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第3节密闭式炼胶机 RUBBERINTERNALMIXER 1 3 1概述 密闭式炼胶机 internalmixer 简称密炼机 是在开炼机的基础上发展起来的一种高强度间歇式混炼设备 它是一种有一对特定形状并相对回转的转子 在可调压力和温度的密闭状态下间歇性地对聚合物进行塑炼和混炼的机械 2 3 密闭式炼胶机 密炼机 全称 在密闭的密炼室中 开炼机 基础 缺点 粉尘大 劳动强度大 效率低 开放式炼胶机 实际最早是由德国W P公司的一名商业工程师 英国人 根据该公司的原型机台设计的 由于其发展较快 产量也大应用较广 故人们一直认为Banbury密炼机是最早问世的 一般均认为 Banbury在1916年发明的 4 密炼机 优点 由于它在很大程度上是凭经验发展起来的 因而在发展早期曾出现过认为塑炼效率低 不能用它来塑炼的说法 但已经为生产实践所否定 因此 密炼机的出现是炼胶机械的一项重要成果 至今仍然成为塑炼和混炼中的典型设备 并处于不断发展完善中 据国外资料统计 在橡胶工业中有88 的胶料是由密炼机制造的 塑料 树脂行业亦广泛应用密炼机 混炼时间短 生产效率高 操作容易 较好地克服粉尘飞扬 减少配合剂的损失 改善劳动条件 减轻劳动强度等 5 现代密炼机发展的标志之一是高速 高压和高效能机台 通常将转子转速为20rpm的称为低速密炼机 30 40rpm的称为中速密炼机 60rpm以上的称为高速密炼机 近年来 出现了转速达80rpm甚至更高的密炼机 亦有对工艺和效能有广泛适应性和处理手段的双速 三速 变速密炼机 也有转子速比可调节的密炼机 其操作时间大大缩短 从过去慢速机台的8 15min缩短至1 5 3 5min 甚至有的达1 1 5min 包括采用密炼法与补充混炼法配合的工艺过程等 6 密炼机的结构也在不断发展 密炼机工作过程及整个机组的机械化 自动化水平也在不断提高 采用了程序控制 现在大型引进机台均采用计算机控制 总之 此种发展是在大大强化混炼过程 提高机台效能 减轻体力劳动和改善工作环境等 在这种剧烈的混炼过程中 当然会带来许多新问题 因此 对机械研究设计来说 从机台的捏炼系统 冷却系统 密封系统 加料及压料系统 卸料系统 传动系统 控制系统 主要零部件 材料到各种参数的技术决定以及理论 都需要相应的发展 以使机台性能优良 为生产过程提供可能的适应性和调节性 7 密炼机发展方向 二大 二高 一低 大功率 大规格 大容量 高速 高压 单位能耗低 主要问题 端面密封 8 3 1 1用途与类型 1 用途密炼机主要用于橡胶的塑炼和混炼 也可用于塑料 沥青料 油毡料 搪瓷料及各种合成树脂料的混炼 9 2 分类 按转子端面形状不同 RotorSectionForm 椭圆型转子密炼机 三棱型转子密炼机 圆筒型转子密炼机 10 椭圆型 圆筒型 三棱型 11 按转子啮合与否 Intermeshing 相切型 切线型 啮合型 联锁型 按转子转速不同 RotorSpeed 慢速以XM 250为例 20rpm 中速以XM 250为例30 50rpm 高速以XM 250为例 60rpm 转速与其它机械相比 属低速范围 但对炼胶作业来讲却是高速了 因炼胶要消耗大量能量 产生大量热量 这两点都限制转速范围 12 按转子转速变化与否 单速 双速转子具有两个速度 变速 以密炼机的容量来分 大容量 规格 密炼机370L 中容量80 270L 小容量10 50L 试验用密炼机在10L以下 按转子速比 异步转子 同步转子 13 目前规范使用的式椭圆形转子密炼机 圆筒形可作为对前者工作方式的补充和发展 椭圆形密炼机的代表是美国FarrelCo制造的F系列密炼机和德国WPCo生产的GK N系列密炼机 圆筒形密炼机的代表是英国FrancisShawCo研制的K系列密炼机与德国WPCo生产的GK N系列密炼机 本章主要以椭圆形转子密炼机为例介绍密炼机的基本概况 14 3 1 2基本结构 密炼机主要由转子 密炼室 密封装置 加料及压料机构 卸料装置 传动装置 气动控制系统 液压系统 加热冷却系统 润滑系统及电控系统等部分组成 15 整体结构 整体结构 六个部分 混炼部分Mixingsection 加料部分Feedmodulesection 压料部分Pressureramsection 卸料部分Dischargesection 传动装置部分Drivesection 加热冷却系统Heating coolingsystem 气压系统Compressedairsystem 液压系统Hydrauliesystem 电控系统Elestriccontroller system 润滑系统Lubricationsystem 五个系统 底座 16 XM 250 40椭圆型密炼机结构图 17 18 密炼机 19 20 21 22 3 1 3工作原理 在密炼室内 生胶的混炼和混炼胶的混炼过程 比开炼机的塑炼和混炼要复杂的多 物料加入密炼室后 就在由两个具有螺旋棱 有速比 相对回转的转子与密炼室壁 上 下顶栓组成的混炼系统内受到不断变化反复进行的强烈剪切和挤压作用 使胶料产生剪切变形 进行了强烈的捏炼 由于转子有螺旋棱 在混炼时胶料反复地进行轴向往复运动 起到了搅拌作用 致使混炼更为强烈 23 密炼机的炼胶过程是比较复杂的 我们可以从下面的图简单地表示炼胶过程 24 混炼过程 基本步骤 1 细分 break 2 混入 捏炼 intermix blend 3 分散 微观分散 分散混炼 DispersiveMixing 4 简单结合 单纯混合 宏观分散 分布混炼 5 塑化阶段 25 生胶和配合剂由加料斗加入 首先落入两个相对回转的转子口部 在上顶栓的压力及摩擦力的作用下 被带入两转子之间的间隙处 受到一定的捏炼作用 然后由下顶栓的尖棱将胶料分开 进入转子与密炼室壁的间隙中 在此处经受强烈的剪切捏炼作用后 被破碎的两股胶料又相会于两个转子口部 然后再进入两转子间隙处 如此循环往复 胶料在密炼室中的混炼过程 26 胶料在密炼室中的混炼过程示意图 27 密炼机对物料的捏炼作用可分为转子突棱顶与密炼室内壁之间及两个转子之间两方面的四种作用来讨论 1 转子外表面与密炼室内壁之间的高剪切作用 2 转子间的搅拌 折卷作用 3 转子的轴向往返切割 搅拌作用 4 上下顶栓分流 剪切和交换作用 28 1 转子外表面与密炼室内壁间的捏炼作用 椭圆型转子密炼机尤为明显 A 密炼机中流线和填充情况示意图 B 局部放大 转子突棱棱峰处物料流动情况 29 转子表面与密炼室内壁间形成了一个环形间隙 当胶料通过此环形间隙时 则受到捏炼作用 由于转子表面制有螺旋突棱 它与密炼室形成的间隙是变化的 如XM 50密炼机间隙为4 80mm XM 250密炼机间隙为2 5 120mm 最小间隙在转子棱峰与密炼室内壁之间 当胶料通过此最小间隙时 受到强烈的挤压 剪切 拉伸作用 这种作用与开炼机两辊距的作用相似 但比开炼机的效果要大的多 这是由于转动的转子与固定不动的室壁之间胶料的速度梯度比开炼机大的多 而且 转子突棱与密炼室壁所形成的透射角尖锐 胶料在转子突棱尖端与密炼室内壁之间边捏炼 边通过 同时 还受到转子其余表面的类似滚压作用 30 2 两转子之间的混合搅拌 折卷作用 啮合型密炼机尤为明显 两转子的椭圆形表面各点与转子轴心线的距离不等 因而具有不同的圆周速度 因此两转子间的间隙和速比不是一个恒定值 而是处处不同 时时变化的 速度梯度最大值和最小值相差达几十倍 可使胶料受到强烈的剪切 挤压 搅拌作用 又由于两转子转速不同 其相对位置也是时刻变化的 使胶料在两转子间的容量也经常变化 产生强烈的混合 搅拌作用 公式 31 3 转子的轴向往返切割作用 胶料在转子上不仅会随转子作圆周运动 同时转子的螺旋突棱对物料产生轴向的推移作用 因此胶料还会沿轴向移动 由右面的突棱螺旋的受力分析可以看出 两突棱螺旋升角的不同其作用也不同 这样胶料在转子的轴向往复移动就形成了切割捏炼的作用 32 每个转子都有二个方向不同 长短不一的螺旋棱 长螺旋棱的螺旋角 30 短螺旋棱的螺旋角 45 当转子旋转时 转子螺旋棱表面对胶料产生一个垂直作用力P 这个力可分解为轴向力Px和圆周力Pa 圆周力Pa使胶料绕转子轴线转动Pa Pcos 轴向力Px使胶料沿转子轴线移动Px Psin 33 因为胶料与转子表面的摩擦力T企图阻止胶料轴向移动 故要使胶料产生轴向移动条件是 Px TxP sin P tan cos P tan P tan tan tan 为胶料与转子金属表面的摩擦角 随胶料温度变化而变 一般情况下 胶料与金属表面的摩擦角 37 38 34 从试验得知 胶料与金属表面的摩擦角 37 38 这样即可得出胶料在转子上的运动情况为 在转子长螺旋段 30 即Px Tx 因此对胶料不会产生轴向移动 仅产生圆周运动 起着送料作用及滚压揉搓作用 在转子短螺旋段 45 即Px Tx 因此胶料使产生轴向移动 对胶料往复切割 由于一对转子的螺旋长段和短段是相对安装的 从而促使胶料从转子一端移动另一端 而另一端转子又使胶料作相反方向移动 因此 使胶料来回混杂 进行强烈的混炼 35 4 上下顶栓分流 剪切和交换作用 由于上 下顶栓顶部的分流作用 及两转子的转速不同 可使胶料在左右密炼室中进行折卷捣换 其中一侧转子前面的部分胶料 高压区 被挤压到对面密炼室转子后面 低压区 并随之带入料斗中 彼此往复捣换 如两台相邻开炼机连续倒替混炼时相似 为了有效交换 一个转子必须把胶料直接拨到相对应的转子棱峰后部间隙中 否则 因压力平衡性阻止交换 这就要求两转子转到适当位置进行交换 这取决于速比 36 此外 在转子外形的设计上有将突棱的工作面的圆弧曲率半径选的小些 这样就会使棱的圆弧面与密炼室内壁形成的工作区的容积由大逐渐变小 胶料通过时 挤压力增加 棱的另一面设计成凹形的 工作区的容积由小变大 更易流动 增加了紊流态 即 S 转子 37 3 1 4技术特征与规格表示 密炼机的规格一般以密炼室的工作容量和转子的转速 并冠以相应的符号来表示 如X S M 250 40 其中 X表示橡胶用 S表示塑料用 M表示密炼机 250表示混炼室的工作容量 L 40表示转子的转速 r min 如XM75 35 70表示工作容量为75L的双速 35r min和70r min 密炼机 38 39 3 2主要参数 反映密炼机工作性能的主要参数为混炼室总容量与工作容量 转子的转速与速比 上顶栓对物料的压力 传动功率 生产能力等 40 3 2 1混炼室总容量与工作容量 混炼室总容量是指上顶栓落下 卸料门关闭时 混炼室与转子之间的空腔容量 在量值上等于混炼室的容量减去两转子的体积 混炼室的工作容量是表示每次可被捏炼的胶料的体积 又称额定容量 工作容量必须适当 通常取总容量的55 75 过少过多对混炼都不利 41 密炼室总容量 空容量 工作容量关系是 空容量 总容量 工作容量 空容量 工作容量 总容量 有效容量 42 3 2 2转子的转速与速比 密炼机转子的转速多以主动转子的转速来表征 速比指两个转子的转速之比 这两个参数对密炼机的工作性能影响很大 43 1 转速 转子的转速是密炼机主要性能指标之一 转子转速 生产能力 功率消耗 炼胶质量 混炼成本 44 转子转速对生产能力的影响 炼胶效率的高低 取决于施加在胶料上的剪切力的大小 而剪切应力受剪切速率的影响 由下式可看出 u 胶料的粘度m 流变常数 由此可见 剪切速率随转速的增大而增大 转对于某以特定的密炼机来说 h是个常数 的大小仅有转速而定 转速越高 越大 胶料变形越快 捏炼效果越好 混炼时间越短 生产能力越高 因此说 提高转速室提高生产能力最有效的途径之一 转速与炼胶时间和生产能力的关系见下表 45 转速与炼胶时间和生产能力的关系 46 转速与炼胶时间的关系 47 转子转速对电机功率的影响 从公式和图4 14看功率与转子转速近似成正比 N 4 v2B h N 转子单位上的功率消耗 胶料的粘度 v 转子棱顶的回转线速度 B 转子棱顶宽度 h 转子棱顶与密炼室内壁间隙 48 转子转速对排胶温度的影响 混炼时 必须保持胶温在一定限度内 转子转速过快将使物料温度迅速上升 粘度下降 影响剪切效果 同时也降低了胶料的分散度 在第一段混炼时 一般排胶温度应控制在130 1500C以下 否则除了会引起分散不良外 还容易使胶料发生化学反应 如出现热裂解 凝胶等现象 最终混炼为防止焦烧 一般排胶温度控制在100 1200C以下 据此 为了获得最有效的混炼 也按不同的胶料选择最适宜的转子转速 目前多速和调速密炼机的应用均被重视 49 常用转速 每种胶料要达到炼胶质量指标所需要的剪切速率 不管开炼机规格的大小 几乎是一样的 因此小规格的开炼机必须采用较高的转速才能达到同大规格开炼机所对应的剪切速率 一般转子转速为50 150r min 两段混炼时 一般第一段转子转速为40 60r min 第二段加硫混炼转速为20r min 50 2 速比 一般椭圆形转子密炼机两个转子的转速是不同的 快转子与慢转子的转速之比称为速比 其值由速比齿轮来定 又成名义速比 另外 两转子工作表面各处因回转半径不同而形成了不断变化的线速度之比 称为实际速比 密炼机转子的经验速比通常为1 1 15 1 1 18 近年来 新开发研制的同步转子密炼机 其转子速比为1 1 51 3 2 3转子棱顶与密炼室内壁间隙 炼胶时 对胶料起分散作用的主要是在转子棱顶与密炼室内壁间隙之间形成的高剪切区域内 间隙h的大小直接影响胶料的剪切速率与剪切应力 h过大或过小都会对炼胶效果造成不良影响 生产实践证明 密炼机在使用若干年后 同等条件下 混炼胶的质量下降 原因是 密炼机使用时间长了 转子棱与密炼室内壁会产生磨损 使转子棱顶与密炼室内壁间隙h增大 致使剪切应力和剪切速率减小 降低了炼胶效果 使混炼胶的质量下降 应对措施是 补焊 增加容量 52 3 2 4生产能力与填充系数 密炼机单位时间内混炼物料的质量称为生产能力 计算密炼机生产能力 可用下式 式中G 生产能力 公斤 小时 V 密炼机工作容量 升 胶料的比重 公斤 升 t 一次炼胶时间 分 设备利用系数 80 90 53 工作容量V由下式计算 V V0 式中 V0 密炼室总容量 密炼室空容量减去转子所占体积 胶料的填充系数 一般取0 55 0 75 由此可知 填充系数直接影响密炼机的工作容量大小 即影响生产能力的大小 但填充系数过大或过小均会影响炼胶质量 也影响生产能力 54 对于特定的密炼机来说 决定了密炼机生产的工作容量 从而决定了生产能力 合理的填充系数与物料种类 配方特性 上顶栓的压力 操作方法 转子转速 密炼机结构等多种因素有关 的大小十分重要 目前没有一个确切的计算办法 一般通过分析和试验的方法确定 一般取0 5 0 8 55 3 2 5上顶栓压力 密炼机是将物料封闭并由上顶栓对其施压而进行混炼的 在混炼过程中上顶栓对胶料的单位面积的静压力称为上顶栓压力 单位Mpa 增加上顶栓对胶料的压力 可以提高胶料中的流体静压力 虽然不直接影响剪切应力 但是由于减少了密炼室内胶料的空隙 使得胶料与密炼室内壁 转子 上 下顶栓等之间 以及胶料内部各种物料之间更加迅速地互相接触和挤压 这使得物料之间接触面积增大 从而减少了胶料与密炼室内壁及胶料与转子表面的滑动 能间接的导致较高的剪切应力 加速分散过程 从而缩短混炼时