張會忱

(大連巨中自動化設(shè)備有限公司，遼寧 大連 116039)

合成橡膠廣義上指用化學(xué)方法合成制得的橡膠，以區(qū)別于從橡膠樹生產(chǎn)出的天然橡膠。合成橡膠，又稱為合成彈性體，是由人工合成的高彈性聚合物，是三大合成材料之一，其發(fā)展歷史悠久，有著廣泛的研究前景。

自從1909年弗里茨.霍夫曼發(fā)明合成橡膠至今,歷史已經(jīng)走過了一百多年。經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累，目前生產(chǎn)工藝已經(jīng)基本穩(wěn)定下來，常規(guī)的工藝過程包括單體的合成和精制、聚合過程、凝聚過程、橡膠后處理。本文僅對后處理工段的關(guān)鍵設(shè)備—主機(jī)設(shè)備（包括擠壓脫水機(jī)及膨化干燥機(jī)）予以分析總結(jié)，并根據(jù)生產(chǎn)需要提出集兩者功能于一身的真正意義上的脫水膨化造粒一體化機(jī)組，并在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐過程中予以驗(yàn)證。

1 合成橡膠后處理基本工藝流程

合成橡膠單體經(jīng)聚合、凝聚過程后，物料形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則顆粒狀，在凝聚過程控制良好的情況下，絕大部分物料顆粒大小為3～20 mm，這有利于后續(xù)的設(shè)備對物料進(jìn)行進(jìn)一步處理。膠粒水泵將膠粒水（凝聚過程結(jié)束后的產(chǎn)物）從凝聚釜（完成凝聚過程的主要設(shè)備）泵送到后處理車間后，便開始了后處理工段的工藝流程，其基本工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

2 主機(jī)設(shè)備分析

2.1 擠壓脫水機(jī)

在長期生產(chǎn)實(shí)踐過程中，人們根據(jù)合成橡膠顆粒在此工序的特性，采用了擠壓脫水機(jī)對物料進(jìn)行擠壓脫水。物料中含有大量的水份，而水是目前已知物質(zhì)中比熱最大的物質(zhì)，要想通過加熱的方法在連續(xù)工作的生產(chǎn)線中短時間內(nèi)揮發(fā)脫除，必須在較短的時間內(nèi)吸收大量的熱量，即使通過一定的技術(shù)手段予以實(shí)現(xiàn)，從能耗方面來說也是非常不合理的，所以通過擠壓的方法來排除水份幾乎成了唯一的選擇。

擠壓脫水機(jī)采用單螺桿結(jié)構(gòu)對物料進(jìn)行邊輸送、邊擠壓、邊排水的操作。輸送依靠螺桿的螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；擠壓依靠螺旋的變螺距來實(shí)現(xiàn)，也可以依靠螺旋的底徑變化予以實(shí)現(xiàn)；排水依靠設(shè)備筒體上的漏水篩網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整設(shè)備機(jī)頭部位的調(diào)壓結(jié)構(gòu)，改變設(shè)備模板的開孔率，既調(diào)整設(shè)備內(nèi)部的物料壓力，控制漏水篩網(wǎng)在排水的同時幾乎不會漏料，控制設(shè)備出口物料的含水率在一個合理的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長周期平穩(wěn)運(yùn)行。設(shè)備出口設(shè)置與螺桿同軸的切刀，將物料切成一定大小的顆粒，便于后續(xù)設(shè)備吃料。

下圖為常見的一種合成橡膠擠壓脫水機(jī)外形圖，如圖2。

圖2 合成橡膠擠壓脫水機(jī)外形圖

2.2 膨化干燥機(jī)

在長期生產(chǎn)實(shí)踐過程中，人們根據(jù)合成橡膠顆粒在此工序的特性，對從擠壓脫水機(jī)出來的物料采用膨化干燥機(jī)進(jìn)行處理。此時物料內(nèi)含水適中，在膨化干燥機(jī)的作用下，物料得以繼續(xù)升溫，同時壓力升高到一個相對較高的程度。在設(shè)備的出口，壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿鈮海瑥浬⒃谖锪现械乃菀灶愃啤罢ㄋ帯钡墓δ軐⑽锪险ㄩ_，水份迅速從液相轉(zhuǎn)化為汽相，被引風(fēng)機(jī)帶走，這就是膨化干燥的原理。但膨化后會有部分水份冷凝下來重新附著在物料的外表面，這便是后面補(bǔ)充干燥設(shè)備所要完成的工作。

膨化干燥機(jī)采用單螺桿結(jié)構(gòu)對物料進(jìn)行邊輸送、邊擠壓、邊升溫的操作。輸送依靠螺桿的螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；擠壓依靠螺旋的變螺距來實(shí)現(xiàn)；升溫主要依靠被壓實(shí)的物料之間的內(nèi)部摩擦來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整設(shè)備機(jī)頭部位的模頭孔大小及數(shù)量，改變設(shè)備模板的開孔率，既調(diào)整設(shè)備內(nèi)部的物料壓力及溫度，控制設(shè)備出口物料的爆破程度，使得含水率在一個合理的范圍內(nèi)，不會造成物料的過度膨化產(chǎn)生大量的粉末，也不會造成物料溫度過高產(chǎn)生塑化，亦不會造成膨化的動力不足影響后續(xù)的補(bǔ)充干燥效果，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長周期平穩(wěn)運(yùn)行。設(shè)備出口設(shè)置獨(dú)立的切粒裝置，將物料切成一定長度的顆粒，便于后續(xù)補(bǔ)充干燥。

下圖為常見的一種合成橡膠膨化干燥機(jī)外形圖，如圖3。

圖3 合成橡膠膨化干燥機(jī)外形圖

2.3 脫水膨化造粒一體化機(jī)組

從以上生產(chǎn)實(shí)際我們可以看出，物料通過“擠壓”及“膨化”兩種方式處理后，便可以進(jìn)行補(bǔ)充干燥了。但仔細(xì)觀察后我們不難發(fā)現(xiàn)，這樣的加工方式對于生產(chǎn)企業(yè)來說存在兩個問題：一是電能的消耗比較大，因?yàn)閮膳_設(shè)備需要兩臺功率比較大的電機(jī)來維持運(yùn)轉(zhuǎn)；二是占用空間比較大，每臺設(shè)備都需要考慮各自的檢維修空間，故而實(shí)際布置時絕大多數(shù)都采用兩個樓層來安放，土建成本增加了許多。經(jīng)與一些生產(chǎn)單位不斷的溝通交流，在充分尊重客觀事實(shí)的基礎(chǔ)上，提出了一種真正意義上集“擠壓脫水”、“膨化干燥”、“造?！庇谝簧淼囊惑w化機(jī)組。

下圖為提出的脫水膨化造粒一體化機(jī)組外形圖，如圖4。

圖4 合成橡膠脫水膨化造粒一體化機(jī)組外形圖

2.3.1 加料排水機(jī)筒

顧名思義，為完成脫水的功能，設(shè)備的加料機(jī)筒重新進(jìn)行了定義，將壓力排水功能融合了進(jìn)去，形成現(xiàn)有的加料排水機(jī)筒。除頂部正常的進(jìn)料口外，底部設(shè)置三處排水口，從右至左依次為自然排水口、低壓力段排水口、中壓力段排水口，排水篩網(wǎng)的篩條分別設(shè)置不同的尺寸規(guī)格及排布間隙，以利于承受不同的壓力，利于不同壓力狀態(tài)下的排水。如果設(shè)置更高壓力的排水口，從實(shí)際生產(chǎn)來看，不利于長期穩(wěn)定生產(chǎn)，經(jīng)過一定時間的運(yùn)行后橡膠顆粒會堵塞排水篩網(wǎng)，甚至個別的橡膠品種會從漏水篩網(wǎng)處產(chǎn)生較為嚴(yán)重的漏膠現(xiàn)象。經(jīng)觀察統(tǒng)計(jì)，下表中所列排布間隙基本適用于大部分橡膠品種，具體使用時，應(yīng)根據(jù)橡膠品種及凝聚后的橡膠顆粒大小來確定，并根據(jù)各自生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行微調(diào)，見表1。

2.3.2 直機(jī)筒

物料從進(jìn)入直機(jī)筒開始，大部分表面水份已經(jīng)在之前的加料排水機(jī)筒得以解決，壓力開始逐漸升高（也和螺桿的設(shè)計(jì)相關(guān)），采取以下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都是必須之選：

（1）采用全封閉的機(jī)筒用以維持物料的輸送。

（2）根據(jù)設(shè)備規(guī)格大小、加工便利性、內(nèi)部螺桿上螺套的分布確定直機(jī)筒的數(shù)量及每個直機(jī)筒的長短。區(qū)別于常規(guī)的膨脹干燥機(jī)而言，直機(jī)筒的總長度將達(dá)到原來的1.1～1.3倍，具體應(yīng)根據(jù)橡膠的品種來確定。

（3）機(jī)筒上必須根據(jù)機(jī)筒內(nèi)部螺桿上螺套的設(shè)計(jì)布置足夠的剪切螺栓，以防止物料在輸送過程中產(chǎn)生“抱軸”現(xiàn)象。

（4）機(jī)筒上必須在合適位置設(shè)置必要的測溫及測壓傳感器，用以監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。

（5）機(jī)筒必須設(shè)置可沿軸向自由活動的支撐，一是為了調(diào)整筒體軸線與螺桿軸線趨于重合，二是為了滿足機(jī)筒在不同溫度下的工作狀態(tài)不受軸向限制，避免設(shè)備受損。

2.3.3 螺桿

螺桿是整臺機(jī)組的核心部件，直接決定了整臺機(jī)組能否達(dá)到既定的產(chǎn)能及品質(zhì)要求。以下兩點(diǎn)在設(shè)計(jì)時必須考慮：

（1）螺桿的長度（去除位于加料排水段機(jī)筒內(nèi)的對應(yīng)部分）相較于膨化干燥機(jī)而言，要有一定的加長量，一般達(dá)到后者的1.1～1.3倍即可，因前者的物料升溫基點(diǎn)偏低既含水量偏高（相較于經(jīng)擠壓脫水機(jī)處理后的物料而言，經(jīng)一體化機(jī)組加料排水機(jī)筒處理后的物料含水量會更高一些），必須予以更長的升溫過程。

（2）出料端及中間位置的螺套外圓必須進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，一般可通過堆焊硬質(zhì)合金的方式進(jìn)行。螺桿在工作時雖然獲得了物料的浮動支撐，但由于各處橡膠的壓力不同、硬度不同，各處受徑向力不同，其基本不能保持在自轉(zhuǎn)同心狀態(tài)，總是會無規(guī)則的偏擺，當(dāng)偏擺量超過螺套外圓與機(jī)筒內(nèi)襯套內(nèi)孔的單邊間隙時，便會產(chǎn)生剮蹭，如果原料橡膠顆粒偏硬，這種剮蹭現(xiàn)象會明顯一些。螺桿啟動及停止操作尤其是啟動操作，由于機(jī)筒內(nèi)沒有物料存在，對于舊螺桿而言（其直線度不好）剮蹭更為明顯。綜上，在必要位置對螺套外圓進(jìn)行表面強(qiáng)化處理是必要的。

2.3.4 模板切粒機(jī)構(gòu)

根據(jù)合成橡膠種類的不同，其物性不盡相同，甚至區(qū)別較大，故在直機(jī)筒末端設(shè)置的模板應(yīng)可以調(diào)整其上模頭孔的大小及每個模頭上的開孔數(shù)量。該部件上切粒箱的大小（包括軸向長度及高度空間）也需要根據(jù)具體種類區(qū)別對待，以恰當(dāng)為宜，偏小則易造成堵塞造成停產(chǎn)，偏大則影響切刀軸的剛性，對于高速旋轉(zhuǎn)且又承受較大軸向力的切刀軸而言，容易引起震顫及軸承室溫升偏高，不利于長周期工作。對于不同的下游需求，要求切好的橡膠顆粒具有不同的長度，但一般而言都會要求短一些為宜，故選擇同步轉(zhuǎn)速較高的變頻電機(jī)可以很好的滿足這一需求。由于橡膠在各處模頭孔擠出膨化過程中壓力不盡相同，確切來說，模板中間位置的擠出壓力會偏低一些，這會造成切好的橡膠顆粒偏長一些，故在模孔布局時需要注意盡量避讓。此部件的切刀對于整個生產(chǎn)過程的連續(xù)性也具有非常重要的意義，動平衡較差的切刀組對于生產(chǎn)過程是致命性的打擊，尤其是大型的機(jī)組，動平衡的好壞更是關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定和連續(xù)，必須足夠重視，每次設(shè)備停車后，切刀必須仔細(xì)檢查，即使發(fā)現(xiàn)微小的崩口也必須及時更換。若使用過程中切刀斷裂不但會造成切粒效果變差，從而導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)變差，機(jī)構(gòu)也會失去平衡發(fā)生震顫，發(fā)現(xiàn)不及時甚至?xí)斐上掠尾糠衷O(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。

3 總結(jié)

脫水膨化造粒一體化機(jī)組的誕生不代表擠壓脫水機(jī)及膨化干燥機(jī)時代的終結(jié)，它仍有一定的局限性。對于后續(xù)需要改性的橡膠物料而言，選擇擠壓脫水機(jī)及膨化干燥機(jī)的組合更為理想一些，膨化干燥機(jī)會將膨化脫揮執(zhí)行的更為徹底；對于不需要后續(xù)改性的橡膠物料，而補(bǔ)充干燥設(shè)備的能力偏強(qiáng)及生產(chǎn)成本偏低的場合，選擇脫水膨化造粒一體化機(jī)組更為恰當(dāng)一些。

表2是擠壓脫水機(jī)及膨化干燥機(jī)組合與脫水膨化造粒一體化機(jī)組關(guān)鍵控制指標(biāo)—含水率的對比，供選擇時參考，詳見表2（基于上游設(shè)備供料含水率為40%～60%）。

表2 不同設(shè)備出口的含水率對比