9.5. Экструзионное формование
Экструзионное (пластическое) формование осуществляется шнековыми прессами известных конструкций. Шнековые прессы являются основными машинами технологических линий по производству глиняного кирпича. Влажность формуемой массы более 17... 18 %. Отечественная промышленность выпускает шнековые прессы с одной-двумя частотами вращения шнекового вала.
Пластическое формование керамических изделий выполняется из пластических глиняных масс с влажностью 18-22% выдавливанием через профилированные мундштуки ленточных винтовых (шнековых) прессов. Бывают вакуумные (СМ-1098, СМК-133, СМК-28, СМК-443А и др.) и безвакуумные СМ-58, СМ-294, СМК-21) прессы, состоящие из корпуса, шнекового механизма, привода, головки и мундштука.
Для изготовления обыкновенного керамического кирпича наиболее пригодны легкоплавкие глины средней и умеренной пластичности. Готовая формовочная масса забирается из смесителя с помощью подающего шнека и перемещается в вакуум-камеру. Перед подачей в вакуум-камеру глиняная масса уплотняется в конусной части смесителя, заполняет его выходную часть, проходит через кольцевое отверстие и разрезается ножами на слои небольшой толщины (10-15 мм). В вакуум-камере происходит дезаэрация (удаление воздуха) массы, которая с помощью питающего валка подается на винтовой шнек пресса, проходит по его корпусу и выталкивается через прессовую головку и мундштук. При формовании обыкновенного кирпича мундштук имеет прямоугольное сечение, а при изготовлении пустотелых камней в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник, состоящий из скобы, стержней и кернов (насадок), профилирующих отверстия; в изделиях. Для формования черепицы используют фасонные вставки в виде узкой щели, а для керамических труб — кольцевые. Мундштуки при вакуумном прессовании полнотелого кирпича выполняют стальными или чугунными длиной 150-300 мм и конусностью 4-16% (рис. 9.12). Длина и конусность мундштука зависят от качества сырья.
Рис. 9.12. Виды мундштуков
а — для изготовления пустотелого кирпича; б — труб (со стороны входа глины); в — ленточной черепицы; г — черепицы «бобровый хвост» (с выходом двумя лентами).
Рис. 9.13. Ленточный комбинированный вакуумный пресс СМ-443А
1 — коробка привода; 2 система передач; 3 вал; 4 — станина; 5 — смеситель; 6 — верхний шнек; 7 — вакуум-камера; 8 — нижний шнек; 9 — цилиндр; 10 — головка пресса
В процессе формования мундштук орошается водой или масляной эмульсией, нефтепродуктами и другими материалами, уменьшающими трение массы о стенки. Это способствует формованию глиняного бруса и кирпича-сырца с более четкими гранями, прямыми углами и ребрами.
Фактическая частота вращения шнекового вала пресса для конкретных глиномасс, обеспечивающая производительность при допустимой величине давления в головке пресса, часто значительно отличается от установленной заводом-изготовителем. Для глиномасс с жесткими реологическими свойствами существует оптимальная частота вращения шнекового вала, по сравнению с которой увеличение или уменьшение частоты вращения шнека приводит к уменьшению производительности.
При формовании материала в шнековом прессе имеют место следующие основные потоки материала.
1. Прямой поток, вызванный толкающей способностью фронтальной поверхности лопасти шнека.
2. Обратный поток, вызванный давлением в головке пресса за выпорной лопастью шнека и движением поверхности лопастей шнека в обратном направлении. Обратного потока в прямом смысле слова не существует. Он проявляется в сдерживающем влиянии на прямой поток.
3. Поток утечки, вызванный перепадом давлений по обе стороны от лопасти шнека в кольцевом канале по периметру лопасти.
Прямой поток может быть определен в общем случае с учетом того, что за один оборот шнека в головку пресса поступит объем материала, находящегося между выпорной лопастью и лопастью, следующей за ней на расстоянии, равном шагу t:
Обратный поток можно определить, если узнать пропускную способность сквозного канала шнека. Если допустить, что в канал, находящийся за выпорной лопастью, из головки под действием давления поступает глиномасса и обратному движению глиномассы способствует также движение стенок канала - лопастей шнека в том же направлении, что и действие давления, то задачу определения обратного потока можно свести к решению простой задачи течения массы, увлекаемой движущимися параллельными стенками под действием давления на входе в канал.
Решение этой задачи позволяет найти расход материала через канал по формуле:
где п - частота вращения шнека; L - глубина шнека; 2h - расстояние между двумя лопастями шнека; ψ - индекс течения глиномассы; q - обратная величина индекса течения; µ1 - коэффициент, характеризующий реологическое поведение глиномассы; S - длина винтового канала шнека от выпорной лопасти до зоны загрузки пресса; kδ - коэффициент бокового давления; kδ = 0,4...0,7; β - угол, под которым глиномасса входит в головку пресса, образованный осью канала шнека и плоскостью поперечного сечения цилиндра шнека; Рпл — давление, затрачиваемое на преодоление пластического течения глиномассы в головке и формующих насадках пресса.
Поток утечки можно определить, решив задачу движения глиномассы в кольцевом канале, образуемом кромкой лопасти шнека и поверхностью цилиндра:
где Рупр - давление, затрачиваемое на преодоление упругих свойств глиномассы при входе ее в головку и формующий насадок пресса Рупр = (0,5...2)Рт; S- зазор между кромкой лопасти шнека и рубашкой цилиндра.
Первое слагаемое правой части уравнения отражает расход глиномассы в результате движения внутреннего глиняного цилиндра, увлекаемого шнеком по направлению к головке пресса.
Второе слагаемое правой части отражает расход материала под действием давления за выпорной лопастью шнека в обратном направлении.
Если абсолютная величина второго слагаемого превысит абсолютную величину первого, то это может означать, что появился поток утечки - движения материала в кольцевом зазоре по направлению от головки пресса к загрузочной зоне.
Таким образом, в общем случае производительность шнекового пресса можно определить по формуле:
Подставив значение параметров Qnpям, Qoбp и Qymр, предварительно спроектировав на горизонтальную ось шнека скорости потоков глиномассы в каналах шнека, получим уравнение для расчета производительности нагнетателя пресса - шнекового вала.
Картина движения глиномассы в головке и мундштуке достаточно сложная и имеет свои особенности.
Выпорная лопасть шнека создает на входе в головку разные скорости движения глины: максимальную - у стенок головки и минимальную - у ее оси. По мере продвижения глины к мундштуку картина течения меняется на обратную. Скорость становится максимальной на оси и минимальной у стенок. Профиль скоростей частиц в поперечном сечении головки становится параболическим, а общая картина движения глины подобна картине течения вязких жидкостей.
Расчет характеристик формующих элементов пресса ведут в такой последовательности:
формующие элементы пресса разбиваются на участки таким образом, чтобы получить каналы простой геометрической формы (конус, цилиндр и т. п.);
задаются значения производительности шнекового пресса;
для каждого участка определяются градиенты скорости;
для этих участков находятся значения эффективной вязкости по реологической кривой течения глины;
определяется падение давления на каждом участке;
суммируется общее падение давления в канале сложной конфигурации из потерь давления на отдельных участках;
строится график зависимости Q=f(P), определяющий характеристику формующего элемента пресса.