高分子材料加工设备教案.doc

材料科学与工程学院高分子材料加工设备教 案任课教师：高分子科学 系 杨 庆 2006年9月课程基本信息课程名称高分子材料加工设备课程编号110671学分数2学时数30授课班级高分子材料与工程专业2003级课程性质（ ）通识教育 （ ）学科基础 （）专业方向（ ）必修 （）选修考核方式（）闭卷考 （ ）开卷考 （ ）小论文 （ ）其它_总评成绩平时成绩（ ）考核成绩（100）使用教材教材名称高分子材料加工设备主 编张瑞志出版社及出版日期中国纺织出版社1999年参考资料化纤设备，高雨生等，纺织工业出版社涤纶长丝高速纺设备，张瑞志等，青岛海洋大学出版社涤纶长丝生产，徐心华等，纺织工业出版社高分子材料加工设备教学大纲课程名称：高分子材料加工设备 The Processing Equipment for Polymer Materials课程代码：110671课程学分：2.0总学时数：30课程性质：选修面向专业：高分子材料与工程开课院系：材料科学与工程学院 高分子材料系课程简介：本课程系统介绍以通用化纤设备为主，包括塑料、橡胶设备在内的高分子材料加工设备的基本知识。学生通过本课程的学习，熟悉常见设备的结构与工作原理，从而在局部和整体两方面对化纤厂及其它高分子材料加工厂的生产流程与工艺设备具有清晰的概念。使用教材：主 教 材：高分子材料生产加工设备，张瑞志等，中国纺织出版社，第一版参考教材：化纤设备，高雨生等，纺织工业出版社涤纶长丝高速纺设备，张瑞志等，青岛海洋大学出版社涤纶长丝生产，徐心华等，纺织工业出版社选课建议：高分子材料与工程专业的学生应选修本课程。要求的先修课程为：高分子物理、高分子化学和高分子材料成型原理。一般应在四年级第一学期选修为宜。课程的地位和任务本课程是高分子材料与工程专业关于加工设备的一门重要专业选修课。它为学习后继课程和毕业设计奠定了必要的机械基础。课程的基本要求通过本课程的学习，要求学生掌握化学纤维熔融纺丝生产线主要设备的工作原理、基本结构与工艺作用，并熟悉这些设备之间的工艺联系；了解塑料加工设备以及橡胶加工设备的类型和工作原理；了解高分子材料加工设备的发展动向。课程内容第一章、绪论 世界化纤设备发展历程；我国化纤设备发展历程；其它高分子材料加工设备的发展情况。第二章、聚合反应器 第一节、搅拌釜式反应器 第二节、管式反应器 第三节、卧式反应器 第三章、纺前设备 第一节、原液处理设备 第二节、切片干燥设备 第三节、熔体匀滤设备 第四章、熔融纺丝设备 第一节、螺杆挤出机 第二节、纺丝箱体 第三节、计量泵 第四节、纺丝组件 第五节、冷却吹风装置 第六节、卷绕成型装置 第五章、长丝后加工设备 第一节、牵伸加捻机 第二节、假捻变形机 第三节、空气变形机 第六章、塑料加工设备介绍 第七章、橡胶加工设备介绍 与其它课程的联系一般应安排在高分子材料成形原理之后，可以同高分子材料成形工艺课程同时选修。课时分配建议课 程 内 容教学时数第一章、绪论2第二章、聚合反应器6第三章、纺前设备4第四章、熔融纺丝设备10第五章、长丝后加工设备4第六章、塑料加工设备介绍2第七章、橡胶加工设备介绍2总学时数30成绩评定（考核办法）期末考试成绩为本门课的成绩。其它说明本课程已制作多媒体课件。高分子材料加工设备教学日历20062007学年第1学期 课程名称高分子材料加工设备任课教师杨 庆考查周次答疑时间周一下午使用班级高材2003级教研室主任张清华考试周次10答疑地点材料大楼918日期次数讲课内容分章和分节的名称课内时数课外时数习题课、课堂讨论、课堂练习内容课内时数课外时数1第一章、绪论2第二章、聚合反应器第一节、搅拌釜式反应器(1)3第一节、搅拌釜式反应器(2)4第二节、管式反应器第三节、卧式反应器5第三章、纺前设备第一节、原液处理设备第二节、切片干燥设备(1)6第二节、切片干燥设备(2)第三节、熔体匀滤设备7第四章、熔融纺丝设备第一节、螺杆挤出机（1）8第一节、螺杆挤出机（2）9第二节、纺丝箱体第三节、计量泵第四节、纺丝组件10第五节、冷却吹风装置第六节、卷绕成型装置11第五章、长丝后加工设备第一节、牵伸加捻机12第二节、假捻变形机第三节、空气变形机13第六章、塑料加工设备介绍14第七章、橡胶加工设备介绍15随堂考试上课周次：第（ 9 ）周，第（ 1 ）次 上课时数：（ 2 ） 学时教学内容第四章、熔融纺丝设备第二节.纺丝箱体、 第三节.计量泵、 第四节.纺丝组件 教学目的和要求掌握化纤熔纺设备中纺丝箱体、计量泵和纺丝组件的结构原理教学的重点和难点计量泵工作原理与结构；纺丝组件中喷丝板的设计教学手段说明多媒体手段上课（包括采用视频播放）参考资料化纤设备P100132（第二节.计量泵；第三节.纺丝组件；第四节.纺丝箱）涤纶长丝高速纺设备P108140（第二节.计量泵；第三节.纺丝箱与组件）布置作业掌握本课内容；预习下节课内容：第五节、冷却吹风装置；第六节、卷绕成型装置备 注教学过程：第二节、纺丝箱体一、纺丝箱体的作用与结构1、作用对熔体分配管路、计量泵和组件进行保温。（播放纺丝箱体视频）2、结构（见下图）二、对纺丝箱体的要求1、耐热耐腐蚀 2、严格密封 3、熔体停留时间短 4、各纺丝部位状况一致 5、装拆方便三、纺丝箱体设计1、外形结构l 从外形结构上分长方形和扁形两种结构。（见上图）l 纵向长度取决于纺丝位数，横向宽度取决于纺丝头座和熔体输送管道的配置尺寸，高度取决于纺丝座的尺寸。l 一般采用810mm的锅炉钢板焊接而成。2、纺丝位数和位距（1）纺丝位数一只纺丝箱一般有2、3、4、6和8个纺丝位，国内纺丝箱多为6 个纺丝位。（2）纺丝位距l 位与位之间的距离，原则上要求在不影响操作的前提下尽量小些。l 一般长丝纺丝箱的位距为600mm，短纤维为400、500、600mm。l 对高速纺一只纺丝箱有2、3、4个纺丝位，位距有600、800、1000mm，最大可达1200mm。l 衡量纺丝箱效率高低的主要参数是位距产量，即纺丝单元产量与相临两个纺丝位的中心距离之比。（3）国产纺丝机位距产量型 号纺丝位中心距（mm） 纺丝位单元产量（t/d）位距产量（t/100mm） 喷丝板孔数（个） VD405 600 0.360.396 0.060.066 500 VD406 400 0.8060.887 0.20150.22175 1120 VC406B 600 0.00980.127 0.001630.00245 34 VC406A 600 0.00980.127 0.001630.00245 34 YFD2000 500 0.59121.7503 0.31820.35 2210 3、熔体分配管设计（1）设计要求熔体的流经时间要短，压力降要小；熔体的流经时间和压力降要相同。（2）排列方式分支式、放射式、组合式（见下图）4、箱体加热系统（1）加热形式联苯内循环式（参见一、2、箱体结构图）l 在箱体内装入一定量的联苯混合物（约占箱体容积的2/3），由电热棒加热，形成气液相共存的密闭箱。l 结构简单，但箱体的密封要求高。联苯外循环式l 将联苯锅炉的联苯蒸汽，通过管道、泵和阀等输送装置，通入纺丝箱，形成循环的加热回路。l 结构复杂，但温差小。（2）加热功率纺丝箱的加热功率主要消耗在箱体的散热上，因此纺丝箱保温材料的效能、保温层厚度及装填的松散程度等均关系到能量消耗、纺丝环境的温度和劳动条件的好坏，所以应选择优良的保温材料。第三节、 计量泵（播放计量泵视频）一、计量泵的作用（1）精确计量纺丝计量泵（简称计量泵）是化学纤维生产中所使用的高精度标准部件，它的作用主要在于精确计量、连续输送成纤高聚物的熔体或溶液。（2）产生预压计量泵产生所预定的压力，以保证纺丝熔体或溶液克服纺丝组件或喷丝头的阻力，从喷丝板或喷丝帽的毛细孔（微孔）喷出，在空气、水或凝固浴中形成初生纤维。播放照片工厂使用中的计量泵（见下图左）二、计量泵的结构与原理（见上图右）l 常见的计量泵为外啮合齿轮泵，它由一对齿数相等的齿轮组成。l 这种计量泵在工作时，传动轴插在联接轴的槽中，带动主动轴，使主动齿轮转动，从而使一对齿轮在“8”字形孔中啮合运转。l 泵的密封是靠泵板间高精度平面相密合、并由沉头螺钉固紧而连成一体。l 联轴器套及其端盖是由内六角螺钉固定在上泵板上的，整个泵体由四个（或六个）螺栓固定在泵座上。l 计量泵的入口与出口都开在下泵板上，并与泵座的人口孔道和出口孔座相对应。l 当齿轮啮合运转时，在吸人孔造成负压。对于熔纺来讲，熔体将被吸入泵内并填满两齿轮的齿谷，齿谷间的熔体在轮齿的带动下紧贴着“8”字形孔的内壁回转近一周后被送至出口，由于出口端容积的不断变化，而将熔体排出。l 熔体出口压力视出口管路、纺丝组件（或喷丝头）阻力而异。阻力越大，出口压力越大，功消耗也越多。但出口压力的增加是有限度的，当压力达到一定值阿，熔体将沿齿轮泵各零件的配合间隙而回流，此时出口压力不再增加。l 因为计量泵间隙大小取决于泵板和齿轮的加工精度，所以用于高压纺丝的计量泵加工精度比一般纺丝泵要高得多，否则将因漏液而达不到预定的压力。三、计量泵的材料l 材质要有耐高温高压、耐磨和耐腐蚀的特性。必须经受高温运转和焙烧的检验，在450度的高温下不发生形变，仍保持原有的结构尺寸和强度。l 一般采用铬镍合金钢和高速工具钢。目前国内外齿轮计量泵常用材料及其组成见下表。钢号化学成份（重量）国 家CMnSiCrWMoCoVSPW18Cr4V0.30.80.400.403.8017.500.30-11.40.030.03中国YB12-59W9Cr4V21.451.70.400.403.84.48.5100.30-22.60.030.03同上Cr12MoV1.451.70.350.401112.5-0.40.6-0.150.30.030.03中国YB7-55X12M1.451.70.350.401112.5-0.40.6-0.150.30.030.03俄罗斯TOCPB180.750.300.254.5018.50-1.100.030.03德国DINVDE3355HCO0.900.300.254.0121.00.302.500.030.03德国DINVDE32115144OB0.70.961.001.01618-0.75-0.030.04美国SAE5144OC0.951.21.001.01618-0.75-0.030.04同上SKH90.750.90.600.353.54.5674.06.0-18.230.030.03日本JISSKH60.700.80.600.353.54.51012-1.62.00.030.03同上SKD111.41.60.600.41113-0.81.8-0.20.50.031即可。而对于非牛顿流体，如锦纶、涤纶和丙纶熔体Lo/do=14。目前国内外用得比较广泛的Lo/do=1.52。（5）微孔加工方法l 机械冲挤法在国内多数仍采用冷冲挤压法，其优点是孔的圆整度和光洁度好，质量稳定均一；缺点是生产效率低。这种方法是采用不同角度的冲针多次冲制而成形的。l 激光打孔法l 电火花穿孔法l 电子束加工法4、喷丝板孔数（1）长丝纺长丝一般采用180孔，广泛采用的是20、24、30、32、34、36、68和72孔；（2）帘子线采用100400孔；（3）短丝采用50010,000孔，矩形喷丝板可达30,000孔。5、喷丝孔排列（1）喷丝板设计要求l 各喷孔的熔体流量应均匀一致；l 每根细流受到的冷却条件应均一；l 喷丝板应有足够的刚度，保证工作时不产生弯曲变形。（2）喷丝板设计特点l 喷丝板的孔眼与环吹风装置应同心排列；l 喷丝孔应尽量靠近边缘排列；l 喷丝孔的径向分布宽度应越窄越好；l 喷丝孔排列要有利于气流均匀穿透，阻力越小越好；l 喷丝板中部应留适当大小的无孔区，使穿透气流有缓冲余地，以防紊流气流波及丝条。（3）环吹装置设计特点l 根据换热量确定适宜的吹风距离（即从吹风点到喷丝板最外圆孔的距离）、冷却面积及平均吹风速度；l 在同一水平界面上周向吹风的风速要均匀；l 要降低吹出气流的湍流程度。（4）孔排列法l 同心圆排列各同心圆间的圈距相等或近似相等。对各同心圆的排列有等孔距和等孔数两种形式。（等孔距是各圆上的孔距接近相等而孔数不等，等孔数是各圆上的孔数相等）l 分区均匀排列l 小孔距高密度放射形排列法每圈的孔数相等，每圈的孔距自内向外均匀递增，孔呈均匀交叉排列，易于冷却气流通过，冷却的均匀性好；每圈孔密度有规律地自外向内递增，这样，定量冷却气流每穿透一细流层即被运动的丝条向下带走一部分，随着空间的缩小，气流量亦逐渐减小，有利于丝条的均匀冷却。6、喷丝板材料（1）要求耐热（抗氧化起皮）、耐腐蚀、具有一定的强度和易于冷冲挤压等性能。（2）国内1Crl8Ni9Ti不锈钢（参见“反应器用不锈钢材料”部分）（3）国外0Crl8Ni9、Crl8Ni11Nb、Cr17Ni2及Crl7、Crl4等不锈钢。（4）喷丝板的技术要求名称 项目 检验内容 质量要求 检验方法 喷丝板 上平面 光洁度 1.6 光洁度样板 底平面 光洁度 1.6 光洁度样板 底平面 平面度 0.24 刀口尺、塞尺 导孔 90o导角 光洁度 N7 光洁度样板 导孔 光洁度 N7 S*D双筒实体显微镜、光洁度样板 90o过渡锥角 光洁度 N7 同上 微孔 微孔（mm） 直径偏差 0.005 100倍测量显微镜 微孔（mm） 深度偏差 0.04 “奥底福特”显微镜 微孔（mm） 圆整偏差 0.004 高倍显微镜 微孔长径比 L0/d0 15 “奥底福特”显微镜 微孔 光洁度 0.2 （工艺保证）