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第3節(jié)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(chǔ)上發(fā)展起來的一種高強度間歇式混煉設(shè)備 它是一種有一對特定形狀并相對回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子 在可調(diào)壓力和溫度的密閉狀態(tài)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(chǔ) 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(yè)工程師 英國人 根據(jù)該公司的原型機臺設(shè)計的 由于其發(fā)展較快 產(chǎn)量也大應(yīng)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(fā)明的 4 密煉機 優(yōu)點 由于它在很大程度上是憑經(jīng)驗發(fā)展起來的 因而在發(fā)展早期曾出現(xiàn)過認為塑煉效率低 不能用它來塑煉的說法 但已經(jīng)為生產(chǎn)實踐所否定 因此 密煉機的出現(xiàn)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(shè)備 并處于不斷發(fā)展完善中 據(jù)國外資料統(tǒng)計 在橡膠工業(yè)中有88 的膠料是由密煉機制造的 塑料 樹脂行業(yè)亦廣泛應(yīng)用密煉機 混煉時間短 生產(chǎn)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(xiàn)代密煉機發(fā)展的標(biāo)志之一是高速 高壓和高效能機臺 通常將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(xiàn)了轉(zhuǎn)速達80rpm甚至更高的密煉機 亦有對工藝和效能有廣泛適應(yīng)性和處理手段的雙速 三速 變速密煉機 也有轉(zhuǎn)子速比可調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)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(xiàn)在大型引進機臺均采用計算機控制 總之 此種發(fā)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(huán)境等 在這種劇烈的混煉過程中 當(dāng)然會帶來許多新問題 因此 對機械研究設(shè)計來說 從機臺的捏煉系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 密封系統(tǒng) 加料及壓料系統(tǒng) 卸料系統(tǒng) 傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 主要零部件 材料到各種參數(shù)的技術(shù)決定以及理論 都需要相應(yīng)的發(fā)展 以使機臺性能優(yōu)良 為生產(chǎn)過程提供可能的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)性 7 密煉機發(fā)展方向 二大 二高 一低 大功率 大規(guī)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(zhuǎn)子端面形狀不同 RotorSectionForm 橢圓型轉(zhuǎn)子密煉機 三棱型轉(zhuǎn)子密煉機 圓筒型轉(zhuǎn)子密煉機 10 橢圓型 圓筒型 三棱型 11 按轉(zhuǎn)子嚙合與否 Intermeshing 相切型 切線型 嚙合型 聯(lián)鎖型 按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與其它機械相比 屬低速范圍 但對煉膠作業(yè)來講卻是高速了 因煉膠要消耗大量能量 產(chǎn)生大量熱量 這兩點都限制轉(zhuǎn)速范圍 12 按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化與否 單速 雙速轉(zhuǎn)子具有兩個速度 變速 以密煉機的容量來分 大容量 規(guī)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(zhuǎn)子速比 異步轉(zhuǎn)子 同步轉(zhuǎn)子 13 目前規(guī)范使用的式橢圓形轉(zhuǎn)子密煉機 圓筒形可作為對前者工作方式的補充和發(fā)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(chǎn)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(chǎn)的GK N系列密煉機 本章主要以橢圓形轉(zhuǎn)子密煉機為例介紹密煉機的基本概況 14 3 1 2基本結(jié)構(gòu) 密煉機主要由轉(zhuǎn)子 密煉室 密封裝置 加料及壓料機構(gòu) 卸料裝置 傳動裝置 氣動控制系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 加熱冷卻系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部分組成 15 整體結(jié)構(gòu) 整體結(jié)構(gòu) 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(tǒng)Heating coolingsystem 氣壓系統(tǒng)Compressedairsystem 液壓系統(tǒng)Hydrauliesystem 電控系統(tǒng)Elestriccontroller system 潤滑系統(tǒng)Lubricationsystem 五個系統(tǒng) 底座 16 XM 250 40橢圓型密煉機結(jié)構(gòu)圖 17 18 密煉機 19 20 21 22 3 1 3工作原理 在密煉室內(nèi) 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(fù)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與密煉室壁 上 下頂栓組成的混煉系統(tǒng)內(nèi)受到不斷變化反復(fù)進行的強烈剪切和擠壓作用 使膠料產(chǎn)生剪切變形 進行了強烈的捏煉 由于轉(zhuǎn)子有螺旋棱 在混煉時膠料反復(fù)地進行軸向往復(fù)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(fù)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(jié)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子口部 在上頂栓的壓力及摩擦力的作用下 被帶入兩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與密煉室壁的間隙中 在此處經(jīng)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(zhuǎn)子口部 然后再進入兩轉(zhuǎn)子間隙處 如此循環(huán)往復(fù) 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(zhuǎn)子突棱頂與密煉室內(nèi)壁之間及兩個轉(zhuǎn)子之間兩方面的四種作用來討論 1 轉(zhuǎn)子外表面與密煉室內(nèi)壁之間的高剪切作用 2 轉(zhuǎn)子間的攪拌 折卷作用 3 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子外表面與密煉室內(nèi)壁間的捏煉作用 橢圓型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子突棱棱峰處物料流動情況 29 轉(zhuǎn)子表面與密煉室內(nèi)壁間形成了一個環(huán)形間隙 當(dāng)膠料通過此環(huán)形間隙時 則受到捏煉作用 由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子棱峰與密煉室內(nèi)壁之間 當(dāng)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(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子突棱與密煉室壁所形成的透射角尖銳 膠料在轉(zhuǎn)子突棱尖端與密煉室內(nèi)壁之間邊捏煉 邊通過 同時 還受到轉(zhuǎn)子其余表面的類似滾壓作用 30 2 兩轉(zhuǎn)子之間的混合攪拌 折卷作用 嚙合型密煉機尤為明顯 兩轉(zhuǎn)子的橢圓形表面各點與轉(zhuǎn)子軸心線的距離不等 因而具有不同的圓周速度 因此兩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同 其相對位置也是時刻變化的 使膠料在兩轉(zhuǎn)子間的容量也經(jīng)常變化 產(chǎn)生強烈的混合 攪拌作用 公式 31 3 轉(zhuǎn)子的軸向往返切割作用 膠料在轉(zhuǎn)子上不僅會隨轉(zhuǎn)子作圓周運動 同時轉(zhuǎn)子的螺旋突棱對物料產(chǎn)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(zhuǎn)子的軸向往復(fù)移動就形成了切割捏煉的作用 32 每個轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 轉(zhuǎn)子螺旋棱表面對膠料產(chǎn)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(zhuǎn)子軸線轉(zhuǎn)動Pa Pcos 軸向力Px使膠料沿轉(zhuǎn)子軸線移動Px Psin 33 因為膠料與轉(zhuǎn)子表面的摩擦力T企圖阻止膠料軸向移動 故要使膠料產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子上的運動情況為 在轉(zhuǎn)子長螺旋段 30 即Px Tx 因此對膠料不會產(chǎn)生軸向移動 僅產(chǎn)生圓周運動 起著送料作用及滾壓揉搓作用 在轉(zhuǎn)子短螺旋段 45 即Px Tx 因此膠料使產(chǎn)生軸向移動 對膠料往復(fù)切割 由于一對轉(zhuǎn)子的螺旋長段和短段是相對安裝的 從而促使膠料從轉(zhuǎn)子一端移動另一端 而另一端轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同 可使膠料在左右密煉室中進行折卷搗換 其中一側(cè)轉(zhuǎn)子前面的部分膠料 高壓區(qū) 被擠壓到對面密煉室轉(zhuǎn)子后面 低壓區(qū) 并隨之帶入料斗中 彼此往復(fù)搗換 如兩臺相鄰開煉機連續(xù)倒替混煉時相似 為了有效交換 一個轉(zhuǎn)子必須把膠料直接撥到相對應(yīng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置進行交換 這取決于速比 36 此外 在轉(zhuǎn)子外形的設(shè)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(nèi)壁形成的工作區(qū)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(shè)計成凹形的 工作區(qū)的容積由小變大 更易流動 增加了紊流態(tài) 即 S 轉(zhuǎn)子 37 3 1 4技術(shù)特征與規(guī)格表示 密煉機的規(guī)格一般以密煉室的工作容量和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 并冠以相應(yīng)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(shù) 反映密煉機工作性能的主要參數(shù)為混煉室總?cè)萘颗c工作容量 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與速比 上頂栓對物料的壓力 傳動功率 生產(chǎn)能力等 40 3 2 1混煉室總?cè)萘颗c工作容量 混煉室總?cè)萘渴侵干享斔湎?卸料門關(guān)閉時 混煉室與轉(zhuǎn)子之間的空腔容量 在量值上等于混煉室的容量減去兩轉(zhuǎn)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(dāng) 通常取總?cè)萘康?5 75 過少過多對混煉都不利 41 密煉室總?cè)萘?空容量 工作容量關(guān)系是 空容量 總?cè)萘?工作容量 空容量 工作容量 總?cè)萘?有效容量 42 3 2 2轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與速比 密煉機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速多以主動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來表征 速比指兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速之比 這兩個參數(shù)對密煉機的工作性能影響很大 43 1 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是密煉機主要性能指標(biāo)之一 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 生產(chǎn)能力 功率消耗 煉膠質(zhì)量 混煉成本 44 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)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(yīng)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(shù) 由此可見 剪切速率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大 轉(zhuǎn)對于某以特定的密煉機來說 h是個常數(shù) 的大小僅有轉(zhuǎn)速而定 轉(zhuǎn)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(chǎn)能力越高 因此說 提高轉(zhuǎn)速室提高生產(chǎn)能力最有效的途徑之一 轉(zhuǎn)速與煉膠時間和生產(chǎn)能力的關(guān)系見下表 45 轉(zhuǎn)速與煉膠時間和生產(chǎn)能力的關(guān)系 46 轉(zhuǎn)速與煉膠時間的關(guān)系 47 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對電機功率的影響 從公式和圖4 14看功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似成正比 N 4 v2B h N 轉(zhuǎn)子單位上的功率消耗 膠料的粘度 v 轉(zhuǎn)子棱頂?shù)幕剞D(zhuǎn)線速度 B 轉(zhuǎn)子棱頂寬度 h 轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙 48 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對排膠溫度的影響 混煉時 必須保持膠溫在一定限度內(nèi) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng) 如出現(xiàn)熱裂解 凝膠等現(xiàn)象 最終混煉為防止焦燒 一般排膠溫度控制在100 1200C以下 據(jù)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 目前多速和調(diào)速密煉機的應(yīng)用均被重視 49 常用轉(zhuǎn)速 每種膠料要達到煉膠質(zhì)量指標(biāo)所需要的剪切速率 不管開煉機規(guī)格的大小 幾乎是一樣的 因此小規(guī)格的開煉機必須采用較高的轉(zhuǎn)速才能達到同大規(guī)格開煉機所對應(yīng)的剪切速率 一般轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 150r min 兩段混煉時 一般第一段轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 60r min 第二段加硫混煉轉(zhuǎn)速為20r min 50 2 速比 一般橢圓形轉(zhuǎn)子密煉機兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是不同的 快轉(zhuǎn)子與慢轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子工作表面各處因回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的經(jīng)驗速比通常為1 1 15 1 1 18 近年來 新開發(fā)研制的同步轉(zhuǎn)子密煉機 其轉(zhuǎn)子速比為1 1 51 3 2 3轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙 煉膠時 對膠料起分散作用的主要是在轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙之間形成的高剪切區(qū)域內(nèi) 間隙h的大小直接影響膠料的剪切速率與剪切應(yīng)力 h過大或過小都會對煉膠效果造成不良影響 生產(chǎn)實踐證明 密煉機在使用若干年后 同等條件下 混煉膠的質(zhì)量下降 原因是 密煉機使用時間長了 轉(zhuǎn)子棱與密煉室內(nèi)壁會產(chǎn)生磨損 使轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙h增大 致使剪切應(yīng)力和剪切速率減小 降低了煉膠效果 使混煉膠的質(zhì)量下降 應(yīng)對措施是 補焊 增加容量 52 3 2 4生產(chǎn)能力與填充系數(shù) 密煉機單位時間內(nèi)混煉物料的質(zhì)量稱為生產(chǎn)能力 計算密煉機生產(chǎn)能力 可用下式 式中G 生產(chǎn)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(shè)備利用系數(shù) 80 90 53 工作容量V由下式計算 V V0 式中 V0 密煉室總?cè)萘?密煉室空容量減去轉(zhuǎn)子所占體積 膠料的填充系數(shù) 一般取0 55 0 75 由此可知 填充系數(shù)直接影響密煉機的工作容量大小 即影響生產(chǎn)能力的大小 但填充系數(shù)過大或過小均會影響煉膠質(zhì)量 也影響生產(chǎn)能力 54 對于特定的密煉機來說 決定了密煉機生產(chǎn)的工作容量 從而決定了生產(chǎn)能力 合理的填充系數(shù)與物料種類 配方特性 上頂栓的壓力 操作方法 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 密煉機結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān) 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(yīng)力 但是由于減少了密煉室內(nèi)膠料的空隙 使得膠料與密煉室內(nèi)壁 轉(zhuǎn)子 上 下頂栓等之間 以及膠料內(nèi)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(nèi)壁及膠料與轉(zhuǎn)子表面的滑動 能間接的導(dǎo)致較高的剪切應(yīng)力 加速分散過程 從而縮短混煉時