橡膠電纜連續硫化生產線水汽平衡系統設計探討

孫竹，宋海峰

(南京藝工電工設備有限公司，江蘇南京211199)

0 引言

橡膠電纜因其包覆材料的特有性質在生產過程中廣泛采用連續硫化生產工藝，做為生產線關鍵技術之一的水汽平衡控制系統其可靠性和穩定性對橡膠電纜制品的品質起著至關重要的作用。

1 橡膠電纜的生產流程

橡膠電纜的生產過程實質上就是膠料的硫化過程。硫化即膠料通過生膠分子間交聯，形成三維網絡結構的過程。連續硫化工藝則是擠包和硫化連接成一道工序的硫化工藝。

橡膠電纜包覆層的硫化在硫化管內進行，硫化管道的布置形式通常有半懸鏈式和傾斜式兩種，本文以半懸鏈式為例。圖1中電纜線芯被上牽引牽至一定高度(形成懸鏈)經模具擠出包覆，再經過充滿飽和蒸汽的硫化管道硫化，隨后進入冷卻管道冷卻，硫化完成后的電纜冷卻后經下牽引牽出管道，作為成品被收卷在收線設備上。

圖1 生產流程圖

2 水汽平衡系統設計

2.1 硫化管道壓力和溫度的選擇

橡膠電纜包覆層硫化反應的加熱介質通常采用飽和蒸汽，飽和蒸汽的溫度與其壓力有關，當蒸汽的壓力達到一定數值時，蒸汽的溫度也隨之達到相應的數值。在實際生產過程中，蒸汽的壓力和溫度滿足Antoine公式［1］:ln(P)=A-B/(T+C)，其中A、B、C為Antoine常數，T為飽和蒸汽的溫度，P為飽和蒸汽壓力。也可以直接查表得到，如表1［1］。

表1 飽和蒸汽壓力與其溫度的關系

續表1

包覆層膠料的硫化時間很大程度上取決于飽和蒸汽的溫度，不同配方的膠料硫化溫度不盡相同，需要試驗得到相應數據。在已知某種膠料一種溫度下的硫化時間時，可以通過公式(其中，τ為硫化時間，T為硫化溫度，K=2)求得在其他溫度下的硫化時間，并可以求得在對應溫度下電纜的生產速度。例如，要硫化一根10mm2的橡皮絕緣電纜，經配方試驗確定在143℃溫度下，硫化時間為30min。假定線芯以80m/min的速度通過溫度為143℃的硫化管道，則硫化長度應為80×30=2 400m才能滿足硫化過程。這樣長的硫化管道很明顯是不可取的。如果將硫化溫度由143℃提高到203℃，根據公式可以求得203℃下的硫化時間為0.468 8min，如果采用50m長的硫化管來硫化，則生產線速度ν=50÷0.468 8=106.7m/min。

此外，蒸汽壓力的作用還可以使電纜包覆層更加致密。

2.2 硫化管道和冷卻管道長度的選擇

由于受廠房的限制，硫化管的長度有限。如果加熱段管道過短，會導致電纜硫化不充分，影響生產速度；如果加熱管道太長，冷卻管道長度必然要縮短，這時水位可能會過低，電纜又會因熱交換不夠導致冷卻不充分，影響產品品質。因此必須合理的選擇加熱段和冷卻段管道的長度，并且把冷卻水位控制在比較合理的區段內。

硫化管道長度的選擇通常有兩種方法:

1)計算法

可根據公式:L=V×t×s(其中:L—硫化管道長度，m；V—生產線速度，m/min；t—硫化時間，min/mm，通常 t=0.25 ～1.5；s—膠料厚度，mm)

例如:生產一根導體截面積為10mm2，包覆厚度為1.6mm，生產線速度不小于30m/min的橡膠電纜所需的硫化段長度為:Lmin=30×0.5×1.6=24m(這里t取0.5)。以此類推，可計算出其他規格品種所需的硫化段長度 Lmin1～k，最終 L=max(Lmin1～k)。

2)類比法

根據國內外成熟生產線的布置情況及相關標準，類比設計出類似生產線的硫化段長度，這里不做闡述。

可根據電纜生產廠家的膠料情況以及要求的生產線速度初算出所需的硫化段長度，再根據廠房實際情況以及冷卻效果確定最小許用冷卻段長度，通常冷卻段長度取1.15～2倍的硫化段長度。

2.3 水汽平衡系統的控制原理及組成

由于管道內的蒸汽壓力存在波動，同時在生產過程中也需要根據生產速度調節管道內蒸汽的壓力，以獲得有利的生產參數。因此，生產線的控制轉化為水汽平衡的控制。按各部分功能，整個水汽平衡系統可分為以下3個部分:1)蒸汽壓力控制部分；2)外循環部分；3)內循環部分。蒸汽壓力控制部分控制著管道內的蒸汽壓力，外循環部分控制管道內實際的水位，兩個部分控制上相互獨立，通過管道壓力相互聯系。冷卻部分水泵的供給保持了水位在設定高度同時抵消了蒸汽壓力的波動，實現動態平衡。內循環部分起著增強冷卻效果減輕水位波動的作用。

a)蒸汽壓力控制部分

蒸汽壓力的控制關鍵在于對管道內蒸汽壓力實時監測及管道內壓力反饋。如圖2所示，蒸汽壓力控制部分主要由蒸汽控制閥組和遠傳壓力表組成。遠傳壓力表將實時監測到的管道壓力信號送至控制系統，經運算處理后與系統設定的參數進行比較，由控制系統控制蒸汽閥組的進汽閥開啟或關閉，管道內蒸汽的實際壓力與設定壓力保持一致。在蒸汽控制閥組內增設了安全閥，限定管道內的最大壓力，保障安全。

圖2 水汽平衡系統組成圖

b)外循環控制部分

水位的控制關鍵在于對管道內實際水位的實時監測和反饋，如圖2所示，外循環控制部分由冷卻水供給閥組和差壓變送器組成。差壓變送器一端連接有一定高度差的小型儲水罐，另一端連接冷卻管道的末端，兩端均勻與管道相通。假設管道內壓力為P0差壓變送器兩端的壓差△P則取決于管道內水位的實際高低與小型儲水罐的高度差△H?；诖耍顗鹤兯推鞑杉搅斯艿纼鹊乃恍盘?，并將該信號送至控制系統，經控制系統運算處理后與設定的水位參數進行比較，控制冷卻水供給閥組的開啟或關閉，從而保證水位的動態平衡。圖3為外循環控制流程圖

c)內循環部分

如圖2所示，內循環閥組即內循環部分，將管道內的冷卻水從水位上部抽回冷卻管末端，其中設有強冷裝置，增強了管道內冷卻水的冷卻效果，可以有效的減輕冷卻水對管道內線纜的擾動。循環閥組在主管道上設置有多個取水口，可以適應不同的水位，并且在取水口上安裝有傳感器，一旦蒸汽到達取水口，此處的閥組會自動關閉，保障安全。

圖3 外循環控制流程圖

3 結語

水汽平衡系統作為傾斜式或半懸鏈式橡膠硫化生產線中重要的控制系統之一，其穩定性值得進一步研究，本水汽平衡系統水汽控制平穩可靠，生產過程中對電纜的擾動小，已在安徽等地多條“0+3”橡膠連續硫化生產線中得到驗證。

［1］范仲元.水和蒸汽熱力性質圖表［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］傅政.橡膠材料性能與設計應用［M］.北京:化學工業出版社，2003.