合成橡膠脫水膨化造粒一體化機組

張會忱

(大連巨中自動化設備有限公司，遼寧 大連 116039)

合成橡膠廣義上指用化學方法合成制得的橡膠，以區別于從橡膠樹生產出的天然橡膠。合成橡膠，又稱為合成彈性體，是由人工合成的高彈性聚合物，是三大合成材料之一，其發展歷史悠久，有著廣泛的研究前景。

自從1909年弗里茨.霍夫曼發明合成橡膠至今,歷史已經走過了一百多年。經過多年的經驗積累，目前生產工藝已經基本穩定下來，常規的工藝過程包括單體的合成和精制、聚合過程、凝聚過程、橡膠后處理。本文僅對后處理工段的關鍵設備—主機設備（包括擠壓脫水機及膨化干燥機）予以分析總結，并根據生產需要提出集兩者功能于一身的真正意義上的脫水膨化造粒一體化機組，并在實際生產實踐過程中予以驗證。

1 合成橡膠后處理基本工藝流程

合成橡膠單體經聚合、凝聚過程后，物料形態轉變為不規則顆粒狀，在凝聚過程控制良好的情況下，絕大部分物料顆粒大小為3～20 mm，這有利于后續的設備對物料進行進一步處理。膠粒水泵將膠粒水（凝聚過程結束后的產物）從凝聚釜（完成凝聚過程的主要設備）泵送到后處理車間后，便開始了后處理工段的工藝流程，其基本工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

2 主機設備分析

2.1 擠壓脫水機

在長期生產實踐過程中，人們根據合成橡膠顆粒在此工序的特性，采用了擠壓脫水機對物料進行擠壓脫水。物料中含有大量的水份，而水是目前已知物質中比熱最大的物質，要想通過加熱的方法在連續工作的生產線中短時間內揮發脫除，必須在較短的時間內吸收大量的熱量，即使通過一定的技術手段予以實現，從能耗方面來說也是非常不合理的，所以通過擠壓的方法來排除水份幾乎成了唯一的選擇。

擠壓脫水機采用單螺桿結構對物料進行邊輸送、邊擠壓、邊排水的操作。輸送依靠螺桿的螺旋結構實現；擠壓依靠螺旋的變螺距來實現，也可以依靠螺旋的底徑變化予以實現；排水依靠設備筒體上的漏水篩網來實現。通過調整設備機頭部位的調壓結構，改變設備模板的開孔率，既調整設備內部的物料壓力，控制漏水篩網在排水的同時幾乎不會漏料，控制設備出口物料的含水率在一個合理的范圍內，從而實現設備的長周期平穩運行。設備出口設置與螺桿同軸的切刀，將物料切成一定大小的顆粒，便于后續設備吃料。

下圖為常見的一種合成橡膠擠壓脫水機外形圖，如圖2。

圖2 合成橡膠擠壓脫水機外形圖

2.2 膨化干燥機

在長期生產實踐過程中，人們根據合成橡膠顆粒在此工序的特性，對從擠壓脫水機出來的物料采用膨化干燥機進行處理。此時物料內含水適中，在膨化干燥機的作用下，物料得以繼續升溫，同時壓力升高到一個相對較高的程度。在設備的出口，壓力轉變為大氣壓，彌散在物料中的水份以類似“炸藥”的功能將物料炸開，水份迅速從液相轉化為汽相，被引風機帶走，這就是膨化干燥的原理。但膨化后會有部分水份冷凝下來重新附著在物料的外表面，這便是后面補充干燥設備所要完成的工作。

膨化干燥機采用單螺桿結構對物料進行邊輸送、邊擠壓、邊升溫的操作。輸送依靠螺桿的螺旋結構實現；擠壓依靠螺旋的變螺距來實現；升溫主要依靠被壓實的物料之間的內部摩擦來實現。通過調整設備機頭部位的模頭孔大小及數量，改變設備模板的開孔率，既調整設備內部的物料壓力及溫度，控制設備出口物料的爆破程度，使得含水率在一個合理的范圍內，不會造成物料的過度膨化產生大量的粉末，也不會造成物料溫度過高產生塑化，亦不會造成膨化的動力不足影響后續的補充干燥效果，從而實現設備的長周期平穩運行。設備出口設置獨立的切粒裝置，將物料切成一定長度的顆粒，便于后續補充干燥。

下圖為常見的一種合成橡膠膨化干燥機外形圖，如圖3。

圖3 合成橡膠膨化干燥機外形圖

2.3 脫水膨化造粒一體化機組

從以上生產實際我們可以看出，物料通過“擠壓”及“膨化”兩種方式處理后，便可以進行補充干燥了。但仔細觀察后我們不難發現，這樣的加工方式對于生產企業來說存在兩個問題：一是電能的消耗比較大，因為兩臺設備需要兩臺功率比較大的電機來維持運轉；二是占用空間比較大，每臺設備都需要考慮各自的檢維修空間，故而實際布置時絕大多數都采用兩個樓層來安放，土建成本增加了許多。經與一些生產單位不斷的溝通交流，在充分尊重客觀事實的基礎上，提出了一種真正意義上集“擠壓脫水”、“膨化干燥”、“造粒”于一身的一體化機組。

下圖為提出的脫水膨化造粒一體化機組外形圖，如圖4。

圖4 合成橡膠脫水膨化造粒一體化機組外形圖

2.3.1 加料排水機筒

顧名思義，為完成脫水的功能，設備的加料機筒重新進行了定義，將壓力排水功能融合了進去，形成現有的加料排水機筒。除頂部正常的進料口外，底部設置三處排水口，從右至左依次為自然排水口、低壓力段排水口、中壓力段排水口，排水篩網的篩條分別設置不同的尺寸規格及排布間隙，以利于承受不同的壓力，利于不同壓力狀態下的排水。如果設置更高壓力的排水口，從實際生產來看，不利于長期穩定生產，經過一定時間的運行后橡膠顆粒會堵塞排水篩網，甚至個別的橡膠品種會從漏水篩網處產生較為嚴重的漏膠現象。經觀察統計，下表中所列排布間隙基本適用于大部分橡膠品種，具體使用時，應根據橡膠品種及凝聚后的橡膠顆粒大小來確定，并根據各自生產實際進行微調，見表1。

2.3.2 直機筒

物料從進入直機筒開始，大部分表面水份已經在之前的加料排水機筒得以解決，壓力開始逐漸升高（也和螺桿的設計相關），采取以下設計結構都是必須之選：

（1）采用全封閉的機筒用以維持物料的輸送。

（2）根據設備規格大小、加工便利性、內部螺桿上螺套的分布確定直機筒的數量及每個直機筒的長短。區別于常規的膨脹干燥機而言，直機筒的總長度將達到原來的1.1～1.3倍，具體應根據橡膠的品種來確定。

（3）機筒上必須根據機筒內部螺桿上螺套的設計布置足夠的剪切螺栓，以防止物料在輸送過程中產生“抱軸”現象。

（4）機筒上必須在合適位置設置必要的測溫及測壓傳感器，用以監測設備的運行狀態，調整運行參數。

（5）機筒必須設置可沿軸向自由活動的支撐，一是為了調整筒體軸線與螺桿軸線趨于重合，二是為了滿足機筒在不同溫度下的工作狀態不受軸向限制，避免設備受損。

2.3.3 螺桿

螺桿是整臺機組的核心部件，直接決定了整臺機組能否達到既定的產能及品質要求。以下兩點在設計時必須考慮：

（1）螺桿的長度（去除位于加料排水段機筒內的對應部分）相較于膨化干燥機而言，要有一定的加長量，一般達到后者的1.1～1.3倍即可，因前者的物料升溫基點偏低既含水量偏高（相較于經擠壓脫水機處理后的物料而言，經一體化機組加料排水機筒處理后的物料含水量會更高一些），必須予以更長的升溫過程。

（2）出料端及中間位置的螺套外圓必須進行表面強化處理，一般可通過堆焊硬質合金的方式進行。螺桿在工作時雖然獲得了物料的浮動支撐，但由于各處橡膠的壓力不同、硬度不同，各處受徑向力不同，其基本不能保持在自轉同心狀態，總是會無規則的偏擺，當偏擺量超過螺套外圓與機筒內襯套內孔的單邊間隙時，便會產生剮蹭，如果原料橡膠顆粒偏硬，這種剮蹭現象會明顯一些。螺桿啟動及停止操作尤其是啟動操作，由于機筒內沒有物料存在，對于舊螺桿而言（其直線度不好）剮蹭更為明顯。綜上，在必要位置對螺套外圓進行表面強化處理是必要的。

2.3.4 模板切粒機構

根據合成橡膠種類的不同，其物性不盡相同，甚至區別較大，故在直機筒末端設置的模板應可以調整其上模頭孔的大小及每個模頭上的開孔數量。該部件上切粒箱的大小（包括軸向長度及高度空間）也需要根據具體種類區別對待，以恰當為宜，偏小則易造成堵塞造成停產，偏大則影響切刀軸的剛性，對于高速旋轉且又承受較大軸向力的切刀軸而言，容易引起震顫及軸承室溫升偏高，不利于長周期工作。對于不同的下游需求，要求切好的橡膠顆粒具有不同的長度，但一般而言都會要求短一些為宜，故選擇同步轉速較高的變頻電機可以很好的滿足這一需求。由于橡膠在各處模頭孔擠出膨化過程中壓力不盡相同，確切來說，模板中間位置的擠出壓力會偏低一些，這會造成切好的橡膠顆粒偏長一些，故在模孔布局時需要注意盡量避讓。此部件的切刀對于整個生產過程的連續性也具有非常重要的意義，動平衡較差的切刀組對于生產過程是致命性的打擊，尤其是大型的機組，動平衡的好壞更是關系到生產的穩定和連續，必須足夠重視，每次設備停車后，切刀必須仔細檢查，即使發現微小的崩口也必須及時更換。若使用過程中切刀斷裂不但會造成切粒效果變差，從而導致產品品質變差，機構也會失去平衡發生震顫，發現不及時甚至會造成下游部分設備的嚴重損壞。

3 總結

脫水膨化造粒一體化機組的誕生不代表擠壓脫水機及膨化干燥機時代的終結，它仍有一定的局限性。對于后續需要改性的橡膠物料而言，選擇擠壓脫水機及膨化干燥機的組合更為理想一些，膨化干燥機會將膨化脫揮執行的更為徹底；對于不需要后續改性的橡膠物料，而補充干燥設備的能力偏強及生產成本偏低的場合，選擇脫水膨化造粒一體化機組更為恰當一些。

表2是擠壓脫水機及膨化干燥機組合與脫水膨化造粒一體化機組關鍵控制指標—含水率的對比，供選擇時參考，詳見表2（基于上游設備供料含水率為40%～60%）。

表2 不同設備出口的含水率對比