低溫煉膠開煉機單元工藝參數優化的實驗研究

李明春，胡善軍，尚亞杰，邵玉龍

(1. 青島科技大學，山東 青島 266042；2. 杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

低溫煉膠開煉機單元工藝參數優化的實驗研究

Experimental study of process parameter optimization of low-temperature mixing open mill unit

李明春1，胡善軍1，尚亞杰2，邵玉龍2

(1. 青島科技大學，山東 青島 266042；2. 杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

隨著一次法煉膠工藝技術在輪胎企業越來越多的推廣及應用，其中“開煉機煉膠”單元相關設備工藝的參數確定直接影響著該工藝的效果，通過相關試驗進行對輥距、過輥次數、膠環長度、堆積膠等相關參數進行定量、定性分析，為該工藝核心部分單元設計提供參考。

低溫煉膠；輥距；過輥次數；堆積膠；速比；線速度

隨著輪胎市場需求的變化，尤其是歐盟“輪胎標簽法”的通過，對輪胎生產工藝提出了更高的要求，為此也引發了新一輪輪胎生產工藝方面的工業革命，其中煉膠工藝以“低溫一次法煉膠”工藝最為矚目[1～3]。該工藝相對于傳統工藝的多段煉膠，實現一次完成塑煉、混煉和終煉的煉膠工藝，在能耗、場地、效率、產能以及品質等方面均有較大的提升，尤其是該工藝體現了煉膠過程“低溫控制”的特性，從而更好的實現了白炭黑分散與混合的煉膠工藝，為綠色輪胎生產提供了較為適應的裝備和工藝[4～6]。下面僅就該工藝主體過程“開煉機煉膠單元”的相關設備工藝參數進行試驗、分析，為該工藝的設計與應用提供參考。

1 一次法煉膠單元結構特點及主要控制參數

一次法煉膠單元主要結構形式如圖1。主體開煉機配置環形輸送帶形成膠環，同時在開煉機上部設置導膠裝置自動導膠。該工藝流程主要有膠料進入開煉機輥筒的吃膠、過輥、輸送帶成環、導膠，最后通過輥速與皮帶速度的控制實現斷膠、出膠。由于該工藝煉膠的捏煉、分散、混合均是發生在開煉機兩輥筒間，通過開煉機輥筒表面的速度梯度差對膠料產生剪切、混合作用，實現混煉工藝，由于該工藝膠料經過環形輸送帶時間相對較長，且配置冷卻輥筒，膠料的低溫控制性很好。過程控制的主要參數就是膠料通過開煉機輥筒的次數（簡稱過輥次數）、過輥時的輥距、煉膠時間、膠料在開煉機輥筒上的堆積情況輥筒線速度控制等，這些參數直接影響膠料的質量。輥距的大小直接關系著膠料剪切分散的效果，堆積膠的多少影響分散的一致性，過輥次數及煉膠時間對混煉的充分性影響較為明顯。

圖1 一次法煉膠系統構成圖

表2 輥距、過輥次數、炭黑分散數據測試

2 相關參數的探討及試驗

2.1 輥距、過輥次數對膠料門尼黏度、炭黑分散的影響

2.1.1 實驗方法

在液壓調距的開煉機上，分別在不同輥距情況下，通過手工開刀方式將無硫膠料進行過輥操作，并在每過一次輥后開刀取一次試片，進行門尼黏度、炭黑分散專項檢測，從而得出不同輥距在不同過輥次數情況下對煉膠門尼黏度性能和分散效果的影響。

2.1.2 主要裝備及材料

開煉機XK660；有轉子形式門尼黏度檢測儀；炭黑分散儀；試樣膠料，2段A108。

2.1.3 試驗結果及結論

經過上述方法煉膠，試驗測試門尼黏度、炭黑分散結果如表1及表2。

表1 輥距、過輥次數、門尼黏度數據測試

試驗過程中通過調整輥距控制膠片厚度達到試片要求，考慮實際生產的可操作性，膠片最小厚度控制在4 mm（輥距顯示為0.5 mm，實際工作輥距要加上輥筒徑向游隙）。通過該數據可以得出如下結論：隨著輥距的增加門尼黏度下降幅度逐步減少；隨著過輥次數的增加，門尼逐步減小，其減小幅度與輥距密切相關，輥距越小下降越明顯。同樣，炭黑的分散性也存在類似的規律：隨著輥距減小和過輥次數的增加，分散度呈逐步增加的趨勢。這也符合開煉機輥筒煉膠的特性，輥距越小剪切效率越高。

實際上，輥距與過輥次數存在如下關系式：

式中：

N——過輥次數；

V——輥筒表面線速度，m/min；

B——膠環膠片寬度，m；

T——膠環膠片厚度，m；

ρ——膠料密度，kg/m3；

G——配方質量，kg；

Δt——有效工藝煉膠時間，s。

當設備一定時，膠環寬度B、輥筒表面線速度V是常數不變量；同樣當膠料品種確定后，密度ρ及配方質量G也是不變的常量，那么，就可以通過控制輥距來優化調整膠片厚度和過輥次數，同樣也可以調整Δt，來影響過輥次數，但對效率有影響。因此，從生產效率和品質改善的綜合角度考慮，選用適當的輥距尤為必要。同時在單元設備設計的時候，要充分考慮以上特點，選用適當的輥筒速度，膠環寬度對品質及效率均有不同程度的影響。

2.2 堆積膠量的計算及相關參數

開煉機上堆積膠量對煉膠效率及質量有著很大的影響，堆積膠量過小，容易造成捏煉不足，混合不充分，膠環缺邊等現象；堆積膠過多，容易造成膠料在兩輥筒上“跳舞”現象，存在“死角”，不能保證膠料過輥的一致性。為此，適量的堆積膠對低溫混煉至關重要。通過實驗目測觀察，比較適宜的堆積膠量為60 kg左右（660開煉機）。可以從下列相關參數的關系中分析控制堆積膠的方法：

式中：

G——堆積膠量，kg；

G1——配方質量，kg；

B——膠環寬度，m；

L——膠環長度，m；

T——膠料厚度，m；

ρ——膠料密度，kg/m3）。

當設備尺寸及膠料品種確定后，堆積膠影響變量只能通過調距控制膠片厚度來實現，但考慮到輥距對品質的綜合影響，該變量不可大范圍調整。為此，在設計時就應考慮相應的尺寸參數，基本上按式（2）來看，在密煉機確定的前提下，配方質量相差不會太大，主要是通過控制膠環的長度L和輸送帶的寬度B來控制堆積膠的量，一般情況下輸送帶寬度由開煉機結構決定，基本是定數。從表3和表4可以比較直觀的看出堆積膠與膠環長度和輥距的關系。

表3 堆積膠與膠環長度關系對照表

表4 堆積膠與輥距關系對照表

3 輥筒速比、輥距、線速度參數控制與產能、品質的相關性

開煉機輥筒的速比、輥距、線速度與煉膠效率、品質、自動化功能實現密切相關。根據開煉機的煉膠機理，主要的剪切捏煉發生在兩個輥筒之間，其剪切作用主要是由于兩輥筒之間物料存在一定的速度梯度，導致物料流速不同，同時又承受一定的擠壓力，加速捏煉作用。通過下列公式可以更好的理解速比、線速度與煉膠過程的關系：

式中：

f——速比；

v1——后輥筒線速度，m/min；

v2——前輥筒線速度，m/min；

dv/dy——速度梯度；

e——輥距，m。

當速比f＞1時，增加輥筒線速度，加大速比，減小輥距均能有效提高速度梯度，加大剪切效率。對產能方面的影響，其他條件不變時，根據式（1）過輥次數公式可以看出，過輥次數與輥筒線速度成正比，線速度提高，過輥次數增加，煉膠效率提升；輥距減小，相當于膠片厚度減小，按式（1），過輥次數減少，煉膠效率降低，但品質提升；速比確定，主要根據加工物料種類不同，選取適當值，橡膠混煉公認速比范圍f=1.08～1.2，一旦選定，在煉膠過程中不會變化。所以，煉膠過程中線速度和輥距的參數化調整對煉膠效率和品質影響較大。

提高線速度可以有效的提高產能。按照人機學規律，經試驗證明開煉機輥筒人工操作最高轉速為28 r/min，一旦超過此轉速，將有嚴重的安全隱患。一次法煉膠單元由于采用自動輔助裝置，實現了自動生產，輥筒線速度可以適當的提高，目前最高轉速已提高到70 r/min。

在膠料品質方面，隨著速度梯度的增加，物料受剪切作用增大，促進原料的分散、分布，但膠料高分子斷鏈、內部劇烈摩擦，剪切過大時，導致產生大量的熱量，對膠料品質控制產生負面影響，對溫控調節要求難度加大。

綜合考慮產能和品質的影響，在設計選型時，就應選取好合適的輥筒速比。煉膠過程中，對輥距、輥筒線速度進行參數化控制，可以有效地實現對剪切效率、溫度控制的優化，從而達到產能與品質的統一優化。

4 結束語

通過上述試驗及推導，可以看出，一次法煉膠開煉機單元煉膠效果無論是門尼黏度控制還是分散效果均隨過輥次數增加和輥距減小而提升，但本試驗是建立在一定生產性基礎上實施的，也就是對效率保證的前提下進行的，在趨勢的延續性上還需進一步驗證，或許隨著輥距減小和過輥次數的增加到一定值時，膠料品質會不再明顯變化。總之，該單元的相關參數設計必須從開始設備選型、工藝路線確定就予以充分考慮，綜合考慮生產效率和膠料品質，選取設計適當的膠環長度，優化工作輥距、煉膠時間和堆積膠量控制，將輥距、過輥次數與生產效率的矛盾，膠環加長與場地和故障控制的矛盾，產能與品質的矛盾等有機的結合起來進行優化設計與控制，是取得該工藝成敗的關鍵。希望上述試驗及分析可以為低溫單元設計提供一定的參考。

[1] 唐國政. 談談對“低溫煉膠”的認識. 橡塑技術與裝備，2012，11.

[2] Alfred W.Blum，RUBBER WORLD，2003,227（6）：24～31.

[3] 巫靜安，李木松. 橡膠加工機械. 化學工業出版社，2006：10～11.

[4] 沈新元. 高分子材料加工原理. 中國紡織出版社，2009，445.

[5] 唐國俊，李健鑌.橡膠機械設計[M].北京：化學工業出版社，1981：8～37.

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(XS-03)

TQ330.43

：1009-797X(2015)04-0054-04

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.009

李明春（1971-），男，青島科技大學在讀研究生，機電控制工程專業，杭州朝陽橡膠有限公司高級工程師，已發表論文2篇。

2014-03-14