密煉溫度及熱電偶溫度計

密煉溫度及熱電偶溫度計楊輝林2017年11月7日一、密煉溫度的重要性（示例）

Blustein：“所謂理想的混煉溫度，就是不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象的臨界摩擦系數(shù)范圍內(nèi)的較低的溫度區(qū)域?！?/p>

我的理解：在保證混煉質(zhì)量的前提下，如果不考慮生產(chǎn)效率，混煉溫度/排膠溫度應(yīng)盡可能低。1、終煉膠密煉溫度過高焦燒趨勢105℃以上，IS迅速轉(zhuǎn)化為S8，噴霜混煉溫度過高，硫黃容易結(jié)團與母煉相比，由于其轉(zhuǎn)速較低，膠料在混煉過程中溫度變化幅度較小，熱電偶顯示溫度與實際溫度差值較小且相對準確，熱電偶溫度計使用壽命長。所以下文重點討論母煉膠熱電偶溫度計。2、

母煉膠溫度混煉溫度高有利于生膠的塑性流動和變形，有利于混合吃粉，但不利于配合劑粒子的破碎與分散混合?；鞜挏囟冗^高還會加速橡膠的熱氧老化，使硫化膠的物理機械性能下降，同時，還會促使橡膠和炭黑之間產(chǎn)生過多的化學(xué)結(jié)合作用而生成過多的凝膠，使膠料可塑度下降，膠料表面粗糙，造成壓延、壓出加工困難。溫度太低會出現(xiàn)膠料壓散現(xiàn)象。密煉溫度過低，未超過原材料的軟化點或凝固點，分散效果差；打滑（在轉(zhuǎn)子表面滑移）；冷凝膠密煉溫度過高，NR配方容易過煉，生膠分子鏈破壞較大，物理機械性能下降較多（NR生膠的玻璃化溫度為-72℃，膠流溫度130℃，開始分解溫度為200℃，激烈分解溫度為270℃）；凝膠，甚至碳化含間苯二酚膠料溫度過高，間苯二酚升華，產(chǎn)生刺激性氣味，膠料與骨架材料粘合性能變差含BIIR膠料，溫度過高，發(fā)生溴化反應(yīng)含BR膠料，禁止在180℃以上混煉，否則破壞其結(jié)晶，降低物性。母煉膠多段混煉，雖然改善了分散和分布（均勻性），但物理斷鏈和（高溫下）化學(xué)斷鏈增加，膠料強度等性能下降：導(dǎo)致產(chǎn)生了低溫一次混煉白炭黑膠料硅烷化反應(yīng)的充分性：某段溫度的長時間的保持要求導(dǎo)致產(chǎn)生了可變嚙合間隙式（VIC）密煉機和串聯(lián)式密煉機。另外，一般認為，白炭黑的硅烷化最佳反應(yīng)溫度為145-155℃，超過160℃硅烷偶聯(lián)劑國析出的游離硫會與橡膠發(fā)生反應(yīng)，這是人們所不希望的。3、安全隱患一旦生產(chǎn)過程中檢測膠料溫度的熱電偶或熱電偶線路發(fā)生問題，就會造成膠料溫升過高，而橡膠又屬于低燃點易燃物品，溫升過高的膠料一旦遇到空氣就會立即燃燒，且不易被撲滅，如果引起火災(zāi)將會損失慘重。某公司煉膠車間發(fā)生過火險：2010年2月25日F4線密煉機扎膠時，由于卸料門處熱電偶線磨破短路，造成膠料實際溫升過高，而執(zhí)行排膠的密煉機控制程序和上輔機控制程序只接收到60℃的虛假溫度，當(dāng)班F4線機臺操作人員也沒有注意觀察溫度變化，在上頂栓提升后，密煉室內(nèi)進入大量氧氣，與達到燃點的膠料接觸后發(fā)生明火燃燒，火險發(fā)生后，雖然經(jīng)過相關(guān)人員及時撲救，仍然不可避免的燒損了部分機體和控制線路。同樣在此之前2009年10月27日F7線密煉機組也是發(fā)生了類似的熱電偶短路故障，操作人員雖然及時發(fā)現(xiàn)，由于其經(jīng)驗不足，匆忙將卸料門打開排下膠料，膠料在接觸氧氣后迅速燃燒。

緊急排膠條件的設(shè)置；PLC控制方法完善4、影響排膠溫度的主要因素：轉(zhuǎn)子速度、上頂栓壓力、混煉時間、冷卻溫度、轉(zhuǎn)子構(gòu)型、混煉室結(jié)構(gòu)等；環(huán)境溫度也有較大影響二、溫度的監(jiān)控方法（各有利弊）1、熱電偶溫度計直接監(jiān)測溫度計的準確度，特別是靈敏度（熱響應(yīng)時間）不同膠料熱反應(yīng)歷程差異導(dǎo)致同一顯示溫度下不同膠料的實際溫度不同（升溫越快的膠料，溫度差異越大）。即換熱電偶后，必須標定所有膠料熱電偶破損或線路異常導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真（如假的高混煉溫度導(dǎo)致提前排膠）；火災(zāi)安全隱患2、根據(jù)溫度與時間、能量等的相關(guān)性，采取時間、能量等單制或聯(lián)控優(yōu)劣如后所述3、在一樓觀察口人工測量排膠溫度不安全；麻煩；測量點及點數(shù)的影響4、測量和標定排膠溫度（雙錐輥筒擠出后的）膠料擠出溫度的關(guān)系，建立數(shù)據(jù)庫，以擠出溫度評價排膠溫度雙錐冷卻效果的影響；不同膠料分別標定；（季節(jié)）室溫等的影響5

附錄：對于時間、溫度、能量和功率控制法，有人曾做過比較：混煉過程中，干擾因素主要有操作時間的變更、原材料性能的波動、密煉機冷卻效率的變化和壓陀壓力的波動等，而他們對四種控制方法的影響大小比較如下：附錄：溫度控制法的影響因素

“首車效應(yīng)”（Firstbatcheffect）：通俗說成密煉機冷機效應(yīng)，即開始連續(xù)生產(chǎn)時，密煉機機身溫度與已連續(xù)生產(chǎn)一段時間后的溫度相比，一般都要低。這時冷機生產(chǎn)的混煉膠門尼粘度要比一般條件下低一些。密煉機每批混煉起始溫度的波動：采用溫度控制，排膠溫度一定（如155℃），而起始溫度從80℃-110℃之間變化，變化范圍有30℃，這時，混煉做功的溫升范圍從75℃縮小到45℃，密煉機對膠料做功將減少1/3以上。這時，所生產(chǎn)的混煉膠門尼粘度將大大升高，炭黑的分散狀態(tài)也會很差。環(huán)境溫度和氣溫的影響：對要求高質(zhì)量和質(zhì)量均一的混煉膠來說，車間環(huán)境溫度和常年氣溫的影響也是很明顯的。它通過冷卻水、密煉機機身、生膠、上一段母膠等溫度影響混煉的質(zhì)量。如果冷卻水的溫度和流速能夠調(diào)節(jié)和設(shè)定，那么，車間環(huán)境溫度和氣溫的影響將大大減少，密煉機的溫度也將處于可控狀態(tài)。密煉機機身溫度可以通過卸料門打開時間來調(diào)整。而生膠溫度的影響，從冬季到夏季的膠溫變化將近二十幾度，而膠溫的變化又是影響混煉工藝和混煉膠質(zhì)量波動的重要原因之一。因此應(yīng)采取措施，穩(wěn)定膠料溫度。溫度控制的抗干擾能力：在全自動混煉工藝的條件下，有投料量超差、投炭黑時間波動、兩車混煉間隔時間長短、上頂栓壓力波動、各種溫度的波動以及原材料質(zhì)量的波動等諸多干擾因素。在溫度控制條件下，僅僅設(shè)定了投炭黑、投油料和排膠溫度時，溫度的波動是影響混煉工藝和膠料質(zhì)量的主要和常見的干擾因素，而溫度控制對這些溫度波動的抗干擾能力是很弱的?？偨Y(jié)：溫度控制法有很多優(yōu)點，全自動條件下采用溫度控制，必須將各種溫度的變化都加以控制，否則，生產(chǎn)高質(zhì)量和質(zhì)量均一的混煉膠是很難實現(xiàn)的。（混煉室）起始溫度的影響看一個實驗——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB1、熱電偶的工作原理

三、熱電偶溫度計

圖中的閉合回路稱為熱電偶，導(dǎo)體A和B稱為熱電偶的熱電極。熱電偶的兩個接點中，置于被測介質(zhì)（溫度為T）中的接點稱為工作端或熱端，溫度為參考溫度T0的一端稱為參考端或冷端。理論和實踐都證實，熱電現(xiàn)象中產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢(在兩種不同的導(dǎo)體A和B接觸時產(chǎn)生的)和溫差電勢(一根導(dǎo)體上因兩端溫度不同而產(chǎn)生)兩種電勢的綜合效果。

熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢E只和溫度有關(guān)，因此，測量熱電勢的大小，就可求得溫度T的數(shù)值了，這就是用熱電偶測量溫度的工作原理。2、熱電偶溫度計類型八種國際通用熱電偶：

B:鉑銠30—鉑銠6

R:鉑銠13—鉑

S:鉑銠10—鉑

K:鎳鉻—鎳硅

E:鎳鉻—銅鎳N:鎳鉻硅—鎳硅

J:鐵—銅鎳

T:銅—銅鎳

密煉機可以統(tǒng)一使用J型熱電偶：K型熱電偶測溫范圍為-50～1300℃，而實際測溫范圍在200℃以下，不到測量范圍的15%；200℃時K型熱電偶電勢為8.137mV,而J型熱電偶為10.777mV，信號較K型強，因此用J型熱電偶更合適。第二節(jié)標準化與非標準化熱電偶

常用的熱電偶是由熱電極(熱偶絲)、絕緣材料（絕緣管）和保護套管等部分構(gòu)成的。問題：熱電偶的測量誤差導(dǎo)致更換不同熱電偶（甚至包括熱電偶在使用的不同時段）、不同膠料均需要標定。解釋：利用有限元法分析，可得出混煉室的溫度場分布呈拋物線分布：在混煉初期，溫度變化緩慢；混煉中期溫度上升較快；而在混煉后期，溫度上升最快，幾乎呈線性增加。熱電偶存在響應(yīng)時間，從而導(dǎo)致測量誤差。

另外，在不同的熱交換條件下，熱電偶的響應(yīng)時間不一樣，例如：不同膠料的溫度場不一樣，同一熱電偶因需要動態(tài)響應(yīng)，對應(yīng)不同膠料相同的溫度，熱電偶顯示的溫度也不一樣，即也產(chǎn)生（不同的）測量誤差。同時，熱電偶溫度計插入的深度也會影響測量誤差。3、熱電偶測量誤差

任何溫度傳感器（熱電偶溫度計）都不可能立刻而非常逼真地響應(yīng)被測（膠料）溫度的變化，原因是傳感器具有一定的質(zhì)量和容量，它對溫度的響應(yīng)速率與傳感器本身的特性和所測對象（膠料）的物理特性有關(guān)。

響應(yīng)時間:接觸法測溫的基本原理是利用測溫元件要與被測對象（膠料）之間的熱交換，最后達到熱平衡，通過測溫元件本身的溫度反映被測對象（膠料）的溫度。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。而熱響應(yīng)時間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越?。ǖ葪l件下可能導(dǎo)致使用壽命越短），其熱響應(yīng)時間越短。同等條件下，保護套管越厚，使用壽命越長，但動態(tài)響應(yīng)越慢，溫度準確性越差。4、測溫技術(shù)發(fā)展文獻報導(dǎo)：人們對精確指示溫度的方法的探索從來未停止過。經(jīng)常把密煉機用作反應(yīng)器、或混煉過程中某一組分需達到一個精確的溫度時更是迫切要求精確地測量溫度。現(xiàn)在紅外溫度測量裝置的應(yīng)用已獲得成功(圖6)。就密煉機的常用功能及所處的環(huán)境而論，取得這一進展決不是件易事。儀器必須堅固耐用，而且要防振、耐磨耗和耐化學(xué)腐蝕。紅外溫度測量儀顯示準確，廣泛適應(yīng)于各種膠料的混煉(圖6)。不過，目前在國內(nèi)未見批量使用。四、密煉機混煉過程控制方法的選擇

（文獻編輯）混煉膠是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特性的膠態(tài)分散體?；鞜捘z的一切性質(zhì)即工藝性能、物理機械性能及化學(xué)性能均與其分散性有關(guān)。膠料混煉階段的目的是使各類添加劑充分混合并分散于膠料中，使膠料具有工藝要求的最低可塑性和優(yōu)異的硫化膠物理機械性能所需的最低分散度。超出這些要求的能量增加和作業(yè)時間的延長都是浪費，這就是判斷混煉效果的依據(jù)?？刂品椒ㄊ菫檫_到上述目的而對混煉最終效果進行判斷的科學(xué)手段。選擇適宜的控制手段，可以精確地控制混煉周期，保證混煉膠質(zhì)量。應(yīng)注意的是，單純采用一個參數(shù)會對部分干擾因素的調(diào)節(jié)能力有限，如時間控制對加料時間的變化、溫度控制對冷卻水溫度的變化、能量控制對生膠粘度的變化等總是有限的。1、時間控制法隨混煉過程中混煉時間的增加，膠料的門尼粘度和硫化膠的物理機械性能在有規(guī)律的變化中出現(xiàn)最大值。J.Spacek、F.tomis等人用導(dǎo)電率的最大值判斷混煉終結(jié)的結(jié)論證明了這一點。即是說，對于同一個配方、密煉機和混煉條件可出現(xiàn)一個最佳混煉時間，此時的膠料有最大導(dǎo)電率、最大門尼粘度和最大300%定伸應(yīng)力值。這一結(jié)論正是時間控制法被長期用于控制混煉過程的原因所在。時間控制法所得膠料的粘度較小，硫化膠屈撓龜裂性能較好，其它物理機械性能一般，說明混煉膠中填料的分散性尚好。但時間控制法排膠溫度偏差最大，硫化曲線重疊性欠佳，說明膠料性能的穩(wěn)定性不理想。其次該法加壓時間最長，浪費能量，且沒有把投料問題和/或起始溫度差異考慮在內(nèi)，混煉開始時，金屬溫度的差別和冷卻速率的差別也會影響膠料混煉的均勻性。因此，用時間作為控制指標無法獲得質(zhì)量均勻的膠料。2、溫度控制法溫度標準，混煉時只要膠料的溫度達到預(yù)定的水平就進行排膠，結(jié)束混煉操作，這是根據(jù)膠料混煉的熱效應(yīng)而采取的控制方法。通過實驗，確定最佳混煉溫度，一般認為密煉機內(nèi)溫度停止上升達到平衡后再經(jīng)少許時間，分散即完成，可把此刻的溫度作為溫度控制的溫度。用溫度控制法控制混煉過程在快速密煉機中應(yīng)用較多。特別是制造子午線輪胎所需要的高硬度膠料混煉時溫度升高，若混煉溫度偏高會使膠料分散性下降，粘度誤差偏大，給加工帶來困難。因此必須控制混煉溫度。溫度控制法可較好地控制膠料混煉的均勻性。該法在控制排膠溫度、膠料粘度和硫化膠屈撓龜裂等性能方面取得了最佳的綜合效果，適用于生產(chǎn)控制。

該方法的問題在于密煉機內(nèi)膠料溫度測量的準確性。首先是地點設(shè)置，熱電偶的地點設(shè)置可選擇在排膠口、上側(cè)面壁和上頂栓等處，其中排膠口頂端精確度最高，但耐久性較差。如果考慮耐久性，則設(shè)置在上側(cè)面壁處效果最好，但容易受混煉批量的影響，所以，應(yīng)根據(jù)要求來決定測定地點。其次，熱電偶要達到與周圍相同的溫度，需要一定的時間，即所謂的時間常數(shù)滯后現(xiàn)象（響應(yīng)時間）。為了在溫度上升過程中測定溫度，如果時間常數(shù)大，則熱電偶溫度與橡膠實際溫度之差增大；如果減小時間常數(shù)，就要減少傳感器部分的熱容量，但耐久性下降。為減少熱傳導(dǎo)對密煉機溫度的影響，需增加熱電偶的長度，這也對耐久性產(chǎn)生不利。因此，人們提出了用紅外輻射溫度計來替代熱電偶的方案，目的是針對熱電偶升溫遲緩和消除導(dǎo)熱對周圍溫度的影響。

圖7為由Meloto研究的設(shè)置部位、傳感器種類對溫度顯示的影響。由圖7可觀察到不同的測定方法所顯示的溫度變化情況。有報道說，以耗用的能量為基本條件，推斷溫度的直接測定方法已諸付實施。但以上方法均存在因橡膠粘附于轉(zhuǎn)子和混煉室內(nèi)壁而引起的散熱不佳、產(chǎn)生了摩擦熱和化學(xué)反應(yīng)熱等問題。密煉機用熱電偶的主要部件是熱電偶探測頭，一般為J型（鐵/康銅），鍍鉻后封裝在鋼套內(nèi)，以便減少磨損。所測得的溫度其實就是熱電偶探測頭的溫度。相對于熱電偶四周的膠料的溫度，熱電偶探測頭溫度受下列因素的影響：①探測頭在鋼套內(nèi)的位置——可能有時候會更靠近鋼套端部，而有時候則離開鋼套端部有一段距離；②鍍鉻層的厚度；③從熱電偶探測頭傳到鋼套的熱量；④從鋼套傳到密煉機機體的熱量——它受到熱電偶嵌入的那一部分密煉機機體的影響；⑤熱電偶周圍和經(jīng)過熱電偶的膠料的真實溫度；⑥熱電偶和經(jīng)過其周圍的膠料的摩擦生熱。雖然存在著上述對抗性的影響，令人意外的是熱電偶幾乎適用于任何場合，而且事實上從熱電偶上讀得的溫度數(shù)據(jù)是相當(dāng)穩(wěn)定的。遺憾的是，一致性僅僅存在于同種膠料。用一只熱電偶測定某種膠料的溫度，熱電偶的誤差為1℃；再用這只熱電偶測定另一種膠料的溫度，其誤差就可能變成了5℃。3、能量控制法能量標準，以混煉過程的能量消耗為標準參數(shù)，只要混煉過程的總能量消耗達到預(yù)定值便結(jié)束混煉操作，立即排膠，所以稱為能量控制法?？赏ㄟ^實驗，確定最佳的混煉能量，一般根據(jù)膠料的性能，如粘度、壓出膨脹率或物理機械性能達到平衡值來確定，將此時的輸入能量作為結(jié)束混煉排膠的標準。從理論上說，按輸入功（即單位能量）控制混煉過程可克服作業(yè)條件的種種影響，是提高各膠料性能均一性的理想方法。在能量給定值選擇適當(dāng)?shù)臈l件下，能量控制法既可節(jié)能也可獲得較好的混煉效果。與時間控制法相比，能量控制法可增強混煉過程中的抗干擾和自動調(diào)節(jié)能力，并能改善各批料間的混煉膠質(zhì)量均勻性。然而，在實際應(yīng)用中能量控制法在生膠粘度和填料性質(zhì)發(fā)生較大變化時（或混煉起始條件不相同時），無法進行自動調(diào)節(jié)。當(dāng)原材料變動較多時，必須經(jīng)常改變工藝規(guī)程中的能量設(shè)定值。亦即在目前生產(chǎn)用原材料批次間差異大、變換頻繁的條件下，選擇適當(dāng)?shù)哪芰拷o定值比較困難，故采用單一的能量控制法不太合適。4、能量-溫度聯(lián)鎖控制法該控制方法從混煉過程的粘度和分散性兩個角度控制混煉質(zhì)量。能量-溫度控制法與能量控制法相比，其重復(fù)試驗的硫化曲線集中，膠料可塑性提高，硫化膠屈撓龜裂性能和其它物理機械性能均有提高，說明混煉膠的均一性大有改善。特別值得一提的是采用能量-溫度控制法時，（首車效應(yīng)）冷機開煉的第一個膠料的物理機械性能即較好。這表明能量-溫度控制法集中了單一溫度、能量控制法的優(yōu)點，是較為理想的控制方法，值得進一步研究提高。255、時間-溫度聯(lián)鎖控制法也稱混煉效應(yīng)標準，由混煉時間和溫度兩個參數(shù)確定的混煉效應(yīng)，是確定混煉終點的又一排膠準則，各種膠料最佳混煉效應(yīng)可由實驗測定。由于各混煉階段的混煉效