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。由于其高效率和機械化程度高，密封機是最常用的橡膠精煉設備。但如果不注意密煉機的過程控制、掌握好煉膠周期中各環(huán)節(jié)、各階段的耗能狀況,則將會浪費很多能量,結果是混煉周期長、混煉效率低、膠料質(zhì)量波動大。因此,對于使用密煉機的橡膠工廠來說,如何在確?；鞜捹|(zhì)量的前提下,降低能耗是共同面臨的任務。準確判斷和控制好混煉周期的終點,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)展用密煉機混煉一個膠料(指一段混煉)大致分為4個階段:(1)投入塑煉膠及小料;(2)分批加入大料(一般分兩批添加,第一批為部分補強、填充劑;第二批為余下的補強、填充劑和軟化劑);(3)進一步翻煉、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,程序轉換也多,導致設備空轉時間長。(1)和(2)兩段約占整個周期的60%,見圖1。而在這段時間內(nèi),設備在低負荷下運轉,有效利用率始終處于較低水平。一直要等第二批料添加后,密煉機才真正轉入滿負荷運轉狀態(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,在保持一段時間后才開始下降。由圖1可見,在投入另一半補強、填充劑之前,盡管已占用了整個周期一半以上的時間,但由于混煉室的填充系數(shù)不高,密煉機的設備利用率也不理想,卻占用了機臺和時間。其間有相當一部分時間被上頂栓升降及加料口啟閉作為輔助時間所占。這樣的程序安排必然導致三種后果:1.密煉機混煉時間因為有相當一部分時間處于低負荷運轉,造成設備利用率低。通常20rpm的密煉機的一段混煉周期為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)預先設定的時間或溫度,導致批與批之間波動大。3.材料和材料之間的能量差也很大由上可見,傳統(tǒng)的密煉機混煉由于缺乏統(tǒng)一、可靠的程序控制標準,造成批與批之間性能差異大,能量的浪費也可觀。二、種標準所執(zhí)行的標準對密煉機混煉周期的控制,可以通過三種標準來執(zhí)行?？刂频睦硐肽繕耸且宰疃虝r間獲得膠料的均勻分散,使混煉膠的物性和加工性能都達到預期要求。1.翻煉時間的影響混煉的目的是使各組分達到均勻分散,為硫化膠性能的均一提供保證。為此需要一定的時間,時間不足會導致“欠煉”,時間過長則造成“過煉”,都不利于性能。按常理,以時間為控制標準易于掌握和實施,而事實往往并非如此,這是因為它容易受到溫度的影響。為了確保分散均勻,可以規(guī)定翻煉時間,但不能不考慮另一個因素—溫度。溫度偏高,則膠料的粘度降低,雖然粉料進入加快,但有損于剪切,影響分散效果。2.混煉進度的控制之所以把溫度列為混煉周期的控制標準,是因為物料與轉子、室壁接觸、摩擦時勢必導致升溫,而且溫度始終隨著混煉作業(yè)的進行而變化。生成的熱量通常隨著時間的增長而積累、遞增,膠料溫度總是跟著作業(yè)時間的增長而提高,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度。通常,到了排膠階段膠溫可達到120℃～130℃(高轉速密煉機甚至可高達160℃)。但溫度的高低也受密煉機轉速、配合組分在煉膠中的生熱量不同的影響。當轉速或大劑量配合組分(如炭黑)品種變化時,勢必會影響到溫度。所以,單純依靠溫度來控制密煉機的混煉過程也是不恰當?shù)?。具體難點在于兩個方面;(1)一旦大用量原材料(特別是炭黑)品種變動,溫度曲線走勢也必然隨著改變。在這種情況下,以溫度當作控制標準肯定不可取。(2)各種密煉機的型號、容量、轉速等參數(shù)均不相同,即使在同一個煉膠車間內(nèi),所配置的機臺的參數(shù)也未必相同,要想設定統(tǒng)一的溫度標準也是不現(xiàn)實的。3.能耗量控制法整個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、瞬時功率控制法密煉機混煉的三個控制過程都會受到外來因素的干擾而影響結果,特別是塑煉膠的可塑性波動時,即使以能量作標準,也會影響控制效果。因此提出了過程與膠料粘度直接掛鉤。通過瞬時功率變化來反映膠料的粘度變化,進而通過粘度變化來掌握混煉過程。并提出以達到最佳粘度(以獲得最佳分散度)作為衡量密煉機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)點在于可排除溫度、密煉機轉速等可變因素的影響。凡是一個膠料的配方、容量和設備參數(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功率來確定排料—混煉周期終點,所以不存在前面所述受時間、溫度等因素的影響。將瞬時功率和混煉進度直接掛鉤,也可免受密煉機轉速、配合組分品種等條件的影響。具體控制方法是:當瞬時功率達到額定值時,即行排料,結束混煉周期。也就是把傳統(tǒng)的按時間、溫度決定排膠時間改為按瞬時功率到達額定值時排料。從實踐來看,這樣做可減少膠料門尼粘度和排料時間的波動,也有助于準確控制排料時間和混煉周期。但必須明確:瞬時功率與能量消耗雖然有關聯(lián),但不是同一個概念,應該把兩者區(qū)分開來。前者是某一特點時間的功率值,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“瞬時功率控制法”。換言之,它通過膠料的粘度來控制密煉機的最佳煉膠周期。與時間、溫度控制相比,瞬時功率作為密煉機的控制標準更加切實可行。因為膠料的粘度與轉子的功率成正比,所以它可以借助于瞬時功率獨立而不受干擾地進行檢測。這樣做的優(yōu)點包括:保證膠料的分散均勻,節(jié)省能耗。而且實踐證明,用瞬時功率控制混煉周期對所有密煉設備都適用,不受轉速、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儀,如果結合微機控制,當然更為理想。用瞬時功率作為密煉機混煉控制標準的做法在國外早已推行,國內(nèi)也從20世紀80年代起受到重視。華南理工大學在這方面做了大量的先驅性研究工作。為了實現(xiàn)密煉機的瞬時功率控制,將它和微機結合,開發(fā)出具有檢測和控制雙重功能的智能系統(tǒng),到2002年這一系統(tǒng)已在全國輪胎廠推廣應用30套。四、密煉劑的質(zhì)量監(jiān)控如上所述,與時間控制、溫度控制相比,能量控制的優(yōu)點體現(xiàn)在周期的精確以及對膠料均勻程度的保證。特別在配置了功率積分儀之后,能全程將瞬時功率反映出來,讓操作人員隨時掌握進度。功率積分儀因此已被廣泛應用于這一領域,成為密煉機常用的監(jiān)控手段。它的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.適用于廣泛的領域2.自動、有序混煉在排除人為誤差的前提下,與微機配合,使整個混煉過程(從投料到排料)均處于自動、有序狀態(tài)。當瞬時功率積累值達到設定點后,即自動下達指令,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定密煉機在動態(tài)條件下所消耗功率的專用儀具,它的成功應用加速了瞬時功率控制概念的形成。以圖2為例(由華南理工大學和廣州江南橡膠廠合作試驗,以江南廠的白色布面膠鞋大底膠料作為試驗對象),當功率曲線過了d點后,出現(xiàn)一段平坦區(qū)到達e點,說明此時已完成分散均勻,可以結束混煉周期,因此把e點所對應的時間(約8min,比過去的12min縮短1/3)作為混煉周期的終點,即排料點。這樣,就不再有過煉的問題,節(jié)能有了保障。當混煉進行時,通過功率積分儀來測定傳動軸的轉矩,并隨時換算成瞬時功率,便于全程觀察。由圖2可知,對于任何一個膠料而言,其功率曲線的關鍵點有以下幾個;a-第一批投料(小藥及部分補強劑、填充劑)結束;b-第二批投料(余下的補強、填充劑及軟化劑)結束;c-隨著炭黑/生膠的結合膠的生成,粘度急劇上升,瞬時功率達到峰值;d-隨著分散度的提高,膠料粘度下降到一個穩(wěn)定點;e-粘度保持穩(wěn)定的平坦期,可把e點定為周期的終點,因為過了此點,性能將出現(xiàn)下降。國外生產(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,有的則和微機結合在一起,具有更完整、更全面的控制、監(jiān)督功能。國內(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)設計研究院、上海新滬無線電廠等聯(lián)合研制成功。國內(nèi)在應用方面,進口密煉機大多已配有能量控制系統(tǒng),如青島橡六集團有限公司的進口F270密煉機即配有微機和功率積分控制儀各一臺。國產(chǎn)密煉機也有配置上述MNK-80型國產(chǎn)功率積分儀或進口積分儀的。國內(nèi)橡膠廠使用密煉機已相當普遍,面對節(jié)能降耗的長期