炭黑稱量投料系統(tǒng)失效模式及對(duì)策

曹練孫

(陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)橡膠有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

1 炭黑稱量投料系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）炭黑秤

它包含以下部分；螺旋輸送器、加料蝶閥、炭黑秤（秤斗、PVC內(nèi)襯、震動(dòng)氣缸、卸料蝶閥、上呼吸罩、下呼吸管及排料管、氣壓平衡管、順料筒、氣控管路、電磁閥）。

（2）備料斗

它包含以下部分：備料斗本體、呼吸換氣罩、PVC內(nèi)襯、震動(dòng)氣缸、料位計(jì)、卸料蝶閥、褲襠叉、排料管與震動(dòng)裝置。

2 稱量投料過(guò)程

配方選定所需稱量炭黑的日儲(chǔ)罐，當(dāng)發(fā)出稱量指令時(shí)，日儲(chǔ)罐底下對(duì)應(yīng)的螺旋輸送器開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)螺旋末端的加料蝶閥打開(kāi)，炭黑從日儲(chǔ)斗流入螺旋加料器，在螺旋的作用下，炭黑被推入炭黑秤內(nèi)，此時(shí)螺旋高速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)炭黑秤內(nèi)的炭黑到達(dá)配方設(shè)定值約95%左右，螺旋自動(dòng)轉(zhuǎn)為低速，當(dāng)其值達(dá)到配方的98%左右，螺旋轉(zhuǎn)為點(diǎn)動(dòng)補(bǔ)秤，直至達(dá)到配方設(shè)定值時(shí)停止。

炭黑秤在稱量過(guò)程中，炭黑進(jìn)入秤斗內(nèi)，秤斗內(nèi)的氣體由位于炭黑秤頂部的上呼吸罩排出。

當(dāng)上輔機(jī)發(fā)出炭黑秤卸料命令，炭黑秤底部的卸料蝶閥打開(kāi)，側(cè)面的震動(dòng)氣缸開(kāi)始震動(dòng)，炭黑排入備料斗，與此同時(shí)，頂部的呼吸罩源源不斷的向炭黑秤內(nèi)部補(bǔ)氣，以避免炭黑秤在排料時(shí)內(nèi)部形成真空而導(dǎo)致排料不順暢所造成的炭黑殘留。

當(dāng)炭黑秤排料完畢，在氣壓平衡管的作用下，秤體上下氣壓處在同一壓力場(chǎng)，這就是所謂的均壓平衡原理，以此消除氣壓對(duì)炭黑秤的附加作用，讓炭黑秤準(zhǔn)確歸零，為下一次稱量做好準(zhǔn)備。

炭黑秤在排料過(guò)程中，備料斗接收炭黑，斗內(nèi)的氣體通過(guò)其頂部的呼吸換氣罩排出。

當(dāng)備料斗接到向密煉機(jī)排料的命令，備料斗底下的卸料蝶閥打開(kāi)，炭黑通過(guò)褲襠叉的通道排入密煉機(jī)，同時(shí)換氣罩向備料斗補(bǔ)氣，震動(dòng)氣缸開(kāi)始震動(dòng)，當(dāng)料位計(jì)檢測(cè)到備料斗內(nèi)無(wú)料時(shí)，延時(shí)數(shù)秒，蝶閥關(guān)閉，震動(dòng)停止，為接收下一車(chē)炭黑做好準(zhǔn)備。

3 失效原因分析及仿真

炭黑稱量投料系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。其失效模式分析如下：

（1）炭黑多加、少加。

（2）炭黑在備料斗內(nèi)起拱堆積，排不下去，進(jìn)不了密煉機(jī)，有時(shí)甚至堆積到炭黑秤底部。

原因分析如下。

3.1 炭黑多加：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，超出公差范圍的主要原因

（1）炭黑（尤其是白炭黑）物性差異較大，從日儲(chǔ)罐向炭黑秤加料時(shí)，有的流的快，有的流的慢，當(dāng)炭黑秤處在點(diǎn)動(dòng)接近設(shè)定值時(shí)，流動(dòng)性好流得快的炭黑還沒(méi)有等系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)來(lái)，在蝶閥還沒(méi)有來(lái)得及關(guān)閉時(shí)，就迅速?zèng)_下去好幾公斤。

圖1 炭黑稱量投料系統(tǒng)圖

（2）當(dāng)日儲(chǔ)罐處于低料位，密煉機(jī)正在生產(chǎn)稱量炭黑，如果此時(shí)進(jìn)行炭黑壓送，壓送氣流就會(huì)通過(guò)較薄的料層加速炭黑的流動(dòng)，使之不可控，造成多加。

（3）當(dāng)炭黑秤在點(diǎn)動(dòng)稱量時(shí)，日儲(chǔ)罐椎體部分吹風(fēng)破拱，同樣會(huì)造成炭黑的加速流動(dòng)。

（4）即使是同一品種白炭黑或炭黑，由于在運(yùn)輸、存放、壓送以及在日儲(chǔ)斗存儲(chǔ)過(guò)程中的各種因素影響，也會(huì)造成車(chē)次之間的流動(dòng)性有比較大的差異，從而導(dǎo)致時(shí)好時(shí)壞的情況發(fā)生。

（5）密煉機(jī)在煉膠過(guò)程中，由于投料門(mén)需要除塵，主除塵風(fēng)機(jī)將密煉機(jī)加料斗內(nèi)的含塵氣體抽走，這樣就在加料斗內(nèi)形成了負(fù)壓，如果備料斗底下的卸料蝶閥氣密性不好，再加上備料斗呼吸不暢，這個(gè)負(fù)壓就會(huì)通過(guò)炭黑秤排料管作用到炭黑秤上，造成附加誤差，炭黑多稱量。負(fù)壓（氣壓）造成的影響，本人在《上輔機(jī)缺陷分析及改進(jìn)》一文已有詳細(xì)論述，此處不再贅述。

3.2 炭黑少加

（1）備料斗呼吸不順暢，在排料時(shí)形成真空，斗內(nèi)有炭黑殘留。

（2）備料斗震動(dòng)裝置不靈或者失效，造成少量炭黑黏附在內(nèi)襯壁上。

（3）料位計(jì)探測(cè)不靈，給出假信號(hào)。

（4）炭黑在備料斗內(nèi)架橋起拱，炭黑下不來(lái)。

3.3 炭黑在備料斗內(nèi)堆積，直至炭黑秤

除了上述2種失效模式外，另一種更為嚴(yán)重的失效模式是備料斗內(nèi)的炭黑幾乎沒(méi)有排入密煉機(jī)，而料位計(jì)卻探測(cè)不到，一車(chē)接一車(chē)，直到堆積到炭黑秤底下的蝶閥。造成這個(gè)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)因素為料位計(jì)選型且安裝不當(dāng)。備料斗料位計(jì)原設(shè)計(jì)為音叉料位計(jì)，這種料位計(jì)在炭黑料位檢測(cè)時(shí)存在以下問(wèn)題：

（1）音叉之間容易夾粉或時(shí)間長(zhǎng)了被受潮的炭黑糊住，在備料斗內(nèi)炭黑排空后，發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，上輔機(jī)的指示燈一直在閃爍，造成生產(chǎn)中斷；為了解決這個(gè)問(wèn)題，上輔機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)將此種狀況變通為：當(dāng)料位計(jì)指示燈處于閃爍狀態(tài)時(shí)，延時(shí)數(shù)秒，默認(rèn)備料斗內(nèi)炭黑已排放干凈，關(guān)閉卸料蝶閥，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。這種設(shè)計(jì)方案雖然解決了料位計(jì)經(jīng)常誤發(fā)信號(hào)問(wèn)題，但是卻給炭黑起拱，沒(méi)有排放干凈判斷不清，埋下了隱患。

（2）音叉的兩個(gè)震動(dòng)叉為扁平結(jié)構(gòu)，正常安裝應(yīng)保持兩個(gè)叉的寬面處于垂直狀態(tài)，但是，由于安裝方式為螺紋式，在擰緊音叉可能出現(xiàn)歪斜，很難保證其處在垂直狀態(tài)，最為嚴(yán)重的是兩個(gè)叉子的寬面處于水平位置，呈上下分布狀態(tài)，上面的叉子成為了擋板，這樣在使用過(guò)程中，只要叉子之間排完了炭黑，而在叉子的上部即使有炭黑，音叉也會(huì)誤認(rèn)為斗內(nèi)無(wú)炭黑。

（3）當(dāng)位于音叉探測(cè)部周?chē)奶亢谂趴?，而斗?nèi)嚴(yán)重架橋起拱時(shí)，音叉也會(huì)誤判。造成架橋的原因后面詳述之。

3.4 炭黑在備料斗內(nèi)架橋起拱仿真

仿真情形見(jiàn)圖2和圖3。

仿真過(guò)程：筆者按照備料斗的尺寸縮小比例自制了一個(gè)小的備料斗，備料斗底下放了一個(gè)儲(chǔ)料桶，在備料斗內(nèi)倒入炭黑進(jìn)行仿真：第一次倒入顆粒狀+小條狀的白炭黑，打開(kāi)底部放料閥，不開(kāi)震動(dòng)，白炭黑靠自重可以完全滑入儲(chǔ)料桶；第二次倒入顆粒狀+少量粉化狀的炭黑，打開(kāi)底部放料閥，不開(kāi)震動(dòng)，炭黑大部分可以靠自重滑入儲(chǔ)料桶，但是備料斗璧上有少量的炭黑殘留且下料速率較慢；第三次倒入與第二次相同的炭黑，打開(kāi)底部放料閥，同時(shí)開(kāi)震動(dòng)，這時(shí)炭黑很快的滑入儲(chǔ)料桶而且備料斗壁上無(wú)炭黑殘留，上述仿真情形見(jiàn)圖2；第四次倒入除塵器回收炭黑，見(jiàn)圖3，此炭黑主要是白炭黑和炭黑的混合物(完全呈粉狀，粒徑很細(xì)，看上去很松軟，測(cè)得比重為0.32)，打開(kāi)底部放料閥，可以觀察到，備料斗的炭黑在中間部位稍微凹陷了一點(diǎn)點(diǎn)后，就靜止不動(dòng)了，這時(shí)打開(kāi)振動(dòng)器，炭黑依然紋絲不動(dòng)，然后我們用工具敲打備料斗壁，給予更加強(qiáng)烈的震動(dòng)，甚至是搖晃備料斗，炭黑還是下不去，這種情況表明：炭黑嚴(yán)重架橋起拱了。第四次的仿真重復(fù)了三次，結(jié)果一致。因此，通過(guò)仿真可以認(rèn)定：在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)在某一車(chē)次所投放的白炭黑或炭黑達(dá)到上述相同或類似物性條件時(shí)，就會(huì)架橋起拱，排放不下去，然后一車(chē)接一車(chē)堆積，直至炭黑秤底部。

圖2 炭黑在備料斗內(nèi)架僑起拱仿真1

圖3 炭黑在備料斗內(nèi)架橋起拱仿真2

3.5 褲襠叉失效模式

為了工藝上校核炭黑秤實(shí)際稱量精度以及生產(chǎn)排錯(cuò)料的需要，在備料斗的底部，通常都設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)褲襠叉。它的功能如下：當(dāng)密煉機(jī)正常工作時(shí)，褲襠叉里面的閥板關(guān)閉排錯(cuò)料口，備料斗里面的炭黑投入密煉機(jī)；當(dāng)需要校驗(yàn)炭黑秤精度和排錯(cuò)料時(shí)，閥板關(guān)閉炭黑流向密煉機(jī)的口，備料斗里面的炭黑流入排錯(cuò)料口，事實(shí)上，用這種方式根本無(wú)法有效的校驗(yàn)炭黑秤精度，其原因如下：

（1）褲襠叉的這種翻板式簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，無(wú)法保證閥板能夠有效的密封。

（2）由于不密封，往往在排錯(cuò)料口后面安裝一個(gè)蝶閥來(lái)控制泄漏，這個(gè)蝶閥正常狀況時(shí)關(guān)閉，當(dāng)需要校驗(yàn)炭黑秤或排錯(cuò)料時(shí)打開(kāi)，為了滿足安裝要求，蝶閥與褲襠叉的閥板之間必須有一段短管，否則蝶閥無(wú)法安裝，這段短管在密煉機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)被褲襠叉泄漏出來(lái)的炭黑填滿，其附加的重量使得炭黑秤的精度校驗(yàn)嚴(yán)重失真，毫無(wú)意義。

（3）由于長(zhǎng)時(shí)間不用，閥板就會(huì)卡在排錯(cuò)料位置，當(dāng)需要使用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)打不開(kāi)或打開(kāi)后關(guān)閉不嚴(yán)的情形發(fā)生。

（4）一旦關(guān)閉不嚴(yán)，在校驗(yàn)炭黑秤的精度時(shí)，就會(huì)有一部分炭黑流入密煉機(jī)，這樣的結(jié)果同樣使得炭黑秤的精度校驗(yàn)嚴(yán)重失真。

4 對(duì)策與改進(jìn)措施

針對(duì)上述情況，我們經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)論證和借鑒其他行業(yè)類似工況的成功經(jīng)驗(yàn)，采取了如下對(duì)策措施，詳見(jiàn)圖4。

（1）將炭黑秤上部的呼吸罩面積加大到2 m2，濾材采用防靜電里子布，以改善換氣性能。

（2）在日儲(chǔ)罐椎體與螺旋送料器的連接處安裝手動(dòng)插板閥，調(diào)節(jié)從日儲(chǔ)罐進(jìn)入螺旋的炭黑流量，防止沖過(guò)頭。

（3）日儲(chǔ)罐破拱風(fēng)壓力調(diào)整至0.2～0.4 kg，消除因破拱風(fēng)壓力過(guò)高造成的過(guò)快的炭黑流速，同時(shí)在程序上關(guān)聯(lián)，稱量時(shí)不破拱。

（4）當(dāng)日儲(chǔ)罐處低料位時(shí)，程序設(shè)定如果此時(shí)壓送炭黑，炭黑秤就不能稱量，消除壓送風(fēng)對(duì)炭黑秤造成的誤差。

（5）將炭黑秤底下的氣壓平衡管硬管部分加長(zhǎng)，避免因管道過(guò)短，硬管與軟管連接處積存炭黑造成的堵管導(dǎo)致平衡管失效的情形發(fā)生。

圖4 改進(jìn)后的炭黑稱量投料系統(tǒng)圖

（6）將炭黑秤底下排料管的呼吸器加長(zhǎng)并增大過(guò)濾換氣面積，面積加大至1 m2，同時(shí)過(guò)濾材料由針刺滌綸氈濾筒改為防靜電里子布，以改善自然換氣效果。

（7）將流動(dòng)性太好、稱量難以控制的白炭黑（炭黑）放到長(zhǎng)螺桿的料倉(cāng)內(nèi)，增加稱量輸送阻力。

（8）在三樓樓板開(kāi)一個(gè)直徑200 mm的孔，放一根直徑150 mm的軟管與備料斗的排氣口相連接，軟管的另一端在三樓與一個(gè)2 m2的呼吸罩連接，呼吸罩過(guò)濾材質(zhì)采用防靜電里子布制作，這個(gè)呼吸罩在炭黑秤向備料斗排料時(shí)，將備料斗內(nèi)的空氣排出來(lái)，當(dāng)備料斗向密煉機(jī)排料時(shí)，向備料斗補(bǔ)氣，消除密煉機(jī)加料斗負(fù)壓對(duì)炭黑秤的影響，同時(shí)，有效的保障了備料斗內(nèi)的氣壓始終與大氣壓等壓，消除真空效應(yīng)所帶來(lái)的排料不盡和附加誤差。

（9）在備料斗的中心部位，插入一根4分管，管子的下端安裝一個(gè)規(guī)格1英寸的金屬燒結(jié)濾芯消音器，其深度控制在距離卸料閥上平面350 mm左右，管子的上端位于備料斗的蓋板上部約500 mm，在其上面安裝一個(gè)快插接頭，外徑10 mm的PU管插入快插接頭，氣源來(lái)自震動(dòng)氣缸的氣路，當(dāng)備料斗排料，震動(dòng)氣缸開(kāi)始工作時(shí)，震動(dòng)氣源使得震動(dòng)氣缸往復(fù)動(dòng)作，同時(shí)向這根管子間歇性的吹氣，壓縮空氣通過(guò)濾芯消音器進(jìn)入備料斗的炭黑內(nèi)部，產(chǎn)生破拱作用，助推炭黑向下流動(dòng)排出。

（10）將卸料蝶閥改為氣動(dòng)偏心半球閥（可選），當(dāng)閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，流道完全暢通，排料速率加快，由于偏心半球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與蝶閥不同，它更加有利于粉料（炭黑）密封，同時(shí)可靠性進(jìn)一步得到提升。

（11）將音叉料位計(jì)改為振棒料位計(jì)，降低音叉夾粉誤發(fā)信號(hào)所產(chǎn)生的故障。

（12）將褲襠叉去掉，用一根夾布橡膠管將備料斗與后加料器連起來(lái)，橡膠管兩端均為快裝卡箍接頭，上端與備料斗連接，下端與后加料器連接，當(dāng)需要檢量炭黑秤的精度，或者是排錯(cuò)料時(shí)，只要將上端或下端的快裝卡箍松開(kāi)即可。這樣改進(jìn)的結(jié)構(gòu)不僅密封良好，而且操作也十分簡(jiǎn)便，更為重要的是，消除了泄漏或累積炭黑所造成的誤差，使得檢量精度真實(shí)有效。

5 改進(jìn)效果評(píng)估

我司在新投產(chǎn)的2臺(tái)密煉機(jī)上進(jìn)行上述改進(jìn)，達(dá)成以下效果：

（1）炭黑超差1 kg以上，每月由接近300次下降至約15次。

（2）總超差率（超差次數(shù)/生產(chǎn)總車(chē)次）由50‰下降到2‰。

（3）除了超差1 kg以上的，其余超差均在工藝可接受范圍內(nèi)。

（4）炭黑架橋起拱堆積到炭黑秤底部的現(xiàn)象得到徹底消除，僅此一項(xiàng)，每年減少的膠料品質(zhì)下降、報(bào)廢和返工損失費(fèi)用在50萬(wàn)元以上。

（5）備料斗平均排料速率快了5 s，縮短了無(wú)效時(shí)間，提高了效率。

（6）炭黑秤的檢量變得真實(shí)有效，有利于品質(zhì)管控。

（7）系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性有了很大的提高，因炭黑投料稱量系統(tǒng)失效造成非正常停機(jī)檢修，致使生產(chǎn)中斷頻次大大下降。

（8）整個(gè)系統(tǒng)密封性提高，粉塵外泄減少，環(huán)境污染得到了根本性的改善。