溴化丁基橡膠后處理生產線擠出工藝及設備淺析

吳　丹，賈朝陽，王艷群，張永龍

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116039）

溴化丁基橡膠后處理生產線擠出工藝及設備淺析

吳丹，賈朝陽，王艷群，張永龍

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116039）

結合已經成功開發的機組，對溴化丁基橡膠后處理生產線的工作原理、工藝流程進行介紹，對其關鍵設備擠壓脫水機、膨脹干燥機、雙螺桿膨脹干燥機的主要結構特點和設計要點進行了分析與論述。

溴化丁基橡膠；后處理；擠壓脫水機；膨脹干燥機；雙螺桿膨脹干燥機

溴化丁基橡膠是鹵化丁基橡膠中的一類，是通過對普通丁基橡膠加溴制備而成。它的特性：耐熱、耐候、耐臭氧、耐酸堿、耐化學品、耐老化性，尤其在高氣密性上，有突出表現；硫化活性更高，硫化速度更快，交聯密度更高；能與多種高不飽和橡膠共混、并用，有很好的共硫化性能和黏結性能，并且硫化方式可以多樣化；可以通過白炭黑補強，改善物理機械性能和工藝性能；有良好的再生性能，而且再生工藝簡單[1]。

溴化丁基橡膠主要用途：它是制造子午線輪胎、無內胎輪胎氣密層不可替代的原材料，也是醫用橡膠制品的必須原料。溴化丁基橡膠屬于新興戰略物資，是國家工信部發布的新材料產業“十二五”重點產品，是高性能、高附加值的合成橡膠的代表之一。

溴化丁基橡膠后處理生產線是用于溴化丁基橡膠后處理工序中脫水、干燥的關鍵設備。它的重要性在于：整個生產過程中，投資、操作、成本所占比重最大；直接影響產品最終質量；包含技術關鍵點多，設備加工制造難度大，控制系統水準高；關鍵設備的耐腐蝕性設計要求高；國外對此項技術進行壟斷。

近年來雖然我國合成橡膠后處理技術發展迅速，但是像溴化丁基橡膠這樣，具有高性能、高附加值的合成橡膠后處理技術一直未能攻關，且后處理設備全部靠進口。目前，此項技術主要被美、德等少數公司壟斷，這種現狀，嚴重制約國內該產業的發展。因此，對其技術及設備進行攻關，實現國產化，打破國外壟斷，符合經濟發展需要。

基于以上，大連橡膠塑料機械股份有限公司率先在國內進行該生產線擠出工藝及設備的研制。本文結合已經成功開發的機組，對溴化丁基橡膠后處理生產線的工作原理、工藝流程進行介紹，對其關鍵設備擠壓脫水機、單螺桿膨脹干燥機、雙螺桿膨脹干燥機的主要結構特點和設計要點進行分析和論述。

1　溴化丁基橡膠后處理生產線的工作原理及工藝流程簡介

1.1溴化丁基橡膠后處理生產線的工作原理

將上游來的膠料與水的混合物經流量調節閥逐級送至振動脫水篩、擠壓脫水機、單螺桿膨脹干燥機、雙螺桿膨脹干燥機、進料機、流化干燥床、分料機、給料機中，利用振動輸送、機械擠壓、閃蒸、膨化、熱交換的原理脫水、干燥，逐級脫去水分，實現逐級干燥。其脫水、干燥的效果可通過改變調節模板的流通面積、調整螺桿轉速、熱風系統的供風溫度和流量來控制。

1.2溴化丁基橡膠后處理生產線的工藝流程

溴化丁基橡膠后處理生產線工藝流程[2]如圖1。

圖1　溴化丁基橡膠后處理生產線工藝流程圖

溴化丁基橡膠后處理生產線工藝流程簡介：

從上游膠料水罐送來的膠粒與水的混合物，含水量95%~98%，進入后處理廠房區內，由流量控制閥控制，進入到振動脫水篩篩面上，振動脫水篩為一開一備。膠料水通過振動的形式，將大量的游離水脫除之后，利用振動輸送的原理被輸送到擠壓脫水機的加料口內。此時，膠粒含水量50%~60%。

在擠壓脫水機內，通過螺桿的旋轉輸送，膠料向擠壓脫水機出口輸送。在輸送過程中，利用機械擠壓方式，膠料中的水分被擠出，從機筒體上的籠條縫隙處排走。膠料到達模板處后，經調整后的模孔，被擠壓出模板，再經切刀切削成適合下游工序使用的膠粒，利用自重，順著溜槽被送至膨脹干燥機內。此時，膠粒含水量8%~12%。

在單螺桿膨脹干燥機內，通過螺桿的旋轉輸送，膠料向膨脹干燥機出口輸送。在輸送過程中，膠料逐漸被壓實，再利用剪切螺釘的剪切、分散、混煉作用，使單螺桿膨脹干燥機出口即靠模板處的壓力、溫度升高。處于高溫、高壓的膠料經過調整后的模孔，被擠壓出模板，瞬間利用閃蒸的原理，使膠料膨化成多孔性橡膠顆粒，水分迅速氣化，切刀將多孔性橡膠顆粒切成適合下游工序使用的膠粒，利用自重，順著溜槽被送至雙螺桿膨脹干燥機內。此時，膠粒含水量5%~8%。

在雙螺桿膨脹干燥機內，利用兩根異向非嚙合旋轉的螺桿，在最小剪切力下（防止降解），膠料完成輸送、混煉、擠壓的過程，使雙螺桿膨脹干燥機出口靠模板處的壓力、溫度再次升高。處于高溫、高壓的膠料經過調整后的模孔，被擠壓出模板，瞬間利用閃蒸的原理，使膠料膨化成多孔性橡膠顆粒，水分迅速氣化，再由切刀將多孔性橡膠顆粒切成適合下游工序使用的膠粒，之后由風送系統送至流化干燥系統內。此時，膠粒含水量2%~3%。

流化干燥系統主要包括：進料機、流化干燥床、分料機、給料機。

膠粒在流化干燥系統內，首先進入進料機，利用振動輸送的原理給流化干燥床輸送膠料，之后依次利用振動輸送的原理進入分料機、給料機。膠粒在流化干燥床內與下面熱風單元輸送的熱風接觸，使膠粒表面殘存的水分蒸發，而汽化的水蒸氣被熱風帶走，由抽風機排出室外。此時，膠粒含水量＜1%。

2　溴化丁基橡膠后處理生產線主要設備的結構特點和設計要點

溴化丁基橡膠后處理生產線主要包括擠壓脫水機、單螺桿膨脹干燥機、雙螺桿膨脹干燥機、流化干燥系統等，由于進、出每臺設備膠料的含水率不同，因而主要設備的結構和擠出工藝要求也有很大差別。下面就其溴化丁基橡膠后處理生產線中關鍵設備擠壓脫水機、單螺桿膨脹干燥機、雙螺桿膨脹干燥機的結構特點及設計要點進行論述和分析。

2.1擠壓脫水機

擠壓脫水機結構特點：吃料快；被擠壓出來游離態的水能迅速排出機筒外；可以通過調節模板開孔率，實現出口處膠料水含量的工藝要求；螺桿采用焊接結構。

確保擠壓脫水機吃料快的方法：一是適當加大加料段的壓縮比，使膠料在擠壓脫水機的加料口處被快速擠壓，使水分快速排出；二是合理設計加料段的導程，使黏連在一起或大塊的膠料被訊速帶入輸送方向；三是適當增加加料段溝槽的表面積，提高膠料的輸送效率。

擠壓脫水機中被擠壓出來的游離態的水能迅速的排出機筒外的關鍵點：在于機筒上排水篩（見圖2）的設計[3]。

一是排水篩的結構，不僅要與機筒的形狀相匹配，還要考慮操作維護方便、安全保護的結構要求。二是機筒上排水篩的篩板開度設計。篩板縫隙寬度用A表示，篩板筋條寬度用B表示，篩板開度簡化計算表示為：A/A+B，值越大，篩板脫水的效果越好。但前提是即要滿足工藝要求，又要滿足使用要求。常規工藝要求是排出水中不能含有規定大小的橡膠顆粒，就決定A值是有一定范圍的。常規使用要求是篩板經常要用高壓水清洗，必須耐高壓水的沖洗力，對篩板的剛性，即A+B的剛度值大于沖洗力值（見圖3）。

圖2　機筒排水篩三維示意圖

圖3　機筒篩板結構示意、放大圖

通過調節模板的開孔率，滿足工藝上對擠壓脫水機出口處膠料水含量要求的方法：調節模板上模孔的開通面積，即膠料的流通面積。擠壓脫水機的模板有固定模板、調節模板，共兩塊，兩塊模板上分別開有相同數量、相同大小的模孔，模孔是膠料的流道。固定模板與機筒固定在一起，調節模板套壓在固定模板上，可沿固定模板的中心轉動。模孔開通的面積大小是通過變頻電機直連蝸輪蝸桿減速器帶動可調模板沿固定模板的中心轉動，控制兩塊模板上模孔的開孔率的大小來實現，而開孔率范圍是通過兩個限位開關和一個直線位移傳感器來監控。不同的開孔率對應擠壓脫水機出口處不同的壓力、溫度，通過對壓力、溫度的監控來控制擠壓脫水機出口處膠料水含量（見圖4）。

圖4　固定模板、調節模板調節結構示意圖

擠壓脫水機螺桿采用焊接結構，制造過程中，注意以下方面：一是拉伸定型、焊接工藝、校直、應力消除的方法選擇，二是螺桿幾何尺寸、精度的保證。三是堆焊合金的操作工藝。關注以上方面，可以有效的保證螺桿的設計性能。

2.2單螺桿膨脹干燥機

單螺桿膨脹干燥機結構特點：機筒上銷釘與蒸汽通道排布不相貫；出口處關鍵件的耐磨損、耐腐蝕性的處理；機筒采用焊接結構。

單螺桿膨脹干燥機常見機筒上銷釘與蒸汽通道排布結構：夾套、內筒和銷釘套焊接成為一體，形成了加熱通道，長期使用，腐蝕和疲勞作用，部分焊縫容易開裂，出現蒸汽漏進筒體內或外的情況，發生夾套和蒸氣管路被膠堵死的情況。改進方法：將內筒外側軸向、徑向均勻分段，開出溝槽，使溝槽之間連通，上面焊上蓋板，形成了加熱通道（見圖5）。而銷釘孔直接開在內筒上，不用設置銷釘套，徹底防止了內漏，加工方便，加熱效果均勻。

圖5　機筒上銷釘、蒸汽通道位置示意圖

單螺桿膨脹干燥機出口處要利用“閃蒸”原理進行干燥，這樣出口處關鍵件的耐磨損、耐腐蝕性能要求非常關鍵。現采用螺桿兩端支撐的結構，即驅動端插在傳動系統的空心軸內，靠空心軸上的軸承支撐，非驅動端（螺桿頭部）利用切粒裝置中的調心滾子軸承支撐，這樣能保持螺桿與機筒之間互不接觸，互不磨損，大大提高了關鍵件的耐磨性。非驅動端的機筒采用內孔鑲襯套（見圖6），襯套內表面澆鑄合金，螺桿螺旋表面堆焊合金，機筒與螺桿的合金相互匹配，提高耐腐蝕性能。

單螺桿膨脹干燥機機筒采用焊接結構，制造過程中，注意以下方面：一是控制機筒的分度精度、加工變形量；二是合理選擇澆鑄合金內孔的加工工藝方法。關注以上方面，可以有效的保證機筒的設計性能。

2.3雙螺桿膨脹干燥機

雙螺桿膨脹干燥機結構特點：螺桿采用自潔性的結構；螺桿、襯套、模板切刀的均進行耐磨、耐腐的強化處理；獨特的螺旋式切粒系統。

雙螺桿膨脹干燥機為異向非嚙合錯列的形式，且螺桿轉速較高，提高螺桿自潔性的方法：一是螺桿表面光潔度能達到Ra0.8以上，這樣，膠料與螺桿一起旋轉時，摩擦力較小，很容易作軸向移動，有利于吃料，減少軸用功率。二是螺桿上螺棱推力面與根徑需要有一定的角度β（見圖7），推力面與根徑圓弧采用較大過渡半徑R，利于提高螺桿的自潔性能，更利于膠料的環流，使熱量傳遞均，減少外部加熱能耗[4]。

圖6　非驅動端機筒示意圖

圖7　螺桿螺棱截面剖視圖

強化螺桿、機筒、模板切刀的耐磨、耐腐性能的方法：一是本體的選擇需要滿足在溴酸中有優良的耐蝕性能，同時，它也耐鹵族催化劑的腐蝕，且焊接狀態下也有良好的耐蝕性能，粗加工后經熱處理后其性能指標如抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度等均能滿足使用的力學性能要求。二是表面均進行強化處理，可以通過堆焊合金、離心澆鑄合金、特殊熱處理來實現。

雙螺桿膨脹干燥機出口處橡膠顆粒黏連或過大，影響后序干燥效率、效果；橡膠顆粒過小，容易附著在后序的流化干燥系統的篩面、床身上或被抽風機排出室外。因此，切粒系統設計就變得尤為關鍵。雙螺桿膨脹干燥機采用螺旋式切粒系統，特點在于：其一，模板孔的排列角度與滾切刀的螺旋相位角相匹配，實現一粒一粒切割膠料，而不是同時，避免了同時切割帶來的黏連。其二，用以輸送橡膠顆粒用的壓空氣流方向與剛切下的粒子的初速度方向匹配，使橡膠顆粒沿切下方向順勢被冷卻、輸送。其三，液壓馬達驅動切刀，實現無級調速，在線實時控制膠料大小。

3　結束語

目前，第一條溴化丁基橡膠后處理生產線已經交付用戶使用，其余四條正在安裝過程中。第一條溴化丁基橡膠后處理生產線現已經通過正式調試、預生產，運行證明，總體流程布置、主要技術性能參數的確定、部件裝置功能等方面是合理的，先進的；尤其是雙螺桿膨脹干燥機等完全可以替代進口，達到當代國際先進水平，行業專家給予了很高的評價。溴化丁基橡膠后處理生產線的研發、調試、預生產的成功，使其關鍵設備實現國產，打破了國外企業對此技術和價格的壟斷。但相比國外，在整線設備的技術含量上，我們還是有差距，為此，我們會總結預生產、正式生產過程中存在的問題，進一步消化和吸收先進的技術成果，大膽走技術創新之路，國產化的溴化丁基橡膠后處理生產線趕超發達國家的目標才能實現。

[1] 高云芝，田恒水，等. 溴化丁基橡膠的應用研究及市場分析，橡膠科技，2007，2：15~18.

[2] WELDING ENGINEERS LTD. INSTRUCTION MANUAL.

[3] 孫長林，許中義. FRENCH擠壓脫水機的設計改進，煉油與化工，2007，2：31~33.

[4] 孟明. 膨脹干燥機筒體與螺桿部分的改進，化工裝備技術，1989，10（6）：16~20.

Extrusion process and equipment of post-processing production line for brominated butyl rubber

Extrusion process and equipment of post-processing production line for brominated butyl rubber

Wu Dan, Jia Chaoyang, Wang Yanqun, Zhang Yonglong
(Dalian Rubber & Plastics Machinery Co., Ltd., Dalian 116039, Liaoning, China)

Based on the successfully developed unit, this paper introduces the principle and process of post treatment production line for brominated butyl rubber. The paper also analyzes and discusses main structure features and design elements of key equipments, such as extruding dewatering machine, expansion dryer, and twin screw expansion dryer.

brominated butyl rubber; post-processing; extruding dewatering machine; expansion dryer; twin screw expansion dryer

TQ320.66

1009-797X(2015)19-0033-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.19.008

吳丹（1975-），女，高級工程師，1998年畢業于沈陽化工學院機械設計與制造專業，主要從事合成橡膠后處理設備的研發設計工作。

2015-01-29