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混炼设备的进展
作者:神钢集团 Richard J. Jorkasky II    来源:Rubber World
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炼胶机/密炼机展厅
密炼机, 橡胶挤出机, 捏炼机, 开炼机, 炼胶机, ...
在过去几年里,橡胶混炼设备技术取得了不少进展。其改进不仅限于提升了原料混炼成品的质量或增加了产量(千克/小时),而且还包括提高了混炼设备的使用寿命。

讨论

自从1916年由Fernley H. Banbury推出密闭式炼胶机以来,橡胶化合物的这种密闭式混炼方式差不多持续了100年。而在1916年之前,橡胶混合或加工是采用双辊开炼机来完成的。与双辊开炼机对比,橡胶密炼机有不少优势:密炼机生产效率更高、工作环境更加干净且更加安全。一台密炼机由六个主要部件组成:当中包括喂料斗,装置有上下顶栓气缸(气压传动)或液压缸(液压传动);混炼室,一个装置有转子的密闭空间;和卸料门等(图1)。在一个典型的混炼周期中,经过加料压料,关闭卸料门并转动转子,沿料斗门按配方加入原材料,通过上下顶栓强迫材料进入混炼室(在混炼周期内保持材料在混炼室内)。在指定的预设温度,明确的混炼时间,或者指定的能量使用(或者温度、时间与能量值的任一组合)下,转子剪切捏炼其中的胶料,混炼终止时卸料门打开,混炼好的胶料排出混炼室。接着,卸料门重新被关闭,意味着下一个混炼周期的开始。

混炼室内壁表面镀层

混合室(包括下顶栓、底盘和上顶锤)和转子等部件是混炼机的核心,由于各种各样的化学品及研磨材料(例如炭黑、硅土等)被应用于混合过程,会引起这些部件的磨损。近年来,伴随着硅粉应用到轮胎胶中,某些配方中甚至使用超过100份的量以达到改善橡胶产品性能的目的。图2显示了在应用硅粉替代炭黑后轮胎胎面胶的滚动阻力和湿地抓地力均获得极大的改善。

要抵制这些部件材料表面的磨损,镀层(被称为表面薄层堆焊)被焊接在室壁表面(以及上面提到的其它部件表面)和转子(部分或整体)以便延长那些部件的使用寿命。然而,即使有了这些镀层也只是延缓设备的磨损(图3)。

过去使用的镀层都存在一个问题或另外同样的其它问题。这些镀层,在使用后,或是最后出现了一系列的裂缝,被称为“边际裂纹”,或者,即使“无边际裂纹”(没有裂缝),它们也有不足的表现,例如较差的抗腐蚀性能,或较差的镀铬层粘着力,这里只是举几个例而已。

这些裂纹在使用硅粉时会产生一些问题。硅粉可能在其制造过程中残留有酸性物质(硫酸H2SO4或者盐酸HCl)。这些酸性物质是一把双刃剑。它们可以渗入设备部件表面的铬层引起表面变软,并对其下层金属造成损害,或者另一方面,它们能促进加入的硅粉实现硅烷化反应,从而使产品获得更有利的性能。但是,硅烷化反应会产生水、醇,有时会稀释硫酸,进而造成部件表面腐蚀和过早的磨损。混合硅粉的产品也可能使其接触的金属表面造成腐蚀。

因此,目标已清楚:即开发一种新的、硬的材料使适合混合硅粉和炭黑的情形,以增加混合室各部件抗腐蚀性能、改善耐磨性。在裂纹(或无裂纹)表面经过焊接/加工处理(防止腐蚀性物质通过裂缝进入内层金属)表明:镀铬层结合强度有所改善(镀铬层是抗磨损的一种很好的防范措施,还可延长部件的寿命,且可减少化合物在部件表面的粘附),有适当的机械性能(吸收震动以防止裂缝的扩大)并提供部件整个表面具有一致的质量。

几种镀层合金已被开发出来,并且选择其中之一与现有的镀层对照,测试其抗腐蚀或耐磨性、裂纹(或裂缝)焊接或加工处理以及与铬的结合强度。对新的镀层-含铬KA#T1和不含铬KA#T1进行测试,并与Lincoln H560(铁基合金)堆焊层、420号不锈钢(或同类材料)、Stellite #1和Stellite #6对比。两种Stellite材料都是钴基合金,但含Stellite #1的合金较Stellite #6合金硬。

腐蚀试验是将上述镀层在盐酸或硫酸中浸洗24小时和240小时。试验结果表明:三种表现最佳的合金材料具有相同性能等级,它们是含铬KA#T1,不含铬KA#T1以及Stellite #6。而与此三种合金相比,Stellite #1,Lincoln H56和420号不锈钢则同时表现出明显的被腐蚀状态。

使用干沙橡胶轮对这些同样的镀层进行磨损测试。在这个检测中,显示最低磨蚀损失的三种最佳合金材料是Lincoln H560、含铬KA#T1与不含铬KA#T1。表现较差的是Stellite #1、Stellite #6和420号不锈钢,后三种合金几乎表现出同等的磨损程度。

此外,重要的是不同镀层与铬的结合强度也有区别。试验表明:KA#T1镀层与二个不同种类的不锈钢和Stellite #6合金镀层表现出不同的铬结合强度。KA#T1镀层与铬具有最佳的结合强度,420号不锈钢的结合强度也相近,而另一个类型的不锈钢和Stellite #6则表现出稍差的结合强度。

最后,对裂缝(裂纹)表面进行焊接和加工处理,对不同的镀层作了对比。多种评估以表格形式给出(见附表)。可以看出,在耐磨性、耐腐蚀性和铬结合强度方面综合比较表明KA#T1具有最佳的表现。同时,对完全无裂缝表面进行焊接和加工处理也进行了测试。

总评估的下一步是实地试验。用高硅含量的混合料,混合器下顶栓有KA#T1、Stellite #6,常规堆焊硬面(等同于420号不锈钢)和铬镀层区域(图4)。下顶栓被反复粘附混合物,在典型的硅粉混合情形下,以同一个摩擦速度测试八个月,评估不同的材料。

在8个月以后,卸下下顶栓并检查其磨损情况。在高速边(图5),下顶栓的常规堆焊区域显示了范围从0-0.33毫米磨损,而铬镀层和KA#T1合金层则没有显示任何磨损迹象。在低速边, Stellite #6合金层和铬镀层也没有出现磨损现象。

由于下顶栓上含铬KA#T1合金层在8个月的测试结果也表明没有磨损,下一个步骤是用同样组合的合金在混合腔室侧边做试验。KA#T1被镀在新的BB-270升的腔室侧边上,混合器内也有铬镀层,以高量硅粉试验(图6)。该侧边已使用了三年半,当铬镀层表现了局部磨损时,KA#T1镀层并无磨损的现象。而以常规堆焊及铬镀层的BB-270侧边在同样的混合环境(高量硅粉)中也少于两年就出现磨损。

结论

硅粉的磨蚀性,特别是在高用量下,会导致减少混合器腔室及转子的使用寿命。然而,通过对新合金镀层和材料的持续研究,这种使用寿命的下降会得到控制,甚至很可能会获得比以往的实验有更长的使用寿命。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-1-21)
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