密炼机的现状发展与智能密炼机的展望

关键词：密炼机；智能

分批式炼胶的密炼机是目前橡胶工业采用的基本炼胶设备。混炼技术的发展必须满足不断出现的新型原材料和新加工工艺的要求。目前有关混炼技术的进步主要包括下列几个方面：

（1） 无论是相切型转子密炼机还是啮合型转子密炼机， 为改善和控制混炼过程的分散和分布功能，开发高效转子。

（2） 液压压砣的开发应用， 在混炼过程中提供均匀稳定的胶料压力（ 控制胶料的实际压力能直接影响胶料混炼过程中剪切混炼的强度）。

（3） 压砣位置的指示和记录， 以监测和改进混炼过程（ 从压砣位置指示取得的数据与密炼机的功率要求、胶料温度和密炼机速度等数据结合在一起， 快速优化炼胶过程， 在较短的混炼周期内练出高质量的胶料）。

（4） 提高密炼机与胶料接触的机体表面的传热性能， 使与胶料接触的金属表面的温控更好，以降低炼胶过程中的温度。

（5） 改进密炼机结构材料， 延长密炼机使用寿命。

（6） 准确、高效的温控系统， 使密炼机温控达到最佳。

（7） 变速传动， 优化混炼过程， 提高生产效率。

（8）减少混炼段数，简化工序并节能。

（9）减少混炼时间，增大每车胶的炼胶量。

（10）控制各车胶料质量的均一性。这些项目将归纳为混炼技术最重要的趋向、技术进步及用具有代表性的例子论证其发展优势。

1 密炼机的趋向

相切型密炼机好还是啮合型密炼机好， 这是一个由来已久的老话题， 要确切回答哪一种密炼机好一些是不可能的， 要做出最佳选择必须去考虑专门用途。观察物料在两种密炼机混炼室里的流动情况，发现极不相同。相切型密炼机两个转子之间的间隙相对较大， 所以物料能被快速拽入， 加料时间短。混炼作用主要发生在转子凸棱顶部和混炼室正面壁表面之间。在转子凸棱前部的大部分物料顺着凸棱移动，并移向混炼室端板。对于啮合型密炼机， 两个转子之间的间隙相对较小， 压砣迫使物料进入两个转子间和混炼室内， 使物料产生很大的应变变形， 从而产生很大的法向应力， 使胶料和金属表面之间产生良好的接触，提高了传热效率。无论是相切型密炼机还是啮合型密炼机，在转子顶部和混炼室侧壁表面之间形成高剪切区而产生类似的混炼效果。啮合型转子的顶部比相切型转子的顶部具有大得多的表面， 所以啮合型转子顶部和混炼室正面壁之间的热交换要好得多。[1]张立今这种非常有效的热交换可以进行相对准确的温度控制， 同时在与相切型密炼机比较时， 很大的应变变形可以达到极好的分散混炼的效果。目前相切型密炼机使用的转子主要有下列四种：

（1） 具有“ 软” 能量输入的转子。这种转子对螺棱长度及角度作了修改， 以改善分散混体（ 如Krupp Elastomertechnik 的ZZ-2 和

Pomini 的新转子）。如果转子设计成由两部分组成，则将有效改善密炼机的热性能。

（2） 具有“ 高” 能量输入的转子。这种转子能减少混炼时间。为达此目的， 主转子的螺棱长度加长， 以迫使胶料越过螺棱顶部（ 被称为全四棱转子）。

（3） 改善分布混炼的转子。改变了转子螺棱长度， 从而改善了从混炼室正面壁到正面壁和转子到转子的物料输送。要做到这一点的一个方法是最大限度地加长转子长棱， 使物料强烈地输送到正面壁，在转子凸棱的联合作用下，达到强烈的分布混炼（ 如Krupp 的H-swir1 转子）。

（4） 凸棱需要定位的转子（ST 转子）。通常相切型密炼机的两个转子以略有速度差的方式工作， 所以两个转子的凸棱的位置彼此始终在变化， 而这种转子的几何形状需要一定， 且凸棱彼此而配置恒定，[2]王振平必须在等速条件下操作才有效（即Farre1 的ST 转子）。

ST 转子在ST 密炼机上显示的某些优点可以嫁接到其他类型的转子上。ST 转子的凸棱顶部具有高效冷却通道。

在ST 转子的基础上， 近来又推出了NST凸棱功能型转子， 两转子之间的间隙介于啮合型和相切型转子之间。每个转子上的一个凸棱使混炼室内胶料产生强烈的轴向移动， 而每个转子上的另一凸棱， 对胶料进行有效的剪切。每个转子上的凸棱排列随着转子的转动使胶料从一侧混炼室向另一侧混炼室不断变化。

NST 转子虽然属于相切型转子， 但它具有啮合型转子的许多特点， 被视为具有强烈的分布混炼的作用， 物料的流动也与啮合型密炼机类似。。

啮合型密炼机可以在不同操作参数下加工高质量胶料。在混炼精密胶料的领域内会有更大的市场。但为了在混炼过程中的效率和限制能耗，必须注意选择密炼机的金属温度曲线。相切型密炼机和啮合型密炼机的特点比较，以W&P 公司产品为例说明如表1。总体而言， 相切型密炼机具有吃料快的优点， 填充系数也略高一些， 而啮合型密炼机在温控、塑化、油料混合和分散质量等方面具有明显的优点。对270 L 相切型密炼机和GK250E 啮合型密炼机而言， 两种密炼机每车料的重量基本相同。270 L 相切型密炼机一个混炼周期的时间为

表1 相切型与啮合型密炼机特点对比

 

GK-N( 相切型)            GK-E（啮合型）

单位能量输入                     满意                       好

热性能                           满意                      极好

混炼效率                         满意                      极好

加料不足一车料时的混炼          不满意                     满意

塑化混合能力                    不满意                     满意

机器的利用                        好                       满意

加料和排料性能                    好                       满意

5~6 min， 而用GK250E 密炼机混炼时间可减少到3 min。因此， 由每小时炼11 车料变为每小时炼17~20 车料，效率提高了50% 左右。如果每公斤混炼胶的原材料费用为70%， 设备折旧、耗能和人工费用为30%， 则其产量提高了50%， 总成本费用从100% 减少到了85%。一台GK250E 密炼机每年可混炼约17 000 t 胶料，若1 kg 胶料的平均价格为1 美元，则每年可节约250 万美元。

密炼机技术经过上百年的发展，NR5 啮合型转子和ST、NST 相切型转子将两种转子的技术推进到了先进水平， 可以满意目前和未来分批混炼工艺的要求， 分批式混炼的密炼机将继续成为今后加工胶料的主要炼胶设备。

2 提高密炼机使用寿命

密炼机工作过程中一个很大的问题是密炼机部件和胶料接触部位引起的磨损。在经过使用一段时间后，磨损会导致增大混炼室净容积、磨圆转子凸棱的边缘和迫使修改配方。

现在采用的硬钢镀层材料微观结构更为均匀密致， 能减少部件的磨损， 可使耐磨寿命比过去延长2 倍，对加工二氧化硅胶料尤为适用。Krupp 公司的无裂缝硬镀层材料可以使用5 年以上。一种被称为WP53 的材料与一般使用的Stellitite# 1 材料相比，具有下列特点：

（1） 硬度在52HRC 以上（Stellitite#1 约为56）；

（2）抗拉强度在700 N/m2 以上；

（3）组织结构均匀；

（4）表面无裂痕，这意味着： ① 冷却孔道可以更靠近表面； ② 提高产量/ 效率； ③ 减少污染胶料的可能性； ④ 没有通过裂缝进入母材产生的腐蚀。通过裂缝产生的腐蚀会使硬镀层破裂剥落；⑤表面抗腐蚀（Cr 含量在13% 以上）。Krupp 公司一台250 L 母炼用相切型密炼机， 在轮胎厂三班使用， 每周工作7 天， 每年工作8 000 h，使用3 年半后，混炼室正面壁磨损0.6 mm。另一台啮合型密炼机每天工作1.5班， 每周工作5 天， 主要做一段混炼。使用4年后，混炼室正面壁磨损0.3 mm。位于混炼室侧面壁的转子端板对密炼机的使用同样具有重要影响。啮合型密炼机的转子是一块位于混炼室侧面壁的钢板。啮合型密炼机工作时转子迫使胶料移向转子端板。啮合型密炼机工作时转子使胶料移向转子端板。因此，转子端板根据需要应设有冷却水通孔。转子端板的工作表面经过耐磨损硬化处理， 且具有经精密加工的底部密封表面， 与下落式卸料门的形状相配， 以避免下落式卸料门端部和转子端板之间泄漏粉料。

相切型密炼机的标准转子端板是一块单件构板， 通常表面镀铬， 以防黏料。端板也可采用水冷结构， 以提高转子密封装置寿命和整个密炼机的性能。[3]汪传生相切型密炼机的转子端板也可以选用不同的硬化表面镀层， 以改善耐磨性能和抗化学腐蚀。

3 液压压砣

密炼机另一个很重要的发展是液压压砣，它有取代气压压砣的趋势。开发应用液压压砣的主要优点是可以稳定压砣压力对每车胶料质量的影响。

用7 L 实验用相切型密炼机所做的研究显示， 压砣压力的变化会使排料温度发生变化和胶料分散质量的偏差。因此， 对要求特别高的胶料在混炼一车料的时间内及批料与批料之间压砣压力的变化是不允许的。由于液压压砣压力自身具有独立的液压系统， 且液压油不会像空气那样可以被压缩。因此， 与压砣压力有关的胶料质量问题能被完全消除。液压压砣还具有节能的功能。

一个新的控制概念是在一个新炼胶配方开始时， 压砣以恒定的压力操作， 当达到所希望的胶料质量时，其压砣/ 时间曲线作为加工胶料时控制压砣位置的标准曲线， 以此可使每车胶料质量的偏差降到最小。

4 变速混炼

这里要涉及的是密炼机炼胶过程中各个步骤的优化问题。而对优化混炼周期非常有用的是变速传动。据实验，SBR/ 炭黑胶料的分散质量是转子转速和填充系数的函数， 且显示转子转速的影响更大， 大过填充系数、时间等参数的影响， 所以，[4]王冠中为实现变速传动， 密炼机应配备变速传动装置。当采用一般的固定速度进行混炼时，由于转子速度高， 温升不止， 在达到临界温度的时候， 混炼过程必须完成。为了获得高质量的胶料，随后必须进行第二段甚至第三段的混炼。当采用变速传动设备进行变速混炼时， 能省却附加的混炼步骤。当转子速度降低时， 密炼机可被当作冷却装备， 将胶料温度下降到可以完成终炼的极限温度。具有良好冷却性能的啮合型密炼机能达到最好的冷却速率， 通过190 L 的GK190E 啮合型密炼机的实际实验，能达到每秒冷却1 ℃。此外， 为要达到最高的生产效率， 在混炼周期开始时最大限度地使用高速度， 以建立高剪切应力， 这对于色料的分散或聚合物的塑炼十分有效。

无论是相切型密炼机还是啮合型密炼机，变速传动得到了快速发展， 并且正在成为密炼机的标准配置。目前值得注意的是密炼机采用主流变频变速的越来越多， 采用SCR/DC 变速传动的正在减少， 采用交流变频变速传动能显著降低能耗费用。功率因素直接关系到密炼机的能耗费用。交流变频变速传动的功率因素在大多数情况下高于SCR/DC 传动。

5 温度控制

目前相切型密炼机和啮合型密炼机均配备有三区段加热、冷却温控系统。为进行高效混炼， 密炼机的温控宜处于临界状态。相切型密炼机的三个温控部位是指转子、混炼室正面壁和卸料门顶部。对于这种密炼机，现代研究表明，混炼的物料与转子、压砣和卸料门不应发生黏附， 而为了最佳分散混炼和分布混炼， 与混炼室壁则略有黏附。这一作用与挤出机将胶料顺着机筒移动所要求的作用类似。如果橡胶黏附在螺杆上而对机筒产生滑动， 则橡胶将随螺杆转动而不产生移动， 但当橡胶对螺杆滑动， 而对机筒略有黏附， 橡胶就会有效移动。物料在挤出机内的这种运动与物料在混炼室内的运动类似，从而会产生有效混炼。当在进行合成橡胶胎面胶的混炼时， 利用相切型密炼机的两个转子和正面壁之间不同的温度被证明具有很大的效果。除调整转子温度外， 所有混炼操作参数不变， 生产效率不变，但胶料的均匀性明显提高。

[5]张廷凯啮合型密炼机的三个加热、冷却部位是转子和转子端板、混炼室正面壁及卸料门和压砣。在加工第一车胶料时， 应将密炼机各个温控区段的温度调节到能使加工的胶料在卸料时胶料排离混炼室的温度。由于啮合型密炼机混炼室金属工作表面面积与混炼室净容积的比值较大，同时啮合型转子的结构具有最佳传热能力， 大量热量在混炼过程中能从胶料除去。在使用啮合型密炼机时， 需小心冷却运行中的机器， 否则将导致消耗比要求多得多的能耗和很高的密炼机扭矩（ 功率） 才能进行有效的加工胶料。根据经验， 将寻找密炼机调整在允许快速排料的最高温度下操作， 而加工的胶料质量依然良好的方法。为保证啮合型密炼机加工胶料的质量，应适当选择温控装置/ 密炼机温度的设定值，将混炼胶料的功率和能耗降至最低。

6 智能密炼机的作用

目前密炼机设备型号大大小小都有,可以满足各种各样的需求。为了提高劳动生产率,密炼机的容量越来越大,转速越来越高,一般2~3min就可混炼200~300kg胶料,甚至更多,自动化方面实现了胶料一般经皮带称量投入,炭黑和油料从管道投入,大大减轻了劳动强度。混炼胶的压片冷却大多也都实现了机械化。目前主要问题是采用的混炼工艺各不相同,是否优化无法判断,混炼胶质量不高,波动很大,要等待检查后才能知道是否合格。总之,目前的状况是,产量已较大,生产率已较高,唯独混炼胶的质量没有保证。该问题只能从混炼工艺入手,怎样使它达到最优,这样判断混炼过程,混炼胶是否合格才能解决。也就是说,应有一个正确描述混炼规律的理论和能运用这一理论的密炼机才能解决问题,这种密炼机也就是智能密炼机,它的作用也就在这里。

7 研制智能密炼机的条件

研制智能密炼机的条件目前是否具备,可从三个方面来分析:

311 工艺从工艺方面来看,我们已提出能正确反映橡

胶混炼规律的密炼机橡胶混炼流变理论。根据该理论,橡胶与炭黑等粒子混合是否处于最佳状态,决定于胶料是否处在最佳粘度,只有胶料在最佳粘度时,混合速度才快,粒子的分散才均匀;胶料粘度大了,混合不易,还会打滑;粘度小了,混合易而分散难。在胶料最佳粘度条件下的混炼工艺就是最佳工艺。这就是混炼工艺的/最佳粘度0念。在该理论的指导下:

(1)根据密炼机混炼过程功率曲线,可以判断混炼工艺优劣状态,分析混炼过程存在什么问题。

(2)利用日常生产数据自动优化混炼工艺,判断目前混炼工艺是不是最优,应如何改进。也就是说,通过它可使混炼工艺经常保持在最优状态。

8 智能密炼机的开发

从以上分析可以看出,主、客观条件均已具备,是发展智能密炼机的良好时机。可能也有人认为将微机智能控制系统和密炼机组合在一起就可以了。这种看法对现有密炼机的改造是十分正确的,在密炼机上配上微机智能控制,对实现高效优质的生产具有巨大的作用。一般条件下,可提高效率10%~25%,实际有的工厂已达到2217%,混炼胶质量可大大提高,在控制条件下可实现全部按质量要求生产。但由于现在使用中的密炼机技术水平相差较大,因此微机智能控制系统的优势受到设备条件等的诸多限制。即使是目前使用中的最好的密炼机,与实现智能密炼机的要求也存在较大的差距。如能否在混炼过程中调压(压砣)、调速(转速),能否掌握混炼过程中的能量、热量变化,能否使混炼胶质量更加趋于一致等等。因此对新的密炼机来说,就不能是简单的与微机智能控制系统组合起来即可,而必须将其视为一整体来统盘设计考虑。

9 关于智能密炼机的一些具体设想

前面说了智能密炼机是过去要人来完成的工作,现在都可自动进行。现介绍一些具体的设想:

(1)具有根据新配方和产品性能要求自动生成混炼工艺规程能力的专家系统,其中包括各种胶料、配合剂每批称量的数量、填充系数、选择控制参数、制定投料顺序、结束混炼的排料标准等。

(2)有利用日常生产数据,自动优化混炼工艺的能力。这样可以不断判断各种条件的变化对混炼工艺规程的影响,保持混炼工艺经常处在最佳状态。

(3)监测混炼过程的有关参数,在每批胶料混炼结束时,即可根据每种胶料建立的预测粘度和分散性的数学模型,或者是根据密炼机建立的预测粘度和分散性的数学模型,给出每批混炼胶的粘度和分散性,无需要检测。

(4)微机控制系统在直接控制生产时,则可在要求的质量指标条件下结束混炼,从而可保证每批混炼胶均在要求的质量指标内。

为全面快速地反映该班的情况,在工人交班时还打印一张信息快报表上交车间。如附表所示:其中包括班组编号、配方编号、文件名、开始时间、排胶温度、间隔时间、状态、功率(排胶时)、门尼值(预测的)等。这对全面快速反映生产情况十分有用。