DE3526050A1 - Verfahren zum betreiben eines extruders - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines extruders

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum Verarbeiten in Extrusionsanlagen bestimmte weich- elastische Materialien, wie z. B. Kautschukmischungen, weisen Unterschiede in ihrer Verarbeitbarkeit auf, die im wesentlichen durch die Mooney-Viskosität nach DIN 53 523 Teil 3 (Ausgabe Nov. 1976) (im folgenden auch nur kurz als Viskosität bezeichnet) gegeben ist. Die Unterschiede der Verarbeitbarkeit verschiedener Chargen des gleichen Mischungstyps ergeben sich u. a. durch diskontinuierliche Mischungsherstellung im Mischungssaal, sowie durch die Dauer der Lagerung, die Lagertemperatur und unterschiedlich lange Molekülketten bei Naturkautschuk. Darüber hinaus können aber auch bei dem Fell bzw. dem Materialstreifen einer Charge unterschiedliche Viskositäten auftreten. Frische Mischungen (mit geringer Viskosität) lassen sich leichter, d. h. mit geringerer Extruderdrehzahl und geringerem Leistungsbedarf verarbeiten, als ältere Chargen des gleichen Mischungstyps. Anders ausgedrückt: Zur Erzeugung eines bestimmten Massendurchsatzes (in z. B. kg/s) (im folgenden auch nur kurz als Durchsatz bezeichnet) muß ein Extruder bei der Verarbeitung einer älteren Mischung mit höherer Drehzahl und mit höherem Leistungsbedarf gefahren werden als bei der Verarbeitung einer frischen Mischung desselben Mischungstyps. Bei gleichbleibender Extruderdrehzahl ergeben sich somit bei unterschiedlichen Viskositäten nicht vorhersehbare Unterschiede bzw. Schwankungen des Durchsatzes. Bei einem einzelnen Extruder können solche Schwankungen des Durchsatzes Maßabweichungen des Profils bewirken. Bei Mehrextruderanlagen kommt es darüber hinaus bei Schwankungen des Durchsatzes der einzelnen Extruder zu einer Verschiebung des Massengehaltes der einzelnen Komponenten des Profils und damit zu einer unerwünschten Einbuße der Qualität des Profilstreifens.
Um den Einfluß verschiedener Verarbeitungsqualitäten auszugleichen, zumindest aber möglichst gering zu halten, ist es bereits vorgeschlagen worden, (vgl. DE-OS 33 20 203) den bzw. jeden Extruder mit mehreren Fellen oder Materialstreifen verschiedener Chargen des gleichen Materialmischungstyps zu füttern, um so einen vergleichmäßigenden Effekt zu erzielen.
Dieses bekannte Verfahren hat aber den Nachteil, daß ein großer Platzbedarf für das Bereitstellen von Paletten mit den verschiedenen Chargen erforderlich ist. Außerdem ist dabei lediglich eine Vergleichmäßigung der Materialeigenschaften durch statistisches Mischen erreichbar. Spontan auftretende Verschiebungen des statistischen Mittelwertes können bei dem bekannten Verfahren nicht ausgeglichen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Extruders anzugeben, mit dem der Durchsatz des Extruders im stationären Betrieb auch bei zeitlich veränderlicher Mooney- Viskosität der zu verarbeitenden Materialmischung weitgehend konstant gehalten bzw. geregelt werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß die Konstanz des Durchsatzes des Extruders auch bei nicht vorhersehbaren zeitlichen Schwankungen der Mooney- Viskosität durch eine einfache lineare Regelung der Drehzahl des Extruders in Abhängigkeit von dem jeweiligen Meßwert eines Verfahrensparameters bzw. einer Betriebsgröße und - soweit es sich um ein wiederholtes Herstellen eines bestimmten Profils aus einem und demselben Materialmischungstyp handelt - vorgegebener und gespeicherter konstanter Werte (Nenn- bzw. Solldrehzahl, Sollwert der Betriebsgröße) erreicht werden kann. Damit ist aber bei Mehrextruderanlagen auch eine Konstanz der Massenanteile der einzelnen Komponten des Profils gegeben. Die erzielbare Konstanz ist u. a. für eine nachfolgende Linienregelung wesentlich, durch die Maßabweichungen im Gesamtprofil (z. B. infolge unterschiedlicher Quellung) durch veränderte Liniengeschwindigkeit ausgeglichen werden können.
Nach Anspruch 2 ist die Drehzahl des Extruders gegenüber der Solldrehzahl zu erhöhen, wenn der Meßwert der Betriebsgröße über dem entsprechenden Sollwert liegt. Umgekehrt soll die Drehzahl reduziert werden, wenn der Meßwert unter dem Sollwert liegt.
Eine relativ genaue Regelung ergibt sich, wenn die Drehzahl entsprechend der Lehre des Anspruchs 3 geregelt wird, wobei die Proportionalitätskonstante ebenfalls als in der Rechenanlage gespeicherter Wert über den Code der Materialmischung und des Profils abgerufen werden kann.
Das in Anspruch 4 angegebene Zeitintervall erlaubt es, in der Verarbeitbarkeit der Materialmischung auftretende Schwankungen rechtzeitig zu erkennen und ihre Wirksamkeit auszugleichen.
Anhand der im Anspruch 5 beschriebenen Maßnahme läßt sich der jedem Verfahrensparameter bzw. jeder Betriebsgröße zuzuordnende Proportionalitätsfaktor für jedes bei einem Sollbetriebspunkt aus einer bestimmten Materialmischung herzustellende Profil bestimmen. Durch entsprechendes Umformen des Quotienten kann für die Ermittlung des Proportionalitätsfaktors auch folgende Beziehung herangezogen werden:
Wenn sich bei der Bestimmung des Proportionalitätsfaktors bei einer Variante mit höherer Mooney-Viskosität ein anderer Wert ergeben sollte als bei einer Variante mit niedrigerer Mooney-Viskosität desselben Materialmischungstyps, so können die ermittelten Werte in einfacher Weise gemittelt werden.
Nach Anspruch 6 läßt sich die Konstanz des Durchsatzes in vorteilhafter Weise erreichen, wenn der an einer von der jeweiligen Zuführstelle entfernten Stelle auf die betreffende Materialmischung ausgeübte Druck als Verfahrensparameter bzw. Betriebsgröße heran gezogen wird. Man ist aber keinesfalls auf den Druck als Betriebsgröße angewiesen. So ist es ebenfalls möglich, die in der Materialmischung auftretende Temperatur oder den von dem Motor des Extruders aufgenommenen elektrischen Strom oder mehrere dieser Betriebsgrößen zur Regelung entsprechend heranzuziehen.
Der Gegenstand der Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Extruder einer Mehrextruderanlage mit den zugehörigen Steuer- und Regeleinrichtungen in schematischer Darstellung.
Die Extruderanlage weist mehrere Extruder 1, 2, . . . auf, die im wesentlichen den gleichen Aufbau zeigen und sich lediglich in ihren Abmessungen unterscheiden können. Der Einfachheit halber ist in der Zeichnung lediglich einer der Extruder, der Extruder 1 dargestellt.
Die Extruder 1, 2, . . . sind mit ihren ausgangsseitigen Enden an einem allen Extrudern gemeinsamen Extrusionskopf 4 befestigt. An ihrem vom Extrusionskopf 4 wegweisenden Ende sind die Extruder 1, 2, . . . mit einem eigenen in der Drehzahl regelbaren Antrieb 10.i (i = 1, 2, . . .) mit integriertem Drehzahlgeber 11.i ausgestattet. Außerdem weist jeder Extruder 1, 2, . . . in der Nähe seines Antriebs einen Trichter 12.i zur Fütterung je einer weichelastischen bandförmigen Materialmischung, eines Fütterungsstreifens 13.i auf, die zusammen zu einem mehrteiligen Profilstreifen 5 verarbeitet werden. Dabei werden die Fütterungsstreifen 13.i den Trichtern 12.i durch Fütterbänder 14.i zugeführt.
Am Extrusionskopf 4 sind - für jeden Extruder 1, 2, . . . getrennt - ein Temperaturfühler 15.i und ein Druckfühler 16.i angeordnet. Weitere Druckfühler 17.i können an den einzelnen Extrudern 1, 2, . . . gleichmäßig über deren Länge verteilt angeordnet sein. Jedem Extruder 1, 2, . . . ist außerdem ein Makierungsleser 18.i zugeordnet. Hinter dem (nicht gesondert dargestellten) Profilausgang des Extrusionskopfes 4 ist eine Metergewichts- oder Bandwaage 6 angeordnet. Der Ausgang der Metergewichtswaage 6 sowie die Ausgänge der Makierungsleser 18.i, der Temperaturfühler 15.i, der Druckfühler 16.i und der Drehzahlgeber 11.i sind mit dem Eingang einer Rechenanlage 20 mit integrierter Datenbank verbunden. Der Ausgang der Rechenanlage 20 ist über einen Schaltschrank 21 mit den Antrieben 10.i der einzelnen Extruder verbunden. Außerdem ist der Eingang der Rechenanlage 20 und der Schaltschrank 21 jeweils mit einem Bedienungspult oder Terminal 22 verbunden.
Für jeden gewünschten Profilstreifentyp wird einmal ein Solbetriebspunkt mit entsprechendem Sollgesamtdurchsatz q Oges (der sich aus den Durchsätzen q Oi , i = 1, 2, . . .) (zusammensetzt), entsprechenden Solldrehzahlen n Oi , Solldrücken p Oi und einem Bereich von Betriebstemperaturen ϑ i bestimmt, wobei die Fütterstreifen 13.i aus Materialmischungen mit möglichst gleichmäßiger Mooney-Viskosität M verwendet werden. Dazu werden die Drehzahlen der einzelnen Extruder 1, 2, . . . von Hand solange verändert, bis die Profilstreifen 5 die erwünschte bzw. geforderte Qualität aufweist, d. h. insbesondere bis der Massengehalt bzw. -anteil m i (i = 1, 2, . . .) bzw. die entsprechenden längenbezogenen Massenanteile m der einzelnen aus den Mischungen 13.i bestehenden Bestandteile bzw. Komponenten des Profilstreifens den geforderten Werten entsprechen (wobei sich die einzelnen längenbezogenen Massenanteile m (in %) untereinander und zur längenbezogenen Gesamtmasse m des ganzen Profilstreifens 5 wie die entsprechenden Massendurchsätze q i untereinander bzw. zum Gesamtdurchsatz q ges verhalten).
Die sich für die Herstellung eines bestimmten Profils bzw. Profilstreifens 5 bei dem Sollbetriebspunkt einstellenden Solldurchsätze q Oi , Drehzahlen n Oi , Drücke p Oi und Temperaturen ϑ i (i = 1, 2, . . .) werden in der Datenbank der Rechenanlage 20 abgespeichert.
Da die im Extrusionskopf 4 auftretenden Drücke p i starken zeitlichen Schwankungen unterliegen, werden die Signale der Druckfühler 16.i über (nicht gesondert dargestellte) Tiefpaßfilter in die Rechenanlage 20 geleitet. Es werden somit nicht die zeitlich schwankenden Momentanwerte der Drücke erfaßt, sondern lediglich das jeweilige Druckniveau. Im folgenden - wie auch in den Ansprüchen - werden daher die kürzeren Bezeichnungen "Druck" und "Solldruck" der Einfachheit halber auch für die Begriffe "Druckniveau" bzw. "Solldruckniveau" usw. verwendet.
Ebenfalls für jeden Profilstreifentyp einmal wird nacheinander jeder Extruder 1, 2, . . . für sich mit einem Materialstreifen 13.i des gleichen Mischungstyps, aber mit einer etwas anderen Mooney-Viskosität M′ = M + Δ M und/oder M″ = M - Δ M gefüttert. Dabei können die anderen Extruder stillgesetzt werden. Bei der Fütterung des Materials mit der Mooney- Viskosität M′ bzw. M″ wird die Drehzahl n i des betreffenden Extruders solange verändert - bei einer Mooney-Viskosität M′ ≦λτ M auf eine Drehzahl n erhöht und bei einer Mooney-Viskosität M″ ≦λτ M auf eine Drehzahl n erniedrigt - bis der partielle Durchsatz q i des betreffenden Extruders 1, 2, . . . seinem Solldurchsatz q Oi entspricht. Dabei kann der Durchsatz in einfacher Weise dadurch bestimmt werden, daß die Masse m einer in einer Zeitspanne Δextrudierten Teillänge des Profilstreifens ausgewogen und der Quotient gebildet wird.
Die in der beschriebenen Weise ermittelten Drehzahlen n bzw. n und die entsprechenden Drücke p bzw. p werden in der Datenbank der Rechenanlage 20 gespeichert. Aus diesen Werten läßt sich - für jeden Extruder getrennt - ein Proportionalitätsfaktor k i bestimmen, der nach der nachstehenden Formel (2) und/oder nach der nachstehenden Formel (3) bzw. (4) ermittelt wird.
Die derart bestimmten Faktoren k i (i = 1, 2, . . .) gelten für jeweils einen bestimmten Profilstreifentyp und Extruder und werden in der Datenbank der Rechenanlage 20 gespeichert.
In Abwandlung des beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors k i kann auch mit konstanter Solldrehzahl n Oi gefahren werden, wobei sich bei veränderten Mooney-Viskositäten M′, M″ dann unterschiedliche Durchsätze q, q ergeben. Der Proportionalitätsfaktor ergibt sich in diesem Falle zu bzw.
Zum Herstellen eines Profilstreifens 5 werden zunächst die Temperaturen ϑ i an den Extrudern 1, 2, . . . und am Extrusionskopf 4 auf die vorgesehenen Betriebstemperaturen gebracht und alle Extruder 1, 2, . . . einschließlich dem Extrusionskopf 4 mit den vorgesehenen Materialmischungen der Fütterstreifen 13.i aufgefüllt.
Nach dem Hochfahren der Anlage auf den Sollbetriebspunkt mit den entsprechenden im Rechner 20 gespeicherten Sollwerten (q Oi , n Oi , p Oi ) und ggf. einer kurzen Beruhigungsphase wird die Extrusionsanlage im von der Rechenanlage 20 geregelten stationären Betrieb gefahren. Dabei werden in einem Zeittakt von 5 bis 10 s u. a. die von den Temperaturfühlern 15.i, den Drehzahlgebern 11.i und der Metergewichtswaage 6 stammenden Signale der Drücke p i , der Temperaturen ϑ i , der Drehzahlen n i und des Gesamtdurchsatzes q ges in die Rechenanlage 20 eingegeben. Dabei werden insbesondere die von den Druckfühlern 16.i ermittelten Betriebsdrücke p i im angegebenen Zeittakt mit den abgespeicherten Solldrücken p Oi verglichen. Im Falle einer durch eine Viskositätsänderung bedingten Druckabweichung (p i -p Oi ) wird die Drehzahl n i des Extruders, bei dem eine entsprechende Abweichung festgestellt wird, um den Betrag bzw. verändert, wobei der in der oben beschriebenen Weise ermittelte Proportionalitätsfaktor k i über den Makierungsleser 18.i automatisch oder durch manuelle Bedienung des Fahrpults bzw. Terminals 22 in der Rechenanlage 20 aktiviert wird.
Liegt der gemessene Betriebsdruck p i über dem entsprechenden Solldruck p Oi , so ergibt sich für Δ n i ein positiver Wert, d. h. die Drehzahl n i wird um Δ n i über die Solldrehzahl p Oi erhöht. Liegt der gemessene Betriebspunkt p i unter dem Solldruck p Oi , dann ergibt sich für n i ein negativer Wert und die Drehzahl wird gegenüber der Solldrehzahl p Oi entsprechend erniedrigt. Auftretende Druckänderungen werden somit mit gleichsinnigen Drehzahländerungen beantwortet.
Die beschriebene Regelung zur Konstanthaltung der Durchsätze q i der einzelnen Extruder 1, 2, . . . und damit zur Konstanthaltung des Gesamtdurchsatzes q ges kann solange durchgeführt werden, bis die von einem der Temperaturfühler 15.i gemessene Temperatur ϑ i einen zulässigen Wert ϑ zul übersteigt, da jede weitere Erhöhung der Drehzahl eine Überschreitung dieser Temperatur bewirkt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Extruders einer Ein- oder Mehrextruderanlage zum Herstellen von Profilen aus Kautschuk- und/oder Kunststoffmischungen, dadurch gekennzeichnet,
- daß die in dem Extruder zu verarbeitende Materialmischung identifiziert und als Code in eine auf elektronischer Datenverarbeitung basierenden Rechenanlage eingegeben wird, in der die charakeristischen Mischungseigenschaften und die Sollbetriebswerte für das betreffende Profil gespeichert sind,
- daß während des Extrudierens mindestens eine Betriebsgröße kontinuierlich gemessen wird,
- daß die Differenz zwischen dem jeweiligen Meßwert der Betriebsgröße und dem entsprechenden gespeicherten Sollwert gebildet wird und
- daß diese Differenz als Stellgröße innerhalb eines von der Rechenanlage betriebenen Regelsystems für die Drehzahl des Extruders verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (n) des Extruders im Falle einer Differenz zwischen dem Meßwert der Betriebsgröße und dem entsprechenden Sollwert dergestalt verändert wird, daß die Drehzahl bei Übersteigen des jeweiligen Meßwerts der Betriebsgröße über den Sollwert erhöht und beim Unterschreiten entsprechend erniedrigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahländerungsbetrag dem aus den drei nachfolgend genannten Faktoren
- einem für den Extruder und für den darin zu verarbeitenden Materialmischungstyp experimentell bestimmbaren Proprotionalitätsfaktor (k),
- der Solldrehzahl (n O ) und
- der auf den Sollwert der Betriebsgröße bezogenen und aus dem jeweiligen Meßwert und dem entsprechenden Sollwert gebildeten Differenz
gebildeten Produkt entspricht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelvorgang in vorgegebenen Zeitabständen von 2 bis 30 s, vorzugsweise 5 bis 10 s erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors (k) jeweils mit Chargen unterschiedlicher Mooney-Viskosität (M′, M″) des zu verarbeitenden Materialmischungstyps gefahren wird, wobei die Mooney-Viskosität (M′, M″) über und/oder unter der Soll-Mooney-Viskosität (M) liegt, und daß der Proportionalitätsfaktor (k) über die sich bei dem Solldurchsatz (q O ) einstellende Drehzahl (n′, n″) und den sich einstellenden Meßwert der Betriebsgröße durch den Quotienten ermittelt wird, der sich ergibt, wenn man die auf die Solldrehzahl (n O ) bezogene Drehzahldifferenz durch die auf den Sollwert der Betriebsgröße bezogene Differenz zwischen dem Meßwert und dem Sollwert der Betriebsgröße dividiert.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsgröße der an einer von der jeweiligen Zuführstelle entfernten Stelle auf die betreffende Materialmischung ausgeübte Druck (p) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in oder vor dem Kanal des Kopfes des Extruders gemessen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifikation der zu verarbeitenden Materialmischung durch einen Makierungsleser erfolgt.
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