правило, формующим инструментом его не комплектуют (исключение составляют лишь плёночные линии). Эта ситуация вполне понятна и объяснима: производитель оборудования не может позволить себе заранее проектировать, а тем более изготавливать формующий инструмент "на все случаи жизни". Более того, в зависимости от сложности проектируемого к производству изделия, выбранной технологии его изготовления стоимость формующего инструмента может достигать уровня стоимости самого технологического оборудования. Например, оснащение экструзионно-раздувного агрегата угловой экструзионной головкой, обеспечивающей "программирование" толщины стенки экструдируемой заготовки, почти вдвое увеличивает его стоимость. В индустриально развитых странах эта проблема решена - там уже давно существуют специализированные фирмы, занимающиеся вопросами проектирования и изготовления формующего инструмента для переработки полимеров. У нас, в России, решение этой проблемы находится пока в зачаточном состоянии. Это приводит к тому, что проектируемый не всегда профессионально подготовленными специалистами формующий инструмент не может обеспечить производство изделий, качество которых отвечало бы мировым стандартам. Кроме того, не следует забывать, что проектируемый формующий инструмент для производства того или иного вида изделий во многом, если не вообще, определяет выбор типоразмера оборудования. Отсюда следует, что выбор оборудования и проектирование формующего инструмента - неразрывно связанные задачи, решение которых должно оптимизировать производственный процесс. В противном случае формующий инструмент либо вообще нельзя установить на оборудование, либо оно работает не на полную технологическую мощность, снижая экономические показатели производства.
Изложенное показывает, что производство тары и упаковки из полимерных материалов - весьма сложный, многоуровневый процесс, успешная реализация которого требует глубокой профессиональной подготовки не только в области экономики и технологий переработки полимеров, но прежде всего в области конструирования оборудования и формующего инструмента.
Полимерные материалы в ремонте машин
Полимерные материалы при ремонте машин применяются для восстановления размеров изношенных деталей, заделки трещин и пробоин, упрочнения резьбовых соединений и неподвижных посадок, антикоррозионной защиты, склеивания деталей и материалов, а также для изготовления деталей. Для этих целей наиболее часто применяются полиамидные смолы в виде гранул с белым или просвечивающим желтым оттенком (капроновый порошок). Они отличаются от других полимеров малым коэффициентом трения, значительной термоста-, бильностью, хорошей прорабатываемостью, высокой антикоррозионной и химической стойкостью, безвредны для работающих.
Полимерные материалы применяют как в чистом виде (полиэтилен, полистирол, капрон, полипропилен), так и в виде пластмасс. Для образования пластмасс к полимерному материалу добавляют ряд компонентов: наполнители (стеклянное волокно, асбест, цемент, металлические порошки), улучшающие физико-механические свойства пластмасс; пластификаторы (дибутилфталат, диакрилфталат, жидкий тиокол и другие), улучшающие пластичность и эластичность пластмасс; отвердители (полиэтиленполиамин и др.) для отвердения (полимеризации) пластмасс.
Нанесение полимерных покрытий с целью восстановления изношенных деталей имеет ряд преимуществ перед другими способами. Невысокая температура нагрева деталей (250…320 °С) перед нанесением покрытия не изменяет структуру металла. Полимерными покрытиями можно восстанавливать детали с большим износом (1… 1,2 мм), тогда как при хромировании восстанавливают детали с износом не более 0,5 мм. Покрытие, как правило, не нуждается в механической обработке, так как имеет чистую глянцевую поверхность и незначительную разницу в толщине слоя.
Основные операции восстановления деталей полимерными материалами включают подготовку деталей к восстановлению, нанесение покрытия, термическую обработку и контроль.
Подготовка детали к восстановлению заключается в изоляции мест, не подлежащих покрытию, и создании условий, обеспечивающих хорошую адгезию (прилипание) полимерного покрытия с металлом. Изоляцию производят алюминиевой либо латунной фольгой или жидким стеклом с мелом. Места же, подлежащие покрытию, обрабатывают абразивной крошкой или крошкой отбеленного чугуна и обезжиривают ацетоном или бензином.
В ремонтной практике применяется несколько способов нанесения полимерных покрытий на металлические поверхности. Наиболее распространены газопламенный, вихревый и вибрационный.
При газопламенном способе используют факел ацетиленового пламени. Струя воздуха с частицами полимерного порошка продувается через этот факел. Порошок расплавляется и, попадая на предварительно нагретую до температуры 2Ю…260 °С (в зависимости от марки применяемого порошка) поверхность детали, сращивается с ней, образуя наплавленный слой. После нанесения покрытия требуемой толщины подачу порошка прекращают и дополнительно прогревают деталь для того, чтобы сделать слой более ровным и плотным. Газопламенное напыление удобно применять для покрытия крупных деталей, используя установки УПН -4Л, УПН -6-63. Толщина покрытия практически не ограничена.
Покрытие металлических деталей полимерными материалами вихревым способом проводится на установках типа А-67М. Подготовленные детали нагревают в термопечи либо газовыми горелками до температуры 280… 300 °С и помещают в камеру установки. На высоте 50…100 мм от днища установки укреплена пористая перегородка, на которую насыпают порошкообразный слой капрона толщиной не менее 100 мм. Для изготовления пористой перегородки используют стеклоткань, керамику, войлок.
Через перегородку в камеру подается сжатый воздух, азот или углекислый газ под давлением 0,1…0,2 МПа. Частицы порошка равномерно покрывают деталь, плавятся и образуют равномерное покрытие. Напыление длится 8…10 с, во время напыления детали сообщается возвратно-поступательное движение. Чтобы получить требуемую толщину наносимого слоя, каждую деталь необходимо погружать в камеру несколько раз. После каждого погружения ее извлекают, чтобы порошок оплавился, и вслед за этим помещают в камеру установки вторично. Охлаждение восстановленной детали производят на воздухе, в воде или в минеральном масле при комнатной температуре.
Вибрационный способ напыления основан на свойстве сыпучих материалов течь под воздействием колебания, В вибрационной установке якорь и днище вибрируют с частотой 50 Гц. При этом происходят разрыхление и переход порошка капрона в псевдосжиженное состояние. Нагретую деталь, так же как и в вихревом способе, погружают в слой порошка и извлекают для его оплавления. Повторением этих операций обеспечивают требуемую толщину полимерного покрытия.
При быстром охлаждении расплавленного полиамида он затвердевает в виде прозрачной массы, обладающей пониженной износостойкостью. Поэтому охлаждать изделие и нанесенное на его поверхность полимерное покрытие следует медленно. При этом происходит его помрнение и образование более или менее крупных кристаллов. Такой хорошо кристаллизованный полиамид более тверд, чем прозрачный, а следовательно, и более износостоек.
Меньшее распространение получил струйный беспламенный метод напыления пластмасс, который заключается в том, что распыление порошка производится пистолетом-распылителем без нагрева порошка на предварительно подготовленную и нагретую поверхность. Детали, подлежащие восстановлению, после подготовки поверхности (обезжиривание, накатка, химическая очистка и травление, промывка) укладываются в алюминиевую оправку. На электропечи оправка вместе с деталями нагревается до температуры 240 °С, после чего пистолетом-распылителем с помощью подогретого сжатого воздуха порошок наносится на поверхность деталей. Частицы порошка расплавляются и образуют сплошное покрытие. В качестве пистолета-распылителя используют распылители, применяемые для окрасочных работ.
Недостатком этого способа является значительная потеря порошковых материалов при напылении и загрязнение воздуха.
Методом литья под давлением термопластичных материалов в ремонтной практике восстанавливают и изготовляют детали. Данный метод основан на выдавливании из обогревательного цилиндра литьевой машины разогретой пластмассы в гнездо сомкнутой пресс-формы. Литье под давлением проводится на термопластавтоматах ДБ-3329, литьевых машинах ПЛ-71 и др. Изношенная поверхность детали предварительно протачивается, чтобы слой пластмассы был не менее 0,5 мм на сторону. Если возможно, йа детали протачивают канавки, делают сверления.
Подготовленную деталь устанавливают в разогретую пресс-форму, имеющую номинальные размеры восстанавливаемой детали, и нагнетают в нее разогретую пластмассу под давлением 15…125 МПа. Деталь должна быть нагрета до температуры 230…290 °С. Наиболее распространенные термопластичные материалы, применяемые для восстановления деталей литьем под давлением,- капрон (поликапролактам) марки Б, смолы П-68, П-54, АК-7, отходы капрона.
Для улучшения качества полимерного покрытия рекомендуется последующая термическая обработка, например выдержка в течение 2 ч в масле при температуре 100…120 °С с дальнейшим охлаждением вместе с маслом.
Полимерные материалы, имеющие наибольшее применение при ремонте кузовов, условно делят на две группы: клеи и пластмассы.
Клеи предназначены для создания из различных материалов неразъемных соединений. Наиболее часто при ремонте кузовов и их деталей применяют следующие клеи:
— БФ-2 и БФ-4 - для склеивания металлических и неметаллических материалов, эксплуатирующихся при температуре от-60 до 60 °С;
— ФЛ-4С - для герметизации пространства между швами в клеесварных соединениях из стали, алюминиевых и других сплавов, а также для склеивания металлов и неметаллических материалов;
— 88-Н - для приклеивания холодным способом резины к металлам, стеклу и другим материалам, а также для склеивания резины с резиной;
— 88-НП-35, 88-НП-43, 88-НП-130 холодного отверждения - для крепления различных материалов к окрашенному металлу, стеклу при сборке кузовов автомобилей ВАЗ
.
Детали из органического стекла склеивают путем размягчения склеиваемых поверхностей дихлорэтаном. В качестве клея можно применять раствор, состоящий из 2…3% опилок органического стекла, растворенных в муравьиной кислоте или дихлорэтане. Для предотвращения быстрого испарения и загустения клея его хранят в закрытом сосуде при температуре 18…20 °С. Для получения рабочей вязкости загустевшего клея (концентрированный сироп) его разбавляют дихлорэтаном.
Эпоксидные клеи универсальны, приготовление и применение их несложно, и они не требуют давления при склеивании. При ремонте кузовов используют эпоксидные клеевые композиции, свойства которых зависят от их состава. Эпоксидные композиции изготовляют из составных частей, чаще всего из эпоксидной смолы ЭД-16 или ЭД-20, пластификатора-дибутилфталата, наполнителя и отвердителя. Эпоксидные смолы в полимерных композициях являются связующими, пластификаторы уменьшают хрупкость, увеличивают эластичность отвержденных эпоксидных смол, наполнители увеличивают теплопроводность, повышают коэффициент линейного расширения и снижают усадку смолы. Поэтому наполнители влияют на физико-механические и технологические свойства компаунда. В качестве наполнителей применяют слюдяную пыль, измельченный асбест, стальной или чугунный порошок и другие. Вид и количество отвердителя определяют скорость и степень изменения физического состояния композиции. Для заделки вмятин в кузовах и оперении обычно используют в качестве отвердителя полиэтиленполиамин или гексаметилендиамин, при которых отверждение композиции происходит без подогрева в нормальных температурных условиях.
Пластмассы используют для нанесения покрытий, заделки вмятин и сварных швов в кузовах. Термостойкая масса ТПФ -37 в виде термопорошка состоит из поливинилбутиральной смолы, полиэтилена, фенолформальдегидной смолы, наполнителя и стабилизатора. Термопорошок наносят на поверхности кузова газопламенным напылением.
К атегория: - Ремонтирование строительных машин