19.07.2023
Дозирование малого количества добавок
Для получения необходимых свойств полимерной композиции в основной полимер добавляются разнообразные функциональные и процессинговые добавки, причем обычно в небольшом количестве. Этот процесс требует высокой точности дозирования. Специалисты компании «Формотроник» рассказывают о принципах действия и конструктивно-технологических особенностях дозирующего оборудования, используемого для этой цели.
Две технологии дозирования
В полимерной отрасли используются две технологии добавления полимерных аддитивов: объемное (волюметрическое) или гравиметрическое дозирование.
В основе метода объемного дозирования лежит механизм подачи к основной массе материала дозы дополнительного компонента, отмеренной не по массе, а по объему. В этом случае добавка (процессинговая, антискользящая, краситель, стабилизатор и другие) подается из бункера дозатора в установленном объеме за определенную единицу времени посредством регулирования скорости дозирующего устройства (шнек, цилиндр, ролик, диск, спираль, шибер, поршень). Фактический объем дозирования компонента регулируется путем калибровки дозирующего устройства. Объемные дозаторы по сравнению с весовыми менее дороги, отличаются несложной конструкцией, достаточно просты в управлении и позволяют вполне качественно фиксировать оптимальный расход добавок. Данный метод — простое, экономичное решение в ситуациях, когда к точности дозирования за единицу времени не предъявляются высокие требования.
Гравиметрическое дозирование использует аналогичные дозирующие инструменты, что и объемное. Основное преимущество гравиметрических систем — весовой учет добавок, который осуществляется с помощью тензодатчика, установленного в дозирующем устройстве. Выделяют два принципа гравиметрического учета: по набору веса (gain in weight) или по потере веса (loss in weight).
В системе, работающей по принципу потери веса, тензодатчик, измеряющий вес, устанавливается под приемную воронку дозатора, где и учитывает расход одного компонента. В процессе экструзии для учета веса всех компонентов смеси используются так называемые проточные весы, которые закрепляются на горловине экструдера. Здесь смесь проходит через весовую воронку, подвешенную на тензодатчике.
В гравиметрических системах, работающих по принципу набора веса, взвешивается каждых компонент отдельно в единой чаше весов. Шибер приемной воронки открывается и материал (только в виде гранул, так как в данных системах шиберы не работают с порошками) просыпается в чашу весов, далее открывается шибер второго компонента, третьего и так далее — пока не поступят все компоненты смеси. После чего эти компоненты выпускаются в смеситель. Каждый ингредиент учитывается в общей массе на чаше весов, и если один из компонентов добавлен в излишнем количестве, то во время следующего дозирования время открытия шибера будет уменьшено пропорционально проценту пересыпания. Таким образом система может компенсировать погрешность работы шибера.
Данный вид дозирования не гарантирует нужную точность при работе с критически важными добавками. Через проходное отверстие шибера, к примеру, диаметром 22 мм, за 1 с может подаваться 50 г материала. Это немного, но иногда требуется доза меньше, а подобная система с такой задачей уже не справится. В этом случае дозировку в малом объеме может обеспечить дозирующий цилиндр.
Типы дозирующих инструментов
К дозирующим инструментам относятся цилиндр (А), шнек (Б), диск (В), дозирующий ролик (Г), спираль (Д), шибер (Е). Механизм их работы и эффект, оказываемый на поток материала, отличаются.
Для дозирования добавок с низким процентным соотношением (от 0,1% и ниже), когда требуется обеспечить высокую точность дозирования при минимальной погрешности и стабильность подачи, применяют шнеки, ролики или цилиндры.
Шнековое дозирование
Классическая система дозирования на базе шнека позволяет захватывать добавки в межвитковое расстояние шнека из приемной воронки дозатора, а затем транспортирует материал в зону дозирования с определенным шагом. Диаметр витка шнека, как правило, больше, чем вал шнека, и служит разделителем дозирующей порции. В процессе дозирования высота витка является нерабочей зоной, поэтому отсутствие материала приводит к пульсирующему потоку дозируемой добавки.
Данную технологию шнекового дозирования, например, использует производитель сантехнической арматуры из Кировской области. При расходе красителя 10 гр/ч миниатюрный шнек системы MCMicro демонстрирует отличные результаты. Собранный дозатор помещается на ладони, поэтому его применяют в том числе на миниатюрных машинах babyplast. Дозирующий шнек обеспечивает диапазон производительности от 0,05 до 1 г/с. Небольшой размер устройства и точно работающий привод шагового двигателя позволяют в режиме реального времени дозировать аддитивы в самых малых количествах. Для решения данной задачи шнеки большого диаметра, ролик и диск не подходят, так как не могут гарантировать низкий порог дозирования.
Роликовый механизм
Роликовый механизм дозирования широко распространен. Его принцип заключается в том, что материал погружается в специальные выемки (ячейки) в ролике. При вращении ролик захватывает из подающей колбы краситель или иную добавку в определенном количестве и сбрасывает эту дозу в смеситель или непосредственно в зону питания материального цилиндра. При этом точность дозирования добавок зависит от количества материала, которое попадает в ту или иную ячейку, и регулируется только скоростью вращения привода дозатора.
Дозирующий цилиндр
Дозирующий цилиндр при низком уровне дозирования показывает стабильно хорошие результаты. Цилиндр не дает пульсации подачи гранул как шнек и не допускает дискретного дозирования как ролик. Именно точность и стабильность дозирования критически важных добавок (для очень низкого процента дозирования — от 25 г/ч) повлияли на разработку уникальных дозирующих инструментов Movacolor.
Запатентованная технология дозирования аддитивов с помощью дозирующего цилиндра GLX/GX/HX позволяет добавлять к общей массе низкие дозировки компонентов без потери качества выпускаемого продукта. Данное устройство представляет собой полый цилиндр с нанесенным до его середины витков тонкой проволоки. При вращении цилиндра это позволяет создавать постоянный направленный поток дозируемого материала. Во время вращения цилиндра добавка просыпается от начала витка проволоки, закручивается и оседает на конце проволоки, далее гранулы начинают толкать друг друга и создают направленный поток, который поступает по цилиндру далее в зону дозирования. При этом конструкция разработана таким образом, что основная масса главного компонента, поступающего сверху, не выдавливает из общей массы незначительные дозы аддитива, что обеспечивает непрерывное, точное и стабильное дозирование гранулы за гранулой.
Дисковое дозирование
Дисковое дозирование обеспечивает дискретность дозирования, как и роликовый дозатор. Эффективность работы данный инструмент демонстрирует в составе систем оптометрического дозирования Nexus, ведущих учет дозирования каждой гранулы на машинах (ТПА, экструдер), где требуется подавать от 1 до 5 гранул в секунду. Подобные системы используются при производстве фильтров для воды, так как изделие содержит очень мелкие пластиковые детали. Считывание ведется с помощью лазера: в момент заполнения гранулой ячейки диска луч прерывается и подается сигнал в пульт управления; во время дозирования диск вращается с определенной скоростью, а сжатый воздух, подключенный к дозатору, по принципу Venturi как бы всасывает гранулы в ячейки диска. Если по какой-то причине в ячейке нет гранулы, диск совершает быстрый проворот к следующей ячейке. Это решение позволяет избежать неравномерности подачи гранул. Минимальная производительность оптометрической дозирующей системы — одна гранула (обычная или микрогранула) на впрыск.
Шибер
Для дозирования аддитивов, используемых в более масштабных процессах (например, переработка вторички и получение регранулята), используются шнеки большего диаметра или шибер. Проходное отверстие шибера может иметь как прямоугольную, так и круглую форму. Системы шиберного дозирования применяются при переработке емкостей (биг-бегов, мешков, октабинов, приемных воронок), а также в гравиметрических устройствах, работающих по принципу набора веса.
Очень важно при смене добавки (при изменении рецептуры) осуществлять калибровку дозирующего инструмента — это правило касается всех объемных дозаторов. Также следует учитывать, что на точность дозирования в значительной степени влияют однородность потока добавки, насыпная плотность, просыпаемость, текучесть.
Гравиметрическое дозирование
Возможности гравиметрических дозаторов намного шире, так как они имеют такие преимущества, как гарантия весового учета материала, автоматического саморегулирования, 1000 предварительных калибровок материала, возможность мониторинга работы системы, выгрузки данных и интеграции в систему управления.
Система гравиметрического дозирования MCBalance, работающая по принципу потери веса, эффективно работает в настоящее время на предприятии, выпускающим закупорочные изделия в Нижегородской области. Дозирующее устройство вместе с приемным бункером, в котором находится материал, размещается на весовой платформе. С помощью тензодатчика тарируется масса дозирующей станции. Материал забирается из приемной воронки дозирующим цилиндром, причем учитывается потеря веса за единицу времени. Фактическая потеря веса сопоставляется с заданной. После того, как уровень материала в приемном бункере достигает заданного весового минимума, бункер автоматически наполняется. Если показатели дозирования расходятся с заданными оператором, на пульте управления дозатором отражается и фиксируется ошибка (время и вес дозировки). Этот сигнал может быть интегрирован в систему управления ТПА, тогда впрыск данной партии сразу будет промаркирован как брак.
Данная технология дозирования имеет очень высокую степень точности. Система MCBalance не требует калибровки при смене добавки (например, с другой насыпной плотностью), автоматически постоянно калибрует дозы и корректирует изменение насыпной плотности материала. Будь то новый материал или изменение плотности дозирующей добавки, MCBalance контролирует, взвешивает и регулирует. Таким образом, достигается большая экономия при использовании дорогих добавок. Функция непрерывного измерения потери веса и автоматическая регулировка скорости двигателя являются ключом к стабильному производственному процессу в экструзии. Это решение гарантирует высокое качество конечного продукта, уменьшение времени пуска экструзионной линии и сокращение объема брака.
Управление системой MCBalance осуществляется посредством 8-дюймового цветного экрана пульта управления. Устройство гарантирует пользователю следующие преимущества: интуитивно понятный, дружественный интерфейс на русском языке, возможность подключения через протоколы Modbus, TCP/IP, Profibus, Profinet, OPC/UA, память на 1000 рецептов, возможность удаленного управления согласно концепции Industry 4.0, легкое масштабирование (добавление до 14 новых дозаторов в общую систему) и управление каждым дозатором или всей линией с помощью одного пульта.
Посмотреть в журнале
Две технологии дозирования
В полимерной отрасли используются две технологии добавления полимерных аддитивов: объемное (волюметрическое) или гравиметрическое дозирование.
В основе метода объемного дозирования лежит механизм подачи к основной массе материала дозы дополнительного компонента, отмеренной не по массе, а по объему. В этом случае добавка (процессинговая, антискользящая, краситель, стабилизатор и другие) подается из бункера дозатора в установленном объеме за определенную единицу времени посредством регулирования скорости дозирующего устройства (шнек, цилиндр, ролик, диск, спираль, шибер, поршень). Фактический объем дозирования компонента регулируется путем калибровки дозирующего устройства. Объемные дозаторы по сравнению с весовыми менее дороги, отличаются несложной конструкцией, достаточно просты в управлении и позволяют вполне качественно фиксировать оптимальный расход добавок. Данный метод — простое, экономичное решение в ситуациях, когда к точности дозирования за единицу времени не предъявляются высокие требования.
Гравиметрическое дозирование использует аналогичные дозирующие инструменты, что и объемное. Основное преимущество гравиметрических систем — весовой учет добавок, который осуществляется с помощью тензодатчика, установленного в дозирующем устройстве. Выделяют два принципа гравиметрического учета: по набору веса (gain in weight) или по потере веса (loss in weight).
В системе, работающей по принципу потери веса, тензодатчик, измеряющий вес, устанавливается под приемную воронку дозатора, где и учитывает расход одного компонента. В процессе экструзии для учета веса всех компонентов смеси используются так называемые проточные весы, которые закрепляются на горловине экструдера. Здесь смесь проходит через весовую воронку, подвешенную на тензодатчике.
В гравиметрических системах, работающих по принципу набора веса, взвешивается каждых компонент отдельно в единой чаше весов. Шибер приемной воронки открывается и материал (только в виде гранул, так как в данных системах шиберы не работают с порошками) просыпается в чашу весов, далее открывается шибер второго компонента, третьего и так далее — пока не поступят все компоненты смеси. После чего эти компоненты выпускаются в смеситель. Каждый ингредиент учитывается в общей массе на чаше весов, и если один из компонентов добавлен в излишнем количестве, то во время следующего дозирования время открытия шибера будет уменьшено пропорционально проценту пересыпания. Таким образом система может компенсировать погрешность работы шибера.
Данный вид дозирования не гарантирует нужную точность при работе с критически важными добавками. Через проходное отверстие шибера, к примеру, диаметром 22 мм, за 1 с может подаваться 50 г материала. Это немного, но иногда требуется доза меньше, а подобная система с такой задачей уже не справится. В этом случае дозировку в малом объеме может обеспечить дозирующий цилиндр.
Типы дозирующих инструментов
К дозирующим инструментам относятся цилиндр (А), шнек (Б), диск (В), дозирующий ролик (Г), спираль (Д), шибер (Е). Механизм их работы и эффект, оказываемый на поток материала, отличаются.
Для дозирования добавок с низким процентным соотношением (от 0,1% и ниже), когда требуется обеспечить высокую точность дозирования при минимальной погрешности и стабильность подачи, применяют шнеки, ролики или цилиндры.
Шнековое дозирование
Классическая система дозирования на базе шнека позволяет захватывать добавки в межвитковое расстояние шнека из приемной воронки дозатора, а затем транспортирует материал в зону дозирования с определенным шагом. Диаметр витка шнека, как правило, больше, чем вал шнека, и служит разделителем дозирующей порции. В процессе дозирования высота витка является нерабочей зоной, поэтому отсутствие материала приводит к пульсирующему потоку дозируемой добавки.
Данную технологию шнекового дозирования, например, использует производитель сантехнической арматуры из Кировской области. При расходе красителя 10 гр/ч миниатюрный шнек системы MCMicro демонстрирует отличные результаты. Собранный дозатор помещается на ладони, поэтому его применяют в том числе на миниатюрных машинах babyplast. Дозирующий шнек обеспечивает диапазон производительности от 0,05 до 1 г/с. Небольшой размер устройства и точно работающий привод шагового двигателя позволяют в режиме реального времени дозировать аддитивы в самых малых количествах. Для решения данной задачи шнеки большого диаметра, ролик и диск не подходят, так как не могут гарантировать низкий порог дозирования.
Роликовый механизм
Роликовый механизм дозирования широко распространен. Его принцип заключается в том, что материал погружается в специальные выемки (ячейки) в ролике. При вращении ролик захватывает из подающей колбы краситель или иную добавку в определенном количестве и сбрасывает эту дозу в смеситель или непосредственно в зону питания материального цилиндра. При этом точность дозирования добавок зависит от количества материала, которое попадает в ту или иную ячейку, и регулируется только скоростью вращения привода дозатора.
Дозирующий цилиндр
Дозирующий цилиндр при низком уровне дозирования показывает стабильно хорошие результаты. Цилиндр не дает пульсации подачи гранул как шнек и не допускает дискретного дозирования как ролик. Именно точность и стабильность дозирования критически важных добавок (для очень низкого процента дозирования — от 25 г/ч) повлияли на разработку уникальных дозирующих инструментов Movacolor.
Запатентованная технология дозирования аддитивов с помощью дозирующего цилиндра GLX/GX/HX позволяет добавлять к общей массе низкие дозировки компонентов без потери качества выпускаемого продукта. Данное устройство представляет собой полый цилиндр с нанесенным до его середины витков тонкой проволоки. При вращении цилиндра это позволяет создавать постоянный направленный поток дозируемого материала. Во время вращения цилиндра добавка просыпается от начала витка проволоки, закручивается и оседает на конце проволоки, далее гранулы начинают толкать друг друга и создают направленный поток, который поступает по цилиндру далее в зону дозирования. При этом конструкция разработана таким образом, что основная масса главного компонента, поступающего сверху, не выдавливает из общей массы незначительные дозы аддитива, что обеспечивает непрерывное, точное и стабильное дозирование гранулы за гранулой.
Дисковое дозирование
Дисковое дозирование обеспечивает дискретность дозирования, как и роликовый дозатор. Эффективность работы данный инструмент демонстрирует в составе систем оптометрического дозирования Nexus, ведущих учет дозирования каждой гранулы на машинах (ТПА, экструдер), где требуется подавать от 1 до 5 гранул в секунду. Подобные системы используются при производстве фильтров для воды, так как изделие содержит очень мелкие пластиковые детали. Считывание ведется с помощью лазера: в момент заполнения гранулой ячейки диска луч прерывается и подается сигнал в пульт управления; во время дозирования диск вращается с определенной скоростью, а сжатый воздух, подключенный к дозатору, по принципу Venturi как бы всасывает гранулы в ячейки диска. Если по какой-то причине в ячейке нет гранулы, диск совершает быстрый проворот к следующей ячейке. Это решение позволяет избежать неравномерности подачи гранул. Минимальная производительность оптометрической дозирующей системы — одна гранула (обычная или микрогранула) на впрыск.
Шибер
Для дозирования аддитивов, используемых в более масштабных процессах (например, переработка вторички и получение регранулята), используются шнеки большего диаметра или шибер. Проходное отверстие шибера может иметь как прямоугольную, так и круглую форму. Системы шиберного дозирования применяются при переработке емкостей (биг-бегов, мешков, октабинов, приемных воронок), а также в гравиметрических устройствах, работающих по принципу набора веса.
Очень важно при смене добавки (при изменении рецептуры) осуществлять калибровку дозирующего инструмента — это правило касается всех объемных дозаторов. Также следует учитывать, что на точность дозирования в значительной степени влияют однородность потока добавки, насыпная плотность, просыпаемость, текучесть.
Гравиметрическое дозирование
Возможности гравиметрических дозаторов намного шире, так как они имеют такие преимущества, как гарантия весового учета материала, автоматического саморегулирования, 1000 предварительных калибровок материала, возможность мониторинга работы системы, выгрузки данных и интеграции в систему управления.
Система гравиметрического дозирования MCBalance, работающая по принципу потери веса, эффективно работает в настоящее время на предприятии, выпускающим закупорочные изделия в Нижегородской области. Дозирующее устройство вместе с приемным бункером, в котором находится материал, размещается на весовой платформе. С помощью тензодатчика тарируется масса дозирующей станции. Материал забирается из приемной воронки дозирующим цилиндром, причем учитывается потеря веса за единицу времени. Фактическая потеря веса сопоставляется с заданной. После того, как уровень материала в приемном бункере достигает заданного весового минимума, бункер автоматически наполняется. Если показатели дозирования расходятся с заданными оператором, на пульте управления дозатором отражается и фиксируется ошибка (время и вес дозировки). Этот сигнал может быть интегрирован в систему управления ТПА, тогда впрыск данной партии сразу будет промаркирован как брак.
Данная технология дозирования имеет очень высокую степень точности. Система MCBalance не требует калибровки при смене добавки (например, с другой насыпной плотностью), автоматически постоянно калибрует дозы и корректирует изменение насыпной плотности материала. Будь то новый материал или изменение плотности дозирующей добавки, MCBalance контролирует, взвешивает и регулирует. Таким образом, достигается большая экономия при использовании дорогих добавок. Функция непрерывного измерения потери веса и автоматическая регулировка скорости двигателя являются ключом к стабильному производственному процессу в экструзии. Это решение гарантирует высокое качество конечного продукта, уменьшение времени пуска экструзионной линии и сокращение объема брака.
Управление системой MCBalance осуществляется посредством 8-дюймового цветного экрана пульта управления. Устройство гарантирует пользователю следующие преимущества: интуитивно понятный, дружественный интерфейс на русском языке, возможность подключения через протоколы Modbus, TCP/IP, Profibus, Profinet, OPC/UA, память на 1000 рецептов, возможность удаленного управления согласно концепции Industry 4.0, легкое масштабирование (добавление до 14 новых дозаторов в общую систему) и управление каждым дозатором или всей линией с помощью одного пульта.
Посмотреть в журнале