完整版年产5000吨硬质PVC管材车间设计毕业论文.docx
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完整版年产5000吨硬质PVC管材车间设计毕业论文
5.3.2车间的整体布置和轮廓设计27
摘要
本设计是年产5000吨硬质聚氯乙烯管材生产工艺初步设计。
本文综述了硬质PVC型材的特点及发展现状与前景并从聚氯乙烯管材生产工艺着手，选择普遍使用的双螺杆挤出成型的成型方法生产聚氯乙烯管材，通过配方选择、物料衡算、热量衡算、设备选型、工艺参数控制等过程对整个工艺流程作了较为详尽的阐述。
另外指出硬质PVC管材成熟的生产工艺路线，并从低成本、高性能、功能应用等各方面考虑设计了较为合理的硬质PVC管材生产配方和留有发展潜力的生产设备，计算其生产车间所需的各种生产设备和总投资成本，绘制出工艺流程图和生产车间设备平面布置图，对实际投资建设硬质PVC管材产车间的各个方面具有积极的指导作用。
关键词：
硬质PVC；管材；物料衡算；生产车间；工艺设计
Abstract
Thisdesignistheannualoutputof3000tonsofrigidpolyvinylchloride（PVC）productionprocessdesign.ThispaperreviewsthecharacteristicsanddevelopmentpresentsituationandprospectofrigidPVCprofilesandbeginfromPVCpipeproductiontechnology,choosethecommonlyuseddoublescrewextrusionmoldingmethodfortheproductionofPVCpipe,throughtheformulationselection,materialbalance,heatbalance,equipmentselection,processparametercontrolandsoonprocessofthewholeprocessindetailsinthispaper.AlsopointsoutthattherigidPVCpipematureproductiontechnology,andthelowcost,highperformance,function,applicationandsoonvariousaspectstoconsiderdesignamorereasonableformulaoftherigidPVCpipeproductionandproductionequipment,withthedevelopmentpotentialofcalculatingthevarietyofproductionequipmentfortheproductionworkshopandtotalcostofinvestment,todrawaprocessflowdiagramandworkshopequipmentlayout,constructionofactualinvestmentallaspectsoftherigidPVCpipeproductionworkshophasapositiveguidingrole.
KEYWORDS:
hardPVC;Steeltubes;Theproductionworkshop;Processdesign
前 言
中国聚氯乙烯工业自1958年正式投产以来,经过30多年的发展已成为我国塑料产品中生产能力最大的一个行业,产量仅次于聚乙烯,在国内居第2位。
1997年,全国聚氯乙烯生产能力达193万t,树脂产量150万t,制品产量约22O万t,其中管材产量约25万t,占制品总产量的4.4%,与国外发达国家相比,无论产量和消费量都很低。
在发达国家,聚氛乙烯产品以硬制品为主,管材管件是硬制品的主要产品,消费聚氯乙烯量占树脂总消费量的32%,而我们国家聚氯乙烯产品多年来一直以软制品为主,没有很好地开发硬制品市场,尤其硬质聚氯乙烯管材管件发展缓慢,有大量的市场尚未开发。
发展聚氯乙烯管材与使用钢铁和其它金属管相比有许多优越性：
①聚氯乙烯产品消耗能源最少,生产成本最低;②聚氯乙烯材料密度小,一般在1.3左右;③聚氯乙烯管材还具有极好的耐腐蚀性,在空气中暴露使用寿命可达50年,埋在地下可长期使用。
所以说,聚氯乙烯管材与金属管材和其它合成材料管材相比在许多方面有较强的竞争能力。
据悉,在美国,聚氯乙烯管材的消费量已占美国塑料管材总消费量的80%。
我国南北方广大地区也开始大量使用聚氯乙烯管材,但从我国建筑、农业市场应用水平来看,还有不少差距,生产技术、产品品种和质量还有望进一步改进。
聚氯乙烯管材、管件是重要的硬质聚氯乙烯制品,当今世界聚氯乙烯树脂生产中约有32%用于生产管材,其中美国的消费量最大,年消费量达（180～210）万t,约占美国聚氯乙烯树脂总消费量的30%～37%,西欧占28%～34%,,日本占26%左右。
我国聚氯乙烯管材市场正处于上升阶段,巨大的市场容量和较低的准入门槛,使聚氯乙烯管材在过去的几年中,一直是国内各方投资的热点项目。
在目前的投资热潮中,我们应该清醒地看到,我国聚氯乙烯管材生产企业在研发、清洁生产、规模经济和成本控制方面存在的问题。
目前,我国聚氯乙烯管材厂商的产品品种还比较单一。
由于投资盲目,研发不足,导致市场上低端产品产能相对过剩,竞争激烈。
与先进国家相比,我国聚氯乙烯管材的生产与应用,还有很多空白领域,必须加大新产品的开发力度。
总之,增强研发实力,形成规模经济和清洁生产是今后聚氯乙烯管材业可持续发展的必然之路。
随着聚氯乙烯管材业应用领域的进一步拓展和产品质量的提高,必定会拉动聚氯乙烯产业的迅速发展。
第1章概述
聚氯乙烯（PVC）是目前产量仅次于聚乙烯的第二大通用塑料，广泛应用于各行各业中。
其中PVC硬质制品（PVC-U）占其总量的60%，且正朝着高韧性高强度的新领域发展。
PVC-U管材广泛应用于给水、建筑排水、排污、化工等领域，是PVC-U制品中重要的种类，也是塑料管道中使用最广泛的产品之一。
1.1聚氯乙烯管材的特点
与钢、铁、混凝土、陶瓷管相比，聚氯乙烯管材具有如下优点[1]：
①重量轻，硬质聚氯乙烯管的相对密度为1.43，仅为同尺寸钢重量的1/6，1t塑料管可代替10～13t铸铁管，运输安装容易。
②耐腐蚀性能好。
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。
管内流体速度比钢管高30％左右，且结垢少，不生锈，长期运输水和其他流体，流率和流量均能保持不变；而铁管会生锈、结垢，使用数年后管内流率和流量均要减少。
⑤导热系数小，耐候性较好，隔热性能好。
⑥着色方便,不需油漆,且容易制成各种标识颜色的管材，生产中能耗低，仅为铸铁管的18.3％。
聚氯乙烯管材存在以下缺点:
①强度较低,受压能力较差。
②使用温度范围窄,一般在零下几度到50℃之间。
③膨胀系数大,是钢铁管的7倍,随温度膨胀和收缩变化较大,刚性较低,安装时,应多加支点。
④当制造聚氯乙烯管材的树脂中氯乙烯单体含量及某些稳定剂如铅盐、镉盐等物质超标时,会危及环境和人体健康。
聚氯乙烯管材与其他塑料管材相比,拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、隔热性能、自熄性等均较好,且价格也较低廉。
硬PVC管系将PVC树脂与稳定剂、润滑剂等助剂配混，经造粒后再挤出成型制得，也可采用双螺杆（异向）粉料一次成型。
硬PVC管耐化学腐蚀、绝缘性能好，主要用做输送各种流体，以及用做电线套管等。
硬PVC管易切割、焊接、粘接、加热可以弯曲，因此安装，使用非常方便。
此类应用广泛的PVC管在国外列为I型，而特殊改性的硬管则列为II型。
（1）具有较高的硬度、刚度和许用应力。
（2）抗老化能力好，经久耐用，寿命可达50年。
（3）耐腐蚀，价廉，易于粘接，自熄。
（4）可回收。
安装方便简捷，密封性好。
（5）不抗撞击，耐久性差，接头粘合技术要求高，固化时间较长。
1.2聚氯乙烯的主要用途及产业链
（1）聚氯乙烯异型材
型材、异型材是我国PVC消费量最大的领域，约占PVC总消费量的25％左右，主要用于制作门窗和节能材料，目前其应用量在全国范围内仍有较大幅度增长。
在发达国家，塑料门窗的市场占有率也是高居首位，如德国为50%，法国为56%，美国为45%。
（2）聚氯乙烯管材
在众多的聚氯乙烯制品中，聚氯乙烯管道是其第二大消费领域，约占其消费量的20％左右。
在我国，聚氯乙烯管较PE管和PP管开发早，品种多，性能优良，使用范围广，在市场上占有重要位置。
（3）聚氯乙烯膜
PVC膜领域对PVC的消费位居第三，约占10％左右。
PVC与添加剂混合、塑化后，利用三辊或四辊压延机制成规定厚度的透明或着色薄膜，用这种方法加工薄膜，成为压延薄膜。
也可以通过剪裁，热合加工包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。
宽幅的透明薄膜可以供温室、塑料大棚及地膜之用。
经双向拉伸的薄膜，所受热收缩的特性，可用于收缩包装。
（4）PVC硬材和板材
PVC中加入稳定剂、润滑剂和填料，经混炼后，用挤出机可挤出各种口径的硬管、异型管、波纹管，用作下水管、饮水管、电线套管或楼梯扶手。
将压延好的薄片重叠热压，可制成各种厚度的硬质板材。
板材可以切割成所需的形状，然后利用PVC焊条用热空气焊接成各种耐化学腐蚀的贮槽、风道及容器等。
（5）PVC一般软质品
利用挤出机可以挤成软管、电缆、电线等；利用注射成型机配合各种模具，可制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋、玩具、汽车配件等。
（6）聚氯乙烯包装材料
聚氯乙烯制品用于包装主要为各种容器、薄膜及硬片。
PVC容器主要生产矿泉水、饮料、化妆品瓶，也有用于精制油的包装。
PVC膜可用于与其它聚合物一起共挤出生产成本低的层压制品，以及具有良好阻隔性的透明制品。
聚氯乙烯膜也可用于拉伸或热收缩包装，用于包装床垫、布匹、玩具和工业商品。
（7）聚氯乙烯护墙板和地板
聚氯乙烯护墙板主要用于取代铝制护墙板。
聚氯乙烯地板砖中除一部分聚氯乙烯树脂外，其余组分是回收料、粘合剂、填料及其它组分，主要应用在机场候机楼地面和其它场所的坚硬地面。
（8）聚氯乙烯日用消费品
行李包是聚氯乙烯加工制作而成的传统产品，聚氯乙烯被用来制作各种仿皮革，用于行李包，运动制品，如篮球、足球和橄榄球等。
还可用于制作制服和专用保护设备的皮带。
服装用聚氯乙烯织物一般是吸附性织物（不需涂布），如雨披、婴儿裤、仿皮夹克和各种雨靴。
聚氯乙烯用于许多体育娱乐品，如玩具、唱片和体育运动用品，目前聚氯乙烯玩具增长幅度大，由于聚氯乙烯玩具和体育用品生产成本低，易于成型而占有优势。
1.3硬质聚氯乙烯管材的主要市场
1.3.1建筑用聚氯乙烯管材市场
建筑业是聚氯乙烯管材的最大市场,管材分为；两类,一种是耐压管,另一种是无压管。
耐压管主要用于自来水管、建筑热水供水管、公用工程供水管（一般采用100mm～900mm直径的管材）;无压管大量用于室内下水管和雨水系统管。
公用工程排污管（一般采用直径400mm～1.2m的大口径管材）。
此外,建筑用串线管和地下电缆护管是聚氯乙烯管材应用的一个市场,现已在我国普遍采用,并具有进一步发展的巨大潜力。
1.3.2农用聚氯乙烯管材市场
我国是一个农业大国,幅源辽阔,是农用聚氯乙烯灌溉管的巨大市场。
我国是个缺水国家,每年旱情都十分严重,困扰着农业生产的发展。
过去,中国传统的种田方法是使用土渠灌溉,水源浪费十分严重。
自从国内一些地区试验使用聚氯乙烯管灌以后,这些地区的水利用率从过去的0.4～0.5提高到0.95左右。
随着广大农村经济实力的增强和技术水平的提高,1994年底我国农村喷灌面积已达9338万㎡,节省了大量的水源,提高了粮食产量。
大量事实证明,使用聚氯乙烯制作固定和半固定管喷灌系统,设备不腐蚀,管材不结垢,与使用铸铁管、铝管、ABS管相比大大降低了喷灌设施的造价,成为节水、节地、节省能源,解决12亿人口吃粮问题的重要措施之一。
1.4聚氯乙烯管材的生产方法
硬质聚氯乙烯管材加工时,采用悬浮法聚氯乙烯树脂为主要原料,与稳定剂、颜料、润滑剂和填料等助剂配合使用,经捏合后,加入双螺杆挤出机塑化挤出聚氯乙烯管材,经冷却定型后,切割成需要的长度,加工温度160℃～180℃,根据管材不同用途,适当调整配方组分,以便获得有良好物化性能的聚氯乙烯管材。
随着聚氯乙烯管材加工技术的发展,国外为降低管材生产成本,推出了芯层发泡管,这种管材采用共挤出方法,使低发泡聚氯乙烯管材内、外表面覆盖一层非发泡聚氯乙烯硬皮层,该管材与不发泡管材相比韧性更好,有较好的承载能力,耐磨损和隔音效果,节约树脂25%～40%。
目前,世界上这种管材加工技术以台塑公司水平较高,其次是美国、法国、德国、日本、韩国均有成熟生产技术和设备,成为国外畅销的产品。
生产方法是将芯层、皮层使用的配料分别经过捏合后加人2台成90°角的挤出机组（或3台挤出机组）混炼塑化,然后,通过一分料头,确保分隔成2股硬皮层的物流与发泡芯层料很好连接,并送人后面的机头和模具,生产出表面光滑、管壁内部发泡的复合管壁结构的聚氯乙烯管材。
随着聚氯乙烯管材市场的扩大,大口径公用工程管,尤其是下水道管需求量逐年增加,管材直径越做越大,管材壁厚和用料也增加,使管材生产成本上扬。
为降低大口径管材的生产成本,国外做了大量的工作,一是开发了径向有增强肋的薄壁大口径管材,比旧工艺节约树脂40%,生产方法简单,管材有较高的抗冲击强度和韧性,由于加工方法简便、原料消耗量低,管径可做到500mm左右。
二是开发了一种空心壁的聚氯乙烯大口径管,管径可做到1.5m。
生产方法是先挤出矩形空心型材,然后螺旋缠绕并用红外线焊接成管材,而且加工速度与挤出加工相同,节约树脂50%～60%,具有与实心壁管材一样的强度和韧性。
在美国,这种管材采用在现场生产的方式,原料由供料汽车送到施工现场,采用连续作业,挖土机先挖出地沟,管材加工车随加工便将管材输人地沟,然后掩埋。
不但节约了管材的运输费用,而且不需庞大的料场和仓库。
1.5生产工艺流程概述
硬质PVC管材规格和形式很多，其生产工艺流程基本上如下图1-1所示：
图1-1生产工艺流程图
PVC管材生产工艺流程可分为三个过程：
①成型料准备过程，包括配方、混合（高速和低速）、过筛或者造粒。
②挤出成型过程，将配好的物料在上料器的作用下，由料仓送至挤出机的加料斗中，然后物料由加料斗进入挤出机进行加热、塑化。
塑化完全后，塑化料被定量挤出。
③定型包装过程，经过冷却定径箱泠却定型，再经过牵引机、切割机，上光烘干固化后，检验合格即为成品。
1.6原料配方的确定
如下表1-1列出所示。
表1-1原材料及其配方确定
组分名称
组分份数
百分率（%）
用途
PVCXS-4
100
66.23
树脂
CPE（36%）
10
6.62
增韧剂
ACR401
4
2.65
抗冲改性剂
马来酸二丁基锡
2
1.32
稳定剂
UV-9
1
0.66
光稳定剂
氯化石蜡
2
1.32
润滑剂
硬脂酸
2
1.32
润滑剂
轻质CaCO3
20
1.32
填料
金红石型TiO2
5
3.31
色料
Sb2O3
5
3.31
阻燃剂
1.7产品质量指标
我国采用ISO国际标准的对应技术文件，结合国内PVC-U管材的发展情况和质量水平，制定了符合我国国情并向国际标准靠拢的国家标准和行业标准。
不同的用途有不同的产品标准如表1-2。
表1-2产品标准
项目
国家标准
项目
国家标准
化工用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材
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硬聚氯乙烯（PVC-U）管材
农用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材
另外，环保安全的PVC-U管材的主要原料为PVC粉，辅料包括填充剂、热稳定剂、抗冲击剂、润滑剂、改良剂、发泡剂、着色剂等。
PVC-U给水管中PVC粉含量在95%以上；PVC排水管中PVC粉含量在90%以上，其余部分为上述辅料成份的总和。
在PVC-U管材中，填充剂（碳酸钙）的主要作用为降低管材成本（碳酸钙的吨价与PVC粉吨价比例为1：
16）。
碳酸钙与PVC粉的比例关系直接决定了管材质量的好坏。
如果碳酸钙含量过高，虽然也能生产出管材，但质量无法得到保证，更不能满足PVC-U管材50年之使用寿命。
采用非铅盐稳定剂取代传统铅盐热稳定剂来生产PVC－U管材的厂家。
铅盐热稳定剂中含有铅元素，在管材的使用过程中会渗入水中。
铅进入人体中较难排出，积累过多会引发铅中毒。
国家建设部也明文规定饮用水PVC-U管材禁用铅盐热稳定剂。
第2章硬PVC管生产车间物料平衡计算
2.1计算基准的选取
（1）年工作时间365-10（法定节假日）=355=8520h
（2）设备大修25天/年=600h/年
（3）特殊情况停车15/年=360h/年
（4）机头清理换过滤网1次/6天，8h/次
[365天-（25天+15天）]×1次/6天×8h/次=433h
（5）实际开车时间
365天-10天-25天-15天-18天=297天=7128h
（6）设备利用系数
k=实际开车时间/年工作时间=7128/8520=0.84
2.2物料衡算
（1）挤出成型工段
挤出成型工段挤出成型工段物料损耗率如下表2-1：
表2-1挤出成型工段挤出成型工段物料损耗率一览表
工序
自然损耗
扫地
下脚料
一次成品
百分比/%
0.1
0.4
5.5
94
物料衡算
输出物料量：
自然损耗量：
扫角料：
下脚料：
下脚料回收破碎量：
颗粒料中需加回收料量（总量的5%）：
回收率：
③挤出成型工艺物料平衡表见表2-2
表2-2挤出成型物料工段表
工序
物料量/t
工序
物料量/t
输出物料量
5319.15
下脚料
292.55
自然损耗量
5.32
成品
5000
扫地料
21.28
（2）造粒工段
①确定各岗位物料损失率塑化造粒工段损耗系数见表2-3
表2-3塑化造粒工段物料损耗系数一览
工序
筛选输送
高速混合
冷却混合
挤出造粒
粒料风送
损耗率/%
0.5
0.1
0.1
0.5
0.2
总损失%
1.4
②物料平衡计算
进入本工序的物料量=出料量/（1-本工序的损失率）
进入风送物料量：
进入挤出造粒的物料量：
进入冷混机的物料量：
进入高混机的物料量：
进入筛选输送的物料量：
③塑化造粒工段物料平衡表见表2-4
表2-4塑化造粒工段物料平衡表
工序
物料/t
输入
回收/t
小计/t
物料/t
输入
损失/t
小计/t
筛选输送
5124.58
5124.58
5098.95
25.63
5124.58
高混
5098.95
5098.95
5093.85
5.1
5098.95
冷混
5093.85
5093.85
5088.76
5.09
5093.85
挤出造粒
5088.76
5088.76
5063.32
25.44
5088.76
风送
5063.32
265.96
5063.32
5053.19
10.13
5063.32
半成品
5053.19
5390.54
5319.15
5319.15
5319.15
合计
5319.15
（3）粉料中各组分需要量
粉料中各组分需要量计算方法如下：
①求出每吨产品消耗量（kg）
1000组分占整个粉料量的百分率（100%）=每吨产品消耗量
组分占整个粉料量的百分率=组分占份数/各组分份数总和100%
②年组分需要量（t）
粉料年需要量组分占整个粉料量的百分率=组分年需要量
③日组分需要量（t）
年组分需要量实际开车天数（297.5）=日组分需要量
④每小时组分需要量（kg）
年组分需要量实际开车时（7140）=每小时组分需要量
根据衡算，计算出实际每年需要量及日需要量和每小时需要量，见表2-5
表2-5每年需要年及日需要量和每小时需要量
原料名称
配方中份数
百分率/%
每吨产品消耗量/kg
每年需要量/t
每天需要量/t
每小时需要量/kg
PVCXS-4
100
66.23
662.3
3394.16
11.43
476.25
CPE（36%）
10
6.62
66.2
339.25
1.142
47.59
ACR401
4
2.65
26.5
135.80
0.457
18.04
马来酸二丁基锡
2
1.32
13.2
67.64
0.228
9.49
UV-9
1
0.66
6.6
33.82
0.114
4.75
氯化石蜡
2
1.32
13.2
67.64
0.228
9.49
硬脂酸
2
1.32
13.2
67.64
0.228
9.49
轻质CaCO3
20
1.32
13.2
67.64
0.228
9.49
金红石型TiO2
5
3.31
33.1
169.62
0.571
23.80
Sb2O3
5
3.31
33.1
169.62
0.571
23.80
根据计算结果画出物料衡算流程图如下2-1所示：
图2-1物料衡算流程图
第3章设备选型和台数计算
3.1定型设备的选型及计算
3.1.1挤出机及辅机的确定和计算
由于工艺和经济上的原因，每种规格的挤出成型机生产的管材尺寸有一定范围。
挤出成型机规格与所生产的管材尺寸关系见表3-1。
表3-1挤出成型机规格与所生产管材的尺寸关系
挤出机螺杆直径/mm
挤出管材外径范围/mm
45
20
60
20～50
90
40～75
120
90～160
150
160～250
根据此表，选用Ф120型管材挤出机。
设计选用SJ-120-A型塑料挤出机，其技术参数见表3-2。
表3-2SJ-120-A型塑料挤出机
技术参数
SJ-120-A型
螺杆直径
120mm
螺杆长径比L/D
28
螺杆转速
12～72r/min
生产能力（最高产量）
160kg/h
电动机功率
30～45KW
机器中心高
1000mm
外形尺寸
3200mm×800mm×1600mm
加热功率
25KW
设备重量
1800kg
设备电源
380v
价格
约98万/台
成型机台数的计算：
根据制品的形状、冷却定型的难易程度，选择牵引速度为1.5m/min（一般在0.2～2m/min范围）。
本设计硬聚氯乙烯管材（φ90×3.6mm），查的线重为：
1.4kg／m，所以：
生产能力=线重×牵引速度
=1400g/m×1.8m/min×60
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