短纤维设备研发

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芳纶1313是一种高性能特种纤维。自从20世纪60年代由美国杜邦公司成功开发(Nomex)并率先实现产业化以来，芳纶1313走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，价格也大幅度降低，全球对芳纶1313的需求一直保持着持续、快速增长的态势。目前，我国芳纶1313的研发水平和生产规模正日趋成熟，并已经实现产业化。但是对于同一种纺丝形式而言，国内各芳纶1313生产厂的生产工艺和设备配置各不相同，还没有形成统一的标准配置。此外，在单机的结构和性能方面还存在许多不足之处。因此，对芳纶1313短纤维成套设备进行持续改进和研发具有积极的现实意义。

1生产线的配置

1．1第一种配置方案纺丝机水洗机(层叠槽式)五辊牵引机烘干机五辊牵伸机电热箱五辊牵伸机电热箱五辊牵伸机上油机三辊叠丝机三辊曳引机三辊张力架电热板卷曲机松弛热定型机冷却输送机捕结器三辊曳引机三辊张力架立式压切式切断机打包机。该芳纶1313短纤维生产线为一步法湿法纺丝生产线，主要由纺丝、水洗、牵引、烘干、电热牵伸、上油、叠丝、曳引张力、预热、卷曲、松弛热定型、冷却输送、捕结、曳引张力、切断、打包等工序组成。每条生产线的年产量并不大，只有几百吨。在该生产线中，除打包机外，其余各单机全部位于厂房内的三楼，切断机以下至一楼地面为打包机。

1．2第二种配置方案纺丝机水洗机(单槽式)水洗机(喷淋式)水洗机(单槽式)烘干机七辊牵伸机电热箱七辊牵伸机电热箱七辊牵伸机上油机六辊叠丝机导丝机曳引张力机电热板卷曲机铺丝机松弛热定型机捕结器曳引张力机卧式压切式切断机打包机。该芳纶1313短纤维生产线为一步法湿法纺丝生产线，主要由纺丝、水洗、烘干、电热牵伸、上油、叠丝、曳引张力、预热、卷曲、铺丝、松弛热定型、捕结、曳引张力、切断、打包等工序组成。每条生产线的年产量为1500t。在该生产线中，纺丝机至六辊叠丝机位于厂房内的二楼，导丝机至切断机位于厂房内的三楼，切断机以下至一楼地面为打包机。可见，上述两种芳纶1313短纤维生产线配置方案所采用的纺丝方法都是一步法湿法纺丝，工艺路线也基本相同。主要不同之处在于:①水洗方式和水洗效果不同，第二种方案比第一种方案更加注重丝束的水洗效果;②单机的结构形式不同。由于两种配置方案生产线的年产量及单机在厂房内所处的楼层不同，因此相同功能的单机的具体结构形式不同。

2各单机的特征分析由以上分析可知，两种芳纶1313生产线配置方案的基本工序是一致的，即纺丝、水洗、烘干、电热牵伸、上油、叠丝、曳引张力、预热、卷曲、松弛热定型、捕结、曳引张力、切断、打包［1］。以下对一些主要单机的特征进行分析。

2．1纺丝机常用的芳纶1313短纤维纺丝机分为干法纺丝机和湿法纺丝机，本文仅讨论湿法纺丝机。湿法纺丝机一般由凝固牵伸组件、纺丝部件、刮丝喷淋部件、密封排风部件等组成。凝固牵伸组件一般由齿轮箱、齿轮传动系统、齿轮系统、若干个凝固辊、若干个牵伸辊等组成。通常情况下，凝固辊和牵伸辊应选用相同的直径、长度和材质(材质都为316L不锈钢)，牵伸辊的转速约为凝固辊转速的2．73倍。纺丝部件一般由同步变频减速电机、泵轴、计量泵、烛形滤器、摇摆管、喷丝组件、浴槽等组成。其中，凡是与纺丝原液接触的零件都必须采用316L不锈钢材料制造。浴槽通常由凝固浴槽和牵伸浴槽两部分组成，而且都必须是双层保温结构。凝固浴槽一般分为多个锭位(相邻的两个锭位之间用316L不锈钢板隔开)，各个锭位所采用的凝固浴方式必须相同，即水平浴，顺流纺，从浴槽底部单锭进凝固浴液。牵伸浴槽(来自凝固浴槽的初生丝束在这里进行初步牵伸)的结构相对比较简单，槽底不用设置锭位分区。刮丝喷淋部件一般由辊面毛丝刮丝器、喷淋管等组成，密封排风部件一般由防护窗、排风罩等组成。在这两个部件中，容易与浴液接触的零件材质选用304不锈钢即可。

2．2水洗机按结构形式划分，水洗机通常分为单槽式、喷淋式和层叠槽式三种。根据实际使用情况，水洗机上与浴液接触的零件材质可为316L或304不锈钢。单槽式水洗机一般由导丝辊、双层保温浴槽、浴槽盘管加热系统和轧车组成。在轧车的橡胶压辊上使用的橡胶品种最好是耐二甲基乙酰胺、不容易老化的三元乙丙橡胶。喷淋式水洗机通常采用丝片双面喷淋的水洗方式。为了达到最佳的水洗效果，喷淋式水洗机最好与一个或若干个单槽式水洗机一起使用(喷淋式水洗机位于单槽式水洗机之后)。喷淋式水洗机的特点是:水洗效果好，但占地空间大，设备投资多，运转成本高，因此特别适合在规模效益较好的大产能生产线上使用。层叠式水洗机一般由两个传动箱(牵引辊为悬臂式结构)、浴槽(为双层保温结构)、辅槽等部件组成。全机通常设有5～8个层叠起来的浴槽。丝束下进上出，水洗方式为逆向水洗(洗涤水从最上层浴槽的出丝侧补入，上下层之间通过重力回流，最后从最底层浴槽的进丝侧流走)。若想进一步提高丝束的水洗效果，可以在每个浴槽内设置蒸汽盘管给洗涤水加热，同时还可以设置紊流发生装置。这种层叠式结构占地面积小，但操作不太方便。

2．3牵伸机牵伸机的研发重点是强度设计，必须要保证牵伸辊、传动轴和轴承的可靠性。在芳纶1313短纤维湿法纺丝生产线上，根据工艺要求，牵伸机一般不需要防护窗，而且牵伸辊与烘干辊的材质相同。另外，为了改善纤维的性能，牵伸辊内最好设有热循环结构。

2．4电热箱电热箱总体上由框架和工作腔构成。框架一般由型钢和薄钢板焊接而成，内腔体与外侧面板间填充硅酸铝棉保温材料。电热箱的总长度约为9m，宽度应根据丝束的多少来决定。工作腔一般由304不锈钢制成。工作腔的加热采用不锈钢电加热管，其中上下加热为主加热，左右加热为辅助加热。工作腔两侧封口为狭缝式，并设有氮气封口装置，设备运行时，工作腔两端会形成氮气风帘，用于阻止箱内热空气的外泄及箱外冷空气的进入。工作腔一般设有十几个测温点，用于控制和显示腔内所需要的实际工艺温度。在芳纶1313短纤维湿法纺丝生产线上，根据工艺要求，丝束要在温度不低于320℃的电热箱工作腔内进行约1．5倍的牵伸。为此，电热箱工作腔内的设计温度一般为300～400℃(可调)，而且对温度控制精度和腔内温度的均匀性要求非常严格。在设备制造方面，所有不锈钢材料都应该进行酸洗和钝化处理，工作腔的内表面必须光滑，不得有毛刺［2］。

2．5叠丝机叠丝机分为三辊叠丝机和六辊叠丝机。叠丝机的用途是将从前道工序送来的三片丝束，通过叠丝辊叠成厚薄均匀、宽度一致的一片丝束。两种类型叠丝机的工作原理基本相同，六辊式叠丝机相当于两个三辊式叠丝机的组合，适用于厂房空间有限的场合。叠丝机上的导丝辊、叠丝辊的材料一般为碳钢钢管，其辊体外表面必须镀硬铬。为防止芳纶1313丝束在辊面打滑，导丝辊、叠丝辊的外表面一般需要加工出许多平行于轴线的半圆形沟槽。

2．6切断机在芳纶1313短纤维湿法纺丝生产线上，常用的切断机分为立式和卧式压切式切断机。在结构上，切断机由机架、传动装置、切断刀盘、压轮、料斗等部件组成。其中，切断刀盘和压轮两个部件是研发的重点，也是难点，尤其是切断刀盘。为了从根本上克服切断刀盘落丝不畅的现象，最好选用目前比较先进的无刀柱式切断刀盘。

2．7打包机化纤打包机一般由进料斗、计量斗、推料箱、机架、压缩箱、固定棉箱、主压油缸、锁门机构、液压系统、气动系统、成包输

送装置、电气设备等组成。打包机的用途是将输入的短纤维压实，然后捆扎成体积、质量一定的成型包。对于年产量为1500t的芳纶1313短纤维湿法纺丝生产线而言，一般选用自动计量、单箱开门式液压打包机即可，其常用的压缩箱截面尺寸(长×宽×高)为950mm×550mm×850mm，成品包的外形尺寸(长×宽×高)为1000mm×600mm×900mm，成包质量不超过150kg。由于打包机的结构非常复杂，因此在使用过程中经常会遇到各种问题，比如防弹钩回弹时噪声大，打包机的飞花污染，液压系统的各种故障等。为此，在打包机的研发过程中，需要针对这些常见问题进行技术攻关。3结语进入21世纪以来，随着市场经济的发展和科学技术的进步，我国对芳纶1313的需求呈现出不断增长的态势。芳纶1313作为一种新兴的高性能纤维进入了飞速发展时期，全国涌现出许多从事芳纶1313短纤维生产的企业。目前，虽然我国的芳纶1313短纤维成套生产设备已经实现国产化，但是这些设备在结构和性能上还有许多需要改进和提高之处。因此，我国芳纶1313短纤维成套生产设备的研发工作任重而道远。