劉元順 (固恩治(青島)工程橡膠有限公司,山東 青島266042) 編譯
用最佳拉伸嚙合型密煉機(jī)改善混煉
劉元順 (固恩治(青島)工程橡膠有限公司,山東 青島266042) 編譯
從雙輥開煉機(jī)到目前的全自動(dòng)密煉機(jī),間歇式混煉已經(jīng)歷了很長時(shí)間。如今有三種基本的密煉機(jī)正在使用。第一種是1916年由F.H.Banbury提出的可變轉(zhuǎn)子長徑比(1.40~2.00)、膠料在密煉室內(nèi)局部單循環(huán)的剪切型密煉機(jī)。第二種是1934年由R.T.Cooke提出的可變轉(zhuǎn)子長徑比(1.26~1.40)、膠料在密煉室內(nèi)單循環(huán)的嚙合型密煉機(jī)。第三種是由 N.O.Nortey提出的固定長徑比(大約1.50)、膠料在密煉室內(nèi)雙循環(huán)的嚙合型密煉機(jī)。固定長徑比嚙合型密煉機(jī)被稱作最佳的拉伸嚙合型密煉機(jī)。
文中詳細(xì)討論了目前用在最佳拉伸嚙合型密煉機(jī)中的3-凸棱過冷轉(zhuǎn)子的鍛造和制造工藝的改進(jìn)技術(shù),揭示了過冷轉(zhuǎn)子的機(jī)械內(nèi)部通道,能提供最好的對膠料溫度的控制。三種混煉技術(shù)在混煉質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗的改進(jìn)方面列表進(jìn)行了對比。
密煉機(jī);拉伸;嚙合型;混煉
文中回顧了密煉機(jī)的改進(jìn)歷程,以向用戶提供有關(guān)密煉機(jī)的更多信息。另外,還表明了改造密煉機(jī)能得到更多的收益。密煉機(jī)有一個(gè)由左右密煉室、上頂栓、卸料門、前后轉(zhuǎn)子端面組成的呈8字型的密閉區(qū)。混煉膠料從左密煉室到右密煉室按順時(shí)針或逆時(shí)針方向循環(huán),也有可能按順時(shí)針和逆時(shí)針方向循環(huán)。
近幾年來,用在輪胎、橡膠和塑料制品中的白炭黑和熱敏性材料的混煉對生產(chǎn)設(shè)備提出了更高的要求,即改進(jìn)密煉機(jī)以提供更好的混煉質(zhì)量,更高的生產(chǎn)效率和更低的能耗。1998年N.O.Nortey研發(fā)了適用于所有規(guī)格密煉機(jī)的具有固定長徑比的最佳拉伸嚙合型密煉機(jī)。最佳拉伸嚙合型密煉機(jī)配備了3凸棱轉(zhuǎn)子,該轉(zhuǎn)子能推動(dòng)膠料按順時(shí)針和逆時(shí)針方向循環(huán)移動(dòng)。拉伸嚙合型密煉機(jī)的3凸棱轉(zhuǎn)子能配之于相切型密煉機(jī),也能安裝在現(xiàn)有的非拉伸嚙合型密煉機(jī)。1934年R.T.Cooke也曾推出了裝有3凸棱轉(zhuǎn)子的嚙合型密煉機(jī),該轉(zhuǎn)子能推動(dòng)膠料按順時(shí)針或者逆時(shí)針方向循環(huán)移動(dòng)。這種排列相對于相切型密煉機(jī)來說,能幫助客戶得到更好的混煉質(zhì)量和更低的能耗。其凸棱轉(zhuǎn)子長徑比范圍在1.26~1.40。針對非拉伸嚙合型密煉機(jī)的提高生產(chǎn)效率和改善熱傳遞方面的研究已經(jīng)開始。生產(chǎn)現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明,配有3凸棱轉(zhuǎn)子的最佳拉伸嚙合型密煉機(jī)相對于其他相切型密煉機(jī)能夠提供較好的混煉質(zhì)量,較高的生產(chǎn)效率和較低的能耗。
密煉機(jī)的類型由所安裝的轉(zhuǎn)子的類型和轉(zhuǎn)子左、右凸棱在密煉機(jī)中心部位的相互作用來區(qū)分。轉(zhuǎn)子是密煉機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分,它有如圖1所示的大直徑和小直徑。圖2列示了轉(zhuǎn)子的類型。對嚙合型密煉機(jī)來說,轉(zhuǎn)子的凸棱象齒輪一樣可以進(jìn)行嚙合。在中心部位的混煉除了發(fā)生在大直徑與小直徑之間,也發(fā)生在轉(zhuǎn)子的引導(dǎo)面和拖曳面之間。相切型密煉機(jī)其轉(zhuǎn)子的凸棱不嚙合?;鞜捯膊辉诿軣挋C(jī)的中心部位進(jìn)行。圖3列示了嚙合型密煉機(jī)和相切型密煉機(jī)的區(qū)別。
圖1 嚙合型凸棱轉(zhuǎn)子和相切型棱轉(zhuǎn)子側(cè)面圖
圖2 轉(zhuǎn)子類型
圖3 嚙合型凸棱轉(zhuǎn)子和相切型雙棱轉(zhuǎn)子密煉機(jī)
轉(zhuǎn)子是密煉機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。轉(zhuǎn)子的凸棱通過與密煉室壁形成的間隙對生膠和其他配合劑進(jìn)行剪切,實(shí)施混煉。對嚙合型密煉機(jī)來說,剪切發(fā)生在兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間。凸棱將膠料從一個(gè)密煉室傳遞到另外一個(gè)密煉室。
最新的混煉設(shè)備是1998年由N.O.Nortey提出的膠料在密煉室內(nèi)進(jìn)行雙循環(huán)的拉伸嚙合型密煉機(jī)。在該混煉機(jī)中,膠料在左右兩個(gè)混煉室內(nèi)被強(qiáng)制地沿兩個(gè)方向(順時(shí)針和逆時(shí)針)循環(huán)移動(dòng)。圖4列示了三種基本混煉方法強(qiáng)制膠料循環(huán)移動(dòng)和密煉機(jī)長徑比示意圖。
圖4 間歇式密煉機(jī)基本混煉技術(shù)
轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同其制造技術(shù)也不同。如圖5所示,影響混煉作業(yè)的有關(guān)參數(shù)可用來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子。大量轉(zhuǎn)子用砂模澆注成型制造。這種方法在整個(gè)澆注成型過程中因偏芯、冷珠、表面雜質(zhì)等因素而影響轉(zhuǎn)子質(zhì)量和強(qiáng)度。NXN(3凸棱過冷嚙合)轉(zhuǎn)子和凸棱系采用專用材料制造。轉(zhuǎn)子外部輪廓是機(jī)制的。轉(zhuǎn)子的內(nèi)部有一條機(jī)制的軸向通道穿過其頂部。有六條配置的強(qiáng)制膠料流動(dòng)的內(nèi)部通道。三條通道延伸到凸棱頂部,而另外三條則延伸到轉(zhuǎn)子小直徑部位。轉(zhuǎn)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致膠料批次溫度能有效地加以控制。NXN轉(zhuǎn)子的三個(gè)凸棱分別是長凸棱、中間凸棱和短凸棱。這三個(gè)凸棱安置在轉(zhuǎn)子的小直徑部位上,以在兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間獲得更大的空間來提高膠料,使之進(jìn)入密煉機(jī)。在每一個(gè)密煉室內(nèi),由轉(zhuǎn)子的長凸棱和中間凸棱形成的強(qiáng)制循環(huán)推動(dòng)膠料來回移動(dòng),形成N型。X用來代表交叉的意思。NXN意味著每個(gè)轉(zhuǎn)子在每個(gè)密煉室內(nèi)推動(dòng)膠料來回移動(dòng)。每個(gè)轉(zhuǎn)子末端的凸棱能夠減少膠料在密封裝置中軸向流動(dòng)的。NX意味著兩個(gè)轉(zhuǎn)子能夠在兩個(gè)密煉室內(nèi)推動(dòng)膠料來回移動(dòng)。圖6列示的是3凸棱嚙合型NXN、NX-1、NX-2轉(zhuǎn)子的不同的設(shè)計(jì)概念示意圖。
圖5 3凸棱嚙合型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)概念
1998年推出了具有最佳恒定大長徑比的拉伸嚙合型密煉機(jī)。在這個(gè)混煉機(jī)中,轉(zhuǎn)子長徑比(大約1.50)是通過剪切型4棱轉(zhuǎn)子密煉機(jī)的混煉質(zhì)量、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和電機(jī)峰值功率確定的。使用拉伸嚙合型密煉機(jī)所改進(jìn)的混煉質(zhì)量和電機(jī)峰值功率是通過不同的實(shí)驗(yàn)室用密煉機(jī)進(jìn)行技術(shù)分析和檢驗(yàn)后確認(rèn)的。轉(zhuǎn)子強(qiáng)度乃通過三維有限元分析予以確定。密煉機(jī)輕而易舉地完成了混煉放大應(yīng)歸于所有尺寸的密煉機(jī)相同的大轉(zhuǎn)子長徑比。使用NXN轉(zhuǎn)子的拉伸嚙合型密煉機(jī)能夠比任何相切型密煉機(jī)提供更好的混煉質(zhì)量、更高的生產(chǎn)效率和更低的能耗。再者,將NXN轉(zhuǎn)子安裝到現(xiàn)有的嚙合型密煉機(jī)上,也能夠提供更高的生產(chǎn)效率和更好的溫度控制。圖7列示了三種密煉機(jī)轉(zhuǎn)子長徑比與轉(zhuǎn)子中心(如轉(zhuǎn)子之間的距離),圖8列示了這些混煉工藝的優(yōu)勢。
圖6 間歇式混煉機(jī)的轉(zhuǎn)子長徑比與轉(zhuǎn)子中心
表1 臨界轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)和影響
在實(shí)際生產(chǎn)中,為了節(jié)省時(shí)間和資金,往往使用小型密煉機(jī)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行混煉放大。為了減少混煉放大的困難,小型密煉機(jī)與生產(chǎn)用大型密煉機(jī)的下列參數(shù)應(yīng)該相同:
*轉(zhuǎn)子長徑比;
*密煉機(jī)的內(nèi)部設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子的外部設(shè)計(jì);
*密煉機(jī)和轉(zhuǎn)子的熱傳遞容量有可比性。
直徑是指轉(zhuǎn)子的大直徑或者頂部直徑。使用這種方法進(jìn)行混煉放大的研究已獲成功。研究結(jié)果說明,小型密煉機(jī)的尺寸是臨界尺寸。當(dāng)臨界混煉參數(shù)在混煉過程中仍然有效時(shí),應(yīng)該選擇適合該規(guī)格的混煉量。
表2 間歇式密煉機(jī)基本技術(shù)參數(shù)
間歇式混煉發(fā)生在轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子與靜止的密煉機(jī)的密煉室壁、卸料門、上頂栓、轉(zhuǎn)子側(cè)面和密封裝置之間。
依據(jù)溫度確認(rèn)的混煉參數(shù)可由下列公式表示:
式中:
η=膠料粘度(lb/s·in2);
A=膠料活化能常數(shù);
B=與剪切速率和剪切應(yīng)力有關(guān)的常數(shù);
T=溫度/℉;
y=剪切速率(1/s);
s=轉(zhuǎn)子速度(r/min);
d=轉(zhuǎn)子頂端和密煉室壁的平均直徑(inch);
φ=轉(zhuǎn)子頂端和密煉室壁的間隙(inch);
□=協(xié)同螺旋角(轉(zhuǎn)子凸棱的螺旋角的補(bǔ)充角度);
τ=剪切應(yīng)力(psi);
n=冪律指數(shù)(聚合物的n=0.2到0.3)。
在密煉機(jī)中,溫度控制對填充劑(特別是白炭黑)的補(bǔ)強(qiáng)作用和硫化劑的交聯(lián)效果是至關(guān)重要的。理想的密煉機(jī)應(yīng)該能夠快速地冷卻或加熱所加工的膠料,同時(shí)能夠保持穩(wěn)定的溫度。對密煉機(jī)來說,要維持穩(wěn)定的溫度則有賴于減少密煉機(jī)的輸入和輸出溫度的變化。理想的混煉工藝是,當(dāng)加工的膠料粘附到靜止的密煉室壁表面上時(shí),轉(zhuǎn)子凸棱能夠?qū)δz料施加剪切力。大部分膠料會粘附于暖金屬表面而不是冷金屬表面。考慮到這一點(diǎn),優(yōu)化混煉工藝就是要使轉(zhuǎn)子溫度低于接觸膠料的靜止的密煉室壁表面的溫度,允許膠料以最小的滑動(dòng)量粘附到靜止的密煉室壁表面。這種工藝可使轉(zhuǎn)子更有效地剪切加工膠料。轉(zhuǎn)子和靜止表面溫度的選擇并非易事。它依賴于膠料的種類和密煉機(jī)的結(jié)構(gòu)。拉伸嚙合型NXN-凸棱轉(zhuǎn)子密煉機(jī)與膠料接觸的表面被設(shè)計(jì)成帶有強(qiáng)制流動(dòng)性的熱傳遞通道,以便在混煉時(shí)能夠提供更牢靠的溫度控制。密封裝置既可以潤滑也可以不潤滑。
間歇式密煉機(jī)適用于多種混煉工藝,但是文中只討論兩種主要類型。標(biāo)準(zhǔn)混煉工藝是先加入聚合物,再加入填充劑。這種混煉工藝可延長密煉機(jī)和轉(zhuǎn)子的使用壽命。逆煉法是先加入填充劑,而后再加入聚合物。這種混煉工藝對密煉機(jī)來說非常困難的,它會縮短轉(zhuǎn)子和密煉機(jī)的使用壽命。這兩種混煉工藝都可以采用如圖9所示的那種多段或一段混煉。在密煉機(jī)的混煉過程中,上頂栓對提高混煉性能起著非常重要的作用。適宜的混煉參數(shù)之一上頂栓的壓力可以優(yōu)化混煉工藝。見圖10所示,在整個(gè)混煉周期中有許多混煉步驟和上頂栓不同的用途。溫度、能量(kwh)和時(shí)間是三個(gè)排料參數(shù)。由于膠料在一個(gè)混煉周期中滑動(dòng),按照溫度排料能夠保證批次之間膠料物理性能的一致性。如果使用兩個(gè)排料參數(shù)來控制混煉,溫度是必需的,以保證膠料不會焦燒或降解。
在某些場合下,配備等速轉(zhuǎn)子并直線排列的相切型密煉機(jī)在開始混煉時(shí),膠料的溫度會比設(shè)定的排料溫度高。這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于膠料在卸料門的熱電偶上快速移動(dòng)。這個(gè)高溫不是真正的膠料溫度。在混煉工藝中,可以通過延遲時(shí)間及能耗來解決這個(gè)問題。如果有變速電機(jī),那么,可用低轉(zhuǎn)速解決這個(gè)問題,然后再把轉(zhuǎn)速提高到合理的水平。
凡是先進(jìn)的混煉工藝,下列二個(gè)參數(shù)在整個(gè)混煉周期中是可變的,這樣,可以提高密煉機(jī)的性能和對批次間混煉溫度的控制。
*轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;
*上頂栓壓力。
在混煉開始時(shí),采用中等轉(zhuǎn)速和高上頂栓壓力以強(qiáng)化混煉。加入操作油后,提高轉(zhuǎn)速可以減少膠料滑動(dòng)的時(shí)間。在混煉后期,采用低轉(zhuǎn)速和低上頂栓壓力以加強(qiáng)深度混煉。
圖7 混煉段數(shù)
圖8 混煉步驟
采用先進(jìn)的技術(shù)來確定獨(dú)立的混煉參數(shù)并驗(yàn)證其混煉效果。這種技術(shù)也被用來分析不同混煉工藝和新的概念。將復(fù)雜的混煉行為分解為兩個(gè)獨(dú)立的概念,即充分混煉和深度混煉。充分混煉和深度混煉取決于兩個(gè)獨(dú)立的混煉參數(shù)。
充分混煉:
破碎產(chǎn)生的高剪切,使膠料高度破碎,分散和混合。這種混煉會產(chǎn)生高溫和高壓。與膠料的接觸表面積小。這種混煉方式與雙輥開煉機(jī)的混煉相類似。
拉伸產(chǎn)生的低剪切,使膠料輕微破碎,分散和混合。這種混煉方式產(chǎn)生低溫和低壓。與膠料的接觸表面積大。
深度混煉:
膠料從右密煉室到左密煉室實(shí)施了循環(huán)。這種混煉方式使被加工膠料全面分布,膠料得到均勻混合。這種混煉與雙輥開煉機(jī)的分布混煉相類似。
共混是局部分布的混煉,它導(dǎo)致膠料分布的均勻性降低。這種混煉發(fā)生在轉(zhuǎn)子凸棱前導(dǎo)面上。這種混煉行為與雙輥開煉機(jī)的混煉相類似。
采用兩個(gè)相互依賴的和四個(gè)獨(dú)立的混煉參數(shù)來比較圖11所示的3凸棱轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機(jī)、3凸棱轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機(jī)和4棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)的混煉。
密煉機(jī)生產(chǎn)的終煉膠的質(zhì)量取決于原材料的性能和密煉機(jī)的混煉質(zhì)量。檢測原材料的性能可以減少出現(xiàn)質(zhì)量問題。膠料能夠很好地混煉和分布均勻,但是仍不能滿足預(yù)定性能是由于密封裝置泄漏所致。3-凸棱NXN嚙合型轉(zhuǎn)子凸緣被用來減少密封裝置泄漏。如果密煉機(jī)沒有滿足預(yù)定性能,那么,下道工序?qū)黾宇~外的費(fèi)用來使膠料滿足性能要求。
密煉機(jī)的生產(chǎn)效率取決于混煉的段數(shù)。一段混煉沒有密封裝置的漏料損失,其實(shí)際生產(chǎn)效率是最佳投料量和總混煉時(shí)間的函數(shù)。最佳投料量根據(jù)波動(dòng)的上頂栓壓力和位移來決定。實(shí)際生產(chǎn)效率可由下式計(jì)算:
總混煉時(shí)間=投料時(shí)間+混煉時(shí)間+排料時(shí)間
最佳投料量=密煉機(jī)凈容積×膠料密度×填充系數(shù)
實(shí)際生產(chǎn)效率=最佳投料量÷總混煉時(shí)間
例如,四棱相切型轉(zhuǎn)子比兩棱相切型轉(zhuǎn)子生產(chǎn)效率高的唯一原因是因?yàn)槠淇偟幕鞜挄r(shí)間較短。圖10所示,配備了3凸棱 NXN轉(zhuǎn)子的拉伸嚙合型密煉機(jī)對4棱相切型密煉機(jī)進(jìn)行了改進(jìn),它使用和相切型密煉機(jī)相同的電機(jī)和齒輪減速器。在這種情況下,拉伸嚙合型密煉機(jī)比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)能提供更好的混煉質(zhì)量,更高的生產(chǎn)效率和更低的能耗。兩段混煉時(shí),四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)比非拉伸嚙合型密煉機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率。
在某些情況下,拉伸嚙合型密煉機(jī)和非拉伸嚙合型密煉機(jī)將相切型密煉機(jī)的第一段混煉和第二段混煉合成了一段混煉。這時(shí),非拉伸嚙合型密煉機(jī)比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率。
密煉機(jī)的能耗是通過比能計(jì)算出來的。
比能=最佳投料量÷能量
配備轉(zhuǎn)子頂部和機(jī)體冷卻裝置的嚙合型密煉機(jī)比相切型密煉機(jī)有更低的能耗。
實(shí)驗(yàn)室評估和現(xiàn)場的實(shí)際結(jié)果列示如下。
一段混煉3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機(jī)和3凸棱NXN轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機(jī)比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)具有更好的混煉質(zhì)量、更高的生產(chǎn)效率和更低能耗。拉伸嚙合型密煉機(jī)比非拉伸嚙合型密煉機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率。
兩段混煉3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機(jī)和3凸棱NXN轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機(jī)比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)具有更好的混煉質(zhì)量和更低的能耗。拉伸嚙合型密煉機(jī)比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率。兩段混煉中四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)比非拉伸嚙合型密煉機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率。
圖9 混煉種類對比
圖10 3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機(jī)外觀
圖11 兩段和一段混煉結(jié)果
表3 拉伸和非拉伸嚙合型和剪切型密煉機(jī)的比較
圖11列示了3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機(jī)、3凸棱NXN轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機(jī)和四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)采用一段混煉和兩段混煉的簡單的對比結(jié)果。圖14列示了290型3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機(jī)、270型四棱N轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)、257型3凸棱NX-1轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機(jī)和250型3凸棱NX-2轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機(jī)的對比。
3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機(jī)改進(jìn)了所有規(guī)格的4棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)不足之處,它們使用相同的電機(jī)和齒輪減速器。拉伸嚙合型密煉機(jī)比4棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機(jī)具有如下優(yōu)勢:
*更好的混煉質(zhì)量;
*針對相切型密煉機(jī)不同的長徑比,生產(chǎn)效率增加20%~40%;
*更低的能耗;
*更好地控制轉(zhuǎn)子的熱傳遞;
*減少了混煉段數(shù);
*更高的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度。
拉伸嚙合型密煉機(jī)比非拉伸嚙合型密煉機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率。把3凸棱NXN轉(zhuǎn)子安裝到非拉伸嚙合型密煉機(jī)上能夠改善密煉機(jī)生產(chǎn)效率和轉(zhuǎn)子的熱傳遞。
改進(jìn)或升級現(xiàn)有的密煉機(jī),使其成為最佳拉伸嚙合型密煉機(jī),比使用低回報(bào)技術(shù),重新制造密煉機(jī)更加有利和劃算。
[1] Nak Norty.Improved mixing performance using optimized stretch-intermeshing mixers[D]. USA:Case Rubber Machinery,2007.
[責(zé)任編輯:翁小兵]
TQ 333.4+3
B
1671-8232(2010)11-0033-07
2009-11-11