多功能熔融紡絲生產(chǎn)線

B．Krautwurst

Mainsite技術(shù)公司(德國)

多功能熔融紡絲生產(chǎn)線

B．Krautwurst

Mainsite技術(shù)公司(德國)

摘要：德國Mainsite技術(shù)公司擁有一條適用于聚合物制備、纖維生產(chǎn)及纖維實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的Vario Line紡絲生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線使聚合物制造商有望發(fā)展為綜合性的纖維生產(chǎn)商。Vario Line MSV生產(chǎn)線可以靈活、輕松地制備新型纖維產(chǎn)品，且纖維生產(chǎn)商也可以生產(chǎn)多樣化的纖維組合。研發(fā)部門能夠提供工業(yè)規(guī)模的、高性能的筒管或試樣。新產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣時(shí)間相比于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的紡絲線上的開發(fā)時(shí)間短很多。測(cè)試結(jié)果證實(shí)，Vario Line生產(chǎn)的聚合物質(zhì)量可以滿足纖維市場(chǎng)上的最終應(yīng)用。關(guān)鍵詞：Vario Line MVS；紡絲組件；有限元計(jì)算；人機(jī)界面

Mainsite技術(shù)公司專攻纖維市場(chǎng)中紡絲生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與制造已超過75 a的時(shí)間。其曾隸屬于Akzo Nobel纖維公司，AKzo Nobel纖維公司為擁有從熔融紡絲到濕法紡絲等各種紡絲及加工專門技術(shù)的企業(yè)。Mainsite公司提供具有不同產(chǎn)能的總承包控制廠房，包括研究與測(cè)試設(shè)備的控制和自動(dòng)化、小規(guī)模試驗(yàn)廠及生產(chǎn)車間。

工廠設(shè)計(jì)的大部分組件是在室內(nèi)進(jìn)行的。公司最新的研究項(xiàng)目如下：

——噴絲板和加熱箱體的設(shè)計(jì)優(yōu)化；

——牽伸輥隔熱箱體的能量?jī)?yōu)化；

——長(zhǎng)絲片材的吹吸風(fēng)優(yōu)化；

——首次考慮到第一紡絲操作裝置應(yīng)盡可能地短，以開發(fā)最先進(jìn)的紡絲系統(tǒng)；

——超細(xì)微纖絲和高強(qiáng)度絲的開發(fā)；

——雙組分紡絲車間的多功能紡絲部分的研究；

——帶有設(shè)定點(diǎn)和體積流量線性特性的空氣定量閥研究。

1獨(dú)立設(shè)計(jì)的紡絲組件

每個(gè)紡絲組件都能夠進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作，以滿足不同聚合物、生產(chǎn)量及纖維直徑的需要。紡絲件、過濾器、噴絲孔、冷卻通道都是決定纖維性能的主要部分，可通過有限元法計(jì)算其特征。在實(shí)踐中，模擬結(jié)果通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得以驗(yàn)證。

噴絲孔的設(shè)計(jì)是通過生產(chǎn)條件下的模擬和測(cè)試優(yōu)化得到的。在不同條件下，對(duì)噴絲孔的溫度分布(圖1)和紡絲頭加熱都進(jìn)行了模擬。

圖1　噴絲孔溫度分布的模擬(噴絲孔底部的溫度偏差僅0.6 ℃)

另一個(gè)評(píng)價(jià)紡絲過程中關(guān)鍵參數(shù)的例子是絲束在冷卻室中的冷卻過程。通過有限元計(jì)算及分析發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)條件明顯影響冷卻室的設(shè)計(jì)和制造。纖維絲束中單根纖維周圍均勻的溫度分布和穩(wěn)定的流動(dòng)條件都決定了纖維的質(zhì)量參數(shù)(圖2)。

圖2　對(duì)空氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有限元計(jì)算以優(yōu)化纖維絲束在冷卻室的冷卻過程

導(dǎo)絲輥表面的溫度分布，以及兩個(gè)加熱箱中空氣的溫度分布均對(duì)纖維的性能參數(shù)有相當(dāng)大的影響。為了獲得加熱箱內(nèi)空氣速度、壓力和溫度分布的均勻一致，Mainsite公司與德國亞琛工業(yè)大學(xué)合作，通過改變?nèi)肟凇⒊隹诩皟蓚€(gè)加熱箱的形狀，采用有限元法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化(圖3)。

圖3　新型加熱箱兩個(gè)平面的速度分布(v=5 000 m/min，t=200 ℃)

2多功能生產(chǎn)線MVS

除了這些已經(jīng)優(yōu)化的部分外，多功能生產(chǎn)線 MVS(圖4)還包含聚合物計(jì)量裝置、擠出裝置、紡絲裝置、牽伸裝置(圖5)、漿紗/整理裝置，以及卷繞部分和空調(diào)部分等，MVS是一個(gè)靈活的、多功能的緊湊型紡絲生產(chǎn)線，適用于各種類型和線密度范圍很廣的纖維及聚合物(圖6)。

圖4　多功能生產(chǎn)線MVS(含牽伸和BCF單元)

圖5　多功能生產(chǎn)線MVS的牽伸單元

圖6　由多功能生產(chǎn)線MVS生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)用聚酰胺和聚酯絲筒

該生產(chǎn)線不僅涉及研發(fā)或試驗(yàn)工廠，還涵蓋了生產(chǎn)線中所有的技術(shù)層面，驗(yàn)證了生產(chǎn)線上可預(yù)測(cè)的技術(shù)。通過采用4組對(duì)輥的排列方式，能紡制用于高性能復(fù)絲生產(chǎn)的預(yù)取向絲(POY)、全拉伸絲(FDY)和歐瑞康巴馬格工業(yè)絲(IDY)。如果采用二次可交換模塊，還可很容易地紡制BCF。其主要設(shè)計(jì)基于BCF或POY/FDY/IDY工藝生產(chǎn)不同類型紗線時(shí)整個(gè)裝置的靈活性。牽伸裝置能夠向前或向后移動(dòng)，以采用1、2、3或4組對(duì)輥進(jìn)行逐步牽伸。采用全部4組對(duì)輥可以生產(chǎn)高強(qiáng)度的IDY。

經(jīng)過第二個(gè)獨(dú)立的裝置，能夠生產(chǎn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的BCF。BCF裝置如同牽伸裝置，要使用到其他所有的紡絲裝置。

采用上述加工方法生產(chǎn)的紗線，其品質(zhì)可與工業(yè)化制造的紗線相媲美。除用于生產(chǎn)BCF外，多功能生產(chǎn)線MSV還可以生產(chǎn)適用于紡織品市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)用絲束、功能性應(yīng)用領(lǐng)域及安全氣囊用高強(qiáng)度紗線。

3特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)所有聚合物的性能，多功能生產(chǎn)線 MSV的溫度范圍設(shè)計(jì)為200～400 ℃。機(jī)器的產(chǎn)能約為150 t/a，并能適應(yīng)不同的纖維線密度及其需求。生產(chǎn)線可生產(chǎn)兩種分別由很多長(zhǎng)絲復(fù)合而成的獨(dú)立的纖維。卷繞速度可達(dá)5 000 m/min，并附帶有自動(dòng)更換筒管及自動(dòng)收集廢絲的裝置，單人即可簡(jiǎn)便地操作。

軟件及硬件部分，尤其是如泵或卷繞機(jī)這類重要的部件，選用一些國際知名公司的產(chǎn)品。因此，備用設(shè)備在很長(zhǎng)一段時(shí)間后仍然可用，并且使用壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低。

多功能生產(chǎn)線MSV可以很高效地改變所用的聚合物原料或纖維線密度，而不限于使用一種材料或一種特殊的工藝。自定義轉(zhuǎn)換能使設(shè)備在可承受的資費(fèi)下快速適應(yīng)市場(chǎng)需求。

主要的加熱對(duì)輥被制成AIO輥(一種多合一導(dǎo)絲輥，圖7)。卷繞速度取決于纖維的直徑，最高可達(dá)6 000 m/min。 導(dǎo)絲輥包含集成變頻驅(qū)動(dòng)、多區(qū)域感應(yīng)加熱的加熱控制，并由匯流排控制。

圖7　多合一導(dǎo)絲輥(Disnes儀器制造公司)

良好的溫度分布、水冷和熱量分配優(yōu)化而形成的緊湊設(shè)計(jì)、減少的纜線、減小的配電盒、簡(jiǎn)單的滾筒操作、低噪聲、隔熱的加熱盒，以及導(dǎo)絲輥優(yōu)化后能耗的下降，都是該導(dǎo)絲輥的優(yōu)點(diǎn)。

4測(cè)量和工藝控制系統(tǒng)

操作和監(jiān)控系統(tǒng)為一個(gè)PC工作臺(tái)和一個(gè)監(jiān)視器組成的人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)。它可以建立在整個(gè)體系尤其是在含有空調(diào)系統(tǒng)的體系上。多功能生產(chǎn)線MVS更傾向于使用WinCC，它可以在德語、英語、其他4種歐洲語言和4種亞洲語言之間自由切換。WinCC結(jié)合了生產(chǎn)和工藝的自動(dòng)化控制，建立了可視化的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

HMI與西門子S7的通信建立在現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上。如果HMI出現(xiàn)故障，WinCC將不能操縱紡絲生產(chǎn)線，在這種特殊情況下，盡管無法可視化，但該車間仍然能夠繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。按程序運(yùn)行的系統(tǒng)也可以容易地添加其他的程序。

圖8給出了擠出機(jī)部分的操作圖像。

可視化系統(tǒng)的主要任務(wù)是繪制加工數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線，進(jìn)行警報(bào)管理、警報(bào)列表和數(shù)據(jù)運(yùn)行，以及完成閥門、驅(qū)動(dòng)器、溫度及其他參數(shù)的文件編制。

Variable spinning line for melt spinning

BernhardKrautwurst

Mainsite Technologies GmbH, Obernburg/Germany

Abstract:The Vario Line by Mainsite Technologies GmbH, Obernburg/Germany, is suited for polymer manufactures, fiber producers and testing laboratories for fiber spinning. Polymer manufacturers could develop their business inside a forward integration to a fiber producer. The Vario Line MSV is so flexible as to create new fiber products very easily, and the product portfolio of fiber producers could be diversified. Especially R&D departments could provide product spools and samples with an industrial, high-performance standard. Subsequently, the timescales for market introduction of new products are definitely shorter compared with developed products from a lab scale spinning line. Testing laboratories could proof the quality of polymers with the Vario Line for the final use in the fiber market.

Key words:Vario Line MVS； spinning part； finite elements calculation； human machine interface