【橡胶工艺】-橡胶挤出机的机构

橡胶挤出机的机构橡胶挤出机的机构橡胶挤出机的机构橡胶挤出机挤出机的规格用螺杆的外径表示，并在前面冠以“SJ”或“XJ”，S表示塑料；XJSJ-9090mm200mm一．挤出机结构挤出机结构通常由机筒、螺杆、加料装置、机头（口型）、加热冷却装置、传动系统等部分组成。挤出机的主要技术参数有：螺杆直径、长径比、压缩比、转速范围、螺杆结构、生产能力、功率等。1．机筒（1）机筒的结构形式按结构可分为整体式和组合式两种。（2）喂料口与旁压辊喂料口的结构与尺寸对喂料影响很大，而喂料情况往往影响挤出产量。2．螺杆螺杆的分类：按螺纹方向分：有左旋和右旋两种，橡胶挤出机多用右旋螺纹螺杆。有圆柱形、圆锥形、圆柱圆锥复合形螺杆。圆柱形螺杆多用于压型和滤胶；圆锥形螺杆多用于压片和造粒；复合形螺杆多用于塑炼。普通型（如等深变距型或等距变深型），分流型（如销钉型），分离型（如副螺纹型）和复合型螺杆等。螺杆的结构：螺杆的结构分工作部分（指螺纹部和头部）和连接部分（指尾部），工作部分直（1）长径比LD（L/D），是挤出机的重要参数之3~88~17，20。（2）压缩比压缩比的大小视挤出机的用途而异。压缩比过大，虽然可保证半成品质地致密，但挤出过程的阻力增大，胶料升温高易产生焦烧，且影响产量；压缩比过小影响半成品致密程度。1.3~1.4，1.6~1.7；冷喂料挤出机常用压1.7~1.8，1.9~2.0。（3）螺纹导程S与升角α式中F—螺纹槽纵截面积；i—螺纹头数。当S增大时，α 也增大，此时吃料方便，产量高，但过大可能造成塑化不均，影响半成品质量，且螺杆加工也困难；当S减小时，α 也减小，此时轴向压力大，胶料在机筒内停留时间延长，塑化均匀，半成品质量好，但螺纹容积小，产量下降。螺纹升角α 一般为12~35º，螺纹导程S为（0.5~1）D。（4）螺纹槽深度hh一般h=（0.18~0.25）D，螺杆直径大时系数取大值。（5）螺杆头部形状螺杆头部形状选择应有利于胶料流动，防止产生死角而引起胶料焦烧。螺杆头部形状有四种：平头螺杆头、弹头型螺杆头、锥型螺杆头和球型螺杆头。平头螺杆头其顶端有死角，多用于滤胶机上；锥型螺杆头无死角，有利于胶料流动，且不易焦烧。3．机头机头对不同的挤出工艺（如压型、滤胶、混炼、造粒等），其作用与结构也不相（1）机头的类型按机头的结构分：有芯型机头和无芯型机头。按与螺杆的相对位置分：直向机头、直角机头和斜角机头。按机头用途不同分：内胎机头、胎面机头、电缆机头等。按机头内胶料压力大小分：低压机头、中压机头、高压机头。（2）机头的结构橡胶挤出机的机头结构主要分为圆筒形、扁平形、T型和Y型。a．内胎挤出机头（圆筒形）用以制造各种空心制品，如胶管、内胎、密封条等等。这种结构的机头又分为可调整口型和可调节芯型。b．胎面挤出机头（扁平形）用以制造轮胎胎面。这种机头又分为整体式和复合式两种。c．电线、电缆挤出机头（TY）用以制造电线电缆绝缘层，轮胎钢丝圈及胶管包胶等。其结构一般有两种形式：直角机头和斜角机头。二．挤出机的选用0.3~0.75口型过大，螺杆推力小，机头内压力不足，排胶不均匀，半成品形状不规整；口型过小，压力太大，速度虽快些，但剪切作用增加，引起胶料生热，增加胶料焦烧的危险。挤出过程原理一．工作原理各段工作特点如下：1．喂料段：又称为固体输送段，此段从喂料口起至胶料熔融开始。胶料进入加2．压缩段：又称为塑化段，此段从胶料开始熔融起至全部胶料产生流动止。压3．压出段：又称为计量段，把压缩段输送来的胶料进一步加压搅拌，此时螺纹二．胶料在挤出段中的流动状态一般把胶料在挤出段中的流动看成是顺流、倒流、漏流和环流的综合流动。顺流：由于螺杆转动促使胶料沿着螺纹槽向机头方向的流动，它促使胶料挤出，漏流3-1。环流：又称为横流，由于螺杆旋转时产生的推挤作用引起的流动，它与顺流成垂直方向，促使胶料混合，对产量无影响，见图3-2。环流对胶料起着搅拌混炼、热交换和塑化的作用。三．胶料在机头内的流动状态胶料在机头内的流动，是指胶料在离开螺纹槽后，到达口型板之前的流动。由机头口模流道内壁摩擦及流道收缩而形成。机头的结构要使胶料在由螺杆到口型的整个流动方向上受到的推力和流动速度尽可能保持一致。为此，机头内的饿流道应呈流线型，无死角或停滞区，不存在任何湍流。四．胶料在口型中的流动和压出膨胀1．胶料在口型中的流动胶料经机头流道进入口型后，通过口型时受到更强烈的剪切塑化后挤出口型外。因此，口型内的流动状态及口型结构尺寸决定了制品的最终形状和质量。2．压出膨胀压出膨胀量主要取决于胶料流动时可恢复变形量和松弛时间的长短。影响压出膨胀的因素：（1）工艺因素口型形状、口型（板厚度）壁长度、机头口型温度、压出速度等。（2）配方因素生胶和配合剂的种类、用量、胶料可塑性等。五．挤出机的生产能力QdQpQlQ1．螺杆特性曲线（即粘度不随剪切应力和剪切速率变化在等温和层流条件下，不考虑螺纹侧壁的影响，可得出：N—螺杆转速，r/s；P—螺杆末端胶料的压力（机头压力—胶料粘度，Pa.s；α、β、γ—随螺杆规格尺寸而变的系数，cm3；因此，挤出机的压出量为：η（αβγ为常数（3-7）可知，压出量QQ~P2．机头特性曲线Q—cm3/minP—PaηPa.s；k—k若胶料粘度一定，口型尺寸一定，则机头的流量与机头压力成正比。式（3-8）是一个直线方程，它表达了机头口型的特性，称为机头特性曲线。采用式（3-7）和（3-8）3-4，当转速一定，k口型设计一．口型设计的一般原则（1）根据胶料在口型中的流动状态和压出变形分析，确定口型断面形状和压出半成品断面形状间的差异及半成品的膨胀程度；（2）口型孔径大小或宽度应与挤出机螺杆直径相适应，压出实心或圆形半成品1/3~3/4（如胎面胶等2.5~3.5（3）口型要有一定的锥角，口型内端口型应大，出胶口端口径应小。锥角大，压出半成品光滑致密，但收缩率大。（4）口型内部应光滑，呈流线型，无死角，不产生涡流。（5）在有些情况下，为防止胶料焦烧，可在口型边部适当开流胶口（6）对硬度较高，焦烧时间短的胶料，口型应较薄；对于较薄的空心制品或再生胶含量较多的制品，口型应厚。二．口型的具体设计要掌握口型的设计首先要了解胶料的膨胀率。影响胶料膨胀率的因素很多：（1）胶种和配方：胶种不同，其挤出膨胀率不同；含胶率高挤出膨胀率大；无机填料膨胀率比炭黑小。（2）胶料可塑度：胶料可塑度越大，挤出膨胀率越小；（3）机头温度：机头温度高，挤出膨胀率小；（4）挤出速度：挤出速度快，膨胀率大；（5）半成品规格：半成品规格大的，膨胀率小；（6）压出方法：胶管管坯采用有芯压出时，膨胀率比无芯压出时要小。（一）几何形状规则的制品（胶管、内胎、圆棒、方形条等）口型设计（口型直径=（设计内径+制品壁厚×2）/挤出膨胀率（二）几何形状不规则制品（胎面、异型胶条等）的口型设计各部位的宽度和厚度除以膨胀率。橡胶制品的压出工艺一．热喂料压出工艺热喂料挤出工艺一般包括胶料、挤出冷却、裁断接取等工序。（一）胶料热炼和供胶45℃，1~2mm，提高胶料的均匀性；60~70℃，5~6mm，增加胶料的热塑性。（二）压出操作中的主要工艺条件在挤出操作开始前，要按挤出机操作规程预热机筒、螺杆及机头口型。挤出操作中的主要工艺条件：（1）胶料的可塑性0.25~0.4（0.3~0.5）。胶料可塑性小，则流动性不好，挤出后半成品表面粗糙、膨胀大；但可塑度太大，半成品缺乏挺性、容易变形。（2）挤出机温度：（3）挤出速度：（4）挤出物的冷却：防止半成品存放时自硫；使胶料恢复一定的挺性，防止变形；使半成品冷却收缩定形。（40℃20~30℃。挤出大型的半成品（胎面），一般须经预缩处理后才进入冷却槽。预缩率可达到5%~12%。（三）挤出工艺过程1．胎面的挤出工艺胎面胶分为胎冠、胎冠基部层和胎侧三部分。胎面胶的挤出方法，可分为整体挤出和分层挤出两类。胎面整体挤出：（1）用一种胶料，在一台挤出机上用变平机头成型；（包括胎冠基部层）料，或胎冠（包括基部层）和胎侧料。（包括胎冠基部层胎面分层压出联动装置一般包括挤出机及附属的热炼供胶装置、胎面的压出运输带、胎面贴合用多圆盘活络辊、标记辊、检查秤、收缩辊道、冷却水槽、吹风干燥器、胎面定长称量裁断装置、胎面堆放装置等。2．滤胶工艺一般薄壁或质量要求高的制品，要求去除胶料中的杂质，以免影响制品的气密性和抗撕裂性。滤胶工艺中，胶料内不能加入硫黄、超速级促进剂，以防胶料温度过高时产生焦烧。60~80℃。NR130℃，30%SBR140℃。过滤后的胶料，可用开炼机压片降温，并按工艺要求加入硫黄和促进剂。3．内胎的挤出工艺胎筒厚度的调节方式：（1）调节口型式；（2）调节芯型式。具体的挤出工艺：气门嘴胶垫的制备：二．冷喂料挤出优点：节省热炼设备，易于实现机械化、自动化，而且由于主机强化了螺杆的剪冷喂料挤出工艺与热喂料有所不同，加热前应先将各部位的温度调节到规定值。各部位常用温度如下：螺杆<35℃；加料段35~50℃；塑化段40~60℃；挤出段50~70℃；机头和口型80~100℃。三．其它类型挤出机挤出（一）排气式挤出机挤出该类挤出机的螺杆由加料段、第一计量段、排气段和第二计量段组成。（二）传递式螺杆挤出机挤出2~4（三）挡板式螺杆挤出机挤出挡板式螺杆挤出机的主要工作部分是一个带有横向挡板和纵向挡板的多头螺杆，胶料在挤出过程中多次被螺纹和挡板进行分割、汇合、剪切、搅拌，完成混合作用。（四）高强力型螺杆挤出机挤出（五）销钉型挤出机挤出（六）槽穴式挤出机挤出5聚合釜的长径比V0=30m3。.在确定聚合釜的容积的时候，0.6～0.850.8～0.85[18]0.8。V 0.8V030

(5-1)带入V0

=30(m3)得V

37.5(m3)由于聚合釜筒体的高径比由所装的物料类型确定。若装的是乳化液则高径比在2.08～3.85[1]之间又因为高径比大了有助于传热减小搅拌功率等故暂且取为3.3H/D 3.3。i由于V

D3(H/Di i

)[19]

(5-2)将高径比与V=37.5(m3)带入(5-2)中可Di=2.437(m)Di=2400(mm)由元整出的直径按下式得罐体的高度HVV'D2

(5-3)4 iV'为封头的体积，故需要计算封头的体积。综合考虑本聚合釜采用椭圆型标准封头K1，

D'i 22h'i因为封头底圆直径D'Di

h'

Di600(mm)i 4椭圆型封头容积计算公式为2 V' D2h'

(5-4)3 4 i i又因为选用的是标准型故进一步化简为V'

D3[20]24 i

(5-5)带入数据得封头体积为V')21同时椭圆形封头的内表面积为校核长径比

S D2封头 iS )封头

(5-6)将V'

带入到(5-3)H=7.9(m)H=8(m)=8000(mm)。校核：H/D8/2.43.333与设计值比较大致相等故满足设计要求。i搅拌器的计算根据反应釜内液体容积及粘度和流体性质选择布鲁马金式搅拌器， D/T 的范围为0.33～0.40D/T=0.35D=0.84(m)D=0.8(m)。V=37.5(3μ=(Pa·s[21]7u=12.8(m/min)q ud

T2/4

12.8

3.142.424

57.88m3min假设为湍流操作，NRe=1.5×103由文献[21]中的排出流量数与搅拌雷诺数的关系可得N qdqN dqd ND3

(5-7)N qdN D3

/min)0.650.843qdN ND289960)0.842

1588.37Re 1搅拌器的功率Np为常数

N 1588.371000RePKN3D5 (5-8)又有参考文献[22]可得，3层四叶的布耳马金的K1选K1=4.522P4.50899查资料[22]可选择，Y型异步电动机，机型号为XL10，功率为30KW传热的计算设计的反应器除热主要采用内冷件，根据反应釜内液体容积及粘度和流体性质，传热量选用直管式换热器，直管为不锈钢17.4(Wm1K1)QKA(ti

t)0

(5-9)的计算i

1 1K i

1 (5-10)0L ND2b

Cc m

D0.33 20.2i a i

p b T

n

(5-11)wb wb由资料[23]可查相关数据得d0=0.036(m)，nb=170则a=0.09 b=0.65 c=0.33 d=0.4与雷诺数、Cp、、D/T=0.35带入3.37210.33

20.20.01588.30.65 0.40.30.33 17.4 17.4 170i 0.036d=0.036(m)，L=6.0(m)，tw=-2℃，t

=-3℃，P=250(kPa)氨T=-10℃，Pr=1.27时 1.132gr30.250

(5-12) 当t=-4℃时，氨气的有关物理性质：0.0116W/(m412.8(kg/m39.18106(Pa1245(kJ/kg)412.829.812450.011631030.25 1.13 393.67W/(m20 9.1810-66.04 23111K i 0

(5-13)K1

272.60W/(m2℃)1 1886.32 393.67反应9小时，第一釜氨的温度为-3℃，物料的温度为10℃～7℃，平均为8.5℃Q191652.214.1841033600/s)QKAt272.60A11.5可得A=71.05(m2)第二釜氨蒸汽0.4128(g/cm3)，氨的温度为-3℃，物料的温度为5℃Q186726.054.1841033600217017.16(J/s)QKAt272.60A8可得A=99.51(m2)Sp

d

LN3.140.0366170115.30(m2)0第一釜：换热面积A71.05m2

≤Sp

115.3m2

满足设计要求第二釜：换热面积A99.51m2

≤S 115.3m2p

也满足设计要求取反应时间为9小时，首釜R-101的换热面积为70.11(m2)，次釜R-102的换热面积为98.19(m2)据此选择换热器的冷却列管数为10组，每组管子17根。换热器的安装见图5.1。图5.1内冷件安装简图24进出口管径[24]=899(kg/3)则混合物料的体积为VM总

0.0018(m3/s) 8993600根据流体在管道中常用的流速范围选取u为0.8(m/s)，则管径d为4Vud4Vu根据输送流体用无缝钢管规格(GB8163-87)