Каландровая линия

Каландровые линии – это комплексное оборудование, используемое для непрерывного формования полимерного или бумажного листа бесконечной длины путем протягивания его через зазор между вращающимися валами. В результате продавливания материала образуется полотно требуемой толщины и заданной ширины. В данной статье рассмотрим каландрование полимерных масс и используемое при этом оборудование.

Методом каландрования перерабатывают композиции на основе поливинилхлорида (ПВХ) и сополимеров винилхлорида. В результате пропускания композиции между валками получают полотна и пленки толщиной 0,1–2 мм. При производстве пленок меньшей толщины затруднительным становится их снятие с поверхности охлажденных валков. При производстве полотна большей толщины возможно появление воздушных включений вследствие развития недостаточного давления в зазоре между валками каландра.

Помимо изготовления полотен и пленок каландровые валы используют для нанесения на поверхность рисунков или иной графической информации. Каландровые линии используют для смешивания и гомогенизации компонентов полимерного состава, пластикации полимера, перетирания, дробления и иных аналогичных технологических процессов. Также методом каландрования соединяют тканевую основу и полимерное покрытие для получения износостойких тканевых полотен.

Устройство каландровой линии

Стандартная каландровая линия для производства пленок, листов или нитей включает в себя следующие рабочие узлы:

• Смеситель.

• Питающая транспортная лента с непрерывной подачей сырья.

• Каландр.

• Охлаждающие барабаны.

• Устройство для бесконтактного непрерывного измерения толщины пленки.

• Счетчик метража изделия бесконечной длины (пленки, полотна, нити).

• Тянущее устройство.

• Приемно-намоточное устройство.

• Устройство для поперечной резки полотна на листы (опционально).

Смеситель

При производстве листов, пленок и полотен используют ПВХ-сырье. Ингредиенты смеси предварительно взвешивают и помещают в смеситель легкого или тяжелого типа. Смесители легкого типа имеют лопастную конструкцию. Смесители тяжелого типа – червячные экструдеры, обеспечивающие прямое питание каландра.

Перед смешиванием выполняются операции взвешивания и дозирования компонентов смеси. Для этого используют высокоточные дозирующие устройства, выполняющие дозировку компонентов с точностью до 2 %.

Питающая транспортная лента с непрерывной подачей сырья

На питающую транспортную ленту подается материал от смесителя. В пределах транспортирующего конвейера установлен датчик обнаружения металла. Он необходим для обнаружения крупных металлических включений и торможения транспортирующей ленты.

При F- и Z-образном расположении валков каландра, предполагающем верхнюю загрузку материала, транспортер дополнительно оснащается нагревателями для обогрева снимаемой со смесительных вальцов ленты. Это объясняется увеличенной длиной участка транспортера и естественным охлаждением полимера.

Охлаждающие барабаны

Охлаждающие барабаны установлены после валков. Они используются для приемки погонажного изделия и его охлаждения. При небольшой толщине изделия его охлаждение происходит при соприкосновении с поверхностью барабана.

Для изделий большой толщины могут использоваться охлаждающие ванны с транспортером. В этом случае изделие либо погружается в ванну с водой, либо орошается холодной водой через форсунки.

Дополнительные устройства

К дополнительным устройствам стоит отнести узел измерения толщины пленки. Непрерывное измерение толщины и массы пленки, полотна или листа осуществляется при помощи бесконтактного измерительного устройства. Оно работает по принципу проникающей радиации. Данные от датчиков подаются на пульт управления каландровой линией. В случае обнаружения разнотолщинности необходима калибровка межвалкового пространства на последней паре, которая выполняется автоматически или механически.

Для экстренного торможения валков используется тормозное устройство. Оно состоит из тросов, соединенных с конечным выключателем. Торможение осуществляется при нажатии на тросы. Максимальная продолжительность тормозного пути валка не должна превышать ¼ его оборота.

Также в состав каландровой линии входит тянущее и намоточное устройства. Тянущее устройство предназначено для протяжения полотна с заданной линейной скоростью и натяжением. Намоточное устройство обеспечивает приемку полотна и его намотку на бобину. Помимо намоточного устройства для готового изделия в конструкции каландровой линии предусмотрены намоточные устройства для срезанных кромок. После намотки рулоны с кромками снимаются с намоточного устройства и устанавливаются на размоточный узел для измельчения и повторной переработки материала.

При производстве листов используется отрезное устройство, обеспечивающее поперечный рез полотна. При его отсутствии на выходе получается полотно бесконечной длины.

Устройство каландра

Основные узлы каландра:

• Станина.

• Валки.

• Система охлаждения и нагрева.

• Механизм регулировка зазора валков.

• Система смазки тормозного и аварийного устройства.

• Привод.

Станина

Две стальные станины расположены на фундаменте для жесткой фиксации и стянуты поперечинами. На станине закреплены валки – главные рабочие элементы любого каландра.

В станине установлены стальные корпусы с подшипниками. Они необходимы для приведения в движение валков вверх/вниз и регулирования межвалкового зазора. В универсальном трехвалковом каландре подшипники среднего валка неподвижны, верхнего и нижнего – подвижны. Благодаря подвижным передним подшипникам осуществляется регулировка зазора  и контроль рабочего расстояния между валками.

Валки

Валки представляют собой полые цилиндры, совершающие вращение навстречу друг другу.  Валки имеют различные или равные диаметры. Во внутреннюю полость валков подается нагревающий или охлаждающий агент. При работе с резиновой смесью требуется ее своевременное охлаждение. При работе с термопластами, напротив, необходимо разогревать материал./p>

Оси валков расположены параллельно в горизонтальной плоскости. В конструкции одного каландра может быть 2-5 валков. Между собой они образуют пары с противоположным направлением вращения.

Валки изготавливают из стали или чугуна. Поверхность валков может быть гладкой или рельефной. Рильефные валки используются для тиснения на конечном этапе каландрования. При необходимости получения глянцевой нетисненой пленки используются валки с гладкой поверхностью.

Основным параметром, определяющим качество готового полотна, является геометрия валов каландра. При длительном использовании поверхности валов подвергаются износу. На поверхности появляются локальные вмятины, что негативно отражается на качестве продукции. Для повышения износостойкости вала проводится газопламенное напыление твердых сплавов либо гальваническое хромирование его поверхности. Также проводят восстановление поверхности валков путем ее перешлифовки. При выявлении глубоких дефектов восстановление поверхности возможно путем переточки с последующей шлифовкой. Допустимое уменьшение диаметра валка при его глубоком восстановлении находится в пределах 5-8%.

Система охлаждения и нагрева

В процессе каландрования необходимо проводить нагрев поверхности валка до температуры 160-200°С. Окружная скорость валков колеблется от 20м/мин до 100м/мин. Скорость и температура напрямую зависят от типа перерабатываемого материала. Возможно номинальное отклонение значения от заданной температуры в диапазоне ±2°С. Это обеспечивается за счет принудительной циркуляции теплоносителя в полости валков. Теплоносителем может быт масло или перегретая вода (пар).

Конструкция системы нагрева должна обеспечивать равномерную регулировку температуры всей поверхности. По типу расположения системы подачи теплоносителя различают валки с центральным или периферийным обогревом. При центральном обогреве используется пар, при периферийном обогреве – масло или вода. Наибольшую эффективность показывает система периферийного обогрева перегретой водой.

Охлаждение валков также важно, как и нагрев. Оно необходимо для достижения заданной температуры на поверхности каждого валка. Для охлаждения валков используется система патрубков, расположенных внутри валков. Охлаждающий агент подводится по трубе во внутреннюю полость цилиндра и распыляется через форсунки со скоростью 6-12 м/с. Отработанная жидкость через отверстия в направляющей втулке собирается в сливной воронке и сбрасывается в канализацию или сборную емкость. При этом важно обеспечить индивидуальный контур обогрева с возможностью регулировки температуры в диапазоне 80 до 230 °С для каждого валка.

Привод

Привод для валков может быть индивидуальным, сдвоенным или групповым. Индивидуальный привод должен иметь мощность в 1,5-2 раза выше средней. Он работает с максимальной нагрузкой в момент запуска валков, после чего работает с недогрузкой. Высокая мощность двигателя позволяет избежать его перегрузки в момент максимального расхода электроэнергии. Такое решение малоэффективно и экономически необосновано.

Оптимальное распределение нагрузки достигается при использовании сдвоенного или группового двигателя. Лучшим вариантов конструкции является использование отдельного привода для каждого узла каландра: тянущих валков, каждого отдельного валка каландра, охлаждающих барабанов. Приводы независимы друг от друга и могут регулироваться индивидуально. В этом случае можно управлять не только скоростью вращения валков, но и процессом перехода полимерной массы с валка на валок, ее распределением по поверхности цилиндра.

Механизм регулирования зазора валков

Каландровые валы оказывают на полимер механическое воздействие в пространстве межвалкового зазора. Для обеспечения равномерного зазора по всей длине валков используют механизм регулирования.

С целью обеспечения безопасности работы каландра между винтом и опорной втулкой корпуса подшипника устанавливается предохранительная шайба.  При перегрузке каландра шайба резко срезается, зазор между валками увеличивается, что предотвращает их возможную поломку.

Классификация каландров

По типу производимых операций каландры делятся на:

• обкладочные;

• калибровочные;

• обкладочные;

• листовальные;

• тиснильные;

• универсальные.

По количеству валков оборудование классифицируют на:

• двухвалковые;

• многовалковые.

В зависимости от схемы расположения валко различают следующие основные виды оборудования:

• L-образные каландры;

• Г-образные каландры;

• F- образные каландры;

• Z-образные каландры.

По длительности технологического цикла каландры делятся на два вида:

• непрерывного действия;

• периодического действия.

Классификация по длительности цикла

Процесс каландрования может протекать непрерывно или периодически. Продолжительность технологического цикла зависит от требуемой длины изделия.

Каландры непрерывного цикла оснащены тремя и более валками.  В процессе каландрования сырье проходит через валки последовательно – через каждый из зазоров один раз.

Классификация по типу производственных операций

Все существующие каландровые агрегаты могут использоваться для листования полимерного материала, изготовления профилированного полотна, ленты, нитей бесконечной длины, промазки ткани полимерным составом,  тиснения поверхности готового изделия, удаления избыточной жидкости из ленточного или листового материала./p>

В каландрах для тиснения, листования, профилирования скорости вращения валков одинаковые. В агрегатах, используемых для промазки, окружная скорость отдельных пар валков может изменяться. Фрикция f равна 1,1 —1,3, а в отдельных случаях f = 1. При этом от нижнего валка к среднему окружная скорость увеличивается, от среднего к верхнему - уменьшается.

Каландры для профилирования, листования, обкладки или обмазки имеют постоянный зазор между валками. При проведении дублирования, тиснения или глажения используются каландры с переменным (регулируемым) зазором между валками.

Классификация по количеству валков

Самая простая конструкция каландра предполагает наличие двух валков. Такие каландры применяются для выполнения простых технологических операций.

Более сложные конструкции предполагают наличие трех валков. Такие агрегаты используются при листовании. Это наиболее универсальный тип оборудования, который может использоваться для многих других технологических операций. Четырехвалковые каландры используются, преимущественно, для профилирования.

Классификация по схеме расположения валков

L-образные каландры используются при производстве погонажных изделий из мягких ПВХ. В таких каландрах зона загрузки находится внизу, а отбор готового изделия осуществляется с верхнего валка./p>

Четырехвалковые Г-образные каландры используются для производства пленок из пластифицированного поливинилхлорида. При этом толщина пленки составляет 0,08-0,5 мм. В последнее время Г-образные каландры заменяются более современными конструкциями.

При переработке жестких ПВХ чаще применяют F- образные и Z-образные каландры. В таких конструкциях зона загрузки, напротив, расположена вверху. Съем готового изделия осуществляется снизу.

Процесс каландрования

На смесительные вальцы каландра из смесителя подается сырье в разогретом виде. Чаще при этом используется смеситель закрытого типа. На смесительных вальцах масса предварительно пластифицируется и гомогенизируется.

Со смесительных вальцов лента срезается и посредством транспортера и подается в зазор между первой парой валков. Перед валками установлен металлдетектор, который позволяет обнаружить крупные металлические включения в массе и устранить их до того, как они повредят гладкую поверхность валков. В случае обнаружения металлических включений срабатывает система торможения транспортной ленты, питание каландра прекращается до устранения дефекта состава смеси. В случае питания каландра напрямую от экструдера в нем устанавливается стрейнирующая головка, не пропускающая металлические включения. Необходимость использовать детектор металла при этом отпадает.

Далее полимер движется по поверхности со скоростью, равной линейной скорости валков. При этом в первый момент при попадании на поверхность валков материал подвергается силе выталкивания, далее под действием сил трения затягивается в зазор. Слои материала в межвалковом пространстве движутся с разной скоростью относительно друг друга. Чем ближе к зазору находится полимер, тем выше скорость движения его слоев. После прохождения через зазор скорость движения средних слоев постепенно падает, приближаясь к показателю скорости вращения валков.

Прошедшая через заданное количество валков пленка поступает на охлаждающие барабаны, откуда подается на толщинометр. При прохождении контрольного этапа измерения толщины пленка или полотно попадает на этап обрезки кромок и передается на намоточное устройство. Кромки используются вторично.

Так происходит процесс простого каландрования. При необходимости в конструкции каландра могут присутствовать дополнительные узлы для фигурного тиснения поверхности уже готового изделия непрерывной длины. Также возможна односторонняя или двусторонняя обкладка основы полимером. Как правило, используется тканевая основа.

Описанная технология каландрования является высокотемпературной. Также при переработке жесткого ПВХ может использоваться низкотемпературное каландрование, отличительной особенностью которого является нагрев до температуры ниже температуры плавления полимера. В этом случае необходимо дополнительно проводить последующее оплавление материала для увеличения прочности изделия на выходе. Недостатком такого метода является чрезмерная перегрузка валков и необходимость обеспечения последующей термообработки (оплавления).

Процессы, протекающие в массе полимера

В каландрах с одной парой валков материал проходит через один зазор. Материал может подаваться в непрерывном или периодическом режиме. В каландрах, оснащенных несколькими попарно работающими валками, полимер проходит через зазоры, образованные каждой из пар.

В процессе прохождения между валками в полимере проходят следующие процессы:

• пластикация;

• смешение;

• диспергирование;

• рафинирование.

Пластикация

Под действием нагрева и сил трения, возникающих в материале, полимер разогревается, его текучесть повышается. Нагрев полимерного композита выполняется до температуры, не превышающей температуру плавления.

Смешение

Материал, загружаемый в каландр, имеет неоднородную структуру. В процессе прохождения через зазоры между валками сырье гомогенизируется, приобретает однородную структуру./p>

Диспергирование и рафинирование

В процессе каландрования материал очищается от крупных (диспергирование) и мелких (рафинирование) включений. Для обнаружения металлических вкраплений используется детектор металла.

Основные особенности каландрования

При каландровании полимер подвергается различным видам деформации. В результате возникают эффекты, влияющие на конечное качество продукции:

• Каландровый эффект.

• Разнотолщинность.

Каландровый эффект

В момент прохождения через зазор показатель скорости достигает максимального значения. В толще материала возникают деформации сдвига, что вызывает более качественную пластикацию и гомогенизацию. При этом под действием напряжения сдвига макромолекулы полимера ориентируются по направлению течения расплава (совпадает с направлением вращения валков). В результате проявляется анизотропия механических свойств материала и усадка полотна или пленки.  В этом заключается каландровый эффект. Для его уменьшения проводится предварительная пластикация материала и увеличение температуры нагрева валков.

Разнотолщинность

Уровень температуры каландрования должен выдерживаться в пределах температуры текучести перерабатываемого полимера. В конце технологического процесса температура на валках должна быть такой, чтобы при снятии пленка не прилипала к их поверхности.

При прохождении расплава между валками возникают распорные усилия, приводящие к изгибу валков. При возникновении изгиба валковой поверхности пленка или полотно на выходе могут иметь различную толщину.

С целью устранения разнотолщинности в конструкции каландра используют валки с утолщением к центру (бомбированные валки). Альтернативой может стать расположение валков по перекрестной схеме. Для устранения разнотолщинности может использоваться устройство предварительного нагружения валков – дополнительный подшипниковый узел. Комплексное использование компенсирующих мер актуально для устранения разнотолщинности в каландрах с большой длиной валков.

Достоинства и недостатки каландров

Использование каландров для производства пленки ПВХ дает следующие преимущества в сравнении с экструзией:

• широкий ассортимент пленочной продукции;

• улучшенные физико-механические свойства, в частности, прочность;

• лучшее качество поверхности пленки;

• повышенная производительность.

К недостаткам каландровых линий в сравнении с экструдерами следует отнести:

• высокую стоимость оборудования;

• высокую стоимость монтажа и последующего обслуживания оборудования;

• ограниченную ширину валков (для производства полотна шириной более 200 мм требуется увеличение ширины валков, что сопряжено с возникновением больших распорных усилий и разнотолщинности).

Важным моментом является экономическое обоснование использования каландровых линий. В связи с высокой стоимостью не только оборудования, но также монтажных, пуско-наладочных и обслуживающих операций рентабельно применять каландровые линии при объеме производства от 9000-12000 т/год.