فرآیند و عوامل موثر بر تولید لوله های تک جداره پلی اتیلنی

تا حدود سی سال قبل اکسترودرها به صورت دستی تغذیه می شدند. به این شکل که گرانول ها مستقیما به داخل قیف اکسترودر ریخته می شدند. به تدریج با افزایش ظرفیت تولید اکسترودرها و نیز لزوم کاهش هزینه های تولید استفاده از سیستم‌های خوراک دهی اتوماتیک روبه افزایش نهاد.

فرآیند و عوامل موثر بر تولید لوله های تک جداره پلی اتیلنی

- سیستم خوراک دهی (Feeding System) 

تا حدود سی سال قبل اکسترودرها به صورت دستی تغذیه می شدند. به این شکل که گرانول ها مستقیما به داخل قیف اکسترودر ریخته می شدند. به تدریج با افزایش ظرفیت تولید اکسترودرها و نیز لزوم کاهش هزینه های تولید استفاده از سیستم‌های خوراک دهی اتوماتیک روبه افزایش نهاد. یکی از اجزاء مهم سیستم‌های خوراک دهی اتوماتیک، سیلوی انبارش مواد اولیه می‌باشد. هدف اصلی استفاده از سیلو کنترل دقیق انتقال مواد اولیه و تولید یکنواخت با مواد همسان می باشد. در این رابطه پارامترهای زیر می بایست در نظر گرفته شود :

1- شکل ظاهری: سیلو مخزنی است سر بسته، استوانه ای شکل با قیف تخلیه که برای ذخیره سازی مواد اولیه استفاده می گردد.

2- جنس: جنس سیلو باید به گونه ای باشد که موجب آلودگی مواد اولیه نشده و هیچ گونه برهمکنش شیمایی و فیزیکی با مواد اولیه پلی اولفینی نداشته باشد. از این میان استیل و پلی اتیلن توصیه می گردد.

3- ظرفیت: حداقل ظرفیت سیلو برای هر خط تولید بایستی معادل 24 ساعت تولید پیوسته خط باشد. (ظرفیت ایده ال برای هر سیلو معادل 6 تن می باشد)

4- تعداد: برای هر خط تولید نصب یک سیلو توصیه می گردد. چون در این حالت کنترل و تعویض مواد اولیه راحت تر است. 

5- محل قرارگیری: سیلو می بایست در نزدیکترین فاصله ممکن از خط تولید و ترجیحاً خارج از سالن تولید و در محلی سرپوشیده قرار گیرد.

6- نشانگرها و سنسورها: سیلو می بایست مجهز به نشانگر ظرفیت و ترجیحاً سنسور دما و رطوبت داخل سیلو باشد.
 
2- سیستم انتقال مواد (Conveying System)   
این سیستم ها برای انتقال مواد اولیه از سیلوها یا مخازن روباز به سمت قیف اکسترودر استفاده می شوند. عملکرد این سیستم ها براساس دو مکانیسم انتقال مواد از طریق پیچ (Screw conveyor system) و انتقال مکشی (Pneumatic conveying system) می باشد. 

الف - سیستم انتقال مواد از طریق پیچ ( screw conveyor system) در این سیتم از دو نوع پیچ و لوله انتقال سخت و نرم استفاده می شود.

ب- سیستم انتقال بادی (Pneumatic conveying system)
این سیستم شامل مجموعه ای از لوله ها و یک کمپرسور و یا یک دمنده می باشد، که مواد با استفاده از فشار هوا یا خلا از سیلو به سر قیف جابجا می شود. این سیستم می تواند بر اساس مکش (Suction) ، فشار (Pressure) و ترکیبی از فشار و مکش برای یک یا چند اکسترودر به طور همزمان عمل نماید. (شکل 1). از مهمترین ویژگی های این سیستم ها قابلیت خوراک دهی به نقاط مختلف سالن تولید با استفاده از تنظیم دمنده یا کمپروسور مرکزی می باشد. امروزه کارخانجات مدرن تولید از سیستم های مرکزی مکشی برای خوراک دهی ماشین های اکسترودر خود استفاده می کنند. (شکل 2).

شکل 1: سیستم انتقال مکشی مواد از سیلو به اکسترودر، A) حالت استراحت، B) حالت انتقال

شکل 2: سیستم انتقال چندتایی مواد از سیلو به اکسترودر

دبی واقعی سیستم های انتقال مکشی به عواملی چون، خواص مواد منتقل شونده، طول و قطر و ساختار لوله انتقال بستگی دارد.

- سیستم اندازه گیری (Metering System)   
به روش تعیین میزان مواد ورودی بر حسب سرعت تولید به اکسترودر، اندازه گیری گفته می شود. که بسته به دقت تولید از دو سیستم اندازه گیری حجمی و وزنی استفاده می گردد. سیستم اندازه گیری حجمی (Volumetric metering system) بر اساس دبی حجمی تولید میزان حجم گرانول وارد شده به اکسترودر را کنترل می کند. این سیستم ارزان، با کارایی آسان ولی نسبتاً با دقت کم می باشد.

 سیستم اندازه گیری وزنی (Gravimetric metering system)، این سیستم وزن گرانولهای وارد شده به اکسترودر را کنترل می کند. این سیستم گران قیمت، پیچیده و بسیار دقیق می باشد. لازم به ذکر است کنترل دقیق خوراک دهی باعث کاهش نوسانات در ضخامت و قطر لوله می گردد و از این رو کیفیت محصول نهایی را افزایش می دهد. در شکل 3 بصورت شماتیک دلیل استفاده از این سیستم که می تواند گرانول هایی با اشکال مختلف را بصورت یکنواخت به داخل اکسترودر تغذیه نماید، نشان داده شده است. همچنین در شکل 4 اثر تغییر دبی ورودی بر سایر پارامترهای تولید و کیفیت محصول ارائه گردیده است.

شکل 3: سیستم اندازه گیری مواد

 

شکل 4: اثرات تغییر دبی ورودی بر سایر پارامترهای تولید و کیفیت محصول

- خشک کن (Dryer)  
برای تولید محصول با کیفیت و قابل اعتماد برای کارایی طولانی مدت می بایست از ورود هر گونه عوامل نقیصه زا به محصول جلوگیری نمود. رطوبت جذب شده توسط گرانول ها هنگام تولید در پتروشیمی و هنگام استفاده در کارخانه تولید کننده یکی از عوامل عمده ایجاد نقیصه در محصول نهایی می باشد. رطوبت گرانول ورودی به اکسترودر حتماً می بایست کمتر از ppm 100 باشد. برای این منظور از یک خشک کن با دمای 80 درجه و زمان اقامت 5/1 ساعت می توان استفاده نمود.
حداکثر میزان رطوبتی که گرانول اولیه می تواند برای تولید لوله داشته باشد در حدود ppm 300 می باشد. ظرفیت خشک کن باید به گونه ای انتخاب شود که میزان خوراک 1.5 ساعت اکسترودر را تامین نماید. تعداد خشک کن برای هر خط یک عدد می باشد. 
- حداکثر دمای خشک کن: دمای خشک کن نمی بایست از 80 درجه سانتیگراد تجاوز نماید.
- ظرفیت: خشک کن باید دارای ظرفیتی برابر 1.5 ساعت خوراک اکسترودر باشد.
- رطوبت مجاز خروجی: خشک کن می بایست به گونه ای عمل نماید که حداکثر رطوبت گرانول خروجی از آن بیش از ppm 100 نباشد. 
- تعداد: برای هر خط تولید (هر اکسترودر) می بایست یک خشک کن نصب گردد.
- محل نصب: بهترین محل قرارگیری خشک کن روی قیف ورودی اکسترودر می باشد.
- نوع خشک کن بسته به شرایط محل تولید و رطوبت هوا انتخاب گردد. 

شکل 5 بصورت شماتیک یک خشک کن از نوع هوای تازه را نشان می دهد.
 

شکل 5: سیستم خشک کن از نوع هوای تازه

 پیمانه گیری (Dosing)  

هنگامی که برای تولید لوله از مواد بی رنگ و مستربچ سیاه یا سایر مواد افزودنی استفاده شود به کارگیری سیستم پیمانه گیری لازم می باشد. این سیستم، نسبت دقیق مواد اولیه به مستربچ را تنظیم می نمایید. از این رو موجب تولید محصول همگن و با کیفیت مناسب در طول لوله می شود. در شرایط فوق اگر اکسترودر دارای سیستم پیمانه گیری نباشد می بایست با استفاده از یک مخلوط کننده خشک ابتدا مواد و مستربچ با نسبت مناسب با هم کاملاً مخلوط شوند. معمولاً سیستم های پیمانه گیری به همراه اندازه گیری جرمی استفاده می شوند.

شکل 6: سیستم پیمانه گیری

 

قیف (Hopper)  

محل ورود مواد اولیه به داخل اکسترودر قیف نامیده می شود. برای جلوگیری از ورود احتمالی قطعات و ذرات ریز فلزی به داخل اکسترودر لازم است در دهانه قیف یک آهنربای مشبک تعبیه گردد.

 

 

 اکسترودر (Extruder

اکسترودر به عنوان قلب اصلی خط تولید لوله از اهمیت زیادی برخوردار بوده و بایستی دارای حداقل ویژگی هایی چون گشتاور، دبی، و انعطاف پذیری بالا باشد و مذاب یکنواخت، همگن و با دمای نسبتاٌ پایین ایجاد کند تا بتوان از آن محصولی با کیفیت مناسب و با تکرار پذیری خوب تولید کرد:

دستگاه اکسترودر شامل قطعات و قسمت های مختلفی می باشد که در ادامه به تفصیل به ویژگی ها و الزامات هر کدام پرداخته می شود.

 

شکل 7: دستگاه اکسترودر جهت تولید لوله های پلی اتیلنی تکجداره

 

تجهیزات بالادست خط اکسترودر:

  1. الکتروموتور (Electromotor)
  2. جعبه دنده (Gear Box)
  3. ماردون یا پیچ اکسترودر (Screw)
  4. سیلندر (Barrel)
  5. صافی (Screen Changer)
  6. کلگی (Die Head)

 

تجهیزات پایین دست خط اکسترودر:

  1. دای (Die)
  2. کالیبراتور (Calibrator)
  3. تانک خلا (Vacuum Tank)
  4.  تانک خنک کننده (Cooling Bath)
  5.  کنترل ضخامت و ابعاد
  6.  نشانه گذاری (Marking)
  7. کشنده (Haul-off Unit)
  8.  قسمت برش (Cutting Unit)
  9.  جمع کننده (Roller)

 

  1. الکتروموتور (Electromotor)

الکتروموتور نیروی محرکه اکسترودر را تامین کرده و به دو صورت مستقیم (DC) و متناوب (AC) موجود می باشد. نوع مستقیم آن به دلیل کاهش نوسانات برق مناسب تر بوده و باعث تولید محصولی با کیفیت یکنواخت می گردد. توان الکتروموتور بایست با ظرفیت اکسترودر مطابقت داشته باشد. همچنین الکتروموتور می بایست مجهز به سیستم خنک کننده باشد.

 

  1.  جعبه دنده (Gear Box)

توان الکتروموتور  به دوصورت مستقیم (بدون واسطه) و غیر مستقیم (با استفاده از جعبه دنده یا تجهیزات مشابه) به پیچ اکسترودر انتقال می یابد. در حالت غیر مستقیم درجه آزادی سیستم یک درجه افزایش می یابد. در این حالت پیچ و الکتروموتور به گونه ای از هم مستقل بوده و آسیب هریک به دیگری انتقال نمی یابد. همچنین نصب و تعمیر و نگهداری آن نیز آسان تر می باشد.

 

  1.  ماردون یا پیچ اکسترودر (Screw)

در فرآیند اکستروژن ترموپلاستیک ها، پیچ دارای سه وظیفه اصلی می باشد:

  1. انتقال گرانول های جامد به جلو (Solid conveying)
  2. ذوب کردن گرانول های جامد (Plasticating)
  3. متراکم کردن مواد مذاب و آماده کردن آنها جهت شکل گیری (Metering)

از این نظر یک پیچ در طول خود به نواحی مختلفی تقسیم می شود که هندسه پیچ بر حسب نیازهای آن نواحی تعیین می گردد.  عملکرد منظم پایدار و کنترل شده پیچ منجر به تولید محصولی با کیفیت قابل اعتماد و پایدار می گردد. در اکستروژن محصولات پلی اتیلنی لازم است که پیچ مختص فرآیند پلی اولفین ها طراحی شده باشد که مهمترین مشخصات آن مانع دار بودن (Barrier) و داشتن نواحی اختلاط مناسب (نظیر Maddok، Pine apple و Malefar) است. وجود نواحی اختلاط (به صورت Pine apple) در صورت استفاده از مستربچ برای تولید لوله لازم و ضروری است ولی در صورت استفاده از مواد خودرنگ بدلیل اثرات منفی ناشی از جریان فشاری بوجود آمده از این ناحیه، استفاده از آن لازم نمی باشد.

 

پیچ های مانع دار (Barrier screw)

پیچ های مانع دار به منظور افزایش خروجی اکسترودر و همگن سازی مذاب استفاده می شوند. در پیچ های معمولی در هر گام گرانول های جامد و مذاب با هم وبه صورت مخلوط در هم وجود دارند، این حالت باعث می شود که در بعضی شرایط فرآیندی، گرانول هایی به صورت کاملاً مذاب نشده از اکسترودر خارج شده و وارد محصول گردد که خود باعث کاهش شدید کیفیت محصول می گردد.

برای رفع مشکل فوق در پیچ های مانع دار در هر گام پیچ گرانول های مذاب و جامد با یک طراحی خاص از هم جدا می شوند به طوری که در انتهای پیچ فقط مواد ذوب شده توان خروج را دارند. این طراحی به طور عمده مانع خروج گرانول های مذاب نشده از اکسترودر می گردد. دیگر مزایای پیچ های مانع دار عبارتند از:

1- کنترل مذاب سازی گرانول ها

2-  تولید مذاب همگن بدون گرانول های ذوب نشده

3- کاهش دمای مذاب

4- افزایش خروجی اکسترودر با کنترل و بهینه سازی مذاب

5- همگن کردن مذاب به علت برش بسیار زیاد

6- امکان فرآیند مواد با خواص مختلف، افزایش دامنه تولید محصول با مواد اولیه مختلف

 

 ناحیه اختلاط و همگن سازی

برای اطمینان از خروج یک مذاب یکنواخت از اکسترودر معمولاً نواحی اختلاط شدید در بعضی نقاط پیچ تعبیه می گردد. هندسه این نواحی خاص بوده و به صورت های مختلفی می باشد.

نسبت طول به قطر پیچ (L/D)

نسبت مناسب طول پیچ  به قطر برای فرآیند پلی اولفین ها بین 28-34 می باشد. هرچه این نسبت بیشتر باشد مذاب یکنواخت تری بدون نوسانات تولید می گردد. قطر پیچ نیز باید متناسب با سایز لوله تولیدی باشد.

 

شکل 8: نمایی از یک پیچ و نواحی مختلف آن

 

4- سیلندر (Barrel)

مهمترین ویژگی یک سیلندر مناسب، توان آلیاژ آن برای انتقال حرارت به صورت هدایتی به گرانول ها می باشد. همچنین تعداد نواحی حرارتی، فن های خنک کننده، فشار سنج ها و دما سنج ها  بایستی با طول و نواحی مختلف پیچ سازگار باشد.

 

گرادیان دما

گرادیان دما در طول سیلندر اهمیت حیاتی در تولید محصول با کیفیت پایدار و درازمدت دارد. مکانیسم اصلی انتقال حرارت از سیلندر به مواد از طریق هدایت حرارتی می باشد. بنابراین تنظیم دمای مذاب در طول پیچ وابسته به تنظیم دما در طول سیلندر هم می باشد. حداکثر دما برای مواد پلی اتیلنی 220 درجه سانتیگراد می باشد و گرادیان دما بایستی به گونه ای تنظیم شود که دمای آخرین ناحیه در سیلندر کمتر از ناحیه قبل از آن باشد.

 

کنترل دما

با توجه به رابطه آرینوسی ویسکوزیته با دما و رابطه توانی آن با سرعت برش ، پروفایل دمایی در طول سیلندر نقش اساسی در تعیین میزان تنش برشی وارد شده به پلی اتیلن حین فرایند اکستروژن دارد. بنابر این تنظیم یک پروفایل دمایی مناسب (با توجه به ماهیت گرانول مصرفی و کیفیت محصول تولیدی ) و کنترل آن باعث اطمینان از ایجاد یک شرایط مناسب برای تولید محصولی با کیفیت می گردد. در این راستا یک سیستم با کنترل دما شامل موارد زیر است:

  1. تعداد  نواحی حرارتی
  2. نوع کنترلر
  3. سخت افزارهای مرتبط کننده

 

سیلندرهای شیار دار (Grooved Barrel)

 امروزه در نسل جدید سیلندرها به منظور افزایش خروجی اکسترودر تغییراتی اعمال شده است. این تغییرات شامل شیار دار کردن سیلندر در ناحیه خوراک دهی می باشد که موجب افزایش اصطکاک نسبی بین گرانول های جامد و سیلندر و پیچ شده و در نهایت منجر به حرکت سریع تر گرانول ها در ناحید انتقال جامد پیچ می شود. سیلندر حتماً می بایست دارای تجهیزات خنک شدن در ناحیه خوراک دهی باشد.

 

شکل 9 : نمایی از یک سیلندر شیاردار و نواحی مختلف آن

 

 

5- صافی (Screen Changer)

برای جلوگیری از خروج مواد کاملاً مذاب نشده ، تجمع های ناشی از وجود مستربچ نامناسب یا ژل های پلیمری تشکیل شده حین فرآیند اکستروژن از یک صفحه مشبک و یک قاب فلزی استفاده می گردد.این صفحه  مشبک بعد از یک مدت زمان تولید به دلیل عوامل ذکر شده دچار گرفتگی خواهد شد که می بایست  با یک صفحه مشبک نو جایگزین گردد. عمل جایگزینی به دوصورت دستی ویا اتوماتیک انجام می گیرد. دستگاه های جدید مجهز به screen charger می باشند یعنی بطور اتوماتیک با توجه به فشار پشت دای صفحه مشبک تعویض می باشد. حداکثر مش صفحه مشبک 120 می باشد. استفاده از مش های پایین تر از یک طرف باعث اطمینان بیشتر از عدم خروج ناخالصی ها و از طرف دیگر باعث افزایش فشار پشت دای می شود. استفاده از مش های پایین تر هنگام تولید مستر بچ توصیه می گردد.

 

سیستم نمایانگر فشار

با توجه به رابطه   ، اختلاف فشار پشت دای تعیین کننده میزان دبی عبوری از دای می باشد. واضح است که نوسانات شدید در فشار فوق باعث تغییرات در قطر ضخامت لوله می گردد. کاهش شدید   علاوه بر کاهش دبی خروجی از دای، باعث کاهش جریان برگشتی فشاری در اکسترودر و در نتیجه کاهش اختلاط و همگن سازی مذاب می گردد. از طرفی افزایش شدید   به هر علتی باعث افزایش تنش در دیواره و دای مطابق رابطه ( ) و رسیدن به تنش بحرانی شکست مذاب می گردد. بنابراین سطح لوله تولیدی ناصاف و چین خورده خواهد شد. بنابراین کنترل فشار پشت دای یکی از بزرگترین ابزارهای کنترل در نوسان دبی و لذا نوسان در ابعاد محصول نهایی می باشد.

 

علت ایجاد فشار در پشت دای

ساختار پیچ باید به گونه ای طراحی شود که با نزدیک شدن به دای عمق کانالها کم شده و پیچ باعث  فشرده شدن مذاب پشت دای گردد تا هم یک نیروی محرکه برای حرکت مذاب در دای ایجاد شود و هم یک ذخیره مذاب برای تولید مداوم فراهم گردد.

اگر به هر دلیلی مسیر عبور به سمت گلکی و دای محدود یا مسدود شود فشار پشت دای به صورت فزاینده ای شروع به افزایش می کند. از مهم ترین دلایل افزایش فشار موارد ذیل می باشد:

1. تخریب حرارتی شدید پلی اتیلن و تشکیل ژل پلیمری

2. تجمع ذرات(Agglomerate  ) ناشی از نامناسب بودن مستربچ یا عدم پخش آن

موارد فوق باعث تجمع مذاب پشت صافی و افزایش فشار پشت دای می شود. سنسور فشار و ترانسدیوسر نصب شده پشت صافی می بایست قابلیت تشخیص و نشان دادن سریع افزایش فشار را داشته باشد، تا با ایجاد راهکارهای مناسب (معمولاً عوض کردن صافی به صورت دستی یا اتوماتیک) یا تغییرات فرایندی (تغییر دما و دور پیچ) فشار در محدوده مناسب پیشنهادی، 12 مگاپاسکال، کنترل گردد.

 

6-  کلگی (Die Head)

مذاب خروجی از اکسترودر دارای شکل میله ای (rod) است که باید به شکل لوله (annulus) تبدیل شود. به این منظور مذاب قبل از دای در کلگی به شکل آنالوسی پخش می گردند. در واقع کلگی وظیفه اصلی شکل دهی به مذاب خروجی را دارد.  عملکرد مناسب کلگی اثر مستقیم بر خواص محصول دارد. برای تولید لوله های پلی اولفین از چهار نوع کلگی مختلف استفاده می شود:

  1. کلگی اسپایدر (Spider)
  2. کلگی اسپیرال (Spiral)
  3. کلگی سبدی (Lattice basket)
  4. ترکیبی (Combination)

کلگی اسپایدر به علت ایجاد چند خط جوش عمده بدترین نوع می باشد که امروزه استفاده از آن تقریبا منسوخ شده است و استفاده از این کلگی برای تولید لوله های پلی اولفین ممنوع می باشد.

کلگی های اسپیرال و سبدی جریان را به هزاران بخش تقسیم می کنند و سپس آنها را در شکل لوله به هم پیوند می دهند از این رو خط جوش عمده ای در محصول ایجاد نمی گردد. (لازم به ذکر است خط جوش ها به عنوان عوامل نقیصه زا شناخته شده و موجب بدترین نقیصه های طولی در لوله می شوند).

 

شکل 10: نمایی از یک کلگی اسپیرال و نواحی مختلف آن

 

 

 

شکل 11: نمایی از یک کلگی سبدی و نواحی مختلف آن

 

 

7- دای (Die)

دای وظیفه شکل دهی نهایی محصول به شکل لوله  را بر عهده دارد. در دای ابعاد نهایی محصول مورد نظر ایجاد می گردد. دو ویژگی عمده دای عبارتند از :

  1. دای باید هماهنگ با خواص ویژه ماده مورد فرآیند (پایداری حرارتی ، میزان چسبندگی به دیواره) ساخته شود.
  2. دای می باست به نحو صحیح با توجه به دبی اکسترودر و سایز لوله طراحی شود.

نکته بسیار مهم هماهنگی دای و اکسترودر می باشد. استفاده از یک دای کوچک برای اکسترودر بزرگ از نظر اقتصادی به صرفه نیست. در حالیکه استفاده از یک دای بزرگ به همراه یک اکسترودر با خروجی کم از نظر فرآیندی بسیار نقیصه زا است. چون در این حالت زمان اقامت در دای به شدت افزایش یافته و باعث تخریب حرارتی ماده می گردد. بنابراین می بایست از تولید لوله های با قطر و فشار اسمی بالا با اکسترودرهای با خروجی کم به شدت اجتناب گردد.

 

شکل 12: نمایی از یک دای و نواحی مختلف آن

8- کالیبراتور (Calibrator)

به منظور تنظیم و تثبیت دقیق قطر و ابعاد لوله خروجی از دای از وسیله ای به نام کالیبراتور استفاده می گردد. کالیبراتورها بر اساس فشار مثبت و فشار منفی (خلاء) عمل نموده و به دو دسته دستی و اتوماتیک تقسیم می شوند. پارامترهای موثر در کالیبراتور  نوع و شکل سوراخ های کالیبراتور، جنس و ابعاد آن می باشد.

نوع و شکل سوراخ های کالیبراتور متنوع بوده و هر شرکت سازنده ای طرح و شکل مخصوص به خود را ارئه می کند. به لحاظ جنس سطح کالیبراتور  بایستی خیلی صیقلی باشد از این رو بهترین آلیاژ قابل استفاده آلیاژ فسفر- برنج می باشد.  قطر داخلی کالیبراتور می بایست 3-5 درصد بزرگتر از قطر خارجی لوله باشد که این اختلاف با جمع شدگی (shrinkage) لوله اصلاح می شود. (میزان جمع شدگی لوله های پلی اتیلنی به طور متوسط 3درصد است). ضخامت کالیبراتور بین 5-10 میلیمتر می باشد. لازم به ذکر است فاصله کالیبراتور از دای بایستی بین 10-20 سانتیمتر باشد تا مذاب خروجی از دای بتواند در این فاصله تنش های وارده بر خود را رها کرده و تنش های پسماند در لوله حداقل شود. با افزایش ضخامت و قطر لوله، طول کالیبراتور نیز می بایست بیشتر گردد. همچنین لوله با خروج از کالیبراتور می بایست از دمای بلورینگی (Tc) خود گذشته و به دمای HDT رسیده باشد و دچار تغییر شکل نگردد.

 

شکل 13: نمایی از یک کالیبراتور و نواحی مختلف آن

 

 

9- تانک خلاء (Vacuum Tank)

به منظور ایجاد خلاء در اطراف کالیبراتور و نیز خنک کردن اولیه لوله از یک محفظه کاملاً ایزوله با فشاری کمتر از اتمسفر محیطی، به نام تانک خلا استفاده می گردد. نکات مهم در طراحی این تانک میزان خلاء، تعداد ، فاصله و زاویه آبپاش ها و نیز شکل نازل آبپاش می باشد. در تانک خلا لوله شکل نهایی خود را می گیرد و ابعاد لوله خروجی از تانک و دمای آن مهمترین پارامترهای کنترل کننده نحوه عملکرد تانک خلاء می باشد. لازم به ذکراست که کالیبراتور با فشار منفی درون تانک خلاء قرار میگیرد.

عملکرد پمپ خلاء می بایست به گونه ای باشد که فشار خلاء نوسانات شدید نداشته باشد چون در غیر این صورت موجب تغییرات نامنظم در قطر لوله می شود.

 

شکل 14: نمایی از یک تانک خلاء و نواحی مختلف آن

 

 

10- تانک های خنک کننده (Cooling Tank)

لوله در تانک خلاء شکل و ابعاد نهایی خود را گرفته سپس وارد تانک های خنک کننده می شود تا کاملاً به صورت جامد تبدیل شود. عملکرد تانک های خنک کننده به صورت مستقیم بر خواص فیزیکی مکانیکی لوله تولیدی تاثیرگذار است. در تانک های خنک کننده آب به صورت اسپری به سطح لوله پاشیده می شود و موجب خنک شدن و بلورینگی لوله می گردد. واضح است که شکل و درصد بلورها با نحوه انتقال حرارت و پاشش آب تعیین می گردد و از طرفی خواص مکانیکی شدیداً به شکل و اندازه بلورها وابسته است. برای عملکرد مطلوب تانک خنک کننده، می بایست دمای آب اسپری در محدوده مشخصی باشد. از طرفی می بایست اسپری آب در همه جوانب لوله صورت پذیرد. به صورتی که گرادیان دما در محیط لوله ایجاد نشود. به طورکلی طول تانک های خنک کننده باید در مجموع حداقل 18 متر باشد که سه تانک 6 متری با فاصله میانی 1 متر توصیه می گردد. وجود فاصله بین تانک های خنک کننده به منظور کاهش اختلاف دمای سطح داخل و خارج لوله و کاهش تنش های پسماند حرارتی ضروری می باشد.

دمای آب ورودی به تانک خنک کننده می بایست 18 درجه باشد. وجود فیلتر آب و سختی گیری برای هر تانک به منظور جلوگیری از بسته شدن نازل های آبپاش توصیه می گردد.

 

شکل 15: نمایی از یک تانک خنک کننده و نواحی مختلف آن

 

11-کنترل ضخامت و ابعاد

تا قبل از سال 1990 کنترل ابعاد محصول (به عنوان کلیدی ترین مشخصه یک لوله )  توسط تغییرات در شرایط معدودی انجام می گرفت یا به عبارتی از یک حلقه باز برای کنترل ابعاد استفاده می شد . پارامتر های کنترلی هم عبارت بودند از دما در طول پیچ، سرعت چرخش پیچ و فشار پشت دای. سپس کنترل مبنی بر میزان جرم خروجی از اکسترودر  مورد توجه قرار گرفت. برای این منظور  از دستگاه Gravimetric استفاده گردید. در حقیقت Gravimetric جرم گرانول ورودی به hopper را کنترل می کند به طوریکه همیشه یک ارتفاع مشخص از مواد روی پیچ وجود خواهد داشت ، که با کاهش آن به صورت پیمانه ای مواد از Gravimetric به روی پیچ  افزوده می گردد.

استفاده از Gravimetric به تنهایی همانند یک سیستم تعادلی حلقه باز می باشد ولی مشاهده گردید که استفاده از آن به نحو بسیار چشمگیری نوسانات در ابعاد محصول کاهش می یابد. به طوری که اگرGravimetric و پیچ با هم هماهنگ عمل کنند نوسانات ابعاد به صورت چشمگیری کاهش می یابد.

با پیشرفت تکنولوژی، وجود Gravimetric جز الزامی از یک خط اکستروژن گردید، اما با توجه به عملکرد گاهاً غیر یکنواخت پیچ لازم گردید که Gravimetric در یک حلقه بسته کنترلی  قرار گرفته و از خروجی خط فرمان بگیرد. برای این منظور با نصب دستگاه اولتراسونیک ضخامت و ابعاد لوله در هر لحظه اندازاه گرفته شده و با توجه به سرعت تولید و دانسیته مذاب دبی جرمی خروجی محاسبه می گردد و از آنجا به Gravimetric فرمان داده  می شود تا به همان مقدار اجازه ماده وارد شدن به قیف را بدهد . این سیستم کنترلی حلقه بسته باعث کاهش شدید نوسانات قطر و ضخامت محصول و افزایش کیفیت لوله تولیدی می گردد. همچنین در مواردی اولتراسونیک با دستگاه کشنده میزان می شود که دستگاه اولتراسونیک برای تغییرات فرمان را به کشنده می دهد. شکل 16 نمای شماتیک حلقه بسته کنترلی را نشان می دهد.

 

شکل 16 : نمایی از یک حلقه بسته کنترلی

 

 دستگاه اولتراسونیک

دستگاهی است که با استفاده از امواج فراصوت ضخامت لوله را در چندین نقطه در محیط لوله در هر لحظه اندازه می گیرد و با استفاده از سرعت کشنده ودانسیته مذاب دبی جرم خروجی را مشخص می کند.

 

شکل 17: نمایی از یک دستگاه اندازه گیری ضخامت اولتراسونیک

همچنین در مواردی دستگاه اولتراسونیک با کشنده و اکسترودر تنظیم می گردد در این حالت اولتراسونیک به کشنده فرمان داده و با ثابت بودن دبی جرمی ورودی به اکسترودر از طرف گراویمتریک با تغییرات سرعت کشنده دبی خروجی را کنترل می کند. بنابراین روزبه روز استفاده از اولتراسونیک برای کنترل ضخامت و وزن واحد طول مرسوم تر می گردد.

در موارد خاصی که دستگاه اولتراسونیک وجود نداشته باشد می توان گراویمتریک را با کشنده میزان نموده و تغییرات سرعت خروجی لوله را وزن مواد اضافه شده به قیف جبران نمود.

 

12- نشانه گذاری (Marking)

نشانه گذاری به منظور ثبت اطلاعات اولیه بر روی لوله می باشد.

 

13- کشنده (Haul-off)

وظیفه اصلی کشنده، کشیدن لوله از دای، کالیبراتور و تانک های خنک کننده با سرعتی متناسب با سرعت لوله در این بخش ها و سرعت تولید می باشد. توان کشنده بایستی بیشتر از نیروهای اصطکاکی که در سایر قسمت های قبلی موجب کند شدن حرکت لوله می شوند، باشد. عوامل موثر در انتخاب و تنظیم کشنده عبارتنداز:

  1. قطر لوله: میزان بازشوندگی فک های کشنده بایستی 50 میلیمتر بیشتر از قطر بزرگترین لوله ای باشد که خط قابلیت تولید آن را دارد.
  2. ضخامت دیواره و سختی سطح لوله: فک ها باید به صورت متقارن در محیط لوله قرار گیرند.
  3. سرعت و توان کشنده: کشنده نباید بیش از 80 درصد توان خود را برای کشیدن لوله مصرف کند.

 

شکل 18: نمایی از یک ماشین کشنده و قسمت های مختلف آن

 

14- واحد برش (Cutting Unit)

انواع سیستم های برش در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 19: انواع سیستم های برش لوله (A: اره گیوتینی، B: اره چرخشی از پایین، C: اره چرخشی از بالا، D: اره سیاره ای، E: اره سیاره ای با غلطک برنده، F: تیغه های برنده (چاقویی))

 

انتخاب هریک از سیستم های فوق تابع، الف) نوع و کیفیت برش مد نظر، ب) قطر و ضخامت دیواره لوله، ج) نوع مواد اولیه و د) متراژ لوله برای هر برش، می باشد.

دستگاه برش بایستی مجهز به دستگاه سرعت سنج باشد. لوله هایی با سایز کمتر از 200 بهتر است با اره های چرخشی (مورد B,C در شکل فوق ) بریده شوند و اره های سیاره ای (موارد D, E) برای لوله هایی با اندازه بزرگ مناسب می باشند.

 

 

شکل 20: نمایی از یک واحد برش و اره سیاره ای داخل آن

 

 

15- جمع کننده (Roller)

برای لوله های تا سایز 75 میلیمتر می توان آنها را بصورت کلاف های 50، 100 و 150 متری بسته بندی نمود. برای این منظور از جمع کننده های پنوماتیک استفاده می کنند. پارامترهای موثر در هنگام کلاف شدن عبارتند از: سرعت جمع کننده، قطر جمع کننده و دمای لوله در حال جمع شدن. لازم به ذکر است قطر جمع کننده معادل 24 برابر قطر لوله می باشد.

 

شکل 21: نمایی از یک جمع کننده

 

منابع و مراجع

Extrusion: The Definitive Processing Guide and Handbook | Harold F. Giles, Jr., John R.Wagner, Jr.,Eldridge M. Mount, III
Basic Screw Geometry: “Things Your Screw Designer Never told you about Screws” | Timothy W. Womer – Oct 1, 2007

http://www.battenfeld-cincinnati.com/en/products/extruder/single-screw-extruder-for-pipe/

http://www.kraussmaffeiberstorff.com/en/pipe-extrusion.html

Introduction to Polyethylene Pipe Extrusion, Book 2: Training Manual for Extruder Operators

Plastics Extrusion Technology Handbook, Sidney LevyJames F. Carley