改进混炼性能 - 文章

改进混炼性能

作者：Case Rubber Machinery Nak Nortey 来源：Rubber World

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近年来，车胎、橡胶和塑料工业中对氧化硅和热敏型材料的混配，要求设备制造商改进密炼机，以提供更好的混合质量、更高的生产率以及更好地节约能源。本文论述了密炼机的发展现状，从而给终端用户提供信息，利用现有的搅拌机以低成本获得更高的回报。

混炼机

早在1916年，F.H.Banbury介绍了一种剪切密炼机，它装有两凸棱转子，使得左腔和右腔里的混配原料在每次回转过程中不完全是按照顺时针和逆时针方向转。这种设置给客户提供了更高的生产率以及更快的原料注入。与有二辊轧机的开放式搅拌机相比，剪切密炼机具有高出其许多倍的混炼效率。

1934年，R.T.Cooke介绍过能够使得在右边腔体和左边腔体内循环的物料在每次回转时按顺时针和逆时针方向转的，装有三凸棱转子的啮合密炼机。与剪切搅拌机相比，这种设置能够给客户提供更好的混合质量以及更好地能源节约。

1998年，N.O.Nortey介绍了优化的牵张啮合搅拌机，其为所有的搅拌机尺寸都配有一个恒定的转子L/D比。该优化过的牵张啮合搅拌机装有三凸棱转子，使得在右边腔体和左边腔体内循环的物料在每次回转时按顺时针和逆时针方向转。这样的设置，为客户提供了更好的混合质量，提高了生产率，以及更好地节约了能源。牵张啮合搅拌机中的三凸棱转子，可以改进剪切搅拌机，并且可以在现有的非牵张啮合搅拌机中安装。

如今，在做的许多研究正致力于改善剪切搅拌机的混炼性能。实地以及实验室结果显示，装有三凸棱转子的优化牵张啮合搅拌机，能够在生产中，提供比剪切搅拌机更好的混炼质量，更高的生产率以及能够更好的节约能源。

混配

混配或者混炼是将不同的原料汇合在一起，以得到本质上与最初的原料不一样的最终化合物，但该化合物的物理以及化学特性绝对均匀，达到我们的预期。在密炼机的混炼过程中，具有下面四个基本操作：

● 离散 - 将填充的团聚物的颗粒大小减至最终颗粒大小（防团聚）；
● 掺合 - 用聚合物润湿固体颗粒；
● 增塑 - 通过减小粘度来改变混合物的流变性；
● 分配 - 为了获得均匀的化合物，均匀分配已经离散化的颗粒。
● 混炼扩大

在生产过程中，用小型搅拌机来进行更大规模的混炼，从而节省时间以及金钱是非常重要的。为了使得混炼规模扩大的难度最小化，小型搅拌机的几项参数必须和生产规模的搅拌机一样，这些参数包括：搅拌机的长度/直径比；搅拌机的内部设计和转子的外部设计；搅拌机以及转子的可比的热传输能力。

上面所述的直径是指外径或者转子的轮缘直径。用这种方法来进行混炼规模扩大的一项研究取得过成功。该项研究显示小型搅拌机的尺寸至关重要。所以，必须在混炼过程中，关键混炼参数依然有效的情况下，选择尺寸。

● 搅拌机和转子的热传递

间歇混炼发生在旋转的转子和腔边内径处的平稳曲面，搅拌机的门顶、冲压底部、转子终板以及隔尘密封装置之间。在啮合搅拌机的条件下，在两个回转的转子之间会发生额外的混炼。导致混炼发生的参数取决于温度，如下面的公式所示：

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其中：
A是化合物的活化能常数；
B是取决于剪切率和剪切力的常数；
T = 温度（°F）
= 剪切率（1/sec）；
s = 转子速度（rpm）
d = 转子凸缘及腔侧孔的平均直径（英寸）
d = 转子凸缘与腔边孔径的间隙（英寸）
f = 协向螺纹角（即，转子叶片螺旋角的余角）
= 剪应力（磅）
n = 幂律指数（对于弹性体，n = 0.2至0.3）

在搅拌机里进行增强填料（特别是硅）和交联固化剂的混炼过程中，温度控制是非常重要的。因此，理想的搅拌机应该能够迅速地对加工中的原料进行冷却或者加热，并且能够使所有与物料相接触的表面保持同一温度。使混炼部件保持相同的温度直接取决于最小化搅拌机入口和出口的温度变化。理想的作用是，加工中的原料粘附在平稳曲面上，使得转子叶片能够对原料进行剪切作用。大部分物料更多的是粘附在温度高的表面上，而不是冰冷表面。考虑到这一点，为了优化混炼作用，叶片的温度应该保持低于平稳曲面，以使得原料能够依附于稳定表面，同时使打滑最小化。这样，转子叶片就可以高效剪切物料。转子以及稳定曲面选择的温度并不那么简单，因为它取决于原料的类型以及密炼机的设计。牵张啮合NXN凸棱转子搅拌机的设计里，所有需要与原料接触的表面，都配置了强制对流热传输通道，使得在混炼过程中，能够得到更佳的温度控制。隔尘密封装置也有润滑或者不润滑的。顾客对密封装置寿命的反馈各有不同。

● 混炼程序和步骤

针对封闭间歇式搅拌机，目前有很多混炼程序，但是我们仅仅把重点放在其中两个主要类型上。标准的混炼是在所有物料都加好之前，已经将聚合物加入搅拌机。这种程序延长了搅拌机和转子的磨损寿命。倒置混炼法是首先将所有物料加入到搅拌机中，之后才加聚合物。这种程序在搅拌机上很难执行并且会缩短转子和搅拌机的磨损寿命。这两种程序的任一种都可以采用多道次或者单道次混炼，如图1所示。冲压作用，取决于压力，在提高搅拌机的混炼表现中起到了很重要的作用。正确的挤压压力是可以用于优化混炼工艺的混炼参数。在混炼周期中有许多不同的混炼步骤和不同的挤压压力，如图2所示。温度、能量（kwh）和时间是三项出料参量。由于混炼循环中的滑移，根据温度来排料使得每批次化合物的物理特性倾向于一致。当两个出料参数被用来控制混炼时，就必须包括温度，以保证原料不会焦烧或者降解。

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图1 混炼程序

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在某些情况里，装有匀速转子对中的剪切搅拌机，在混炼循环的开始的温度，倾向于比设定好的出料温度高。这种现象的发生，归因于在混炼循环的初期，门顶热电偶上的原料的快速传送。这个高温并不是真实的轧件温度。为了解决这个问题，在混炼控制过程中，采用时间延续或者能量损耗。在混炼循环中，如果采用的是可调速电机，则先降低转子的转速以解决这个问题，然后提高转子转速达到一个需要的水平。

在进一步的混炼步骤里，在混炼循环中，为了更好的提升搅拌机的性能和批料温度的控制，转子的转速以及动压力参数是不一样的。

混炼循环的开始阶段采用中等转子转速以及高动压力，使得混炼更加充分。在注入油之后，开始采用高转子转速，以减少打滑时间。在混炼循环的后面阶段，采用低转子转速和低动压力以提高混炼规模。

混炼分析

一种较深入的技术被用于量化混炼参数以及测试它们的混炼效果。这种技术同时用于分析不同的混炼技术以及新的构思。该技术有一种简化方案，通过把复杂的混炼过程分成两个独立参数来描述：比如集约混炼和粗放混炼。集约型和粗放型混炼依次取决于两个独立的混炼参数，如下所示：

● 集约型混炼

压裂产生的高剪切力导致了原料的高失效，离散和掺和。这种类型的混炼导致了高温和高压。与物料接触的曲面区域非常小。这种混炼类型与二辊轧机的压轧类似。

拉伸产生的低剪切力导致了原料的低失效，离散和掺和。这种类型的混炼导致了低温和低压。与物料相接触的曲面区域很大。

● 粗放型混炼

原料从右腔边孔径回转到左边腔边孔径。这种混炼作用导致了全局分布，使得物料达到均一性。这种混炼类似于操作员操作二辊轧机进行分布混合。

共混是一种局部混炼，导致了物料的低均匀性，但是具有很好的离散性。这种混炼发生在转子叶片的前沿面。这种类型的混炼类似于二辊轧机上原料的滚扎混炼。

这两项相关的和四项不相关的的参数，被用来对啮合牵张三凸棱NXN转子搅拌机、非牵张啮合三凸棱转子搅拌机以及切向四凸棱转子搅拌机混炼类型进行对比。如图3所示。

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图3 混炼类型对比

混炼质量、生产率和能量

搅拌机加工出来的化合物质量取决于原料的规格以及搅拌机的混炼水平。检验物料的规格使得质量问题最小化。一个搅拌机的水平指的是物料被充分的离散和分布均匀以形成均匀的化合物以满足既定规格或者目标。化合物可能是混配良好的并且均一性良好，但是仍然会因为有原料从隔尘密封装置流失而达不到目标技术要求。采用三凸棱NXN啮合转子轮缘，目的就是使得从隔尘密封装置流失的物料能最小化。如果搅拌机没有达到目标技术要求，就必须使用后续设备以及额外的花费才能制得符合要求的化合物。

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搅拌机的生产率取决于为了制得最终的化合物需要的混炼程序次数。一道没有物料从隔尘密封装置流失的混炼的实际生产率，是最优批次重量以及总混炼循环时间的函数。确定最优批次重量基于浮动重量的浮动。实际的生产率按下面所示计算：

● 总混炼循环时间=（加载时间）+（混炼时间）+（出料时间）
● 最优批次重量=（净搅拌机体积）*（化合物比重）*（填充因子）；以及
● 实际生产率=（最优批次重量）/（总混炼循环时间）

比如，四凸棱剪切转子能够提供比两凸棱转子更高的生产率的唯一原因，就是因为较少的总混合混炼时间。如图4所示，牵张啮合三凸棱NXN转子搅拌机，改进了切向四凸棱搅拌机，用的确是和剪切搅拌机一样的电机和齿轮减速器。在这种情况下，相对于切向四凸棱转子搅拌机，牵张啮合搅拌机能够提供更好的质量，更高的生产率以及更优秀的能量节约能力。在两道混炼过程里，剪切四凸棱转子搅拌机能够提供比非牵张啮合搅拌机更高的生产率。

在许多情况下，牵张啮合搅拌机和非牵张啮合搅拌机能够将剪切搅拌机的第一道混炼以及第二道混炼结合为一道程序。在这种情况下，非牵张啮合搅拌机则提供了比切向四凸棱转子搅拌机更高的生产率。

搅拌机能量效率，是通过使用特殊能量来进行评估的。特殊能量=（最优批次重量）/（能量）。

装有转子叶片以及转子本体降温装置的啮合搅拌机，具备比剪切搅拌机更好的能量节约能力。

实验评估以及实际结果如下：

● 在一次单道次混炼中，牵张啮合三凸棱NXN搅拌机以及非牵张啮合三凸棱NXN搅拌机，相对于切向四凸棱转子搅拌机来说，提供了更好的质量、更高的生产率以及更好的能量节约能力。而牵张啮合搅拌机则比非牵张啮合搅拌机具备更高的生产率。

● 在一次两道次混炼中，牵张啮合三凸棱NXN转子搅拌机以及非牵张啮合三凸棱搅拌机，相对于切向四凸棱转子搅拌机来说，提供了更好的质量以及更好的能量节约能力。牵张啮合搅拌机比切向四凸棱转子搅拌机具有更高的生产率，而切向四凸棱转子搅拌机则比非牵张啮合搅拌机具备更高的生产率。

图5简要地表示了牵张啮合三凸棱NXN转子搅拌机、非牵张啮合三凸棱NX转子搅拌机以及切向四凸棱转子搅拌机两道次和单道次混炼的结果。附表表示了Model-290牵张啮合三凸棱NXN搅拌机、Model-270切向四凸棱N型转子搅拌机和Model-257非牵张啮合三凸棱NX-1型搅拌机以及Model-250非牵张啮合三凸棱NX-2型搅拌机的对比。

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结论

装有三凸棱NXN转子的牵张啮合搅拌机，在使用同样的电机以及齿轮减速器的情况下，改进了所有尺寸的切向四凸棱转子搅拌机。相对于四凸棱转子搅拌机，牵张啮合搅拌机具有以下的优势：更好的混炼质量；20%到40%的生产率提升，取决于切向转子L/D比；更好地节约能量；更好的控制转子传热；更好的较少了混炼的道次；以及更高的转子强度。

牵张啮合搅拌机提供了比非牵张啮合搅拌机更高的生产率。当把三凸棱NXN转子装到非牵张啮合搅拌机上时，便能提高混炼生产率以及改善转子热传输。

对现有的搅拌机进行改造或者升级到优化的牵张啮合混炼技术，比用低成本技术重建搅拌机是更有益和更具有成本效益的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/15/2009)


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