多功能熔融紡絲生產線

B．Krautwurst

Mainsite技術公司(德國)

多功能熔融紡絲生產線

B．Krautwurst

Mainsite技術公司(德國)

摘要：德國Mainsite技術公司擁有一條適用于聚合物制備、纖維生產及纖維實驗室測試的Vario Line紡絲生產線。該生產線使聚合物制造商有望發展為綜合性的纖維生產商。Vario Line MSV生產線可以靈活、輕松地制備新型纖維產品，且纖維生產商也可以生產多樣化的纖維組合。研發部門能夠提供工業規模的、高性能的筒管或試樣。新產品的市場推廣時間相比于實驗室規模的紡絲線上的開發時間短很多。測試結果證實，Vario Line生產的聚合物質量可以滿足纖維市場上的最終應用。關鍵詞：Vario Line MVS；紡絲組件；有限元計算；人機界面

Mainsite技術公司專攻纖維市場中紡絲生產線的設計與制造已超過75 a的時間。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的企業。Mainsite公司提供具有不同產能的總承包控制廠房，包括研究與測試設備的控制和自動化、小規模試驗廠及生產車間。

工廠設計的大部分組件是在室內進行的。公司最新的研究項目如下：

——噴絲板和加熱箱體的設計優化；

——牽伸輥隔熱箱體的能量優化；

——長絲片材的吹吸風優化；

——首次考慮到第一紡絲操作裝置應盡可能地短，以開發最先進的紡絲系統；

——超細微纖絲和高強度絲的開發；

——雙組分紡絲車間的多功能紡絲部分的研究；

——帶有設定點和體積流量線性特性的空氣定量閥研究。

1獨立設計的紡絲組件

每個紡絲組件都能夠進行獨立設計和制作，以滿足不同聚合物、生產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，可通過有限元法計算其特征。在實踐中，模擬結果通過試驗數據得以驗證。

噴絲孔的設計是通過生產條件下的模擬和測試優化得到的。在不同條件下，對噴絲孔的溫度分布(圖1)和紡絲頭加熱都進行了模擬。

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 ℃)

另一個評價紡絲過程中關鍵參數的例子是絲束在冷卻室中的冷卻過程。通過有限元計算及分析發現，流動條件明顯影響冷卻室的設計和制造。纖維絲束中單根纖維周圍均勻的溫度分布和穩定的流動條件都決定了纖維的質量參數(圖2)。

圖2　對空氣流動狀態進行有限元計算以優化纖維絲束在冷卻室的冷卻過程

導絲輥表面的溫度分布，以及兩個加熱箱中空氣的溫度分布均對纖維的性能參數有相當大的影響。為了獲得加熱箱內空氣速度、壓力和溫度分布的均勻一致，Mainsite公司與德國亞琛工業大學合作，通過改變入口、出口及兩個加熱箱的形狀，采用有限元法對其進行優化(圖3)。

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

2多功能生產線MVS

除了這些已經優化的部分外，多功能生產線 MVS(圖4)還包含聚合物計量裝置、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部分等，MVS是一個靈活的、多功能的緊湊型紡絲生產線，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　多功能生產線MVS(含牽伸和BCF單元)

圖5　多功能生產線MVS的牽伸單元

圖6　由多功能生產線MVS生產的產業用聚酰胺和聚酯絲筒

該生產線不僅涉及研發或試驗工廠，還涵蓋了生產線中所有的技術層面，驗證了生產線上可預測的技術。通過采用4組對輥的排列方式，能紡制用于高性能復絲生產的預取向絲(POY)、全拉伸絲(FDY)和歐瑞康巴馬格工業絲(IDY)。如果采用二次可交換模塊，還可很容易地紡制BCF。其主要設計基于BCF或POY/FDY/IDY工藝生產不同類型紗線時整個裝置的靈活性。牽伸裝置能夠向前或向后移動，以采用1、2、3或4組對輥進行逐步牽伸。采用全部4組對輥可以生產高強度的IDY。

經過第二個獨立的裝置，能夠生產工業標準的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的紗線，其品質可與工業化制造的紗線相媲美。除用于生產BCF外，多功能生產線MSV還可以生產適用于紡織品市場、產業用絲束、功能性應用領域及安全氣囊用高強度紗線。

3特點及優點

根據所有聚合物的性能，多功能生產線 MSV的溫度范圍設計為200～400 ℃。機器的產能約為150 t/a，并能適應不同的纖維線密度及其需求。生產線可生產兩種分別由很多長絲復合而成的獨立的纖維。卷繞速度可達5 000 m/min，并附帶有自動更換筒管及自動收集廢絲的裝置，單人即可簡便地操作。

軟件及硬件部分，尤其是如泵或卷繞機這類重要的部件，選用一些國際知名公司的產品。因此，備用設備在很長一段時間后仍然可用，并且使用壽命長、維修費用低。

多功能生產線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。自定義轉換能使設備在可承受的資費下快速適應市場需求。

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

圖7　多合一導絲輥(Disnes儀器制造公司)

良好的溫度分布、水冷和熱量分配優化而形成的緊湊設計、減少的纜線、減小的配電盒、簡單的滾筒操作、低噪聲、隔熱的加熱盒，以及導絲輥優化后能耗的下降，都是該導絲輥的優點。

4測量和工藝控制系統

操作和監控系統為一個PC工作臺和一個監視器組成的人機界面(HMI)系統。它可以建立在整個體系尤其是在含有空調系統的體系上。多功能生產線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結合了生產和工藝的自動化控制，建立了可視化的工業標準。

HMI與西門子S7的通信建立在現場總線的基礎上。如果HMI出現故障，WinCC將不能操縱紡絲生產線，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運轉。按程序運行的系統也可以容易地添加其他的程序。

圖8給出了擠出機部分的操作圖像。

可視化系統的主要任務是繪制加工數據的趨勢曲線，進行警報管理、警報列表和數據運行，以及完成閥門、驅動器、溫度及其他參數的文件編制。

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