RU2284914C1

RU2284914C1 - Double-screw extruder

Info

Publication number: RU2284914C1
Application number: RU2005112086/12A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Остриков (RU); Александр Николаевич Остриков; Александр Сергеевич Попов (RU); Александр Сергеевич Попов; Игорь Юрьевич Соколов (RU); Игорь Юрьевич Соколов
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-10-10

Abstract

FIELD: plastic processing.

SUBSTANCE: double-screw extruder contains sectional housing with screws installed for engagement and rotation in opposite direction forming zones of charging, compression, metering and homogenization and having sections of intensive shift and distribution of product. Screw have screw of equal pitch and depth. Screw cuts in zones of charging, compression and metering have opposite directions. Screw cuts in zone of homogenization have same direction. Slots to pass crests of screw cut of other screw are made in crests of cut of one screws in direction opposite to direction of its screw cut. Screws are made in form of set of screw member fitted on core. Screws in zone of homogenization on intensive shift section consist of successively repeated screw members with screw cut of constant pitch and depth and provided with cuts with slots. Screws on product distribution section consists of screw members with screw cut of constant pitch and depth and plasticizing cams. Ratio of length of screw members on intensive shift section is found from formula m_i=L₂/L₁ where L₁ is length of screw member with reverse cut, m: L₂is length of screw member of constant pitch and depth, m. Screw in zone of metering consists of screw members with screw cut of variable thickness and cylindrical-and-conical core. Proposed double-screw extruder is furnished with unit to produce multilayer products with filling, containing intermediate disk, die, channel former, filler, pre-die zone fairing and head. Filler consists of hollow disk with tube to fed filling material, and forming tube. Pre-die zone fairing is essentially truncated cone with holes to deliver product melt into channel former which forms, together with filler forming tube, a coaxial channel.

EFFECT: improved quality of product processing owing to intensification of clamping forces providing many times repeated shift deformation of extrudate melt, enlarged operating capabilities of extruder.

4 dwg

Description

Изобретение относится к переработке термопластичных материалов и может быть использовано в отраслях промышленности, применяющих экструзию.The invention relates to the processing of thermoplastic materials and can be used in industries using extrusion.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является двухчервячный (двухшнековый) экструдер для переработки полимерных композиций, содержащий корпус с размещенными в нем с возможностью зацепления, вращения в противоположных направлениях и с образованием зон загрузки (загрузки и сжатия), смешения (гомогенизации) и выдавливания (дозирования) червяками (шнеками) с винтовыми нарезками с одинаковым шагом, причем в зонах загрузки и выдавливания винтовые нарезки червяков имеют противоположные направления, а в зоне смешения - одинаковое направление, в гребнях нарезки одного из червяков в направлении, противоположном направлению его винтовой нарезки, выполнены пазы для прохода гребней винтовой нарезки другого червяка [Авторское свидетельство СССР №1509272, кл. В 29 С 47/40, 23.09.89, бюл. №35].The closest in technical essence and the achieved effect is a twin-screw (twin-screw) extruder for processing polymer compositions, comprising a housing with placed in it with the possibility of engagement, rotation in opposite directions and with the formation of loading zones (loading and compression), mixing (homogenization) and extrusion (dosing) worms (screws) with screw threads with the same pitch, moreover, in the loading and extrusion zones, the screw threads of the worms have opposite directions, and in the mixing zone I - the same direction, in the crests of the cutting of one of the worms in the direction opposite to the direction of its screw cutting, grooves are made for the passage of the ridges of the screw cutting of another worm [USSR Author's Certificate No. 1509272, cl. B 29 C 47/40, 09/23/89, bull. No. 35].

Недостатками известного устройства являются невысокое качество переработки продукта вследствие неравномерности плавления материала в предматричной зоне экструдера, а также узкий ассортимент выпускаемой продукции.The disadvantages of the known device are the low quality of product processing due to the uneven melting of the material in the prematrix zone of the extruder, as well as a narrow range of products.

Технической задачей изобретения является повышение качества переработки продукта за счет интенсификации воздействия сжимающих усилий, вызывающих многократные сдвиговые деформации расплава экструдата, и расширение технологических возможностей экструдера по переработке исходного сырья.An object of the invention is to improve the quality of processing of the product due to the intensification of the impact of compressive forces, causing multiple shear deformations of the melt of the extrudate, and the expansion of the technological capabilities of the extruder for processing the feedstock.

Техническая задача достигается тем, что в двухшнековом экструдере, содержащем секционный корпус с размещенными в нем с возможностью зацепления, вращения в противоположных направлениях и с образованием зон загрузки, сжатия, дозирования и гомогенизации с участками интенсивного сдвига и распределения продукта шнеками с винтовыми нарезками с одинаковым шагом и глубиной, в зонах загрузки, сжатия и дозирования винтовые нарезки шнеков имеют противоположные направления, в зоне гомогенизации винтовые нарезки шнеков имеют одинаковое направление, а в гребнях нарезки одного из шнеков в направлении, противоположном направлению его винтовой нарезки, выполнены пазы для прохода гребней винтовой нарезки другого шнека, новым является то, что:The technical problem is achieved in that in a twin-screw extruder containing a sectional housing housed therein with the possibility of engagement, rotation in opposite directions and with the formation of loading, compression, dosing and homogenization zones with areas of intensive shear and product distribution with screw screws with the same pitch and depth, in the areas of loading, compression and dosing, the screw threads of the screws have opposite directions, in the homogenization zone the screw threads of the screws have the same direction s, and in cutting the crests of one of the screws in a direction opposite to its threading, grooves are made for the passage of screw thread crests of the other screw, new is the fact that:

- шнеки выполнены из наборных шнековых элементов, насажанных на сердечник, а в зоне гомогенизации на участке интенсивного сдвига шнеки состоят из последовательно повторяющихся шнековых элементов с винтовой нарезкой постоянного шага и глубины и нарезкой с пазами, а на участке распределения продукта - из шнековых элементов с винтовой нарезкой постоянного шага и глубины и пластифицирующих кулачков;- the screws are made of stacked screw elements, mounted on the core, and in the homogenization zone in the area of intensive shear, the screws consist of successively repeating screw elements with screw cutting of constant pitch and depth and cutting with grooves, and in the product distribution area - from screw elements with screw cutting constant pitch and depth and plasticizing cams;

- отношение длин шнековых элементов на участке интенсивного сдвига (фиг.1) определяется по формуле:- the ratio of the lengths of the screw elements in the area of intensive shear (figure 1) is determined by the formula:

где L₁ - длина шнекового элемента с обратной нарезкой, м; L₂ - длина шнекового элемента постоянного шага и глубины, м;where L ₁ - the length of the screw element with a reverse thread, m; L ₂ - the length of the screw element of a constant step and depth, m;

- в зоне дозирования шнек выполнен из шнековых элементов с винтовой нарезкой переменной толщины и цилиндроконического дорна;- in the metering zone, the screw is made of screw elements with a screw thread of variable thickness and a cylindrical conical mandrel;

- двухшнековый экструдер снабжен формующим узлом для производства многослойных продуктов с начинкой, содержащим промежуточный диск, матрицу, каналообразователь, начинконаполнитель, состоящий из полого диска с трубкой для подвода начинки и формующей трубки, обтекатель предматричной зоны, представляющий собой усеченный конус с отверстиями для подачи расплава продукта в каналообразователь, образующий совместно с формующей трубкой начинконаполнителя коаксиальный канал, и насадку.- the twin-screw extruder is equipped with a forming unit for the production of multi-layer products with filling, containing an intermediate disk, a matrix, a channel former, a filling filler consisting of a hollow disk with a tube for supplying the filling and a forming tube, a cowl around the pre-mold zone, which is a truncated cone with holes for feeding the melt of the product into a channel former, which forms, together with the forming tube of the filling filler, a coaxial channel, and a nozzle.

На фиг.1 изображен общий вид двухшнекового экструдера; на фиг.2 - объемное изображение последовательно расположенных деталей формующего узла экструдера; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - объемное изображение начинконаполнителя.Figure 1 shows a General view of a twin-screw extruder; figure 2 is a three-dimensional image of sequentially located parts of the molding unit of the extruder; figure 3 is a section aa in figure 1; figure 4 is a three-dimensional image of the filling filler.

Двухшнековый экструдер (фиг.1) содержит секционный корпус 1 с нагревательными элементами 22, шнеки 2 и формующий узел 3.The twin-screw extruder (Fig. 1) comprises a sectional housing 1 with heating elements 22, screws 2 and a forming unit 3.

Шнеки 2 выполнены из последовательно повторяющихся наборных шнековых элементов 10, 11, 12, насажанных на сердечник 17 (фиг.3). Порядок их расположения и геометрические характеристики определяются функциональным назначением зон экструдера (загрузки, сжатия, гомогенизации и дозирования). По ходу движения продукта от загрузочного отверстия до формующего узла происходит уменьшение свободного объема рабочей камеры, ограниченной внутренней поверхностью корпуса 1 и шнеками 2.The screws 2 are made of sequentially repeated stacked screw elements 10, 11, 12, mounted on the core 17 (figure 3). The order of their location and geometric characteristics are determined by the functional purpose of the extruder zones (loading, compression, homogenization and dosing). In the direction of the product from the loading hole to the forming unit, there is a decrease in the free volume of the working chamber, limited by the inner surface of the housing 1 and the screws 2.

В зоне загрузки шнеки 2 состоят из элементов 10 с винтовой нарезкой постоянного шага и глубины.In the loading zone, the screws 2 consist of elements 10 with a screw thread constant pitch and depth.

В зоне сжатия шнеки 2 представляют собой элементы 10 с винтовой нарезкой постоянного шага и глубины, причем толщина витков увеличивается по направлению от загрузочного отверстия к формующему узлу 3.In the compression zone, the screws 2 are elements 10 with screw cutting of constant pitch and depth, the thickness of the turns increasing in the direction from the loading hole to the forming unit 3.

В зоне гомогенизации (фиг.1) шнеки 2 состоят из последовательно повторяющихся шнековых элементов трех типов: с винтовой нарезкой 10 постоянного шага и глубины, с обратной нарезкой 11 и пластифицирующих кулачков 12. При этом шнековые элементы с обратной нарезкой 11 имеют пазы, в которые входят витки шнекового элемента 10, что обеспечивает работоспособность экструдера при взаимном вращении шнеков 2.In the homogenization zone (Fig. 1), the screws 2 consist of successively repeating screw elements of three types: with screw thread 10 of constant pitch and depth, with reverse thread 11 and plasticizing cams 12. Moreover, screw elements with reverse thread 11 have grooves into which turns of the screw element 10 are included, which ensures the extruder's operability during mutual rotation of the screws 2.

В зоне гомогенизации можно выделить участки интенсивного сдвига и распределения продукта.In the homogenization zone, areas of intense shear and product distribution can be distinguished.

Шнек в зоне гомогенизации на участке интенсивного сдвига состоит из последовательно повторяющихся шнековых элементов 10 и 11. Отношение длин этих шнековых элементов (фиг.1) определяется по формулеThe screw in the homogenization zone at the intensive shear section consists of successively repeating screw elements 10 and 11. The ratio of the lengths of these screw elements (Fig. 1) is determined by the formula

где L₁ - длина шнекового элемента 11 с обратной нарезкой, м; L₂ - длина шнекового элемента 10 постоянного шага и глубины, м.where L ₁ - the length of the screw element 11 with a reverse thread, m; L ₂ - the length of the screw element 10 of a constant step and depth, m

Эмпирический коэффициент m_i для большинства продуктов, подвергаемых экструзионной обработке, изменяется от 2,0...2,5 в начале зоны гомогенизации и до 0,5...0,8 в ее конце. Значение коэффициента m_i определяется характеристиками продукта, поскольку в начале зоны гомогенизации продукт представляет собой спрессованную сухую смесь, а в конце - расплав с включениями нерасплавившихся частиц.The empirical coefficient m _i for most products subjected to extrusion processing varies from 2.0 ... 2.5 at the beginning of the homogenization zone and to 0.5 ... 0.8 at its end. The value of the coefficient m _i is determined by the characteristics of the product, since at the beginning of the homogenization zone the product is a compressed dry mixture, and at the end it is a melt with inclusions of unmelted particles.

Для экструдера со шнеками, вращающимися в противоположных направлениях (фиг.1), число парных шнековых элементов 10 и 11 четное, что обусловлено равномерностью распределения давления по сечению рабочей камеры. В случае с однонаправленным вращением шнеков количество парных элементов должно быть нечетным, причем большее число парных шнековых элементов 10 и 11 находится на шнеке с повышенным давлением. Такое расположение шнековых элементов позволяет добиться высоких сдвиговых нагрузок, создаваемых шнеком 2, и равномерного перемешивания в начале зоны гомогенизации с последующим плавлением продукта по всему объему.For an extruder with screws rotating in opposite directions (FIG. 1), the number of twin screw elements 10 and 11 is even, due to the uniform distribution of pressure over the cross section of the working chamber. In the case of unidirectional rotation of the screws, the number of paired elements should be odd, with a larger number of paired screw elements 10 and 11 located on the screw with high pressure. This arrangement of the screw elements allows to achieve high shear loads created by the screw 2, and uniform mixing at the beginning of the homogenization zone with subsequent melting of the product throughout the volume.

Участок распределения продукта состоит из шнековых элементов 10 и пластифицирующих кулачков 12. Шнековые элементы 10, как и в зоне загрузки, имеют постоянный шаг и глубину витка, при этом его толщина увеличивается, обеспечивая повышение давления продукта в рабочей камере. Расположенные за ними пластифицирующие кулачки 12 (фиг.1, фиг.3) обеспечивают окончательное плавление твердых включений расплава материала.The product distribution section consists of screw elements 10 and plasticizing cams 12. The screw elements 10, as in the loading zone, have a constant pitch and turn depth, while its thickness increases, providing an increase in product pressure in the working chamber. The plasticizing cams 12 located behind them (FIG. 1, FIG. 3) provide final melting of solid inclusions of the material melt.

В зоне дозирования шнеки 2 состоят из шнековых элементов 10, оканчивающихся цилиндроконическими дорнами 18. Величина зазора между дорнами 18 и стенкой корпуса 1 оказывает влияние на давление и температуру в рабочей камере экструдера и, как следствие, на качество получаемого продукта. Таким образом, смена дорна 18 позволяет перерабатывать продукты с различными реологическими характеристиками.In the metering zone, the screws 2 consist of screw elements 10 ending in cylindrical mandrels 18. The gap between the mandrels 18 and the wall of the housing 1 affects the pressure and temperature in the working chamber of the extruder and, as a result, the quality of the product obtained. Thus, the change of mandrel 18 allows you to process products with different rheological characteristics.

Формующий узел 3 (фиг.2) двухшнекового экструдера содержит обтекатель 4 предматричной зоны, диск 5, начинконаполнитель 6, обтекатель 7, каналообразователь 8 и матрицу 9.The forming unit 3 (figure 2) of a twin-screw extruder comprises a fairing 4 of the pre-mold zone, a disk 5, a filling filler 6, a fairing 7, a channel former 8 and a matrix 9.

Начинконаполнитель 6 (фиг.4) представляет собой диск 13 с отверстиями 16, во внутреннюю полость которого подается начинка (наполнитель) через трубку 19. К торцу диска 13 крепится пластина 15 с развальцованными трубками 14, контактирующая с насадкой 7, причем трубки 14 входят в отверстия 21 каналообразователя 8. Отверстия 16 диска 13 совпадают с отверстиями 20 обтекателя 4 предматричной зоны.Stuffing filler 6 (Fig. 4) is a disk 13 with holes 16, into the inner cavity of which a filling (filler) is fed through a tube 19. A plate 15 with flared tubes 14 is mounted to the end of the disk 13, which is in contact with the nozzle 7, and the tubes 14 are included the holes 21 of the channel former 8. The holes 16 of the disk 13 coincide with the holes 20 of the fairing 4 of the prematrix zone.

Предлагаемый двухшнековый экструдер работает следующим образом.The proposed twin screw extruder operates as follows.

Исходные компоненты дозирующими устройствами подаются в зону загрузки, где захватываются шнеками 2, вращающимися в разных направлениях (фиг.1). При этом происходит интенсивное перемешивание компонентов продукта, в результате влажность продукта выравнивается. При дальнейшем его продвижении происходит уплотнение продукта в зоне сжатия за счет уменьшающегося свободного объема, ограниченного стенками секционного корпуса 1 и поверхностью шнеков 2. В результате этого под действием деформационных сдвиговых усилий и сил трения о поверхности рабочих органов и корпус продукт разогревается.The initial components of the metering devices are fed into the loading zone, where they are captured by screws 2, rotating in different directions (figure 1). In this case, intensive mixing of the product components occurs, as a result, the moisture content of the product is leveled. With further advancement, the product is compacted in the compression zone due to the decreasing free volume limited by the walls of the sectional casing 1 and the surface of the screws 2. As a result, the product warms up under the action of deformation shear and friction forces on the surface of the working bodies.

В зоне гомогенизации на участке интенсивного сдвига уплотненный продукт вследствие трения частиц между собой и рабочими органами экструдера, а также за счет подвода теплоты от внешних нагревательных элементов 22 нагревается и начинает плавиться. Течение продукта в этой зоне имеет зигзагообразно-циркуляционный характер, что обусловлено конструкцией и расположением шнековых элементов 10 и 11, которые позволяют за счет повышенных усилий сдвига получить гомогенный расплав экструдата.In the homogenization zone in the area of intense shear, the compacted product due to the friction of the particles between itself and the working bodies of the extruder, as well as due to the supply of heat from the external heating elements 22, heats up and begins to melt. The product flow in this zone has a zigzag-circulation character, which is due to the design and location of the screw elements 10 and 11, which make it possible to obtain a homogeneous extrudate melt due to increased shear forces.

На участке распределения продукта с помощью шнекового элемента 10 и кулачков 12 происходит выравнивание давления расплава и окончательное плавление включенных в него частиц.At the product distribution site, with the help of a screw element 10 and cams 12, the melt pressure is equalized and the particles finally melted.

Расплавленный продукт поступает в зону дозирования, где происходит его транспортирование и дальнейшее сжатие шнековыми элементами 10. Далее продукт поступает через зазор между дорном 18 и рабочей камерой 1 в формующий узел 3 экструдера. Изменение величины зазора позволяет регулировать давление и температуру продукта в рабочей камере, что существенно расширяет технологические способности экструдера.The molten product enters the dosing zone, where it is transported and further compressed by the screw elements 10. Then the product enters through the gap between the mandrel 18 and the working chamber 1 into the molding unit 3 of the extruder. Changing the gap allows you to adjust the pressure and temperature of the product in the working chamber, which significantly expands the technological capabilities of the extruder.

Далее расплавленный продукт под давлением поступает в обтекатель 4 формующего узла 3 и течет в канале, образованном отверстиями 21 каналообразователя 8 и формующей трубкой 14 начинконаполнителя 6 (фиг.2), в которую через трубку 19 подается начинка. Кратковременное нахождение начинки в зоне повышенных температур позволяет сохранить термолабильные вещества, что значительно повышает качество готовой продукции.Next, the molten product under pressure enters the fairing 4 of the forming unit 3 and flows in the channel formed by the holes 21 of the channel former 8 and the forming tube 14 of the filling filler 6 (FIG. 2), into which the filling is fed through the tube 19. Short-term presence of the filling in the zone of elevated temperatures allows you to save thermolabile substances, which significantly improves the quality of the finished product.

Таким образом, использование изобретения позволит:Thus, the use of the invention will allow:

- повысить качество готового продукта за счет интенсификации воздействия сжимающих усилий в рабочей камере, вызывающих многократные сдвиговые деформации материала, позволяющих получить гомогенный расплав экструдата;- to improve the quality of the finished product due to the intensification of the impact of compressive forces in the working chamber, causing multiple shear deformation of the material, allowing to obtain a homogeneous melt of the extrudate;

- расширить технологические возможности экструдера по переработке многокомпонентного сырья с добавлением различных начинок.- expand the technological capabilities of the extruder for the processing of multicomponent raw materials with the addition of various fillings.

Claims

A twin-screw extruder containing a sectional housing with the possibility of engagement, rotation in opposite directions and with the formation of loading, compression, dosing and homogenization zones with areas of intensive shear and product distribution with screw cuts with the same pitch and depth, in the loading zones, compression and batching screw threads of the screws have opposite directions, in the homogenization zone screw threads of the screws have the same direction, and in the crests of the cutting of one of the screws in in the direction opposite to the direction of its screw cutting, grooves are made for passing the screw ridges of the other screw, characterized in that the screws are made of stacked screw elements mounted on the core, and in the homogenization zone in the area of intensive shear, the screws consist of successive screw elements with a screw cutting constant pitch and depth and slicing with grooves, and in the product distribution area - from screw elements with screw thread constant pitch and depth and plasticizing to Lacko, the ratio of lengths of screw elements in the area of intense shear is determined by the formula:

where L ₁ - the length of the screw element with a reverse thread, m;

L ₂ - the length of the screw element constant pitch and depth, m,

in the metering zone, the screw is made of screw elements with screw thread of variable thickness and a cylindrical cone, the twin screw extruder is equipped with a forming unit for the production of multilayer products with a filling containing an intermediate disk, a matrix, a channel former, a filling filler consisting of a hollow disk with a tube for supplying the filling and forming tubes, fairing of the pre-matrix zone, which is a truncated cone with holes for supplying the melt of the product to the channel former, which together with coaxial channel filling nozzle and nozzle.