第3節密閉式煉膠機 RUBBERINTERNALMIXER 1 3 1概述 密閉式煉膠機 internalmixer 簡稱密煉機 是在開煉機的基礎上發展起來的一種高強度間歇式混煉設備 它是一種有一對特定形狀并相對回轉的轉子 在可調壓力和溫度的密閉狀態下間歇性地對聚合物進行塑煉和混煉的機械 2 3 密閉式煉膠機 密煉機 全稱 在密閉的密煉室中 開煉機 基礎 缺點 粉塵大 勞動強度大 效率低 開放式煉膠機 實際最早是由德國W P公司的一名商業工程師 英國人 根據該公司的原型機臺設計的 由于其發展較快 產量也大應用較廣 故人們一直認為Banbury密煉機是最早問世的 一般均認為 Banbury在1916年發明的 4 密煉機 優點 由于它在很大程度上是憑經驗發展起來的 因而在發展早期曾出現過認為塑煉效率低 不能用它來塑煉的說法 但已經為生產實踐所否定 因此 密煉機的出現是煉膠機械的一項重要成果 至今仍然成為塑煉和混煉中的典型設備 并處于不斷發展完善中 據國外資料統計 在橡膠工業中有88 的膠料是由密煉機制造的 塑料 樹脂行業亦廣泛應用密煉機 混煉時間短 生產效率高 操作容易 較好地克服粉塵飛揚 減少配合劑的損失 改善勞動條件 減輕勞動強度等 5 現代密煉機發展的標志之一是高速 高壓和高效能機臺 通常將轉子轉速為20rpm的稱為低速密煉機 30 40rpm的稱為中速密煉機 60rpm以上的稱為高速密煉機 近年來 出現了轉速達80rpm甚至更高的密煉機 亦有對工藝和效能有廣泛適應性和處理手段的雙速 三速 變速密煉機 也有轉子速比可調節的密煉機 其操作時間大大縮短 從過去慢速機臺的8 15min縮短至1 5 3 5min 甚至有的達1 1 5min 包括采用密煉法與補充混煉法配合的工藝過程等 6 密煉機的結構也在不斷發展 密煉機工作過程及整個機組的機械化 自動化水平也在不斷提高 采用了程序控制 現在大型引進機臺均采用計算機控制 總之 此種發展是在大大強化混煉過程 提高機臺效能 減輕體力勞動和改善工作環境等 在這種劇烈的混煉過程中 當然會帶來許多新問題 因此 對機械研究設計來說 從機臺的捏煉系統 冷卻系統 密封系統 加料及壓料系統 卸料系統 傳動系統 控制系統 主要零部件 材料到各種參數的技術決定以及理論 都需要相應的發展 以使機臺性能優良 為生產過程提供可能的適應性和調節性 7 密煉機發展方向 二大 二高 一低 大功率 大規格 大容量 高速 高壓 單位能耗低 主要問題 端面密封 8 3 1 1用途與類型 1 用途密煉機主要用于橡膠的塑煉和混煉 也可用于塑料 瀝青料 油氈料 搪瓷料及各種合成樹脂料的混煉 9 2 分類 按轉子端面形狀不同 RotorSectionForm 橢圓型轉子密煉機 三棱型轉子密煉機 圓筒型轉子密煉機 10 橢圓型 圓筒型 三棱型 11 按轉子嚙合與否 Intermeshing 相切型 切線型 嚙合型 聯鎖型 按轉子轉速不同 RotorSpeed 慢速以XM 250為例 20rpm 中速以XM 250為例30 50rpm 高速以XM 250為例 60rpm 轉速與其它機械相比 屬低速范圍 但對煉膠作業來講卻是高速了 因煉膠要消耗大量能量 產生大量熱量 這兩點都限制轉速范圍 12 按轉子轉速變化與否 單速 雙速轉子具有兩個速度 變速 以密煉機的容量來分 大容量 規格 密煉機370L 中容量80 270L 小容量10 50L 試驗用密煉機在10L以下 按轉子速比 異步轉子 同步轉子 13 目前規范使用的式橢圓形轉子密煉機 圓筒形可作為對前者工作方式的補充和發展 橢圓形密煉機的代表是美國FarrelCo制造的F系列密煉機和德國WPCo生產的GK N系列密煉機 圓筒形密煉機的代表是英國FrancisShawCo研制的K系列密煉機與德國WPCo生產的GK N系列密煉機 本章主要以橢圓形轉子密煉機為例介紹密煉機的基本概況 14 3 1 2基本結構 密煉機主要由轉子 密煉室 密封裝置 加料及壓料機構 卸料裝置 傳動裝置 氣動控制系統 液壓系統 加熱冷卻系統 潤滑系統及電控系統等部分組成 15 整體結構 整體結構 六個部分 混煉部分Mixingsection 加料部分Feedmodulesection 壓料部分Pressureramsection 卸料部分Dischargesection 傳動裝置部分Drivesection 加熱冷卻系統Heating coolingsystem 氣壓系統Compressedairsystem 液壓系統Hydrauliesystem 電控系統Elestriccontroller system 潤滑系統Lubricationsystem 五個系統 底座 16 XM 250 40橢圓型密煉機結構圖 17 18 密煉機 19 20 21 22 3 1 3工作原理 在密煉室內 生膠的混煉和混煉膠的混煉過程 比開煉機的塑煉和混煉要復雜的多 物料加入密煉室后 就在由兩個具有螺旋棱 有速比 相對回轉的轉子與密煉室壁 上 下頂栓組成的混煉系統內受到不斷變化反復進行的強烈剪切和擠壓作用 使膠料產生剪切變形 進行了強烈的捏煉 由于轉子有螺旋棱 在混煉時膠料反復地進行軸向往復運動 起到了攪拌作用 致使混煉更為強烈 23 密煉機的煉膠過程是比較復雜的 我們可以從下面的圖簡單地表示煉膠過程 24 混煉過程 基本步驟 1 細分 break 2 混入 捏煉 intermix blend 3 分散 微觀分散 分散混煉 DispersiveMixing 4 簡單結合 單純混合 宏觀分散 分布混煉 5 塑化階段 25 生膠和配合劑由加料斗加入 首先落入兩個相對回轉的轉子口部 在上頂栓的壓力及摩擦力的作用下 被帶入兩轉子之間的間隙處 受到一定的捏煉作用 然后由下頂栓的尖棱將膠料分開 進入轉子與密煉室壁的間隙中 在此處經受強烈的剪切捏煉作用后 被破碎的兩股膠料又相會于兩個轉子口部 然后再進入兩轉子間隙處 如此循環往復 膠料在密煉室中的混煉過程 26 膠料在密煉室中的混煉過程示意圖 27 密煉機對物料的捏煉作用可分為轉子突棱頂與密煉室內壁之間及兩個轉子之間兩方面的四種作用來討論 1 轉子外表面與密煉室內壁之間的高剪切作用 2 轉子間的攪拌 折卷作用 3 轉子的軸向往返切割 攪拌作用 4 上下頂栓分流 剪切和交換作用 28 1 轉子外表面與密煉室內壁間的捏煉作用 橢圓型轉子密煉機尤為明顯 A 密煉機中流線和填充情況示意圖 B 局部放大 轉子突棱棱峰處物料流動情況 29 轉子表面與密煉室內壁間形成了一個環形間隙 當膠料通過此環形間隙時 則受到捏煉作用 由于轉子表面制有螺旋突棱 它與密煉室形成的間隙是變化的 如XM 50密煉機間隙為4 80mm XM 250密煉機間隙為2 5 120mm 最小間隙在轉子棱峰與密煉室內壁之間 當膠料通過此最小間隙時 受到強烈的擠壓 剪切 拉伸作用 這種作用與開煉機兩輥距的作用相似 但比開煉機的效果要大的多 這是由于轉動的轉子與固定不動的室壁之間膠料的速度梯度比開煉機大的多 而且 轉子突棱與密煉室壁所形成的透射角尖銳 膠料在轉子突棱尖端與密煉室內壁之間邊捏煉 邊通過 同時 還受到轉子其余表面的類似滾壓作用 30 2 兩轉子之間的混合攪拌 折卷作用 嚙合型密煉機尤為明顯 兩轉子的橢圓形表面各點與轉子軸心線的距離不等 因而具有不同的圓周速度 因此兩轉子間的間隙和速比不是一個恒定值 而是處處不同 時時變化的 速度梯度最大值和最小值相差達幾十倍 可使膠料受到強烈的剪切 擠壓 攪拌作用 又由于兩轉子轉速不同 其相對位置也是時刻變化的 使膠料在兩轉子間的容量也經常變化 產生強烈的混合 攪拌作用 公式 31 3 轉子的軸向往返切割作用 膠料在轉子上不僅會隨轉子作圓周運動 同時轉子的螺旋突棱對物料產生軸向的推移作用 因此膠料還會沿軸向移動 由右面的突棱螺旋的受力分析可以看出 兩突棱螺旋升角的不同其作用也不同 這樣膠料在轉子的軸向往復移動就形成了切割捏煉的作用 32 每個轉子都有二個方向不同 長短不一的螺旋棱 長螺旋棱的螺旋角 30 短螺旋棱的螺旋角 45 當轉子旋轉時 轉子螺旋棱表面對膠料產生一個垂直作用力P 這個力可分解為軸向力Px和圓周力Pa 圓周力Pa使膠料繞轉子軸線轉動Pa Pcos 軸向力Px使膠料沿轉子軸線移動Px Psin 33 因為膠料與轉子表面的摩擦力T企圖阻止膠料軸向移動 故要使膠料產生軸向移動條件是 Px TxP sin P tan cos P tan P tan tan tan 為膠料與轉子金屬表面的摩擦角 隨膠料溫度變化而變 一般情況下 膠料與金屬表面的摩擦角 37 38 34 從試驗得知 膠料與金屬表面的摩擦角 37 38 這樣即可得出膠料在轉子上的運動情況為 在轉子長螺旋段 30 即Px Tx 因此對膠料不會產生軸向移動 僅產生圓周運動 起著送料作用及滾壓揉搓作用 在轉子短螺旋段 45 即Px Tx 因此膠料使產生軸向移動 對膠料往復切割 由于一對轉子的螺旋長段和短段是相對安裝的 從而促使膠料從轉子一端移動另一端 而另一端轉子又使膠料作相反方向移動 因此 使膠料來回混雜 進行強烈的混煉 35 4 上下頂栓分流 剪切和交換作用 由于上 下頂栓頂部的分流作用 及兩轉子的轉速不同 可使膠料在左右密煉室中進行折卷搗換 其中一側轉子前面的部分膠料 高壓區 被擠壓到對面密煉室轉子后面 低壓區 并隨之帶入料斗中 彼此往復搗換 如兩臺相鄰開煉機連續倒替混煉時相似 為了有效交換 一個轉子必須把膠料直接撥到相對應的轉子棱峰后部間隙中 否則 因壓力平衡性阻止交換 這就要求兩轉子轉到適當位置進行交換 這取決于速比 36 此外 在轉子外形的設計上有將突棱的工作面的圓弧曲率半徑選的小些 這樣就會使棱的圓弧面與密煉室內壁形成的工作區的容積由大逐漸變小 膠料通過時 擠壓力增加 棱的另一面設計成凹形的 工作區的容積由小變大 更易流動 增加了紊流態 即 S 轉子 37 3 1 4技術特征與規格表示 密煉機的規格一般以密煉室的工作容量和轉子的轉速 并冠以相應的符號來表示 如X S M 250 40 其中 X表示橡膠用 S表示塑料用 M表示密煉機 250表示混煉室的工作容量 L 40表示轉子的轉速 r min 如XM75 35 70表示工作容量為75L的雙速 35r min和70r min 密煉機 38 39 3 2主要參數 反映密煉機工作性能的主要參數為混煉室總容量與工作容量 轉子的轉速與速比 上頂栓對物料的壓力 傳動功率 生產能力等 40 3 2 1混煉室總容量與工作容量 混煉室總容量是指上頂栓落下 卸料門關閉時 混煉室與轉子之間的空腔容量 在量值上等于混煉室的容量減去兩轉子的體積 混煉室的工作容量是表示每次可被捏煉的膠料的體積 又稱額定容量 工作容量必須適當 通常取總容量的55 75 過少過多對混煉都不利 41 密煉室總容量 空容量 工作容量關系是 空容量 總容量 工作容量 空容量 工作容量 總容量 有效容量 42 3 2 2轉子的轉速與速比 密煉機轉子的轉速多以主動轉子的轉速來表征 速比指兩個轉子的轉速之比 這兩個參數對密煉機的工作性能影響很大 43 1 轉速 轉子的轉速是密煉機主要性能指標之一 轉子轉速 生產能力 功率消耗 煉膠質量 混煉成本 44 轉子轉速對生產能力的影響 煉膠效率的高低 取決于施加在膠料上的剪切力的大小 而剪切應力受剪切速率的影響 由下式可看出 u 膠料的粘度m 流變常數 由此可見 剪切速率隨轉速的增大而增大 轉對于某以特定的密煉機來說 h是個常數 的大小僅有轉速而定 轉速越高 越大 膠料變形越快 捏煉效果越好 混煉時間越短 生產能力越高 因此說 提高轉速室提高生產能力最有效的途徑之一 轉速與煉膠時間和生產能力的關系見下表 45 轉速與煉膠時間和生產能力的關系 46 轉速與煉膠時間的關系 47 轉子轉速對電機功率的影響 從公式和圖4 14看功率與轉子轉速近似成正比 N 4 v2B h N 轉子單位上的功率消耗 膠料的粘度 v 轉子棱頂的回轉線速度 B 轉子棱頂寬度 h 轉子棱頂與密煉室內壁間隙 48 轉子轉速對排膠溫度的影響 混煉時 必須保持膠溫在一定限度內 轉子轉速過快將使物料溫度迅速上升 粘度下降 影響剪切效果 同時也降低了膠料的分散度 在第一段混煉時 一般排膠溫度應控制在130 1500C以下 否則除了會引起分散不良外 還容易使膠料發生化學反應 如出現熱裂解 凝膠等現象 最終混煉為防止焦燒 一般排膠溫度控制在100 1200C以下 據此 為了獲得最有效的混煉 也按不同的膠料選擇最適宜的轉子轉速 目前多速和調速密煉機的應用均被重視 49 常用轉速 每種膠料要達到煉膠質量指標所需要的剪切速率 不管開煉機規格的大小 幾乎是一樣的 因此小規格的開煉機必須采用較高的轉速才能達到同大規格開煉機所對應的剪切速率 一般轉子轉速為50 150r min 兩段混煉時 一般第一段轉子轉速為40 60r min 第二段加硫混煉轉速為20r min 50 2 速比 一般橢圓形轉子密煉機兩個轉子的轉速是不同的 快轉子與慢轉子的轉速之比稱為速比 其值由速比齒輪來定 又成名義速比 另外 兩轉子工作表面各處因回轉半徑不同而形成了不斷變化的線速度之比 稱為實際速比 密煉機轉子的經驗速比通常為1 1 15 1 1 18 近年來 新開發研制的同步轉子密煉機 其轉子速比為1 1 51 3 2 3轉子棱頂與密煉室內壁間隙 煉膠時 對膠料起分散作用的主要是在轉子棱頂與密煉室內壁間隙之間形成的高剪切區域內 間隙h的大小直接影響膠料的剪切速率與剪切應力 h過大或過小都會對煉膠效果造成不良影響 生產實踐證明 密煉機在使用若干年后 同等條件下 混煉膠的質量下降 原因是 密煉機使用時間長了 轉子棱與密煉室內壁會產生磨損 使轉子棱頂與密煉室內壁間隙h增大 致使剪切應力和剪切速率減小 降低了煉膠效果 使混煉膠的質量下降 應對措施是 補焊 增加容量 52 3 2 4生產能力與填充系數 密煉機單位時間內混煉物料的質量稱為生產能力 計算密煉機生產能力 可用下式 式中G 生產能力 公斤 小時 V 密煉機工作容量 升 膠料的比重 公斤 升 t 一次煉膠時間 分 設備利用系數 80 90 53 工作容量V由下式計算 V V0 式中 V0 密煉室總容量 密煉室空容量減去轉子所占體積 膠料的填充系數 一般取0 55 0 75 由此可知 填充系數直接影響密煉機的工作容量大小 即影響生產能力的大小 但填充系數過大或過小均會影響煉膠質量 也影響生產能力 54 對于特定的密煉機來說 決定了密煉機生產的工作容量 從而決定了生產能力 合理的填充系數與物料種類 配方特性 上頂栓的壓力 操作方法 轉子轉速 密煉機結構等多種因素有關 的大小十分重要 目前沒有一個確切的計算辦法 一般通過分析和試驗的方法確定 一般取0 5 0 8 55 3 2 5上頂栓壓力 密煉機是將物料封閉并由上頂栓對其施壓而進行混煉的 在混煉過程中上頂栓對膠料的單位面積的靜壓力稱為上頂栓壓力 單位Mpa 增加上頂栓對膠料的壓力 可以提高膠料中的流體靜壓力 雖然不直接影響剪切應力 但是由于減少了密煉室內膠料的空隙 使得膠料與密煉室內壁 轉子 上 下頂栓等之間 以及膠料內部各種物料之間更加迅速地互相接觸和擠壓 這使得物料之間接觸面積增大 從而減少了膠料與密煉室內壁及膠料與轉子表面的滑動 能間接的導致較高的剪切應力 加速分散過程 從而縮短混煉時