Фильтрация при экструзии вторичного пластика: 5 распространенных проблем и способы их решения с помощью проволочной сетки из нержавеющей стали

Фильтрация при экструзии вторичного пластика — это процесс, при котором расплавленный полимер, полученный из потребительских (PCR) и промышленных отходов PE/PP, продавливается через сетчатые фильтры из тканой проволоки из нержавеющей стали, установленные между шнеком экструдера и формующей головкой, для удаления твердых загрязнений перед тем, как расплав будет сформован в пленку, лист или гранулы. Это непрерывный проточный этап разделения, который протекает при температуре расплава примерно 180–260°C (356–500°F) и давлении, которое на линиях выдува пленки может превышать 300 bar, и основан на использовании плотного пакета сетчатых дисков, закрепленных в шиберном, роторном или непрерывном устройстве смены сеток. Интервалы замены сеток колоссально варьируются в зависимости от качества сырья — от одного раза в смену при работе с сильно загрязненным PCR до одного раза в неделю на чистом промышленном вторичном дробленом материале — и эти колебания почти полностью определяются выбором сетки и конструкцией пакета. Поскольку вторичный полимер содержит гораздо больше загрязнений, чем первичный, фильтрация является не вспомогательным элементом на линии рециклинга, а компонентом, который определяет, будет ли линия производить товарную продукцию или поток брака с дефектами. На практике, фильтрация при экструзии пластика — это то, что отличает прибыльное производство по переработке от постоянного «тушения пожаров».

1. Высокая нагрузка загрязнения забивает одиночную мелкоячеистую сетку менее чем за час

Самая частая причина сбоев на линиях переработки вторичных полимеров — это не плохое качество расплава на входе, а скорость, с которой загрязнения забивают сетку. Хлопья и гранулы PCR могут содержать от 3 до 8% по весу неполимерных материалов: бумажные и картонные этикетки, самоклеящиеся клеи и термоклей, металлическую стружку от ножей измельчителя, древесные волокна от поддонов и ящиков, песок и стеклянную пыль. Когда эта масса попадает на одиночную мелкоячеистую сетку — например, сетку 80 или 100 mesh, с которой начинают многие операторы, поскольку она обеспечивает приемлемое качество пленки, — ее живое сечение заполняется за десятки минут, а при работе с плохими партиями сетка, которая должна служить часами, может забиться менее чем за час. Результатом становится резкий рост противодавления, падение производительности и необходимость замены сетки, что каждый раз приводит к 10–20 минутам простоя и образованию переходного брака.

Решение на основе проволочной сетки из нержавеющей стали заключается в том, чтобы перестать возлагать всю работу на одну сетку. Прогрессивный пакет сеток объединяет крупноячеистые сетки на входе (обычно 20/40 mesh) для улавливания основной массы бумаги, комков клея и волокон, и мелкоячеистую финишную сетку (80–120 mesh) на выходе, куда поступает уже очищенный от крупных включений расплав. Поскольку каждый слой улавливает фракцию своего размера, грязеемкость распределяется по всему пакету, а не концентрируется на одном диске. Фильтрующие диски экструдера для линий вторичной переработки изготавливаются именно так — в виде согласованного комплекта с грубым защитным слоем со стороны технологического процесса, благодаря чему тонкая сетка служит в течение рабочих смен, а не минут. На линиях, где уровень загрязнения сезонно возрастает, использование грубого слоя на один номер mesh крупнее в эти месяцы — это регулировка без дополнительных затрат, которая может продлить срок службы фильтрующей сетки на несколько часов.

2. Гели и черные точки из деградировавшего полимера вызывают дефекты пленки и листов

Не каждый дефект во вторичной пленке вызван твердыми загрязнениями. Значительная часть вызвана гелями и черными точками — полимером, который сшился или обуглился на каком-то этапе плавления: в застойной зоне шнека экструдера, перегретом адаптере или из-за того, что полимер прошел несколько циклов нагрева. При температуре расплава 180–260°C фрагменты цепей рекомбинируют, локальная вязкость повышается, и в результате образуются твердые гелеобразные частицы размером от 10 µm до нескольких сотен микрон. В выдувной пленке одна гелевая частица может привести к образованию «рыбьего глаза», прокола или разрыва; при производстве листов и термоформовании она создает дефекты поверхности, из-за которых последующие переработчики сразу же отбраковывают продукцию.

Решением является фильтрация, достаточно тонкая для улавливания того объема гелей, который критичен для конечного продукта, и это решение определяется номером mesh, а не надеждой. Для пленочных марок типичным является размер 100–150 mesh; для листовых материалов и толстостенных изделий, где требования к качеству поверхности ниже, часто достаточно 60–80 mesh. Эффект фильтрации носит физический характер — гель, размер которого превышает размер ячейки сетки, задерживается переплетением, поэтому практическое правило гласит: выбирайте самую тонкую сетку, которую линия может выдержать без забивания ячеек, и проверяйте выбор путем контроля перепада давления в течение первого часа производства. Операторы, использующие один и тот же номер mesh для любого продукта, обычно либо избыточно фильтруют чистое сырье и теряют производительность, либо недостаточно фильтруют загрязненный материал и отгружают бракованную пленку. Правильный номер mesh — это компромисс между эффективностью удаления частиц и грязеемкостью, и он меняется в зависимости от продукта, а не от привычки.

3. Скачки давления и непредсказуемые интервалы замены фильтрующих сеток

Устройство смены сеток выходит из строя не внезапно; это происходит постепенно, а затем лавинообразно. По мере засорения пакета сеток противодавление растет медленно, а затем резко ускоряется по мере сужения оставшегося канала потока. Операторы, которые меняют сетки, «когда давление достигает X bar», вынуждены работать по плавающему графику — замена каждые четыре часа в один день и каждые девять часов в другой, — поскольку уровень загрязнения меняется от партии к партии. Непредсказуемые интервалы замены хуже, чем частые: они приводят к скачкам давления, пульсации потока расплава, выпотеванию на фильере и колебаниям толщины изделия, а также заставляют мастеров следить за манометром вместо управления линией.

Решение на основе проволочной сетки состоит из двух частей. Во-первых, соберите пакет сеток для обеспечения стабильной грязеемкости. Последовательное расположение слоев от крупноячеистых к мелкоячеистым предсказуемо задерживает загрязнения, благодаря чему рост давления происходит по повторяемой кривой, а замены можно планировать заранее, а не производить их в экстренном порядке. Во-вторых, увеличьте эффективную площадь фильтрации. Сетка большего диаметра или пакет с большим количеством слоев распределяет нагрузку по большей свободной площади и выравнивает кривую давления; при работе на том же полимере удвоение площади фильтрации позволяет примерно вдвое увеличить время между заменами. На линиях с высоким уровнем загрязнения переход от одной сетки к подобранному пакету сеток — это разница между реагированием на скачок давления каждую смену и плановой заменой по графику без каких-либо сюрпризов.

4. Твердые загрязнения повреждают решетчатую плиту и калибрующий поясок

Металлические осколки от зубьев измельчителя, стеклянная крошка, камни и твердый полимерный нагар не просто забивают сетку — частицы, которые проходят сквозь нее или застревают по краям сетки, оставляют задиры на перфорированной плите и формующем пояске фильеры. Поврежденная перфорированная плита направляет поток расплава в обход пакета сеток, позволяя неотфильтрованному полимеру полностью миновать фильтр. Поцарапанный формующий поясок приводит к образованию продольных полос — неустранимых дефектов на пленке и листах, которые невозможно удалить никакой последующей фильтрацией. Оба вида поломок обходятся дорого. Перфорированные плиты представляют собой прецизионно шлифованные детали, а восстановление фильеры измеряется днями, а не часами.

Решение заключается в том, чтобы остановить твердые частицы до того, как они достигнут прецизионной оснастки. Грубая защитная сетка (20–30 mesh), установленная на входе, улавливает крупные твердые фрагменты, в то время как тонкий пакет сеток на выходе задерживает более мелкие. На линиях с известной проблемой наличия металлических примесей правильным решением является предварительное обнаружение металла или магнитная сепарация, а не надежда исключительно на сетку — однако сетка остается последней линией защиты, и именно правильно подобранный пакет предотвращает попадание 3-миллиметрового осколка шнека на формующий поясок. Диски с окантовкой здесь также играют важную роль: отформованная окантовка предотвращает деформацию или смещение диска под воздействием перепада давления, возникающего при забивании сетки, сохраняя герметичность кромок и целостность пути фильтрации, чтобы загрязнения не могли обойти пакет сеток.

5. Стоимость пакета сеток и экономика его замены

Пакеты сеток — это расходный материал, и на линии вторичной переработки они представляют собой ту статью расходов, на которую менеджеры по закупкам действительно обращают внимание. Если умножить количество замен за смену на стоимость пакета, минуты простоя и объем переходного брака, образующегося при перезапуске, «дешевая» сетка может стать самым дорогим расходным материалом на линии. Ловушка заключается в оптимизации цены за единицу продукции вместо стоимости одной замены. Простой диск 60 mesh стоит меньше за штуку, чем многослойный пакет, но если его менять в два раза чаще, и каждая замена обходится в десять минут простоя производства плюс пленка, которую приходится выбрасывать во время стабилизации линии, то более дешевый диск приносит убытки.

Экономика складывается в пользу правильной фильтрации, а не самой дешевой сетки. Стоимость тонны отфильтрованного полимера — это тот показатель, который действительно важен, и он напрямую зависит от грязеемкости: пакет, который задерживает в два раза больше загрязнений до роста давления, работает в оборудовании в два раза дольше. Для линий с очень высоким уровнем загрязнения расчет снова меняется, поскольку убытки от простоя затмевают стоимость расходных материалов. Именно на этом этапе операторы переходят от одноразовых дисков к очищаемым спеченным фильтрующим материалам, которые служат неделями и возвращаются на линию после очистки — это совершенно иная модель затрат.

Выбор подходящей сетки для линий вторичной переработки

Начните с последовательности mesh count

Mesh count — это количество отверстий на линейный дюйм, которое напрямую определяет тонкость фильтрации в микронах: 40 mesh соответствует 425 µm, 60 mesh — 250 µm, 80 mesh — 180 µm, 100 mesh — 150 µm, 150 mesh — 105 µm, а 200 mesh — 74 µm. Эта зависимость не является линейной — переход от 80 к 150 mesh примерно вдвое уменьшает размер отверстия, поэтому изменение mesh count всего на один шаг может кардинально изменить как тонкость фильтрации, так и скорость забивания сетки. Для линий переработки вторичной PE/PP пленки на большинстве производств используется последовательность от грубой фильтрации к тонкой, которая заканчивается в диапазоне 60–120 mesh; для толстостенных изделий и продукции технического назначения (pallet-grade) фильтрация может завершаться на более грубых сетках. Полная таблица перевода mesh count в микроны является правильным ориентиром при переводе спецификации в микронах от заказчика или поставщика фильер в реальный пакет сеток.

Полотняное переплетение против голландского переплетения против спеченной сетки

Полотняное переплетение ткется из одинаковых проволок основы и утка для получения квадратных, однородных ячеек. Оно обеспечивает предсказуемую фильтрацию в диапазоне 150–1000 мкм, низкий перепад давления и минимальную стоимость одного диска, что делает его стандартным выбором для грубых слоев пакета сеток для вторичной переработки. Голландское переплетение использует тонкие проволоки основы и более толстые проволоки утка, плотно прижатые друг к другу, образуя клиновидные ячейки, которые обеспечивают тонкость фильтрации от примерно 5 мкм до 150 мкм с гораздо более высокой грязеемкостью на единицу площади, чем полотняное переплетение при том же микронном номинале. Металлическая сетка голландского переплетения является стандартным выбором, когда линия вторичной переработки должна обеспечивать фильтрацию тоньше 100 mesh без риска быстрого забивания, характерного для простого квадратного переплетения. Спеченная сетка соединяет несколько тканых слоев под воздействием тепла и давления, образуя жесткий высокопрочный ламинат с тонкостью фильтрации до 1 мкм и очень высокой структурной целостностью.

Диски с окантовкой против простых дисков

Простые диски полностью зависят от прижимной силы разделительной плиты или корпуса устройства смены сеток, удерживающей их на месте и обеспечивающей герметичность по краю. Они дешевле и отлично подходят для чистых, хорошо обслуживаемых линий. Диски с окантовкой имеют формованный металлический ободок, который скрепляет слои сетки между собой, придает диску жесткость и создает надежное уплотнение по краю. Фильтрующие диски из металлической сетки с окантовкой являются лучшим выбором для линий фильтрации вторичного полимерного сырья, поскольку загрязнение по краям пакета является частым явлением, а окантовка предотвращает байпас, который может возникнуть под давлением из-за смещения или деформации простого диска.

Нестандартные формы

Устройства смены сеток не всегда бывают круглыми. В ротационных устройствах смены сеток, устройствах непрерывной фильтрации и некоторых европейских конструкциях экструзионных головок используются удлиненные, овальные или многооконные геометрии, и использование стандартного круглого диска в некруглом держателе оставляет неотфильтрованные зазоры. Фильтрующие диски из металлической сетки нестандартной формы изготавливаются в точном соответствии с геометрией держателя, благодаря чему весь поток расплава проходит через сетку, и загрязнения не проникают в обход через неплотно прилегающие края.

Когда стоит перейти на спеченные фильтрующие картриджи

При определенном уровне загрязнения одноразовые пакеты сетчатых фильтров перестают быть оптимальным решением. Когда замена происходит чаще одного раза за смену, когда брак при перезапуске снижает маржинальность или когда качество готовой продукции требует стабильной тонкости фильтрации в микронах, которую тканый пакет не может обеспечить по мере засорения, приходит время обратить внимание на спеченные фильтрующие картриджи из проволочной сетки. Спеченные фильтрующие материалы обеспечивают точную и стабильную тонкость фильтрации в микронах, высокую грязеемкость и возможность очистки — на многих установках один и тот же картридж работает неделями, проходя обратную промывку или химическую очистку между циклами использования. Для линий непрерывной переработки, перерабатывающих сильно загрязненный PCR, первоначальная стоимость спеченных материалов регулярно окупается за счет сокращения времени простоя и снижения себестоимости тонны продукции.

Часто задаваемые вопросы

Какой размер ячейки (mesh) использовать для вторичного ПЭ?

Для пленки из вторичного ПЭ финишная сетка обычно имеет размер от 60 до 120 mesh (250–150 µm) в зависимости от толщины пленки и требований к качеству. Хлопья вторичного ПЭ, предназначенные для производства толстой или сельскохозяйственной пленки, могут проходить финишную фильтрацию на 60–80 mesh; для тонкой пленки под печать требуется 100–150 mesh. Всегда устанавливайте грубый защитный слой (20–40 mesh) на входе, чтобы финишная сетка не забивалась бумагой, клеем и волокнами.

Как часто необходимо менять фильтрующие сетки?

Универсального интервала не существует — он зависит от уровня загрязнения, mesh count и площади фильтрации. На чистом производственном регрануляте пакеты сеток могут работать неделю; на сильно загрязненном PCR пакет может прослужить всего одну смену. Правильный подход — измерять рост давления и установить пороговое значение для замены, а затем отслеживать его: если интервалы замены нестабильны, значит, неправильно подобрана конструкция пакета или последовательность сеток, а не виноват оператор.

Сетка полотняного или голландского переплетения для вторичной переработки?

Используйте полотняное переплетение для грубых защитных слоев и для продукции, не требующей тонкой фильтрации. Переходите на голландское переплетение, когда требуется фильтрация тоньше примерно 100 mesh, а линия не выдерживает скорости забивания или перепада давления, характерных для тонкой сетки полотняного переплетения. Голландское переплетение обеспечивает более тонкую фильтрацию и более высокую грязеемкость на единицу площади при большей стоимости диска.

Можно ли очищать и повторно использовать фильтрующие сетки?

Сетки полотняного переплетения, используемые для вторичного полимера, обычно считаются одноразовыми, так как полимер и клей проникают в структуру переплетения и их трудно удалить полностью. Сетки голландского переплетения и спеченные фильтрующие материалы можно очищать с помощью пиролиза (выжигания), ультразвука или химических методов, но очистка ослабляет тканые сетки при многократном повторении циклов. Спеченные картриджи специально разработаны для многократных циклов очистки; тканые же диски честнее рассматривать как расходные материалы.

Когда следует переходить на спеченную фильтрацию?

Переходите на спеченные картриджи, когда из-за уровня загрязнения требуется более одной замены сетки за смену, когда брак при запуске снижает рентабельность или когда ваш конечный клиент требует стабильного micron rating, который забивающийся пакет тканых сеток не способен обеспечить. Если простои стоят дороже расходных материалов, использование спеченных материалов обычно экономически более выгодно.

Получите рекомендации по подбору пакета фильтрующих сеток для вашей линии вторичной переработки

Каждая линия вторичной переработки уникальна, и правильный пакет фильтрующих сеток зависит от трех переменных: типа полимера, фактического уровня загрязнения, а также геометрии устройства смены сеток и производительности вашей линии. Использование неправильной последовательности сеток приводит к финансовым потерям из-за простоев и брака на каждой смене. KAIFIL производит диски фильтрующих сеток для экструдеров, фильтрующие диски с окантовкой и диски нестандартной формы, сетки голландского переплетения, а также спеченные сетчатые фильтрующие картриджи для линий вторичной переработки по всему миру. Отправьте нам тип вашего полимера, уровень загрязнения и параметры линии, и наши инженеры подберут пакет сеток — последовательность сеток, тип переплетения и конфигурацию дисков — в точном соответствии с вашими условиями эксплуатации. Свяжитесь с KAIFIL сегодня для получения индивидуальных рекомендаций.