Válcování (Kalandrování)
• V plastikářském a gumárenském průmyslu k přípravě fólií (především z tvrdého a měkčeného PVC) a podlahovin a k nanášení polymerů na textilní podložky (např. kaučukových směsí na kord) • Základním strojem víceválcový stroj zvaný kalandr, zařazen do výrobní linky • Kalandrovací linky patří k největším a investičně nejnáročnějším zařízením zpracovatelského průmyslu • velká výkonnost, např. ve srovnání s vytlačováním se na nich připravují fólie z PVC z hlediska tepelného namáhání polymeru bezpečněji, popř. s menším obsahem stabilizátoru ve směsi • Nízké tepelné namáhání rovněž žádoucí při zpracování kaučukových směsí na nevulkanizované polotovary • Kalandrovací linka snadno přístupná a umožňuje rychlou změnu materiálu • Na kalandrech, na rozdíl od podobného míchacího dvouválce, se provádějí přesné operace, které převážně vedou už k finálním výrobkům (fóliím, kožence apod.) - na rozdíl od dvouválců musí mít tedy kalandry mnohem přesnější konstrukci, která umožňuje splnit dané požadavky
Princip válcování
Funkce kalandru • První štěrbina mezi válci zásobována pásem ohřátého materiálu z dvouválce, popř. z kontinuálního hnětiče, ostatní štěrbiny zásobovány materiálem přicházejícím na otáčejícím se válci kalandru ze štěrbiny předcházející • Přebytečná hmota se hromadí před štěrbinou v otáčející se roličce • Roličky vznikají postupně před všemi štěrbinami kalandru • Proudění v roličce - spodní část vstupujícího pásu prochází štěrbinou nezměněna, zatímco horní část, jak naznačují proudnice, je strhávána a znovu hnětena • Intenzitu hnětení přirozeně ovlivňuje rozdíl v obvodových rychlostech válců – skluz
• Jelikož roličky vznikají před každou štěrbinou, při průchodu mezi každou dvojicí válců na fólii vytvářen nový, kvalitnější povrch • Kvalita fólie závislá na vzniku a počtu průchodů roličkou • pro vyhovující kvalitu nezbytné minimálně tři štěrbiny • V prvé štěrbině materiál hlavně rovnoměrně rozváděn a homogenizován - vniká surová základní fólie • Ve druhé a třetí se vytvářejí (oba) kvalitnější povrchy • každá další štěrbina zvyšuje kvalitu vyráběné fólie
Štěrbina válce
Proudění v roličce a ve štěrbině mezi válci kalandru h E počáteční tloušťka fólie. hA — konečná tloušťka fólie, V — obvodové rychlosti váIců
Nejjednodušší dvouválcové kalandry - zdvojování fólií Tříválcové kalandry – k jednostrannému nánosování textilu a válcování fólií (polotovaru) z kaučukových směsí Čtyřválcové kalandry - k válcování fólií z měkčeného či tvrdého PVC, v gumárenském průmyslu k oboustrannému nánosování kordů Víceválcové kalandry, především pětiválcové kalandry ve tvaru písmene L, dnes speciálně pro zpracovávání neměkčeného PVC na fólie
Konstrukce kalandrů • •
liší se podle výrobce Konstrukce tím složitější, čím menší tloušťka vyráběné fólie a čím větší výkonnost se od stroje požaduje
•
Válce
•
Vyžaduje se mimořádná obvodová přesnost válců (především za provozní teploty), velká tvrdost povrchu, chemická odolnost a velká tuhost v ohybu
•
Charakteristika - průměr a délka pracovní části
•
provozní kalandry do rozměrů válců 800 mm x 2 800 mm
•
Poměr mezi délkou pracovní části válců a průměrem byl do nedávné doby kolem 2,5, dnes bývá tento poměr až 3,7
•
Tyto vysoké poměry - novodobé materiály pro výrobu válců s velkým modulem pružnosti (ne problémy spojené s průhybem)
•
z litiny, často povrchově tvrzené
•
válce mimořádně chemicky namáhané - na povrchu vrstva tvrdého chrómu
Dvouválec
I — zadní válec, 2 — přední válec, 3 — postranice, 4 - třmen, 5 — ložisko, 6 - topná hlava, 7 — přívod temperačního media, 8 - hradítko, 9 - pohon, 10 — stavění válce, 11 - bezpečnostní vypínání
Rozložení tlaku a rychlosti válcované hmoty ve štěrbině mezi válci
A při stejné obvodové rychlosti válců B při rozdílné obvodové rychlosti válců (se skluzem)
Průchodem plastického materiálu mezi válci vznikají ve štěrbině rozpěrné síly, které způsobují lehké prohnutí válců (řádově setiny až desetiny mm) I tak malý průhyb však ovlivňuje kvalitu válcované fólie - uprostřed tlustší než na okrajích, potíže při navíjeni, vysokofrekvenčním svařování apod. válce větších průměrů broušeny tak, aby byly mírně klenuté (bombírované) - při zatížení směsí se pak válec prohne tak, že tloušťka fólie se po celé šíři válce vyrovná pro každou viskozitu směsi i válcovací rychlost nutné použít jiné klenutí válců jiné metody
zkřížené válce jsou nejblíže u sebe ve střední části, takže v nezatíženém stavu je mezi nimi štěrbina, která je širší na okrajích Zatížením se válce uprostřed od sebe oddálí a štěrbina se po celé šíři vyrovná
Úhlem zkřížení válců lze potom štěrbinu nastavit pro dané podmínky Křížení válců předpokládá speciální úpravu ložisek a pohonu válců kalandru
protiprohnutí válců (kompenzace protimomentem
Rozpěrné síly pro dané válce jsou dány tloušťkou válcované fólie, kalandrovací rychlostí a viskozitou zpracovávaného polymeru (ta závisí na teplotě a smykové rychlosti)
Válce mají prodloužené čepy a pomocná ložiska Protimoment, který vyvolává protiprohnutí válců, vzniká působením hydraulicky vyvolané síly na pomocná ložiska ve směru rozpěrné síly Tato prohýbací síla způsobuje vyšší zatížení hlavních ložisek, neboť působí ve stejném směru jako rozpěrné síly
Temperace válců • Vytápění válců • Pro válcování fólií - zásadní význam přesnost, s jakou je dodržována pracovní teplota válců po celé délce jejich povrchu • kolísání teploty max. v rozmezí 1°C • Vážný problém - kompenzace odvodu tepla stojanem nebo ložisky tak, aby teplota na krajích válců nebyla nižší než uprostřed • V nynější době se u většiny moderních strojů pro práci s vysokými teplotami používají válce vrtané pod povrchem vytápěné cirkulující tlakovou vodou • Výhoda - tlaková voda válce nejen ohřívá, ale i chladí v případě, že vlivem hnětení polymeru dojde k překročení požadované teploty • Problém odvodu tepla ložisky řešen tak, že okraje válců jsou ohřívány přídavným odporovým topením
Temperace válců
Ložiska • Čepy válců uloženy do ložisek • kluzná ložiska a stále více i valivá ložiska • Kluzná ložiska musí mít mezi čepem a ložiskovým pouzdrem určitou vůli, která je příčinou nekontrolovatelného pohybu čepů válců v ložiskovém pouzdře, tzv. plování válců - nežádoucí, neboť může ovlivnit kvalitu válcované fólie, a proto válce bývají hydraulicky nebo mechanicky předtíženy tak, aby se při změně zatížení poloha čepů v pouzdru neměnila • V dnešní době stále více používána dražší valivá víceřadá válečková ložiska výhody: • a) zmenšují příkon pohonu cca o 25 %‚ • b) při výměně je není nutno zabíhat, • c) mají menší požadavky na mazací látky, • d) omezují plování válců
• Stavění a křížení válců • Stavění válců umožňuje změnu šířky štěrbiny mezi válci • Každý válec dvě stavěcí zařízení, nezávisle na sobě posouvají ložiskovou skříň a tak ovládají polohu válce • Stavěcí zařízení vybavena buď ukazateli na stojanu stroje, nebo moderněji číslicovou indikací na ovládacím pultu (monitoru) • Křížení válců obdobným způsobem a jeho maximální hodnota vztažená k vychýlení os válců na konci pracovní části bývá do ± 30 mm • Odstranění vůle křížících mechanismů umožňuje hydraulické předtížení • Stojan kalandru • zachycuje síly z ložisek válců, přičemž umožňuje nezbytný posun ložiskových skříní • odléván z kvalitní litiny a v místech vedeni ložisek, popř. v místech připojení navazujících zařízení přesně opracován • použitím počítačové analýzy sil metodou konečných prvků u moderních strojů dosaženo vyšší tuhosti stojanu za současného snížení jeho hmotnosti
• Pohon kalandru • Tříválcové kalandry starších typů - poháněny většinou komutátorovým motorem – plynulá změna otáček • Pohon prováděn z jednoho motoru ozubenými převody přes střední válec • U moderních strojů - především čtyřválců - převážně oddělený pohon válců • Převodová ozubená kola válců uložena v samostatné převodové skříni a kroutící moment přenášen na válce kloubovými spojkami - umožňují stranové vychýlení • Každý válec poháněn samostatným přírubovým stejnosměrným motorem - větší rozsah změny otáček (1:10) než komutátorový motor (1: 3)
výhody: • a) ložiska válců nejsou zatěžována tíhou ozubených kol, • b) kloubové spojky - křížení a stavění válců, • c) lepší ochranu ozubených kol před prachem a výpary, • d) účinnější mazání ozubených kol, • e) válce mohou být stejně dlouhé, tedy navzájem zaměnitelné, a po jejich přebroušení při opravě není nutno upravovat zuby převodových kol • Obvodové rychlosti povrchu válců regulovatelné v rozsahu 10 až 100 ot/min • Pohon stejnosměrnými motory nejen umožňuje plynulou a nezávislou změnu otáček jednotlivých válců kalandru, ale dává i podmínky pro všestrannou automatizaci a synchronizaci stroje se zpracovatelskou linkou
Víceválce
Víceválce na folie
Víceválce na vtírání a nánosování
Víceválce pro zdvojování (a) a desénování (b)
Víceválce se stejnými a rozdílnými průměry
sníženo napětí ve štěrbině, menší nezbytný příkon pohonu, což naopak umožňuje zvětšení výkonnosti kalandru až o 15 %
Čtyřválce a jejich uspořádání
Pohon víceválců
Výroba měkčených fólií z polyvinylchloridu • Zplastikovaná směs z dvouválce pásovým dopravníkem rozsévacího zařízení ve formě úzkého pásu do štěrbiny kalandru mezi prvním a druhým válcem • Při použití kontinuálních hnětičů se pokládá za optimální zásobování kalandru šnekovým vytlačovacím strojem se širokoštěrbinovou hlavou • Fólie zhotovená na kalandru odebírána válečkovým odtahovacím zařízením z posledního válce • Zařízení buď umožňuje prosté odebírání fólie stejnou rychlostí, jako je rychlost posledního válce, nebo umožňuje dloužení fólie (v plastickém stavu) až v poměru 1 : 3,5 - výrazně větší výkonnost kalandrovací linky • Válce odtahovacího zařízení temperovány tlakovou vodou a poháněny stejnosměrnými motory - přesné nastavení vhodné rychlosti pro odtahování či dloužení fólie
• Dále desénovací zařízení - matový nebo desénovaný povrch • Desénovací zařízení - ocelový desénovací válec a opryžovaný podložní válec, podložní válec chlazen zevnitř nebo se brodí ve vodě • Desénovaná fólie dále vedena do dvoustupňového temperačního a chladicího zařízení - temperace a posléze ochlazení fólie za přesně definovaných podmínek, optimálních pro kvalitu fólie - série leštěných ocelových nebo hliníkových válců, které lze vyhřívat, popř. chladit vodou • Mezi temperační a chladicí zařízení zařazeno měření tloušťky fólie a jejího profilu, které umožňuje automatickou regulaci tloušťky fólie nastavením poslední štěrbiny kalandru • V navazujícím ořezávacím zařízení upravena konečná šíře fólie oříznutím okrajů rotačními noži • Okraje při větších výrobních rychlostech pneumaticky odsávány, při menších rychlostech odváděny transportním pásem k mletí, popř. navíjeny • Nakonec fólie navinuta navíjecím zařízením na role
1 - čtyřválcový kalandr typu L, 2 - válečkové odtahovací zařízení, 3 - desénovací válce, 4 - odtahovací zařízení, 5 - temperační zařízení, 6 - zařízení pro měření tloušťky fólie, 7- chladicí zařízení, 8 - zařízení na ořezávání okrajů fólie, 9 - navíjecí zařízení
Snadné navedení fólie do odtahovacího zařízení - vysunutím prvního a třetího válečku
A) stav při zavádění fólie B) provozní stav
Nanášení polymerní fólie na podložku •
fólie především z měkčeného PVC a kaučukových směsí, ale i z některých dalších termoplastických polymerů (PUR, CPE, Hypalon, EPDM apod.) na podložku ve formě pásu
•
podložka - tkaný i netkaný textil, papír apod. - podlahoviny, koženky a v gumárenství polotovary
•
na tříválcovém kalandru vyválcovaná fólie je vzápětí slisována s podložkou
•
Výsledný výrobek je chlazen a navinut
•
Výhodou této technologie při výrobě koženek je, že místo relativně drahých past PVC se používají levnější směsi běžných suspenzních nebo blokových polymerů
•
Nánosy na kalandru mají ve srovnání s natíranými nánosy kompaktnější povrch odolnější oděru, ztráty změkčovadel při použití této technologie jsou ve srovnání s nanášením past 5 až 8krát menší - linky výhodnější i z ekologického hlediska
•
V gumárenské praxi tříválcový kalandr pro tzv. vtírání (frikcionování) - válec s kaučukovou směsí se otáčí vyšší obvodovou rychlostí, než postupuje textil
•
Dokonalejší vniknutí směsi do struktury textilie, než při nánosování
Linka k nanášení polymerní fólie na podložku
1 - odvíjení textilu, 2 - spojování textilu lepením nebo šitím, 3 - vyrovnávací zásobník textilu, 4 - zařízení pro nanášení a sušení spojovacího prostředku, 5 předehřev textilu, 6 - tříválcový kalandr, 7- desénovací zařízení, 8 - chladicí zařízení, 9 - vyrovnávací zásobník, 10 - navíjecí zařízení
Výroba tvrdých fólií z polyvinylchloridu • Vysokoteplotním způsobem zpracováván především suspenzní PVC s poměrně nízkou relativní molekulovou hmotností (hodnota K cca 60 • Při tomto způsobu zpracování vzrůstá teplota válců ve směru vedení fólie od 160 do 210 °C • Takto připravené fólie mohou být průhledné a jsou většinou používány v obalovém průmyslu • Válcování na čtyřválcovém kalandru tvaru písmene F a L nebo na pětiválcovém kalandru tvaru písmene L • fólie z posledního válce odnímána válečkovým odtahovacím zařízením, a to bez protahování nebo s dloužením v poměru 1: 2 až 1: 4 • výhodné, protože se odlehčí štěrbina mezi posledními válci, neboť fólie o konečné tloušťce např. 100 µm vychází při dloužení 1: 2 ze štěrbiny o tloušťce 200 µm
• Zároveň vzrůstá celková rychlost výroby fólie, v uvedeném případě o 100% • umožněna výroba i velmi tenkých fólií (o tloušťce až 35 µm) • pro vyšší hodnoty mechanických vlastností fólií (např. pro výrobu lepicích pásků) - fólie zahřáté nad Tg ještě v další operaci protaženy na válečkovém dloužícím zařízení • Dloužení fólie řízeno poměrem rychlostí zaváděcích a odtahovacích válců • Válečky dloužícího zařízení nejsou poháněny a jsou temperovány • Zvláštní péče musí být věnována temperování a chlazení fólie režim této operace výrazně ovlivňuje vlastnosti fólií z tvrdého PVC
• Nízkoteplotním způsobem (postupem Luvitherm) - zpracovávány vysokomolekulární typy emulzního PVC (K-hodnota 70 až 78) na fólie o tloušťce menší než 0,2 mm • Fólie s lepšími mechanickými vlastnostmi než fólie připravené vysokoteplotním způsobem, ale netransparentní • Při nízkoteplotním způsobu klesá teplota válců kalandru ve směru tažení fólií ze 175 °C na prvém válci na 145 °C na čtvrtém válci • Vzniklá fólie nemá vyhovující vlastnosti, neboť polymer se při relativně nízkých teplotách pouze spéká - konečných vlastností fólie se dosáhne rychlým zahřátím na jednom nebo dvou tavných válcích na teplotu 240 °C a následujícím ochlazením • Tavné válce vyhřívány elektricky a fólie může být předehřívána i infraohřevem • I v tomto případě lze fólii dloužit v kaučukovité oblasti na válečkovém dloužícím zařízení (tloušťka fólie až 15 µm)
• kalandry ve tvaru písmene L • Kalandrovaný materiál, který není zcela spojen a spadává z válců a štěrbin proti postupující fólii, nemůže tak padat na hotovou fólii a tím znehodnotit její povrch • Nízkoteplotní postup výroby fólií z tvrdého PVC zpracování vysokomolekulárních typů emulzního PVC na fólie s dobrými mechanickými vlastnostmi, přičemž kalandrování při relativně nízkých teplotách omezuje nadměrné tepelné namáhání polymeru, které by mohlo vést k jeho degradaci • nízké kalandrovací teploty koncentrací stabilizátorů
použití menších
Stroj na dodatečné zpracování tvrdých fólií z PVC a - zaváděcí válce, b - tavný válec, c - tavný válec, d- odtahovací válce, e - zaváděcí válce, f- válečkové dloužící zařízení, g - odtahovací válce
Linka čtyřválcového kalandru k oboustrannému nánosování ocelových kordů
1 - cívečnice, 2 - tažné a středicí válce, 3 - napínací válec, 4 - čtyřválcový kalandr, 5 - chladicí válce, 6- vyrovnávací zásobník, 7- zvedací zařízení, 8 - rozdělovací válce, 9 - navíjeni
Součásti kalandrovacích linek a další možnosti použití válců
Ovládání kalandrovacích linek • Moderní kalandrovací linky centrálně řízeny z ovládacího panelu • - ukazatele zaznamenávající všechny významné funkce kalandru zásobovací části linky i strojů navazujících na kalandr, lze zároveň celou linku ovládat • u kalandru rychlost válců, skluz válců, teplota válců, poloha válců, předpětí válců, protiprohnutí válců, křížení válců; dále pak rychlost odtahovacího zařízení, teplota odtahovacího zařízení, rychlost a teplota desénovacího zařízení, hydraulický tlak podložního válce desénovacího zařízení, rychlost a teplota válců chladicího zařízení, rychlost navíjecího zařízení atd. • Dále údaje měření tloušťky a jejího automatického řízení, ale i tlak ovládacího oleje, teplotu a tlak mazacího oleje, spotřebu proudu jednotlivých motorů.
• Na panelu také nouzový vypínač celé linky • V poslední době je věnována značná pozornost sledování a automatická regulaci tloušťky fólie v podélném i příčném směru • Tloušťka fólie se měří na principu zeslabení záření • Většinou dvě pevná měřicí zařízení, která zaznamenávají tloušťku fólií nedaleko kraje a dále jedno zařízení, které se v pravidelných intervalech pohybuje příčně a měří příčný profil fólie
