乳膠絲擠出工藝系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)及膠液恒壓控制

甘木伙，甘澤培，溫澄濱，王 柱，王天雷

（1.開平市嘉仁乳膠設(shè)備制造有限公司，廣東 開平 529337；2.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020）

0 引言

乳膠絲因其彈性優(yōu)良、絕緣性高、拉伸強(qiáng)度高、耐磨性良好等特點(diǎn)，在服裝、家具、醫(yī)用及軍事等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]。受乳膠絲原料產(chǎn)地影響，乳膠絲生產(chǎn)主要集中印度尼西亞、泰國、馬來西亞等東南亞國家，國內(nèi)乳膠絲生產(chǎn)規(guī)模尚小，產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。隨著乳膠絲應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，特別是紡織服裝行業(yè)，對乳膠絲質(zhì)量要求不斷提高[2]。

目前，國際上意大利浦賽斯公司（Process Engineering S.r.L）生產(chǎn)成套設(shè)備居國際領(lǐng)先水平，在泰國、馬來西亞、印度等國家出售多條生產(chǎn)線，該公司技術(shù)和設(shè)備特點(diǎn)可概括為：生產(chǎn)線自動化水平較高、能耗低；改進(jìn)后醋酸回收裝置可回收60%～80%醋酸，降低了成本和污水排放；一次可同時(shí)壓出400根膠絲，生產(chǎn)效率較高。

嘉仁乳膠設(shè)備制造公司是制造乳膠絲成套裝備的企業(yè)，生產(chǎn)線長132 m，設(shè)備占地面積約600 m2。該公司2006 年研制出拼帶乳膠絲成套裝備，特別是對生產(chǎn)線中的膠帶冷卻、膠絲隔離與拼帶，以及恒壓擠出控制等工藝與設(shè)備一直在進(jìn)行改進(jìn)與完善[1,3-5]。截止目前，已為福建三信、浙江瑞安金盛、越南DAKRUCO、福建百祺、海南經(jīng)緯等公司提供了52 條一次可同時(shí)擠壓出368 根膠絲的高性價(jià)比的成套乳膠絲生產(chǎn)線，目前均在正常運(yùn)行。

乳膠絲擠出是乳膠絲生產(chǎn)中一道重要工序，膠液擠出壓力的變化造成擠出乳膠流量的波動，導(dǎo)致膠絲直徑的一致性下降，甚至產(chǎn)生斷絲。針對上述問題，本文對乳膠絲生產(chǎn)線的擠出工藝及膠絲恒壓擠出控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，并改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種乳膠絲恒壓液位控制的擠出工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了膠液擠出時(shí)恒壓閉環(huán)控制。

1 乳膠絲擠出工藝

擠出工藝是乳膠絲生產(chǎn)過程中的一個(gè)最為重要的環(huán)節(jié)，大致可分為4 種：（1）采用擠出機(jī)擠出圓型橡膠絲工藝；（2）薄片切割排絲工藝，即采用薄片將橡膠切割為方型截面積橡膠排絲工藝；（3）常壓下醋酸凝固壓出法單根乳膠絲工藝；（4）恒溫恒壓醋酸凝固壓出法拼帶乳膠絲工藝。上述4 種膠絲工藝中，工藝（1）已被淘汰。工藝（2）由于規(guī)格較少，比重大，彈性低，伸長小，無法滿足包裝線500%開度要求，且截面為方型，織出的松緊帶表面不平整，只適用于低檔產(chǎn)品。工藝（3）生產(chǎn)效率低，目前也已淘汰。工藝（4）為恒溫恒壓醋酸凝固壓出法的拼帶乳膠絲工藝，該工藝效率高，能耗低，外觀漂亮，適用于國際標(biāo)準(zhǔn)（80 錠）包線機(jī)使用，是目前較為先進(jìn)的膠絲生產(chǎn)工藝。

1.1 改進(jìn)前乳膠絲擠出工藝系統(tǒng)

恒壓乳膠絲擠出工藝系統(tǒng)由膠料罐、高位罐、擠出總管、送料膠管、回流除泡裝置、低位罐（直徑500 mm）、送料氣動隔膜泵、擠出總成、回流口、液位標(biāo)識管、溢流口、過濾器、食品級隔膜閥、調(diào)節(jié)總管閥門和回流閥等組成[6]。關(guān)鍵裝置如下。

（1）回流真空除泡裝置

該裝置為公司自制裝備，利用回流膠液沿切向輸入后的壓力在罐內(nèi)形成攪拌，使膠液中的氣泡迅速上升，真空作用加速其破裂，空氣由真空泵抽出，實(shí)現(xiàn)快速脫氣。

（2）送料氣動隔膜泵

該泵以壓縮空氣為動力，在其兩個(gè)對稱工作腔中各裝一塊有彈性的隔膜，聯(lián)桿將兩塊隔膜結(jié)成一體[7]。壓縮空氣從泵的進(jìn)氣接頭進(jìn)入配氣閥后，推動兩個(gè)工作腔內(nèi)的隔膜，驅(qū)使聯(lián)桿聯(lián)接的兩塊隔膜同步運(yùn)動。與此同時(shí)，另一工作腔中的氣體則從隔膜的另一側(cè)排出泵外。一旦到達(dá)行程終點(diǎn)，配氣機(jī)構(gòu)則自動地將壓縮空氣引入另一個(gè)工作腔，推動隔膜朝相反方向運(yùn)動，形成兩個(gè)隔膜的同步往復(fù)運(yùn)動。每個(gè)工作腔設(shè)置有兩個(gè)單向球閥，隔膜的往復(fù)運(yùn)動，工作腔容積不斷改變，迫使兩個(gè)單向球閥交替地開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)液體連續(xù)地吸入和排出。其主要特點(diǎn)為：容積式工作，且進(jìn)口為球閥，可輸送含顆粒、不同粘度或腐蝕性粘稠的流體，不易堵塞；對物料攪動小，剪切力極低，適用于不穩(wěn)定物質(zhì)的輸送等。

（3）過濾器

選用由多個(gè)50目的無紡布袋組成的頂入袋式過濾器，具有過濾精度高、處理量大、成本低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

（4）隔膜閥

該閥采用隔膜作啟閉件封閉流道、截?cái)嗔黧w、并將閥體內(nèi)腔和閥蓋內(nèi)腔隔開的截止閥。隔膜常用橡膠、塑料等彈性、耐腐蝕、非滲透性材料制成，其結(jié)構(gòu)簡單，密封和防腐性能較好，流體阻力小，適用于低壓、低溫、腐蝕性較強(qiáng)和含懸浮物質(zhì)的流體介質(zhì)。

此外，擠出總成、浮力式液位顯示器和液位標(biāo)識管等將在本文第2節(jié)中詳述。

1.2 乳膠絲擠出工藝流程

混合膠料以膠乳為主要原料，加上二氧化鈦、氧化鋅、硫磺等20 余種其他工業(yè)原料，經(jīng)攪拌、均質(zhì)再裝入罐中，再經(jīng)過濾后進(jìn)入擠出總成，擠出后要直接進(jìn)入含有一定比例的醋酸，再經(jīng)過一定溫度的水去掉醋酸。出水后乳膠絲需作烘干、脫硫處理，并按所需寬度進(jìn)行壓制成帶。

乳膠絲擠出工藝流程如圖1 所示，根據(jù)膠液的流向分析如下。

圖1 乳膠絲擠出工藝中的自動恒壓系統(tǒng)

（1）混合膠料進(jìn)入擠壓總成回路：由泵送入膠料罐→直徑為500 mm的低位罐→送料氣動隔膜泵→過濾器→高位罐→食品級隔膜閥和調(diào)節(jié)總管閥門→擠出總成→經(jīng)由輥筒→落入醋酸槽。

（2）回流余料循環(huán)回路：擠出總成流出回流余料→回流閥→回流除泡裝置→低位罐→送料氣動隔膜泵→過濾器→高位罐→擠出總成（重復(fù)使用）。

（3）動力回路：電機(jī)+變頻器→氣泵→氣動節(jié)流閥→送料氣動隔膜泵。

（4）高位罐料液溢出回路：溢出口→膠料罐，同時(shí)液位報(bào)警。

（5）恒定壓力控制回路：本文第2節(jié)中詳述。

2 膠液擠出恒壓控制系統(tǒng)

2.1 擠出總成組成及工作過程

（1）擠出總成的組成

擠出總成由進(jìn)料管、穩(wěn)壓器、出料膠管、進(jìn)料筒、連接膠管、不銹鋼出料管、擠出接頭、出料連接膠管和玻璃噴頭等組成，如圖2所示。

圖2 乳膠絲擠出總成

（2）擠出總成工作過程

高位罐內(nèi)的乳膠液（界面高度為45 m）經(jīng)由食品級隔膜閥和調(diào)節(jié)總管閥門→進(jìn)料管→穩(wěn)壓器→出料膠管（8根）→出料筒（長4 m，內(nèi)徑為108 mm 不銹鋼管，管上沿軸向，兩排均布、錯(cuò)開地排列了368 個(gè)小孔，孔上焊有不銹鋼擠出接頭）→連接膠管→玻璃噴頭（孔徑可選配1.80 mm、1.45 mm、1.0 mm 等）→乳膠絲→經(jīng)由輥筒→落入醋酸槽進(jìn)行凝膠、固化定型。圖2（a）中的箭頭為乳膠流經(jīng)方向，圖2（b）所示為擠出總成后面部分的結(jié)構(gòu)布局。

2.2 自動恒壓裝置

2.2.1 基本要求

要求乳膠絲彈性優(yōu)良、拉伸強(qiáng)度高、抗撕裂性和耐磨性良好等特點(diǎn)，膠絲直徑一致。根據(jù)乳膠絲工藝要求，擠出噴頭處乳膠壓力值恒定為0.45 MPa，乳膠比重為0.993 g/cm3。設(shè)計(jì)的高位罐液面與擠出噴頭的落差為4.5 m，可滿足上述基本要求。除噴頭孔徑外，膠料流經(jīng)噴頭的流量和速度均影響膠絲直徑，而噴頭處膠料壓力則直接影響其流量和速度。

2.2.2 高位罐液位檢測與控制

（1）液位檢測方法

液位檢測按其工作原理可分為[8-12]：①差壓式（靜壓式），即根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位；②磁致伸縮液位測量是引用磁致伸縮線性位移傳感器進(jìn)行測量；③雷達(dá)液位測量法采用的是微波脈沖測量原理；④超聲波液位測量是采用脈沖回波法來檢測液位；⑤光纖液位測量原理是利用力平衡原理和光傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對液位檢測；⑥浮力式液位檢測是根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮筒的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。

幾種液位測量方法的性能如表1 所示。由表可知，差壓法檢測方法直觀、簡單，但操作時(shí)間較長，不適用于較惡劣環(huán)境；磁致伸縮液位測量法的測量精度較高，測量范圍大，測量精度可達(dá)0.1～0.5 mm，但液位儀與被測液體接觸，易腐蝕；雷達(dá)液位檢測是近年來一種很先進(jìn)的檢測方法，其測量范圍相對其他的檢測方法大，但雷達(dá)信號以電磁波的形式傳播，抗干擾性較差；超聲波檢測的精度很高，但抗干擾性、穩(wěn)定性較差；光纖液位測量不帶電，抗電磁干擾，適合在易燃易爆場所使用，其傳輸容量大，測量范圍廣，但測量精度有待盡一步提高。

表1 儲罐液位檢測方法對比

浮力法測液位是依據(jù)力平衡原理，配合扭力管的力學(xué)感應(yīng)保證液位測量的精度。在介質(zhì)密度變化較小、操作壓力范圍寬的場合，宜選用浮筒式液位計(jì)測量液位（界面）。浮筒液位計(jì)通常應(yīng)用于以下3 種情況：①測量范圍在2 000 mm 以內(nèi)，密度為0.5～1.5 g/cm3的液位測量；②測量范圍在1 400 mm 以內(nèi)，密度差為0.15～0.5 g/cm3的液體界面測量；③真空、負(fù)壓或易氣化液體的液位測量。

（2）液位控制

根據(jù)上述分析，考慮實(shí)際工況與工作環(huán)境，選擇浮筒液位計(jì)與磁翻板液位計(jì)進(jìn)行檢測與控制液位，見圖1。浮筒液位計(jì)是將浮筒沉浸于液體，檢測浮筒位置的變化可測出液位高低。磁翻板液位計(jì)是基于浮力原理和磁性耦合作用原理設(shè)計(jì)的。當(dāng)被測容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)主導(dǎo)管中的浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的磁鋼通過磁耦合傳遞到現(xiàn)場指示器，實(shí)現(xiàn)液位的指示。其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)牢固、工作可靠、顯示醒目。

（3）測控方法

液位測控方法如圖3所示，當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子會跟隨液面上下移動，測出浮子的位移可知高位罐膠液界面高度的變化量。對膠液界面高度的控制是通過電機(jī)帶動氣泵，驅(qū)動氣動隔膜泵將膠液從低位罐送至高位罐來實(shí)現(xiàn)。

圖3 膠液擠出壓力檢測與控制流程

由于高位罐需要頻繁補(bǔ)充膠液，并考慮節(jié)能、噪聲和使用壽命等因素，系統(tǒng)采用了變頻電機(jī)。

當(dāng)高位罐膠液界面高度H低于設(shè)定高度H0(( 45±0.5 ) m ) 時(shí)，即H≤44.5 m，與之對應(yīng)的膠絲擠出壓力p≤0.445 MPa，系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)啟動變頻電機(jī)驅(qū)動氣泵，送料氣動隔膜泵將膠液送向高位罐輸。

當(dāng)膠液的界面低于設(shè)定的高度時(shí)，即H＞45.5 m，則p＞0.455 MPa，液位高于允許值，系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)停止變頻電機(jī)，切斷膠料輸送工作。

一般情況允許保持有少量膠乳混合液通過溢流口回流到膠料罐，用以保持高位罐的液位恒定。圖4～5 所示分別為后續(xù)的乳膠絲定型和拼帶工序。

圖4 乳膠絲落入醋酸槽定型

圖5 乳膠絲拼帶

2.3 恒壓系統(tǒng)存在問題分析及改進(jìn)措施

（1）原系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)為一般異步電機(jī)，對高位罐液位傳感器信號反映不靈敏，在頻繁啟動/停止時(shí)，驅(qū)動電機(jī)動作滯后，使膠絲擠出壓力波動范圍大，導(dǎo)致絲徑偏差和擠出時(shí)斷絲率偏大，膠絲質(zhì)量不穩(wěn)定。改進(jìn)措施如圖1 所示。增加德國SEW 公司生產(chǎn)的0.37 kW 變頻電機(jī)，電機(jī)（K37DRS71S4）、控制器（MC07B0005），該電機(jī)對頻繁啟動/停止的信號反應(yīng)迅速，降低膠絲擠出壓力的波動，絲徑偏差控制在±0.02 mm范圍。

（2）由p=Q/v（p為壓力；Q為流量；v為流速）可知，當(dāng)膠絲噴頭處壓力p恒定，Q↑→v↑；當(dāng)噴頭孔徑?改變時(shí)，?↓→v↑；即膠絲由噴頭擠出速度v與孔徑成反比；擠出工藝要求不同直徑規(guī)格的膠絲擠出落入醋酸槽進(jìn)行凝膠的速度一致，v過大醋酸槽無法很好地處理，v太小影響生產(chǎn)率。針對上述情況，在膠絲噴頭處增加了不同型號膠絲適配調(diào)節(jié)閥（圖1），控制乳膠流量，適應(yīng)不同直徑規(guī)格的膠絲產(chǎn)品。

3 新系統(tǒng)投產(chǎn)應(yīng)用及性能檢測

（1）檢測產(chǎn)品與采用方法

不同批次的產(chǎn)品為37#膠絲，每間隔2 h 采樣一次進(jìn)行檢測。

（2）檢測項(xiàng)目與檢測方法

部分檢測項(xiàng)目是采用我國工業(yè)與信息化部2012年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。

（3）檢測結(jié)果

如表2 所示，根據(jù)所列指標(biāo)對最新一代乳膠絲生產(chǎn)線的37#膠絲產(chǎn)品進(jìn)行檢測，并將結(jié)果與改進(jìn)前生產(chǎn)線產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

表2 改進(jìn)前后系統(tǒng)部分指標(biāo)實(shí)測值及其對比

由檢測結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的恒壓擠出系統(tǒng)生產(chǎn)的膠絲外觀缺陷率、擠出時(shí)斷絲率和600%定伸永久變形分別減少了10%、0.7%和7%，絲徑偏差由±0.06 mm減少到±0.02 mm，扯斷伸長率和原料利用率分別提高了7.69%和5.3%。

4 結(jié)束語

（1）研制的成套乳膠絲生產(chǎn)線可同時(shí)擠壓出368 根膠絲，與國外同類產(chǎn)品比較，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，已為國內(nèi)外企業(yè)提供了52 條成套乳膠絲生產(chǎn)線，目前均在正常運(yùn)行。

（2）改進(jìn)設(shè)計(jì)的膠絲恒壓擠出控制系統(tǒng)可適應(yīng)不同型號膠絲生產(chǎn)的快速調(diào)節(jié)與膠液擠出恒壓閉環(huán)控制，投產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

（3）檢測結(jié)果表明：改進(jìn)后的恒壓擠出系統(tǒng)生產(chǎn)的膠絲外觀缺陷率、擠出時(shí)斷絲率和600%定伸永久變形分別減少了10%、0.7%和7%，絲徑偏差由±0.06 mm 減少到±0.02 mm，扯斷伸長率和原料利用率分別提高了7.69%和5.3%。