橡膠工廠混煉流程的優(yōu)化

橡膠工廠混煉流程的優(yōu)化

橡膠精煉通常是橡膠制造商在工作量最多的過程。由于其高效率和機(jī)械化程度高，密封機(jī)是最常用的橡膠精煉設(shè)備。但如果不注意密煉機(jī)的過程控制、掌握好煉膠周期中各環(huán)節(jié)、各階段的耗能狀況,則將會(huì)浪費(fèi)很多能量,結(jié)果是混煉周期長(zhǎng)、混煉效率低、膠料質(zhì)量波動(dòng)大。因此,對(duì)于使用密煉機(jī)的橡膠工廠來說,如何在確?；鞜捹|(zhì)量的前提下,降低能耗是共同面臨的任務(wù)。準(zhǔn)確判斷和控制好混煉周期的終點(diǎn),避免“欠煉”和“過煉”兩種情況的發(fā)生。一、充填劑為單一加藥,加料口從較低區(qū)域方向發(fā)展用密煉機(jī)混煉一個(gè)膠料(指一段混煉)大致分為4個(gè)階段:(1)投入塑煉膠及小料;(2)分批加入大料(一般分兩批添加,第一批為部分補(bǔ)強(qiáng)、填充劑;第二批為余下的補(bǔ)強(qiáng)、填充劑和軟化劑);(3)進(jìn)一步翻煉、混和、分散;(4)排料。但按照這種傳統(tǒng)作業(yè),需采取多批次加藥,上頂栓升降及加料口啟閉頻繁,程序轉(zhuǎn)換也多,導(dǎo)致設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。(1)和(2)兩段約占整個(gè)周期的60%,見圖1。而在這段時(shí)間內(nèi),設(shè)備在低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn),有效利用率始終處于較低水平。一直要等第二批料添加后,密煉機(jī)才真正轉(zhuǎn)入滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),具體反映在圖1中從(3)開始,功率曲線開始驟然直線上升,在保持一段時(shí)間后才開始下降。由圖1可見,在投入另一半補(bǔ)強(qiáng)、填充劑之前,盡管已占用了整個(gè)周期一半以上的時(shí)間,但由于混煉室的填充系數(shù)不高,密煉機(jī)的設(shè)備利用率也不理想,卻占用了機(jī)臺(tái)和時(shí)間。其間有相當(dāng)一部分時(shí)間被上頂栓升降及加料口啟閉作為輔助時(shí)間所占。這樣的程序安排必然導(dǎo)致三種后果:1.密煉機(jī)混煉時(shí)間因?yàn)橛邢喈?dāng)一部分時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),造成設(shè)備利用率低。通常20rpm的密煉機(jī)的一段混煉周期為10～12min。具體執(zhí)行還取決于操作人員的熟練程度。2.混合橡膠的溫度和門尼的粘度發(fā)生了很大變化由于周期控制并非依據(jù)統(tǒng)一規(guī)定的粘度,而是依據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間或溫度,導(dǎo)致批與批之間波動(dòng)大。3.材料和材料之間的能量差也很大由上可見,傳統(tǒng)的密煉機(jī)混煉由于缺乏統(tǒng)一、可靠的程序控制標(biāo)準(zhǔn),造成批與批之間性能差異大,能量的浪費(fèi)也可觀。二、種標(biāo)準(zhǔn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密煉機(jī)混煉周期的控制,可以通過三種標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行?？刂频睦硐肽繕?biāo)是以最短時(shí)間獲得膠料的均勻分散,使混煉膠的物性和加工性能都達(dá)到預(yù)期要求。1.翻煉時(shí)間的影響混煉的目的是使各組分達(dá)到均勻分散,為硫化膠性能的均一提供保證。為此需要一定的時(shí)間,時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致“欠煉”,時(shí)間過長(zhǎng)則造成“過煉”,都不利于性能。按常理,以時(shí)間為控制標(biāo)準(zhǔn)易于掌握和實(shí)施,而事實(shí)往往并非如此,這是因?yàn)樗菀资艿綔囟鹊挠绊憽榱舜_保分散均勻,可以規(guī)定翻煉時(shí)間,但不能不考慮另一個(gè)因素—溫度。溫度偏高,則膠料的粘度降低,雖然粉料進(jìn)入加快,但有損于剪切,影響分散效果。2.混煉進(jìn)度的控制之所以把溫度列為混煉周期的控制標(biāo)準(zhǔn),是因?yàn)槲锪吓c轉(zhuǎn)子、室壁接觸、摩擦?xí)r勢(shì)必導(dǎo)致升溫,而且溫度始終隨著混煉作業(yè)的進(jìn)行而變化。生成的熱量通常隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而積累、遞增,膠料溫度總是跟著作業(yè)時(shí)間的增長(zhǎng)而提高,溫度曲線的走向始終由低向高攀升。因此可以通過溫度變化來反映混煉進(jìn)度。通常,到了排膠階段膠溫可達(dá)到120℃～130℃(高轉(zhuǎn)速密煉機(jī)甚至可高達(dá)160℃)。但溫度的高低也受密煉機(jī)轉(zhuǎn)速、配合組分在煉膠中的生熱量不同的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速或大劑量配合組分(如炭黑)品種變化時(shí),勢(shì)必會(huì)影響到溫度。所以,單純依靠溫度來控制密煉機(jī)的混煉過程也是不恰當(dāng)?shù)摹＞唧w難點(diǎn)在于兩個(gè)方面;(1)一旦大用量原材料(特別是炭黑)品種變動(dòng),溫度曲線走勢(shì)也必然隨著改變。在這種情況下,以溫度當(dāng)作控制標(biāo)準(zhǔn)肯定不可取。(2)各種密煉機(jī)的型號(hào)、容量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)均不相同,即使在同一個(gè)煉膠車間內(nèi),所配置的機(jī)臺(tái)的參數(shù)也未必相同,要想設(shè)定統(tǒng)一的溫度標(biāo)準(zhǔn)也是不現(xiàn)實(shí)的。3.能耗量控制法整個(gè)煉膠工藝過程也是耗能過程,所以用能耗量來控制周期。其原理是在冷卻條件基本穩(wěn)定的條件下,單位體積膠料在混煉過程中所吸收(或消耗)的能量必然導(dǎo)致所獲得的有效剪切,因此可以通過能耗量來控制周期。三、瞬時(shí)功率控制法密煉機(jī)混煉的三個(gè)控制過程都會(huì)受到外來因素的干擾而影響結(jié)果,特別是塑煉膠的可塑性波動(dòng)時(shí),即使以能量作標(biāo)準(zhǔn),也會(huì)影響控制效果。因此提出了過程與膠料粘度直接掛鉤。通過瞬時(shí)功率變化來反映膠料的粘度變化,進(jìn)而通過粘度變化來掌握混煉過程。并提出以達(dá)到最佳粘度(以獲得最佳分散度)作為衡量密煉機(jī)混煉周期的控制依據(jù)。也就是說,以特定瞬間的功率值作為控制煉膠周期的依據(jù),其優(yōu)點(diǎn)在于可排除溫度、密煉機(jī)轉(zhuǎn)速等可變因素的影響。凡是一個(gè)膠料的配方、容量和設(shè)備參數(shù)都已確定的話,那么該膠料的混煉周期可以通過特定的瞬時(shí)功率來確定排料—混煉周期終點(diǎn),所以不存在前面所述受時(shí)間、溫度等因素的影響。將瞬時(shí)功率和混煉進(jìn)度直接掛鉤,也可免受密煉機(jī)轉(zhuǎn)速、配合組分品種等條件的影響。具體控制方法是:當(dāng)瞬時(shí)功率達(dá)到額定值時(shí),即行排料,結(jié)束混煉周期。也就是把傳統(tǒng)的按時(shí)間、溫度決定排膠時(shí)間改為按瞬時(shí)功率到達(dá)額定值時(shí)排料。從實(shí)踐來看,這樣做可減少膠料門尼粘度和排料時(shí)間的波動(dòng),也有助于準(zhǔn)確控制排料時(shí)間和混煉周期。但必須明確:瞬時(shí)功率與能量消耗雖然有關(guān)聯(lián),但不是同一個(gè)概念,應(yīng)該把兩者區(qū)分開來。前者是某一特點(diǎn)時(shí)間的功率值,而后者則代表能量消耗的積累值。所以,這種控制方法被稱作“瞬時(shí)功率控制法”。換言之,它通過膠料的粘度來控制密煉機(jī)的最佳煉膠周期。與時(shí)間、溫度控制相比,瞬時(shí)功率作為密煉機(jī)的控制標(biāo)準(zhǔn)更加切實(shí)可行。因?yàn)槟z料的粘度與轉(zhuǎn)子的功率成正比,所以它可以借助于瞬時(shí)功率獨(dú)立而不受干擾地進(jìn)行檢測(cè)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)包括:保證膠料的分散均勻,節(jié)省能耗。而且實(shí)踐證明,用瞬時(shí)功率控制混煉周期對(duì)所有密煉設(shè)備都適用,不受轉(zhuǎn)速、容量等參數(shù)的影響,所得混煉膠的粘度和配合劑分散程度都基本相同。但為了消除人為誤差,必須配置專用的功率檢測(cè)儀,如果結(jié)合微機(jī)控制,當(dāng)然更為理想。用瞬時(shí)功率作為密煉機(jī)混煉控制標(biāo)準(zhǔn)的做法在國(guó)外早已推行,國(guó)內(nèi)也從20世紀(jì)80年代起受到重視。華南理工大學(xué)在這方面做了大量的先驅(qū)性研究工作。為了實(shí)現(xiàn)密煉機(jī)的瞬時(shí)功率控制,將它和微機(jī)結(jié)合,開發(fā)出具有檢測(cè)和控制雙重功能的智能系統(tǒng),到2002年這一系統(tǒng)已在全國(guó)輪胎廠推廣應(yīng)用30套。四、密煉劑的質(zhì)量監(jiān)控如上所述,與時(shí)間控制、溫度控制相比,能量控制的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在周期的精確以及對(duì)膠料均勻程度的保證。特別在配置了功率積分儀之后,能全程將瞬時(shí)功率反映出來,讓操作人員隨時(shí)掌握進(jìn)度。功率積分儀因此已被廣泛應(yīng)用于這一領(lǐng)域,成為密煉機(jī)常用的監(jiān)控手段。它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1.適用于廣泛的領(lǐng)域2.自動(dòng)、有序混煉在排除人為誤差的前提下,與微機(jī)配合,使整個(gè)混煉過程(從投料到排料)均處于自動(dòng)、有序狀態(tài)。當(dāng)瞬時(shí)功率積累值達(dá)到設(shè)定點(diǎn)后,即自動(dòng)下達(dá)指令,完成排料。3.所獲得的粘合劑可以滿足不同的要求，包括門尼粘度和黑碳分散即使塑煉膠門尼粘度相差懸殊,但由于都達(dá)到了規(guī)定的積累功率值,所以混煉膠的門尼粘度都能基本保持一致,表1數(shù)據(jù)可以充分說明。4.功率積分儀功率積分儀是測(cè)定密煉機(jī)在動(dòng)態(tài)條件下所消耗功率的專用儀具,它的成功應(yīng)用加速了瞬時(shí)功率控制概念的形成。以圖2為例(由華南理工大學(xué)和廣州江南橡膠廠合作試驗(yàn),以江南廠的白色布面膠鞋大底膠料作為試驗(yàn)對(duì)象),當(dāng)功率曲線過了d點(diǎn)后,出現(xiàn)一段平坦區(qū)到達(dá)e點(diǎn),說明此時(shí)已完成分散均勻,可以結(jié)束混煉周期,因此把e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間(約8min,比過去的12min縮短1/3)作為混煉周期的終點(diǎn),即排料點(diǎn)。這樣,就不再有過煉的問題,節(jié)能有了保障。當(dāng)混煉進(jìn)行時(shí),通過功率積分儀來測(cè)定傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩,并隨時(shí)換算成瞬時(shí)功率,便于全程觀察。由圖2可知,對(duì)于任何一個(gè)膠料而言,其功率曲線的關(guān)鍵點(diǎn)有以下幾個(gè);a-第一批投料(小藥及部分補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑)結(jié)束;b-第二批投料(余下的補(bǔ)強(qiáng)、填充劑及軟化劑)結(jié)束;c-隨著炭黑/生膠的結(jié)合膠的生成,粘度急劇上升,瞬時(shí)功率達(dá)到峰值;d-隨著分散度的提高,膠料粘度下降到一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn);e-粘度保持穩(wěn)定的平坦期,可把e點(diǎn)定為周期的終點(diǎn),因?yàn)檫^了此點(diǎn),性能將出現(xiàn)下降。國(guó)外生產(chǎn)功率積分儀的企業(yè)和產(chǎn)品功能見表2。它們中有的是積分儀單機(jī),有的則和微機(jī)結(jié)合在一起,具有更完整、更全面的控制、監(jiān)督功能。國(guó)內(nèi)開發(fā)較早的(附有功率積分儀的)能量控制儀有MNK-80型能量控制裝置,由前樺林橡膠廠、北京橡膠工業(yè)設(shè)計(jì)研究院、上海新滬無線電廠等聯(lián)合研制成功。國(guó)內(nèi)在應(yīng)用方面,進(jìn)口密煉機(jī)大多已配有能量控制系統(tǒng),如青島橡六集團(tuán)有限公司的進(jìn)口F270密煉機(jī)即配有微機(jī)和功率積分控制儀各一臺(tái)。國(guó)產(chǎn)密煉機(jī)也有配置上述MNK-80型國(guó)產(chǎn)功率積分儀或進(jìn)口積分儀的。國(guó)內(nèi)橡膠廠使用密煉機(jī)已相當(dāng)普遍,面對(duì)節(jié)能降耗的長(zhǎng)期