橡胶工厂混炼流程的优化

橡胶工厂混炼流程的优化

橡胶精炼通常是橡胶制造商在工作量最多的过程。由于其高效率和机械化程度高，密封机是最常用的橡胶精炼设备。但如果不注意密炼机的过程控制、掌握好炼胶周期中各环节、各阶段的耗能状况,则将会浪费很多能量,结果是混炼周期长、混炼效率低、胶料质量波动大。因此,对于使用密炼机的橡胶工厂来说,如何在确保混炼质量的前提下,降低能耗是共同面临的任务。准确判断和控制好混炼周期的终点,避免“欠炼”和“过炼”两种情况的发生。一、充填剂为单一加药,加料口从较低区域方向发展用密炼机混炼一个胶料(指一段混炼)大致分为4个阶段:(1)投入塑炼胶及小料;(2)分批加入大料(一般分两批添加,第一批为部分补强、填充剂;第二批为余下的补强、填充剂和软化剂);(3)进一步翻炼、混和、分散;(4)排料。但按照这种传统作业,需采取多批次加药,上顶栓升降及加料口启闭频繁,程序转换也多,导致设备空转时间长。(1)和(2)两段约占整个周期的60%,见图1。而在这段时间内,设备在低负荷下运转,有效利用率始终处于较低水平。一直要等第二批料添加后,密炼机才真正转入满负荷运转状态,具体反映在图1中从(3)开始,功率曲线开始骤然直线上升,在保持一段时间后才开始下降。由图1可见,在投入另一半补强、填充剂之前,尽管已占用了整个周期一半以上的时间,但由于混炼室的填充系数不高,密炼机的设备利用率也不理想,却占用了机台和时间。其间有相当一部分时间被上顶栓升降及加料口启闭作为辅助时间所占。这样的程序安排必然导致三种后果:1.密炼机混炼时间因为有相当一部分时间处于低负荷运转,造成设备利用率低。通常20rpm的密炼机的一段混炼周期为10～12min。具体执行还取决于操作人员的熟练程度。2.混合橡胶的温度和门尼的粘度发生了很大变化由于周期控制并非依据统一规定的粘度,而是依据预先设定的时间或温度,导致批与批之间波动大。3.材料和材料之间的能量差也很大由上可见,传统的密炼机混炼由于缺乏统一、可靠的程序控制标准,造成批与批之间性能差异大,能量的浪费也可观。二、种标准所执行的标准对密炼机混炼周期的控制,可以通过三种标准来执行。控制的理想目标是以最短时间获得胶料的均匀分散,使混炼胶的物性和加工性能都达到预期要求。1.翻炼时间的影响混炼的目的是使各组分达到均匀分散,为硫化胶性能的均一提供保证。为此需要一定的时间,时间不足会导致“欠炼”,时间过长则造成“过炼”,都不利于性能。按常理,以时间为控制标准易于掌握和实施,而事实往往并非如此,这是因为它容易受到温度的影响。为了确保分散均匀,可以规定翻炼时间,但不能不考虑另一个因素—温度。温度偏高,则胶料的粘度降低,虽然粉料进入加快,但有损于剪切,影响分散效果。2.混炼进度的控制之所以把温度列为混炼周期的控制标准,是因为物料与转子、室壁接触、摩擦时势必导致升温,而且温度始终随着混炼作业的进行而变化。生成的热量通常随着时间的增长而积累、递增,胶料温度总是跟着作业时间的增长而提高,温度曲线的走向始终由低向高攀升。因此可以通过温度变化来反映混炼进度。通常,到了排胶阶段胶温可达到120℃～130℃(高转速密炼机甚至可高达160℃)。但温度的高低也受密炼机转速、配合组分在炼胶中的生热量不同的影响。当转速或大剂量配合组分(如炭黑)品种变化时,势必会影响到温度。所以,单纯依靠温度来控制密炼机的混炼过程也是不恰当的。具体难点在于两个方面;(1)一旦大用量原材料(特别是炭黑)品种变动,温度曲线走势也必然随着改变。在这种情况下,以温度当作控制标准肯定不可取。(2)各种密炼机的型号、容量、转速等参数均不相同,即使在同一个炼胶车间内,所配置的机台的参数也未必相同,要想设定统一的温度标准也是不现实的。3.能耗量控制法整个炼胶工艺过程也是耗能过程,所以用能耗量来控制周期。其原理是在冷却条件基本稳定的条件下,单位体积胶料在混炼过程中所吸收(或消耗)的能量必然导致所获得的有效剪切,因此可以通过能耗量来控制周期。三、瞬时功率控制法密炼机混炼的三个控制过程都会受到外来因素的干扰而影响结果,特别是塑炼胶的可塑性波动时,即使以能量作标准,也会影响控制效果。因此提出了过程与胶料粘度直接挂钩。通过瞬时功率变化来反映胶料的粘度变化,进而通过粘度变化来掌握混炼过程。并提出以达到最佳粘度(以获得最佳分散度)作为衡量密炼机混炼周期的控制依据。也就是说,以特定瞬间的功率值作为控制炼胶周期的依据,其优点在于可排除温度、密炼机转速等可变因素的影响。凡是一个胶料的配方、容量和设备参数都已确定的话,那么该胶料的混炼周期可以通过特定的瞬时功率来确定排料—混炼周期终点,所以不存在前面所述受时间、温度等因素的影响。将瞬时功率和混炼进度直接挂钩,也可免受密炼机转速、配合组分品种等条件的影响。具体控制方法是:当瞬时功率达到额定值时,即行排料,结束混炼周期。也就是把传统的按时间、温度决定排胶时间改为按瞬时功率到达额定值时排料。从实践来看,这样做可减少胶料门尼粘度和排料时间的波动,也有助于准确控制排料时间和混炼周期。但必须明确:瞬时功率与能量消耗虽然有关联,但不是同一个概念,应该把两者区分开来。前者是某一特点时间的功率值,而后者则代表能量消耗的积累值。所以,这种控制方法被称作“瞬时功率控制法”。换言之,它通过胶料的粘度来控制密炼机的最佳炼胶周期。与时间、温度控制相比,瞬时功率作为密炼机的控制标准更加切实可行。因为胶料的粘度与转子的功率成正比,所以它可以借助于瞬时功率独立而不受干扰地进行检测。这样做的优点包括:保证胶料的分散均匀,节省能耗。而且实践证明,用瞬时功率控制混炼周期对所有密炼设备都适用,不受转速、容量等参数的影响,所得混炼胶的粘度和配合剂分散程度都基本相同。但为了消除人为误差,必须配置专用的功率检测仪,如果结合微机控制,当然更为理想。用瞬时功率作为密炼机混炼控制标准的做法在国外早已推行,国内也从20世纪80年代起受到重视。华南理工大学在这方面做了大量的先驱性研究工作。为了实现密炼机的瞬时功率控制,将它和微机结合,开发出具有检测和控制双重功能的智能系统,到2002年这一系统已在全国轮胎厂推广应用30套。四、密炼剂的质量监控如上所述,与时间控制、温度控制相比,能量控制的优点体现在周期的精确以及对胶料均匀程度的保证。特别在配置了功率积分仪之后,能全程将瞬时功率反映出来,让操作人员随时掌握进度。功率积分仪因此已被广泛应用于这一领域,成为密炼机常用的监控手段。它的优点主要体现在以下几个方面:1.适用于广泛的领域2.自动、有序混炼在排除人为误差的前提下,与微机配合,使整个混炼过程(从投料到排料)均处于自动、有序状态。当瞬时功率积累值达到设定点后,即自动下达指令,完成排料。3.所获得的粘合剂可以满足不同的要求，包括门尼粘度和黑碳分散即使塑炼胶门尼粘度相差悬殊,但由于都达到了规定的积累功率值,所以混炼胶的门尼粘度都能基本保持一致,表1数据可以充分说明。4.功率积分仪功率积分仪是测定密炼机在动态条件下所消耗功率的专用仪具,它的成功应用加速了瞬时功率控制概念的形成。以图2为例(由华南理工大学和广州江南橡胶厂合作试验,以江南厂的白色布面胶鞋大底胶料作为试验对象),当功率曲线过了d点后,出现一段平坦区到达e点,说明此时已完成分散均匀,可以结束混炼周期,因此把e点所对应的时间(约8min,比过去的12min缩短1/3)作为混炼周期的终点,即排料点。这样,就不再有过炼的问题,节能有了保障。当混炼进行时,通过功率积分仪来测定传动轴的转矩,并随时换算成瞬时功率,便于全程观察。由图2可知,对于任何一个胶料而言,其功率曲线的关键点有以下几个;a-第一批投料(小药及部分补强剂、填充剂)结束;b-第二批投料(余下的补强、填充剂及软化剂)结束;c-随着炭黑/生胶的结合胶的生成,粘度急剧上升,瞬时功率达到峰值;d-随着分散度的提高,胶料粘度下降到一个稳定点;e-粘度保持稳定的平坦期,可把e点定为周期的终点,因为过了此点,性能将出现下降。国外生产功率积分仪的企业和产品功能见表2。它们中有的是积分仪单机,有的则和微机结合在一起,具有更完整、更全面的控制、监督功能。国内开发较早的(附有功率积分仪的)能量控制仪有MNK-80型能量控制装置,由前桦林橡胶厂、北京橡胶工业设计研究院、上海新沪无线电厂等联合研制成功。国内在应用方面,进口密炼机大多已配有能量控制系统,如青岛橡六集团有限公司的进口F270密炼机即配有微机和功率积分控制仪各一台。国产密炼机也有配置上述MNK-80型国产功率积分仪或进口积分仪的。国内橡胶厂使用密炼机已相当普遍,面对节能降耗的长期