PVC管材擠出課程設(shè)計

1題目PVC管材擠出課程設(shè)計指導(dǎo)老師 二〇一一年六月二十八日2 21.1PVC管材的特點 21.2PVC的污染 21.3PVC管材行業(yè)的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 31.4國內(nèi)外主要工藝路線的比較和選擇 41.5原料的選擇和生產(chǎn)配方 51.6產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo) 7 82.1擠出成型工藝 82.2定型工藝 82.3牽引工藝 92.4生產(chǎn)流程 93.硬PVC管生產(chǎn)車間工藝計算 3.1生產(chǎn)能力計算 3.2物料衡算 4.1螺桿擠出機計算 4.2擠出管輔機計算 4.3其他設(shè)備 4.4原料消耗計算 4.5能量衡算 設(shè)備一覽表 3第一章概述聚氯乙烯(PVC)是世界第二大通用樹脂，是由氯乙烯單體(VCM)聚合而成的一種熱塑性高分子化合物。聚氯乙烯管主要是指硬質(zhì)聚氯乙烯管，在ISO標(biāo)準(zhǔn)中定義為UnplasticizedPolyvinylChloride,簡稱為PVC-U。1.1聚氯乙烯管材的特點與鋼、鐵、混凝土、陶瓷管相比，聚氯乙烯管材具有如下優(yōu)點：①重量輕，硬質(zhì)聚氯乙烯管的相對密度為1.43,僅為同尺寸鋼重量的1/6,1t塑料管可代替10～13t鑄鐵管，擊穿電壓達(dá)23～28Kv/mm。④摩擦阻力小。管內(nèi)流體速度比鋼管高30%左右，且結(jié)垢少，不生銹，長期運輸水和其他流體，流率和流量均能保持不變；而鐵管會生銹、結(jié)垢，使用數(shù)年后管內(nèi)流率和流量均要減少。⑤導(dǎo)熱系數(shù)小，耐候性較好，隔熱性能好。⑥著色方便，不需油漆，且容易制成各種標(biāo)識顏色的管材，生產(chǎn)中能耗低，僅為鑄鐵管的PVC內(nèi)一些有毒添加劑和增塑劑，可能滲出或氣化；部份添加劑會干擾生物內(nèi)分泌(影響生殖機能),部份可增加致癌風(fēng)險；焚化PVC垃圾會產(chǎn)生致癌的二惡英而污染大氣。常規(guī)的PVC材料，如電線、電纜等是相當(dāng)嚴(yán)重的污染源。在制造、使用及廢棄處理時，都會產(chǎn)生大量的二惡英、氯氫酸、鉛等有害物質(zhì)；PVC材料燃燒時會發(fā)生很大的濃煙，并產(chǎn)生有害的HCL氣體；而且大部分PVC材料中含有Pb(鉛)、Cd(鎘)等(用作電纜穩(wěn)定劑)多種有害重金屬，會對人體健康造成一定的危害；焚燒或掩埋后，會造成對土壤和水源的污染。由于一次性醫(yī)療器械產(chǎn)品大多采用醫(yī)用級聚氯乙烯(PVC)或聚碳酸酯(PC)而PVC加工過程中的熱分解物對鋼材有較強的腐蝕性，PC則硬度高，粘性大，因而對塑化部分的零部件材質(zhì)要求必須是能抗腐蝕、抗磨損而且有較高的拋光性能。目前大多數(shù)醫(yī)用注塑機采用機筒螺桿鍍硬鉻的辦法或者采用不銹鋼為材料制作機簡螺桿以達(dá)到上述特殊要求。另外，為了防止PVC加工過程中熱分解產(chǎn)生氣體，要求對動定模板表面進(jìn)行鍍鋁處理，而且對外圍板金也進(jìn)行鍍鋁處理或者采用不銹鋼板制作板金，板金拼縫采用無毒硅膠進(jìn)行密封，以防塑料加工過程中產(chǎn)生的4氣體跑到外面(塑料加工過程中產(chǎn)生的氣體可通過專用設(shè)備進(jìn)行集中收集再經(jīng)過凈化處理方可排入大氣中)。(鄰苯二甲酸二酯)容易霧化，其他乙烯基產(chǎn)品包括汽車內(nèi)部、淋浴膠簾或鋪地板物料等，也會釋放有毒氣體入大氣，而DEHP也易溶入油性液體中。另外，人們也開始關(guān)注到，兒童若嘴嚼這些軟塑玩具，會有添加劑滲出的安全問題。一些研究表明，這添加劑也許令健康問題復(fù)雜化，但需要進(jìn)一步研究。根據(jù)一些醫(yī)療研究顯示，PVC增塑劑也許會導(dǎo)致慢性?。浩┤缬财げ　⒛懝馨?cholangiocarcinoma)、angiosarcoma、腦癌與acrosteolysis。2004年，瑞典和丹麥學(xué)者組成的的研究小組發(fā)現(xiàn)，常用在PVC的鄰苯二甲酸酯DEHP和BBzP,和兒童過敏有相當(dāng)強烈的關(guān)連性。對未增塑聚氯乙烯(U-PVC),由于不含增塑劑，不存在DEHP滲出，但是加工過程中通常會加入穩(wěn)定劑，目前大多數(shù)是鉛鹽穩(wěn)定劑，鉛是一種有毒的物質(zhì)，在使用過程中會有滲出，危害人體健康，同樣不可忽視.目前已經(jīng)有非鉛鹽穩(wěn)定劑，但成本高，還沒有推廣普及1.3PVC管材行業(yè)的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景作為科技發(fā)展的產(chǎn)物之一，PVC管材在日常生活中觸目可及。在歐洲，1980年-1990年塑料管的增長率為8%,2001年產(chǎn)量達(dá)350萬噸，其中PVC管占60%。美國1985年塑料管產(chǎn)量為160萬噸，1999年產(chǎn)量約360萬噸，其中，PVC管占78%。而中國的第一根UPVC擴(kuò)口管材是于1983年在沈陽塑料廠(現(xiàn)沈陽久利的前身)誕生的，此后，中國大陸具備了PVC給、排水管的生產(chǎn)能力。二十世紀(jì)90年代后期是中國大陸PVC管道的高速發(fā)展時期。期間一些年產(chǎn)能在5萬噸以上的工廠陸續(xù)建成投產(chǎn)，萬噸以上生產(chǎn)規(guī)模的PVC管道工廠達(dá)30多家。目前塑料管道的年生產(chǎn)能力為200萬噸。我國在20世紀(jì)50年代后期才開始塑料管的生產(chǎn)和應(yīng)用，80年代以前我國的塑料管材發(fā)展還十分緩慢，,到1994年生產(chǎn)量才達(dá)到13.3萬噸/年，1996年生產(chǎn)量就增加到24萬噸/年。人均消費量還不到0.2kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美、日、歐的人均消費量，若參照發(fā)達(dá)國家人均PVC-U最低消費量2kg計算，中國14億人口每年就需要280萬噸。從上可以看出我國這充分說明了我國存在著巨大的PVC-U管材市場容量，其發(fā)展機遇和潛力是很大的。目前中國塑料管道生產(chǎn)能力達(dá)300萬噸，主要有PVC、PE和PP-R管道三大類，其中PVC管道是市場份額最大的塑料管道，占塑料管道近70%的份額。PVC管材生產(chǎn)線1600余條。年生產(chǎn)能力250萬噸以上，2003年P(guān)VC管道(管件)年產(chǎn)量達(dá)120多萬噸。在塑料管道中，PVC的份額為70%,PE占25%,PP-R占4%,其它占1%。雖然PVC管道的快速發(fā)展吸引眾多企業(yè)進(jìn)入這個行業(yè)投資，但在國內(nèi)生產(chǎn)眾多廠家(2000多家)眾，年產(chǎn)能力在1萬噸的僅有70多家，年產(chǎn)3萬噸以上的企業(yè)為20多家并擁5有行業(yè)60%的產(chǎn)量。整體而言，國內(nèi)小口徑、低附加值的管道企業(yè)多，大口徑、高技術(shù)含量的企業(yè)少表2國內(nèi)1998—2003年P(guān)VC管道的產(chǎn)量生產(chǎn)廠家產(chǎn)量生產(chǎn)廠家產(chǎn)量華亞塑膠10萬噸河北寶碩8萬噸國風(fēng)集團(tuán)8萬噸中材管道6.5萬噸浙江永高4.5萬噸福建亞通4萬噸湖北凱樂4萬噸廣東顧地3萬噸沈陽久利3萬噸1.4國內(nèi)外主要工藝路線的比較和選擇擠出成型工藝是聚合物加工領(lǐng)域中生產(chǎn)品種最多，變化最多、生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強、用途廣泛、產(chǎn)量所占比重最大的成型加工方法。擠出成型是使高聚物的熔體(或粘性流體)在擠出機的螺桿的擠壓作用下通過一定形狀的口模而連續(xù)成型，所得的制品為具有恒定斷面形狀的連續(xù)型材。目前大多數(shù)生產(chǎn)PVC管材的企業(yè)都是采用螺桿擠出機進(jìn)行干法塑化工藝連續(xù)操作。螺桿擠出機又可分為單螺桿擠出機和多螺桿擠出機。PVC管材的擠出機可以用單螺桿擠出機，也可以用雙螺桿擠出機。兩種擠出機各有各的特點。單螺桿擠出機特點：a.結(jié)構(gòu)簡單，價格低。b.適合聚合物的塑化擠出，適合顆粒料的擠出加工。對聚合物的剪切降解小，但物料在擠出機中停留時間長。c.操縱容易，工藝控制簡單。雙螺桿擠出機：a.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高。b.具有很好的混煉塑化能力，物料在擠出機中停留時間短，適合粉料加工。c.產(chǎn)量大，擠出速度快，單位產(chǎn)量耗能低。但是使用單螺桿擠出機生產(chǎn)PVC管材的企業(yè)，干混料不能直接使用，還必須經(jīng)過混煉塑化加工成粒料的工序才能進(jìn)行生產(chǎn)。而雙螺桿擠出機適合粉料加工，它可以直接使用混合好的PVC料，減少了造粒的工序，但多了廢料的磨粉工序。另外，由于雙螺桿擠出機的產(chǎn)量大，擠出速度快，一般可達(dá)到2～4米/分鐘，適合PVC塑料型材的大規(guī)模生產(chǎn)。而單螺桿擠出機一般只用作小型輔助型材生產(chǎn)，擠出速度僅為1～2米/分鐘，而且目前國產(chǎn)雙螺桿擠出機的質(zhì)量已基本達(dá)到進(jìn)口雙螺桿擠出機的水平，價格僅為進(jìn)口機的1/3～1/5。所以近年來，隨著硬PVC制品產(chǎn)量的增加，直接使用干混料加工PV制品的雙螺桿擠出機應(yīng)用越來越廣，雙螺桿擠出機的型號日漸增多，對雙螺桿擠出理論的研究也日漸深入。綜上所述，本項目采用錐型異向雙螺桿擠出機生產(chǎn)PVC管材。61.5原料的選擇和生產(chǎn)配方的比較1.5.1PVC管材主要原料PVC樹脂選擇生產(chǎn)PVC管材的原料主要是懸浮法聚合的聚氯乙烯樹脂。按照GB/T5761一93《懸浮法通用型聚氯乙烯樹脂檢驗標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)，我國目前生產(chǎn)的懸浮聚氯乙烯樹脂分為8種牌號(表3)。表3懸浮法聚氯乙烯樹脂的型號及相關(guān)參數(shù)聚合溫度粘數(shù)/K值聚合度參考用途高級電絕緣材料電絕緣材料，農(nóng)膜，塑料鞋薄膜，人造革，高強度硬管透明制品，硬管，型材唱片，透明片，硬板，焊條吹塑瓶，透明片，管件過氯乙烯樹脂具體選擇時.做軟制品時.一般使用PVC—SG1、PVC—SG2、PVC—SG3.需要加入大量增塑劑。例如聚氯乙烯膜使用SG2樹脂，加入50-80份的增塑荊。而加工硬制品時，樹脂塑料門窗型材使用SG5樹脂，硬質(zhì)透明片使用SG6樹脂、硬質(zhì)發(fā)泡型材使用SG7、SG8樹脂。生產(chǎn)PVC管材所用的樹脂必須符合擠出加工的要，本設(shè)計中選用SG5型號的PVC樹脂可行。這種樹脂一般要求K值為68左右，揮發(fā)物≤0.4%,同時對樹脂的白度及雜質(zhì)含量如黃、黑點及魚眼等也有一定的要求。PVC樹脂的堆密度對擠出工藝有一定的影響，生產(chǎn)時應(yīng)視具體情況對工藝作相對的調(diào)整。1.5.2PVC-U管材生產(chǎn)配方 表4有機錫體系PVC-U管材配方7組分配方1配方2組分配方1配方2有機錫穩(wěn)定劑0.2～0.40.2～0.4石蠟1.2硬脂酸鈣0.5～0.80.8ACR(加工改0.4～0.8良劑)聚乙烯蠟0.3～0.6ACR(抗沖擊1.5～2.0改性劑)碳酸鈣10～1210～30表5鉛鹽體系PVC-U管材配方組分配方1配方2配方3配方4配方54硬脂酸鉛硬脂酸鈣1硬脂酸鋇21碳酸鈣硫酸鋇石蠟1聚乙烯蠟氧化聚乙烯蠟硬脂酸炭黑顏料適量適量適量經(jīng)過比較，在本設(shè)計中采用如下配方8表6PVC樹脂硬脂酸鋇CPE樹脂4石蠟4PE蠟硬脂酸鉛2輕質(zhì)碳酸鈣1.6產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)我國采用ISO國際標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)技術(shù)文件，結(jié)合國內(nèi)PVC-U管材的發(fā)展情況和質(zhì)量水平，制定了符合我國國情并向國際標(biāo)準(zhǔn)靠攏的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同的用途有不同的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如表7。國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)化工用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T4219-1996建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T5836.2-92給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T10002.1-96埋地排污、廢水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T10002.3-96低壓輸水灌溉用薄壁硬聚氯乙烯(PVC-U)管材GB/T13664-92農(nóng)用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材另外，環(huán)保安全的PVC-U管材的主要原料為PVC粉，輔料包括填充劑、熱穩(wěn)定劑、抗沖擊劑、潤滑劑、改良劑、發(fā)泡劑、著色劑等。PVC-U給水管中PVC粉含量在95%以上；PVC排水管中PVC粉含量在90%以上，其余部分為上述輔料成份的總和。在PVC-U管材中，填充劑(碳酸鈣)的主要作用為降低管材成本(碳酸鈣的噸價與PVC粉噸價比例為1:16)。碳酸鈣與PVC粉的比例關(guān)系直接決定了管材質(zhì)量的好壞。如果碳酸鈣含量過高，雖然也能生產(chǎn)出管材，但質(zhì)量無法得到保證，更不能滿足PVC-U管材50年之使用壽命。采用非鉛鹽穩(wěn)定劑取代傳統(tǒng)鉛鹽熱穩(wěn)定劑來生產(chǎn)PVC-U管材的廠家。鉛鹽熱穩(wěn)定劑中含有鉛元素，在管材的使用過程中會滲入水中。鉛進(jìn)入人體中較難排出，積累過多會引發(fā)鉛中毒。國家建設(shè)部也明文規(guī)定飲用水PVC-U管材禁用鉛鹽熱穩(wěn)定劑。9第二章.生產(chǎn)方案和生產(chǎn)流程2.1擠出成型工藝擠出機螺桿分3個區(qū)段：加料段(送料段)、熔化段(壓縮段)、計量段(均化段),這三段相應(yīng)的對物料組成了3個功能區(qū)：固體輸送區(qū)、物料塑化區(qū)、熔體輸送區(qū)。固體輸送區(qū)的料筒溫度一般控制在100~1400C。若加料溫度過低，使固體輸送區(qū)延長，減少了塑化區(qū)和熔體輸送區(qū)的長度，會引起塑化不良，影響產(chǎn)品質(zhì)量。物料塑化區(qū)的溫度控制在170~1900C。控制該段的真空度是一個重要的工藝指標(biāo)，若真空度較低，會影響排氣效果，導(dǎo)致管材中存有氣泡，嚴(yán)重降低了管材的力學(xué)性能。為了使物料內(nèi)部的氣體容易逸出，應(yīng)控制物料在該段塑化程度不能過高，同時還要經(jīng)常清理排氣管路以免阻塞。料筒真空度一般為0.08~0.09MPa。熔體輸送區(qū)的溫度應(yīng)略低一些，一般為160~1800C。在該段提高螺桿轉(zhuǎn)速、減小機頭阻力及在塑化區(qū)提高壓力都有利于輸送速率的提高，對于PVC這樣的熱敏塑料，不應(yīng)在此段停留時間過長，螺桿轉(zhuǎn)速一般為20~30r/min。機頭是擠出制品成型的重要部件，它的作用是產(chǎn)生較高的熔體壓力并使熔體成型為所需的形狀。各部分工藝參數(shù)分別為：口模連接器溫度1650C,口模溫度1700C、1700C、1650C、1800C、1900C。2.2定型工藝從機頭口模擠出來的管狀物要經(jīng)過冷卻，使它變硬而定型。定型一般用定徑套進(jìn)行外徑定型和內(nèi)徑定型兩種方式。其中外徑定型結(jié)構(gòu)較為簡單，操作方便，我國普遍采用。外徑定型的定徑外套長度一般取其內(nèi)徑的3倍，定徑套的內(nèi)徑應(yīng)略大于(一般不超過2mm)管材處徑的名義尺寸。管材的冷卻方法有水浸式冷卻和噴淋式冷卻，較常用的是噴淋式冷卻。真空冷卻成型是借助于真空泵將真空槽抽成真空，使管坯外壁吸附在定型套的內(nèi)壁上而達(dá)到冷卻定型。真空定型的工藝條件一般為：真空度20.0~53.3kPa,水溫15~250C,真空槽中的水成霧狀為最佳。若真空度偏小，導(dǎo)致管外徑偏小，小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸；反之，若真空度偏大，管徑偏大，甚至出現(xiàn)抽脹現(xiàn)象。若水溫過低，定型不完全，且會使管材脆性增大；若水溫過高，則會造成冷卻不良，致使管材易發(fā)生變形。2.3牽引工藝牽引裝置的作用是給機頭擠出的管材提供一定的牽引力和牽引速度，均勻地引出管材，并通過調(diào)節(jié)牽引速度調(diào)節(jié)管子的壁厚。牽引速度取決于擠出速度，一般牽引速度比擠出速度快1%~3%,2.4生產(chǎn)流程硬質(zhì)PVC管材規(guī)格和形式很多，其生產(chǎn)工藝流程基本上如圖1。高速混合高速混合冷卻定型捆扎包裝原料及助劑低速攪拌切割造粒擴(kuò)口擠出成品PVC管材生產(chǎn)工藝流程可分為三個過程：(1)、成型料準(zhǔn)備過程，包括配方、混合(高速和低速)、過篩或者造粒。(2)、擠出成型過程，將配好的物料在上料器的作用下，由料倉送至擠出機的加料斗中，然后物料由加料斗進(jìn)入擠出機進(jìn)行加熱、塑化。塑化完全后，塑化料被定量擠出。(3)、定型包裝過程，經(jīng)過冷卻定徑箱泠卻定型，再經(jīng)過牽引機、切割機，上光烘干固化后，檢驗合格即為成品第三章硬PVC管生產(chǎn)車間工藝計算(一)聚合聚生產(chǎn)能力(二)年生產(chǎn)時間(三)PVC管材合格率(四)產(chǎn)品規(guī)格(五)物料損耗系數(shù)73000噸/年硬PVC管材；工序配料高速混合擠出成型成型后處理損耗率3.1生產(chǎn)能力計算每小時設(shè)計產(chǎn)量=裝置產(chǎn)量(公稱產(chǎn)量)/(年生產(chǎn)時數(shù)×合格率)=73000×1000/(7000×0.99)=10534(kg)每天設(shè)計產(chǎn)量=10534×24=252816(kg)年設(shè)計產(chǎn)量=10534×7000=73738000(kg)3.2物料衡算按每天物料在各工序中進(jìn)出料量進(jìn)行計算進(jìn)入工序物料量=出料量/(1-該工序的損耗率)日進(jìn)入后處理的物料量=252816/(1-0.3%)=253577(Kg)日進(jìn)入擠出成型的物料量=253577/(1-0.3%)=254340(Kg)日進(jìn)入高速混合的物料量=254340/(1-0.4%)=255361(Kg)日進(jìn)入配料的物料量=255361/(1-0.2%)=255873(Kg)表8-日生產(chǎn)物料衡算工序輸入輸出物料小計物料損耗小計配料255873255873255361255873混合255361255361254340255361成型254340254340253577254340后處理253577253577252816253577日輸入輸出物料255873252816第四章主要設(shè)備的工藝計算4.1、螺桿擠出機計算每小時設(shè)計產(chǎn)量=254340/24=10598kg查閱青島泰德塑料機械有限公司資料選取SJSZ—92*28型號錐形螺桿擠出機.項目型號螺桿直徑mm螺桿轉(zhuǎn)速r/min最大擠出率kg/h主電機功率kw加熱功率kwSJSZ—92*28擠出機臺數(shù)=10598/600=17.7故取十八臺設(shè)備年生產(chǎn)能力=(600/1000)×7000=4200(t)4.2、擠出管輔機計算本設(shè)計中，管材直徑為160mm,壁厚4mm每米管重量=(0.08×0.08—0.076×0.076)×3.14×1500=2.94kg/m查閱塑料磨粉機專業(yè)生產(chǎn)公司資料選取JWP-550型號磨粉機型號主機功率風(fēng)機功率電壓總功率刀盤直徑(mm)進(jìn)料直徑(mm)出料細(xì)度(目)產(chǎn)量外形尺寸L因為產(chǎn)品合格率為99%,故廢品回收的量較少，選取一臺磨粉機就能達(dá)到生產(chǎn)求。配方成分表PVC樹脂硬脂酸鋇CPE樹脂4石蠟3Pb0.PbSO?4PE蠟硬脂酸鉛2輕質(zhì)碳酸鈣配方的總分?jǐn)?shù)=100+4+4+2+1.2+0.4+0.2+40=151.8份總單耗=日消耗原料量/日產(chǎn)量=255873/25281.6=10.12各種原料單耗總量PVC樹脂單耗=(100/151.8)×10.12=6.67t/t成品年消耗量=6.67×7000=46690(t)CPE樹脂單耗=(4/151.8)×10.12=0.27t/t年消耗量=0.27×7000=1890(t)3Pb0.PbSO?單耗=(4/151.8)×1.012=0.27t/t年消耗量=0.27×7000=1890(t)硬脂酸鉛單耗=(2/151.8)×10.12=0.13t/t年消耗量=0.13×7000=910(t)硬脂酸鋇單耗=(1.2/151.8)×10.12=0.08t/t年消耗量=0.08×7000=560(t)石蠟單耗=(0.4/151.8)×1012=0.03t/t年消耗量=0.03×7000=210(t)PE蠟單耗=(0.2/151.8)×10.12=0.01t/t年消耗量=0.01×7000=70(t)輕質(zhì)碳酸鈣單耗=(40/151.8)×10.12=2.67t/t年消耗量=2.67×7000=18690(t)表9主要原料消耗表序號原料名稱規(guī)格單耗量年消耗用途1PVC樹脂主要原料2CPE樹脂H135填充劑33Pb0.PbSO?AR/工業(yè)熱穩(wěn)定劑4硬脂酸鉛穩(wěn)定劑5硬脂酸鋇穩(wěn)定劑6石蠟58#半精煉潤滑