用最佳拉伸嚙合型密煉機改善混煉

劉元順 (固恩治(青島)工程橡膠有限公司，山東 青島266042) 編譯

用最佳拉伸嚙合型密煉機改善混煉

劉元順 (固恩治(青島)工程橡膠有限公司，山東 青島266042) 編譯

從雙輥開煉機到目前的全自動密煉機，間歇式混煉已經歷了很長時間。如今有三種基本的密煉機正在使用。第一種是1916年由F.H.Banbury提出的可變轉子長徑比(1.40～2.00)、膠料在密煉室內局部單循環的剪切型密煉機。第二種是1934年由R.T.Cooke提出的可變轉子長徑比(1.26～1.40)、膠料在密煉室內單循環的嚙合型密煉機。第三種是由 N.O.Nortey提出的固定長徑比(大約1.50)、膠料在密煉室內雙循環的嚙合型密煉機。固定長徑比嚙合型密煉機被稱作最佳的拉伸嚙合型密煉機。

文中詳細討論了目前用在最佳拉伸嚙合型密煉機中的3-凸棱過冷轉子的鍛造和制造工藝的改進技術，揭示了過冷轉子的機械內部通道，能提供最好的對膠料溫度的控制。三種混煉技術在混煉質量、生產效率和能耗的改進方面列表進行了對比。

密煉機;拉伸;嚙合型;混煉

0 前言

文中回顧了密煉機的改進歷程，以向用戶提供有關密煉機的更多信息。另外，還表明了改造密煉機能得到更多的收益。密煉機有一個由左右密煉室、上頂栓、卸料門、前后轉子端面組成的呈8字型的密閉區?；鞜捘z料從左密煉室到右密煉室按順時針或逆時針方向循環，也有可能按順時針和逆時針方向循環。

近幾年來，用在輪胎、橡膠和塑料制品中的白炭黑和熱敏性材料的混煉對生產設備提出了更高的要求，即改進密煉機以提供更好的混煉質量，更高的生產效率和更低的能耗。1998年N.O.Nortey研發了適用于所有規格密煉機的具有固定長徑比的最佳拉伸嚙合型密煉機。最佳拉伸嚙合型密煉機配備了3凸棱轉子，該轉子能推動膠料按順時針和逆時針方向循環移動。拉伸嚙合型密煉機的3凸棱轉子能配之于相切型密煉機，也能安裝在現有的非拉伸嚙合型密煉機。1934年R.T.Cooke也曾推出了裝有3凸棱轉子的嚙合型密煉機，該轉子能推動膠料按順時針或者逆時針方向循環移動。這種排列相對于相切型密煉機來說，能幫助客戶得到更好的混煉質量和更低的能耗。其凸棱轉子長徑比范圍在1.26～1.40。針對非拉伸嚙合型密煉機的提高生產效率和改善熱傳遞方面的研究已經開始。生產現場和實驗室研究結果表明，配有3凸棱轉子的最佳拉伸嚙合型密煉機相對于其他相切型密煉機能夠提供較好的混煉質量，較高的生產效率和較低的能耗。

1 密煉機

密煉機的類型由所安裝的轉子的類型和轉子左、右凸棱在密煉機中心部位的相互作用來區分。轉子是密煉機的轉動部分，它有如圖1所示的大直徑和小直徑。圖2列示了轉子的類型。對嚙合型密煉機來說，轉子的凸棱象齒輪一樣可以進行嚙合。在中心部位的混煉除了發生在大直徑與小直徑之間，也發生在轉子的引導面和拖曳面之間。相切型密煉機其轉子的凸棱不嚙合。混煉也不在密煉機的中心部位進行。圖3列示了嚙合型密煉機和相切型密煉機的區別。

圖1 嚙合型凸棱轉子和相切型棱轉子側面圖

圖2 轉子類型

圖3 嚙合型凸棱轉子和相切型雙棱轉子密煉機

1.1 轉子外型和類型

轉子是密煉機的旋轉部件。轉子的凸棱通過與密煉室壁形成的間隙對生膠和其他配合劑進行剪切，實施混煉。對嚙合型密煉機來說，剪切發生在兩個轉子之間。凸棱將膠料從一個密煉室傳遞到另外一個密煉室。

1.2 間歇式密煉機的基本混煉技術

最新的混煉設備是1998年由N.O.Nortey提出的膠料在密煉室內進行雙循環的拉伸嚙合型密煉機。在該混煉機中，膠料在左右兩個混煉室內被強制地沿兩個方向(順時針和逆時針)循環移動。圖4列示了三種基本混煉方法強制膠料循環移動和密煉機長徑比示意圖。

圖4 間歇式密煉機基本混煉技術

1.3 轉子設計和制造

轉子的結構不同其制造技術也不同。如圖5所示，影響混煉作業的有關參數可用來設計轉子。大量轉子用砂模澆注成型制造。這種方法在整個澆注成型過程中因偏芯、冷珠、表面雜質等因素而影響轉子質量和強度。NXN(3凸棱過冷嚙合)轉子和凸棱系采用專用材料制造。轉子外部輪廓是機制的。轉子的內部有一條機制的軸向通道穿過其頂部。有六條配置的強制膠料流動的內部通道。三條通道延伸到凸棱頂部，而另外三條則延伸到轉子小直徑部位。轉子的內部結構導致膠料批次溫度能有效地加以控制。NXN轉子的三個凸棱分別是長凸棱、中間凸棱和短凸棱。這三個凸棱安置在轉子的小直徑部位上，以在兩個轉子之間獲得更大的空間來提高膠料，使之進入密煉機。在每一個密煉室內，由轉子的長凸棱和中間凸棱形成的強制循環推動膠料來回移動，形成N型。X用來代表交叉的意思。NXN意味著每個轉子在每個密煉室內推動膠料來回移動。每個轉子末端的凸棱能夠減少膠料在密封裝置中軸向流動的。NX意味著兩個轉子能夠在兩個密煉室內推動膠料來回移動。圖6列示的是3凸棱嚙合型NXN、NX-1、NX-2轉子的不同的設計概念示意圖。

圖5 3凸棱嚙合型轉子設計概念

1.4 轉子長徑比與轉子中心

1998年推出了具有最佳恒定大長徑比的拉伸嚙合型密煉機。在這個混煉機中，轉子長徑比(大約1.50)是通過剪切型4棱轉子密煉機的混煉質量、轉子強度和電機峰值功率確定的。使用拉伸嚙合型密煉機所改進的混煉質量和電機峰值功率是通過不同的實驗室用密煉機進行技術分析和檢驗后確認的。轉子強度乃通過三維有限元分析予以確定。密煉機輕而易舉地完成了混煉放大應歸于所有尺寸的密煉機相同的大轉子長徑比。使用NXN轉子的拉伸嚙合型密煉機能夠比任何相切型密煉機提供更好的混煉質量、更高的生產效率和更低的能耗。再者，將NXN轉子安裝到現有的嚙合型密煉機上，也能夠提供更高的生產效率和更好的溫度控制。圖7列示了三種密煉機轉子長徑比與轉子中心(如轉子之間的距離)，圖8列示了這些混煉工藝的優勢。

圖6 間歇式混煉機的轉子長徑比與轉子中心

表1 臨界轉子結構參數和影響

1.5 混煉放大

在實際生產中，為了節省時間和資金，往往使用小型密煉機得到實驗數據，然后進行混煉放大。為了減少混煉放大的困難，小型密煉機與生產用大型密煉機的下列參數應該相同：

*轉子長徑比;

*密煉機的內部設計和轉子的外部設計;

*密煉機和轉子的熱傳遞容量有可比性。

直徑是指轉子的大直徑或者頂部直徑。使用這種方法進行混煉放大的研究已獲成功。研究結果說明，小型密煉機的尺寸是臨界尺寸。當臨界混煉參數在混煉過程中仍然有效時，應該選擇適合該規格的混煉量。

表2 間歇式密煉機基本技術參數

1.6 密煉機和轉子的熱傳遞

間歇式混煉發生在轉動的轉子與靜止的密煉機的密煉室壁、卸料門、上頂栓、轉子側面和密封裝置之間。

依據溫度確認的混煉參數可由下列公式表示：

式中：

η=膠料粘度(lb/s·in2);

A=膠料活化能常數;

B=與剪切速率和剪切應力有關的常數;

T=溫度/℉;

y=剪切速率(1/s);

s=轉子速度(r/min);

d=轉子頂端和密煉室壁的平均直徑(inch);

φ=轉子頂端和密煉室壁的間隙(inch);

□=協同螺旋角(轉子凸棱的螺旋角的補充角度);

τ=剪切應力(psi);

n=冪律指數(聚合物的n=0.2到0.3)。

在密煉機中，溫度控制對填充劑(特別是白炭黑)的補強作用和硫化劑的交聯效果是至關重要的。理想的密煉機應該能夠快速地冷卻或加熱所加工的膠料，同時能夠保持穩定的溫度。對密煉機來說，要維持穩定的溫度則有賴于減少密煉機的輸入和輸出溫度的變化。理想的混煉工藝是，當加工的膠料粘附到靜止的密煉室壁表面上時，轉子凸棱能夠對膠料施加剪切力。大部分膠料會粘附于暖金屬表面而不是冷金屬表面。考慮到這一點，優化混煉工藝就是要使轉子溫度低于接觸膠料的靜止的密煉室壁表面的溫度，允許膠料以最小的滑動量粘附到靜止的密煉室壁表面。這種工藝可使轉子更有效地剪切加工膠料。轉子和靜止表面溫度的選擇并非易事。它依賴于膠料的種類和密煉機的結構。拉伸嚙合型NXN-凸棱轉子密煉機與膠料接觸的表面被設計成帶有強制流動性的熱傳遞通道，以便在混煉時能夠提供更牢靠的溫度控制。密封裝置既可以潤滑也可以不潤滑。

1.7 混煉段數和步驟

間歇式密煉機適用于多種混煉工藝，但是文中只討論兩種主要類型。標準混煉工藝是先加入聚合物，再加入填充劑。這種混煉工藝可延長密煉機和轉子的使用壽命。逆煉法是先加入填充劑，而后再加入聚合物。這種混煉工藝對密煉機來說非常困難的，它會縮短轉子和密煉機的使用壽命。這兩種混煉工藝都可以采用如圖9所示的那種多段或一段混煉。在密煉機的混煉過程中，上頂栓對提高混煉性能起著非常重要的作用。適宜的混煉參數之一上頂栓的壓力可以優化混煉工藝。見圖10所示，在整個混煉周期中有許多混煉步驟和上頂栓不同的用途。溫度、能量(kwh)和時間是三個排料參數。由于膠料在一個混煉周期中滑動，按照溫度排料能夠保證批次之間膠料物理性能的一致性。如果使用兩個排料參數來控制混煉，溫度是必需的，以保證膠料不會焦燒或降解。

在某些場合下，配備等速轉子并直線排列的相切型密煉機在開始混煉時，膠料的溫度會比設定的排料溫度高。這種現象的發生是由于膠料在卸料門的熱電偶上快速移動。這個高溫不是真正的膠料溫度。在混煉工藝中，可以通過延遲時間及能耗來解決這個問題。如果有變速電機，那么，可用低轉速解決這個問題，然后再把轉速提高到合理的水平。

凡是先進的混煉工藝，下列二個參數在整個混煉周期中是可變的，這樣，可以提高密煉機的性能和對批次間混煉溫度的控制。

*轉子轉速;

*上頂栓壓力。

在混煉開始時，采用中等轉速和高上頂栓壓力以強化混煉。加入操作油后，提高轉速可以減少膠料滑動的時間。在混煉后期，采用低轉速和低上頂栓壓力以加強深度混煉。

圖7 混煉段數

圖8 混煉步驟

1.8 混煉分析

采用先進的技術來確定獨立的混煉參數并驗證其混煉效果。這種技術也被用來分析不同混煉工藝和新的概念。將復雜的混煉行為分解為兩個獨立的概念，即充分混煉和深度混煉。充分混煉和深度混煉取決于兩個獨立的混煉參數。

充分混煉：

破碎產生的高剪切，使膠料高度破碎，分散和混合。這種混煉會產生高溫和高壓。與膠料的接觸表面積小。這種混煉方式與雙輥開煉機的混煉相類似。

拉伸產生的低剪切，使膠料輕微破碎，分散和混合。這種混煉方式產生低溫和低壓。與膠料的接觸表面積大。

深度混煉：

膠料從右密煉室到左密煉室實施了循環。這種混煉方式使被加工膠料全面分布，膠料得到均勻混合。這種混煉與雙輥開煉機的分布混煉相類似。

共混是局部分布的混煉，它導致膠料分布的均勻性降低。這種混煉發生在轉子凸棱前導面上。這種混煉行為與雙輥開煉機的混煉相類似。

采用兩個相互依賴的和四個獨立的混煉參數來比較圖11所示的3凸棱轉子拉伸嚙合型密煉機、3凸棱轉子非拉伸嚙合型密煉機和4棱轉子相切型密煉機的混煉。

1.9 密煉機質量、生產效率和能耗

密煉機生產的終煉膠的質量取決于原材料的性能和密煉機的混煉質量。檢測原材料的性能可以減少出現質量問題。膠料能夠很好地混煉和分布均勻，但是仍不能滿足預定性能是由于密封裝置泄漏所致。3-凸棱NXN嚙合型轉子凸緣被用來減少密封裝置泄漏。如果密煉機沒有滿足預定性能，那么，下道工序將會增加額外的費用來使膠料滿足性能要求。

密煉機的生產效率取決于混煉的段數。一段混煉沒有密封裝置的漏料損失，其實際生產效率是最佳投料量和總混煉時間的函數。最佳投料量根據波動的上頂栓壓力和位移來決定。實際生產效率可由下式計算：

總混煉時間=投料時間+混煉時間+排料時間

最佳投料量=密煉機凈容積×膠料密度×填充系數

實際生產效率=最佳投料量÷總混煉時間

例如，四棱相切型轉子比兩棱相切型轉子生產效率高的唯一原因是因為其總的混煉時間較短。圖10所示，配備了3凸棱 NXN轉子的拉伸嚙合型密煉機對4棱相切型密煉機進行了改進，它使用和相切型密煉機相同的電機和齒輪減速器。在這種情況下，拉伸嚙合型密煉機比四棱轉子相切型密煉機能提供更好的混煉質量，更高的生產效率和更低的能耗。兩段混煉時，四棱轉子相切型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產效率。

在某些情況下，拉伸嚙合型密煉機和非拉伸嚙合型密煉機將相切型密煉機的第一段混煉和第二段混煉合成了一段混煉。這時，非拉伸嚙合型密煉機比四棱轉子相切型密煉機具有更高的生產效率。

密煉機的能耗是通過比能計算出來的。

比能=最佳投料量÷能量

配備轉子頂部和機體冷卻裝置的嚙合型密煉機比相切型密煉機有更低的能耗。

實驗室評估和現場的實際結果列示如下。

一段混煉3凸棱NXN轉子拉伸嚙合型密煉機和3凸棱NXN轉子非拉伸嚙合型密煉機比四棱轉子相切型密煉機具有更好的混煉質量、更高的生產效率和更低能耗。拉伸嚙合型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產效率。

兩段混煉3凸棱NXN轉子拉伸嚙合型密煉機和3凸棱NXN轉子非拉伸嚙合型密煉機比四棱轉子相切型密煉機具有更好的混煉質量和更低的能耗。拉伸嚙合型密煉機比四棱轉子相切型密煉機具有更高的生產效率。兩段混煉中四棱轉子相切型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產效率。

圖9 混煉種類對比

圖10 3凸棱NXN轉子拉伸嚙合型密煉機外觀

圖11 兩段和一段混煉結果

表3 拉伸和非拉伸嚙合型和剪切型密煉機的比較

圖11列示了3凸棱NXN轉子拉伸嚙合型密煉機、3凸棱NXN轉子非拉伸嚙合型密煉機和四棱轉子相切型密煉機采用一段混煉和兩段混煉的簡單的對比結果。圖14列示了290型3凸棱NXN轉子拉伸嚙合型密煉機、270型四棱N轉子相切型密煉機、257型3凸棱NX-1轉子非拉伸嚙合型密煉機和250型3凸棱NX-2轉子非拉伸嚙合型密煉機的對比。

2 結論

3凸棱NXN轉子拉伸嚙合型密煉機改進了所有規格的4棱轉子相切型密煉機不足之處，它們使用相同的電機和齒輪減速器。拉伸嚙合型密煉機比4棱轉子相切型密煉機具有如下優勢：

*更好的混煉質量;

*針對相切型密煉機不同的長徑比，生產效率增加20%～40%;

*更低的能耗;

*更好地控制轉子的熱傳遞;

*減少了混煉段數;

*更高的轉子強度。

拉伸嚙合型密煉機比非拉伸嚙合型密煉機具有更高的生產效率。把3凸棱NXN轉子安裝到非拉伸嚙合型密煉機上能夠改善密煉機生產效率和轉子的熱傳遞。

改進或升級現有的密煉機，使其成為最佳拉伸嚙合型密煉機，比使用低回報技術，重新制造密煉機更加有利和劃算。

［1］ Nak Norty.Improved mixing performance using optimized stretch-intermeshing mixers［D］. USA：Case Rubber Machinery，2007.

［責任編輯：翁小兵］

TQ 333.4+3

B

1671-8232(2010)11-0033-07

2009-11-11