年产量2万吨硬质PCV引水管材的挤出成型设计.docx
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年产量2万吨硬质PCV引水管材的挤出成型设计
年产量2万吨硬质PCV引水管材的挤出成型设计
摘要
本设计是以PVC树脂为原料，再利用挤出成型工艺来生产年产量为2万吨的Φ168×4.0mm的硬质PVC管材。
首先介绍PVC管材的发展历史以及行业前景，通过比较确定了产品采用的原材料、配方及产品规格，然后从挤出工艺方法、工艺流程、物料衡算等过程进行了工艺计算，确定了设备的规格型号与数量、核心部件结构、产品的成型工艺过程等。
最后对挤出生产车间和厂区进行设计，车间管理与生产组织、工程经济概算进行总体规划，经过反复地研究计算，结果证明此设计经济可行。
关键词：
U-PVC管，PCV树脂，挤出机，挤出工艺
Theannualoutput20000tonsofU-PVCextrusionproductionprocessdesign
ABSTRACT
ThisdesignisbasedonPVCresinasrawmaterials,recycledextrusionmoldingprocesstoproducetheannualoutputof20000tonsofΦ168x4.0mmhardPVCpipe.
FirstintroducedthedevelopmenthistoryofPVCpipeandindustryprospect,productwasdeterminedbythecomparisonwithrawmaterials,formulationandproductspecification,andthenfromtheextrusionprocessmethod,processflow,materialbalanceprocesssuchasthetechnologicalcalculation,determinetheequipmentspecificationsandquantity,thestructureofthecoreparts,productmoldingprocess,etc.Finallytodesign,extrusionproductionworkshopandthefactoryworkshopproductionorganizationandmanagement,engineering,economicestimateofoverallplanning,afterrepeatedresearch,theresultsprovedthefeasibilityofthisdesigneconomy.
KEYWORDS:
U-PCVtube，PVCresin，extruder，Theprocessingtechnology
目 录
前言
聚氯乙稀塑料的英文缩写是PVC（polyvinylchloride）。
这是一类使人欢喜同时又让人忧的塑料制品，其实是PVC塑料一种乙烯基的悬浮聚合物质。
聚氯乙稀的原料来源十分丰富，我们可以从石油、石灰石、焦炭、食盐以及天然气中得到；此外又因为它的制造工艺比较成熟、价格相对低廉、用途也十分广泛，现在已经跃居世界上第二大通用树脂，仅次于聚乙烯树脂，总产量占世界合成树脂的29%。
硬质聚氯乙烯管的简称为U-PVC引水管，它是以氯乙烯单体经过聚合反应得到的无定型热塑性PVC树脂为原料与各种添加剂剂（稳定剂、润滑剂、阻燃剂、增强剂、填充剂等）加热后，在挤出机中通过不同的压力、温度等加工工艺条件下形成不同规格、尺寸的U-PVC管材。
因其化学性质稳定、耐磨性好而广泛应用于建筑工程以及日常引水设施等各个方面，越来越受到人们的重视。
由于它不仅质轻、光洁、美观，而且水阻小、组配灵活、安装的时候省时省力，所以很受设计和施工单位以及用户的青睐。
所以使用U-PVC引水管代替传统的铸铁引水管，它正在以不可逆转的趋势，在国内普及开来。
现今包括自来水的输送和生活污水的排放以及建筑电线等所用管材大部分是采用硬质聚氯乙烯管来代替传统的铸铁管材。
挤出
U-PVC管在国内的发展已经取得了相当大成绩，但是总的来说仍然处于发展的初期阶段。
本文中主要介绍了运用挤出成型生产工艺生产年产量2万吨的硬质PVC管材的配方以及设备的选择，以及工厂车间的布局和经济核算等相关问题。
第1章概述
1.1U-PVC基本情况
U-PCV管又称硬质PVC管,它是以氯乙烯单体经过聚合反应得到的无定型热塑性PVC树脂为原料与各种添加剂（阻燃剂、润滑剂、增强剂、填充剂、稳定剂等）加热后，在挤出机中通过不同的压力、温度等加工工艺条件下形成不同规格、尺寸的U-PVC管材。
因其化学性质稳定、耐磨性好而广泛应用于建筑工程以及日常引水设施等各个方面，在未来有很大的发展前景[1]。
1.1.1PVC管材的行业现状及发展应用
近来十几年我国的塑料管业正在以令全世界人惊奇的速度高速蓬勃发展。
我国塑料管的总产量从90年代不到20万吨/年的产量增长到2000年近80万吨/年的高峰，在上世纪的最后十年内增长高达300%。
踏入新世纪21世纪以后又不断地高速增长，尽管基数在增加，但年增长率仍然非常高。
2007年我国各种塑料管的总产量超过了300万吨。
从2000年开始，我国在世界各国塑料管产业排位中已是第2位[2,3]。
表1-1七个国家近年塑料管产量比较
国家
美国
意大利
德国
英国
西班牙
日本
中国
年产量
444
44.8
42
30.8
30.8
61.8
332
表1-22000-2007我国塑料管行业产量和增长情况单位：
万吨
年份
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
总产量
78.6
121.4
136.9
163.8
190.7
236.7
288.1
331.8
年增长%
54.4
12.8
19.6
16.4
24.1
21.7
15.2
表1-32007年我国各种塑料管在不同市场领域分布单位：
万吨
分类
室外
给水
WOB
建筑
给水
WIB
建筑
排水
DIB
埋地
排水
DOB
燃气用管
GAS
护套
管
CDT
农业
用管
AGC
工业
用管
IDT
总计
总量
83
40
46
53
10
53
22
25
332
比例
25%
12.5%
13.5%
16%
3%
16%
6.5%
7.5%
100%
PE
30
12
1.5
20.5
10
25
10
5
114
PVC
42
5
44
26.5
-
25
11
5
158.5
PP
3
22
0.5
1
-
3
1
3
33.5
GRP
8
-
-
5
-
-
-
8
21
其他
-
1
-
-
-
-
-
4
5
表1-1、1-2、1-3显示出我国塑料管的总产量在逐年增长，应用领域也是日益广泛，从而证实了我国对塑料管需求在日益激增，特别地，对PVC管的需求变得更加突出明显[4]。
在政府的大力鼓励和大力支持下，通过市场经济竞争的不断推动，收益于经济大发展的环境下，我国塑料管的发展取得了很大进步。
近年已经出现一大批规模化、配套化、跨地区生产和经营的企业集团，年销售额达到数亿至数十亿。
如已经获得‘中国名牌’称号的‘联塑’、‘金德’、‘亚通’……等，以及‘亚大塑料制品有限公司’，‘河北宝硕管材有限公司’…等领先企业。
估计我国目前领先的20多家企业中年销售额合计已经超过100亿，大约占到全国塑料管总销售额的三份之一[5]。
我国塑料管行业结构和布局的不断进步为我国塑料管今后能够持续发展做好了保障工作。
世界上发达国家的塑料管产业都是由个别领先企业占据市场的主体，例如：
根据AMI资料，欧洲热塑性塑料管业2005年有550个生产厂，在这当中有三份之一属于领先50个企业集团，其中最领先的三家大企业集团的总年产量分别是：
Wavin40万吨，Alphacan超过20万吨，Pipelife超过20万吨[6]。
表1-4国内2001－2007年PVC管道的产量
生产厂家
产量
生产厂家
产量
联塑科技
11.5万吨
福建亚通
4万吨
华亚塑胶
10万吨
湖北凯乐
4万吨
河北宝硕
8万吨
广东顾地
3万吨
中材管道
6.5万吨
国通高新
2.5万吨
成都康乐公司
5万
天津盛象
1万
1.1.2聚氯乙烯管材的特点
聚氯乙烯管材与钢、铁、混凝土、陶瓷管相比起来，具有如下优点：
①质量轻，U-PVC管的相对密度是1.43，仅是相同尺寸钢质量的1/6，1t塑料管大约可代替13t铸铁管，运输安装相对容易。
②耐腐蚀性能强。
③电绝缘性能好，其体积电阻约为1×10～3×10n.cm，击穿电压达23～28Kv/mm。
④摩擦阻力小。
管道内流体的速度比钢管高出30％左右，而且结垢比较少，不生锈，长期运输水以及其他流体，流率及流量都能保持不变；但是铁管会生锈、结垢，多年后管内的流率和流量都会减小。
⑤导热系数小，且耐候性较强，隔热性能很好。
⑥着色十分方便,不需要油漆,而且易制成不同标识颜色管材，在生产中能耗相对低，仅是铸铁管的18.3％[7-9]。
1.1.3U-PVC管材生产工艺路线的选择
挤出生产成型又可以称挤出模塑或者挤塑、挤压。
挤出工艺在热塑性塑料加工领域中，是一种变化多、用途广，在塑料加工中占有很大比例的加工方法，由挤出制成的的产品大部分是横截面一定的连续材料，U-PVC管是以热塑性树脂PVC为原料并添加各种添加剂制成横截面一定的连续材料[10]，故U-PVC管采用挤出成型生产工艺。
挤出机又可以分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机，U-PVC可以采用单干螺旋挤出机也可以采用双螺杆挤出机进行成型生产。
单螺杆挤出机：
a.结构简单，且价格低。
b.适合聚合物塑化挤出，适合颗粒料挤出加工。
对聚合物剪切降解小，但是物料在挤出机停留时间稍长。
c．操纵容易，工艺控制相对简单。
双螺杆挤出机：
a.结构复杂，但价格高。
b.有很好的混炼塑化能力，且物料在挤出机停留时间比较短，适合粉料的加工。
c．产量大，挤出的速度快，单位产量耗能相对低。
但使用单螺杆挤出机生产的PVC管材企业，干混料不能够直接的使用，必须经过混炼塑化加工成粒料后才能进行生产。
而双螺杆挤出机比较适合粉料加工，它可以使用混合好的PVC料，减少了造粒工序，但是多了废料磨粉工序。
此外，由于双螺杆挤出机产量大，挤出速度比较快，可达到2～4米/分钟，它适合PVC塑料型材大规模的生产。
而单螺杆挤出机只用作小型辅助型材的生产，挤出速度为1～2米/分钟，而且国产双螺杆挤出机的质量已达到进口双螺杆挤出机的水平，价格比较低，仅为进口机的1/3～1/5[11]。
所以近些年，随着U-PVC制品产量增加，直接使用干混料进行PVC制品的加工日益增多，双螺杆挤出机的型号也是日渐增多。
但是本设计中采用PVC颗粒料作为原材料，年产量相对来说比较少，综合车间、生产工艺的复杂程度以及经济的最优化等各方面的问题，本设计项目拟采用单螺杆螺杆挤出机进行U-PVC管材的生产。
第2章原料及配方的选择
2.1原料的选择
不同用途，不同性能的PVC管材所选用的原料是不一样的，选择合适的原料及配比是决定产品性能的关键因素。
2.1.1主要原材料PVC
U-PVC主要原料是采用悬浮聚合法得到的聚氯乙烯树脂。
据国家标准GB／T5761-93中《悬浮法通用型聚氯乙烯树脂检验标准》的相关规定，悬浮法PVC可以分为PVC-SGl到PVC-SG8八种不同树脂[12]。
如下表：
表2-1悬浮法聚氯乙烯树脂的型号和相关参数
型号
聚合温度/℃
粘数/（ml/g）
K值
聚合度
参考用途
SG-1
48.2
154～144
77～75
1800～1650
高级电绝缘材料
SG-2
50.5
143～136
74～73
1650～1500
电绝缘材料，一般软制品
SG-3
53.0
135～127
72～71
1500～1350
电绝缘材料，农膜，塑料鞋
SG-4
56.5
126～119
70～69
1250～1150
薄膜，人造革，高强度硬管
SG-5
58.0
118～107
68～66
1100～1000
透明制品，硬管，型材
SG-6
61.8
106～96
64～63
950～850
唱片，透明片，硬板，焊条
SG-7
65.5
95～87
62～60
850～750
吹塑瓶，管件
SG-8
68.5
86～72
59～54
700～650
过氯乙烯树脂
数字越小，它的聚合度就越大，分子量也就越大，强度业越高，同时熔融流动越加困难，加工也就越困难。
2.1.2多种添加剂
采用锥型异向双螺杆挤出机生产U-PVC管材，除了SG-5树脂外需要添加阻燃剂、填充剂、热稳定剂、润滑剂、改良剂、增韧剂、发泡剂、着色剂等[13]。
不同的添加剂在U-PVC管材中起到不同的作用。
阻燃剂：
阻燃剂又称难燃剂、耐火剂，通过若干机理发挥它的阻燃作用的，如吸热作用、抑制链反应、不燃气体的窒息作用等，大多数的阻燃剂是通过若干机理相互作用达到其阻燃目的。
阻燃剂分为有机和无机。
有机是溴系、磷氮系、氮系、红磷及化合物的一些阻燃剂，无机是三氧化二锑、氢氧化镁和氢氧化铝及硅系等阻燃体系。
填充剂：
又称填料。
加入物料中改善性能和降低成本的一种固体物质。
通常不含水，呈中性，不与物料组分发生不良作用的有机物或无机物。
金属和非金属粉末都可以作为填充剂。
常用的填充剂有高岭土、滑石粉、、炭黑、氧化铝粉、石棉粉、云母粉、石英粉、粉末状软木等。
热稳定剂：
热聚氯乙烯能和许多其它材料如增塑剂及其它聚合物相容，因而被称为是最通用的聚合物之一。
其主要的缺点是热稳定性比较差。
添加剂的使用能够改变聚氯乙烯的物理外观及工作特性，但不能防止聚合物的分解。
润滑剂：
润滑剂是介入两运动物体表面，从而达到提高效率，减少摩擦力以及磨损的物质，通常为液体。
润滑剂对摩擦副还能起清洗和防止污染等作用。
在某些润滑剂中可以适当加入合适的添加剂。
一般须考虑摩擦副运动的情况、材料以及表面粗糙度、工作环境，及润滑剂的性能。
最常见的即为机油。
改良剂：
焙烤食品生产过程中，以达到适合工艺需要、提高产品质量的目的，此类化学物质被称为改良剂。
增韧剂：
增韧剂是具有降低复合材料脆性。
可分为活性增韧剂与非活性增韧剂两类，活性增韧剂指其分子链上含能与基体树脂反应活性基团，它能形成网络结构，增加部分柔性链，进而提高复合材料抗冲击性能。
发泡剂：
所谓发泡剂是使对象物质成孔物质，它可分为化学发泡剂和表面活性剂。
化学发泡剂是经加热分解后能释放出二氧化碳及氮气等气体；发泡剂均有较高表面活性，可以有效降低液体表面张力，并在液膜的表面双电子层排列进而包围空气，形成气泡，单个气泡组成泡沫。
着色剂：
着色剂是用来改变产品的外观颜色，使其外观更加美观。
具体原材料与添加剂的选择会在下一节配方的选择做详细介绍。
2.2U-PVC管配方的选择
通过比较选择合理可行的配方。
2.2.1配方的对比与选择
由表2-1中的型号及参考用途可知U-PVC管的生产主要原材料选择SG-5型树脂。
这种树脂要求K值为68左右；挥发物≤0.4%，树脂的白度和杂质含量如黄、黑点和鱼眼等有一定的要求[14]。
PVC树脂的堆密度也对挤出工艺也有一定的影响，应视具体情况对工艺作必要的调整。
表2-2有机锡体系PVC-U管材配方
组分
配方1
配方2
组分
配方1
配方2
PVCS-65
100
100
钛白粉
1.5
1.0
有机锡稳定剂
0.2～0.4
0.2～0.4
石蜡
1.2
硬脂酸钙
0.5～0.8
0.8
ACR（加工改良剂）
0.4～0.8
聚乙烯蜡
0.3～0.6
ACR（抗冲击改性剂）
1.5～2.0
微晶蜡
0.6～1.0
C
0.005
碳酸钙
10～12
10～30
表2-3铅盐体系PVC-U管材配方
组分
配方1
配方2
配方3
配方4
配方5
PVC
SG5100
K=62-65100
SG5100
SG5100
K=66100
3PbO.PbSO4
5.0
1.0
5.5
4
1.8～2.5
硬脂酸铅
0.5
0.8
0.7
0.5
硬脂酸钙
0.5
0.4
1
0.8
硬脂酸钡
2
1
1.2
碳酸钙
5.0
10
5.0
硫酸钡
10
10
TiO2
1.0-1.5
1.0～1.2
石蜡
1
0.8
聚乙烯蜡
0.2
氧化聚乙烯蜡
0.15
硬脂酸
0.6
炭黑
0.05
0.05
颜料
适量
适量
适量
经过比较，在本设计中采用如下配方
表2-4本设计配方
PVC树脂
100
硬脂酸钡
1.2
CPE树脂
4
石蜡
0.4
3PbO.PbSO4
4
PE蜡
0.2
硬脂酸铅
2
轻质碳酸钙
40
硬质PVC生产形式有多种，其基本生产工艺流程如下所示：
根据所设定的工艺流程，所得产品要求满足相应国家标准和行业标准，同时不同用途的U-PVC管材具有不同的标准[15]，具体的不同用途的U-PVC管材标准如下表：
表2-5国家标准参数
项目
国家标准
项目
国家标准
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
给水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材
GB/T10002.1-96
埋地排污、废水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材
GB/T10002.3-96
低压输水灌溉用薄壁PVC-U管材
GB/T13664-92
农用PVC-U管材
JB/T5125-91
第3章U-PVC管生产车间工艺计算
3.1物料的衡算
在本章中我们对生产车间进行了物料衡算，明确了原料与产品之间的定量转化关系，计算各种原料的消耗量，以及各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶段的消耗量以及组成。
3.1.1原始数据计算
（一）聚合生产能力20000年U-PVC管材；
（二）年生产小时数7200小时；
（三）PVC管材的合格率98%
（四）产品的规格Φ160mm；
（五）物料的损耗系数
表3-1物料的损耗系数
工序
配料段
高速混合段
挤出成型段
成型后处理段
损耗率
0.2%
0.3%
0.2%
0.2%
3.1.2生产能力计算
3.2物料的计算及消耗计算
表3-2日生产物料衡算
工序
输入
输出
物料
物料
损耗
小计
配料
68643
68506
137
68643
混合
68506
68300
206
68506
成型
68300
68163
137
68300
后处理
68163
68027
136
68163
日输入输出物料
68643
68027
总耗
616
物料衡算流程图：
6864368506683006816368027
137206137136
由表2-4得：
各种原料单耗总量：
表3-3主要原料的消耗量
序号
原料名称
规格
单耗量
年消耗
用途
1
PVC树脂
SG5
0.667
13565
主要原料
2
CPE树脂
H135
0.0267
542.6
填充剂
3
3PbO.PbSO4
AR/工业
0.0267
542.6
热稳定剂
4
硬脂酸铅
≧99%
0.0133
271.3
稳定剂
5
硬脂酸钡
≧99%
0.008
162.78
稳定剂
6
石蜡
58#半精炼
0.003
61.224
润滑剂
7
PE蜡
20kg/包
0.001
20.408
润滑剂
8
轻质碳酸钙
800目
0.266
5426.1
填充剂
第4章生产设备的选择
4.1生产设备
本产品采用挤出成型工艺进行加工，除了生产所必须的单螺杆挤出机以外还需要多种辅助设备。
包括高速混合机、切割机、粉碎机等辅助设备机器。
4.1.1单螺杆挤出机的选择
U-PVC管的生产采用挤出生产工艺，本设计拟采用单螺杆挤出机进行生产。
由第三章的计算可知：
查山东塑料橡胶机械总厂所生产的单螺杆挤出机，选取型号为SJ-150B的单螺杆挤出机，其基本参数如表4-1：
表4-1挤出机参数
产品型号
长径比
螺杆转速（r/min）
生产能力（kg/h）
总功率（kw）
SJ-150B
20:
1
42
400
75
4.1.2高速混合机的选择
高速混合机主要用于不同比例的干性或湿性粉状物或粒料进行均匀混合，并且在整个混合过程中不会产生物料熔解、挥发或者变质。
它适用于化工、食品、等工业部门的小批量混合各种不同的主辅材料，但是它不适合于混合半固体、液体以及粘度过大的物料[16]。
通过查表可得PVC与配料的表观密度为1.5kg/L.
由第三章计算结果：
设每批进入高速混合机的物料混合周期为1小时
查张家港宏基机械有限公司生产的高速混合机相关资料，选取型号为SHR—800A的高速混合机，其有效容积为600L。
具体参数如表4-2
表4-2SHR—800A型高速混合机的参数
参数/型号
总容积
有效容积
电机功率
主轴功率（rpm）
SHR—800A
800
600
60/90
370/740
4.2其他设备的选择
本设计U-PVC管材的直径为168mm,壁厚4mm
查阅相关资料，有青岛福润德塑料挤出技术有限公司生产的FPVCG-250牵引机，管材直径范围为Φ90～250mm，生产速度大致为1～3.6m/min，外形尺寸为4×1.6×1.5m。
此型号的机器能够满足要求，顾选择该机器作为本设计中U-PVC生产线的牵引机。
除此之外，生产线上还需要配备相应的破碎机，用来将不合格的产品进行破碎后再次回收利用。
查阅塑料磨粉机专业生产公司资料，选取JWP-550型号的磨粉机，基
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