（机械工程专业论文）造粒模板的研发与应用.pdf

丁程硕l ：学位论文 要 造粒模板是挤压造粒机组中的关键部件，正常生产时处于高温、高压、摩擦 力大的工况中，经过长时间运转后，由于模板表面出现掉渣、磨损不均匀等问题 造成产品颗粒外观质量下降，导致产品不合格，此时必须对整个模板进行更换。 由于进口造粒模板费用昂贵，且新模板的制造周期较长，为7 - 8 个月，不利于装 置长周期运转，为了节约资金，降低生产成本，对其进行国产化。 我们与辽化机械厂联合对模板使用过程中出现的故障进行了原因分析，对引 进挤压造粒机组造粒模板进行了解剖；对模板的模体、聚合物成型孔、加热器、 造粒带等进行了深入的研究，对进口模板进行了测绘，从各部件的选材、结构、 加工等方面入手，并根据实际使用经验对模板国产化提出了改进意见，通过多次 试验，最终制造出达到引进造粒模板使用效果与寿命周期的国产造粒模板，满足 了工厂的生产需求。 本文详细介绍了兰州石化公司石化厂聚乙烯三车间挤压造粒机造粒模板的 工作原理、结构特点、失效原因分析，并对模板的国产化过程进行了阐述。 关键词造粒模板：结构；研究；国产化；加工 造粒模板的研发与戍用 a b s t r a c t n l cp a l l e t i z i n gd i ep l a t ei sa k e yp a r to fa l le x t r u d e r s i n c ei ti su s e di nh i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n dg r e a tf r i c t i o nc o n d i t i o n s ，p r o b l e m ss u c ha ss p a l l a t i o n ， u n e v e nw e a r , e t c w o u l de a s i l yo c c u rt h u sc a u s i n gt h e o f f - s p e c p r o d u c t s ，w h i c h m e a n st h a tt h ed i ep l a t en e e dt ob er e p l a c e dw i t han e wo n e t i l i si sab i gf i n a n c i a l b u r d e nf o ro u rf a c t o r yb e c a u s ei ti sv e r yc o s t l yt oi m p o r tt h ed i ep l a t e se v e r yt i m e t o s a v em o n e y ，o rt os a yt oc u td o w nt h ep r o d u c t i o nc o s t ，t h i sp a p e r s u g g e s t st oh a v et h e d i ep l a t em a d ei nc h i n a t os o l v et h ep r o b l e m sw i t ht h ee x i s t i n gd i ep l a t ew h i l ea i m i n gt of a b r i c a t ei n c h i n at h ed i ep l a t e st h a tw i l lh a v et h es a m ep e r f o r m a n c ea st h ei m p o r t e do n e s ，a c o o p e r a t i v es t u d yh a sb e e nd o n e b e t w e e no u rf a c t o r ya n dl i a o n i n gc h e m i c a l m a c h i n e r yf a c t o r vb ya n a l y z i n ga n dm e a s u r i n gt h eb o d y ，t h eh o le s ，h e a t e r ，s t r a n do f t h ed i ep l a t e ，e t c t l l i s p a p e rh a sa n a l y z e dt h em a i ns t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ed i ep l a t eu s e df o rp e e x t r u d e r ，d e s c r i b e di t sw o r k i n gm e c h a n i s ma n dt h u ss u g g e s t e dt oh a v ei tm a d ei n c h i n ab a s e do ng o o dm a s t e r yo fi t ss t r u c t u r e k e yw o r d s ：p a l l e t i z i n gd i ep l a t e ：s t r u c t u r e ；s t u d y ；m a d ei nc h i n a ；f a b r i c a t i o n 工程硕j j 学位论文 插图索引 图2 1 间隙切割7 图2 2 接触切割7 图2 3 造粒模板的受力情况9 图2 4 推进力与切割速度的变化9 图2 5 空气设定压力与切割速度的关系1 0 图2 6 模板结构示意图1 1 图3 一l 管壳式结构1 6 图3 2 热通道结构1 7 图3 4 新型热通道结构1 8 图3 5 二进一出热介质接口1 9 图3 6 三进三出热介质接口2 0 图3 6 八进四出热介质接口2 0 图4 1 液态钎料对基体的湿润2 5 图5 一l 模体热处理的工艺曲线3 3 图6 1 模板与刀轴之间的垂直3 6 图6 2 水室与挤模架的连接3 7 图6 3 水室与锁定螺母3 8 图6 4 切刀找正示意图3 9 图6 2 切刀与模板的接触压力4 0 图6 3 切刀与模板的研磨4 2 i 造粒模板的研发与应用 附表索引 4 4 4 4 2 2 4 4 一件一条 发一 件挥一件条的条 界物较艺分化比工 的氧标用物属指使化金量的氧和质板属属号模金金牌粒些螳一种造某某三新 1 2 l 2 一 一 一 一 4 4 6 6 表表表表 t 程硕卜学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 兰州石化公司石化厂聚乙烯三车间7 万吨年的高密度聚乙烯装置1 9 9 6 年 从日本钢铁有限公司( j s w ) 引进一套挤压造粒机组，设计处理能力为1 2 t h 。 由于装置操作连续性强，该机组在整个生产过程中的作用极其重要，其运行状 况直接关系到整套装置的运行是否平稳，而造粒模板作为相对易损部件，长期 处于高温、高压、摩擦力大的工况下，经过一段时间的运行后( 1 - 2 年) ，模板 容易出现掉渣、磨损不均匀等问题造成产品颗粒外观质量下降、碎屑增多，此 时必须对模板进行整体更换，模板造粒带常规厚度在3 m m 左右，而更换下来的 模板返修一次造粒带厚度会减少0 5 - 0 8 m m ，因此一块模板最多只能进行2 次 返修，即一块模板的使用寿命在3 年左右，而进口模板价格昂贵( 一块进口模 板的价格大约在1 0 0 万人民币) ，因此，我们为了降低生产成本，同时最大限度 的满足整套机组长周期运行需求，决定对造粒模板进行国产化。 1 2 塑料机械的发展 1 2 1 塑料机械的发展状况 由于塑料工业的高速发展，塑料机械发展的速度也是比较快的。但是，塑 料工业较为年轻，因此塑料机械的发展时间较短，而且与其他机械工业相比， 它的设计制造经验较少，这方面的理论工作也不成熟，因而对从事塑料机械研 究与设计的人员提出了更高的要求。 早在十九世纪中就开始用挤压法生产结构材料，然而早年挤压工业中所用 的挤压机全部是柱塞式的，它们用人力、机械或液压操作，其主要缺点是生产 不连续，并且物料还要预塑化。经过多年改进，于十九世纪七十年代末期发明 了利用挤压橡胶的单螺杆挤压机，随后的几年进一步制造了双螺杆挤压机。然 而，挤压机的现代化和大量生产只是近三、四十年的事。近年来，世界各国的 塑料机械都是向大型、高速、高效、精密、专用、连续化和自动化，以及超小 型的方向发展。 解放前我国没有塑料工业，在解放后我国从苏联引进第一套高压聚乙烯树 脂生产装置，于1 9 6 4 年在甘肃兰州建成投产，它标志着我国的塑料工业的发展 的开始。近年来，随着我国化学工业的飞速发展，我国先后从日本、美国、德 国、法国、英国等国家引进多套大型乙烯联合装置，同时随着我国乙烯工业的 造粒模板的研发与虑用 发展，我国的塑料工业也有了飞速的发展，但与世界先进水平相比，我国的塑 料工业和塑料机械工业仍存在较大的差距。另外，塑料是属于高分子材料，而 高分子材料成型加工中有许多独特的性能，因而决定了塑料机械与普通机械相 比较具有许多特殊性和复杂性。塑料机械中的挤压造粒机就具有这样的特点。 目前世界上，聚烯烃的生产由小型生产装置、设备生产能力低向生产装置的大 型化，设备生产能力高的方向发展。在8 0 9 0 年代，我国的乙烯装置的生产能 力都在年产8 万吨左右，中间有改扩建的生产能力可以达到年产1 6 万吨或年产 3 2 万吨左右，这样相应的配套聚乙烯装置生产能力也就在6 一1 6 万吨左右，全 国的聚乙烯树脂生产装置普遍比较小。而n - 十世纪末期至二十一世纪初，世 界上的乙烯装置的生产能力发展到了年产1 0 0 万吨，与之相配套的聚烯烃装置 的年生产能力都在年产3 0 万吨左右，这就使聚烯烃装置中主要设备挤压造粒机 也在向大型化方向发展，挤压造粒机中的关键部件造粒模板的直径越来越大。 目前我国使用的最大的造粒模板直径在1 8 0 0 m m 。 1 2 2 挤出成型设备的组成部分 一套挤出造粒机组通常由主机、辅助设备以及控制系统组成。 ( 一) 主机 1 、挤压系统 是挤出机的关键部分，主要由螺杆、机筒、开工闸阀、齿轮增压泵、换网 器、水下切粒机组等组成。 螺杆分为三个部分，分别为进料段、混炼段、排料段；在机筒内，粉料刚 进入机筒时由于受到机械摩擦以及机筒的加热而加热，随后以部分熔化状态而 输送到螺杆的混炼段，在这个区域内柔软而分散的粉末经过螺杆的搅拌与塑化 变成均匀的熔融态物料，熔融态物料经过开工闸阀的较小间隙进入排料段，由 排料段排出的混炼均匀的熔融聚乙烯经过齿轮增压泵的增压以确保进入切粒模 板的物料压力，经过换网器的过滤以确保物料的洁净，最终通过模板的模孔进 入水室进行造粒。 2 、传动系统 主要由主电机、齿轮减速箱及润滑油系统构成。作用是驱动螺杆，提供螺 杆在正常工作过程中所需要的扭矩和转速。 3 、加热冷却系统 2 = r 程硕十学位论文 ii i 喜兽曼曼曼皇曼皇量量曼量量曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼舅曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼鼍量曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇量舅 誊，主要由蒸汽加热系统( 有些也采用热油加热系统) 、循环水冷却系统构成。 作用是确保塑料在成型加工中的温度控制要求。设计一台塑料挤出机必须根据 被加工物料的熔融指数范围、加工能力、加工工艺条件等方面进行设计。一般 地说，它必须具备如下的综合要求： ( 1 ) 具有高的生产能力和较广的适应性能 嚣 ( 2 ) 有较完善和先进的控制系统、能准确无误地、协调地控制挤出机的各 个动作，使挤出的温度、压力和流量等严格控制在工艺条件所规定的范围内， 以获得高质量的产品。 ( 3 ) 挤出机必须有足够的强度和刚度，结构合理、紧凑、利于操作和维护， 成本相对较低等。 ( 二) 辅机 挤出设备的辅机的组成根据产品的种类而定。一般来说，辅机是由颗粒水 系统( 包括颗粒水泵、颗粒水换热器、颗粒水槽) 、离心干燥机、振动筛、阀站、 加料系统、添加剂系统、称重系统等部分组成。 颗粒水系统作用是将切粒机切出的粒子进行冷却并输送到离心干燥机进行 脱水干燥；颗粒进入离心干燥机后在高转速作用下依靠离心力将颗粒的水份脱 除，同时依靠高速旋转摩擦将颗粒间产生的部分碎屑也进行脱除；经干燥的颗 粒进入振动筛进行颗粒分级处理，最终经过气流输送系统输送至成品料仓。在 整个颗粒加工过程中，阀站为挤出机机筒、换网器、齿轮泵、模板等用户提供 所需的热源与冷却；加料系统与称重系统则是确保挤出机进料均匀且受控；添 加剂系统则是在挤出机造粒过程中在加料系统与机简上分别注入固体与液体稳 定剂，以确保最终的颗粒质量。 ( 三) 控制系统 挤出机的控制系统主要有电气、仪表和执行机构组成、其主要作用有： ( 1 ) 控制主、辅机的电机，使其满足工艺所要求的转速和功率，并保证主、 。辅机能协调的运行； ( 2 ) 控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量； ( 3 ) 实现整个挤出机组的自动控制。 一般地说，主机在挤出设备中往往是最主要的部分。而在主机的组成部分 中，挤出系统又是最关键的部分，传动系统和加热冷却系统则是为保证挤出系 统正常工作服务的：在辅机的各个组成部分中，机头设计和制造的质量也往往 3 遣粒模板的研发与厦用 是比较重要的，特别是造粒系统中的造粒模板，它的质量好坏对产品质量的影 响是最大的。 1 3 课题概貌 1 3 1 课题的目的、意义 兰州石化公司石化厂目前有四台不同规格的该类型的挤压造粒机，均是在 装置建设时引进的，经过多年运转备件一直依赖进口，每次进口都需花费一笔很 大的资金，给企业代来沉重的负担，不利于生产成本的控制。特别是挤压造粒机 的造粒模板，由于其使用的环境的特殊性，相比于其他部件的易损，导致其更 换频次较高，为了节约资金，降低生产成本，厂部决定与国内技术力量比较雄 厚的且有一定经验的辽化机械厂合作，共同对造粒模板进行国产化。 通过我们与辽化机械厂联合对进口设备挤压造粒机造粒模板的消化吸收； 在掌握其模板结构特点的基础上，根据实际生产中经常出现的问题对模板选材、 加工、及使用等方面进行了研究与试制，经过试运转后，解决模板使用过程中 存在的问题，不断改进最终达到与进口造粒模板具有相同的使用效果与寿命周 期，减少了由于模板造粒效果不好造成的装置停车次数，确保了装置安、稳、长、 满、优运行，满足了生产要求。 1 3 2 课题的主要研究内容为 1 、造粒模板联接结构设计 2 、造粒模板生产能力的计算 3 、造粒模板传热计算 4 、造粒模板加热结构设计 5 、造粒模板的材料选用及加工 6 、造粒模板的安装使用 1 3 3 课题的创新性 1 、在模板结构上，采用了管壳式的热通道结构，以获得最佳的造粒温度， 我大胆提出增加造粒带的厚度以在一定程度上克服造粒带的变形；同时对模板 的热载体流道采用喷涂隔热涂层以减少模板在水下切粒时的热损失。 2 、在模板的选材上，造粒模板的基体为1 6 r 1 3 马氏体不锈钢三级锻体，具 有良好的氩弧焊焊接性能；造粒模板的耐磨层则采用w c c o + c r + n i 硬质合金， 真空钎焊性能好，提高了造粒带硬质合金的耐腐蚀性及耐磨性。 3 、在模板的加工上，模板加工的关键技术是不锈钢的模板基体与硬质合金层 4 工程硕一l 学位论文 曼曼皇量曼曼量璺量曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼量量量笪m lr o l l 曼曼量量曼曼窒曼曼罾蔓皇曼量曼曼舅曼量曼曼曼皇量曼皇量曼曼喜笪j 露的复合，复合后的技术要求是复合层不允许有点蚀、脱块等现象。为了解决这 些问题，我们制造了钎焊炉，开始探索大面积硬质合金与1 g r l 3 金属的镶嵌技 术一真空钎焊 4 、在模板的使用上，我们改变和调整了原来的操作条件和有关工艺参数，摸 索出最佳操作参数， 热 露 造粒模板的研发与应用 第2 章模板的工作原理 2 1 前言 七十年代以来，我国石化工业从美、日、西德、法等发达国家先后引进多 套乙烯装置，其中造粒模板是生产聚乙烯、聚丙烯塑料产品所使用的塑料挤压 机中的重要部件。由于该部件所处工况复杂，属于高技术产品，一般只作为主 机的配件进口，制造商从来不提供任何设计、选材、结构以及制造等方面的资 料，这给该部件的国产化工作带来了极大的困难。 2 2 模板的工作机理及条件 2 2 1 模板的工作原理 熔融的聚乙烯塑料经过齿轮增压泵增压到3 0m p a ，经过换网器过滤掉物料 中可能存在的杂质后经过分流进入模板的多个流道，在这里物料由于流道的直 径逐渐变小而加速流向模板出料端，最终通过模孔以线状进入切粒水室，在这 里熔融的聚乙烯瞬间被5 0 7 0 。c 的颗粒水冷却，并被紧密贴合在模板表面的高 速回转切刀切成2 - 4 r a m 长，直径2 5 - 3 5 m m 的聚乙烯颗粒，至此完成整个造粒 过程，颗粒最终被冷却水输送到离心干燥机进行脱水干燥。 2 2 2 模板的工作条件 聚合物挤出压力：2 0 m p a ： 工作温度：2 5 0 ； 加热介质的压力：4 5 m p a ( 蒸汽) ；0 4 0 8 m p a ( 热油) ； 切粒室水温：4 0 一7 0 。 模板是水下切粒系统的心脏，它具备成型、加热、切割等三项功能。 模板有许多成型孔和特殊结构的喷嘴，它具备将熔融状态的粘稠塑料成型 并最大限度地减少压力损失的功能。 为了防止聚合物在型腔凝固，在模板中设计了各种形式的加热器，这些加 热器适用于蒸汽和热油加热。 2 2 3 切割的方法 通常，有两种切割方法 一种是间隙切割，另一种是接触切割( 无间隙切割) 间隙切割：当聚合物线切割成颗粒时，在切割刀片与模具表面之间存在一 6 工程硕士学位论文 定的间隙。 当切割轴传送的空气压力低于某一定值时，切割轴保持由手柄调整的相同 的固定位置，也就是说：切割刀片保持与模具表面的位置相同，而不管刀片的 磨损程度和切割速度的影响如何。 图2 - 1 间隙切割 接触切割：切割刀片与模具表面之间无间隙。 图2 - 2 接触切割 当朝向切割轴的空气压力升高并超过某一定值时，切割轴克服各种向后的 7 造粒模板的研发与应用 力朝向模具表面向前移动。 一旦将刀片对模具表面的接触压力调整好，亦即将切割速度和空气压力调 整好，切割刀片( 轴) 就会保持这种对模具表面的压力，不管切割刀片是否磨 损，均能自动将刀片推向模板。 通常，接触切割法能制造出良好的颗粒 切刀在切料过程中一般为无间隙切粒，刀对模板切割面的压力在 0 2 m p a ，通常刀的转速为1 0 0 0 r p m ，并且有8 一1 2 把切粒刀，因而刀对模 板的当量转速可达1 0 4 r p m ，使用周期为8 0 0 0 小时，所以刀对模板的应力循 环次数可达4 8x1 0 9 次。这样就要求模板的切割表面必须具备高硬度、高耐 磨性和良好的耐腐蚀性能。通常选硬质合金材料作模板的切割表面。因此， 模板还具备物料的切割功能。 2 3 模板损坏原因分析 本文中所介绍的造粒模板为接触切割，其特点是在切割过程中始终中切割 压力缸的空气压力作用，所有切刀对模板表面保持一定的压力，以补偿工作时 刀片的磨损。 此时，工作时对切割轴的所有向前推力均由切割刀片刃口来支承，刀片刃 口与模具表面相接触，因此切割压力缸的空气压力过大会引起刀片和模具表面 的不正常磨损。 相反地，空气压力不足会引起所谓的“间隙切粒，这会使颗粒出现尾巴 等缺陷。 模板造粒时造粒带受力情况具体见下图。 当开始造粒时，切刀轴对模具表面的推力为： 、 f x = f l + f 2 一 f 3 + f 4 + f 5 ) 式中： f l = 对压力缸的向前空气压力 f 2 = 切粒刀片在热水中的推进力( 向前，取决于切割速度) f 3 = 对压力缸的向后空气压力 f 4 = 热水压力( 向后) f 5 = 摩擦损失等( 向后) 8 工程硕f ：学位论文 鼍量量曼鼍量曼笪曼曼量舅曼寡皇曼曼量鼍寰曼曼曼量量詈曼曼鼍曼曼曼曼曼量曼i 曼曼曼曼舅曼曼皇皇曼曼曼舅曼量皇量蔓曼薯 图2 - 3 造粒模板受力情况 当切粒机电机启动后，驱动水室中的切刀轴时，切刀刀片就会自动推向模 具表面( 见图2 4 ) 。注意推进力( f 2 ) 随切割速度增加变化。 推进力 f 2k g ( | b ) ， n 1 n 2切割轴 番。； 。；，。， ：。 ， r i 穗 图2 _ 4 推进力与切割速度的变化 若要将规定的刀片接触压力用向前推切刀轴而作用在模具上，以此来补偿 刀片的磨损，就要以一定的方法来调整作用在切刀轴压力缸上的空气压力，以 9 造粒模板的研发与应用 获得切刀轴对模板表面最佳的推力，即切刀对模板表面的压力。 正常情况下，造粒工作在大约5 0 一6 0 流量下开始启动，以防止模板冻结。 切割速度大约为最大值的1 2 。然后增加流量和速度。在此情况下，由于刀片 ( 推进力) 而造成的切刀轴向前推力( f 2 ) 随切刀转速的升高而增大，所以空 气压力必须从初始启动的空气压力( f 1 ) 向下降低。否则，刀片对模板表面( f ) 的压力会过分地增大，引起刀片和模板表面的迅速磨损。 通常，磨损量正比于( p ) x ( v ) p ：刀片接触压力 v ：刀片速度 为了减小刀片磨损，( p ) 值必须降低，特别在( v ) 值处于高范围的情况 下尤应如此。 空气设定压力对切割速度的典型关系见图2 5 图2 - 5 空气设定压力与切割速度的关系 2 4 模板的结构 模板的结构由模体，聚合物成型孔、加热器、造粒带( 硬质合金复合层) 等四部份组成如图2 - 6 所示 1 0 雾 簪 爨 壤i 严 魏豢聊i 魏爨 瓣一鬟一 工程硕士学位论文 i 糗体 。 2 纯介瓶溉漤 。2 ；篷链影 ；物鹈娃譬i 瑕翟纯 图2 - 6 模板结构示意图 模体：模板的本体，它主要是完成与挤压机的齿轮泵的连接、切粒机水室 的连接，聚合物的流通道、加热器、造粒带用的硬质合金块全部都镶嵌在其上 面，起主要骨架的作用。 聚合物成型孔：由模体和硬质合金块两部分组成，熔融聚合物由此挤压出。 加热器：主要是在模板工作的过程中通过蒸汽或者热油对熔融聚合物进行 加热。 造粒带：模板的核心部件，聚合物的造粒就是由它和高速旋转的切刀共同 来完成。因此，它的材质要求很高，不但要求有一定的硬度，还要求有好的耐 温、耐磨、耐腐蚀性能。 造粒模板的研发与应用 第3 章模板的设计 3 1 前言 造粒模板的设计应包括：模板联接结构设计，模板生产能力的计算，模板 传热计算，模板加热结构设计以及材料的选择。 3 2 模板联接结构设计 模板安装在挤压机和切粒机之间。因此，模板的联接型式与安装尺 寸必须与挤压机，切粒机一致，其联接结构按挤压机和切粒机设计。 一般模板与挤压机采用螺栓联接，定位方式有止口定位或销定位，模板与 切粒机的联接采用螺栓联接或拉杆紧固联接。模板与切粒机之间采用耐热胶圈 密封，模板与挤压机之间采用“0 型钢圈密封。 我厂的模板与挤压机的连接就采用的是螺栓连接，止口定位的形式，与切 粒机的联结采用的是拉杆紧固联接， 它的外部结构尺寸为：模板的外圆直径为巾7 4 5 m m ，模板的厚度为9 7 m m ，造 粒带的直径为巾2 7 0 一巾4 5 0 m m ， 3 3 模板生产能力计算 模板的生产能力是依据工艺要求确定的，其计算公式为： r = 6 0 h 矿x k x n ( t h ) ( 3 1 ) 式中：尺一聚合物的生产量( t h ) 日一模板孔数 k 一切粒刀把数 一切粒刀转速r p m p 一每克重的切粒数( 粒数g ) 式中每克重的切粒数是根据塑料产品技术标准中规定的颗粒产品的形状， 几何尺寸，计算出每克该产品有多少颗粒。而模板出料孔径的大小也依照此规 定确定。也就是说：每克重的切粒数多，说明颗粒小，模板的孔径也小；反之， 每克重的切粒数少，说明颗粒大，模板的孔径也大。 每克重的切粒数在生产过程也是一个重要的检验产品质量的参数。通过检 验可以了解模板的工作情况，每克重切粒数增加，说明有小颗粒料，模板出现 “慢孔提醒工艺操作要及时调整工艺参数，若每克重的切粒数减少出现“孪 1 2 工程硕：l 学位论文 生 颗粒，说明切粒不正常，要及时检查模板与切粒刀的关系， 磨损。 我厂挤压机每克重的切粒数是8 2 ，切粒机的转速11 5 0r p m ， 1 2 ，聚合物的生产量1 2 ( t h ) 模板的孔数是11 8 4 ，则模板的生产能力是， 。 6 0 1 1 8 4 1 2 1 1 5 0 ，t = ：一 8 2 1 0 9 以及切刀是否 切粒刀把数是 = 1 1 9 6 ( t h ) 我厂挤压机的模板孔径是巾2 6 m ，它是一个组合体。聚乙烯造粒模板有 3 0 4 4 件组成，聚丙烯造粒模板有2 1 5 4 件组成。零件加工精度要求高，其相互 之间的间隙配合非常严格，蒸汽通道与物料孔之间的加工配合要求相当高，它 们之间的间距只有l m m ，蒸汽通道加工必须保证垂直度，偏差不得大于0 1 0 m m ， 否则，这两个通道有可能互通，或者壁偏薄，使用时不能耐压。 模板的进料端承受的推力是2 0 m p a ，工作压力为5 0 k g c m 2 ，操作温度为2 0 0 ，为了在介质加热时升温均匀，并且在开车过程中束状挤压时物料流动性好， 出料及切粒均匀，所以，这对造粒模板的出料孔就要有很高的要求。 3 4 模板传热计算 模板是在水下切粒，整个切粒系统的热平衡条件可以用能量衡算法来确定， 在切粒系统中假设绝热良好热损失可以忽略时，则在单位时间内热流体放出的 热量应等于冷流体吸收的热量。 放热的流体有：聚合物热流体由模板进入水中所释放的热量： a = c 只( 互一互) ， ( 3 2 ) 式中： q l 一聚合物流体的热负荷k j h 或w 燕 彬一聚合物热流体质量流量k g t 铝一聚合物流体的平均比热k j ( k g ) 互，五一热流体的温度 罄t 聚乙烯树脂在从挤压机的齿轮泵被挤压到造粒模板前面形成的热流体经 1 3 造粒模板的研发与应用 过模板进入水中所释放的热量为，：上式中的参数如下 聚合物热流体质量流量= 1 2 0 0 0k g t 聚合物流体的平均比热c p , = 2k j ( k g ) 热流体的在过滤网前的温度t , = 2 2 0 。c 热流体从模板挤出时瞬间温度t 2 = 1 6 5 c 踢= c p , ( 互一t 2 ) = 1 2 0 0 0 x 2 x ( 2 2 0 1 6 5 ) = 1 3 2 0 0 0 0k j h 模板的放热量： q = s k a t 。 ( 3 3 ) 式中： s 一模板的散热面积m 2 k 一传热系数w ( m 2 ) 址肘一对数温差 循环水吸收的热量 q = 呢叱( 五一i ) ( 3 4 ) 式中： 呒一冷流体质量流量k g t c b 一冷流体的平均比热k j ( k g ) 五，瓦一冷流体的温度 模板的传热面积计算，一般模板的放热量未知，可根据热平衡条件确定： 珐= q l + q 2 玖= q 3 一q l 则模板的传热面积为： s ：鱼 k x a t 1 4 t 程硕i ：学位论文 s = 堕k x 丑a t s ：里竺垦亟：王! ：当竺曼g ：王2( 3 5 ) k x 0 对聚乙烯树脂来说，公式中个参数的值为： 冷流体质量流量形= 1 3 0 0 0 0k g t 冷流体的平均比热c 只= 1k j ( k g ) 传热系数k = 7 5 4w ( m 2 ) 对数温差a t 。= 2 0 。c 冷却水与颗粒料混合后的温度正= 8 5 冷却水在进入切粒室时的温度正= 7 0 则造粒模板的传热面积为： s ：翌竺垦! 王：王! ：墨竺旦! 玉：里2 k x a t 册 1 3 0 0 0 0 x 1 x ( 8 5 7 0 ) 1 2 0 0 0 x 2 x ( 2 2 0 1 6 5 ) - 、= 一 7 5 4 x 2 0 s = 4 1 7 7 7 m 2 在切粒系统中，切粒室循环水的温度必须控制在一定的范围内，否则会影 响切粒。 切粒室的水温是依靠温控系统来控制。 3 5 模板加热结构设计 为了防止聚合物在模板内凝固，在紧贴切割表面的模体内部设计出各种形 式的加热器，其中有两种较典型的结构：管壳式结构和热通道结构。 3 5 1 、管壳式结构 所谓管壳式结构，就是模板相当于一个管壳换热器，聚合物通过模板的管 1 5 造粒模板的研发与应用 程进入模板前端，完成切粒过程，壳程通加热介质( 蒸汽或热油) ，这样就保证 了聚合物在通过模板过程中始终保持熔融状态。其结构如图3 - 1 所示。 燕矜鬟 - 簟 ，_ l l 量 聚合镪 图3 1 管壳式结构 3 5 2 热通道结构 所谓热通道结构，就是在模板造粒带的( 出料孔区) 内外侧各设计出两条 较宽的环形槽，称为内环通道和外环通道。内外环通道直接与外加热管线联接， 它是主干槽。与此同时，在模板的出料孔区每排出料孔( 或两排出料孔) 两侧 均设计出较窄的分支槽，槽按孔排列成放射状布置，称为幅射通道。每个分支 槽都与主干槽相通。当热介质由接管进入主干槽( 内环通道或外环通道) 后， 马上被分配到各分支槽中，然后由分支槽再汇集到与出口接管相联接的主干槽 中，并由出口流出。这样就完成了一次热交换过程，随着热介质不断地流入通 道槽中，就形成了对模板的加热过程。热通道结构如图3 2 所示。 1 6 t 程硕e 学位论文 量鲁皇曼葛量重量鼍i i i i 。i,i l l 毫曼曼曼曼曼曼置量量皇皇皇量皇量 爨俞震 。- _ 。 广一警 鬈q _ - _ - _ _ _ _ 放犬 图3 - 2 热通道结构 以上叙述的热通道结构，是在模体上直接车出内外槽并用铣刀加工出分支 溽槽，然后把这些槽用焊接的方式封闭起来，形成封闭的热通道。而热通道上面 的硬质合金层，一个镶满硬质合金环的孔板与模体真空钎焊而成的。这种工艺 比较繁琐，与外封闭层很薄只有3 4 m ，焊接较为困难，由于焊接存在缺 陷，模板工作一段时间后易发生“内漏 。 有一种新的热通道结构。如图3 4 所示。是把模体分解设计，一般分解 为三部份：外凸缘固定部分，芯固定部分和聚合物型腔部分。把热通道槽都设 1 7 造粒模板的研发与应用 计在聚合物型腔部分上，这样就可以单独对其加工，可直接车出内外环槽，并 可以直接用钻削方式，钻成圆形的分支通道，然后再把分别加工的三部分组焊 成一个整体模板。硬质合金也可以直接镶嵌在模体上，进行真空钎焊。这种设 计形式，避免了先铣槽，后封闭的繁琐工艺，这样就根除了由于焊接质量造成 的内漏”，可大大提高模板使用寿命。 一 尹r l l 蘩跨静 w - _ 。- 一l - ，菝夫 图3 4 新型热通道结构 1 8 t 程硕十学位论文 善3 5 3 模板热介质进出接口的数量与热介质循环方式的关系。 热介质的循环方式是由模板热介质进出接口的数量决定的，热介质进出接 口的数量是根据聚合物的熔点确定的。 对熔点较低的聚乙烯造粒模板，热介质进出接口较少，而对熔点较高的聚 丙烯造粒模板一般采用较多的热介质进出接口。模板的热介质进出接口多，热 介质在模板停留的时间短，热损失少，加热更加充分和均匀。 一般说来，热介质进出接口的截面积应该相等，但是对于选蒸汽作加热介 质的进出接口截面积可以不相等。由于在热交换中有一些饱和蒸汽变成了冷凝 水，这样热介质的进口面积可以大于出口面积。 模板热介质进出接口可以分为：一进一出、二进一出、二进二出、三进一 出、三进三出、六进六出和八进四出等多种形式。下面以二进一出、三进三出 和八进四出为例说明热介质的流动形式。如图3 5 所示。 图3 - 5 二进一出 1 9 造粒模板的研发与应用 图3 - 6 三进三出 图3 7 八进四出 图3 - 5 为二进一出热介质接口形式 首先在外环槽对称设置两个阻流塞，把外环槽分割成上下两部分，其中与 两个进1 3 相近的是进口外环槽，与出1 ：3 相通的是出口外环槽，它们之间是不能 相通的，若相通就会造成“短路 热介质就会从进口直接到出口流出，对模板 没有充分加热。 2 0 工程硕十学位论文 当热介质由两个进口流入进口外环槽后，被两个阻流塞阻挡，热介质只能 通过上半部分所有的分支槽进入内环槽，再由内环槽进入下半部分所有的分支 槽并汇集于出口外环槽流出，这样就完成了热循环过程，这种接口形式结构简 单， 图3 - 6 为三进三出热介质接口形式 首先在外环槽内设置六个均布的阻流塞，把外环槽分割成六个等分的槽， 其中有三个进口外环槽，三个出口外环槽。它们之间是不相通的，与此同时， 在内环槽内也设置六个均匀分布的阻流塞，内外环槽上的阻流塞的位置如图 3 - 6 所示。 当热介质由接管进入进口外环槽后，被阻流塞阻挡在六分之一的外环槽内， 热介质只能通过部分分支槽流入内环槽中在流进内环槽的同时被环阻流塞分成 两部分各进入一个内环槽，又由于内环阻流塞的阻挡，进入内环槽的热介质， 只能通过另外一部分支槽，流回到出口外环槽并与另一进口流进的热介质汇合 由出口流出。这种加热形式结构简单，热损失少一般用在采用油加热的聚丙烯 模板中。 图3 - ? 、为八进四出热介质接口形式 首先在外环槽内设置八个阻流塞，把外环槽分割成八部分。内环槽设置四 个阻流塞，把内环槽分割成四部分。当热介质进入八分之一进口外环槽后，经 分支槽进入四分之一出口外环槽，并且与另一股热介质汇合，经出口流出。完 成了一次热循环，随着热介质不断地由八个进口流入模板，并由四个出口流出， 就达到了给模板加热的过程。这种加热形式，热介质充分供给，在模板内停留 时间短，热损失少，一般只有聚丙烯模板采用油加热才选择这种加热形式。 3 6 模板材料的选择 在试制第一块造粒模板时，考虑机加工和焊接方面能容易一些，当时选 用了普通的不锈钢材料作为造粒模板的本体。在装机试运发现如下问题： 。l 、本体材质较软，当造粒模板与挤压机用紧固螺栓把紧时，他们中间的 密封o 型钢环在造粒模板上印出沟痕； 2 、当造粒模板加热后，特别是停停开开的情况下，本体变形较大，造粒 模板表面不平度为o 0 8 m m ，超差o 0 5 m m ，给切粒机对刀及运行切粒都带来一 定的困难： 3 、由于硬质合金块在焊前的工艺处理不好，有的焊接不牢，使用时有的盲 2 1 造粒模板的研发与席用 孔凸起，常有打刀现象出现，很难维持长周期运行。 再后来制造模板时，吸取了前面的教训，注意了以下问题：( 1 ) 、选用含 碳量较高的合金钢做为造粒模板的本体材料，( 2 ) 、做好材质的处理，按着三级 段件的要求，对本体进行1 0 0 x 射线检查和化学成分的分析，做到没有夹渣、 重皮、裂纹、机械性能( 主要是硬度) 检查合格后投入机加工。 因此、模板中有两种主要材料，一是模体的材料，二是硬质层的材料。 这两种材料的选择原则：主要考虑模板工作条件和制造条件。模板是在高 温，有腐蚀介质的环境中工作，同时切粒刀在切粒过程中不允许有丝毫的变形， 所以模体应选择强度高，耐腐蚀性能好的不锈钢。与此同时还要考虑制造的条 件，因为在制造过程中有氩弧焊接和真空钎焊两种特殊的工艺过程，所以一定 要考虑材料必须有良好的焊接性能。选择i g r l 3 马氏体不锈钢，它具备良好的 氩弧焊焊接性能，而且与异种金属硬质合金的钎焊性能也非常好。 由于模板具备切割功能，所以模板的切割表面必须选择高硬度、高耐磨性 的材料，那么只有硬质合金才能够适用。 为了加强造粒模板的表面硬度，使其在切粒过程中耐磨，其表面钎焊着上 千个硬质合金块，其中约5 0 为盲孔的硬质合金块另5 0 为有孔的硬质合金块， 物料从孔径2 6 m m 的孔中挤出被切粒刀切割。硬质合金块的质量好坏直接影响 造粒模板的耐磨程度。 国产化的造粒模板的硬质合金块是采用的铬钴钨合金粉末，通过磨具压制 成型，进行烧结，其密度要求为1 5 9 c m 2 ，硬度不低于8 9 h r c ，为了保证钎焊的质 量，对硬质合金块表面光洁度、主体的垂直度等方面都有具体的技术标准。但 由于硬质合金块的体积小、加工难度大、质量不容易保证，在钎焊前应严格挑 选。 具体选择哪种牌号的合金，主要根据钎焊性能和材料的机械强度来确定的。 选择钨钴类y g 。；。硬质合金。当选择铜钎料，钎焊时它对y g 。；硬质合金有良好 的润湿作用，同时它的抗弯强度也较高。 因此，造粒模板模体材料选择i g r l 3 不锈钢，硬质层的材料选择钨钴类 y g 。硬质合金。 工程硕一l ：掌位论文 苎 第4 章模板硬质合金块的复合 4 1 前言， 模板的关键技术是不锈钢的模板基体与硬质合金层的复合。复合后的技术 要求是：在2 0 m p a 的工作压力以及2 5 0 。ct 作温度，当切粒刀与模板复合层的 翟当量切割次数大于4 8x1 0 9 次时，复合层不允许有点蚀、脱块等现象。 采用大面积真空钎焊把模板与硬质合属层复合在一起。 真空钎焊是在真空气氛中，不用钎剂而进行钎焊的一种方法。真空钎焊最 初仅在电子工业中钎焊铜和不锈钢，现代航空发动机在制造中采用了真空钎焊 技术。真空钎焊技术随着我国在二十世纪七十年代从英国引进斯贝m k 2 0 2 发动 机及其制造技术后，在国内仅有几架飞机制造业开始应用的。硬质合金与不锈 钢大面积镶嵌，是由辽阳石油化工专科学校与辽化械厂制造造粒模板时首次运 用了真空钎焊技术的。经过几年的摸索，试验，已经取得了成功的经验，辽化 机械厂是国内仅有的造粒模板生产厂家，打破了由德国，意大利，美国，日本 等几个少数国家长期垄断塑料挤出机造粒模板制造的局面，为国家填补了一项 空白。 4 2 硬质合金真空钎焊的基本原理 真空钎焊是在真空气氛中，经过加热液态钎料对硬质合金及不锈钢基体浸 润，形成优质的高强度的钎焊接头，即使硬质合金与不锈钢不同材料镶嵌为一 体，这一过程为真空钎焊工艺技术。 4 2 1 模板基体与硬质层采用真空钎焊的要点及条件 模板基体( 1 c r l 3 ) 与硬质合金层( y g 。) 采用真空钎焊的方法使其焊接， 焊接的可行性取决下面的因素： l 、除掉金属氧化膜 钎焊时金属表面的氧化膜影响钎焊对基体的润湿i 因此，如不能除去金属 “表面的氧化膜就不能焊接。一般的钎焊方法是利用钎剂的化学作用来除去氧化 膜，真空钎焊虽然没有钎剂的化学作用，但是真空可以除去焊件表面氧化膜， 保护焊件不被氧化，其机理是： ( 1 ) 氧化膜在高温高真空中可自行分解。真空钎焊时氧化物的分解压力大于 真空系统中氧的分解压力时，零件表面的氧化物会自动分解，如表l 列出部分 氧化物分解需要的真空条件。 造粒模板的研发与应用 表4 一l 某些金属氧化物的分解条件 金属氧化物1 3 6 0 k 时的分解压力( p a ) c u o 3 6 n i o l o _ 3 c o o1 0 - 6 f e 2 0 3 l o - 7 m 0 0 3 1 0 - 7 w 0 2 1 0 3 c r 2 0 3 1 0 r 8 s i 0 2 1 0 l l ml o 1 7 b 2 0 3 1 0 l s v 3 0 3 1 0 1 8 a 1 2 0 3 1 0 2 7 表4 1 是通过力学计算得出的各种氧化物分解压力，可以看出，只有少 数几种金属氧化物在钎焊条件下可以自行分解，大多数金属氧化物不能分解， 因此，氧化物的自行分解不是真空钎焊时除氧化膜的主要因素。 ( 2 ) 金属元素和金属氧化物的挥发破坏了金属表面的氧化膜。 表4 2 某些金属和金属氧化物的挥发条件 金属在1 0 2 p a 时的金属在1 0 2 p a 时的金属在1 0 2 p a 时的 元素挥发温度元素挥发温度元素挥发温度 m o7 9 0n i1 2 5 7 m 0 0 38 0 0 a 18 0 8c o1 3 6 2 w 0 38 0 0 g r9 9 2 v 1 5 8 4 n i o1 0 7 0 c u1 0 3 2n o2 0 9 3 v , 0 3 1 0 0 0 - 1 2 0 0 s i1 1 1 5w2 7 6 0 c r 2 0 3 1 9 0 0 b1 1 4 0 f e1 1 9 4 t i1 2 4 9 由表4 2 可以看出，在较高的真空条件下，某些金属的挥发温度不高，例 如：模板基体为1 g r l 3 ，其主要金属元素为f e 和g r ，g r 元素在真空度1 0 吨p a 时，温度9 9 2 时就可以挥发，f e 在1 1 9 4 c 时挥发。y g 。硬质合金氧化物w 0 2 ， 在真空度1 0 3 p a 时，温度在8 0 0 c 时就能挥发。因此，模板钎焊的两种金属在 t 程硕卜学位论文 皇量罾量皇量量皇曼曼曼皇曼笪曼曼皇曼曼n t , ,e l 曼曼曼曼曼 么、麓纛 艇= 、 图4 - 1液态前料对基体的湿润o q = c r 2 + c r 3 c o s q c o s q ：= 1 7 ! - - 0 2 0 - 3 式中q 为盯固 ；c r 2 为盯嗣- 液；吒为盯液- 气。 ( 4 - 1 ) ( 4 - 2 ) 从公式可以看出q 角越小，流体在固体上的铺展越窄，说明润湿性能越好， q 角越大润湿性能越差。 选择铜钎料对模饭的基体( 1 g r l 3 和y g 。) 进行润湿性能试验，