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1、FS275800型粘胶短纤维纺丝机的设计2007年第3期2007.3人造纤维ArtificialFibre总第199期Sum199FS275800型粘胶短纤维纺丝机的设计肖翔(唐山三友集团化纤有限公司河北唐山063305)【摘要】充分借鉴引进的Lenzing粘胶短纤维纺丝机的优点,成功地完成了FS275800型纺丝机的设计,并投入生产运行.FS275800型纺丝机不仅结构紧凑,占地面积小,生产能力达到34万畦/年,而且自动化程度高,能生产多种差别化纤维,超过了进口设备水平.关键词粘胶短纤维纺丝机设计结构特点技术特征唐山三友集团化纤有限公司一期年产2万吨粘胶短纤维纺丝机由奥地利Lenzing公司
2、引进,设备具有生产能力大,自动化程度高等特点,为上世纪9O年代世界先进水平.但是,该设备的备件价格昂贵,供货周期长,影响生产;而且生产中使用的本地水氯离子含量高,纺丝机的1.4539材质的一浴槽,二浴槽腐蚀后滴漏的酸浴腐蚀机架,影响设备运行的稳定性.而国产粘胶短纤维生产设备基本为12万吨能力的生产线,自动化水平低,与国外相比有很大差距.为此,我们对整条生产线进行经济效益分析,并考虑相关配套设备的能力,在以前备件国产化的基础上,针对原进口设备的不足之处进行改进,进行纺丝机的创新设计,要求纺丝机生产能力达到每年34万吨粘胶短纤维,整机自动化控制,产品质量好.1纺丝机参数的确定1.1纺丝速度,喷丝头
3、孔数,计量泵流量和纺丝锭数原Lenzing纺丝机Et产60t,纺速50m/min,每个组合喷丝头的孔数为76000孔,计【2】量泵流量为60mL/r,纺丝锭位为单面4O锭,全机共8O锭.提高产能,就要从提高纺速,增加组合喷丝头孔数,增加锭数着手.按进口纺丝机的参数,要使产量达到120t/d,则需要增加机器的纺丝锭数到160.而为了不使机器太长,纺丝锭距要减小,操作不便.若使每台机器在合理长度(20m)以内,又便于操作(锭距275mm不变),则必须减少锭位,但又要维持120t/d的产量,则必须提高每锭的产量,而要提高每个锭位的产量,其途径有二:一是提高纺速,二是增加喷丝头孔数与计量泵流量.1.1
4、.1纺丝速度纺速不能无限提高,一方面受纤维素黄酸酯凝固分解所需时间限制及凝固浴对丝速阻力的影响和回收CS:所需时间的要求,另一方面受设备结构上,操作条件上的限制.根据一般资料介绍及国内生产实践所证明的纺速在60m/min较为经济.因此,本设计确定,在设备故障如导丝盘缠辊需要降低纺速时,为便于操作,最低纺速定为7m/min,纺丝升头时为2530m/min,正常生产时的纺速控制在6O70m/min.第37卷第3期Vo1.37,No.3人造纤维ArtificialFibre2007年6月版June,20071.1.2喷丝头孔数在纺速不能较大提高的情况下,要增加产量只能增加喷丝头孔数.目前,国产纺丝机
5、的喷头孑L数较少.Lenzing纺丝机的组合喷丝头孔数为76000孔,是最多的,其组合喷丝头是由4o个喷丝帽组成,组合喷丝头的结构如图1所示.喷丝帽的材料是金铂合金,喷丝帽的面径为16mm布孑L区为13mm,在布孑L区均匀排布有1900个0.06mm的孑L.如图2所示.通过几年的生产实践,证明该组合喷丝头的凝固浴渗透性好,丝束成形效果好.图1图2粘胶从扩流口下部进入组合喷丝头,均匀稳定的通过分配板,经过不锈钢滤网的过滤后,通过喷丝帽喷到凝固浴中,与凝固浴反应生成丝束.原分配板的开孑L面积为9004mm,我们经过计算,将孑L重新排布,并增加孑L数至2217孑L,孑L数比原来增加了约17%,使开孑
6、L面积【3】达到9455mm,从而使粘胶的流动更加均匀,稳定,通畅.在每个纺丝锭位同一产量的要求下,喷丝头的孔数还决定于喷丝头孑L径,孔径越大则孔数少,反之宜然;而喷丝头孔径则决定于纺制纤维的纤度.我们根据生产经验,设计了几种不同孑L径及孑L数的喷丝头,用于纺制不同纤度的粘胶短纤维.见表1.表1孔数孔径适纺纤度(个)(mm)(dtex)20ooo0.105.568.88301600.06,0.082.773.3376O000.061.02.22886800.060.671.01.1.3计量泵流量一般粘胶纺丝计量泵的吐胶量为30mlMr,60mlMr较为普遍,本纺丝机的喷丝头孑L数达76000孔
7、以上,因此采用了60mlMr流量的计量泵.1.1.4纺丝锭数(1)设备利用率计算,设备利用率是指设备的生产时间与全部使用时间(生产时间+非生产时间)的百分率,全部使用时间中属于非生产时间的有下列几个方面:计划停机属于计划停机的有大修,中修,小修三种,如表2.表2项目大修一次小修一次清理检修周期一正1个月5天检修一次时间7天l0小时6小时一年停机次数1次l2次73次一年停机率(%)1.9441.3895.069计划停机率=1.944%+1.389%+5.069%=8.4%运转效率2007年第3期2007,No.3人造纤维ArtificialFibre总第199期Sum199纺丝机连续运转期间影响
8、运转率的有换喷丝头,烛形滤器等,更换周期和时间见表3.表3更换周期所需时间影响效率项目(h)(min/个)(%)换喷头6020.12换滤器120100.14运转效率=1一(0.12+0.14)%=99.74%损失率以2%计.综上经计算,总设备利用率为89.5%(2)纺丝锭数计算本机设计采用76000孔,86800孔喷头纺制棉型短纤维单丝纤度为1.5旦,设纺丝机的利用率为89.5%,纤维收缩率为l0%,产量为120t/d,则在纺速为55m/min,60m/min,65m/min,70rn/min时所需的纺丝锭位数计算如下:每个锭位的生产能力q=(NHVKf6024)/(9000100010008
9、)式中:q一单锭生产能力N一单丝纤度1.5旦H一喷头孔数76000孔,86800孔V一纺速55m/min,60m/min,65m/min,70m/minK一设备利用率89.5%f-一纤维收缩率10%8一纤维回潮率13%q=(1.5HV0.8950.906024)/(900010001000x0.87)=HV2.2210一t/d满足120t/d产量时所需纺丝锭数Z=Q/q式中:Z一纺丝锭数Q一纺丝机产量z=12o/(HV2.2210)=5.40510/HV锭【4】经计算,不同纺速和不同喷丝头条件下,纺丝锭数的选择如表4.表4纺速76000孔的纺锭数86800孔的纺锭数(m/rain)(个)(个)
10、55129l1360l1810465109967010289从上述计算可知,产量120t/d,纺速6O65m/min的条件下,纺丝锭位应在110120锭之间.因原纺丝机每节8锭,确定本纺丝机锭位为562=112锭.1.2主传动轴转速,导丝盘转速1.2.1主传动轴转速主传动轴与计量泵之间采用的齿轮组的减速比为40/48,计量泵的转速根据工艺要求,与喷丝头孔数,纤维纤度,纺速,计量泵流量有关.表5为喷丝头76000孔,计量泵转速60mL/r条件下,纺速与主轴转速对应的计算结果.表5纺速(m/min)主轴转速(r/min)551426015565168701801.2.2导丝盘转速纺丝机的纺速是指牵
11、伸机第58辊线速度.在第1-4辊与第58辊之间有1%的负牵伸,即:(V5一V1)/V1=一1%式中:V一第58辊的线速度,即纺速V一第14辊的线速度而在牵伸机第14辊与导丝盘之间有60%70%的牵伸,即:第37卷第3期Vo1.37.3人造纤维ArtifieialFibre2007年6月版June,2007(V1一V导)/V导II牵伸比式中:V导一导丝盘线速度导丝盘是直径为200mm左右的锥形陶瓷盘,按200mm直径的圆柱体近似计算.则在纺速770m/min,牵伸比60%和70%时的导丝盘转速见表6.表6牵伸比纺速导丝盘转速(%)(m/min)(r/min)7715156030305050707
12、076.61514.2703028.45047.37066.22凝固浴循环的设计根据凝固浴组成,生产每吨纤维所需要的HSO量为0.660.75t,在纺丝过程中要保持凝固浴落差在5g/L左右,则生产每吨纤维所需的凝固浴循环量最大为140m.,全机每天生产120t纤维所需要补充的凝固浴量为1.6810m./d,单面纺丝凝固浴槽的凝固浴补充量为8.410m/d,即97L/s.为保证每锭丝束成形好,必须使凝固浴流量均匀,稳定,因此纺丝机每节设1个进酸口,共7个.每个进酸口流量为97/7II14L/s.一浴槽的结构如图3所示.凝固浴从一浴槽下部进入槽体,通过挡板的缓冲进入前部,通过稳流孔板的小孔,均匀,
13、缓慢地向上涌起,与纺丝喷丝头喷出的粘胶反应,完成丝束成形,反应完的凝固浴从上部隔板溢流至后部腔体排走.一浴槽进酸管直径为150ram,其凝固浴的流速为1410/(1T75)=792mm/s.稳【5】图3流孔板总的开孔面积为15943em.,则通过孔板的凝固浴流速为9710./15943=60mm/s.3排风设计粘胶纤维在纺丝凝固成形过程中放出大量的cs及Hs等有害气体,纺丝机前面有活动拉窗进行密封,避免有害气体外溢.在纺丝机顶部设置机内排风装置,将有害气体排出.根据资料,纺丝时产生的cs量为制胶时加入量的15%,而集中在纺丝机上散出的占总量的40%.制胶时Cs2加入量为280kg/t纤维,则生
14、产每吨纤维所散出的cs量为28015%40%=16.8kg,日产120吨纤维的纺丝机每小时散出的CS量为16.812o/24II84kg.纺丝机机内空间为43m.,则机内空气中的CS2含量为84000/43II1953g/m.当纺丝机正常生产时,拉窗全部封闭,避免有害气体溢出.纺丝升头或处理缠辊时打开拉窗,纺丝机单面共7个拉窗,可单独控制.以打开2个拉窗时计,其漏风面积为5.5m,加上设备缝隙,按6m.计.在空气中,气体自然流动的速度为0.5m/s,则每小时纺丝机单面的排风量为60.56060=10800m2007年第3期2007,.3人造纤维ArtificialFibre总第199期Sum1
15、99含cs及Hs的气体在管道中的合理流速为59m/s,则所需管道出口的最大面积为10800/3600/5=0.6m,最小面积为10800/3600/9=0.33m.4浸浴深度及锭距的确定浸浴深度就是喷丝头至凝固浴液面的距离,此长度对纤维凝固的状况及其性能起决定性的作用.浸浴深度应适应于所纺纤维凝固所需时间.对于同种纤维在纺速提高或喷丝头孔数增加时,为了保证凝固时间,必须增加浸浴深度.试验表明,当凝固浴温度4248,组成H2SO4105120g/L,Na2SO4260280g/L,ZnSO1520g/L的情况下,反应时间不少于0.2s,在60m/min的纺速下,浸浴深度必须大于200mm.浸浴深
16、度越大,纤维的成形越均匀,纤维的强度和柔性越好.根据试验资料,浸浴深度增加22.5倍,纤维强度可提高20%30%.即在一般凝固浴组成条件下,凝固时间为0.50.6s.纺速最高70m/rain,浸浴深度600700mm,本设计浸深采用800mm.60mL/r的计量泵全长229mm,组合喷丝头外径214mm,考虑其它部件如离合器的安排风管部件装,将锭距设定275mm.全机长度约19m,宽度5.6m,占地面积107m.5纺丝机主要技术特征5.1型式FS275800型粘胶短纤维纺丝机,双面,单排,深浴式.可纺制0.678.88dtex的粘胶短纤维.5.2基本参数及尺寸纺丝锭数:双面112锭,单面56锭
17、,7节;双面96锭,单面48锭,6节;双面80锭,单面40锭,5节纺丝锭距:275mm喷丝头型式:组合喷丝头计量泵流量:60mL/r导丝盘直径:200mm牵伸比:60%70%浸浴深度:800mm生产能力:90120t/d外形尺寸:195.654.37m机台重量:约80t5.3纺丝机结构及物料走向纺丝机结构如图4所示.图4【6】第37卷第3期Vo1.37.3人造纤维ArtificialFibre2007年6月版June,2007本型纺丝机主要由机架,一浴槽,二浴槽,水槽,主传动,鹅颈管,喷丝头,导丝盘,导丝棒,导丝钩,尾部支架,拉窗,排风管,控制箱等组成.整体结构为面对面式设置,机架由上,下两部
18、分组成,是整体设备的基础,几乎所有部件都安装在机架上面.下部机架经常与酸性,碱性液体接触,选用不锈钢材料,上部机架的工作环境较好,选用碳钢材料.主传动机构由减速电机,主传动轴,夹壳齿轮联轴器,轴承座等组成,安装在机架的前部.其中减速电机与计算机连接用变频调速器调速,采用DCS控制系统控制.水槽安装在机架的前部,鹅颈管位于机架的前部通过旋转接头连接在机架上,导丝盘与导丝棒,导丝钩安装在机架的中部,排风管,控制箱安装在机架的上方.机架的上方安装起密闭作用的拉窗.一浴槽采用PVC板材热成形后进行组焊,安装在机架内的下部,一浴槽的前部安装有挡板,前,后部分别安装有回酸管.喷丝头为组合式结构,位于一浴槽
19、内的底部与鹅颈管连接.二浴槽采用不锈钢外包玻璃钢结构,安装在机架的中部,位于导丝盘支架的上面,二浴槽的前,后分别有二浴进酸口,尾部有回酸管.凝固浴从一浴槽后部的进酸管进入浴槽,从浴槽的挡板上部返到一浴槽底部,通过孔板均匀,稳定地进入一浴槽前部,与喷出的粘胶发生反应.凝固浴与粘胶发生反应后,从隔板上部溢流到一浴槽后部,从前,后两个回酸管流出.二浴槽安装在机架的中部,位于导丝盘支架上面.二浴从二浴槽前,后7个管口均匀进入浴槽,对丝束不仅有洗涤的作用,而且能蒸出部分二硫化碳和硫化氢,二浴由浴槽后部通过二浴回酸桶过滤掉部分大的胶块后流走.纺丝机的喷丝头采用组合喷丝头设计,喷丝板上排布有4O个喷丝帽,每
20、个喷丝帽有5002217个喷丝孔.在纺丝机机头,粘胶由粘胶管进入纺丝机,粘胶管通过不断地变径,对粘胶进行合理【7】分配,保证每锭的粘胶流速相同,粘胶在管路中无胶皮,结块现象产生.每锭的粘胶以相同的流速进入计量泵,由主轴通过离合器控制的计量泵以设定的流量将粘胶打人烛形滤器,经鹅颈管从喷丝头喷出,在一浴槽中与凝固浴发生反应凝固为丝束.丝束从喷丝头至凝固浴液面离开浴槽,丝束在凝固浴中的浸深长度达到800mm.丝束通过导丝钩,导丝盘,导丝棒的牵伸取得一定的机械性能,然后进入二浴槽.在二浴槽出口,丝束离开纺丝机,进入牵伸机.牵伸机的牵伸辊与导丝盘之间对丝束按一定的牵伸比进行牵伸,提高丝束的机械性能.纺丝
21、机有拉窗密闭,有害气体由排风机从排风管排出.5.4纺丝机的防腐措施纺丝机的机架材料:各立柱与横梁为00Crl8Nil2Mo2Ti,与凝固浴或酸性气体接触的部分为00cr20Ni25M05cu4,上部机架不与酸性气体接触采用Q235A材质涂耐酸碱漆.一浴槽采用PVC板材热成形后焊接,保证了防腐的要求,降低了成本.二浴槽采用内部钢骨架外包玻璃钢,既保证了部件的整体刚度,又提高了部件的耐腐蚀性能.排风管和排气罩选用PP材料.6设备特点(1)结构紧凑,占地面积小.设备总长仅19m,占地面积107m.(2)生产能力大.采用大型组合喷丝头,每锭能达到88680孔,单机年产量3000040000t.(3)自
22、动化程度高.主传动减速电机,导丝盘减速电机全部采用变频调速和DCS控制系统,每个电机减速机的转速,电流,扭距等参数在中央控制室的计算机上都有显示和报警,便于生产控制.同时,与牵伸机,切断机连锁控制,牵伸比能达到70%,提高了纤维的强度指标(下转30页)2007年第3期2007.3人造纤维Arti6cialFibre总第199期Sum1992.3织造平纹组织交织点多,面料紧密,手感挺括,织造时缩率大;斜纹组织交织点相对于平纹组织交织点少,面料手感柔软丰厚,织造时缩率较平纹小;同时采用平纹和斜纹织造时,由于平纹相对于斜纹交织点多,造成平纹部分经纱紧,斜纹部分经纱松,结果斜纹部分的经纱下垂,停经片下
23、沉,造成停车.细旦Teneel高支纱强力低且脆,经纱密度高,经纱之间的摩擦大,易造成经纱断头.纬纱密度大,则增加了综框打纬时对经纱摩擦次数,也增加了经纱的断头.我们采取了如下措施.增加斜纹的密度,斜纹的密度是平纹密度的一倍.穿综时把斜纹穿在前区,平纹穿在后区.降低平纹部分综框的开口量,开口量降低15mm.停经架前后位置由130mm调到150mm,高度由30mm调到20mm,并且变换停经架的角度,使停经片的摆动不宜过大.尽量降低经纱张力.边撑采用橡胶边撑,采用橡胶卷布辊,整理采用卷装.通过采取以上措施,织造效率达到86%以上.入库一等品率为100%,其物理指标如表4所示.表4细旦Tencel纤维
24、面料物理指标项目平均值标准值差异曲无浆干重(m2)98.210o.832.6%幅宽(em)166165.100.6%经密(10em)646649.6一0.5纬密(10em)390393.70.9%(上接7页)能生产高白度纤维,高强度纤维,阻燃纤维,竹浆纤维等差别化纤维.(4)采用大浴顺流高速纺.故障纺速仅7m/min,便于操作,降低了能耗;最高纺速70m/min,提高了设备的生产能力.一浴槽采用多口均匀供酸,落差小于57g/L.(5)垂直纺丝.二浴槽设在机内,单锭传动,浸深800mm,每束丝经过导丝盘与导丝棒的牵伸后在纺丝机内部同时进入二浴槽,即每条丝束的凝固时间相同,丝束成形效果好,因此纤维
25、品质均匀,稳定.(6)选材可靠.二浴槽采用不锈钢外包玻璃钢结构,一浴槽采用PVC板材热成形后进行组焊,在保证使用效果的前提下,提高了设备关键部位的防腐蚀能力,同时降低了设备的制作成本.【3O】7结语经过我们的努力,完成了FS275800型粘胶短纤维纺丝机的创新设计,制作,安装并投入运行,经过生产实践证明,产品的各项指标达到国际先进水平,生产的高白度纤维,着色纤维,负离子纤维,阻燃纤维等一系列差别化粘胶短纤维产品已投入批量生产.FS275800型粘胶短纤维纺丝机的设计研发,不仅为我公司节约了设备的资金投入,而且由于此设备的应用,提高了产品质量,取得了很好的经济效益.同时,通过本纺丝机的设计,制作,解决了原设备备件国产化的难题,保证了生产的正常运行.本型纺丝机已取得国家专利.
