生物質(zhì)膠體（橡膠）工業(yè)熱水循環(huán)溫控技術使用效果研究

王宏鵬，閻強，王立謙，殷博*

（1.山東省威海市三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200；2. 黑龍江省科學院， 黑龍江 哈爾濱 150010）

生物質(zhì)膠體（橡膠）工業(yè)熱水循環(huán)溫控技術使用效果研究

王宏鵬1，閻強1，王立謙2，殷博2*

（1.山東省威海市三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200；2. 黑龍江省科學院， 黑龍江 哈爾濱 150010）

Using effect research of biomass colloid (rubber) industrial hot water circulating temperature control technology

隨著生態(tài)文明建設的不斷深入，生物質(zhì)膠體的需求量不斷攀升，有效提高生物質(zhì)膠體加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，是擴大生物質(zhì)膠體應用范圍的重要保障。本文針對當前生物質(zhì)膠體的加工工藝中溫控制精確度不高的問題，提出將熱水循環(huán)溫控系統(tǒng)應用到橡膠煉機和擠出機控制中，采用模糊控制方法對溫度控制系統(tǒng)進行改進，實驗表明熱水循環(huán)系統(tǒng)不僅能節(jié)水、節(jié)能還能有效降低混煉時間，提升產(chǎn)品品質(zhì)，提高擠出效率。

生物質(zhì)膠體；熱水循環(huán)；模糊控制

在改革創(chuàng)新的助力下，先進技術不斷涌入中國，一定程度上促進了橡膠加工工業(yè)的發(fā)展。橡膠加工過程中會放出大量的熱，如何在最短的時間內(nèi)降低溫度，合理利用熱能，是橡膠生產(chǎn)中的關鍵。一般采用強制冷方法進行降溫，而當前的強制冷工藝多存在混煉周期長，混煉不充分，擠出速率低，擠出物料質(zhì)量差等特點，而且沒有有效的利用熱能，造成資源浪費，因此探究一種新型熱水循環(huán)的溫度控制系統(tǒng)有重要意義。

在一些發(fā)達國家熱水循環(huán)技術已經(jīng)被用到混煉機、擠出機和喂料機中，取得了很好的效果，因此，將熱水循環(huán)技術應用到生物膠體加工工藝中，是可行的。

1 熱水循環(huán)的使用效果分析

1.1 密煉機的改進

國內(nèi)加工工業(yè)還存在老式的管理模式，嚴重阻礙了熱水循環(huán)技術在密煉機應用中的推廣。而創(chuàng)新的腳步?jīng)]有停止，研究人員的探索熱情沒有消失，青島科技大學的研究人員就對熱水循環(huán)技術在密煉機中的應用效果進行了研究。

研究實驗以1.7 L的密煉機為基礎，以胎面膠、子午線輪胎帶束膠和胎體膠為材料進行了熱水循環(huán)試驗。實驗水溫冷熱分別為27 ℃和47 ℃，轉(zhuǎn)子速度設為120 r/min，填充系數(shù)是0.6。探究了冷水和熱循環(huán)水對排膠溫度、混煉時間、功率最值、能耗和需水量等因素的影響。具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 排膠溫度。試驗表明，在相同混煉周期條件下，采用循環(huán)熱水的膠料溫度高于采用冷卻水的膠料溫度，胎面膠平均高12%，子午線輪胎帶束層膠平均高9%，胎體膠高7%。同時分散度分析結果表明，循環(huán)熱水縮短了混煉周期，循環(huán)熱水90 s混煉膠料的分散度相當于冷卻水120 s混煉膠料。因此，從混煉周期看，循環(huán)熱水降低了排膠溫度，因此對相同的膠料分散度而言，采用冷卻水和循環(huán)熱水排膠溫度變化并不明顯，其綜合排膠溫度分別為：胎面膠由 113 ℃上升到118 ℃，子午線輪胎帶束層膠由118 ℃上升到 123 ℃，胎體膠由102 ℃上升到106 ℃，排膠溫度均升高約4%。

(2) 混煉周期。該研究表明，采用循環(huán)熱水的膠料分散度比冷卻水混煉有明顯提高。在相同混煉條件下，采用循環(huán)熱水混煉的胎面膠分散度提高了3級，子午線輪胎帶束層膠提高2～3級，胎體膠提高2級。同時，在相同混煉條件下，密煉機混煉120 s的分散度比混煉90 s約提高2 級。對比可知，采用循環(huán)熱水混煉90 s的膠料分散度相當于采用冷卻水混煉120 s的膠料，即在相同分散度條件下，采用循環(huán)熱水的混煉周期比冷卻水縮短了25%。循環(huán)熱水比冷卻水時間短的原因是混煉過程中，混煉倉溫度較高，采用冷卻水強制降溫的方法會使混煉倉壁發(fā)生致露效用，形成的露膜附在混煉壁上，這樣會使物料在混煉倉中形成打滑現(xiàn)象，降低混煉質(zhì)量。采用循環(huán)熱水方法可以有效防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，循環(huán)熱水可以在混煉倉周圍形成保溫膜，一方面保證混煉倉溫度降低，另一方面在一定的溫度和轉(zhuǎn)子的作用下，物料更容易混勻。要注意的是，溫度降低到一定程度時要有效延長冷卻水的循環(huán)時間，這樣才能得到合適的分散膠料。實驗結果顯示，混煉剛開始時，冷水入口溫度達12～15 ℃時，物料有打滑現(xiàn)象，溫度升高過程中，打滑現(xiàn)象逐漸消失，實驗循環(huán)水溫度一般設定為40～50 ℃為宜。

（3）功率峰值和能耗計算。有效降低功率峰值可以提升密煉機的穩(wěn)定性，從而提高整個機器設備的運轉(zhuǎn)效率和穩(wěn)定性。通過對密煉機峰值功率的測定，可知循環(huán)熱水溫度控制技術可有效減少混煉各周期的峰值功率，當投入新膠和炭黑時，可有效降低峰值功率8%～9%。密煉機的電能單耗、功率消耗和混煉時間成正比，與混煉膠料的質(zhì)量成反比，使用循環(huán)熱水時使混煉過程峰值功率降低，且混煉周期縮短，因此可顯著降低電能單耗。混煉周期縮短25%時，循環(huán)熱水所用循環(huán)泵和電熱器能耗可降低12%。

（4）水量消耗。熱水循環(huán)系統(tǒng)的主體就是水，通過設定目標溫度來驅(qū)動水循環(huán)溫度和時間，沒有達到既定溫度時水循環(huán)不會向回路供水，這便有效的降低了循環(huán)需水量，比一般較強制冷系統(tǒng)少近85%。如實驗過程中熱水循環(huán)系統(tǒng)供給的水為500 kg/h，而冷卻水方式則要3 000 kg/h。

1.2 熱水循環(huán)系統(tǒng)在冷喂料機中的應用

傳統(tǒng)喂料機的溫控系統(tǒng)采用分段強制冷卻的方法，需要人工對各水管溫度進行預實驗，操作復雜，控制精度不高；而且需要反復實驗來確定合適的溫度值，浪費了擠出材料和能耗。而新式的熱水循環(huán)系統(tǒng)不僅可以對機器產(chǎn)生的熱量進行適當?shù)睦茫€可以在喂料過程中做適當?shù)臏囟妊a償，提升物料的流性，提高喂料機的效率。

實驗過程中使用Φ65冷喂料機為基礎機型，螺桿長徑比為12，螺桿轉(zhuǎn)速為20～70 r/min，擠出材料為胎面膠、內(nèi)胎膠和膠管膠。

（1）喂料機各段溫度分布。在喂料機溫度控制一般分三段：喂料段、機體段和機頭段，其中機頭段溫度最高，而且定型處又需要降溫，需要配備降溫設備。在實驗條件下，喂料段溫度為45～55 ℃時，機體段溫度可達55～65 ℃，機頭溫度為65～75 ℃，機器產(chǎn)能最高。實驗表明喂料機工作過程中，一定溫度區(qū)間內(nèi)，喂料機產(chǎn)能會隨著溫度的升高而提高，超過一定的范圍，喂料機的產(chǎn)能又會隨溫度的升高而降低。因此采用熱水循環(huán)溫度控制技術能提高喂料機的產(chǎn)能。

（2）擠出機溫度分布于能耗功率的關系。在較低溫度的條件下，由于吃料能力和輸送能力較小，導致膠料在螺槽中的有效工作長度也較低 。隨著溫度升高，吃料能力和輸送能力逐漸增大，使膠料在螺槽中的有效長度增大，因而隨著溫度的升高，消耗功率隨之增大。但溫度升高到一定值時，吃料能力和輸送能力均都達到最大值，此時，隨著溫度的升高，螺槽中的膠料變得越來越軟，黏度也越來越小，消耗功率隨之減小。

2 模糊控制方法應用在熱水循環(huán)控制系統(tǒng)中的可行性分析

模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)則用于控制。由于溫度具有一定的滯后性，傳統(tǒng)的控制方式很難達到理想的控制效果，而模糊控制方法以其不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型的特點，很好的適應了溫度控制的需求。由于熱水循環(huán)系統(tǒng)是一個隨機性的非線性系統(tǒng)，因此模糊控制非常適合擠出機的溫度控制。模糊控制通過調(diào)整參量的設置和模糊學習等調(diào)節(jié)擠出機轉(zhuǎn)動速率，并將檢測的溫度反饋給水溫控制系統(tǒng)，控制加熱功率，從而完成擠出機螺桿轉(zhuǎn)速和溫度的協(xié)同控制。

3 結語

工業(yè)智能化的腳步已不可逆轉(zhuǎn)，生物質(zhì)膠體加工控制系統(tǒng)的技術革新已勢在必行。本文通過將水循環(huán)溫度控制技術應用到密煉機和喂料機的過程進行分析，驗證了水循環(huán)溫度控制方式可以有效提升生物質(zhì)膠體加工設備的產(chǎn)能。探討了模糊控制方法改進水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)的可行性，力求為生物質(zhì)膠體加工工藝的發(fā)展提供理論支持。

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TQ330.8

1009-797X(2016)06-0082-02

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10.13520/j.cnki.rpte.2016.06.029

王宏鵬（1983-），女，工程師，學士，主要從事能源管理工作。

*通訊作者。

2016-02-01