李明春，胡善軍，尚亞杰，邵玉龍

(1. 青島科技大學(xué)，山東 青島 266042；2. 杭州朝陽(yáng)橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

低溫?zé)捘z開煉機(jī)單元工藝參數(shù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究

Experimental study of process parameter optimization of low-temperature mixing open mill unit

李明春1，胡善軍1，尚亞杰2，邵玉龍2

(1. 青島科技大學(xué)，山東 青島 266042；2. 杭州朝陽(yáng)橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

隨著一次法煉膠工藝技術(shù)在輪胎企業(yè)越來(lái)越多的推廣及應(yīng)用，其中“開煉機(jī)煉膠”單元相關(guān)設(shè)備工藝的參數(shù)確定直接影響著該工藝的效果，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)輥距、過(guò)輥次數(shù)、膠環(huán)長(zhǎng)度、堆積膠等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量、定性分析，為該工藝核心部分單元設(shè)計(jì)提供參考。

低溫?zé)捘z；輥距；過(guò)輥次數(shù)；堆積膠；速比；線速度

隨著輪胎市場(chǎng)需求的變化，尤其是歐盟“輪胎標(biāo)簽法”的通過(guò)，對(duì)輪胎生產(chǎn)工藝提出了更高的要求，為此也引發(fā)了新一輪輪胎生產(chǎn)工藝方面的工業(yè)革命，其中煉膠工藝以“低溫一次法煉膠”工藝最為矚目[1～3]。該工藝相對(duì)于傳統(tǒng)工藝的多段煉膠，實(shí)現(xiàn)一次完成塑煉、混煉和終煉的煉膠工藝，在能耗、場(chǎng)地、效率、產(chǎn)能以及品質(zhì)等方面均有較大的提升，尤其是該工藝體現(xiàn)了煉膠過(guò)程“低溫控制”的特性，從而更好的實(shí)現(xiàn)了白炭黑分散與混合的煉膠工藝，為綠色輪胎生產(chǎn)提供了較為適應(yīng)的裝備和工藝[4～6]。下面僅就該工藝主體過(guò)程“開煉機(jī)煉膠單元”的相關(guān)設(shè)備工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)、分析，為該工藝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 一次法煉膠單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要控制參數(shù)

一次法煉膠單元主要結(jié)構(gòu)形式如圖1。主體開煉機(jī)配置環(huán)形輸送帶形成膠環(huán)，同時(shí)在開煉機(jī)上部設(shè)置導(dǎo)膠裝置自動(dòng)導(dǎo)膠。該工藝流程主要有膠料進(jìn)入開煉機(jī)輥筒的吃膠、過(guò)輥、輸送帶成環(huán)、導(dǎo)膠，最后通過(guò)輥速與皮帶速度的控制實(shí)現(xiàn)斷膠、出膠。由于該工藝煉膠的捏煉、分散、混合均是發(fā)生在開煉機(jī)兩輥筒間，通過(guò)開煉機(jī)輥筒表面的速度梯度差對(duì)膠料產(chǎn)生剪切、混合作用，實(shí)現(xiàn)混煉工藝，由于該工藝膠料經(jīng)過(guò)環(huán)形輸送帶時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且配置冷卻輥筒，膠料的低溫控制性很好。過(guò)程控制的主要參數(shù)就是膠料通過(guò)開煉機(jī)輥筒的次數(shù)（簡(jiǎn)稱過(guò)輥次數(shù)）、過(guò)輥時(shí)的輥距、煉膠時(shí)間、膠料在開煉機(jī)輥筒上的堆積情況輥筒線速度控制等，這些參數(shù)直接影響膠料的質(zhì)量。輥距的大小直接關(guān)系著膠料剪切分散的效果，堆積膠的多少影響分散的一致性，過(guò)輥次數(shù)及煉膠時(shí)間對(duì)混煉的充分性影響較為明顯。

圖1 一次法煉膠系統(tǒng)構(gòu)成圖

表2 輥距、過(guò)輥次數(shù)、炭黑分散數(shù)據(jù)測(cè)試

2 相關(guān)參數(shù)的探討及試驗(yàn)

2.1 輥距、過(guò)輥次數(shù)對(duì)膠料門尼黏度、炭黑分散的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方法

在液壓調(diào)距的開煉機(jī)上，分別在不同輥距情況下，通過(guò)手工開刀方式將無(wú)硫膠料進(jìn)行過(guò)輥操作，并在每過(guò)一次輥后開刀取一次試片，進(jìn)行門尼黏度、炭黑分散專項(xiàng)檢測(cè)，從而得出不同輥距在不同過(guò)輥次數(shù)情況下對(duì)煉膠門尼黏度性能和分散效果的影響。

2.1.2 主要裝備及材料

開煉機(jī)XK660；有轉(zhuǎn)子形式門尼黏度檢測(cè)儀；炭黑分散儀；試樣膠料，2段A108。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述方法煉膠，試驗(yàn)測(cè)試門尼黏度、炭黑分散結(jié)果如表1及表2。

表1 輥距、過(guò)輥次數(shù)、門尼黏度數(shù)據(jù)測(cè)試

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整輥距控制膠片厚度達(dá)到試片要求，考慮實(shí)際生產(chǎn)的可操作性，膠片最小厚度控制在4 mm（輥距顯示為0.5 mm，實(shí)際工作輥距要加上輥筒徑向游隙）。通過(guò)該數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：隨著輥距的增加門尼黏度下降幅度逐步減少；隨著過(guò)輥次數(shù)的增加，門尼逐步減小，其減小幅度與輥距密切相關(guān)，輥距越小下降越明顯。同樣，炭黑的分散性也存在類似的規(guī)律：隨著輥距減小和過(guò)輥次數(shù)的增加，分散度呈逐步增加的趨勢(shì)。這也符合開煉機(jī)輥筒煉膠的特性，輥距越小剪切效率越高。

實(shí)際上，輥距與過(guò)輥次數(shù)存在如下關(guān)系式：

式中：

N——過(guò)輥次數(shù)；

V——輥筒表面線速度，m/min；

B——膠環(huán)膠片寬度，m；

T——膠環(huán)膠片厚度，m；

ρ——膠料密度，kg/m3；

G——配方質(zhì)量，kg；

Δt——有效工藝煉膠時(shí)間，s。

當(dāng)設(shè)備一定時(shí)，膠環(huán)寬度B、輥筒表面線速度V是常數(shù)不變量；同樣當(dāng)膠料品種確定后，密度ρ及配方質(zhì)量G也是不變的常量，那么，就可以通過(guò)控制輥距來(lái)優(yōu)化調(diào)整膠片厚度和過(guò)輥次數(shù)，同樣也可以調(diào)整Δt，來(lái)影響過(guò)輥次數(shù)，但對(duì)效率有影響。因此，從生產(chǎn)效率和品質(zhì)改善的綜合角度考慮，選用適當(dāng)?shù)妮伨嘤葹楸匾?。同時(shí)在單元設(shè)備設(shè)計(jì)的時(shí)候，要充分考慮以上特點(diǎn)，選用適當(dāng)?shù)妮佂菜俣?，膠環(huán)寬度對(duì)品質(zhì)及效率均有不同程度的影響。

2.2 堆積膠量的計(jì)算及相關(guān)參數(shù)

開煉機(jī)上堆積膠量對(duì)煉膠效率及質(zhì)量有著很大的影響，堆積膠量過(guò)小，容易造成捏煉不足，混合不充分，膠環(huán)缺邊等現(xiàn)象；堆積膠過(guò)多，容易造成膠料在兩輥筒上“跳舞”現(xiàn)象，存在“死角”，不能保證膠料過(guò)輥的一致性。為此，適量的堆積膠對(duì)低溫混煉至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)觀察，比較適宜的堆積膠量為60 kg左右（660開煉機(jī)）?？梢詮南铝邢嚓P(guān)參數(shù)的關(guān)系中分析控制堆積膠的方法：

式中：

G——堆積膠量，kg；

G1——配方質(zhì)量，kg；

B——膠環(huán)寬度，m；

L——膠環(huán)長(zhǎng)度，m；

T——膠料厚度，m；

ρ——膠料密度，kg/m3）。

當(dāng)設(shè)備尺寸及膠料品種確定后，堆積膠影響變量只能通過(guò)調(diào)距控制膠片厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但考慮到輥距對(duì)品質(zhì)的綜合影響，該變量不可大范圍調(diào)整。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮相應(yīng)的尺寸參數(shù)，基本上按式（2）來(lái)看，在密煉機(jī)確定的前提下，配方質(zhì)量相差不會(huì)太大，主要是通過(guò)控制膠環(huán)的長(zhǎng)度L和輸送帶的寬度B來(lái)控制堆積膠的量，一般情況下輸送帶寬度由開煉機(jī)結(jié)構(gòu)決定，基本是定數(shù)。從表3和表4可以比較直觀的看出堆積膠與膠環(huán)長(zhǎng)度和輥距的關(guān)系。

表3 堆積膠與膠環(huán)長(zhǎng)度關(guān)系對(duì)照表

表4 堆積膠與輥距關(guān)系對(duì)照表

3 輥筒速比、輥距、線速度參數(shù)控制與產(chǎn)能、品質(zhì)的相關(guān)性

開煉機(jī)輥筒的速比、輥距、線速度與煉膠效率、品質(zhì)、自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)。根據(jù)開煉機(jī)的煉膠機(jī)理，主要的剪切捏煉發(fā)生在兩個(gè)輥筒之間，其剪切作用主要是由于兩輥筒之間物料存在一定的速度梯度，導(dǎo)致物料流速不同，同時(shí)又承受一定的擠壓力，加速捏煉作用。通過(guò)下列公式可以更好的理解速比、線速度與煉膠過(guò)程的關(guān)系：

式中：

f——速比；

v1——后輥筒線速度，m/min；

v2——前輥筒線速度，m/min；

dv/dy——速度梯度；

e——輥距，m。

當(dāng)速比f(wàn)＞1時(shí)，增加輥筒線速度，加大速比，減小輥距均能有效提高速度梯度，加大剪切效率。對(duì)產(chǎn)能方面的影響，其他條件不變時(shí)，根據(jù)式（1）過(guò)輥次數(shù)公式可以看出，過(guò)輥次數(shù)與輥筒線速度成正比，線速度提高，過(guò)輥次數(shù)增加，煉膠效率提升；輥距減小，相當(dāng)于膠片厚度減小，按式（1），過(guò)輥次數(shù)減少，煉膠效率降低，但品質(zhì)提升；速比確定，主要根據(jù)加工物料種類不同，選取適當(dāng)值，橡膠混煉公認(rèn)速比范圍f=1.08～1.2，一旦選定，在煉膠過(guò)程中不會(huì)變化。所以，煉膠過(guò)程中線速度和輥距的參數(shù)化調(diào)整對(duì)煉膠效率和品質(zhì)影響較大。

提高線速度可以有效的提高產(chǎn)能。按照人機(jī)學(xué)規(guī)律，經(jīng)試驗(yàn)證明開煉機(jī)輥筒人工操作最高轉(zhuǎn)速為28 r/min，一旦超過(guò)此轉(zhuǎn)速，將有嚴(yán)重的安全隱患。一次法煉膠單元由于采用自動(dòng)輔助裝置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生產(chǎn)，輥筒線速度可以適當(dāng)?shù)奶岣?，目前最高轉(zhuǎn)速已提高到70 r/min。

在膠料品質(zhì)方面，隨著速度梯度的增加，物料受剪切作用增大，促進(jìn)原料的分散、分布，但膠料高分子斷鏈、內(nèi)部劇烈摩擦，剪切過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)膠料品質(zhì)控制產(chǎn)生負(fù)面影響，對(duì)溫控調(diào)節(jié)要求難度加大。

綜合考慮產(chǎn)能和品質(zhì)的影響，在設(shè)計(jì)選型時(shí)，就應(yīng)選取好合適的輥筒速比。煉膠過(guò)程中，對(duì)輥距、輥筒線速度進(jìn)行參數(shù)化控制，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)剪切效率、溫度控制的優(yōu)化，從而達(dá)到產(chǎn)能與品質(zhì)的統(tǒng)一優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述試驗(yàn)及推導(dǎo)，可以看出，一次法煉膠開煉機(jī)單元煉膠效果無(wú)論是門尼黏度控制還是分散效果均隨過(guò)輥次數(shù)增加和輥距減小而提升，但本試驗(yàn)是建立在一定生產(chǎn)性基礎(chǔ)上實(shí)施的，也就是對(duì)效率保證的前提下進(jìn)行的，在趨勢(shì)的延續(xù)性上還需進(jìn)一步驗(yàn)證，或許隨著輥距減小和過(guò)輥次數(shù)的增加到一定值時(shí)，膠料品質(zhì)會(huì)不再明顯變化?？傊?，該單元的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)必須從開始設(shè)備選型、工藝路線確定就予以充分考慮，綜合考慮生產(chǎn)效率和膠料品質(zhì)，選取設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)哪z環(huán)長(zhǎng)度，優(yōu)化工作輥距、煉膠時(shí)間和堆積膠量控制，將輥距、過(guò)輥次數(shù)與生產(chǎn)效率的矛盾，膠環(huán)加長(zhǎng)與場(chǎng)地和故障控制的矛盾，產(chǎn)能與品質(zhì)的矛盾等有機(jī)的結(jié)合起來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制，是取得該工藝成敗的關(guān)鍵。希望上述試驗(yàn)及分析可以為低溫單元設(shè)計(jì)提供一定的參考。

[1] 唐國(guó)政. 談?wù)剬?duì)“低溫?zé)捘z”的認(rèn)識(shí). 橡塑技術(shù)與裝備，2012，11.

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(XS-03)

TQ330.43

：1009-797X(2015)04-0054-04

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.009

李明春（1971-），男，青島科技大學(xué)在讀研究生，機(jī)電控制工程專業(yè)，杭州朝陽(yáng)橡膠有限公司高級(jí)工程師，已發(fā)表論文2篇。

2014-03-14