橡膠密煉機(jī)的節(jié)能技術(shù)

李漢堂 編譯

(曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院, 廣西 桂林 541004)

0 前 言

目前在輪胎配合技術(shù)方面的環(huán)境保護(hù)活動(dòng)如火如荼。這些活動(dòng)包括了以節(jié)省燃料消耗為目的，在輪胎配方中填充材料由炭黑向白炭黑轉(zhuǎn)變；在生產(chǎn)中以減輕地球負(fù)荷為目的而采用非石油資源材料等。

加工這些膠料的裝置是由神戶制鋼所生產(chǎn)的間歇密煉機(jī)“MIXTRON?BB密煉機(jī)”。從發(fā)明本伯里密煉機(jī)至今已經(jīng)90多年了，該公司通過(guò)改變轉(zhuǎn)子的形狀和開發(fā)各種部件，并反復(fù)改進(jìn)，取得了多項(xiàng)實(shí)際成果。

密煉機(jī)的運(yùn)行部分有混煉膠料的轉(zhuǎn)子、投料口、排料口以及將膠料壓入混煉室的上頂栓。密煉機(jī)的能量幾乎都是消耗于轉(zhuǎn)子和上頂栓的驅(qū)動(dòng)。通常，轉(zhuǎn)子位于減速機(jī)的中間，由大型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。近年來(lái)，隨著混煉對(duì)象的增多，多半采用可變速的直流反相電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)的電力消耗主要取決于轉(zhuǎn)子的形狀。因此，文中介紹了可降低電力消耗的節(jié)能型轉(zhuǎn)子——4WN轉(zhuǎn)子。

過(guò)去采用大口徑氣缸作為上頂栓的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，現(xiàn)在神戶制鋼所開發(fā)出了十分節(jié)能的油壓式上頂栓，大多數(shù)日本和國(guó)外的輪胎生產(chǎn)企業(yè)和橡膠制品生產(chǎn)企業(yè)都采用了這種油壓式上頂栓。油壓式上頂栓除了具有初始設(shè)備簡(jiǎn)單，可與原有氣動(dòng)式上頂栓互換等優(yōu)點(diǎn)外，還具有其它不少優(yōu)點(diǎn)。

1 節(jié)能型轉(zhuǎn)子——4WN轉(zhuǎn)子

決定混煉性能的主要因素是轉(zhuǎn)子的形狀。為了提高生產(chǎn)效率，研發(fā)人員將雙棱轉(zhuǎn)子(2WS)改為四棱轉(zhuǎn)子(4WS轉(zhuǎn)子)。以進(jìn)一步提高膠料的均勻性、混煉性和生產(chǎn)效率為目標(biāo)，又成功開發(fā)出了4WH轉(zhuǎn)子(圖1a)和6WI轉(zhuǎn)子(圖1b)。4WH轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)棱與短棱的比例也頗有特性，其混煉均勻性比4WS轉(zhuǎn)子更好。被稱為VCMT(不同輥距混煉技術(shù))的6WI，具有S、M、L(S：??；M：中；L：大)3種齒頂間隙(棱端與密煉室壁的間隙)，實(shí)現(xiàn)了快速混煉膠料和較高的生產(chǎn)效率。4WH、6WI轉(zhuǎn)子作為神戶制鋼所的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，在輪胎生產(chǎn)企業(yè)和橡膠工業(yè)制品生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)線上進(jìn)行了加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等混煉性能的評(píng)價(jià)，獲得了一片贊譽(yù)。

圖1 4WH轉(zhuǎn)子、6WI轉(zhuǎn)子和4WN轉(zhuǎn)子

作為節(jié)能型轉(zhuǎn)子的4WN轉(zhuǎn)子(圖1c)具有如下特征：可提高膠料的均勻性，以較少的能量消耗便可獲得同等質(zhì)量的膠料，混煉中的溫度上升速率較低。

4WH轉(zhuǎn)子和6WI轉(zhuǎn)子的凸棱展開圖和膠料流動(dòng)狀態(tài)見圖2所示；4WN轉(zhuǎn)子的凸棱展開圖和膠料流動(dòng)狀態(tài)見圖3所示。4WN轉(zhuǎn)子是由2個(gè)長(zhǎng)凸棱和2個(gè)短凸棱構(gòu)成的四棱轉(zhuǎn)子。其凸棱配置具有如下特征：

(1)長(zhǎng)凸棱和短凸棱的配置

原有的4WH和6WI轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)凸棱和短凸棱分別是以平行的方式，從同一端面配置的，而4WN轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)凸棱和短凸棱不是平行配置的，而是從不同的端面配置的。

(2)螺旋角

在4WN的2條長(zhǎng)凸棱中，有1條長(zhǎng)凸棱(第二長(zhǎng)凸棱)的螺旋角，比原有轉(zhuǎn)子的凸棱螺旋角大得多(見圖3)。

圖2 4WH轉(zhuǎn)子和6WI轉(zhuǎn)子的凸棱展開圖和膠料流動(dòng)狀態(tài)

圖3 4WN轉(zhuǎn)子的凸棱展開圖的膠料流動(dòng)狀態(tài)

通常，密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的凸棱其螺旋方向與軸向相反。如果加大其螺旋角，雖然可以提高膠料的均勻性，但不能確保轉(zhuǎn)子與密煉室壁間產(chǎn)生剪切力，還有可能降低填充劑的分散性。因此，4WN轉(zhuǎn)子的第一條長(zhǎng)凸棱和2條短凸棱的螺旋角比原有凸棱的小，這樣便可確保填充劑的分散性。第二條長(zhǎng)凸棱的螺旋角比原有凸棱的大得多，通過(guò)將1條長(zhǎng)凸棱(第一條長(zhǎng)凸棱)沿第二條長(zhǎng)凸棱的相反方向配置，可使混煉膠料沿軸向往返運(yùn)動(dòng)，并使留在轉(zhuǎn)子間的膠料在軸向的整個(gè)寬度內(nèi)頻繁流動(dòng)，進(jìn)而提高膠料的均勻性。

另外，在凸棱配置設(shè)計(jì)中可通過(guò)加大各凸棱間的空間，確?；鞜捘z料容納粉料的能力。

1.1 實(shí)驗(yàn)室用密煉機(jī)的性能

對(duì)神戶制鋼所生產(chǎn)的BB-16密煉機(jī)(16L密煉機(jī))與原有4WS轉(zhuǎn)子、4WH轉(zhuǎn)子和6WI轉(zhuǎn)子進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)以顯示4WN轉(zhuǎn)子的性能。

試驗(yàn)?zāi)z料采用NR類炭黑填充母煉膠配方[以天然橡膠(NR)和炭黑為主的配方]和EPDM類炭黑填充母煉膠(以EPDM和炭黑為主的配方)，配方內(nèi)容詳見表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)z料配方

對(duì)于混煉性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，X軸為混煉時(shí)間，Y軸為排膠溫度，采用了表示混煉膠加工性能的門尼黏度誤差和與混煉膠料單位質(zhì)量相當(dāng)?shù)妮斎肽芰俊；鞜捊Y(jié)果示于圖4。

從圖4中的混煉時(shí)間與排膠溫度的關(guān)系上可以看出，與其它轉(zhuǎn)子相比，4WN轉(zhuǎn)子的溫升速率低，適用于欲使混煉溫度慢慢升高的配方。

圖4 4WN轉(zhuǎn)子的混煉性能(BB-16密煉機(jī)的混煉結(jié)果)

4WN轉(zhuǎn)子的混煉時(shí)間與同一批膠料的門尼黏度上的誤差也比其它轉(zhuǎn)子的少（?。?，膠料的均勻性也高。

再者，如果在混煉時(shí)間相同的情況下比較輸入能，則4WN轉(zhuǎn)子的輸入能與其它轉(zhuǎn)子的輸入能一樣，都較低。特別是對(duì)于EPDM配方，4WN轉(zhuǎn)子的能量消耗最少。采用4WN轉(zhuǎn)子混煉的膠料門尼黏度和炭黑分散度等可確保與4WH轉(zhuǎn)子處于相同的水平。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可以確認(rèn)，凸棱螺旋角和凸棱配置最佳的4WN轉(zhuǎn)子與原有的4WS轉(zhuǎn)子、4WH轉(zhuǎn)子以及6WI轉(zhuǎn)子（均為神戶制鋼所制造）比較，用4WN轉(zhuǎn)子混煉的膠料均勻性更高，混煉中的溫升速率更低，能量消耗更少。通過(guò)采用BB-16密煉機(jī)試驗(yàn)可以確認(rèn)，與4WH相比，4WN轉(zhuǎn)子還提高了吃料的性能。這些性能也在工業(yè)化生產(chǎn)的密煉機(jī)上獲得同樣的評(píng)價(jià)。輪胎生產(chǎn)企業(yè)采用4WN轉(zhuǎn)子進(jìn)行包括白炭黑配方在內(nèi)的母煉膠的混煉或終煉，或者橡膠工業(yè)制品生產(chǎn)企業(yè)也采用4WN轉(zhuǎn)子進(jìn)行終煉或混煉一部分母煉膠，均獲得了較高的評(píng)價(jià)。

2 節(jié)能型上頂栓——油壓上頂栓

密煉機(jī)混煉是將混煉膠料從料斗里投入后，通過(guò)上頂栓將膠料壓入混煉室進(jìn)行混煉的。上頂栓的運(yùn)行過(guò)去是采用大口徑的氣缸。由于氣動(dòng)上頂栓要使用壓縮空氣，所以壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐等是必須配備的。被壓縮的空氣會(huì)釋放到大氣中，所以這種上頂栓存在著能源消耗大的問(wèn)題。通常，在母煉膠加工工藝中為了投料和清掃上頂栓，混煉每一批膠料上頂栓至少要升降2～3次，短時(shí)間內(nèi)會(huì)消耗大量的空氣，因此，需要大型的壓縮空氣供給設(shè)備。現(xiàn)在則新開發(fā)出了在料斗部設(shè)置油壓缸，用油壓驅(qū)動(dòng)的上頂栓。用油壓驅(qū)動(dòng)上頂栓，可以降低能耗，通過(guò)提高上頂栓的運(yùn)行速度來(lái)提高生產(chǎn)效率。

2.1 油壓上頂栓的性能

2.1.1 結(jié) 構(gòu)

考慮到與原有的氣動(dòng)上頂栓的互換性，如圖5所示，在料斗的兩側(cè)設(shè)置了油壓缸。通過(guò)這樣的配置可以像過(guò)去一樣，從料斗的側(cè)邊或背后投料。另外，還對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)、油壓缸管路連接方法進(jìn)行了改進(jìn)，在提高耐久性和防止漏油方面也實(shí)施了各種措施。

在混煉中如果采用的是氣動(dòng)上頂栓，承受轉(zhuǎn)子力的作用的膠料會(huì)產(chǎn)生將上頂栓往上推的作用力，這樣氣缸內(nèi)的空氣會(huì)受力的作用而使上頂栓上下移動(dòng)。新型的油壓上頂栓通過(guò)在油壓裝置上設(shè)置蓄能器，不會(huì)使油壓上頂栓因非壓縮油的作用而承受升力，而是因蓄能器內(nèi)壓縮空氣的作用而承受升力，從而使油壓上頂栓像氣動(dòng)上頂栓一樣上下移動(dòng)（見圖6）。

圖5 油壓式上頂栓的結(jié)構(gòu)

2.2.2 油壓式上頂栓的效果

在新設(shè)密煉機(jī)時(shí)，如果是普通型氣動(dòng)上頂栓，則需要完成如下準(zhǔn)備工作：

(a)設(shè)置大型空氣壓縮機(jī)；

(b)設(shè)置大型儲(chǔ)氣罐；

(c)連接管路（空氣壓縮機(jī)與儲(chǔ)氣罐之間、儲(chǔ)氣罐與空氣控制盤之間、空氣控制盤與上頂栓用氣缸之間）；

(d)排氣用的大消音器。

圖6 與蓄能器連接

與此相反，在采用油壓式上頂栓時(shí)，不需要上述大型空氣壓縮機(jī)和大型儲(chǔ)氣罐，連接管道也只需連接油壓式上頂栓用的油壓裝置與上頂栓之間的管道(出、入兩條管線)即可。

至于運(yùn)行成本和生產(chǎn)效率，與采用大型空氣壓縮機(jī)的普通型上頂栓相比，油壓式上頂栓可以降低升降上頂栓所需運(yùn)行成本的80%左右(神戶制鋼所根據(jù)電力消耗計(jì)算)。另外，通過(guò)提高升降上頂栓的速度可提高生產(chǎn)效率約6%(神戶制鋼所計(jì)算結(jié)果)。

油壓上頂栓還有如下特征：

(a)由于不排氣，所以可以降低噪聲；

(b)具有與原有設(shè)備的互換性，可直接將油壓式上頂栓安裝在原有密煉機(jī)的上部；

(c)檢修時(shí)將氣動(dòng)式改為油壓式很方便；

(d)由于將油壓式上頂栓設(shè)在料斗的側(cè)部，所以更換襯墊簡(jiǎn)便，萬(wàn)一發(fā)生漏油，油也不會(huì)混入膠料中。

上述優(yōu)點(diǎn)獲得了輪胎生產(chǎn)企業(yè)和橡膠工業(yè)制品生產(chǎn)企業(yè)的肯定。特別是輪胎生產(chǎn)企業(yè)，它們認(rèn)為油壓式上頂栓既可以節(jié)能，還可以通過(guò)縮短上頂栓的升降時(shí)間來(lái)提高生產(chǎn)效率。油壓式上頂栓還有可能成為標(biāo)準(zhǔn)裝備。

3 結(jié) 語(yǔ)

作為節(jié)能型密煉機(jī)，文中介紹了由神戶制鋼所制造的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子之一——4WH轉(zhuǎn)子的混煉性能，和可降低運(yùn)行成本、提高生產(chǎn)效率的油壓式上頂栓。

目前，利用這項(xiàng)技術(shù)制造的專用設(shè)備可用于批量工業(yè)化生產(chǎn)，獲得了輪胎生產(chǎn)企業(yè)和橡膠工業(yè)制品生產(chǎn)企業(yè)的高度評(píng)價(jià)，大多數(shù)生產(chǎn)廠家正在使用這些設(shè)備。

由于火力發(fā)電的燃料費(fèi)大幅度增加，和可再生能量全部買入制度的實(shí)施，電費(fèi)支出增加，所以各企業(yè)正在考慮通過(guò)引入節(jié)能型密煉機(jī)來(lái)降低運(yùn)行成本。

[1]田中雄介.ゴム混練機(jī)の省エネ技術(shù)[J].Polyfile,2012,(10):46-49.