用最佳拉伸嚙合型密煉機改善混煉

劉元順 (固恩治(青島)工程橡膠有限公司，山東 青島266042) 編譯

用最佳拉伸嚙合型密煉機改善混煉

劉元順 (固恩治(青島)工程橡膠有限公司，山東 青島266042) 編譯

從雙輥開煉機到目前的全自動密煉機，間歇式混煉已經(jīng)歷了很長時間。如今有三種基本的密煉機正在使用。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。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。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。固定長徑比嚙合型密煉機被稱作最佳的拉伸嚙合型密煉機。

文中詳細討論了目前用在最佳拉伸嚙合型密煉機中的3-凸棱過冷轉(zhuǎn)子的鍛造和制造工藝的改進技術，揭示了過冷轉(zhuǎn)子的機械內(nèi)部通道，能提供最好的對膠料溫度的控制。三種混煉技術在混煉質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗的改進方面列表進行了對比。

密煉機;拉伸;嚙合型;混煉

0 前言

文中回顧了密煉機的改進歷程，以向用戶提供有關密煉機的更多信息。另外，還表明了改造密煉機能得到更多的收益。密煉機有一個由左右密煉室、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)?；鞜捘z料從左密煉室到右密煉室按順時針或逆時針方向循環(huán)，也有可能按順時針和逆時針方向循環(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)設備提出了更高的要求，即改進密煉機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)格密煉機的具有固定長徑比的最佳拉伸嚙合型密煉機。最佳拉伸嚙合型密煉機配備了3凸棱轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子能推動膠料按順時針和逆時針方向循環(huán)移動。拉伸嚙合型密煉機的3凸棱轉(zhuǎn)子能配之于相切型密煉機，也能安裝在現(xiàn)有的非拉伸嚙合型密煉機。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，該轉(zhuǎn)子能推動膠料按順時針或者逆時針方向循環(huán)移動。這種排列相對于相切型密煉機來說，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)場和實驗室研究結(jié)果表明，配有3凸棱轉(zhuǎn)子的最佳拉伸嚙合型密煉機相對于其他相切型密煉機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。

1 密煉機

密煉機的類型由所安裝的轉(zhuǎn)子的類型和轉(zhuǎn)子左、右凸棱在密煉機中心部位的相互作用來區(qū)分。轉(zhuǎn)子是密煉機的轉(zhuǎn)動部分，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。對嚙合型密煉機來說，轉(zhuǎn)子的凸棱象齒輪一樣可以進行嚙合。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)子的引導面和拖曳面之間。相切型密煉機其轉(zhuǎn)子的凸棱不嚙合?；鞜捯膊辉诿軣挋C的中心部位進行。圖3列示了嚙合型密煉機和相切型密煉機的區(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

1.1 轉(zhuǎn)子外型和類型

轉(zhuǎn)子是密煉機的旋轉(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行剪切，實施混煉。對嚙合型密煉機來說，剪切發(fā)生在兩個轉(zhuǎn)子之間。凸棱將膠料從一個密煉室傳遞到另外一個密煉室。

1.2 間歇式密煉機的基本混煉技術

最新的混煉設備是1998年由N.O.Nortey提出的膠料在密煉室內(nèi)進行雙循環(huán)的拉伸嚙合型密煉機。在該混煉機中，膠料在左右兩個混煉室內(nèi)被強制地沿兩個方向(順時針和逆時針)循環(huán)移動。圖4列示了三種基本混煉方法強制膠料循環(huán)移動和密煉機長徑比示意圖。

圖4 間歇式密煉機基本混煉技術

1.3 轉(zhuǎn)子設計和制造

轉(zhuǎn)子的結(jié)構不同其制造技術也不同。如圖5所示，影響混煉作業(yè)的有關參數(shù)可用來設計轉(zhuǎn)子。大量轉(zhuǎn)子用砂模澆注成型制造。這種方法在整個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)子外部輪廓是機制的。轉(zhuǎn)子的內(nèi)部有一條機制的軸向通道穿過其頂部。有六條配置的強制膠料流動的內(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)構導致膠料批次溫度能有效地加以控制。NXN轉(zhuǎn)子的三個凸棱分別是長凸棱、中間凸棱和短凸棱。這三個凸棱安置在轉(zhuǎn)子的小直徑部位上，以在兩個轉(zhuǎn)子之間獲得更大的空間來提高膠料，使之進入密煉機。在每一個密煉室內(nèi)，由轉(zhuǎn)子的長凸棱和中間凸棱形成的強制循環(huán)推動膠料來回移動，形成N型。X用來代表交叉的意思。NXN意味著每個轉(zhuǎn)子在每個密煉室內(nèi)推動膠料來回移動。每個轉(zhuǎn)子末端的凸棱能夠減少膠料在密封裝置中軸向流動的。NX意味著兩個轉(zhuǎn)子能夠在兩個密煉室內(nèi)推動膠料來回移動。圖6列示的是3凸棱嚙合型NXN、NX-1、NX-2轉(zhuǎn)子的不同的設計概念示意圖。

圖5 3凸棱嚙合型轉(zhuǎn)子設計概念

1.4 轉(zhuǎn)子長徑比與轉(zhuǎn)子中心

1998年推出了具有最佳恒定大長徑比的拉伸嚙合型密煉機。在這個混煉機中，轉(zhuǎn)子長徑比(大約1.50)是通過剪切型4棱轉(zhuǎn)子密煉機的混煉質(zhì)量、轉(zhuǎn)子強度和電機峰值功率確定的。使用拉伸嚙合型密煉機所改進的混煉質(zhì)量和電機峰值功率是通過不同的實驗室用密煉機進行技術分析和檢驗后確認的。轉(zhuǎn)子強度乃通過三維有限元分析予以確定。密煉機輕而易舉地完成了混煉放大應歸于所有尺寸的密煉機相同的大轉(zhuǎn)子長徑比。使用NXN轉(zhuǎn)子的拉伸嚙合型密煉機能夠比任何相切型密煉機提供更好的混煉質(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 間歇式混煉機的轉(zhuǎn)子長徑比與轉(zhuǎn)子中心

表1 臨界轉(zhuǎn)子結(jié)構參數(shù)和影響

1.5 混煉放大

在實際生產(chǎn)中，為了節(jié)省時間和資金，往往使用小型密煉機得到實驗數(shù)據(jù)，然后進行混煉放大。為了減少混煉放大的困難，小型密煉機與生產(chǎn)用大型密煉機的下列參數(shù)應該相同：

*轉(zhuǎn)子長徑比;

*密煉機的內(nèi)部設計和轉(zhuǎn)子的外部設計;

*密煉機和轉(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。使用這種方法進行混煉放大的研究已獲成功。研究結(jié)果說明，小型密煉機的尺寸是臨界尺寸。當臨界混煉參數(shù)在混煉過程中仍然有效時，應該選擇適合該規(guī)格的混煉量。

表2 間歇式密煉機基本技術參數(shù)

1.6 密煉機和轉(zhuǎn)子的熱傳遞

間歇式混煉發(fā)生在轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子與靜止的密煉機的密煉室壁、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力有關的常數(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充角度);

τ=剪切應力(psi);

n=冪律指數(shù)(聚合物的n=0.2到0.3)。

在密煉機中，溫度控制對填充劑(特別是白炭黑)的補強作用和硫化劑的交聯(lián)效果是至關重要的。理想的密煉機應該能夠快速地冷卻或加熱所加工的膠料，同時能夠保持穩(wěn)定的溫度。對密煉機來說，要維持穩(wěn)定的溫度則有賴于減少密煉機的輸入和輸出溫度的變化。理想的混煉工藝是，當加工的膠料粘附到靜止的密煉室壁表面上時，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?？紤]到這一點，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的結(jié)構。拉伸嚙合型NXN-凸棱轉(zhuǎn)子密煉機與膠料接觸的表面被設計成帶有強制流動性的熱傳遞通道，以便在混煉時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。

1.7 混煉段數(shù)和步驟

間歇式密煉機適用于多種混煉工藝，但是文中只討論兩種主要類型。標準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來說非常困難的，它會縮短轉(zhuǎn)子和密煉機的使用壽命。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)和時間是三個排料參數(shù)。由于膠料在一個混煉周期中滑動，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在開始混煉時，膠料的溫度會比設定的排料溫度高。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。這個高溫不是真正的膠料溫度。在混煉工藝中，可以通過延遲時間及能耗來解決這個問題。如果有變速電機，那么，可用低轉(zhuǎn)速解決這個問題，然后再把轉(zhuǎn)速提高到合理的水平。

凡是先進的混煉工藝，下列二個參數(shù)在整個混煉周期中是可變的，這樣，可以提高密煉機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，采用中等轉(zhuǎn)速和高上頂栓壓力以強化混煉。加入操作油后，提高轉(zhuǎn)速可以減少膠料滑動的時間。在混煉后期，采用低轉(zhuǎn)速和低上頂栓壓力以加強深度混煉。

圖7 混煉段數(shù)

圖8 混煉步驟

1.8 混煉分析

采用先進的技術來確定獨立的混煉參數(shù)并驗證其混煉效果。這種技術也被用來分析不同混煉工藝和新的概念。將復雜的混煉行為分解為兩個獨立的概念，即充分混煉和深度混煉。充分混煉和深度混煉取決于兩個獨立的混煉參數(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的分布混煉相類似。

共混是局部分布的混煉，它導致膠料分布的均勻性降低。這種混煉發(fā)生在轉(zhuǎn)子凸棱前導面上。這種混煉行為與雙輥開煉機的混煉相類似。

采用兩個相互依賴的和四個獨立的混煉參數(shù)來比較圖11所示的3凸棱轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機、3凸棱轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機和4棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機的混煉。

1.9 密煉機質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗

密煉機生產(chǎn)的終煉膠的質(zhì)量取決于原材料的性能和密煉機的混煉質(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。如果密煉機沒有滿足預定性能，那么，下道工序?qū)黾宇~外的費用來使膠料滿足性能要求。

密煉機的生產(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，其實際生產(chǎn)效率是最佳投料量和總混煉時間的函數(shù)。最佳投料量根據(jù)波動的上頂栓壓力和位移來決定。實際生產(chǎn)效率可由下式計算：

總混煉時間=投料時間+混煉時間+排料時間

最佳投料量=密煉機凈容積×膠料密度×填充系數(shù)

實際生產(chǎn)效率=最佳投料量÷總混煉時間

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為其總的混煉時間較短。圖10所示，配備了3凸棱 NXN轉(zhuǎn)子的拉伸嚙合型密煉機對4棱相切型密煉機進行了改進，它使用和相切型密煉機相同的電機和齒輪減速器。在這種情況下，拉伸嚙合型密煉機比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機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，四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產(chǎn)效率。

在某些情況下，拉伸嚙合型密煉機和非拉伸嚙合型密煉機將相切型密煉機的第一段混煉和第二段混煉合成了一段混煉。這時，非拉伸嚙合型密煉機比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機具有更高的生產(chǎn)效率。

密煉機的能耗是通過比能計算出來的。

比能=最佳投料量÷能量

配備轉(zhuǎn)子頂部和機體冷卻裝置的嚙合型密煉機比相切型密煉機有更低的能耗。

實驗室評估和現(xiàn)場的實際結(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和3凸棱NXN轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機具有更好的混煉質(zhì)量、更高的生產(chǎn)效率和更低能耗。拉伸嚙合型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產(chǎn)效率。

兩段混煉3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機和3凸棱NXN轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機具有更好的混煉質(zhì)量和更低的能耗。拉伸嚙合型密煉機比四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機具有更高的生產(chǎn)效率。兩段混煉中四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產(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的比較

圖11列示了3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機、3凸棱NXN轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機和四棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機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、270型四棱N轉(zhuǎn)子相切型密煉機、257型3凸棱NX-1轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機和250型3凸棱NX-2轉(zhuǎn)子非拉伸嚙合型密煉機的對比。

2 結(jié)論

3凸棱NXN轉(zhuǎn)子拉伸嚙合型密煉機改進了所有規(guī)格的4棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機不足之處，它們使用相同的電機和齒輪減速器。拉伸嚙合型密煉機比4棱轉(zhuǎn)子相切型密煉機具有如下優(yōu)勢：

*更好的混煉質(zhì)量;

*針對相切型密煉機不同的長徑比，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)子強度。

拉伸嚙合型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產(chǎn)效率。把3凸棱NXN轉(zhuǎn)子安裝到非拉伸嚙合型密煉機上能夠改善密煉機生產(chǎn)效率和轉(zhuǎn)子的熱傳遞。

改進或升級現(xiàn)有的密煉機，使其成為最佳拉伸嚙合型密煉機，比使用低回報技術，重新制造密煉機更加有利和劃算。

［1］ Nak Norty.Improved mixing performance using optimized stretch-intermeshing mixers［D］. USA：Case Rubber Machinery，2007.

［責任編輯：翁小兵］

TQ 333.4+3

B

1671-8232(2010)11-0033-07

2009-11-11