[摘 要： 本文對(duì)水下切粒機(jī)的模板進(jìn)行了深入的介紹和研究，利用先進(jìn)的模擬軟件對(duì)國(guó)產(chǎn)化的模板進(jìn)行模擬和校核，使國(guó)產(chǎn)化模板結(jié)構(gòu)機(jī)參數(shù)更加優(yōu)化，達(dá)到了良好的使用效果。
關(guān)鍵詞：水下切粒；模板；擠壓造粒機(jī)組；國(guó)產(chǎn)化
目前，大部分煤制烯烴項(xiàng)目的主要產(chǎn)品為聚乙烯和聚丙烯，聚烯烴造粒過(guò)程是煤制烯烴產(chǎn)品的最后一道重要工序，其運(yùn)行狀況直接影響到烯烴產(chǎn)品的優(yōu)劣與其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，我國(guó)擠壓造粒機(jī)組基本都是從德國(guó)WP公司、日本制鋼所(JSW)、日本神戶制鋼所(Kobe)和美國(guó)法雷爾(Farrel)等公司引進(jìn)，國(guó)內(nèi)大型擠壓造粒機(jī)組市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外廠商所壟斷。近年來(lái)，大連橡塑先后成功研制并交付使用了10萬(wàn)噸/年、15萬(wàn)噸/年、20萬(wàn)噸/年聚丙烯及25萬(wàn)噸/年聚乙烯等多種規(guī)格型號(hào)的大型擠壓造粒機(jī)組，打破了由國(guó)外企業(yè)壟斷國(guó)內(nèi)大型擠壓造粒機(jī)組的市場(chǎng)格局。
水下切粒單元作為擠壓造粒流程的重要環(huán)節(jié)，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)水下造粒單元的核心部件的研究具有實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)已有數(shù)家企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了模板及切刀的國(guó)產(chǎn)化，運(yùn)行中的性能及壽命已經(jīng)可以與進(jìn)口產(chǎn)品比肩。本文將對(duì)水下切粒機(jī)模板進(jìn)行介紹和研究,并對(duì)國(guó)產(chǎn)化的模板進(jìn)行一些介紹。
1、水下切粒機(jī)概述
傳統(tǒng)的廢塑料回收擠出造粒機(jī)的工作原理為通過(guò)單階式或雙階式擠出機(jī)，將塑料熔融過(guò)濾，擠出拉條，再經(jīng)冷卻固化后切粒。水下切粒機(jī)是在不用拉條或不能拉條的條件下，在熔體擠出模面的瞬間與冷卻水接觸并直接切粒的一種新型機(jī)械，熔體切粒相對(duì)固態(tài)切粒有明顯的優(yōu)勢(shì)。
1.1 水下切粒機(jī)的特點(diǎn)
由于塑料是在熔體狀態(tài)下被切刀切下，經(jīng)顆粒循環(huán)水冷卻后凝固的，不同黏度的高聚物均可采用這種切粒形式，熔體狀態(tài)下切粒不會(huì)形成任何粉塵，且切粒形狀規(guī)整，包裝、運(yùn)輸均比較方便；可根據(jù)擠出量自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)模頭的出料量和切粒速度改變切粒的大小，也可人工采用不同刀片數(shù)時(shí)的刀架來(lái)改變切粒大小和形狀；造粒工藝實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、操作方便、噪聲較低、顆粒質(zhì)量好，具有比傳統(tǒng)拉條切粒更大的產(chǎn)——更低的能耗。
1.2 水下切粒機(jī)的工作原理
熔融狀態(tài)的黏稠塑料流體在擠壓機(jī)螺桿或熔融泵的推動(dòng)下，進(jìn)入加熱到規(guī)定溫度的密閉模板料腔內(nèi)，通過(guò)縮徑的出料孔在造粒帶表面迅速被適當(dāng)溫度的顆粒冷卻水冷卻，熔融塑料膨脹表面瞬間固化。當(dāng)表面固化的塑料連續(xù)生成到規(guī)定長(zhǎng)度時(shí)，與模板造粒帶平行且保持很近距離的切粒刀在模板出料孔的配合下將塑料剪斷，生成規(guī)定范圍內(nèi)的顆粒。生成的顆粒隨著冷卻水被一起并輸送到下游設(shè)備，對(duì)顆粒進(jìn)行干燥和篩選，即完成了塑料生產(chǎn)的造粒過(guò)程。
1.3 水下切粒機(jī)主要設(shè)備組成
水下切粒單元的主要設(shè)備包括：模頭、水室和刀盤組件。模頭由模板和模板座組成。模板座通過(guò)一個(gè)帶法蘭的中間接筒連接到換網(wǎng)器的下游側(cè)，模板連接在模板座的另一端。模板座的中心部分帶有夾套，為圓錐形，它將使聚合物成管狀層流流動(dòng)。模板是一個(gè)有鉆孔的熱通道。模板上有多路加熱介質(zhì)的進(jìn)、出噴嘴。為了有效地加熱，供應(yīng)到模板的熱介質(zhì)被分配到模板的每個(gè)內(nèi)部熱通道。
造粒模板結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：不銹鋼本體合金層造粒帶，兩者之間采用真空釬焊進(jìn)行焊接。目前常用的造粒帶材料、制備工藝及優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1?
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表1
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常用造粒帶材料比較
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材料
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與本體連接工藝
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硬度HRC
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耐磨性
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耐蝕性
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導(dǎo)熱率
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焊接性能
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WC-Ni
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真空熔燒
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50-55
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較好
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較好
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較低
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較好
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WC-Co
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真空釬焊
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67-68
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很好
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差
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高
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差
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Ti-Fe
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真空釬焊
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61-63
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好
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較好
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高
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好
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TiC-NiCr
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真空釬焊
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61-63
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好
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很好
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低
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好
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目前，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家均采用WC-Co硬質(zhì)合金，日本則多采用TIC-Fe鋼結(jié)硬質(zhì)合金，WC-Ni因硬度低、耐磨性差已逐漸被放棄[1]。國(guó)內(nèi)已研制出以WC-Co為造粒帶的塑料造粒模板。
熱水室由一個(gè)快速夾緊裝置連接在模板上，切刀用螺栓固定在另一側(cè)。顆粒水的進(jìn)口、出口接頭分別位于機(jī)器垂直中心線的底部和頂部。
刀盤組件用螺栓安裝在切刀軸端。切刀刀片用螺栓固定在刀架上，在刀刃磨損超過(guò)2mm前，需更換切刀。為了獲得合適的刀刃與模板間隙，在往刀架上安裝刀片時(shí)，所有的刀刃需要預(yù)先調(diào)整，使高低偏差在0.03mm以內(nèi)。刀刃的材料是碳化鈦(復(fù)合型)，其他部分的材料是不銹鋼。
1.4 模板的加熱方式
目前造粒模板的加熱方式基本有以下三種:
(1)電加熱：一般適用于年產(chǎn)能力小于1萬(wàn)噸的 小型造粒設(shè)備上。(2)蒸汽加熱：一般適用于年產(chǎn)能力7萬(wàn)噸以下的造粒設(shè)備上。(3)油加熱：目前應(yīng)用在年產(chǎn)能力較大的造粒設(shè)備。
一般小型造粒模板通過(guò)外圓端面加熱孔安裝若干加熱棒對(duì)模板造粒區(qū)域進(jìn)行加熱。其特點(diǎn)是加熱迅速，溫度控制靈活穩(wěn)定。早期的蒸汽加熱造粒模板采用高壓蒸汽進(jìn)入到造粒帶外環(huán)和內(nèi)環(huán)，對(duì)造粒模板工作區(qū)域進(jìn)行加熱。缺點(diǎn)是造粒帶溫差較大，物料顆粒不均勻。造粒模板以蒸汽或?qū)嵊蜑榧訜峤橘|(zhì)，以某種進(jìn)出加熱通道為單元，在模板造粒帶下方沿著單排或雙排出料孔排布密集的導(dǎo)熱通道，造粒帶溫差較小，造粒質(zhì)量大幅度提高。隨著單機(jī)造粒機(jī)組生產(chǎn)能力的不斷提高，目前國(guó)際上逐漸采用便于控溫的導(dǎo)熱油加熱方式。
1.5 影響水下切粒機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的因素
(1) 切刀與模板匹配的對(duì)中度。造粒過(guò)程中，切刀緊密地貼合在模板表面上進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)切粒。這就要求模板切刀匹配對(duì)中度要達(dá)到技術(shù)要求，否則會(huì)引起墊刀、顆粒碎片多的問(wèn)題，并造成切刀磨損嚴(yán)重。
(2) 切刀與模板之間的間隙。顆粒的長(zhǎng)短、彎曲程度以及切刀的使用壽命受進(jìn)刀壓力和切刀轉(zhuǎn)速匹配度的影響。進(jìn)刀壓力過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重磨損切刀和模板；進(jìn)刀壓力過(guò)小，易發(fā)生墊刀和纏刀事故，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
(3) 切刀刀刃的硬度。切刀必須要有和模板相匹配的硬度，切刀材料過(guò)硬會(huì)使模板和切刀磨損嚴(yán)重，縮短使用壽命。切刀材料硬度過(guò)低，會(huì)造成切刀過(guò)度磨損，從而造成產(chǎn)品不合格。
(4) 切刀的鋒利程度。切刀的鋒利程度對(duì)產(chǎn)品外觀影響較大，切刀越鋒利，顆粒的斷面越平滑，反之會(huì)發(fā)生拖尾甚至粘連等現(xiàn)象。
(5) ?？椎耐〞碃顟B(tài)和模板加熱均勻性。熔融物料能否順利均勻地通過(guò)模板的成型通道受模板加熱均勻性的影響。只有每個(gè)?？壮隽纤俣纫恢聲r(shí)，才能切出大小均勻的顆粒。如果溫度控制不均勻，?？孜锪系牧魉倬蜁?huì)不均勻，會(huì)使顆粒出現(xiàn)長(zhǎng)短不一。
(6)模板的表面粗糙度。模板切粒帶的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到要求，否則會(huì)引起墊刀、顆粒碎屑多，影響模板和切刀的最佳匹配。
(7)切粒水對(duì)造粒的影響。切粒水循環(huán)量、壓力和溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量都有很大影響。循環(huán)量過(guò)小，容易發(fā)生串粒等故障。水溫過(guò)高，會(huì)發(fā)生串粒、纏刀和灌腸等事故。水溫過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致模板溫度過(guò)低，容易凍堵?？?，同時(shí)樹脂變得很脆，切粒時(shí)碎屑增多。
2 造粒模板國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2.1 造粒模板國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)
塑料造粒模板附加值很高，屬于高科技產(chǎn)品。世界掌握造粒模板設(shè)計(jì)、開發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)的只有美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)等少數(shù)國(guó)家，核心技術(shù)一直掌握在美、日、德等國(guó)制造商手中，形成了技術(shù)和價(jià)格壟斷。近五年來(lái)造粒模板的價(jià)格上漲了一倍，一臺(tái)30萬(wàn)噸級(jí)擠壓造粒機(jī)的價(jià)格，已從2002年的五六百萬(wàn)美元，上漲到了近千萬(wàn)美元，而交貨期時(shí)間卻從10~12個(gè)月延至18~24個(gè)月，嚴(yán)重影響我國(guó)煤化工和石化工程項(xiàng)目的建設(shè)，制約了我國(guó)煤化工和石化工業(yè)的快速發(fā)展。
2.2 造粒模板國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)
長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)大型乙烯的生產(chǎn)裝備全部依靠進(jìn)口，雖然國(guó)家從“七五”開始就對(duì)此進(jìn)行立項(xiàng)研發(fā)，但一直沒有重大突破。我國(guó)大型石化企業(yè)目前使用的模板絕大部分由日本制鋼所、日本神戶制鋼所以及德國(guó)WP公司提供。我國(guó)從20世紀(jì) 80年代末期開始進(jìn)行塑料造粒模板的國(guó)產(chǎn)化工作并取得了一些可喜進(jìn)展。但由于多方面的原因，目前造粒模板國(guó)產(chǎn)化工作進(jìn)展仍不十分理想，許多企業(yè)仍舊依賴進(jìn)口模板維持生產(chǎn)。進(jìn)口模板的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)。許多企業(yè)為不影響生產(chǎn)，儲(chǔ)備了一些庫(kù)存，積壓了大量資金。2010年，國(guó)內(nèi)企業(yè)每年要花費(fèi)數(shù)億元人民幣購(gòu)買造粒模板。
3、模板的研究
3.1 模板的工作條件
聚合物擠出壓力：約7.0~8.0MPa；工作溫度：230℃；切粒室水溫：50~70℃。
模板是水下切粒系統(tǒng)的重要組成部分，具備成型、加熱、切割等三項(xiàng)功能。模板上有許多成型孔和特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴。它具備將熔融狀態(tài)的樹脂成型并最大限度地減少壓力損失的功能。在模板中設(shè)計(jì)了各種形式的加熱孔或通道。這些加熱孔或通道內(nèi)通入加熱介質(zhì)，對(duì)樹脂進(jìn)行加熱，以防止樹脂在型腔內(nèi)凝固。本次國(guó)產(chǎn)化的模板加熱方式采用蒸汽直接加熱。
3.2 模板生產(chǎn)能力計(jì)算
模板生產(chǎn)能力是由工藝要求確定的，其計(jì)算公式2。
式中：R-聚合物的生產(chǎn)量，t/h；H-模板孔數(shù)；K-切粒刀把數(shù)；N-切粒刀轉(zhuǎn)速，rpm；P-每克切粒數(shù)重量，粒數(shù)/g。
式中，每克重的切粒數(shù)是根據(jù)塑料產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定的顆粒產(chǎn)品的形狀、幾何尺寸，計(jì)算出每克產(chǎn)品有多少粒。而模板出料孔徑的尺寸也依照產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的要求確定。
4、國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用
4.1 造粒模板三維實(shí)體建模
首先對(duì)造粒模板的壓機(jī)接口形式、接口尺寸和進(jìn)口造粒模板進(jìn)行測(cè)繪，在測(cè)繪的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的三維軟件Solidworks在計(jì)算機(jī)上完成造粒模板的三維實(shí)體建模，為后續(xù)在造粒模板的應(yīng)力、應(yīng)變分析基礎(chǔ)上的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)以及對(duì)模板的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析為基礎(chǔ)的流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
4.2 造粒模板的熔體流道的流場(chǎng)分析
應(yīng)用SolidWorks軟件建立熔體流道的3D實(shí)體模型，利用ANSYS軟件CFD計(jì)算模塊進(jìn)行流場(chǎng)分析。
流場(chǎng)分析過(guò)程如下：(1)導(dǎo)入由SolidWorks軟件建立的流道的三維實(shí)體模型；(2)在ANSYS軟件中定義材料屬性及參數(shù)，劃分若干網(wǎng)格，建立有限元模型；(3)在ANSYS軟件CFD環(huán)境中施加載荷和邊界條件，主要確定入口、出口參數(shù)，設(shè)置壁面類型以及物料初始溫度、初始?jí)毫Φ龋?4)在ANSYS軟件CFD環(huán)境中指定求解器進(jìn)行有限元求解獲得CFD解；(5)求解之后，利用CFD環(huán)境中的后處理模塊獲得流場(chǎng)的速度分布、壓力分布等結(jié)果云圖和矢量圖；(6)對(duì)數(shù)值分析的結(jié)果云圖或矢量圖進(jìn)行分析，選取最優(yōu)的熔體流道設(shè)計(jì)方案。
圖2 熔體流道三維實(shí)體模型
4.3 造粒模板的加熱流道的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析
加熱介質(zhì)的循環(huán)方式是由模板中加熱介質(zhì)進(jìn)出接口的數(shù)量決定的，熱介質(zhì)進(jìn)出接口的數(shù)量又是根據(jù)聚合物的熔點(diǎn)確定的。對(duì)熔點(diǎn)較高的聚丙烯，造粒模板一般采用較多的熱介質(zhì)進(jìn)出接口。模板的熱介質(zhì)進(jìn)出接口多，熱介質(zhì)在模板停留的時(shí)間短，熱損失少，加熱更加充分和均勻。模板熱介質(zhì)進(jìn)出接口可以分為：一進(jìn)一出、二進(jìn)一出、二進(jìn)二出、三進(jìn)一出、三進(jìn)三出、六進(jìn)六出和八進(jìn)四出等多種形式。根據(jù)隔斷方式設(shè)置的不同，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多個(gè)方案的三維實(shí)體模型。然后利用ANSYS軟件中的CFD分析模塊對(duì)流道的流場(chǎng)進(jìn)行分析，選擇最優(yōu)流場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案，以最終保證模板的造粒質(zhì)量。
圖
3 加熱通道初始實(shí)體模型
圖4 加熱通道的流場(chǎng)分布云圖
4.4 造粒模板的強(qiáng)度與剛度分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化
粒機(jī)模板剛度和強(qiáng)度直接關(guān)系到模板的使用壽命，是控制造粒機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。造粒模板的計(jì)算機(jī)三維建模，是基于遼陽(yáng)斯佳機(jī)械配件有限公司目前擁有的造粒模板制造技術(shù)和專利，依靠對(duì)模板的接口形式。接口尺寸和進(jìn)口造粒模板的測(cè)繪圖紙的基礎(chǔ)，利用三維軟件Solidworks在計(jì)算機(jī)上完成了造粒模板的三維實(shí)體建模，并在此三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究?？紤]到實(shí)體模型過(guò)大會(huì)導(dǎo)致劃分的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)內(nèi)存溢出。經(jīng)試驗(yàn)，對(duì)模板整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分后進(jìn)行有限元分析會(huì)造成內(nèi)存溢出,因此分析時(shí)采用1/2實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
對(duì)造粒模板進(jìn)行網(wǎng)格劃分形成有限元模型后，對(duì)模型施加邊界條件和載荷。模板所受的力包括：螺栓緊固力、擠出機(jī)頭筒體操作壓力。加熱蒸汽或?qū)嵊凸ぷ鲏毫Φ?，與擠出頭接觸面施加固定約束和對(duì)稱面施加約束。
圖5 剖切后的造粒模板溫度分布云圖
圖
6 造粒模板應(yīng)力分布云圖
圖7 總變形云圖
4.5 造粒模板的制造
造粒模板主要由不銹鋼的模板本體和硬質(zhì)合金層兩部分組成，造粒模板制造的關(guān)鍵技術(shù)是不銹鋼的模板基體與硬質(zhì)合金層的復(fù)合。復(fù)合后模板的技術(shù)要求：在工作溫度和工作壓力下，切粒刀與模板復(fù)合層的當(dāng)量切割次數(shù)大于4.8×109次時(shí)，復(fù)合層不允許有脫塊。點(diǎn)蝕等現(xiàn)象。模板的本體材料為不銹鋼1Cr13，其主要加工表面包括：外圓、內(nèi)孔、溝槽等表面，可采取車削。鉆削、銑削、磨削等冷加工的機(jī)械加工方法以及電火花和線切割等特種加工方法完成加工。為保證零件的加工質(zhì)量。材料機(jī)械性能和優(yōu)質(zhì)的使用性能，還需合理地采用熱加工工藝，如熱處理工藝和氫弧弧焊接方法。模板本體與硬質(zhì)合金層的復(fù)合采用真空釬焊方法，表面強(qiáng)化處理技術(shù)主要采用物理氣相沉積(PVD)的方法進(jìn)行表面噴涂工藝。
5、結(jié)論與展望
通過(guò)對(duì)進(jìn)口擠壓造粒機(jī)組造粒模板進(jìn)行解剖，對(duì)模板的模體。熔體流道、加熱通道和造粒帶等進(jìn)行深入研究，通過(guò)對(duì)進(jìn)口模板進(jìn)行測(cè)繪，從各部件的選材、結(jié)構(gòu)、加熱及熔體流道的流場(chǎng)?模體的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，最終完成優(yōu)于進(jìn)口造粒模板使用效果和壽命周期的國(guó)產(chǎn)造粒模板的制造，將為相關(guān)裝備的國(guó)產(chǎn)化提供有效的幫助和技術(shù)支撐，縮短與國(guó)外先進(jìn)模板的距離。將分析結(jié)果應(yīng)用于指導(dǎo)新的造粒模板的設(shè)計(jì)和制造，實(shí)現(xiàn)真正的設(shè)計(jì)和制造一體化，必將大大提高造粒模板的使用性能。這樣不但可以節(jié)約大量外匯，還為企業(yè)降低生產(chǎn)成本做出了貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相當(dāng)可觀。
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