轮胎硫化介质及其装置的现状与发展动向

1、轮胎硫化介质及其装置的现状与发展动向杨嘉名俞松明潘燕英张立钢(化工部北京橡胶工业研究设计院 北京 100039)摘 要 本文就热水硫化、蒸汽硫化和惰性气体硫化的现状进行了简要的介绍与分析, 探讨当前轮胎硫化介质及其装置的发展动向。文章指出, 蒸汽充氮硫化装置具有相当的适应性、先进性和可靠性, 是轮胎 硫化的发展方向。关键词 轮胎硫化介质, 热水硫化, 蒸汽硫化, 惰性气体硫休, 大气式除氧热水装置, 直接式除氧热水 装置, 蒸汽充氮硫化装置1 前言轮胎硫化是硫化剂与橡胶在促进剂的作 用下, 在一定的温度和压力下, 经过一定的时 间进行化学和某些物理作用, 使橡胶分子由 线型结构变成网状结构的交

2、联过程, 使生胎定型具有适当的轮胎尺寸和形状。 轮胎硫化 所需的热量是由两方面获得: 由蒸汽从模 型的外部向模腔内传递, 由轮胎硫化胶囊 内的硫化介质提供。 目前国际上应用的硫化 介质主要有热水、蒸汽和惰性气体。使用惰性气体硫化是国外近 20 年出现的一种新型硫 化方法, 正在推广应用。显然, 硫化介质及其装置的作用应完全 满足轮胎硫化工艺的温度、压力、含氧量及用 量的基本条件, 同时需要考虑节约能源、降低成本、保证质量及完全可靠等综合因素。换言 之, 硫化介质及其装置是轮胎生产中的一个 重要环节, 它的适应性、先进性及可靠性直接 关系到轮胎质量的优劣、产品成本的高低和 轮胎厂获取的经济效益水

3、平。 随着高性能子午线轮胎生产技术的要求, 促进各种硫化介 质及其装置也随之不断改善与提高, 甚至更 新换代。本文就热水硫化、蒸汽硫化和惰性气体硫化介质及其装置的现状进行粗浅的介绍与分析, 探讨其发展动向。2 热水硫化及其装置热水硫化是常用的传统方法, 热水经过 除氧以使硫化胶囊和设备免受腐蚀, 从而提高胶囊、管路和阀门的使用寿命, 确保硫化机的正常运行; 同时除氧水加热加压达到一定 的温度和压力, 以满足轮胎硫化工艺的需要。我国、美国、日本及前苏联等大都采用热力除 氧, 而意大利、德国和英国则比较多的采用化学除氧。 目前在国内外广泛流行的是直接式除氧热水装置, 在我国有几家引进意大利 p i

4、re lli 公司轮胎制造技术的轮胎厂使用了化 学除氧热水装置, 还有少部分轮胎厂仍然使 用大气式除氧热水装置。211 大气式除氧热水装置大气式除氧热水装置流程示意见图 1, 我国从 1958 年开始启用是为硫化罐提供轮 胎硫化热水的, 70 年代在轮胎定型硫化机上使用。其主要特点是: 主要设备是大气式除 氧器, 通常热水在 0. 02M P a 104下操作, 除氧热水需经热水交换器间接加热后达到所 需硫化温度, 消耗大量蒸汽, 尤其是在热交换 器将近大修前传热效率很低, 除氧热水很难收稿日期: 97209225橡胶技术与 装 备1998 年第 24 卷18配套件如热水循环泵及控制仪表的选用

5、等有所差异, 在此列举国产几种除氧热水装置并 作简要说明。21211 HSZ 型直接式除氧热水装置北京橡胶工业研究设计院提供的直接式 除氧热水装置流程示意于图 2, 这种装置是美国伯密特公司 (P e rmm t it) 首先制造, 日本 神钢 ( Ko b e S tee l) 于 60 年代引进该专利,1985 年向我国提供整套装置, 北京橡胶工业研究设计院对样机消化吸收并结合国情自行 设计、研制取得成功。该 H SZ200 型直接式除氧热水装置于 1991 年通过化工部部级鉴定并获化工部科技进步奖, 1994 年荣获国家 科委颁发的国家科技成果证书, 该除氧加热 器结构采用喷雾沸腾式,

6、除氧头应用弹簧喷嘴, 可适应负荷变化, 保持良好的雾化程图 1 大气式除氧热水装置流程示意图(a) - 单循环系统; (b) -双循环系统度, 除氧效果好, 热水含氧量0.02ppm , 其1 - 除氧器; 2 - 供水泵; 3 - 循环供水泵; 4 - 换热器; 5 - 硫化设备; 6 - 凹状过滤器; 7 - 循环泵; 8 -回水泵; 9- 热水回水箱 加热至轮胎硫化要求的温度; 除氧器结构 为喷雾填料式, 在负荷变化时常用固定喷 嘴除氧效果较差, 热水含氧量偏高; 最大的 问题是系统设备多而加热设备容量小, 供热 水能力小, 当硫化机充水时将会引起系统压 力和温度的较大波动, 难以满足硫

7、化工艺要 求; 热交换器的维修工作量较大。因此低效 能的大气式除氧热水装置正逐渐被淘汰。212 直接式除氧热水装置直接式除氧热水装置在我国于 80 年代 中期研制成功, 得到快速的推广应用, 现有北京橡胶工业研究设计院、泰安化工机械厂、湛江机械厂、吉化化工设备厂和蚌埠化工机械 厂等单位进行制造。 各单位生产的除氧热水 装置均采用热力除氧原理, 其系统流程大致 相似, 特点是所用除氧加热器集热水除氧和 加热为一体, 除氧热水温度就可以达到轮胎 硫化工艺要求的温度, 无需用热交换器再加 热。然而在除氧器结构、供水能力、系统设计、除氧水箱容积大而热稳定性好。 该除氧加热器有卧式和立式两种, 可供用户

8、选用。图 2 直接式除氧热水装置流程示意图1- 直接式除氧加热器; 2- 热水罐; 3- 取样冷却器; 4、5- 补充水泵; 6、7- 热水循环泵; 9、10、11- 过滤器北京橡胶工业研究设计院根据硫化机和 硫化介质的要求, 硫化设备负荷情况, 并吸取 与国外技术交流所了解的除氧技术, 使直接 式除氧热水装置不断改进和提高, 具有以下 特点:(1) 除氧加热器的设计压力增高。为了适 应提高硫化温度、缩短硫化时间和增加产量的硫化工艺发展需要, 现在装置设计压力为© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House

9、. All rights reserved. 第 2 期杨嘉名等. 轮胎硫化介质及其装置的现状与发展动向191. 5M P a, 最高工作压力为 1. 36M P a, 最高工作温度为 196 。而原来装置设计压力为 1.1M P a, 最高工作压力为 1. 0M P a, 最高工作 温度为 183。(2) 系统设计更趋合理。如装置中的补充 水系统与工厂设计的内冷水系统可以统一考 虑, 融于一体, 整个系统实现闭路循环; 又如 设置了高温热水回收系统, 进一步节约了能 源和提高了系统运行的稳定性。(3) 配件与过滤器选型和设置合理。能有 效地防止杂物带入系统中, 起到对调节阀和弹簧喷嘴的保护作

10、用, 清洗过滤器时不需要停机, 操作维修方便。(4) 自动控制水平提高。对主要控制仪表 采用引进国外制造技术生产的产品, 如变送 器、调节器、记录仪和调节阀, 这些仪表精度高、使用可靠、维修工作量小, 提高了整个自 动控制系统的先进性和可靠性。这种 H SZ 型直接式除氧热水装置产品 系列齐全, 其型号规格及主要技术特征列于附表。附表 H SZ 型直接式除氧热水装置型号规格及主要技术特征21212AY 型高效热水除氧装置湛江机械厂提供的A Y 型高效热水除氧 装置流程示意于图 3, 是引进美国恩维勒士公司 (E n v irex ) 专有技术制造的, 于 1989 年 5月通过化工部组织的专家

11、评定。 该装置是为 年产 30 万套轮胎生产规模的硫化机群配套的 ( 供水量为 75 100 t/h ) , 其除氧加热器系 喷雾淋盘式, 采用喷射分配管进行水的雾化, 确保除氧效果; 整体装置采用钢架分层结 构式, 结构紧凑, 占地面积小。2121330TS02 轮胎厂脱氧热水装置泰安化工机械厂提供的脱氧热水装置流 程示意于图 4, 该 30T S02 轮胎厂脱氧热水装置于 1987 年 12 月通过省级鉴定, 随后荣获山东省科技进步奖。 该装置的除氧加热器结 构形式系喷雾填料式, 产品已形成系列。有脱氧生产能力为 100、150 250t/h 等成套装 置。21214 L RCY I 型轮

12、胎厂脱氧热水站装置吉化公司化工设备厂提供的 R CH Y I 型轮胎厂脱氧热水站装置于 1989 年 4 月通过省级鉴定。该产品已形成系列, 有供热水能力为 50、100、150、200t/h 等成套装置。21215 L RCY 型热水除氧装置蚌埠化工机械厂提供的 L R C Y 型热水 除氧装置流程示意于图 5, 其除氧加热器系立式, 在系统中设置有稳压罐, 罐上部充入氮 气, 以调节压力 (氮气非硫化介质) , 从而提供压力稳定的热水。 产品有 L R C Y 30 型和L R C Y 60 型, 分别适用轮胎生产规模为年 产 30 万套和 60 万套。上述各种直接式除氧热水装置均具有优良

13、性能, 十几年来轮胎工业已应用了几十套, 据轮 胎厂测算, 使用年产 30 万套生产规模的装 置, 每年可减少生产消耗费用达 60 100 万 元, 该装置还出口到泰国、尼泊尔、马来西亚 等国, 取得了明显的经济效益和社会效益。实 践证明, 该装置与大气式除氧热水装置相比 主要优点是: 能提供稳定压力和较高温度 的除氧热水, 保证硫化轮胎质量和提高生产 率, 确保硫化机的正常运行; 节约能源, 蒸© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 型号及规格供热水能力

14、m 3 /h适用轮胎生产规模 万套/年热水压力, M P a热水温度, 热水溶氧 含量, ppm蒸汽消耗量, t/hH SZ100H SZ200H SZ300H SZ400100180 200300 360400 43015 2030 4050 6070 802. 5 3. 01960. 021. 4 1. 82. 7 3. 24. 5 5. 45. 6 7. 2橡 胶 技 术与 装 备1998 年第 24 卷203 蒸汽硫化蒸汽作为轮胎硫化介质约于 70 年代获 得相当多的应用, 国内从 80 年代开始使用, 目前有少数轮胎厂采用。所谓蒸汽硫化, 通常 是把蒸汽直接输入硫化胶囊, 在加热温度

15、为190 210及其饱和蒸汽相对应压力的条件 下, 使生胎硫化, 蒸汽充满胶囊不进行循环, 直至轮胎硫化完毕而排出。 利用蒸汽硫化需 要相适应的耐高温胶料、骨架材料及相应的 生产工艺。北京橡胶工业研究设计院出国人员曾从挪 威维京 (V ik in g ) 轮胎厂和瑞典吉斯拉夫 ( G islaved ) 轮胎厂了解到, 其轮胎制造技术 是德国大陆橡胶公司 (Go n t in en ta l) 的, 应用 蒸汽硫化乘用子午胎, 图 6 示蒸汽硫化周期, 所用上下热板的加热温度为 170( 注: 图中 压 力 为 16 巴 时, 对 应 蒸 汽 饱 和 温 度203. 35; 压力为 11 巴时

16、对应 187. 08)。 蒸汽硫化的主要优点是: 蒸汽介质温 度高, 可缩短硫化时间, 提高轮胎生产率; 蒸汽热焓很高, 用少量蒸汽就能提供足够的 热量, 可减少能源消耗量 25 40% ; 蒸汽 直接由锅炉房提供, 大大削减了设备, 降低硫 化介质制备费用。其缺点是: 蒸汽介质的压 力完全取决于工艺所要求蒸汽硫化温度的高低, 使胶囊内压受到一定的限制; 蒸汽输入 胶囊内不循环, 会造成胶囊下部冷凝水的累 积, 使温度不均匀, 胶囊上下部之间的温差 大, 可达 40, 在硫化过程中温差逐渐缩小, 随着硫化轮胎规格的加大, 存留在胶囊下部 的冷凝水就越多, 胶囊内温差越大。胶囊内温 度的不均匀势

17、必要延长硫化时间或降低轮胎 质量。为了使胶囊内腔温度分布均匀, 在美国、 德国、前苏联都探讨了不少解决问题的方法, 经实施后证明, 有些方法能确保胶囊内温度 场分布均匀, 解决了胶囊内温差大的问题, 使 温差降至 5 8, 宜用于乘用胎的硫化。图 3A Y 型高效热水除氧系统工艺流程示意图1- 除氧加热器; 2- 热水储罐; 3- 补给水罐; 4- 波纹减震器; 5- 补给水泵; 6- 热水循环泵; 7- 抽样冷却器; 8- 自动回流阀。图 4图30T S02 轮胎厂脱氧热水站工艺流程示意1 - 主循环泵; 2 - 取样冷却器; 3 - 测氧仪; 4 - 补充水泵; 5- 贮罐; 6- 除氧加

18、热器; 7- 过滤器; 8 - 波纹补偿 器; 9- 阀门; 10- 调节阀 汽的潜热和显热从理论上讲是 100% 得到利 用, 热效率高, 可减少蒸汽消耗量 30% 以上;除氧效果好。热水溶氧含量0. 05ppm , 有 的装置在操作良好情况下的热水溶氧含量02ppm ; 延长胶囊使用寿命 20% 以上,0.硫化设备和车间管路使用寿命也大大提高。管理、操作及维修方便, 维修工作量也大为 减少。直接式除氧热水装置具有显著的优越性 和先进性, 受到各轮胎厂的欢迎。© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House

19、. All rights reserved. 第 2 期杨嘉名等. 轮胎硫化介质及其装置的现状与发展动向21力, 使胶囊内保持适当的温度和压力, 完成轮胎硫化。 目前国外使用的惰性气体大都为资 源广、制备容易、成本低、无污染的氮气, 称蒸 汽充氮硫化。蒸汽充氮硫化装置的氮气主要可采用下列方式获得。(1) 外购钢瓶和软管拖车供应氮气 充氮钢瓶可用各种交通工具运输, 能长期存放、使用方便, 但因气/瓶重量比太小(1/8 1/10) , 运输效率低, 只适用于用量小的用 户。软管拖车供应系统示意于图 7, 是 1 5台轮胎硫化机使用的试验系统。图 5L R C Y 型热水除氧系统流程图1- 除氧加热

20、器; 2- 稳压罐; 3- 热水保温罐; 4- 补给水泵; 5-车阀取样冷却器; 6-热水循环泵; 7-氮气站; 8 -试图 7 软管拖车供氮系统(2) 外购液氮贮存于压力罐供氮 轮胎工业大容量液氮输送系统示意于图8, 外购液氮需用冷藏车运送到轮胎厂的氮贮存系统, 经汽化器转化为氮气供给轮胎硫化 使用。(3) 采用制氮装置供氮据资料介绍, 可用深冷空气分离装置制 氮, 其结构复杂, 设备投资、占地面积和基建费用都比较大, 操作、管理和维修也比较困 难。近几年新兴起的变压吸附制氮装置, 是以变压吸附分离理论为基础的碳分子筛制氮 技术, 具有设备简单、结构紧凑、节省投资, 操 作维修方便、氮纯度较

21、高, 含氧量较低等优 点, 可供选用。(4) 管道输送供氮将氮气加压后, 通过管道输送到用户, 这图 6蒸汽硫化周期4惰性气体硫化及其装置惰性气体硫化是最新型硫化工艺, 在国 外已有较多的轮胎厂家应用, 不仅用于硫化乘用胎, 也可硫化卡车胎, 国内已有个别中外合资轮胎厂使用。根据资料文献介绍, 所谓惰性气体硫化, 主要是用蒸汽和惰性气体的混合气体作为硫 化介质, 在轮胎硫化开始时, 用 194 197 的 1. 4 1. 5M P a 的饱和蒸汽充入硫化胶囊, 加热一定的时间, 而后将 2. 1 2. 8M P a 常温 的惰性气体输进胶囊, 进行绝热压缩提高压© 1994-2013

22、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 橡 胶技术与 装 备1998 年第 24 卷22当然, 应用惰性气体硫化尚须解决不少技术和设备方面等的问题。5 结语综上所述, 各种轮胎硫化介质及其装置 都有独自的优越性和合理的使用范围, 各国和各轮胎公司按照自己的特点选用并发展不同的硫化介质及其装置。 目前国际上普遍采 用的是热水硫化及直接式除氧热水装置, 可 以满足轮胎硫化工艺的一般要求。为适应子午线轮胎的生产发展, 硫化介 质应具有更高更稳定的压力和温度, 以及足 够的供给流量。 国外已开发惰性气体硫化新 工艺, 应用了蒸汽充氮硫化装置, 据资料介绍 具有优良的性能, 正在推广应用。本文作者认为: 轮胎硫化应用氮气硫化及蒸汽充氮装置 具有较高的适应性、先进性和可靠性, 是目前 的发展动向, 值得注意和重视。我国轮胎厂大都采用热水硫化及直接式 除氧热水装置, 取得了显著的技术效果和经 济效益。 但从发展高性能子午线轮胎的生产技术要求来看, 在国内自行开发研制惰性气 体硫化介质及蒸汽充氮硫化装置是