注塑工艺参数优化（精选9篇）
注塑工艺参数优化 篇1
1 引言
注塑产品成型过程中最常见的缺陷有翘曲变形、气泡、熔接痕以及缺料、银线等。引起这些缺陷的因素有很多, 除了成型塑件本身的材料性能外, 塑件的尺寸形状、注射压力、保压压力、冷却时间和熔体温度等因素对塑件的成型都会产生一定的影响[1]。其中翘曲变形是影响塑件质量的一个重要因素, 本文提出利用正交试验法确定影响塑件翘曲变形的各个影响因素的最佳组合, 最后模拟分析验证这种分析方法的可行性。
2 塑件结构
本塑件为播种机零件, 如图1所示。该塑件的外形比较复杂, 有很多的配合孔, 且在塑件的内部有很多加强筋、凹槽及凸台。塑件表面积较大, 凹槽较多, 分型面复杂。
3 影响塑件翘曲变形的注塑工艺参数分析
首先利用一次因子法选出对塑件翘曲变形影响较大的五个因素:熔体温度、注射时间、保压压力、保压时间、速度/压力切换, 然后通过正交试验法分析各注塑参数对塑件翘曲变形的影响, 研究各因素影响翘曲变形的权重。
3.1 采用一次因子法选择对翘曲变形影响较大的工艺参数
采用一次因子试验方法, 根据模拟试验结果, 判断对塑件翘曲变形量影响较大的工艺参数, 为正交优化试验做准备。这种试验方法, 每次试验时仅仅改动一个影响因子, 将因子变动后的试验结果与最初的试验结果进行比对, 一次因子变动水平表如表1所示。
初始试验数据参照Moldflow软件推荐的工艺参数选取:模具温度60℃、熔体温度210℃、注射时间1.5s、保压压力90Mpa、保压时间10s、速度/压力切换97.7%。其中速度/压力切换是指填充过程中软件采用速度控制和压力控制, 当型腔填充97.7%时由速度控制转换为压力控制, 然后开始保压。本次试验为将工艺参数因子由1转变为2时分析其对翘曲变形量的影响。一次因子试验结果见表2所示。
根据试验结果可知, 每个因子的变动对翘曲变形量的影响不同, 将因子变动对翘曲变形量的影响称为因子效应, 翘曲变形量的变化值则反映了因子的影响效应。可见对翘曲变形量影响较大的因子依次为保压时间、保压压力、熔体温度、速度/压力切换及注射时间, 而模具温度对翘曲变形量的影响相对较小。
3.2 用正交试验方法分析工艺参数对塑件翘曲变形的影响程度
通过一次因子法试验分析结果可知填充工艺参数中保压时间 (E) 、保压压力 (D) 、熔体温度 (B) 、速度/压力切换 (F) 及注射时间 (C) 对塑件翘曲变形的影响程度较大。
设计正交试验表, 根据前文分析结果, 选择保压时间、保压压力、熔体温度、速度/压力切换以及注射时间五个工艺参数作为影响因素, 分别取五个水平值。根据拉丁方方法, 得到总组合数为N=S2=25, 正交表表示为S (25, 5, 2) , 正交试验因素水平表如表3所示。
用模流分析软件Moldflow对不同工艺参数组合水平进行模拟试验分析, 并对翘曲总变形量进行数据采集。试验结果见表4。由表4可知16号试验的翘曲变形量最小, 工艺参数组合为B4C1D4E1F5, 该工艺参数组合试验结果如图2所示。
正交试验方法主要通过信噪比的大小来衡量各影响因子的权重大小, 从而判断塑件的品质优劣, 信噪比用式 (1) 来进行计算。
式中, S/N─信噪比;yi─i次试验的总翘曲变形量;n─试验数据数目。
对于正交试验方法, 翘曲变形量属于望小特性的信噪比。以信噪比作为选取影响因子的标准, 使翘曲变形量有最大的信噪比, 并以每组试验数据计算信噪比, 对信噪比做因子反应分析, 因子效应计算方法为各水平的信噪比最大值与最小值之差。信噪比反应表如表5所示。由表5可知, 保压压力及速度/压力切换的信噪比相比其他参数的信噪比较大, 其次依次为熔体温度、保压时间和注射时间。各因子水平信噪比变化如图3所示。
根据以上的正交试验结果可以很容易地确定各个影响因素的最佳组合, 由图3可以得到使翘曲变形量最小的最优水平组合为B5C1D4E5F5, 即熔体温度240℃、注射时间1s、保压压力95Mpa、保压时间20s、速度/压力切换99%。上述最优工艺参数水平组合为理论上的最优方案, 需要进一步通过模拟试验验证。用Moldflow软件进行模拟分析, 试验结果如图4所示, 总翘曲变形量为0.8313mm。与正交试验表中的试验数据相比, 该翘曲量是最小的。由此可见, 根据正交试验结果获得的最优水平组合条件下的翘曲变形量最小与理论分析一致, 这也证明了这种分析方法是正确可行的。
4 结语
综上所述, 首先利用一次因子法选出对塑件翘曲变形影响较大的五个因素, 然后用Moldflow软件, 通过正交试验法分析各注塑参数对塑件翘曲变形的影响权重。根据拉丁方方法设计正交试验表, 以信噪比作为选取影响因子的标准, 根据每组试验数据计算出信噪比, 并对信噪比做因子反应分析, 最终确定各个影响因素的最佳组合。最后用Moldflow软件进行模拟分析验证, 模拟分析结果证明了这种分析方法是正确可行的。
参考文献
[1]刘来英.注塑成型工艺[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[2]王杰, 建玲, 商兴国, 白帆.制造业自动化[J].基于Moldflow的注塑件缺陷预测及参数优化, 2010 (32) :145-147.
注塑工艺参数优化 篇2
摘要：应用数学模拟技术对生物絮凝再生工艺系统进行模拟工艺设计,并对工艺运行参数进行优化.模拟结果表明:当污泥浓度达到一定值,回流比、氧化时间和SRT对颗粒型有机物(CODss)去除率影响不大,但对有机物(COD)、溶解性有机物(SCOD)和NH4+-N去除率影响较大.絮凝时间对出水COD、SCOD、CODss和NH4+-N的去除率影响较大,当絮凝时间过短,直接影响活性污泥对CODss的.吸附率和微生物对SCOD和NH4+-N的利用率.综合各种因素,对牛物絮凝-再生工艺的运行参数进行优化,得到理想运行参数为:回流比为0.6,絮凝时间为40min,氧化时间为1.5h和污泥龄为6d.作 者：赵二燕 刘绍根 刘娟 ZHAO Er-Yan LIU Shao-Gen LIU Juan 作者单位：赵二燕,刘娟,ZHAO Er-Yan,LIU Juan(安徽建筑工业学院环境与能源工程学院,合肥,230022)
刘绍根,LIU Shao-Gen(安徽建筑工业学院环境与能源工程学院,合肥,230022;中国科学技术大学化学与材料科学学院,合肥,230026)
注塑工艺参数优化 篇3
M公司属于注塑成型企业, 为降低生产成本, 企业推动IE提效改善专案。本课题以DOE优化成型周期为例, 展开IE技术研究及推广。针对成型生产周期优化, M公司前期已运用IE技术完成开模、取件、合模流程优化, 目前进入第二阶段, 即成型周期参数最优化阶段。
2 案例分析
2.1 产品介绍
X产品为高光镜面产品, 是M公司主打产品 (见图1) 。使用ABS原料, 当前成型生产周期为57.5s, 改善目标为53.0s, 为成型周期优化首选对象。
改善难点: (1) 塑件为大件轻薄产品, 伴随成型参数变化, 产品易出现变形及尺寸结构问题。 (2) 产品表面为高光镜面, 易出现水波纹、缩痕等外观不良。
2.2 DOE实验设计
(1) 实验因子选择
采用2水平4因子部分因子实验设计, 分别选择冷却时间、保压2时间、保压2压力及母模温度为实验因子, 因子设置表见表1。因子选择原因主要考虑两方面因素:一是哪些因子对成型周期有影响;二是哪些因子对于在成型周期改善过程中可能出现的品质问题有影响。
(2) 实验设计及数据统计
使用Minitab软件中的DOE模块生成实验计划, 共9组实验, 其中取一组中心点。接下来对每组条件取样, 因涉及到模温改变, 须待模具温度稳定后再对每组条件进行取样。成型连续生产4模取第5模记录实际生产周期及产品外观, 见表2。从表2分析发现, 实验顺序2、6及8这3组产品出现品质问题, 第2组实验条件改善效果虽然比较明显但外观出现明显缩痕。
2.3 实验设计分析
2.3.1 拟合选定模型及方差分析
从拟合选定模型的数据中看到主效应P值为0.05, 说明实验回归总效果是显著的。R-Sq与R-Sq (调整) 差异很小, 且R-Sq (调整) =99.13%, 说明拟合的模型可以解释成型周期y中99.13%的变异, 回归效果显著, 但二者与R-Sq (预测) =37.47%间数据差异较大, 说明如果使用现在的模型仍有较多的点与模型差异较大, 模型需要改进, 拟合模型数据见表3。
2.3.2 分析评估各项效应的显著性及残差诊断
前面分析是针对总效果而言的, 为了把所有效果不显著作用全部删除, 要对各项效应的显著性进行逐个检验。通过pareto分析可看到冷却时间及保压2时间均为显著因子, 对成型周期改善效应最强;AC交互作用 (冷却时间与保压2压力间交互作用) 较AD (冷却时间与母模温度交互作用) 等其它二阶交互作用显著;保压2压力和母模温度显著性不明显, 对成型周期影响较小。
残差诊断主要目的是基于残差的状况来诊断模型是否与数据拟合得好, 如果数据与模型拟合正常, 则残差应该是正常的, 本案残差目前分布不好, 模型与数据拟合较差。其中, 残差图对应以观测值顺序为横轴的散点图, 各点在水平轴上下并非无规则运动, 残差值间并非相互独立;以响应变量拟合值为横轴的散点图无“漏斗型”或“叭型”, 残差保持等方差性;正态概率图各点并非随机分布;从残差直方图可辅助检查残差分布状况并不随机。
2.3.3 模型改进及分析
依次删除模型中效应不显著项后进行方差分析, 方法与前面相同, 可以看出主效应P=0.002<0.05显著, 模型有效;弯曲项P=0.0625>0.05, 模型并无弯曲现象;2因子交互效应=0.06>0.05不显著。各项效应显著性见图2, 通过柏拉图分析可以看出冷却时间A和保压2时间B仍为显著因子, AC交互作用较为显著, C和D均为不显著因子。
从残差图3中可以看出, 删除不显著项后回归效果更好了, 残差值对应以观测值为横轴的散点图及正态概率图各点随机分部, 残差对应以响应变量拟合值为横轴的散点图正常。
模型改善效果见全模型与删减模型效果比较表4, 从表中看到残差分布整体得到明显改善, 模型已达到最优。
2.3.4 对选定模型进行解释
(1) 再次进行残差诊断
此次残差诊断是肯定模型不需再修改的前提下, 判断数据中是否有个别点出现异常, 通过将正规残差转换为标准化残差发现有无异常点。
(2) 确认主效应及交互效应显著性, 并考虑最优设计
主要目的是判断已经选定的主效用和交互效应是否真的显著, 未选中的效应是否真的不显著, 本案例主效应及交互作用均选择正确。从图4可以看出冷却时间A和保压2压力C夹角较大, 保压2时间B和模具温度D夹角较大, 交互作用较明显。其余夹角较小或者平行, 交互作用不明显。
(3) 输出等值线及响应曲面图确认最佳设置
为进一步确认响应变量如何受所选因子和交互作用影响及其相互间变化规律, 绘制等值线及响应曲面, 等值线图见图5。蓝色代表低值, 绿色代表高值, 从图中可以看出当冷却时间越小、保压2压力越大且其余两因子保压2时间及母模温度不变情况下, 成型周期越短。绘制响应曲面图, 曲面高低状况更加一目了然。
2.4 实现最优化
响应优化后得到最优参数组合, 冷却时间为27s, 保压2时间为3s, 保压2压力为60%, 母模温度为95C°的条件下, 成型周期预估为52.69s, 见图6。
2.5 实验验证及最优参数标准化
将最优参数导入成型机内, 连续做5模, 记录成型周期并进行品质检验 (包括外观, 尺寸及实配检验) , 品质均OK。接下来标准化成型参数并正式导入量产, 通过DOE优化成型周期工艺参数后, 成型生产效率提升7.8%。
3 结语
注塑成型工艺参数优化为多响应、多因子的参数条件优化过程, 在因子选择时除考虑影响响应变量Y的因子之外还需考虑优化过程中与品质相关的因子 (需考虑响应值Y得到优化时容易发生那些品质问题, 将影响该品质的因子选为实验因子) , 在确保品质的前提下实现工艺参数最优化。本课题以DOE优化成型生产周期工艺参数为案例, 分析说明DOE在M公司提效过程中的作用, 该技术在注塑成型生产工艺中亦可推广至DOE优化产品单重等项目。
参考文献
[1]罗军, 宋德朝.基于Minitab的质量控制技术在制造过程中的应用[J].现代制造工程, 2009 (2) :10-20.
[2]黄娜斌, 江波, 张志连, 等.Taguchi DOE实验设计法注射成型工艺参数优化[J].工程塑料应用, 2007 (3) :20-30.
[3]杨炜, 胡树根, 金光.基于CAE、DOE和模糊加权的注塑成型工艺参数的优化配置[J].机电工程, 2004, 21 (5) 30-40.
[4]卫玮, 胡泽豪.正交试验设计的注塑成型工艺参数多目标优化设计[J].现代制造, 2009 (2) :81-91.
注塑工艺员职责 篇4
岗位总体描述：
1.1负责产品生产工艺的编制，生产现场技术问题的处理，按时完成下达的工作任务。
1岗位设置目的：
2.1为了实现产品技术标准。
2岗位目标：
3.1为产品生产提供准确、可操作性工艺规程。
3行政权限：
4.1行政权力：独立的产品制造过程中工艺编制权、修改权。
4岗位职责：
5.1遵守公司各项管理规章制度；
5.2服从并接受上级的领导、管理，按时完成交给的各项工作；
5.3承担上级交给的产品生产过程中工艺条件、材料消耗、班产定额的编制工作，在计划规定的时间内完成任务，并对技术工作承担责任；
5.4承担产品生产全过程的技术服务；
5.5承担工艺条件、材料消耗、班产定额的修订工作，并将修订后的技术资料归档；
5.6负责生产现场技术资料的整理和存档工作；
5.7承担技术信息和技术资料、知识产权的维护、保密义务；
5.8承担产品生产过程中技术部的工艺责任。
5工作关系：
6.1对技术部长负责；
6.2同生产部、班组、操作人员协调工作关系；
6.3同顾客协调技术方面的业务关系。
6工作特点：
7.1环境特点：办公环境好，待遇高。
7.2岗位特点：技术要求高、学习钻研性强。
7.3时间特点：工作时间固定。
7.4均衡性特点：工作强度分布均衡。
7.5主动性特点：主动工作为主。
7任职资格：
8.1基本条件：
8.1.1教育背景：大专或相当于大专以上学历，塑料成型相关专业。
8.1.2思想品行：工作认真扎实、具有钻研精神。
8.1.3年龄身体：35岁以上，身体健康。
8.1.4经历业绩：从事塑料成型工艺工作3年以上；
8.1.6适应性：有较丰富的生产实际经验。
8.2技能要求：
8.2.1合作能力：不保守、努力钻研、积极交流。
8.2.2控制能力：指导操作人员按其技术要求完成工作。
8.2.3学习能力：主动学习新知识，并在实际工作中能运用。
8.2.4沟通能力：倾听生产人员的反馈意见，加以吸收改进或及时改正。
8.2.5绘图能力：设计语言规范、图纸表述准确。
8应知：
9.1产品方面：
9.1.1了解热塑性塑料的物理、化学性能，以及高分子物理、高分子化学的有关知识；
9.1.2了解注塑机系统结构、技术参数、技术规范、工作原理；
9.1.3了解注塑成型模具的结构及工作原理；
9.1.4了解汽车塑料零部件及其他塑料配件的相关技术条件。
9.2财务方面：
9.2.1生产成本：了解产品生产成本结构和项目以及计算方法；了解公司的综合费率。
9.3营销方面：
9.3.1产品销售的基本知识：顾客维护、售后服务、产品信誉、品牌形象。
9.4计算机方面：
9.4.1网络应用一般常识：企业局域网络的作用与应用范围、局域网维护要点、网络安全概念、常用数据通讯方式。
9.4.2计算机应用一般常识：应用知识，硬件基本结构、影响使用安全的主要因素、日常维护管理要点、常用计算机办公系统软件。
9.5税收方面：
9.5.1企业常用税种：增值税。
9.6行业知识方面：
9.6.1行业发展状况：国际、国内本行业发展水平、采用的工艺、方法和手段。
9.7法律方面：
9.7.1公司法：法律主体和法律管辖范围、主要法律内容和法律责任。
9.7.2合同法：法律主体和法律管辖范围、主要法律内容和法律责任。
9.7.3产品质量法：法律主体和法律管辖范围、主要法律内容和法律责任。
9.7.4消费者权益保障法：法律主体和法律管辖范围、主要法律内容和法律责任。
9.7.5劳动法：法律主体和法律管辖范围、主要法律内容和法律责任。
9.7.6环境保护法：法律主体和法律管辖范围、主要法律内容和法律责任。应会：
10.1产品方面：
10.1.1熟练掌握各种型号注塑机的技术参数及工作原理，合理选择、使用注塑机；
10.1.2掌握常用原材料的性能、特点；
10.1.3掌握注塑成型模具的结构及工作原理并能合理的使用；
10.1.4能够独立进行模具试生产工作；
10.1.5能够独立绘制生产中一些常见的设备配件、辅件的产品图纸。10.2财务方面：
10.2.1能根据产品技术要求，通过不同的生产方案，计算产品的生产成本。10.3营销方面：
10.3.1掌握顾客需求，能根据顾客要求提出相应的解决方案。
10.4计算机方面：
10.4.1掌握办公软件的使用。
10.5法律方面：
10.5.1掌握产品技术协议的主要条款；
10.5.2掌握劳动合同关键性条款。每日、每月例行工作内容：
11.1早晨：
11.1.1了解生产现场产品的生产制造进度、质量问题；
11.1.2是否有顾客关于产品质量方面的信息反馈；
11.1.3了解需处理工作事项，并及时完成。
11.2日常：
11.2.1产品制造过程中生产工艺的编制，生产现场技术服务；
11.2.2生产现场技术资料的整理和存档；
11.2.3抽查产品生产工艺的执行情况。
注塑工艺参数优化 篇5
1 汽车零件注塑模具流道系统组成
汽车零件注塑模具流道系统设计包括流道设计和浇口设计两个部分, 现对流道系统组成及在设计时应遵循的原则进行简要介绍。
1.1 主流道
主流道为材料进出通道, 主要包括直浇口式、横浇口式和斜浇口式三种结构形式。在设计时, 应注意以下几个方面:1) 主流道形状应呈圆锥形, 若设计材料流动性较好, 锥角设计为2~4度, 反之则可取6~ 10度, 主流道长度控制在60m m以下。2) 主流道截面积大小影响塑料熔体流速和充模时间, 结合具体情况, 一般将主流道近端口截面直径控制在4~8mm, 若熔体流动性好且制件较小, 可适当减小直径。3) 锥孔内壁粗糙度控制在0.4~0.63μm, 在圆锥孔大端处由直径为1~ 3m m的圆角过渡, 尽量降低熔料流动阻力。
1.2 分流道
分流道是材料进入通道, 对充模保压过程中的压力影响很大。由于分流道要将具有高温高压特性的塑料熔体流向主流道然后转换到模腔, 因而在设计过程中, 对分流道设计的基本要求是尽量使熔体通过分流道时的温度有所下降, 压力损失尽可能降低, 并保证熔体能均匀稳定地分配到模腔。这就需要在综合考虑制品的体积、厚度、形状的基础上合理设计分流道形状和尺寸。实际设计中, 需要注意以下几方面:1) 在满足塑性设计和注塑成型工艺条件下, 使分流道截面积尽量小。2) 合理设计分流道排放位置和排列方法, 间距要合理, 建议采取轴对称或中心对称方法紧凑排列, 以控制分流道总面积。3) 长度尽可能短, 多型腔模具中各型腔分流道长度尽可能相等。4) 粗糙度一般取1.6μm。5) 进行总体设计时, 应留有足够空间安置冷却系统, 并保证冷却系统方式和布局合理。
1.3 浇口
浇口为熔体通道, 连接流道和型腔, 对熔体在模具型腔内的流动有很大影响, 进而影响注塑件成型质量。一般来说, 熔料的流动方向和平衡性由浇口位置决定, 若浇口位置不合理, 将不利于熔体的平衡充填, 导致制品存在质量缺陷。对于浇口的设计要求, 应开设在塑件截面最厚处;减少熔接痕, 增加熔接长度;选择的浇口位置应使塑料流程最短, 料流变向最少, 并应有利于排气和补料。
2 汽车零件注塑模具流道系统设计及优化
2.1 浇口位置及数量的确定
本文以汽车仪表板为例, 该汽车零件对外表面质量要求较高, 浇口位置只能设置在制件上下两侧边缘, 这样才能保证使用表面光洁度。若无法充满型腔或是不能保证熔料平衡流动, 制件将会出现质量缺陷。以确定合理的浇口位置和数量为设计思路, 提出了三套浇口设计方案, 通过对各方案浇口的平衡充填水平的分析, 选择出最优方案, 确定最佳浇口数量和位置。笔者主要设计了三种浇筑方案, 实验结果见表1。最后决定选用方案b。
2.2 主流道、分流道、点浇口的管径计算
由聚合物流变学理论可知非牛顿流体真实剪切速率公式为:
式中, γ为塑料熔体流动剪切速率 (s-1) ;Q为塑料熔体体积流率 (cm3/s) ;n为熔体非牛顿指数;R为流道半径。
大量研究表明, 在主流道中, 熔体的剪切速率为γ=5×103s-1, 根据汽车仪表盘和流道系统总体积、充填时间、主流道体积流率、温度、熔体非牛顿指数, 带入式可求出主流道直径。
在分流道中, 熔体的剪切速率为γ=5×102s-1, 在熔体分流道体积速率、分流道直径已知情况下, 根据上式可计算出分流道直径。
在点浇口处, 熔体的剪切速率为γ=105s-1, 带入上式可得到点浇口直径。
得出理论计算值后, 利用相关计算机软件进行数值模拟, 当发现初步设计存在缺陷, 比如存在熔接痕, 可将浇口改为潜伏浇口。
2.3 流道系统设计合理性评估
评估汽车零件注塑模具流道系统设计合理性, 应从以下几方面综合考虑:
第一, 考虑充填时间。对改进前后的两类塑件进行充填时间实验, 在实验过程中, 观察型腔是否充满、熔体流动是否平衡, 评价充填时间合理性。
第二, 考虑流动前沿处温度。这是分析熔体流动情况的重要指标。流动前沿温度变化应在10摄氏度以内。若温度分布均匀性较差, 且不能满足流动前沿温度变化要求, 那么成型后的制件表面质量可能就得不到保证, 需进行改进。
第三, 考虑体积收缩率。将体积收缩率控制在一定范围内对于成型后制件的使用不会带来太大影响, 这就要求确定合理的保压压力和保压时间, 深入分析保压过程, 并对保压过程中型腔内的 压力、温度、剪切应力的分布情况进行准确预测。通过模拟分析, 当体积最大收缩率在要求范围且在塑件左边凸起, 不会使体积收缩出现不均匀现象, 其他地方体积收缩率也比较均匀, 说明设计合理。
第四, 考虑气穴。气穴是在熔体注塑过程中型腔内空气、塑料自身蒸发出的水蒸气等气体未及时排出进而导致保压不充分、填充不完全及欠压的情况下产生的, 其存在直接影响制件成型质量。气穴主要存在于塑件孔和边的边缘, 当塑件有众多孔或栅格, 气穴产生就不可避免, 在这样的情况下, 充填熔体时可设置排气槽以使气体充分排出, 进而消除气穴, 保证产品质量。
第五, 考虑熔接痕。在汽车零件注塑成型中, 熔接痕是常见的质量缺陷之一, 是由两股塑料熔体汇集在一起或是一股流动前沿分开之后又汇合到一起产生的熔接线, 这种现象往往是不可避免的。在对于表面质量要求较高的汽车仪表板中, 一般不允许存在熔接痕, 但是由于多孔的特征, 若无法避免, 应尽量控制熔接痕出现。经过改进后, 若熔接痕数量减少, 长度缩短, 分布位置得以改善, 说明设计合理, 可有效降低制件断裂风险。
3 结语
总之, 汽车零件注塑模具流道对模具结构和相关工艺参数都有重要影响, 直接影响制件的成型质量, 因而对于机械模具设计来说, 利用数值模拟技术并结合优化算法对注塑模具流道系统进行优化设计至关重要。本文通过一系列模拟实验制定了一套优化流道系统的设计方案, 并对该方案进行了详细分析, 结果表明, 通过对注塑模具流道系统的优化设计, 可限制体积和收缩率、熔接线等因素给汽车零件质量带来的影响。以塑代钢、以塑代木是当今世界发展趋势, 汽车塑料化是衡量汽车工业发展水平的重要标志, 未来, 我们应有针对性地对注塑模具设计进行改进和完善, 致力于提高汽车零件的制造水平和成型工艺水平, 这对汽车工业制造加工将具有重要现实意义。
参考文献
[1]郭英鹏.PPA+60%玻纤材料零件的注塑工艺及模具设计[D].山东大学, 2013.
[2]李仕成, 陈泽中, 汪薇, 赵俊华.汽车保险杠注塑模具热流道系统热平衡分析及设计[J].塑料工业, 2013.
[3]贺卉.汽车零件注塑模具流道系统设计及优化研究[J].中国外资, 2013.
[4]侯晓辉.汽车零件注塑模具的CAE分析与优化设计研究[D].郑州大学, 2012.
[5]王波, 李钢, 刘向东.基于遗传算法和AMI二次开发的注塑模具流道系统优化设计[J].机械制造与自动化, 2011.
注塑工艺参数优化 篇6
模具CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造中变得越来越重要, 在各种技术日益成熟的今天, 这种技术越来越显得重要。[1,2,3]而注射成型技术对模具有着很好的模拟作用, 它具有生产效率高, 加工适应性强, 在汽车等行业有广泛的利用。采用Moldflow软件对产品进行注塑模拟分析可以节省很多劳动强度, 提高工作效率, 在实际生产中起着重要作用, 它可以在试模之前在软件上进行模拟分析, 这样就避免了很多重复工作, 可以对浇注系统, 冷却系统, 注射时间, 注射压力, 保压时间等进行分析, 在软件上判断确定的设计是不是合理, 最终提高了生产效率。[4,5]正交试验设计是研究多因素多水平的又一种设计方法, 它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验, 这些有代表性的点具备了“均匀分散, 齐整可比”的特点, 正交试验设计是分式析因设计的主要方法, 是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。
1 注塑模拟参数优化设计
1.1 模型前处理
以汽轮机叶片为研究对象进行工艺参数优化, 塑件材料为PC+ABS, 外形尺寸为360mm*85mm*135mm, 将塑件通过PROE软件构建好模型后转化成STL格式文件, 之后导入到Moldflow中, 由于该叶片的外形是厚壁外壳, 因此采用3D网格模型进行自动划分。在进行3D网格划分之前首先进行双层面网格的整理, 然后转换到3D网格中, 对双层面的网格划分中, 其中的匹配率要求不高, 只需要对那些错误进行全部修复, 纵横比在一定范围之内即可, 划分好后的网格如图1所示, 冷却系统和浇注系统如图2所示。
1.2 正交试验
结合本次设计的内容, 选用6因素5水平共25组试验方案, 正交试验因素水平如表1所示。
正交试验的结果及极差分析如表2所示, 其中均值1为各因素的第一水平的5组模拟翘曲量结果的平均值, 相应的极差为5个均值中最大值与最小值的差值。其中的均值计算方式如下, 均值1的值是在注射时间为1s的时候, 试验1至5得到的翘曲量的均值= (1.371+1.451+1.510+1.583+1.624) /5=1.5078mm, 得到的均值就是均值1的值, 其它均值的计算方式和均值1的计算方式相同。
由正交试验结果得到的各因素对翘曲量影响趋势图3所示。
由图3可见, 工艺参数对塑件翘曲量的影响程度从大到小依次为:熔体温度, 保压压力, 保压时间, 冷却时间, 注射时间, 模具温度。其中熔体温度, 保压压力和保压时间对塑件的翘曲量的影响较大, 其中随着熔体温度, 保压压力和保压时间的增大, 翘曲量不断增大。
由正交试验结果可知, 熔体温度, 保压压力和保压时间是影响翘曲量的主要因素, 现采用单变量方法得出对塑件最大翘曲量的影响规律, 分别如图4-6所示。
由图4可知, 随着熔体温度的上升, 塑件最大翘曲量不断上升, 这是因为随着熔体温度的增加, 塑件所需的冷却时间不断变长, 从而会增加塑件的收缩机会。但是熔体温度过低时, 不利于保压曲线在型腔中传递而导致保压效果不佳, 使塑件出现收缩。
由图5, 可知随着保压压力的增大, 塑件的翘曲量越来越大, 这是因为保压压力太大, 则会产生过保压的情况, 使塑件脱模后的残余应力较大;当然, 保压压力不能太小, 压力太小会造成较大的短射和较大的收缩等问题。
由图6可知, 随着保压时间的增加, 塑件的翘曲量先变大后减小, 延长保压时间, 可以减少塑件的收缩, 保压时间的长短应以浇口凝固的时间为基准, 如果保压时间比浇口凝固的时间短, 则型腔内的熔体会向浇口回流, 因而出现保压不足使塑件出现较大的收缩。
本次设计进行正交试验的原因是优化各个因素水平, 得到最佳工艺参数组合, 使塑件翘曲量最小。通过进一步模拟验证, 获得最佳工艺参数组合为:熔体温度230℃, 保压压力20MPa, 保压时间10s, 冷却时间15s, 注射时间2s, 模具温度70℃。参数优化后的塑件翘曲量如图7所示, 由图可见, 塑件最大翘曲量是1.344mm。利用以上理论分析结果指导实际操作, 可最大限度地减少塑件翘曲变形, 使塑件外观质量和尺寸符合图纸要求。
2 结束语
以Moldflow为虚拟试验平台, 采用正交试验方案对汽轮机叶片注射成型工艺参数进行了优化设计, 主要结论如下:
(1) 工艺参数对塑件翘曲量影响程度从大到小依次为:熔体温度, 保压压力, 保压时间, 冷却时间, 注射时间, 模具温度。其中, 熔体温度, 保压压力和保压时间对翘曲量的影响较大。
(2) 最佳工艺参数组合为:熔体温度230℃, 保压压力20MPa, 保压时间10s, 冷却时间15s, 注射时间2s, 模具温度70℃。该工艺参数组合下塑件最大翘曲量为1.344mm, 符合翘曲量不大于1.5mm的要求。
摘要：利用Moldflow软件对汽轮机叶片进行工艺成型分析, 通过正交试验的办法来分析各工艺参数对翘曲变形的影响规律, 得到一组最佳工艺参数组合。
关键词：Moldflow,汽轮机叶片,正交试验,工艺参数,翘曲
参考文献
[1]李德群, 肖祥芷;模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J];模具工业;2005 (7) :9-12.
[2]苗君明, 刘铁;模具CAD/CAM/CAE的现状与发展趋势[J];电大理工;2007 (1) :19-20, 22.
[3]李德群;模具的CAD/CAE/CAM技术[J];电加工与模具;2006 (5) :7-11.
[4]王定标, 向飒, 郭茶秀;CAD/CAE/CAM技术的发展与展望[J];矿山机械;2006年05期.
注塑工艺参数优化 篇7
注塑工艺参数的正确制定是为了保证塑料熔体良好塑化, 并顺利地充模、冷却与定型, 以便生产出质量合乎要求的制品。在注射成型过程中, 保压阶段是一个非常重要的过程, 保压参数设置的合理性直接影响着注塑件的成型质量, 因此对其进行分析及优化是非常有意义的。因此, 薄壁注塑成型的定义应该是一个相对的概念, 随着工业技术的发展其定义也将发生变化。但是, 随着产品更新换代的速度加快, 产品的复杂性及精确性的要求越来越高, 因此, 很难在一次试模调机中得到一组合理的保压参数。通过反复试模调机进行参数调整, 不仅效率低而且成本高;CAE技术可以模拟注射成型过程并数字化地显示结果, 这样就可以根据CAE的模拟分析结果对保压阶段的重要参数进行调整而得到最优的参数组合。
薄壁注塑成型 (Thin-Wall Injection Molding) 技术也称为薄壁塑件注塑成型技术。目前关于薄壁注塑成型还没有统一的定义:Mahishi和Maloney[1]把其定义为流长厚度比L/T, 即从熔体进入模具到熔体必须充填的型腔最远点的流动长度L和相应平均壁厚T之比在100或者150以上的注塑为薄壁注塑;而Whetten和Fasset[1]定义为:所成型塑件的厚度小于1mm, 同时塑件的投影面积在50cm2以上的注塑成型;还有学者把所成型塑件的壁厚小于1mm[2], 或者是t/d (塑件厚度t, 塑件直径d, 针对圆盘型塑件) 在0.05[3]以下的注塑成型定义为薄壁注塑成型。随着技术的发展, 现在的薄壁概念已经超越了人们通常所认为的低于1mm的壁厚, 发展到了小于0.5mm甚至更薄的、不到0.3mm的壁厚。因此, 薄壁注塑成型的定义应该是一个相对的概念, 随着工业技术的发展其定义也将发生变化。
1 理论模型
注塑成型CAE是根据塑料加工流变学、数值计算方法、计算机科学和连续介质力学等基本理论来建立熔融塑料在模具型腔中流动、传热等数学模型。熔融胶体在模具型腔中的流动被视为广义Hele-Shaw流动, 其流动控制方程为[4]:
连续性方程:
运动方程:
能量方程:
型腔内保压过程的控制方程[2]:
质量守恒方程:
x方向上的动量方程:
y方向上的动量方程:
能量守恒方程:
式 (1) ~ (8) 中, x、y是平面坐标, z是厚度方向上的坐标;u、v、w分别是熔体在x、y、z方向上的流动速度;ρ、Cp、K、η、γ分别表示密度、比热容、热导率、粘度和剪切速率;t表示时间, P表示压力, T表示温度。
冷却过程的导热控制方程[2]:
式 (9) 中, kx、ky、kz分别为x、y和z方向的热导率;x、y、z为空间坐标;t为时间, T为温度, ρ为密度, CP为比热容。
翘曲变形的有限元计算方程[5]:
式 (10) 中, [K]e为由热弹性或粘弹性递推公式得到的单元刚度矩阵, RT为等效温度场载荷, R0为初始应力的等效载荷。
2 保压工艺分析
翘曲变形严重地影响着注塑件的外观与尺寸, 主要由制件的收缩不均所引起。影响制件的翘曲变形因素很多:产品结构、模具设计、塑料材料以及成型工艺等都对制件造成不同程度的翘曲变形。在注射成型过程, 通常制件的结构以及塑料材料都有设计与确定, 因此, 调整注射成型工艺参数成为减小制件翘曲变形的最常用方法, 而保压阶段的工艺参数直接影响到制件的收缩率大小, 其参数的设置合理与否对制件的成型质量尤其重要。
保压阶段的主要工艺参数是保压压力与保压时间。在高的保压压力下制品厚度变化更加均匀, 即制品的最厚处与最薄处的差值最小, 但过高的保压压力容易造成塑胶的残余剪切应力高及塑胶的压应力高, 容易造成制件翘曲变形和脱模困难;保压压力太低, 浇口附近容易发生熔体回流, 不仅容易产生残余剪切力, 而且由于保压压力过小, 填充进入模具型腔中的熔体没有被压实, 制件中心层的体积收缩率大于制件表面层的体积收缩率, 形成制件的收缩率存在差异, 容易产生翘曲。通常可以采用式 (11) 来计算制品允许的最大保压压力[6]:
此外, 保压时间太短, 螺杆松退时浇口附近因熔体没有冷凝而产生回流, 导致残余应力大而容易产生翘曲变形;保压时间过长不仅浪费能源, 而且直接延长了制件的生产周期, 降低生产效率。因此, 正确选择保压压力和保压时间成为保证制件质量的关键。此外, 模具压力的均匀性也是影响制件质量的一个重要因素。模腔压力分布不均匀将导致制件收缩的不均匀, 引起制件厚度的不均匀分布, 在不均匀性较大的情况下会引起制件的翘曲变形。通常保压时间可以由浇口的凝固时间来决定, 而模腔压力分布均匀性可用模腔各点压力曲线重合时间长短来表征, 重合时间越短, 模腔压力分布越均匀, 制品均匀性越好。
常见的保压方式有以下4种:恒压保压、阶梯降压保压、先恒压后线性递减保压以及线性递减保压。恒压保压方式虽然压力设定和控制比较简单, 但模腔中的压力沿着流动方向始终存在着较大的压力梯度, 模腔压力分布很不均匀, 而且恒压保压方式在保压结束后仍然有较大的模腔压力, 这会使塑件内部留有较大的残留应力, 造成塑件脱模后发生翘曲变形[7];阶梯降压保压方式的参数设定与控制也较为简单, 其模腔压力分布比恒压方式要均匀得多, 但是由于阶梯降压保压方式所设定的压力会突变、填充熔体的黏弹性特点以及注塑机的响应性能限制, 可能出现模腔压力高于保压压力而产生倒流, 引起制件的质量不稳定;先恒压后线性递减保压的模腔压力分布可以获得均匀的模腔压力分布, 而且模腔内的最大压力值也较高, 如图1所示;线性递减保压方式与先恒压后线性递减保压方式一样可以获得均匀的模腔压力分布, 但模腔内的最高压力为一个点, 加上填充熔体的黏弹性特性, 模腔内压力无法很快地响应保压压力的变化。线性递减过程中随保压压力的递减幅度增大, 塑件表面粗糙度值随之减小。但保压压力递减幅度不能过大, 否则会导致保压过程中出现模腔压力高于保压压力的情况, 这会造成熔体倒流, 影响塑件的表面质量和力学性能[8]。
本文以一薄壁导光板为例, 导光板尺寸为:44mm×30mm×0.4mm, 材料为PC 1225Y, 通过式 (11) 计算出最大保压压力为142MPa, 保压时间为10s, 确保制件完全凝固, 利用Moldflow有限元分析软件进行数值模拟。得到图3所示的模腔压力分布曲线和图4所示的制件体积收缩率, 模拟分析模型如图2所示, 模拟分析的成型工艺参数如表1所示。
3 保压工艺优化
从上述恒压保压的模拟结果可得知熔体填充末端冷却到不流动温度所需的时间和浇口部位的凝固所需时间, 采用先恒压后线性递减的保压方式重新进行数值模拟;保压曲线如图5所示。整个保压阶段分成两段:先是在填充结束后, 压力即刻增加到保压压力数值直到熔体填充末端冷却到不流动温度时, 然后保压压力开始线性递减直到塑件的浇口部位达到凝固, 此时保压压力降低为零。保压阶段结束后制件在无压力的状态下进行冷却。
对上述首次分析的结果进行查询, 得到制件浇口的凝固时间为1.9s, 熔体填充末端冷却到不流动温度所需时间为0.8s;因此, 恒定保压时间为:熔体填充末端冷却到不流动温度所需时间-填充时间=0.8s-0.2s=0.6s;线性递减保压时间为:制件浇口的凝固时间-熔体填充末端冷却到不流动温度所需时间=1.9s-0.8s=1.1s。由图4可见浇口附近区域出现过保压现象, 故对保压压力进行下调整, 每次下调最大保压压力的5%, 直到满意制件要求为止。
如果对结果不满意, 可再次调整保压参数后再进行模拟分析, 直到得到满意的结果为止。按照塑料熔体填充的顺序, 注塑件可分为末端、中间、浇口三个区域, 通过调整保压参数分别对这三个区域进行调整: (1) 缩短恒定压力的保压时间, 制件末端区域的体积收缩量增大, 相反地, 延长恒定压力的保压时间, 制件末端区域的体积收缩量减小, 如图6 (a) 所示; (2) 保压压力的线性递减速度变慢, 浇口附近区域的体积收缩量下降, 相反地, 保压压力的线性递减速度变快, 浇口附近区域的体积收缩量上升, 如图6 (b) 所示; (3) 藉由不同阶段的压力变化来校正中间区域的收缩量, 起初压力减小较快, 体积收缩增加, 相反地, 起初压力减少较慢, 体积收缩减小如图6 (c) 所示。一般应先调整塑件末端区域的收缩量, 如果有必要, 再调整浇口附近区域, 最后调整中间区域。
4 保压工艺优化验证
从图3与图7两模腔压力曲线分布图可看出, 首次分析的模腔压力存在着压力梯度差, 压力分布不均匀, 而优化后的模腔压力分布曲线的重合性较好, 模腔压力分布较为均匀。为了进一步验证上述的CAE分析结果, 本文采用上述所述制件进行实际注塑实验, 材料为PC 1225Y;注塑成型工艺参数如表1所示, 保压设置采用上述的恒压保压方式与先恒压后线性递减保压方式。实验结果如图8所示。实验结果表明, 恒压压力的模腔内压力分布不均匀, 制件收缩不均匀, 容易产生较大的残余应力, 导致制件翘曲变形, 如图8 (左) 所示;采用先恒压后线性递减保压方式可以获得较均匀的模腔压力分布, 制件的收缩较为均匀, 成型质量较好, 如图8 (右) 所示。
5 结论
保压阶段对注塑制件的成型质量至关重要, 本文分析了保压阶段的参数设置对制件成型质量的影响, 同时分析了常用的4种保压方式对制件成型的影响;利用Moldflow软件对制件的保压曲线进行模拟分析, 恒压保压方式的模腔压力分布不均, , 容易产生较大的残余应力, 甚至导致制件的翘曲变形;而先恒压后线性递减的保压方式的模腔压力较为平均, 制件成型质量较好, 最后通过一实例对保压曲线的优化前后进行实际生产注塑对比, 实验结果与分析相符合。
摘要：保压阶段是注塑成型工艺的重要环节, 保压工艺设置不恰当就会引起模腔中的压力分布不均匀, 引起制件的翘曲变形、尺寸精度下降等严重的质量问题。介绍了薄壁注塑成型的定义, 分析了保压工艺对薄壁制件成型的影响以及常见的保压方式对模腔压力分布的影响, 利用Moldflow软件进行数值模拟, 调整保压曲线, 均衡模腔中的压力分布, 并进行了注塑实验验证, 结果表明:保压工艺对注塑件的翘曲变形有着显著的影响, 与恒定保压相比, 先恒压后线性递减的保压方式可获得较均匀的模腔压力分布, 制件的体积收缩较均匀, 制件的成型质量较好。
关键词：薄壁注塑成型,保压工艺,CAE分析
参考文献
[1]Xu GJ.Study of Thin-Wall Injection Molding: (Doctor Dissertation) [M].Ohio:The Ohio State University, 2004.
[2]HuangMing-chih, Tai Ching-chih.The Effective Factors in the Warpage Problem of an Injection-Molded Part with a Thin Shell Feature[J].Materials Processing Tech nology, 2001, 110 (1) :1-9.
[3]黄虹.塑料成型加工与模具[M].北京:化学工业出版社, 2003.
[4]陈立亮.材料加工CAD/CAE/CAM技术基础[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[5]申长雨.塑料模具计算机辅助工程[M].郑州:河南科学技术出版社, 1998.
[6]宋光明, 张君, 董定福.基于CAE技术的注塑成型保压过程模拟分析[J].轻工机械, 2003 (3) :84-86.
[7]邱斌, 刘赣华, 李伟.注射成型中保压曲线对制品表面质量的影响[J].工程塑料应用, 2007, 35 (1) :37-39.
优化工艺参数提高熟料质量 篇8
我公司2500t/d新型干法水泥熟料生产线由南京水泥工业设计院设计,烧成系统采用ϕ4.0m×60m回转窑带五级旋风预热器高原型NDSP52分解炉,近年来经多次技术改造,己达到2600t/d熟料。此前熟料强度都比较稳定,但近期却出现熟料强度下降现象,经过一个多月的努力,对熟料配料方案进行了优化,在生产实践上取得了一定成效,熟料3d抗压强度达到30MPa左右,28d抗压强度达到60MPa以上。
2
窑系统主机设备(表)
3 原燃材料化学分析
原材料的化学成分见表2,煤的工业分析见表3。
4 近期熟料化学分析和抗压强度
从表4可看出,熟料28d强度低,只有54MPa,在某种程度上影响了水泥质量的稳定性。为稳定出厂水泥强度,只好提高出磨水泥比表面积,降低混合材掺加量,在一定程度上增加了生产成本。
5 采取的措施
5.1 优化熟料配料方案,调整熟料三率值
众所周知,熟料强度主要来源于硅酸盐矿物,而C3S的多少对熟料强度的高低取决定性的作用,据相关资料介绍,当硅酸盐矿物含量一定时,C3S含量占硅酸盐矿物总量≥70%时,熟料28d抗压强度可达到1年强度的80%,而当C2S占总量的70%时,熟料28d抗压强度只能达到1年强度的40%左右。故要提高熟料强度,就必须适当提高熟料KH值和SM值,以此来提高熟料中硅酸盐矿物总量及C3S的含量。
熟料中Al2O3和Fe2O3的主要作用是提供一定的液相量,有利于C3S的形成。而熟料AM值代表了熟料中Al2O3和Fe2O3的相对含量,AM值越高,熟料中的Al2O3含量越高,反之则Fe2O3的含量越高。Al2O3含量越高,熟料的液相量会相对提高,但液相粘度会大大提高;而Fe2O3的含量越高,则熟料的液相量会相对减少,但液相粘度会大大下降。因此,选择适当的AM值对熟料的煅烧是至关重要的,而煅烧质量的好坏又直接影响到熟料强度的高低。起初,我们并未重视对AM值的控制,但在生产实践中发现,总有那么一两天熟料强度会突然下降2~3MPa,而熟料KH值与SM值并无太大的变化。经仔细分析发现,这几天熟料Al2O3的含量全部低于4.7%,且熟料AM值较低。经查资料发现,熟料中Al2O3的含量在一定范围时,熟料强度会随Al2O3含量的提高而上升。
根据以上分析并结合公司当前实际,将熟料三率值由原来的KH=0.90±0.02,SM=2.30±0.1,AM=1.40±0.1调整为KH=0.910±0.02,SM=2.60±0.1,AM=1.60±0.1。
5.2 优化系统操作,确保风、煤、料、窑速的平衡
(1)熟料煅烧对熟料质量的影响举足轻重,熟料煅烧的重点在于窑系统操作参数的稳定,具体到操作就是预分解窑不仅存在总风量的调节问题,而且存在风的分配、窑内通风和三次风的匹配问题。三次风板的开度是比较重要的,当三次风门开度过小,会降低入窑生料分解率,增加窑的负荷,C5筒出口温度与分解炉出口温度可能出现倒挂,分解炉煤粉燃烧不完全,造成结皮堵塞现象;三次风门开度过大,易造成窑内供氧不足,煅烧气氛变差,窑内热力强度大幅下降,煤管黑火头虽然短,但窑电流偏低,仅300A左右(正常时420A左右),形成短焰急烧,烧成带长度和温度不够,稍有不慎就跑生料,fCaO偏高,同时由于窑内的还原气氛加剧,窑内28~30m、38~40m处长厚窑皮,甚至结后圈,产量下降,影响熟料烧成。根据实际情况,通过调节入分解炉三次风阀的开度来调节窑内和三次风量,找出三次风阀的合理开度,提高入窑生料的表观分解率,降低窑的负荷,提高窑系统的热利用率,优化热工制度,保证窑、三次风的平衡。
(2)实行“薄料快转”制度。回转窑的窑速随喂料量的增加而逐渐加快,在保证窑电流平稳的情况下,我公司窑速从3.4r/min提高到3.8r/min,实行“薄料快转”的操作制度,提高熟料质量。一是窑速快,窑内料层薄,窑内填充率降低,生料与热气体之间的热交换好,物料受热均匀,煤粉燃烧空间加大,进入烧成带的物料预烧好。如果遇到垮圈、掉窑皮或小股塌料,窑内热工制度稍有变化,增加一点喂煤量,系统很快就能恢复正常。二是窑速快,可加快CaO与C2S反应生成C3S的速度,保证发育良好的阿利特晶体,提高熟料强度。如窑速太慢,窑内物料层厚,物料与热气体热交换差,窑内还原气氛增加,容易出现短焰逼烧,产生黄心料,熟料fCaO也偏高。同时大量未燃尽的煤粉落入料层造成煤粉的不完全燃烧,为结蛋或结圈留下隐患。
(3)篦冷机采用厚料层操作。为提高篦冷机对熟料的冷却能力,我们采取厚料层操作。因为增加料层厚度,能使冷却风与熟料有充分的热交换条件,增加风料接触面积和延长接触时间,充分的热交换使热熟料得到有效的冷却,并使冷却熟料后的热风温度得到提高,有利于热回收,而且厚料层操作能显著提高单位篦床面积产量,为提高熟料质量创造有利条件。我公司一段篦床熟料厚度由原来的400mm左右提高到现在的600~800mm,一室篦下压力由原来的3200Pa提高到现在的4000~4500Pa,由于采用厚料层操作,提高了气体同熟料的热交换效率,使得二次风温由原来的980~1010℃提高到1050~1100℃,提高了煅烧温度,同时也提高了对KH、SM较高的物料的适应性,提高了硅酸盐矿物总含量。熟料烧成过程中主要发生如下反应:C2S+CaO→C3S,煅烧温度提高可促进上述反应的进行,减少f CaO,增加C3S。
(4)调节窑头和分解炉用煤比例。熟料煅烧系统,其总耗煤量一般取决于入预热器生料的化学成分和量。而预分解窑系统的窑、炉喂煤量的调节及比例分配也是非常关键的。通常分解炉的用煤量主要根据入窑生料分解率、分解炉出口温度、C1出口气体温度进行调节。如果风量分配合理,但入窑生料分解率低,C1出口气体温度低,说明分解炉用煤量过少;如果分解炉用煤量过多,则预分解系统温度偏高,热耗增加,甚至出现分解炉内煤粉燃尽率低,煤粉跑到C5内继续燃烧,致使预分解系统产生结皮或堵塞的现象。
(5)加强密封,提高热效率。加强对预热器系统各级外漏风的处理。回转窑漏风会增加系统废气量,减少合理条件下的有用烟气通过量;大量的漏风还会影响工艺操作的不稳定性,导致回转窑产质量下降;回转窑的漏风还会减少由篦冷机进入窑内的二次风量和回收入窑的总风量,对于三次风和分解炉系统,漏风则会减少进入炉内的三次风量和回收入分解炉的总风量;漏风量过大,会降低烧成系统的有效通风能力,导致系统操作的不稳定和有效通风能力的下降,降低熟料的产质量。
(6)稳定喂料量。喂料量的波动将导致窑系统参数和热工制度的不稳定,当喂料量波动频繁,窑尾提升机电流超过5~8A波动时,就会对窑系统产生难于用操作来弥补的影响,造成预热器系统压力及分解炉出口温度波动较大,预热器各处积料增加,窑内热工制度紊乱,使熟料强度降低,严重时会出现预热器塌料、堵塞等现象,必须稳定均化库下料量,为熟料煅烧打下良好的基础。
6 结语
通过一个多月的工艺系统优化,我公司的熟料28d强度得到了很大提高,矿物组成、熟料外观、物理性能都得到了相应改善。
(1)要提高熟料强度,必须在提高熟料中C3S含量的同时提高熟料中硅酸盐矿物的总量,即要坚持高KH、高SM配方思路。
(2)要控制熟料AM值,既不能过高影响熟料液相粘度,又不能过低而影响熟料强度,在实际生产的基础上同时关注铁铝含量的控制。
(3)采用此配料方案的前提是确保原燃料质量,特别是烟煤发热量要高,以保证窑内较强的热力强度,在煅烧上必须采用高温煅烧方式,只有这样才能获取较高的熟料强度。否则可能导致煅烧因难,熟料质量下降。
煤粉锅炉SCR工艺参数优化 篇9
随着我国经济的发展,环境恶化问题越来越受到人们的关注,而NOx是一种受到极大关注的污染物,因此降低NOx排放是现阶段重点研究的方向[1]。火力发电厂是主要的NOx排放源,烟气脱硝是我国环保政策的要求,也是火电机组NOx控制排放的必要选择。
烟气脱硝技术是在燃烧后对NOx加以处理,烟气脱硝在各燃煤电站运用的较为普及,已现实应用在电厂的烟气脱硝技术主要有SCR、SNCR及SCR/SNCR结合技术[2]。其中,SCR技术由于具有运行相对平稳、氨逃逸率较低、SCR技术脱硝效率可到达80%~90%等优点而得以推广应用,是全国最为成熟的一种烟气脱硝技术[3]。我国在建的燃煤电厂机组普遍配套建设有SCR脱硝系统或者在现场预留有SCR脱硝系统建设空地。
杨建国[4]等通过燃烧优化调整及SCR脱硝系统运行调整,简要分析了运行工艺参数对氨逃逸率的影响。高岩[5]等通过试验台测定了SCR催化剂活性,分析了空速、催化剂用量、温度、氨氮比、入口NOx浓度等因素对催化剂活性的影响。咸士龙[6,7,8]等对660MW煤粉锅炉脱硝工艺选择以及控制系统进行了相关分析和研究。但煤粉锅炉SCR系统运行影响脱硝效率的因素以及工艺参数优化方面的相关研究还较少。
以某电厂660MW燃煤电站脱硝系统为研究对象,分析影响其脱硝效率的主要因素,找到该SCR脱硝系统运行的最佳工况参数,为已运行电厂脱硝系统改造优化提供借鉴思路。
1 SCR脱硝工艺及影响因素
1.1 脱硝工艺
SCR脱硝装置一般在省煤器出口和空气预热器进口中间位置,还原反应温度合适,但是对催化剂的磨损和堵塞影响较严重[9]。此外,在副反应阶段生成的NH4HSO4与(NH4)2SO4,也会较大程度地腐蚀空气预热器。氨的逃逸率控制在3~5μL/L以下。燃煤电站SCR脱硝装置的工艺流程如图1所示。
1.2 影响因素
1)反应温度。
在一定的反应温度区域内,NOx催化还原反应顺畅。当温度比SCR装置所需反应温度小时,NOx反应速度变小,氨逃逸量变大;当温度比SCR装置所需反应温度大时,N2O产生量变大,以及会导致催化剂失活和烧结。烟气构成和催化剂化学成分决定了SCR装置的实际最佳操作温度。一般情况下使用的SCR催化剂的实际最佳操作温度为300~400℃。
2)空速。
反应物在反应装置中的停留时间长短通常用空速大小来反映[10]。当反应物在脱硝装置中空速越小时,停留时间也就越长,脱硝效率也就越高,反之亦然。此外,温度也在一定程度上影响着SCR所需停留时间,当操作温度与最佳温度相接近时,停留时间较短,空速变大。
3)氨氮比。
按照化学反应方程式,脱除1mol的NO同时耗掉1mol的NH3。当NH3/NO小于1时,NOx的脱除速率与NH3的浓度成正线性关系。相反,当NH3/NO大于或等于1时,NOx的脱除速度与NH3的浓度基本没有关系,当NH3/NO约为1时NOx脱除效率能到95%以上。
4)氧气含量。
当排放烟气的氧含量超过定值后,由尿素溶液喷进炉膛并热解而产生的NH3不但与NOx发生还原反应,还会被烟气中的O2氧化,致使热解产生的NH3被氧化以至于丧失继续脱硝的功能。这样,参与脱硝反应的NH3只是热解产生的一部分,在其他条件不变的情况下,参与脱硝反应的NH3的量就减少了,脱硝效率也就降低了。
5)催化剂。
催化剂是在SCR脱硝系统中,在一定温度条件下使得排放烟气中的NOx与还原剂发生还原反应的物质,选择一种合适良好的催化剂是SCR烟气脱硝技术的关键[11]。催化剂是SCR烟气脱硝装置的重要组成,是SCR烟气脱硝装置的脱硝效率和经济性的主要影响因素。
2 脱硝工艺参数优化
2.1 电厂简介
以某电厂660MW燃煤发电机组煤粉锅炉作为研究对象,锅炉是由上海锅炉厂生产的SG-2080/25.4MXXX型超临界参数变压运行直流锅炉,该锅炉的燃烧方式是从美国进口的低NOx切向燃烧技术,设计和校核煤种均为神华混合烟煤。降低挥发分氮转化成NOx是低NOx燃烧系统设计的主要目标,达到降低NOx排放浓度的目的。锅炉主要设计参数如表1、表2所示。
2.2 试验分析
试验以某电站煤粉锅炉为研究对象,锅炉采用低NOx燃烧技术与SCR烟气脱硝技术。整个试验首先采集该电厂脱硝系统的运行数据,然后对采集来的数据通过计算得出脱硝效率,最后分析数据绘制曲线图并得出结论。
脱硝效率η为:
式中:CNOXR—折算至标准状态、干基、6%的O2下的未喷氨时烟气中NOx浓度;CNOXC—折算至标准状态、干基、6%的O2下的喷氨时烟气中NOx浓度。
在试验过程中通过采集反应温度、空速(停留时间)、氧含量以及氨氮比等主要影响因素的相关数据,分析不同条件下,各因素对脱硝效率变化的影响。为取得单一影响因素的试验效果,各试验过程中选取相同工况,针对需要测试变量进行调整。SCR反应塔中烟气基本工况如表3所示。
2.3 结果分析
1)温度对脱硝效率的影响。
为了分析反应温度对脱硝效率的影响,试验全程使SCR脱硝装置反应温度在300~400℃变化,其他前提根据表3中基本工况为准,试验结果如图2所示。
由图2可以看出,温度对脱硝效率的影响较为明显,在测试的温度区间内,SCR脱硝效率跟随温度的增大,呈先增大后趋于平缓的趋向。当温度增加到280~310℃时,由于在此条件下,催化剂参与反应速度变快,脱硝效率也随即变大。当温度继续增长超过310℃时,催化剂参与反应速度变化不再明显,脱硝效率也不再提高。在温度处于310~350℃时脱硝效率实现最大值。所以,在SCR运行装置中最合理的温度应该在320℃上下。
2)空速对脱硝效率的影响。
脱硝过程是气体流经固体表面发生化学反应的过程,影响其反应水平的主要因素有烟气与催化剂的接触时长、脱硝反应是否完全进行。而烟气与SCR催化剂接触时长主要决定于空速以及催化剂体积。空速越大,烟气在催化剂内停留时间就越少,即反应作用时间越短,脱硝效率越低。在排放烟气流量一定的前提下,增大催化剂体积才能达到降低空速的目的,因此在选择合理空速时应该对脱硝效率和催化剂用量同时进行衡量。现有已运行或者在建的SCR脱硝系统中空速一般为4000h-1上下。
空速对脱硝效率的影响如图3所示。试验全程使空速在2000~10000h-1的区间内变化,其他前提根据表3中基本工况为准。
由图3可以看出,当空速变大即停留时间变小时,总体来看,脱硝效率呈现下降的趋势。虽然总体下降,但在一定空速变化区间内催化剂具备较高活性并且较为稳定。空速在2000~6000h-1时,脱硝效率均比80%高。此空速变化区间内,空速变大,脱硝效率几乎没有变化;空速继续增大超过6000h-1时,脱硝效率开始逐渐减小,之后空速增至8000h-1时,脱硝效率降至68%。由此能够获得空速的最佳值应该在2000~6000h-1变化区间内。
3)氨氮比对脱硝效率的影响。
氨氮比是NH3与NOx的摩尔比。在理想情况下氨氮比取1∶1,然而在实际的SCR装置运行过程中,随着机组运行情况的不同,氨气注入量需随时进行调节。若是氨氮比太小则会造成脱硝反应过程中还原剂供给不足,NOx脱除不完全;若是氨氮比过大则会造成氨逃逸量增长,逸出的NH3会与烟气中的SO2(SO3)、H2O反应形成NH4HSO3,会造成催化剂的微孔构造堵塞,减小反应过程中催化剂接触表面积,最后使得催化剂活性变低,而且所导致的失活也是不能逆转的。此过程中形成的化合物还会吸附烟气中的飞灰,导致空气预热器堵塞,并会腐蚀尾部烟道。
文中通过体积流量计对NH3的投入量进行控制,获得在不同氨氮比下的脱硝效率,进而确定最合理的氨氮比取值。试验过程中控制氨氮比在0.2~1.6的范围内变化,其他条件采用表3所示的基本工况。试验结果如图4所示。
从图4中能够看出,NH3注入量上升,脱硝效率呈先快速增长后基本不变的趋势。在脱硝装置中氨氮比小于1时,随着氨氮比的提升脱硝效率逐渐变大。氨氮比在1.2时,脱硝效率能够增长到81%,直到氨氮比超过1.2时,脱硝效率几乎不再变化。由于继续提高氨氮比会导致氨逸出量的变大,故继续提高氨氮比会提升运行成本。因此,最佳氨氮比是1.2。
4)氧气含量对脱硝效率的影响。
氧气含量对脱硝效率的关系曲线如图5所示。
由图5分析知道,一定条件内氧气含量对脱硝效率有较大作用。在5.5%~5.6%范围内,随着氧气含量的增加,脱硝效率逐渐变大,增大到5.61%时,效率提升到最佳值81.32%,随后脱硝效率随着氧气含量的继续增加而变小。所以,氧气含量最佳值为5.61%。
5)催化剂对脱硝效率的影响。
该电厂燃煤机组使用耐磨型陶瓷纤维板蜂窝式催化剂,其成分是Ti-V-W高温氧化钛基催化剂,它以活性Ti O2为载体,同时添加V2O5金属氧化物来增加其活性。催化剂中V2O5要适量,V2O5的浓度越大催化剂活性越高,但当V2O5的浓度上升超过2%后,SO2向SO3转化率变大,即硫化物含量增加。为了抑制SO2的转化率,需要添加一定量的WO3。V2O5浓度对其性能影响较大,V2O5浓度越高,脱除效率也越高,原因是当V2O5浓度在1.4%~4.5%时,V2O5可以呈等轴聚合的基本形式均匀分布在Ti O2载体上,催化剂活性较高;当V2O5浓度大于6.5%后,脱硝效率逐渐下降,原因是V2O5在Ti O2载体上形成V2O5结晶区,抑制了催化剂的活性。
3 结语
1)在使用SCR烟气脱硝的过程中,脱硝效率随温度增大呈先快速上升后趋于平缓;随空速增大呈先不变后下降;随氨氮比增大呈先快速增长后基本不变;随氧含量的增加呈先上升后下降的趋势。因此,特别要看重脱硝系统的运行温度、空速、氨氮比、氧气含量的合理选择,注重催化剂的选择及活性的变化,只有这样才会使脱硝装置经济有效的发挥其作用。
2)以某电厂660MW燃煤发电机组煤粉锅炉作为研究对象,通过对该电厂燃煤锅炉的SCR脱硝的运行数据进行分析,得到其烟气脱硝的最佳工况为:反应温度320℃左右,空速2000~6000h-1,氨氮比为1.2,氧含量为5.61%,此工况下,脱硝效率能够达到82%。可为燃煤发电厂的污染物净化系统提供一些参考性建议。
参考文献
[1]武宝会,崔利.火电厂SCR烟气脱硝控制方式及其优化[J].热力发电,2013,42(10):123-126,133.
[2]李明.锅炉脱硝系统改造分析[J].节能,2013,32(5)31-34.
[3]安晓玲.SCR法烟气脱硝技术的数值模拟[D].保定:华北电力大学,2009.
[4]杨建国,胡劲逸,赵虹,等.660MW超超临界机组运行方式对SCR系统氨逃逸率的影响[J].动力工程学报,2015,35(6):53-57.
[5]高岩,栾涛,程凯,等.选择性催化还原蜂窝状催化剂工业试验研究[J].中国电机工程学报,2011,31(35):21-28.
[6]咸士龙.660MW机组烟气脱硝控制系统分析及应用[D].北京:华北电力大学,2014.
[7]韩磊磊.沧东电厂四号机组脱硝工艺选择及运行分析[D].保定:华北电力大学,2013.
[8]王瑜.SCR法烟气脱硝系统在660MW火电机组中的应用[D].北京:华北电力大学,2013.
[9]刘景新,王明庭,崔健,等.唐山市发电锅炉脱硫脱硝现状及改进技术研究[J].节能,2016,(2):74-77.
[10]赵晓军,孙记.锦州热电SCR脱硝效率影响因素的试验研究[J].华北电力技术,2011,(6):18-21.