降低全鋼載重子午線輪胎硫化上下模溫差的措施

2021-07-23 08:07:48王俊霞慕振興陳培文張高航

橡膠科技 2021年4期

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(tǒng)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(jié)約大量蒸汽能源。氮氣制備方法簡單、環(huán)保，采用氮氣硫化方式在降低成本、節(jié)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(yīng)越接近，輪胎整體硫化質(zhì)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(lián)過程中吸收大量熱量而產(chǎn)生大量冷凝水，充入氮氣時，氮氣和蒸汽高低溫混合導(dǎo)致絕熱溫升產(chǎn)生冷凝水，冷凝水集中在硫化膠囊底部，導(dǎo)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(gòu)缸蓋進汽孔的結(jié)構(gòu)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(gòu)缸蓋，并通過硫化發(fā)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(zhǔn)備工作

1.1 輪胎規(guī)格

考慮胎肩部位設(shè)計對上下模溫差的影響，選取胎肩為封閉結(jié)構(gòu)的12R22.5CST113 18PR規(guī)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(xù)增加的硫化機全部為液壓硫化機，考慮液壓硫化機控制穩(wěn)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(shù)有限公司生產(chǎn)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(shù)據(jù)輸入測溫分析儀系統(tǒng)中，自動計算得到活化能，如圖1所示。

圖1 膠料的硫化儀數(shù)據(jù)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(jù)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(cè)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(xiàn)狀分析

2.1.1 排凝設(shè)置

蒸汽步序排凝設(shè)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(xù)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(jié)果見表1。

從表1可以看出，硫化過程中溫差最大值出現(xiàn)在胎側(cè)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(jié)果 ℃

2.1.3 啟模時硫化效應(yīng)

硫化效應(yīng)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(yīng)一般采用下模/上模硫化效應(yīng)比值，比值越接近1，上下模硫化效應(yīng)越接近。改進前輪胎上下模硫化效應(yīng)數(shù)據(jù)見表2。

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

表2 改進前輪胎上下模硫化效應(yīng)

2.1.4 溫度及溫差曲線

從硫化機合模開始硫化至硫化結(jié)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(xù)升溫，溫差逐漸減小。

分析認(rèn)為，硫化初期為吸熱反應(yīng)，產(chǎn)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(dǎo)致絕熱溫升產(chǎn)生冷凝水，而冷凝水未及時排出，溫差逐漸增大。

根據(jù)上述分析，后續(xù)需對輪胎上下模溫差、硫化效應(yīng)進行改進，硫化最大溫差出現(xiàn)在上胎側(cè)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(cè)位置，導(dǎo)致上胎側(cè)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(gòu)缸蓋進汽孔角度兩個方面進行。改進目標(biāo)為：最大溫差≤15 ℃，啟模溫差≤5 ℃，下模/上模硫化效應(yīng)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(diào)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(diào)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(xù)每3 min排凝3 s；（2）方案2。蒸汽排凝程序調(diào)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(shù)，延長了排凝時間，方案2在方案1的基礎(chǔ)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(jié)果見表3。

表3 排凝程序改進后硫化溫差測量結(jié)果 ℃

從表3可以看出：蒸汽排凝程序調(diào)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(yīng)分析

排凝程序改進后輪胎上下模硫化效應(yīng)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(yīng)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(yīng)

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(gòu)缸蓋結(jié)構(gòu)改進試驗

2.3.1 進汽孔改進方案

中心機構(gòu)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(nèi)腔中循環(huán)，并快速充滿囊腔，降低上下模溫差。

改進前后中心機構(gòu)缸蓋進汽孔結(jié)構(gòu)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(gòu)缸蓋進汽孔直徑調(diào)整為7 mm，進汽孔角度調(diào)整為0°和5°。2種角度的8個進汽孔交替分布。