8_Shevelia.doc Обеспечение износостойкости фильерных решеток гранулирующих устройств Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 64 Шевеля В.В.,* Кияница Е.В.,** Гладченко А.Н.,** Зверлин В.Г.** *Жешувская политехника, г. Жешув, Польша, **ЗАО «Пластмаш», г. Киев, Украина ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ФИЛЬЕРНЫХ РЕШЕТОК ГРАНУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ Грануляционные установки крупнотоннажных производств пластмасс (полиэтилена, полипропи- лена и т.п.) основаны на технологии экструдирования расплава, поступающего из полимеризационных устройств, червячными прессами с гранулирующими головками. В процессе гранулирования расплав по- лимера вращающимся червяком продавливается через отверстия в гранулирующей фильерной решетке головки в виде жгутов (стренг), которые на выходе из каналов решетки срезаются скользящими по ее по- верхности ножами. Производительность таких грануляторов достигает 20 т/час [1]. Такие единичные мощности и непрерывность процесса полимеризации требуют обеспечения высокой надежности грану- ляторов, которая определяется износостойкостью трибопары «фильерная решетка – срезающий нож». Поскольку нож является сравнительно простой и недорогой деталью, замена которой технически не сложна, основная ответственность за работоспособность гранулятора ложится на фильерную решетку. Фильерная решетка (фильера) является сложной и весьма дорогой (до 100 тыс. долларов США) сборно-сварной конструкцией с длительным технологическим циклом производства, включающим куз- нечно-заготовительные, термические, механические, сборочно-сварочные, сборочно-прессовые, кон- трольно-испытательные и доводочные операции. При этом в конструкциях применяются различные тех- нологии повышения износостойкости контактной поверхности вышеупомянутой трибопары «фильера- нож». Схематическое изображение такого сопряжения представлено на рис. 1. Рис. 1 – Схема фильерной решетки: 1 – контактная поверхность; 2 – нож; 3 – деформируемая втулка; 4 – вставка; 5 – корпус Фильера работает в сложных условиях нагружения. Со стороны входа расплава полимера на нее действует давление до 300 кгс/см2 при температуре расплава 300 °С и более. На выходе стренг фильеру омывает охлаждающая вода с температурой около 100 °С, благодаря чему гранулы затвердевают и сре- заются ножами. Внутренние каналы фильеры обогреваются паром при давлении 30 … 35 кгс/см2. Ножи, закрепленные в ножевой обойме, прижаты к рабочей поверхности (зеркалу) фильеры с усилием, обеспе- чивающим качественный (без «усов») срез гранул. Скорость вращения обоймы до 3000 об/мин. При этом существенное влияние на стойкость трибопары оказывают вибрационные нагрузки. Количество фильер- ных каналов в зависимости от производительности достигает 1600 и более, а диаметры корпуса – в диа- пазоне 300 … 1500 мм [1, 2]. Такие конструктивные особенности, обусловленные технологией получения гранул крупнотоннажных пластмасс, требуют решения нескольких технических задач обеспечения рабо- тоспособности фильерной решетки в течение регламентных периодов. Основные из них – следующие. Материал корпуса фильеры должен иметь необходимую прочность, чтобы выдерживать давле- ние расплава при высокой степени перфорации, обладать коррозионной стойкостью в контакте с распла- вом и охлаждающей средой при повышенных температурах, иметь максимально возможную износостой- кость, как компромисс между твердостью, с одной стороны, и демпфирующей способностью – с другой, проявлять достаточно хорошую свариваемость и минимальные коробления при термических воздействи- ях, хорошо воспринимать различные износостойкие покрытия. Экспериментальные работы и испытания в промышленных условиях позволили установить, что наиболее полно таким требованиям удовлетворя- ют поковки из термообработанной стали марки 20Х13 (ГОСТ 5949-75, НВ 285-341, σт = 45 кгс/мм2). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Обеспечение износостойкости фильерных решеток гранулирующих устройств Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 65 Для повышения долговечности рабочих поверхностей фильер («зеркала» и кромки фильерных отверстий) их усиливают износостойкими покрытиями [2]. Применяются в основном следующие техно- логии: наплавка, газотермическое напыление, армирование износостойкими твердыми сплавами путем пайки, обжатия, механического крепления или их различных комбинаций. Применение других способов повышения износостойкости фильер, например, объемной или поверхностной закалкой, термодиффузи- онной обработкой (цементация, азотирование, борирование), электролитическими или химическими по- крытиями не обеспечивает необходимого ресурса их работы. Наибольшая износостойкость обеспечивается применением армирующих элементов из металло- керамических твердых сплавов, которые крепятся в корпусе фильеры так называемым «холодным спосо- бом». Впервые такая конструкция фильеры была разработана авторами и применена в производстве на Новополоцком химкомбинате «Полимир» (Республика Беларусь) – АС СССР № 894967, а также описано в патентах Украины № 1147 от 30.12.1993 г., № 4733 от 28.12.1994 г. и № 14567 от 06.02.1995 г. Отличительной особенностью крепления твердосплавной детали к корпусу фильеры, согласно патенту, является ее защемление в специальной проточке корпуса с помощью деформируемой промежу- точной втулки из пластичного металла при прессовой сборке фильеры. На рис. 2 показано собранное под запрессовку и после запрессовки прессовое соединение. а б Рис. 2 – Прессовый узел: а – до запрессовки; б – после запрессовки; 1 – армирующая вставка WС-Co; 2 – деформируемая втулка; 3 – корпус фильеры Такое решение позволило снять проблему трещинообразования в твердом сплаве, отказаться от применения дорогостоящих серебряных припоев, обеспечить контроль усилия удержания армирующей детали в теле фильеры, осуществлять, при необходимости, замену выпавших и треснувших твердосплав- ных вставок и, в итоге, на порядок повысить общий ресурс работы фильеры. Вместе с этим применение такого крепления потребовало разработки и соблюдения ряда норм и правил изготовления и контроля деталей. Например, был введен двойной 100%-ный контроль твердо- сплавных вставок под микроскопом, в результате которого выбраковывалось до 10% этих деталей по на- личию микротрещин на их рабочих поверхностях. Наилучшее качество вставок обеспечивалось приме- нением сплавов системы WС-Co типа ВК8 и ВК6. Введение селективной сборки под запрессовку вставок, применение промежуточных втулок под расточенные гнезда в корпусе фильеры, а также предварительный контроль усилий и качества запрес- совки на образцах-имитаторах с их препарированием и исследованием под микроскопом дали практиче- ски полную гарантию необходимой прочности прессового соединения. Кроме этого был разработан ряд приспособлений для доводочных и финишных операций после предварительного шлифования зеркала фильеры. Применение описанной конструкции фильерной решетки, освоенной производством на заводе опытных машин УкрНИИпластмаш ЗАО «Пластмаш» (г. Киев), вместе с другими необходимыми меро- приятиями по совершенствованию технологии производства на Томском заводе полиэтилена (Россий- ская Федерация) позволило существенно (почти в два раза) увеличить производительность грануляторов. Дальнейшие исследования по совершенствованию конструкции фильер были направлены на уве- личение относительной площади застила зеркала фильер армирующими элементами. Новое техническое решение позволило отказаться от выполнения кольцевых проточек, в которые запрессовываются проме- жуточные втулки и, за счет этого, существенно уменьшить шаг между соседними каналами в фильере. Отличительной особенностью такого крепления является то, что твердосплавные вставки защемляются в отверстиях корпуса фильеры осадкой материала самого корпуса вместе с промежуточной втулкой на бурты вставок (Патент Украины № 75142 от 01.2006 г.). Это позволяет достичь плотности застила зерка- ла решетки твердым сплавом до 80 %. Важным условием проведения экспериментальных работ по новому техническому решению бы- ло обеспечение преемственности уже освоенной производством технологии. Поэтому работы проводи- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Обеспечение износостойкости фильерных решеток гранулирующих устройств Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 66 лись на образцах из стали 20Х13 с указанными выше характеристиками, а геометрические размеры твер- досплавных вставок и промежуточных втулок были выполнены наиболее приближенными к существо- вавшим. Конфигурация образцов-имитаторов фрагмента фильерной решетки для оценки усилий опрес- совки изображена на рис. 3 - 4. Размеры двух вариантов исследованных образцов приведены в таблице. Рис. 3 – Образец-фрагмент фильеры Рис. 4 –Сборка деталей под опрессовку: 1 – корпус фильеры; 2 – промежуточная втулка; 3 – армирующая вставка Таблица Варианты и размеры образцов-имитаторов фильер d t D S Вариант мм Площадь опрессовки, мм2 № 1 8 2 32 10 452 № 2 7 3 33 10 585 Теоретический расчет необходимого усилия опрессовки металла корпуса (фрагмента) дал ре- зультат для варианта № 1 – 27,2 т., для варианта № 2 – 35,2 т., при котором зазор между вставкой и от- верстием под нее – 0,5 мм - должен полностью закрыться. В расчете было принято, что напряжения сжа- тия должны быть 60 кгс/мм2. В эксперименте при усилии сжатия 32 т в обоих вариантах зазоры между вставкой и стенкой от- верстия под нее были полностью закрыты. Выпрессовка вставок показала, что их сдвиг начинается при усилии 500 кг, что вполне удовлетворяет условиям работы фильеры. Вместе с этим на качество опрес- совки существенно влияли краевые эффекты, связанные с непараллельностью стола и плоскости торца плунжера пресса, а также со сверхнормативными зазорами в его плунжерной паре. Проведенные работы подтвердили возможность существенного увеличения плотности застила твердым сплавом зеркала фильерной решетки при использовании рассмотренной конструкции. Однако следует заметить, что для каждого конкретного исполнения фильеры размеры и расположение отвер- стий, размеры промежуточной втулки и твердосплавной вставки, припуски на осадку, а также форма и размеры пуансона для пошаговой опрессовки должны уточняться экспериментом на образцах- имитаторах фрагментов фильеры. В связи с необходимостью обеспечения повышенных требований по надежности фильеры рабо- ты следовало бы продолжить на натурных экспериментальных образцах фильер с их испытаниями в про- изводственных условиях, но это представляется проблематичным из-за высокой стоимости эксперимен- тов. Актуальной также является разработка технологии неразрушающего контроля прочности прессового соединения «вставка-корпус» в фильерной решетке. Литература 1. Оборудование для переработки пластмасс. Справочное пособие / под ред. В.К. Завгороднего. – М.: Машиностроение, 1976. 2. Гладченко А.Н., Зверлин В.Г., Петренко С.Д., Шевеля И.В. Износостойкость оборудования для переработки полимерных материалов. – К., 1997. Надійшла 13.04.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com