降低全鋼載重子午線輪胎硫化上下模溫差的措施

王俊霞，慕振興，陳培文，張高航

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

與傳統過熱水硫化相比，硫化中后期采用潔凈的氮氣替代過熱水可以節約大量蒸汽能源。氮氣制備方法簡單、環保，采用氮氣硫化方式在降低成本、節能減排方面具有重要的意義。

輪胎上下模溫差越小，各部件上下模硫化效應越接近，輪胎整體硫化質量越好，因此降低輪胎上下模溫差是輪胎硫化需要解決的重要問題之一，尤其是采用氮氣硫化后，此問題更明顯，可以說，降低輪胎上下模溫差是氮氣硫化的必要前提之一[1-5]。氮氣硫化初期硫化膠囊通入高溫蒸汽，膠料在交聯過程中吸收大量熱量而產生大量冷凝水，充入氮氣時，氮氣和蒸汽高低溫混合導致絕熱溫升產生冷凝水，冷凝水集中在硫化膠囊底部，導致下模溫度低于上模，這是造成輪胎上下模溫差的根本原因，所以要降低輪胎上下模溫差需及時排出冷凝水。此外，中心機構缸蓋進汽孔的結構也是影響輪胎上下模溫差的原因之一。

本工作通過埋線測溫法評價全鋼載重子午線輪胎硫化上下模溫差，改進排凝程序和中心機構缸蓋，并通過硫化發泡點試驗確定改進前后的硫化時間，找出降低輪胎硫化上下模溫差的最佳方案。

1 試驗準備工作

1.1 輪胎規格

考慮胎肩部位設計對上下模溫差的影響，選取胎肩為封閉結構的12R22.5CST113 18PR規格輪胎進行試驗。

1.2 硫化機臺

我公司早期硫化機全部采用機械式熱板硫化機，后續增加的硫化機全部為液壓硫化機，考慮液壓硫化機控制穩定，選取616#液壓硫化機進行試驗。

1.3 硫化工藝

蒸汽通入時間 9 min，氮氣通入時間 39 min，保壓時間 0.5 min，排壓時間 0.5 min，硫化總時間 49 min。

1.4 硫化測溫分析儀

采用特拓（青島）輪胎技術有限公司生產的TCMA1000型硫化測溫分析儀。

1.5 膠料活化能計算

取輪胎各部件膠料進行硫化儀測試（試驗溫度分別為140，143，145，150，155 ℃），將試驗數據輸入測溫分析儀系統中，自動計算得到活化能，如圖1所示。

圖1 膠料的硫化儀數據和活化能

1.6 測溫孔的加工

測溫孔位置的選取要考慮穿線方便，盡量遠離膠囊，避免硫化過程中膠囊進入測溫孔而損壞，所以測溫孔的位置盡量靠近下鋼圈外邊緣。測溫孔直徑根據埋線后測溫線的直徑確定，需盡量小。如鋼圈背面與金屬接觸，需要開10 mm的槽，測溫孔直徑選擇12 mm，測溫孔中心與下鋼圈邊緣距離10 mm，鋼圈測溫孔加工如圖2所示。

圖2 鋼圈測溫孔加工示意

1.7 測溫部位的選取

輪胎上下模測溫部位在胎里表面選取，測量位置為胎肩、胎側和胎圈，分別測量進汽孔和回水孔兩個位置，共12個測溫點，埋線測溫如圖3所示。

圖3 埋線測溫示意

2 上下模溫差改進試驗

2.1 現狀分析

2.1.1 排凝設置

蒸汽步序排凝設置：蒸汽通入同時排凝3 s，通入第25 s排凝3 s，通入第50 s排凝3 s，后續按溫度低于195 ℃時進行排凝。

2.1.2 溫差分析

硫化溫差測量結果見表1。

從表1可以看出，硫化過程中溫差最大值出現在胎側部位，為18.61 ℃，胎圈部位啟模溫差較大，最大值為6.41 ℃。

表1 改進前硫化溫差測量結果 ℃

2.1.3 啟模時硫化效應

硫化效應指膠料等效硫化時間與t90的比值，衡量輪胎上下模硫化效應一般采用下模/上模硫化效應比值，比值越接近1，上下模硫化效應越接近。改進前輪胎上下模硫化效應數據見表2。

從表2可以看出，下模/上模硫化效應比值大多在0.4～0.6之間，這說明下模與上模硫化效應相差較大，部分部位下模硫化效應僅為上模的1/2。

表2 改進前輪胎上下模硫化效應

2.1.4 溫度及溫差曲線

從硫化機合模開始硫化至硫化結束啟模，硫化過程中輪胎上下模溫度及溫差曲線見圖4。

圖4 改進前硫化過程中輪胎上下模溫度及溫差曲線

從圖4可以看出：硫化初期高溫蒸汽進入階段溫度逐步上升，上模升溫快于下模升溫，溫差逐漸增大；氮氣進入初期溫差仍在增大，后期上模升溫減緩，下模繼續升溫，溫差逐漸減小。

分析認為，硫化初期為吸熱反應，產生大量的冷凝水未及時排出，溫差逐漸增大；氮氣進入初期由于氮氣、蒸汽高低溫混合導致絕熱溫升產生冷凝水，而冷凝水未及時排出，溫差逐漸增大。

根據上述分析，后續需對輪胎上下模溫差、硫化效應進行改進，硫化最大溫差出現在上胎側部位，這說明兩個問題：一是下模的冷凝水沒有及時充分排出；二是蒸汽噴射角度過大，到達上胎側位置，導致上胎側溫度過高。所以減小上下模溫差主要從冷凝水排凝程序和中心機構缸蓋進汽孔角度兩個方面進行。改進目標為：最大溫差≤15 ℃，啟模溫差≤5 ℃，下模/上模硫化效應比值≥0.69。

2.2 排凝程序改進試驗

排凝程序改進試驗從兩個方面進行：蒸汽排凝程序調整、氮氣步序增加排凝，排凝改進試驗方案如下：（1）方案1。蒸汽排凝程序調整，蒸汽通入同時排凝3 s，第25 s排凝3 s，第50 s排凝3 s，后續每3 min排凝3 s；（2）方案2。蒸汽排凝程序調整同方案1，氮氣通入步序增加排凝，氮氣通入同時排凝4 s。由此可知，改善方案1增加了蒸汽步序排凝次數，延長了排凝時間，方案2在方案1的基礎上增加了氮氣步序排凝。

2.2.1 溫差分析

排凝程序改進后硫化溫差測量結果見表3。

表3 排凝程序改進后硫化溫差測量結果 ℃

從表3可以看出：蒸汽排凝程序調整后，輪胎硫化過程中溫差最大值降至16.27 ℃，啟模溫差最大值降至5.75 ℃；氮氣步序增加排凝后，輪胎硫化過程中溫差最大值降至13.67 ℃，各部位啟模溫差均減小，啟模溫差最大值降至2.84 ℃。

2.2.2 啟模時硫化效應分析

排凝程序改進后輪胎上下模硫化效應見表4。

從表4可以看出，蒸汽步序排凝程序改進、氮氣步序增加排凝后，各部位下模/上模硫化效應比值增幅較大，最小值增至0.65。

表4 排凝程序改進后輪胎上下模硫化效應

2.2.3 溫度及溫差曲線

排凝程序改進后硫化過程中輪胎上下模溫度及溫差曲線見圖5。

從圖5可以看出，隨著硫化的進行，輪胎上下模溫差逐漸減小。

圖5 排凝程序改進后硫化過程中輪胎上下模溫度及溫差曲線

2.3 中心機構缸蓋結構改進試驗

2.3.1 進汽孔改進方案

中心機構缸蓋進汽孔直徑和角度影響輪胎上下模溫差，進汽孔角度減小，蒸汽噴射角度減小，噴射高度降低避免蒸汽進入時直接噴射到輪胎上部，使其盡量噴射到輪胎胎冠中間部分，使下模溫度升高，上下模溫差減小。進汽孔直徑減小，蒸汽進入時噴射力度增大，使蒸汽更快地在膠囊內腔中循環，并快速充滿囊腔，降低上下模溫差。

改進前后中心機構缸蓋進汽孔結構見圖6。

從圖6可以看出，改進前進汽孔直徑為11 mm，進汽孔角度分別為20°和5°；改進后中心機構缸蓋進汽孔直徑調整為7 mm，進汽孔角度調整為0°和5°。2種角度的8個進汽孔交替分布。

圖6 改進前后中心機構缸蓋進汽孔結構

2.3.2 硫化溫差分析

中心機構缸蓋進汽孔改進后硫化溫差測量結果見表5，排凝程序為方案2。

從表5可以看出，中心機構缸蓋進汽孔改進后，輪胎硫化過程中溫差最大值為9.86 ℃，啟模溫差最大值為2.82 ℃。

2.3.3 啟模時硫化效應分析

中心機構缸蓋進汽孔改進后輪胎上下模硫化效應見表6。

從表6可以看出，中心機構缸蓋進汽孔改進后，硫化效應得到改善，輪胎各部位下模/上模硫化效應比值增幅較大，最小值增至0.69。

2.3.4 溫度及溫差曲線

表6 中心機構缸蓋進汽孔改進后輪胎上下模硫化效應

中心機構缸蓋進汽孔改進后硫化過程中輪胎上下模溫度及溫差曲線見圖7。

從圖7可以看出，中心機構缸蓋進汽孔改進后，硫化過程輪胎上下模溫差進一步減小。

圖7 中心機構缸蓋進汽孔改進后硫化過程中輪胎上下模溫度及溫差曲線

3 硫化時間評價

對12R22.5CST113 18PR規格輪胎進行硫化時間評價，采用硫化發泡點試驗確定發泡點時間，其與安全時間之和為硫化時間。改進前后輪胎硫化時間對比見表7。

表7 改善前后輪胎硫化時間對比 min

從表7可以看出，上下模溫差減小后，輪胎硫化時間縮短1 min。

4 結語

以12R22.5CST113 18PR規格輪胎為研究對象，通過埋線測溫試驗對蒸汽步序排凝程序、氮氣步序排凝程序、中心機構缸蓋進汽孔進行改進，有效減小了輪胎硫化上下模溫差，縮短了硫化時間，從而達到了提高輪胎質量和產能的目的。