橡膠微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化研究

陳海龍，李 濤，張 偉，梁 云，李慶領(lǐng)

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

硫化是橡膠加工中的最后一道工序，其目的是使橡膠制品各個(gè)部位的物理性能達(dá)到最佳。由于橡膠是熱的不良導(dǎo)體，傳熱速度慢，在熱量由外向內(nèi)傳遞的傳統(tǒng)加熱過(guò)程中，通常內(nèi)部達(dá)到正硫化時(shí)，外部往往早已過(guò)硫化。微波加熱不同于一般的外部熱源由表及里的傳導(dǎo)式加熱，而是材料在電磁場(chǎng)中由于介質(zhì)內(nèi)部的功率損耗而引起體積加熱，可以大大縮短加熱時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

日本研究者采用2 450 MHz、5～10 kW的微波加熱設(shè)備對(duì)輪胎進(jìn)行加熱，升溫到硫化溫度后用熱風(fēng)保溫，可硫化質(zhì)量3～4 t的輪胎[1]；美國(guó)研究者采用915 MHz、50 kW的喇叭天線作為輻射加熱器，可利用程序控制對(duì)大型輪胎進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，其優(yōu)點(diǎn)是加熱均勻、硫化時(shí)間縮短1/3。本課題組在研究膠料硫化溫度場(chǎng)對(duì)其熱物性參數(shù)影響的基礎(chǔ)上，對(duì)基于微波技術(shù)的橡膠硫化基礎(chǔ)理論進(jìn)行了探索，初步研究了橡膠微波加熱硫化過(guò)程溫度場(chǎng)隨加熱時(shí)間和微波功率的變化規(guī)律以及波導(dǎo)對(duì)橡膠微波加熱硫化的影響[2-5]。經(jīng)研究得知，微波加熱可以縮短硫化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，但在加熱均勻性方面還不夠理想。本工作在此基礎(chǔ)上，提出了微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化方式，對(duì)橡膠的微波加熱硫化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

1 橡膠微波加熱硫化

根據(jù)橡膠微波加熱硫化理論[4]，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)加熱模型內(nèi)的高頻電磁場(chǎng)及其與溫度場(chǎng)的耦合場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。微波功率為10 kW，微波頻率為2 450 MHz，膠料密度為1.120 Mg m-3，膠料的相對(duì)介電常數(shù)為3，膠料的初始溫度為20 ℃，加熱時(shí)間分別為60，90，120，150，180和240 s。由于只是加熱時(shí)間不同，因此不同加熱時(shí)間下橡膠內(nèi)的焦耳熱密度分布相同。

橡膠模型內(nèi)的焦耳熱密度分布如圖1所示。從圖1可以看出，橡膠模型內(nèi)焦耳熱密度分布不均勻，越靠近中間部位焦耳熱密度越大，且隨微波的傳播焦耳熱密度減小。這是由于波導(dǎo)模型內(nèi)電磁場(chǎng)分布不均勻和波在傳播過(guò)程中損耗，從而出現(xiàn)不均勻性傳播造成的。

圖1 焦耳熱密度分布云圖

不同加熱時(shí)間下橡膠模型內(nèi)的溫度分布如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：由于橡膠模型內(nèi)焦耳熱密度分布的不均勻性造成了溫度分布的不均勻性，但溫度分布與焦耳熱密度分布的規(guī)律相同，即焦耳熱密度大處溫度高；微波加熱能夠使膠料整體被加熱，相同加熱時(shí)間下膠料不同部位的溫度不同，膠料中間部位溫度較高，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，膠料中間部位溫度較高區(qū)域的范圍不斷變大。

圖2 不同加熱時(shí)間下微波加熱硫化膠料中溫度的分布

微波功率為10 kW時(shí)，不同加熱時(shí)間下膠料內(nèi)部最低和最高溫度及其隨時(shí)間的變化如圖3所示。從圖3可以看出，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，膠料中的最低和最高溫度呈線性上升趨勢(shì)，膠料中間部位最高溫度升幅較大。

圖3 不同加熱時(shí)間下微波硫化膠料溫度隨時(shí)間的變化曲線

2 橡膠微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化

微波加熱雖然能夠使膠料整體被加熱，但是膠料的較高溫度集中在中間區(qū)域，邊界附近的溫度仍然較低。鑒于此種情況，考慮采用微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化方式。橡膠圓柱面和兩端平面加載140 ℃的溫度載荷，其他條件與微波加熱硫化相同。

不同加熱時(shí)間下微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化橡膠模型內(nèi)的溫度分布如圖4所示。從圖4可以看出：在兩種加熱方式共同作用下，膠料內(nèi)外能夠同時(shí)被加熱，最低溫度區(qū)域不是膠料的最外邊界，而是處在靠近最外邊界的內(nèi)部區(qū)域；相同加熱時(shí)間下的膠料不同部位溫度不同，膠料中間部位和最外邊界溫度較高，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，膠料中間部位溫度較高區(qū)域的范圍不斷增大，膠料最低溫度區(qū)域范圍逐漸減小。

圖4 微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化不同加熱時(shí)間下膠料溫度的分布

微波功率為10 kW時(shí)，兩種加熱方式共同作用下膠料最低和最高溫度及其隨時(shí)間的變化如圖5所示。從圖5可以看出：在膠料被加熱60和90 s后，由于膠料內(nèi)部受微波加熱作用沒(méi)有被加熱到140℃，因此膠料的最高溫度仍為膠料的熱邊界溫度140 ℃；隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，膠料中間部位不斷被加熱而且外部熱量不斷向內(nèi)部傳遞，膠料的溫度不斷上升，后續(xù)時(shí)間膠料的最高溫度隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)基本呈線性上升，而膠料的最低溫度自始至終隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)基本呈線性上升。

圖5 不同加熱時(shí)間下微波-傳統(tǒng)聯(lián)合硫化膠料溫度隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)論

采用有限元方法求解Maxwell方程，用有限元法求解傳熱方程，得到了膠料內(nèi)焦耳熱密度分布和溫度分布，從而得出以下結(jié)論：微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化方式下，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，膠料中間部位不斷被加熱而且外部熱量不斷向內(nèi)部傳遞，因此膠料的溫度不斷上升，膠料內(nèi)部最低溫度區(qū)域不斷減小，膠料的最低和最高溫度隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)基本呈線性上升趨勢(shì)；與微波加熱方式相比，采用微波-傳統(tǒng)聯(lián)合加熱硫化方式，加熱一定時(shí)間后，膠料內(nèi)外能夠同時(shí)被加熱，膠料內(nèi)部溫度梯度較小，溫度分布較均勻，加熱效果更優(yōu)。