pvc管材工艺设计

pvc管材工艺设计内容摘要：

混和设备有：螺带式混合机、捏合机、高速混合机、开炼机、密炼机、冷混机等。 目前绝大部分企业都是采用高速混合机（热混机） 将原料进行混合，再用低速混合机 (冷混机 )将混合好的物料进行冷却。 高速混合机是使用极为广泛的塑料混合设备，可用于混色、制取母料、配料机共混材料的预混。 普通的高速混合机由混合室、叶片、折流板、回转盖、排料装置及传动装沈阳工业大学本科生毕业设计 16 置等组成。 高速混合机工作原理：先向混合机的混合室外壁空腔内通入水蒸气（也有用电阻加热），加热升温后把原料加入混合室内；当混合室内搅拌浆高速旋转时，搅拌桨附近的原料由于受桨叶片面摩擦力和叶片端面推力作用而随搅拌桨旋转；旋转时这些料在离心力作用下被抛向混合室的圆形壁上，成为连续碰壁的原料，在后来料的推 力作用下，沿向圆壁上升，到一定高度时，原料本身的重力又使它落下，落到原混合室的中心部位，然后再被旋转的桨叶抛向混合室壁，重复原料的运动。 由于混合室内还设有一个折流板，它能破坏原料旋流比较规则的运动方式，搅乱了物料的运动方向。 这几个料流的混合运动使原料间产生一定的摩擦热、碰撞和推挤，这些交叉运动的动作变化使原料间产生一定的摩擦热；另外，还有混合室外部的供热，使混合料温度升高，这几个条件的综合作用，使混合室内的各种掺混料得到均匀混合。 由高混机得到的混合物在加工和储存之前必须进行冷却，否则，在一段时间内会热降解 或因温度高而结块。 将高混机混好的物料直接排放到冷混机中，冷却到 40～ 50℃ ，其自由流动的性能也得到了保证。 冷混机由混合室、搅拌浆、卸料装置、传动系统等组成，冷混机的混合室为圆筒形，其直径与高度之比要大于高混机。 内表面高度抛光，底部为蝶形。 混合室内部设有冷却环，室壁为夹套式。 冷却环和夹套均可通入循环冷却介质与物料进行热交换。 混合室内还可增设扇形片或导流环，以增加冷却面积，缩短冷却时间 [12]。 因次本设计采用高速混合机和冷混机配合使用。 挤出机 生产 PVC 管材一般都采用螺杆挤出机进行连续操作。 螺 杆挤出机因其结构简单，价廉物美，生产效率高的特点，成为塑料管材成型加工最重要的设备。 在螺杆挤出机转动时，装入料斗中的干混料或粒料借助转动的螺杆进入加料筒中，由于料筒的外加热和 PVC 干混料本身和干混料与设备之间的剪切摩擦热，遂使混料熔化而呈熔体在设备中不断往前流动，各组分受螺杆的搅拌而均匀分散。 熔体在机头口模处成型后成连续体被螺杆挤到机外，经冷却固化，即成管材。 沈阳工业大学本科生毕业设计 17 螺杆挤出机通常是按螺杆数目分为：单螺杆挤出机，双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。 单螺杆挤出机又分为普通螺杆挤出机、双级排气式螺杆挤出机和排气式锥形单螺杆 挤出机。 普通单螺杆挤出机一般使用与粒料的挤出，后两者既可采用粒料也可用粉料直接挤出，但用粉料时熔体塑化能力和压实程度较低，挤出流量不太稳定，由于是在高剪切和较高温度下加工，故热稳定剂、加工助剂和外润滑剂的用量要适当增加。 双螺杆挤出机基本结构和单螺杆挤出机相似，但双螺杆和与之配合的料筒构成具有特殊功能的混炼、挤出系统，由于两根螺杆之螺棱和螺槽彼此啮合，除具有混炼效应外还有类似于齿轮泵的正位移输特性。 双螺杆挤出机按两根螺杆旋转方向是否相同，可以分为同向旋转和异向旋转双螺杆挤出机两种。 若两根螺杆旋转方向相同 ，则称为同向旋转双螺杆挤出机，从外形上看，两根螺杆完全相同。 若两根螺杆旋转方向相反，则为异向旋转双螺杆挤出机。 同向双螺杆挤出机不利于将螺槽尽快充满和使物料向前输送，加料性能不好还易形成桥架，同时还加快了螺杆和机筒内壁的磨损。 异向旋转则无上述缺点，物料在两根螺杆的带动下，很快向两边分开，充满螺槽向前输送，在输送过程中与热机桶壁接触，吸收热量，有利于物料的加热熔融。 本设计选用异向双螺杆挤出机。 冷却定型装置 挤出的管状物首先应通过定型装置，使之冷却变硬而定型。 为了得到符合尺寸要求和良好表面光洁度 的管材，有效的冷却是非常重要的。 定径方法分外定径和内定径两种。 外径定径法是在管状物外壁和定径套内壁紧密接触的情况下进行冷却而实现的。 保证这种紧密接触的措施是从设在多脚架的一个支架和芯棒内的连通孔向管状物内通入压缩空气，并在挤出的管端或管内封闭，使管内维持比大气压力较大而又恒定的压力 [13]。 此外，也有在管套上沿圆面上钻一排小孔用真空抽吸使管状物紧贴套管的。 内径定型法是将定径套的冷却水管从芯棒处伸进，所以必须使用偏移沈阳工业大学本科生毕业设计 18 式机头。 用内径定型法所制得的管材内壁较为光滑，不管定径套是外径套还是内径套，其尺寸目前大 多还凭经验确定。 对外径定型来说，定径套的长度一般取其内径的 3倍。 定径套的内径应略大于管材外径的名义尺寸，一般不大于 2mm。 相比较而言，外径定型结构简单，操作方便。 所以本设计采用外径定型法。 冷却装置 由于塑料的导热系数较低，经过冷却定型装置出来后的塑料管材，并未完全冷却到室温，如果不继续冷却，在其壁厚径向方向存在的温度梯度会使原来冷却的表层温度上升，引起变形。 因此必须继续冷却，排除余热。 用来冷却管材的方法常用冷却水槽和喷淋水箱却两种。 冷却槽通常为 2～ 4 段借以调节冷却强度。 冷却水一般是从最后 一段通入冷却槽的，再使其逐次的一段一段前进，也就是使水流方向与挤出管材的运动方向相反，使管材冷却比较缓和内应力比较小。 冷却槽的长度一般为 ～ 6 米。 由于冷水槽中上下层水温不同，管材在冷却过程中有可能发生弯曲，此外管材在冷水槽中受到的浮力也有使之弯曲的可能，尤以大型管材为甚。 喷淋水箱冷却是在水箱上装有沿管材圆周均匀分布的喷水头，控制一定的水量对挤出管材进行喷淋冷却。 喷淋水管可有 3～ 6 根，呈环形分段喷淋或沿轴向均布在管材周围喷淋。 靠定径套一端的喷水孔较密 [14]。 该方法冷却均匀，变形可能性小。 本设计采用喷 淋水箱进行冷却。 牵引装置 牵引装置的作用是均匀的牵引制品，并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定进行。 并通过调节牵引速度调节管材的壁厚，进行适当地拉伸。 牵引速度要求十分均匀，并能无级调速。 牵引速度取决于挤出速度，一般牵引速度比挤出速度快 1％～ 3％。 牵引设备要满足能适应夹紧多种管材，牵引力必须能保持恒定，并且可以在一定范围内平滑地调节速度。 牵引装置一般有胶带式、滚轮式和履带式三种。 沈阳工业大学本科生毕业设计 19 胶带式牵引装置是由一条橡胶传送带和压紧辊组成，用压紧辊将管材夹压在橡胶传送带上，靠两者之间的压紧力所产生的摩 擦力来牵引管材。 压紧力可以调节。 这种形式的牵引装置对直径较大的管材的牵引力显得不足，故一般仅使用小直径和容易压塌的薄壁管材。 滚轮式牵引装置有 2～ 5对上下牵引滚轮组成。 下滚轮为主动轮，上滚轮为从动轮，可以上下调节。 主动轮多为钢轮，从动轮外面包一层橡胶。 管子由上下滚轮夹持而被牵引。 由于滚轮和管子之间是点或线接触，牵引力也同样显不足，一般只用来牵引管径在 110mm以下的管材。 履带式牵引装置有两条或多条相对于中心位置单独可调的履带组成，均匀地安装在管材的周围，履带上有夹紧块，他们都做成凹形或带有一定角度，以增加 施加径向力的面积，减少管子局部被压坏的危险。 夹紧块的夹紧力由压缩空气或液压系统产生，或用丝杠螺母产生。 这种牵引装置的牵引力大，速度调节范围广，与管材接触面积大，管子不易变形，不易打滑，主要用于大直径和薄膜管材。 本设计采用履带式牵引装置。 切割装置 切割装置的作用是对制品进行定长切割。 要求切割尺寸准确、切口均匀整齐。 切割装置的好坏影响切割尺寸和切割的质量。 常用的切割装置有手提式圆锯切割机，自动式圆锯切割机、行星式自动切割机。 手提式圆锯切割机：切割用的圆盘锯和动力装置安装在机架上，当管材达到预 定尺寸，用手将其提起，动力电机工作，即可将管材锯断。 这种装置结构比较简单。 自动式圆锯切割机：电动圆锯和夹持器均由行程开关控制，当管材达到规定尺寸时触动行程开关，管材自动被夹持器夹紧，整个切割装置在管子挤出时引力的作用下随管材同速前进，圆锯同时启动，并由气缸慢慢将其抬上，将管材锯断。 管材切断后，巨片落下，切割装置返回原处。 由于受圆盘锯片直径的影响，这种切割方法对于大直径管材受到限制，一般最大管径可达 160mm～ 200mm。 沈阳工业大学本科生毕业设计 20 行星式自动切割机：这种切割装置有一片（或多片）小规格的圆盘锯片，锯片不仅自转，还围绕 管材公转，其他的工作原理与自动式圆锯机一样。 这种切割机特别适应于大直径管材的切割 [15]。 一般最大管径可达1000～ 1600mm。 本设计采用自动式圆锯切割机。 其他装置 为了满足用户对管材进行承插连接的要求，需将已经生产好的 PVC硬管进行扩口胀大。 扩口装置主要由烘箱和扩口机头组成。 将需扩口的管端在烘箱中加热软化，插入扩口机头，一次实现扩口，经水冷却即可完成。 沈阳工业大学本科生毕业设计 21 第 4 章 工艺流程叙述及工艺参数选择 工艺流程 工艺流程示意图 图 41 工艺流程示意图 工艺流程叙述 高混工序： PVC 树脂通过加料袋（ 101）加入到 PVC 树脂加料罐（ 102）中，加料罐设有料位计，用于监测罐中料位，使其处于正常范围内。 加料罐底部有软管，它可以把加入过多的料量送回加料罐。 加料罐下设有旋转阀，可定量将物料输送到 PVC 料仓（ 103），采用正压输送，料仓设有上下两个料位计，控制料仓料位。 料仓上端有脉冲过滤器和负压安全阀。 PVC 粉料经料仓中一系列长管由上至下输送。 通过闸板阀，再经料仓 负压输送与各种助剂混合。 闸板阀中有一盲板，起到阻隔物料作用。 料仓 上的单向阀，使 PVC粉料只能单方向地从料仓 向旋转阀方向移动。 本设计有六种助剂，由六个加料袋加入到六个加料罐，分别为硫醇锡加料罐（ 104）、硬脂酸锌加料罐（ 106）、钛白加料罐（ 107）、聚乙烯蜡加原料 辅料 配方 高速混合 双螺杆挤出 冷却定型 冷却 牵引 切割 成品 沈阳工业大学本科生毕业设计 22 料罐（ 108）、 ACR 加料罐（ 109）、碳酸钙加料罐（ 110）。 各种助剂由加料袋加入到加料罐中，加料罐中设有料位计，实现自动控制。 下部设有下料器，有助于各种助剂下料。 各种助剂在螺旋输送器（ 105）作用下，用电子秤自动称量（ 111）。 助剂按配方要求进行称量后，通过旋转阀与 PVC 粉料混合，并按一定量到达电子称量秤（ 113）进行准确称量。 电子称量秤上设有脉冲过滤器。 称量好的物料负压输送至热冷混合机组。 物料先进入高速热混合机（ 114），混合温度 120℃，混合时间为 5～10 分钟。 然后进入冷混机（ 115）进行冷混，冷混温度为 40～ 60℃，混合时间为 5～ 10 分钟。 混合均匀的干混料，经过干混料料斗（ 116），送至干混料料仓（ 117），然后送入挤出工序。 前段各工序粉尘及废料均回收至废料储罐（ 112）中。 挤出工序： 由干混料料仓（ 117）送来的 PVC 混料进入挤出机料斗（ 202），通过螺旋输送 器，送入挤出机（ 203）。 在挤出机中，物料在高温环境中熔融塑化，经过螺杆的剪切作用，以粘流态从机头口模（ 204）连续挤出，进入定型冷却工序。 定型冷却工序的顺序是先定型，再冷却。 定型采用真空定型，真空定型是以间接水冷的定型模使从挤出成型模挤出的熔融管材树脂冷却定型，它是由内壁有吸附孔的真空室和冷却室组成，熔融树脂被真空吸附，与间接冷却的定型模内壁接触而冷却固化。 冷却工序采用冷却水冷却，特点是生产成本低。 充分冷却的管材在牵引机（ 206）的作用下，进入切割机（ 207）。 牵引机采用履带式牵引机，特点是对制品的接 触面积较大，所以能够进行柔软而无滑移的牵引，管材受力面均匀，不易产生变形。 切割装置采用圆锯式切割机，切割长度 6 米。 切割机后端设有堆放设备（ 208）。 堆放设备自动将切断的管材码放规整。 当管材码放达到一定高度，工人将其堆放入库。 工艺参数 工艺参数一览表 工艺参数见表 41。 沈阳工业大学本科生毕业设计 23 表 41 主要工艺参数 序号 工序 项目 单位 指标 1 混合 热混时间 min/锅 10 2 热混温度 ℃ 120 3 冷混时间 min/锅 10 4 冷混温度 ℃ 40 5 挤出 加料段温度 1 ℃ 140 6 熔化段温度 2 ℃ 150 7 计量段温度 3 ℃ 160 8 机头温度 ℃ 180 9 口模温度 ℃ 180 10 螺杆转速 r/min 35 11 定型 定型真空度 MPa 12 冷却 冷却水温度 ℃ 18 13 牵引 牵引速度 m/min 14 切割 切割长度 m 6 工艺参数选择依据 （ 1）高混工序 塑料在成为制品前，必须进行混炼，混炼后得到的料，不论其料量多少，都应该在性能上均匀一致。 混合的作用一般是靠扩散、对流、剪切三种作用来完成的。 扩散作用是靠各组分之间浓。