竇合超

(上海斯麟特種設備工程有限公司,上海 200041)

0 引 言

橡膠電纜主要采用擠出連續(xù)硫化設備來實現(xiàn)橡膠外皮的擠出成型及硫化,一般以過飽和蒸汽為加熱介質。 在生產(chǎn)過程中,橡膠電纜需要經(jīng)歷高溫、高壓的環(huán)境,易出現(xiàn)導體氧化、變色[1]、欠硫化等問題,其根本原因在于硫化工藝參數(shù)設置不合理。 目前,麥拉菲爾、特勒斯特等進口連續(xù)硫化設備已經(jīng)增加了硫化工藝自動計算的功能,可以根據(jù)橡膠硫化參數(shù)自動計算連續(xù)硫化工藝,實現(xiàn)全自動生產(chǎn),且產(chǎn)品質量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高。 國內橡膠擠出連續(xù)硫化設備還未實現(xiàn)該功能,對于此類軟件的開發(fā)和研究也較少。 但是,橡膠硫化工藝的計算[2]和理論已經(jīng)非常完善,如輪胎、汽車雜件等的硫化生產(chǎn)。

本工作結合橡膠電纜生產(chǎn)工藝、硫化管道[3]和硫化理論,介紹了橡膠電纜連續(xù)硫化工藝軟件的開發(fā)過程,討論了硫化時間算法的數(shù)學模型,通過輸入不同的工藝參數(shù)、橡膠硫化參數(shù),以及電纜結構參數(shù),可以輸出系列硫化工藝。 研究的數(shù)學模型適用性強、開發(fā)成本低、計算準確,對規(guī)范硫化工藝、升級國內設備,以及提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 橡膠硫化

橡膠硫化的條件主要包括溫度、壓力和時間[4]。 當電纜處于高溫、高壓、飽和蒸汽中時,橡膠開始進行化學交聯(lián)。 隨著時間的延長,硫化程度會逐漸提高,直至橡膠材料充分硫化。 由于電纜的橡膠層在硫化時,只有最外層接觸高溫,且最內層升溫需要一定的時間,將最內層熱傳遞時間定義為T傳遞。 最內層橡膠的硫化時間最長,且最內層橡膠在升溫的同時,也在進行交聯(lián)反應,可以根據(jù)等效硫化的公式計算相應的硫化時間,定義為T累計。 最后,當最內層溫度升至最高時,橡膠在恒定溫度下進行硫化,而該階段時間主要參考橡膠的硫化曲線及硫化速率。 橡膠的硫化曲線見圖1。 其中,TH為過硫化時間;T10為焦燒時間;T90為最低扭矩升高至最高扭矩的90%時所對應的時間,代表硫化曲線的正硫化時間;MH為最大扭矩;ML為最小扭矩;M10為焦燒時間對應的扭矩;M90為正硫化時間對應的扭矩。

圖1 硫化曲線

由圖1 可知硫化曲線及各參數(shù)的定義,不同溫度下的T90均可采用范德霍夫方程計算得出[5],將其定義為T等效。 橡膠電纜所需要的硫化時間(T)為

公式(1)為適用于橡膠電纜硫化時間的數(shù)學模型,但僅為純理論計算,與實際工藝存在一定的差異。 因此,在公式(1)中可以增加一個校準時間(T校準),可在后期的實際操作中逐漸優(yōu)化,但在本工作中不涉及校準時間的計算。

2 熱傳遞時間

根據(jù)橡膠電纜硫化生產(chǎn)工藝可知,熱量是由電纜最外層逐漸向內層傳遞的。 因此,最內層的硫化時間最長。 在硫化過程中,最內層的溫度并不是理想中直接升高至實際溫度,而是從機頭擠出溫度(一般在80 ～100 ℃范圍內,本工作按照80 ℃進行計算)緩慢升高至實際溫度,需要計算熱傳遞的時間。 在熱傳導過程中,電纜橡膠外皮為單一的外層向內層傳遞。 因此,可以按照一維熱傳導計算公式進行計算[6],見公式(2)和公式(3)。

式中:ts為最內層的實際溫度,℃;tc為最內層的最終溫度,℃;t0為最內層的擠出溫度,℃;S(Z)為無窮級數(shù)[6]。

式中:L為橡膠層厚度,cm;α為橡膠熱擴散率,cm2·s-1;T傳遞為最內層溫度到達tc時的時間,min。

將t0=80 ℃和α =7.23×10-4cm2·s-1代入公式(2)和公式(3)中,計算不同時刻最內層的溫度。需要注意的是,最內層溫度越接近ts,升溫速率就越緩慢。 溫度升高至(ts-3) ℃時的時間占總硫化時間的40%,最后3 ℃的升溫時間占總硫化時間的60%,而硫化效應差別較小。 由于后續(xù)還需要計算累計時間,為便于計算,取tc為(ts-3)℃。

3 累計時間

在升溫過程中,當橡膠層溫度大于150 ℃時,開始發(fā)生交聯(lián)反應。 一般,橡膠的硫化起始溫度為150 ℃(與配方中采用的硫化劑相關)。 因此,橡膠在溫度升高的同時,也在進行硫化。 故硫化累計效應的最低溫度為150 ℃,最高溫度按照tc進行計算;若最高溫度按照ts計算,會導致熱傳遞的時間較長,計算出來的累計時間也會更大。 為了簡化計算過程,可以去除對應最后3 ℃的時間。 因此,本工作僅計算該段時間、溫度Tn下的硫化時間(T累計),在溫度為150 ℃的基礎上,以每升高1 ℃持續(xù)的時間乘以當前溫度等效硫化換算的總和,見公式(4)。

由于飽和蒸汽的壓力是有上限的,ts的最大值為220 ℃,需要計算的溫度范圍僅為150 ～217 ℃。通過計算可知,當溫度由150 ℃升至217 ℃時,橡膠材料溫度呈線性變化;當溫度大于217 ℃時,溫升與時間成指數(shù)關系,且溫度升至220 ℃的時間較長,不利于計算。

4 等效硫化時間

橡膠的硫化速率受溫度影響,在一定溫度范圍內,隨著硫化溫度的升高,硫化速率加快。 硫化速率與溫度的關系可以用簡化后的阿倫尼烏斯方程表示[7],見公式(5)。

式中:T90為在溫度為180℃時由其硫化曲線計算的正硫化時間,min;tx為測試溫度,℃。

在電線電纜用橡膠中,一般以過氧化物為硫化劑,硫化劑的分解溫度約為150 ℃,只有高于分解溫度時才會發(fā)生交聯(lián)反應。 橡膠的硫化速率一般在溫度為180 ℃時測定,可通過硫化曲線獲得T90,還可根據(jù)公式(5)計算出ts的T等效。 電纜生產(chǎn)過程中采用飽和蒸汽加熱,而設備及鍋爐壓力存在上限。 連續(xù)硫化設備的上限壓力一般為2.3 MPa,而飽和蒸汽壓力與溫度有對應關系[6],即上限溫度為220 ℃時,硫化溫度范圍只考慮150 ～220 ℃。

5 連續(xù)硫化時間數(shù)學模型及驗證

5.1 連續(xù)硫化時間數(shù)學模型

理論模型的核心為電纜所需要的硫化時間,已通過計算得出。 因此,只需要根據(jù)計算的參數(shù)建立對應的數(shù)學模型。 其中,輸入?yún)?shù)包括連硫管道長度、冷卻水位、擠出機最大出膠量、T90、密度、橡膠層厚度和橡膠擠出前線芯的直徑等;輸出工藝參數(shù)為在各飽和蒸汽壓力下對應的最大生產(chǎn)線速度和停機保溫時間。

5.2 驗證與分析

5.2.1 成品電纜試生產(chǎn)

為了驗證連續(xù)硫化時間數(shù)學模型的可靠性,選用型號為YCW 1×400 mm2的橡膠電纜進行試驗。絕緣材料采用乙丙橡膠絕緣,經(jīng)橡膠硫化測試儀測定,乙丙橡膠絕緣材料的硫化曲線見圖2。 由圖2可知,T90為4 min。

圖2 乙丙橡膠絕緣材料的硫化曲線

連續(xù)硫化時間數(shù)學模型的輸入?yún)?shù)見表1。 其中,硫化管道中冷卻水位設置為管道長度的20%。

表1 連續(xù)硫化時間數(shù)學模型輸入?yún)?shù)

將表1 中所有參數(shù)輸入連續(xù)硫化時間數(shù)學模型中,飽和蒸汽壓力為0.6 ～1.5 MPa 時的計算結果見表2;飽和蒸汽壓力不小于1.5 MPa 時達到出膠上限。

表2 連續(xù)硫化時間數(shù)學模型的計算結果

由表2 可知,為了提高生產(chǎn)效率,輸出的硫化工藝參數(shù)中飽和蒸汽壓力為1.3 MPa、最大線速度為24.5 m·min-1、保溫時間為3.7 min 時,硫化工藝最佳。 在此條件下生產(chǎn)的電纜成品,經(jīng)硫化管道后,絕緣表面良好,且無粘連現(xiàn)象。

5.2.2 絕緣機械性能

電纜產(chǎn)品的絕緣拉伸強度和斷裂伸長率須符合GB/T 5013.1—2008《額定電壓450/750 V 及以下橡皮絕緣電纜 第一部分:一般要求》中IE4 絕緣機械性能的要求[8]。 為了進一步驗證絕緣的機械性能,截取部分電纜,并制作絕緣啞鈴片。

依據(jù)GB/T 2951.11—2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第11 部分:通用試驗方法厚度和外形尺寸測量 機械性能試驗》中測試方法[9]對成品制片和乙丙橡膠模壓硫化片(完全硫化)的絕緣機械性能進行測試,測試結果見表3。

表3 電纜成品絕緣機械性能

由表3 可知,成品制片的拉伸強度及斷裂伸長率與模壓制片基本一致,且滿足IE4 絕緣的技術要求。

6 結束語

根據(jù)橡膠硫化原理,本工作建立了適用于橡膠電纜硫化時間的數(shù)學模型,并經(jīng)過了產(chǎn)品生產(chǎn)工藝驗證。 電纜成品的絕緣硫化充分,且導體無氧化,證明了數(shù)學模型的準確性和可靠性。 不僅可以規(guī)范硫化工藝,還可以為國產(chǎn)連硫設備實現(xiàn)自動化提供理論依據(jù),對提高橡膠電纜產(chǎn)品質量、工藝技術創(chuàng)新及設備升級具有積極的推進作用。