密煉機設計課件

密煉機 RUBBER INTERNAL MIXER 主講教師： 第二節(jié) 工作原理和主要參數(shù) 2 1 工作原理 2 2 主要參數(shù) 2 1 工作原理 在混煉室內(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雜的多，物料加入 混煉室后，就在由兩個具有 螺旋棱 的， 有速比 的，相對回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與混煉室壁、上、下頂栓 組成的混煉系統(tǒng)內(nèi)受到不斷的變化的反復進行 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 煉時膠料反復地進行 軸向往復運動 ，起到了 攪 拌作用 ，致使混煉更為強烈。 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。 就是使配合劑分散在橡膠中 混煉 混 煉 原 理 討論 分散介質(zhì) (液相 ) 配合劑 分散相 看作 看作 生 膠 如何把配合劑分散在生膠中，主要看生膠的濕潤 能力及表面張力也要看配合劑是否易被打濕。 工藝上 機械上 可增加 表面活性劑入硬脂酸等，以 幫助濕潤配合劑 必須以一定的作用力，以便將配合 劑混入生膠中，并破壞其聚集體 一 、 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 ) （ Dispersive Mixing 4、簡單結合 (單純混合 ,宏觀分散、分布混煉 ) 1 、 細分（ break） : 將較大的配合劑團塊或聚集體再進一步粉碎 、 分細 I 使橡膠和配合劑粉碎 2、混入 (捏煉 ) 將粉狀或液態(tài)物料混入橡膠中形成粘結 塊 (需要較長時間 ),要使配合劑混入， 首先必須使塊狀橡膠變形，以形成與填 充劑接觸的新界面 .此界面形成的方式， 從理論上分析有 兩種 。 A、 在低速下拉伸橡膠時 ,它可像液體一樣的 流動。被充分拉伸后，填充劑就會粘著在新 生的界面上。然后，橡膠收縮將粘著的填充 劑包圍起來，并形成一個整體，就像把橡膠 的棱邊拉伸、包卷，再拉伸等，最后在擠壓 下形成一個整體。 生膠 炭黑二次聚集體 再拉伸 包卷 拉伸 分 散 B、 在高速下使橡膠變形時 ,它呈現(xiàn)固體性質(zhì)， 即發(fā)生脆性破壞而成粒狀。這些新生成的膠粒 表面上就布滿了填充劑接著就在壓力下，結合 成一整體，成為塊膠料。 由于 天然膠 強度大 ， 尤其在采用 老 式慢速 密煉機時 ， 其混入方式顯然屬于 A型 ； 而 丁 苯膠 ,順丁膠 ,乙丙膠 等所謂干酪狀橡膠 (與 天然膠相比 )， 在密煉機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到某種 程度以上時 ， 即不能發(fā)揮其彈性 ， 就可能出 現(xiàn) B的形式 。 (有人做過實驗 ： 充油丁苯與順丁膠并用 進行混煉 ， 化 1.3kg膠 ， 在混煉初期竟被 分割成 1800塊 ， 表面布滿碳黑的顆粒 ， 但再進一步混連結合為 30塊膠料 ， 再進 一步混煉 ， 則成為一個整體了 。 由此可見， B的方式簡單又有效。故近代 的高速密煉機是較理想的混入設備。 3、 分散 (微觀分散 ， 分散混煉 ) Dispersive Mixing 在混入階段，雖然填充劑混入橡膠中，并形成 了一個整體，但填充劑的粒子仍為較大的團聚 集體 (二次聚集體 )。要使這些由范德華力 (附 聚集力 )而結合的二次聚集體破壞，則需施加 一定外力。由于混煉膠的粘度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影 響，在填充劑粒子中產(chǎn)生了牽引力 (即剪切力 )， 一旦這個力超過了填充劑二次聚集體的聚集力 后，填充劑就逐漸分散開來，生成的各個粒子 (炭黑一次聚集體 )就沿著橡膠滾動的方向而移 動。 因此在分散階段 ,需要一定的剪應力 ,以 便破壞聚集體 ,若剪應力小于附聚力 ,則 分散難于進行。 一次聚集體 二次聚集體 填充劑 分散 對于 非牛頓 流體 最大剪切應力 : 最大剪切速率 : 1 膠料粘度 m 流變常數(shù) 轉(zhuǎn)子棱處剪切速率 D 轉(zhuǎn)子棱回轉(zhuǎn)直徑 n 轉(zhuǎn)速 h 間隙 則 max= 1 ( Dn/h)m 由式可見， 增大轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)速，減小間隙 ，均可提高剪切應力， 從而提高分散的速度。 4、 簡單結合 (單純混合 ,宏觀分散，分布混煉 ) 將粒子從一點移到另一點 ， 并 不改變 其 物理 形狀 和 大小 ， 主要是使物種進一步 分散均勻 。 均勻化 需要使膠料如在開煉機上那樣往復搗 動 (用人工或翻膠裝置 )， 在密煉機中則主要靠 轉(zhuǎn)子螺旋突棱的作用使其在混煉室中往返運 動 。 當剪切應力一旦超過破碎填充劑二次聚 集體的吸附力之后 ， 填充劑的分散就與剪切 應力無關 ， 而決定于施加給混煉膠數(shù)總剪切 應變量 。 總剪切變形 由式可知 ， 剪切速率 與 混煉時間 對 剪切應變 量 影響很大 ， 若要在相同的混煉時間內(nèi)達到 一定的 ， 則需 增加 D， n減小 h。 實際上，在密煉過程中，在密煉機的混煉室 內(nèi)，以上幾個基本過程是同時進行的。 t 混煉時間 5、塑化階段 由于力化學作用而使高聚物主鏈斷裂， 從而使之變化更易變形如彈性較小的狀 態(tài)，即改變物料的流變特性，使之適應 于后面各加工過程的需要。 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)子與混煉室壁的間隙中 ， 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 。 膠料在混煉室中的混煉過程 膠料在混煉室中的混煉過程如下： 二、 膠料在混煉室中所受的機械作用 1、 轉(zhuǎn)子外表面與混煉室內(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 轉(zhuǎn)子表面與混煉室內(nèi)壁間形成了一個 環(huán)形間 隙 ， 當膠料通過此環(huán)形間隙時 ， 則受到捏煉 作用 。 由于轉(zhuǎn)子表面制有螺旋尖棱 ， 它與混煉室形 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)子棱鋒與混煉室內(nèi)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(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 尖棱與混煉室壁所形成的透射角尖銳 。 膠料 在轉(zhuǎn)子尖棱尖端與混煉室內(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 。 2 、兩轉(zhuǎn)子之間的混合攪拌、擠壓作用 （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 3 、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 ， 可使膠料在左右混煉室中進 行折卷搗換 。 其中一側(cè)轉(zhuǎn)子前面的部分膠料 （ 高壓區(qū) ） 被擠壓到對面混煉室轉(zhuǎn)子后面 （ 低壓區(qū) ） ， 并隨之帶入料斗中 。 彼此往復 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 到相對應的轉(zhuǎn)子棱鋒后部間隙中。否則，因 壓力平衡性阻止交換。這就要求兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到 適當位置進行交換，這取決于速比。 4、 轉(zhuǎn)子的軸向往復切割捏煉作用 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 移動就形成了切割捏 煉的作用。 每個轉(zhuǎn)子都有二個方向不同、長短不一的螺 旋棱，當轉(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 因為膠料與轉(zhuǎn)子表面的摩擦力 T阻止膠 料軸向移動，故要使膠料產(chǎn)生軸向移動 條件是： PxTx P 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。 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 此外，在轉(zhuǎn)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(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。 兩棱轉(zhuǎn)子展開圖 膠料流動示意圖 膠料的軸向移動情況示意圖 三、膠料在轉(zhuǎn)子上的流動情況 GK四棱轉(zhuǎn)子展開圖 膠料的軸向移動情況示意圖 GK四棱轉(zhuǎn)子 2 2 主要參數(shù) 一、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與速比 1、轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是密煉機主要性能指標之一。 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速 生產(chǎn)能力 功率消耗 煉膠質(zhì)量 混煉成本 （ 1）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) 提高 n 生產(chǎn)率 提高 為什么？ A、 由上面公式知，對于一個 機臺來講， D， h都是固定 的，只有改變 n。 提高 n， 可以提高剪切速率，縮短 t， 從而提高產(chǎn)量 ； B 、 提高 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n ,被攪 拌的膠料表面交換頻繁， 這就加速了配合劑在膠料 中的混合作用，使 t 縮短， 從而提高產(chǎn)量 ； C、 提高 n， 膠料對密煉室 P 也增大，膠料受到的機械 作用增大， t 縮短，從而提 高產(chǎn)量 。 上圖為 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與混煉時間關系 （ 2）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=4u2B/h N-轉(zhuǎn)子單位上的功率消耗； -膠料的粘度； u-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 （ 3） 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，一般排膠溫度應控制在 1301500C以下，否則除了會引起分散不良外， 還容易使膠料發(fā)生化學反應，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 1001200C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 的應用均被重視。 2、轉(zhuǎn)子速比 密煉機轉(zhuǎn)子的速比通常為 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. 對 對 二、轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙 在流變學分析中已講到，對膠料起分散作用 的主要因素是 ,在轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁間隙 h形成的高剪切區(qū)內(nèi)，間隙大小，直接影響膠 料的及剪切應力和剪切速率。 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 。 應對措施是 : 補焊；增加容量。 三、生產(chǎn)能力與填充參數(shù) 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； V1 -密煉機工作容量 ， 升； -膠料的比重 ， 公斤 /升； t -一次煉膠時間，分。 工作容量 V1由下式計算 ： V1=V 式中： V-密煉室總?cè)萘?（ 密煉室總?cè)萘繙p去轉(zhuǎn)子所占體積 ） -膠料的填充系數(shù) 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。 四、上頂栓對膠料的單位壓力 上頂栓對膠料的單位壓力是強化煉膠的主要手 段之一。 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(nèi)膠料的空隙，使得膠 料與混煉室內(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，加速各種物料混入膠料中的過 程，從而縮短混煉時間，提高密煉機的功效。 膠料混煉 分散 關鍵 剪切應力 決定因素 提高上頂栓壓力的方法： （ 1）提高壓縮空氣的壓力； （ 2）加長風筒直徑； （ 3）采用液壓代替風壓。 增加上頂栓壓力 ， 使物料之間更加 迅速地 互 相 接觸和擠壓 ，并使物料之間 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 導致較高的剪切應力 ， 加速分散過程 ，從而 縮短混煉時間 ，提高了 混煉膠質(zhì)量 。 五、功率 （一 ）功率消耗的確定 電動機功率主要消耗在： 膠料捏煉過程中的剪切、攪拌混合和機器各 轉(zhuǎn)動部的摩擦，前者是主要的。 膠料的性質(zhì) 配方 混煉溫度 加料方法和順序 上頂栓壓力 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子的結構 功 率 消 耗 假定膠料是在粘度不變、等溫下捏煉過程， 轉(zhuǎn)子單位長度上的功率消耗表示為： N=4u2B/h N-轉(zhuǎn)子單位上的功率消耗； -膠料的粘度； u-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 但是 ， 橡膠屬非牛頓型流體 ， 對一臺特定的密 煉機來說 ， 其功率消耗表示為： N=Cuk+1 k -膠料特性系數(shù) ， k 1; u-轉(zhuǎn)子棱頂回轉(zhuǎn)線速度； C-系數(shù) （二）密煉機功率消耗的因素分析 1、 功率與密煉機工作容量的關系 。 從圖 4-12知 ， 密煉機工作容量越大 ， 其功率消耗 越多 。 2、功率與轉(zhuǎn)子棱頂和密煉室內(nèi)壁間隙的關系 ， 功率消耗 與轉(zhuǎn)子棱頂和密煉室內(nèi)壁 間隙（ h） 成 正比 。 3、功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關系 從公式和圖 4-14看，功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似成正比 4、 功率與上頂栓壓力的關系 上頂栓壓力的增加 ， 會導致功率消耗的 增加 。 5、 功率與轉(zhuǎn)子結構的關系 轉(zhuǎn)子由二個螺旋棱增加至四個螺旋棱 、 六個螺旋棱時 ， 加劇了膠料在捏煉中的 分流和增加了膠料的剪切次數(shù) ， 故增加 了功率消耗 。