Проект подготовительного цеха для производства формовых РТИ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:

«Проект подготовительного цеха для производства формовых РТИ»

Введение

В последние годы наблюдается интенсивный рост объемов получения полимеров и их потребления в резиновой промышленности. Рост механизации производственных процессов в добывающей и обрабатывающей промышленности, развитие транспорта и сельского хозяйства обуславливают все увеличивающийся спрос на разнообразные резиновые технические изделия (РТИ). Отличительной особенностью производства РТИ является чрезвычайно широкий ассортимент, поскольку изделия находят применение практически во всех сферах деятельности современного общества [1].

Ассортимент резиновых изделий постоянно расширяется и в настоящее время превышает 60 тыс. наименований [2]. Около половины объема производства резиновой промышленности составляют автомобильные шины, более трети - резиновые технические изделии, номенклатура которых особенно многообразна. Около одной десятой объема производства резиновой промышленности составляют резиновая обувь и другие изделия народного потребления (медицинские изделия, игрушки, спортивные принадлежности).

Минимальные сроки освоения и хорошо продуманные минимизированные капитальные затраты на организацию производства дают возможность устанавливать конкурентоспособные цены на выпускаемую продукцию. Смешение как начальный этап производства резиновых изделий во многом определяет их качество [2]. Решающее значение для стабильности качества резиновых смесей имеет стабильность качества исходных материалов: каучуков, техуглерода, сыпучих и жидких ингредиентов. Вместе с тем при колебаниях параметров самих технологических процессов увеличивается разброс показателей качества резиновых смесей.

Изготовление резиновых смесей - наиболее трудоемкий и энергоемкий процесс. Смешение каучуков с различными компонентами резиновых смесей, имеющими разнообразную форму, агрегатное состояние, различающимися растворимостью и скоростью распределения в каучуке, представляет сложную техническую задачу, которую приходится решать в условиях повышенных температур, ускоряющих механические процессы взаимодействия каучуков с ингредиентами смеси [3].

Современная технология подготовительного производства предусматривает применение двухстадийного изготовления резиновых смесей с использованием высокопроизводительного оборудования. Независимо от общей технологической схемы подготовительного цеха резиносмеситель является главной частью любой линии смешения.

1. Аналитический обзор и патентная проработка

Практически все промышленное и бытовое оборудование, транспортные средства, радиоэлектронная аппаратура, сельскохозяйственная техника и другие машины и агрегаты содержат в себе разнообразные резинотехнические изделия (РТИ), большинство из которых являются формовыми, которые составляют самую большую по номенклатуре, конструкциям и назначению группу [1].

Развитие современной резиновой промышленности характеризуется следующими основными особенностями:

- расширение областей применения и ассортимента резиновых изделий;

- ужесточение условий эксплуатации изделий (температура, нагрузки, скорости, агрессивные среды и т. д.);

- стремление использовать наиболее дешевые и доступные армирующие материалы, каучуки и ингредиенты при невозможности беспредельного увеличения их ассортимента;

- необходимостью снижения материалоемкости изделий и трудоемкости их изготовления;

- требованиями охраны труда и защиты окружающей среды [2].

Ассортимент резиновых изделий постоянно расширяется и в настоящее время составляет около 100 тысяч наименований. Основным потребителем резиновых изделий является современный транспорт - автомобильный, воздушный, железнодорожный.

Производство резинотехнических изделий включает большой ассортимент разнообразных по виду и применению деталей машин промышленного и бытового назначения. Большой объем производства, многообразие конфигураций, областей применения, технологических приемов изготовления и рецептуры резиновых смесей определяют особое место комплектующих деталей в производстве РТИ [3].

Единая технология производства резиновых изделий из каучуков включает в себя следующие, общие для большинства изделий, процессы:

- прием, хранение и транспортирование каучуков, ингредиентов и армирующих материалов;

- подготовку и обработку каучуков и ингредиентов;

- развеску и дозирование материалов;

- приготовление резиновых смесей;

- формование резиновых смесей: каландрование, прорезинивание тканей на каландрах, шприцевание;

- раскрой каландрованных и шприцованных резиновых заготовок и прорезиненных тканей на детали;

- изготовление резиновых клеев, прорезинивание (шпредингование) тканей;

- сборку (конфекцию) из деталей сложных изделий;

- вулканизацию резиновых изделий [4].

Технологические процессы и оборудование должны быть высокопроизводительными, легко управляемыми, максимально механизированными и автоматизированными, надежными в работе и удобными в обслуживании, высокорентабельными, экологически безопасными, а также обеспечивать получение высококачественного полуфабриката и конечной продукции. Кроме того, необходимо учитывать масштаб производства. Крупные предприятия целесообразно оснащать высокопроизводительным и скоростным оборудованием, при использовании которого становится возможным создать высокий ритм работы, непрерывность и поточность производства. Заводы резиновой промышленности, оснащенные тяжелыми видам оборудования, потребляют большое количество электрической, тепловой, гидравлической и других видов энергии. Поэтому производство необходимо организовать так, чтобы капитальные и эксплуатационные затраты были минимальными [2].

1.1 Подготовка каучуков

Поступающие на предприятия резиновой промышленности каучуки и ингредиенты по качеству должны соответствовать требованиям нормативно-технической документации на определенную марку сырья. При нарушении условий их транспортировки и хранения возможны загрязнение, увлажнение и слеживание.

Подготовка каучуков включает следующие технологические операции:

- снятие упаковки с куска каучука;

- резка каучука на куски;

- декристаллизация кристаллизующихся каучуков;

- пластикация каучуков, обладающих низкой первоначальной пластич-ностью [5].

1.1.1 Снятие упаковки с куска каучука

Упаковку снимают вручную при помощи ножа, подрезая им «рубашку» на кипах натурального каучука и разрезая нити, стягивающие мешки.

Полиэтиленовую пленку с брикетов каучука СКД, СКИ-3, бутадиен-стирольного каучука (БСК) не снимают в том случае, если процесс смешения ведут при температурах выше 110 єС (с учетом температуры размягчения полиэтилена).

Брикеты и кипы каучуков режут специальными ножами различной конструкции. Большие кипы НК обычно режут на вертикальных или горизонтальных машинах с гидравлическим приводом. В некоторых случаях такие машины имеют многолучевые головки, в которых закреплено несколько радиально расположенных лезвий. Машины с такими головками разрезают кипу каучука одновременно на 6, 8 или 10 кусков. Усилие, создаваемое ножом, достигает 1000 кН [2].

1.1.2 Резка каучука на куски

Для резки каучука в промышленности широко используют гильотинные, многолезвийные, или многолучевые, ленточные и дисковые ножи. Привод ножей может быть как гидравлический, так и электромеханический [6].

Для резки брикетов и рулонов синтетических каучуков широко применяют дисковые ножи. Такие ножи имеют до четырех режущих дисковых устройств. Мощность привода ножей достигает 14 кВт [5].

Для облегчения последующей развески каучуков брикеты и рулоны синтетического каучука режут на куски определенных формы и массы. В этом случае агрегаты из нескольких ножей оборудуют специальными закрепляющими и поворотными механизмами, фиксирующими положение брикета или его частей при подаче на резку. Например, брикет БСК размером 205x450x815 мм режут на куски по 5 кг размером 200x450x135 мм, на куски по 2 кг размером 200x135x90 мм и на куски по 0,2 кг размером 130x90x40 мм [6].

В современных подготовительных производствах предусматривается система транспортировки с использованием ленточных конвейеров в комплекте с установками для автоматической резки и дозирования каучуков на централизованном участке (фирмы «Фата» и «Саймон») [6]. При этом управление дозированием, транспортировкой и распределением навесок по смесительным агрегатам осуществляется электронной вычислительной машиной. В связи с этим значительный интерес представляет установка фирмы «Фата»

Установка может работать с достаточной точностью взвешивания независимо от конфигурации кусков. Необходимый довесок определенных размеров (в зависимости от плотности материала) для точной навески автоматически вырезается из средней части кипы [6].

1.1.3 Декристаллизация кристаллизующихся каучуков

При хранении каучуки некоторых видов с регулярной структурой молекул (натуральный, хлоропреновый) кристаллизуются, что приводит к повышению их жесткости и затрудняет резку и дальнейшую переработку. Поэтому кипы или брикеты закристаллизовавшихся каучуков разогревают (распаривают) для плавления кристаллической фазы. При декристаллизации каучуки разогревают до 40 - 50 єС. Продолжительность процесса зависит от размеров кусков каучуков и частично от природы полимера. Иногда для ускорения прогрева кипы каучуков предварительно разрезают на несколько частей [7].

В зависимости от количества потребляемого на заводе кристаллизующегося каучука применяются различные способы декристаллизации. Если количество потребляемого кристаллизующегося каучука невелико, то декристаллизацию проводят в распарочных камерах периодического действия размером 5x6x5 м; камеры обогревают горячим воздухом. Кипы натурального каучука прогревают в таких камерах при температуре горячего воздуха 50 єС в течение 72 ч зимой и 50 ч летом, а при температуре воздуха 70 єС в течение 35 - 50 ч. Продолжительность прогрева предварительно разрезанных кип сокращается до 10 - 24 ч [2]. Камеры такого типа несложны по конструкции и просты в обслуживании. Однако при их использовании необходимо иметь большой запас каучуков. Кроме того, в этих камерах не обеспечивается равномерный разогрев кип каучука по всей массе и происходит окисление каучука с поверхности.

При большом потреблении натурального каучука его декристаллизуют на специальных установках в поле токов высокой частоты. При помещении кип каучука в высокочастотное электрическое поле с переменной частотой 20 - 75 МГц тепло генерируется по всей толщине каучука. Продолжительность разогрева кип каучука до 40 - 50 єС составляет 25 - 50 мин [4]. Мощность высокочастотных генераторов 10 - 30 кВт. Известны установки для декристаллизации каучука токами высокой частоты непрерывного и периодического действия. Установки непрерывного действия состоят из нескольких последовательно расположенных камер, через которые по специальному транспортеру движутся кипы каучука, а установки периодического действия - из одной камеры. Степень декристаллизации каучука проверяют погружением в кипу специальной металлической иглы при постоянном давлении. Если каучук не декристаллизовался, то игла не сможет проколоть кипу за определенное время, и такая кипа поступает на повторную декри-сталлизацию [8].

Каучуки, разрезанные на куски, обычно декристаллизуют в распарочных камерах непрерывного действия, обогреваемых горячим воздухом (рисунок 1.1).

1 - камера; 2 - подвесной конвейер; 3 - входной и выходной проемы для конвейера; 4 - натяжная станция конвейера; 5 - рольганг; 6 - вертикальные ножи для резания каучука; 7 - подающий рольганг; 8 - отборочный ленточный транспортер.

Рисунок 1.1 - Воздушная распарочная камера непрерывного действия

Продолжительность разогрева в камере зависит от температуры в ней и степени закристаллизованности каучука. Продолжительность разогрева натурального каучука при 100 єС составляет 4 - 6 ч, а хлоропренового при 60 - 70 єС - около 6 - 8 ч [9].

1.1.4 Пластикация каучуков, обладающих низкой первоначальной пластичностью

Натуральный и синтетический каучуки не всегда удовлетворяют требованиям резиновой промышленности по уровню пластоэластических свойств.

Эластические свойства каучука, весьма ценные в резиновых изделиях, при изготовлении резиновых смесей оказывают отрицательное влияние на процессы их обработки, так как механические усилия затрачиваются непроизводительно на обратимые деформации. Под влиянием механических и тепловых воздействий пластичность каучука может увеличиваться.

Технологический процесс и само явление, в результате которого повышается пластичность каучука, снижается его вязкость и эластическое восстановление называется пластикацией. При пластикации так же изменяются физические свойства каучука, что оказывает влияние на свойства резиновых смесей и вулканизатов. Так, с повышением пластичности натурального каучука облегчается формование резиновых смесей и снижается вязкость раствора каучука, что позволяет получить концентрированные клеи при меньшем расходе растворителей, но в то же время уменьшаются механическая прочность вулканизатов и сопротивление резины истиранию, кроме того, увеличиваются ocтаточные деформации. Поэтому при изготовлении резиновых смесей необходимо использовать каучук с определенными пластическими свойствами в зависимости от назначения резинового изделия и предъявляемых к нему требований [10].

Повышение пластичности натурального каучука при его механической обработке было обнаружено в 1826 г. Гэнкоком [2]. Первоначально повышение пластичности натурального каучука (пластикация) объяснялось разрушение его глобулярной структуры в процессе механической обработки. Однако, это явление характерно не только для натурального каучука, но и для других каучуков, не имеющих глобулярной структуры. Кроме того, явления аналогичные пластикации, наблюдались и при термоокислительном воздействии на некоторые каучуки.

В настоящее время пластикация объясняется деструкцией макромолекул каучука и снижением его молекулярной массы под действием механических напряжений и окислительных процессов.

Вследствие больших размеров молекулярных цепей энергия межмолекулярного взаимодействия макромолекул каучука превышает прочность отдельных химических связей. Поэтому при сдвиговых усилиях в молекулярных цепях могут возникнуть напряжения, способные преодолеть энергию валентных связей между атомами цепи [11].

Разрыв макромолекул каучука под действием механических напряжений возможен, если размер этих макромолекул превышает некоторое минимальное значение, определяемое природой и структурой полимера и скоростью деформации. Разрыву молекулярных цепей каучука при механической обработке способствует образование физических «зацеплений» и «захлестов» (переплетений) макромолекул, число которых повышается с увеличением молекулярной массы полимера и его разветвленности.

При механическом воздействии в момент, когда концентрация напряжения на данном участке полимерной цепи превосходит прочность связей между метиленовыми группами макромолекул, происходит разрыв цепей (преимущественно в середине молекул) с образованием реакционноспособных радикалов:

Дальнейшее протекание реакции со свободными радикалами зависит от многих условий. В отсутствие кислорода и низкомолекулярных акцепторов радикалы могут рекомбинировать, и в этом случае пластикация не наблюдается. Они могут взаимодействовать с соседними макромолекулами с образованием разветвленных макромолекул, что приводит к увеличению молекулярной массы полимера. В присутствии кислорода могут происходить преимущественно реакции взаимодействия свободных радикалов с кислородом, что способствует увеличению массы полимера. Дальнейшие превращения в полимере будут зависеть от активности образовавшихся пероксидных радикалов и природы полимера [2].

Для ускорения процесса пластикации применяют вещества - акцепторы свободных радикалов, которые получили название ускорителей пластикации или химических пластификаторов. Их действие в основном сводится к стабилизации полимерных радикалов, образующихся при механической или термоокислительной деструкции макромолекул каучука:

В результате увеличивается эффект пластикации, так как предотвращаются рекомбинация радикалов и их взаимодействие с молекулами полимера. В качестве ускорителей пластикации широкое применение находят некоторые ароматические меркаптаны и дисульфиды. Эффективным ускорителем пластикации является меркаптобензтиазол.

При использовании ускорителей пластикации увеличивается скорость деструкции натурального каучука как при низких, так и при высоких температурах; наибольшую активность они проявляют при температуре выше 80 єС. На 100 масс. ч. каучука приходится 0,1 - 0,3 масс. ч. ускорителей пластикации [4].

Для хлоропреновых каучуков серного регулирования (наирит CP и KР) эффективными химическими пластификаторами являются ускорители серной вулканизации углеводородных каучуков (меркаптобензтиазол, дибензтиазолил-дисульфид, дифенилгуанидин) [12].

Выбор способа и оборудования для пластикации каучуков и технологические условия их обработки зависят от природы каучука, назначения peзиновых изделий и необходимой производительности процесса.

Некоторые каучуки с целью пластикации подвергаются воздействию тепла и кислорода воздуха (термопластикация), но большинство способов основано на активном воздействии механической энергии (механическая пластикация).

Механическая пластикация каучуков может проводиться в червячных, роторных и валковых машинах. Часто процесс пластикации, особенно для синтетического изопренового каучука и полихлоропрена, совмещается с процессом смешения [10].

1.1.4.1 Термопластикация каучуков. Уменьшить вязкость некоторых каучуков и увеличить их пластичность возможно в результате термоокислительной деструкции при повышенной температуре в присутствии кислорода воздуха, которая получила название термопластикации. При правильном выборе оптимальных температуры и давления воздуха процессы деструкции могут преобладать над структурированием. Направление процесса в значительной степени определяется природой полимера.

В основном термопластикации подвергают жесткие высокомолекулярные (нерегулярного строения) бутадиен-стирольные каучуки СКС-10, СКС-30 и др. Процесс проводят в автоклавах при 120 - 140 єС и давлении воздуха 0,25 - 0,30 МПа [2]. Каучук раскладывают в виде узких полосок на металлические противни, помещаемые в автоклав. При термопластикации происходят глубокое окисление и деструкция полимера с увеличением содержания низкомолекулярных фракций, в то время как при механической пластикации наблюдается разрыв наиболее длинных молекул преимущественно в средней части, причем содержание низкомолекулярной фракции не увеличивается.

При увеличении содержания низкомолекулярных фракций в каучуке понижаются эластические и прочностные свойства вулканизатов, поэтому резины на основе термопластикатов уступают по свойствам резинам на основе механических пластикатов. Сужение молекулярно-массового распределения, которое наблюдается при механической пластикации, может в некоторых случаях способствовать повышению эластических свойств резин.

1.1.4.2 Пластикация каучука в червячных машинах. Червячные машины применяют для пластикации и гранулирования каучуков, а также для приготовления резиновых смесей и их формования. Все процессы в червячных машинах непрерывные. Наиболее производительным оборудованием для пластикации натурального каучука являются червячные пластикаторы. Они применяются на крупных предприятиях, в большом количестве потребляющих этот каучук [7].

Пластикация каучука в червячных пластикаторах обусловлена сдвиговыми деформациями, возникающими в каучуке в осевом направлении при вращении червяка, и силами трения между каучуком и стенками цилиндра, каучуком и поверхностью червяка. Напряжение сдвига зависит от вязкости каучука, температуры, скорости сдвига, геометрии червяка, зазора между червяком и стенками цилиндра и других факторов. Скорость сдвига зависит от диаметра червяка и частоты его вращения.

В цилиндре червячного пластикатора с червяком диаметром 500 - 600 мм при частоте вращения червяка 22,5 об/мин поддерживается температура 60 - 70 єС, а в головке 105 - 115 єС. При этом за один пропуск в присутствии ускорителя пластикации получают пластикат П-1 с пластичностью 0,21 - 0,30. Для повышения пластичности пластикат П-1 необходимо пропустить вторично через пластикатор после его полного охлаждения. Полученный пластикат П-2 будет иметь пластичность 0,31 - 0,40 [4].

1.1.4.3 Пластикация каучуков в закрытых резиносмесителях. Высокие напряжения сдвига в каучуке могут развиваться при его обработке в скоростном резиносмесителе. По сравнению с червячным пластикатором резиносмеситель имеет меньшую поверхность охлаждения, а теплообразование более значительное.

Пластикацию в скоростных резиносмесителях с полным oбъемом камеры 250 л и частотой вращения заднего ротора 40 об/мин проводят в условиях термоокислительной деструкции, активированной механическим напряжением. Температура пластиката при выгрузке его из смесителя достигает 140 - 180 єС [2].

Для получения пластиката П-1 натуральный каучук необходим обработать в резиносмесителе в течение 8 мин без ускорителя пластикации и в течение 4 - 5 мин с ускорителем пластикации. Пластикат П-2 может быть получен при двукратной обработке каучука по 8 мин без ускорителя пластикации в резиносмесителе с промежуточным охлаждением или за 6 - 8 мин при однократной обработке с применением ускорителя пластикации. В резиносмесителях производят также пластикацию хлоропренового каучука (3 - 4 мин при 100 єС). В некоторых случаях пластикацию каучуков в скоростных смесителях совмещают с приготовлением резиновых смесей [10].

1.1.4.4 Пластикация каучука на вальцах. Пластикацию каучука на вальцах экономически целесообразно проводить при малых масштабах производства. В начале проведения процесса холодные каучуки обладают высокой эластичностью, и втягивание их в зазор между валками затруднительно. В этом случае необходимо производить загрузку каучуков малыми порциями, при малом зазоре между валками и по возможности ближе к приводным зубчатым колесам.

При заправке неразогретых каучуков на их обработку расходуется большое количество энергии, вследствие чего каучук и валки сильно нагреваются. Температурный режим и продолжительность пластикации устанавливаются опытным путем в зависимости от свойств исходного сырья и того, какими свойствами должен обладать полученный пластикат. Чем жестче каучук, чем ниже его температура, тем больше затрачивается механической энергии на его деформацию.

Для получения пластиката однородного качества при пластикации на вальцах применяют следующие приемы обработки:

- непрерывная обработка каучука сначала при небольшом зазоре (1 - 3 мм) в течение 3 - 5 мин, а затем при зазоре 5 - 10 мм в течение 10 - 15 мин.

- двух- или трехкратная пластикация с охлаждением пластицируемой массы между последующими операциями.

- «размалывающая» пластикация - последовательные пропуски каучука через тонкий зазор (1 - 3 мм) с последующим охлаждением пластицируемой массы до 30 - 40 єС [4].

Наибольшее увеличение пластичности наблюдается в первые десять минут, далее она изменяется крайне медленно. Расход энергии, затрачиваемой на преодоление упругих деформаций и на механическую деструкцию макромолекул каучука, зависит от объема массы в рабочей зоне и давления в зазоре. Во время обработки каучука повышается его температура, а также уменьшаются вязкость и коэффициент трения, что приводит к снижению расходуемой энергии.

Для получения более однородного по качеству пластиката следует производить его подрезку. При загрузке каучука на вальцы необходимо следить за тем, чтобы каучук не был замороженным (это может вызвать поломку вальцов) и не влажным, иначе ухудшается захват каучука валками; куски упругого каучука могут отскакивать от валка и травмировать рабочих.

Для получения пластиката П-1 (пластичность 0,21 - 0,30) натуральный каучук необходимо пластицировать около 12 мин при 50 - 55 єС.

Пластикат П-2 (пластичность 0,31 - 0,40) получают повторной пластикацией охлажденного пластиката П-1.

В некоторых случаях для получения смесей с высокой пластичностыо каучук подвергают трехкратной пластикации (пластикат П-3 имеет пластичность 0,41 - 0,50). На вальцах производят пластикацию БНК, которые не удается пластицировать другими методами, и хлоропренового каучука [10].

1.2 Дозирование материалов

В резиновой промышленности для изготовления изделий применяют различные резиновые смеси, в состав которых входит большое число компонентов [5].

В резиновых смесях каучуки, мел, каолин, технический углерод и мягчители содержатся в большом количестве; содержание ускорителей вулканизации, противостарителей, замедлителей подвулканизации незначительно.

Для получения резиновых изделий высокого качества компоненты необходимо тщательно взвешивать, так чтобы содержание их в резиновой смеси соответствовало заданному количеству. Дозирование компонентов производится с точностью ±3 % [13]. С применением скоростных смесителей продолжительность изготовления резиновой смеси сократилась до 1,5 - 2,5 мин; скорость дозирования компонентов должна соответствовать скорости приготовления резиновых смесей.

Самый простой способ дозирования - ручная (частично механизированная) развеска; его применяют на сравнительно мелких предприятиях, не имеющих мощного смесительного оборудования [4].

Компоненты резиновой смеси взвешивают на различных весах и, как правило, в открытой таре подают на участок смешения с помощью электрокаров или ручных тележек. Такая ручная система развески имеет существенные недостатки: низкую производительность, отсутствие контроля за точностью взвешивания, неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда и большие потери ингредиентов за счет распыления.

Ручная развеска повсеместно вытесняется полуавтоматическими и автоматическими системами дозирования. Все виды автоматического дозирования представляют собой довольно сложные системы.

Системы автоматического дозирования применяют на предприятиях с ассортиментом выпускаемых одновременно изделий не более 20 - 25, причем число постоянно расходуемых ингредиентов, входящих в состав резиновых смесей для этих изделий, не должно превышать 40 - 50 наименований. Системы автоматичес-кого дозирования могут выполняться по различным схемам [10].

Индивидуальная автоматическая система дозирования предусматривает установку бункеров и емкостей с автоматическими весами, дозаторами и транспортирующими механизмами для всех материалов, поступающих на смешение в резиносмеситель.

Величина навесок, порядок взвешивания и весь режим смешения задаются вычислительными системами или системами, предусматривающими возможность документального и визуального контроля за процессом дозирования и смешения. При использовании индивидуальных автоматических систем дозирования предусматривается оснащение каждого резиносмесителя большим числом бункеров, весов и транспортирующих механизмов, что значительно загромождает помещение. По условиям компоновки обычно не удается установить около смесителя больше 20 - 25 бункеров для компонентов смеси, что ограничивает возможность приме-нения таких систем [14].

Оборудование для развески компонентов смеси при централизованном способе дозирования является общим для нескольких смесителей и устанавливается на отдельном участке. При этом способе развески непосредственное оснащение смесительных агрегатов бункерами, весами и другим вспомогательным оборудованием не обязательно.

С помощью централизованной автоматической системы дозирования можно изготавливать множество разнообразных резиновых смесей, в состав которых входит большое число компонентов, так как на участке централизованной развески может быть установлено любое число бункеров и дозаторов. Однако участок транспортирования взвешенных материалов к смесительному оборудованию имеет очень сложную систему адресования, что снижает надежность обслуживания сразу нескольких резиносмесителей [15].

На резиновых заводах с большим ассортиментом резиновых смесей и большим числом ингредиентов, входящих в их состав, наиболее широкое распространение получили комбинированные полуавтоматические системы дозирования, с помощью которых наиболее распространенные ингредиенты (технический углерод, мел, каолин и некоторые другие), расходуемые в больших количествах (10 - 15 кг), взвешиваются автоматически непосредственно у смеси-теля, а компоненты, расходуемые в малых количествах, дозируются на централизованных участках. Причем подача к смесителям и загрузка компонентов могут быть не автоматизированы. Такие системы дозирования получили название полуавтоматических.

Ускорители вулканизации, вулканизующие агенты и другие ингредиенты, расходуемые в малом количестве или достаточно редко, обычно дозируют централизовано и упаковывают в полиэтиленовые пакеты; в одном пакете может находиться несколько навесок ингредиентов для одной резиновой смеси. Полиэтиленовые пакеты на участок смешения транспортируют на электрокарах. Иногда компоненты загружают в резиносмеситель вместе с полиэтиленовыми пакетами, при этом температура плавления полиэтилена не должна превышать 70 єС. Для смесей на основе каучуков СКН, СКФ, СКТ и некоторых других загрузка ингредиентов в полиэтиленовых пакетах недопустима, так как полиэтилен может ухудшить свойства резин на их основе [16].

При автоматическом дозировании наиболее широко используют дозаторы, принцип действия которых основан на порционном взвешивании (порционные автоматические весы имеют большую точность взвешивания 0,5 - 1,0 %) [2]. Агрегаты порционных автоматических весов состоят из расходного (питающего) бункера, дозирующего питателя, весового бункера с системой равно- или неравноплечих рычагов, приемного устройства, ручного и автоматического регулятора точности развески, счетчика, последовательно суммирующего приготовленные навески.

Автоматические весы выпускают различных конструкций и грузоподъемности для взвешивания порошкообразных, кусковых и жидких материалов. При выборе весов необходимо учитывать вид материала, его насыпную плотность, пределы взвешивания одной порции, объем весового бункера или бачка для жидких материалов, продолжительность взвешивания одной порции и допускаемую погрешность.

Используют также дозаторы, принцип действия которых основан на измерении объема дозируемого материала (емкости и мерники, снабженные четкими и удобными для наблюдения шкалами). Наиболее часто объемные дозаторы применяют для взвешивания жидких материалов. К ним относятся насосы-дозаторы плунжерного и других типов. Точность дозирования обычно невысока.

При непрерывных методах смешения используются питатели, подающие материалы с постоянной скоростью, что позволяет дозировать компоненты по времени [4].

1.3 Приготовление резиновых смесей (смешение)

Резиновая смесь является сложной вязкоупругой тиксотропной многокомпонентной системой, в состав которой входят каучуки и различные ингредиенты, равномерно распределенные в массе каучука. Для получения резиновых смесей ингредиенты смешивают до образования однородной массы с каучуком, являющимся жидкостью с высокой аномальной вязкостью [10].

В процессе смешения система с упорядоченным расположением ингредиентов превращается в систему с неупорядоченным, статистически случайным распределением.

Простое смешение рассматривается как процесс, в результате которого происходит только изменение первоначального распределения компонентов в объеме. При простом смешении энтропия системы возрастает; при этом физическое состояние компонентов не изменяется [17].

Большинство порошкообразных ингредиентов, особенно технический углерод, вводят в смесь в виде более или менее крупных агломератов, поэтому процесс смешения сопровождается диспергированием (измельчением) этих компонентов [18].

Процесс смешения включает несколько этапов:

- измельчение твердых компонентов;

- введение компонентов в каучук;

- распределение компонентов в объеме;

- диспергирование агломератов;

- смешение [2].

Механизм смешения компонентов можно рассматривать как деформацию многокомпонентной системы, в результате которой уменьшается толщина полос (слоев) смешиваемых материалов и увеличивается поверхность контакта между ними. Сдвиговые деформации в системе при смешении должны происходить до тех пор, пока толщина слоев станет достаточно малой и в предельном случае достигнет размера частиц диспергируемой фазы.

Диспергирование ингредиентов в полимере происходит в результате воздействия на частицы диспергируемой фазы напряжений сдвига, возникающих вследствие существования относительного движения в системе полимер-частица [19]. Увеличение напряжений сдвига всегда способствует интенсификации диспергирования. Для каждой системы существует свое критическое напряжение сдвига, ниже которого оно не происходит.

При недостаточном диспергировании могут ухудшиться свойства вулканизатов.

Для того чтобы получить вулканизаты с хорошими свойствами из резиновых смесей, имеющих низкую вязкость, когда напряжения сдвига незначительны, необходимо увеличить продолжительность смешения, т. е. деформацию сдвига [20].

Процесс смешения каучука с ингредиентами сопровождается рядом физико-химических и химических явлений, которые существенно влияют на состояние смеси и само смешение.

При смешении происходит диффузия и растворение некоторых компонентов в смеси, что приводит, с одной стороны, к более равномерному их распределению, а с другой (особенно при введении пластификаторов) - к существенному уменьшению вязкости, снижению напряжений сдвига и изменению других реологических характеристик смеси.

При смешении в результате действия возникающих напряжений сдвига происходят механохимические процессы: деструкция полимера, сопровождающаяся снижением его вязкости (пластикация), и активация взаимодействия полимера с наполнителем, сопровождающаяся увеличением вязкости [10].

Большой интерес представляют такие смешения, при которых энергия, сообщаемая компонентам, расходуется не только на диспергирование и гомогенизацию, но и на инициирование химических взаимодействий между компонентами. Для данного вида смешения предлагается использовать термин «активирующее смешение» [21].

Действие различных факторов, определяющих процесс смешения, часто оказывается взаимно противоположным, поэтому выбирать режим смешения следует в соответствии с применяемым оборудованием, учитывая состав резиновой смеси, требования, предъявляемые к качеству смеси, и экономические показатели процесса смешения.

1.3.1 Смешение на вальцах

Промышленная переработка резиновой смеси с помощью двухвалковых вальцов была начата более ста лет назад [10].

В настоящее время конструкции вальцов в основном остаются неизменными, отличия возможны только в разного рода модификациях и усовершенствованиях; оси валков параллельны, а расстояние между ними (зазор двухвалковых вальцов) можно регулировать с помощью винтов, передвигая опоры переднего валка [22].

Первоначально вальцы были двухскоростными и приводились в движение паровым двигателем; сейчас используется электродвигатель, а вальцы одну скорость. В некоторых отраслях для быстрого предварительного нагрева резиновой смеси используются частично или полностью рифленые задние валки.

В современной технологии для приготовления резиновых смесей вальцы используют ограниченно. Они находят применение на предприятиях с малым объемом производства, с большим ассортиментом изделий, для приготовления смесей на основе некоторых каучуков специального назначения (фторкаучуков, акрилатных каучуков и др.), а также для приготовления резиновых смесей с волокнистыми наполнителями [23].

Для получения резиновой смеси на вальцах каучук и другие ингредиенты загружают на валки, которые вращаются по направлению к зазору между ними. Слои каучука, соприкасающиеся с поверхностью валков, за счет сил адгезии и трения затягиваются в зазор между валками со скоростью, соответствующей окружной скорости валков. Каждый следующий слой каучука или резиновой смеси, соприкасающийся с предыдущим слоем, за счет когезионных сил также увлекается в зазор вальцов, но со скоростью, постепенно уменьшающейся по мере удаления этого слоя от поверхности валков [8].

Чем меньше зазор между валками, тем больше деформация сдвига [10].

В результате внутреннего трения в зоне наибольшей деформации сдвига существенно повышается температура резиновой смеси. После выхода из зоны деформации температура смеси снижается за счет теплоотдачи в окружающую среду и охлаждения валков водой, причем при очень большой фрикции и малом зазоре перепад температур может составлять более 30 єС [8].

Изменяя температуру, можно улучшить обработку смесей на вальцах. Так, в случае отрыва малонаполненной смеси от поверхности переднего валка вследствие недостаточной высокоэластической деформации необходимо понизить температуру обработки, а при отрыве сильнонаполненной смеси, когда уменьшение высокоэластической составляющей определяется заторможенностью релакса-ционных процессов, наоборот, повысить ее.

При смешении на вальцах ингредиенты внедряются в слой вращающегося запаса смеси, прилегающего к заднему валку вальцов, и поэтому концентрация ингредиентов всегда больше в поверхностном слое смеси, находящейся на переднем валке.

Режим смешения и оптимальный объем единовременной загрузки устанавливают в зависимости от состава смеси, свойств и физического состояния загружаемых материалов.

Температуру смеси при смешении на вальцах устанавливают в зависимости от свойств смеси; она не должна превышать температуру, при которой происходит активация вулканизующей группы.

Температуру заднего валка целесообразно поддерживать не выше 70 - 75 єС, а переднего не выше 45 - 55 єС [2]. Температуру смеси и рабочих поверхностей валков контролируют чаще всего игольчатой и лучковой термопарами.

Очень часто каучуки и регенерат загружают на вальцы при малом зазоре между валками, который затем увеличивают.

Для повышения эффективности смешения необходимо:

- более равномерно распределять загружаемые сыпучие и жидкие ингредиенты по всей длине переднего валка;

- производить более частую подрезку смеси после введения всех ингредиентов и перевертывание полотна смеси на другую сторону (смеси можно подрезать механическими ножами);

- пропускать полотно смеси через дополнительный валик для воздушного охлаждения;

- загружать ингредиенты, вводимые в небольших количествах, в виде паст, или так называемых композиций, которые более равномерно распределяются по всей массе смеси [7].

1.3.2 Смешение в закрытых резиносмесителях

По принципу действия резиносмесители подразделяются на смесители периодического действия и смесители непрерывного действия. В настоящее время широко применяют роторные закрытые смесители периодического действия, имеющие большую производительность и обеспечивающие получение смесей высокого качества благодаря механизации и автоматизации процесса. Роторные смесители безопасны в работе, кроме того, при их использовании становится возможным создание хороших санитарно-гигиенических условий труда [3].

Закрытые смесители бывают двух видов. Первый ? смеситель «Бенбери», который имеет фрикцию между роторами 1:1,11. Роторы не связаны между собой, и смешение выполняется между ротором и стенкой камеры. Другой вид ? смеситель «Интермикс», в котором роторы вращаются с одинаковой скоростью, а фрикция возникает благодаря лопастям, которыми они оснащены. Смешение происходит между роторами, так как когда роторы сцеплены, материалу трудно проходить между ними. Пластикация каучука при этом лучше, вязкость ниже, а диспергирование лучше, чем в смесителе «Бенбери». Это идеальный смеситель для смесей с большим количеством наполнителя и невысоким содержанием масла, но его производительность невелика. В смесителях с несцепленными роторами материалы легко проходят через роторы, поэтому их производительность значительно выше [8].

1.3.2.1 Фирма «Фаррел» (Англия). Конструкция смесителя «Бенбери» представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 ? Конструкция смесителя «Бенбери»

Смеситель «Бенбери» используется по всему миру для производства таких товаров, как автомобильные шины и трубки, резинотехнические изделия, изолированные провода, половые покрытия и специальные компаунды.

В Соединенных Штатах и других странах смеситель «Бенбери» защищен патентами, охватывающими как основные принципы его работы, так и специальные технические характеристики и изобретения. Среди них роторы ST, обучаемая система управления и равноскоростное выравнивание роторов.

Мгновенно реагирующая система управления минимизирует изменчивость характеристик технологических партий, путем отслеживания скорости изменения параметров управления миксера. Эта информация используется системой параметров и достижения предварительно установленных значений.

Роторы ST ? это оптимальная равномерность, производительность и качество. Исследования показывают, что роторы ST улучшают дисперсионное и экстенсивное смешивание при сокращении времени смешивания, что ведет к улучшению качества продукции. Отличительной особенностью роторов ST являются терморегулируемые лопасти. Благодаря терморегуляции, улучшается поток технологического материала на лопасти ротора, что способствует интенсивности смешивания и уменьшает нагревание. Более эффективное распределение тепла зачастую позволяет выполнить двухступенчатый процесс смешивания.

Работы по созданию роторов серии ST начались в компании «Фаррел» в середине 80-х годов. Их усовершенствование продолжается до сих пор, в результате чего эти роторы имеют сегодня четырехлопастную терморегулируемую конструкцию. Наряду со строгим контролем качества, в производстве тангенциальных роторов ST применяется точное литьё и новые технологии механообработки.

Улучшение эксплуатационных характеристик и производительности двух- и четырехлопастных роторов достигается посредством синхронной частоты вращения и надлежащего уравновешивания. Эти усовершенствования явились результатом упорядочивания токов в смесительной камере, благодаря их повторяемости и прогнозируемости.

Подача материала на лопасть ротора выполняется эффективнее, за меньшее время и при меньшем энергопотреблении. Для специальных этапов смешивания, как например, приготовление маточной смеси, повторное вальцевание и завершение смешивания, возможно выполнение углового выравнивания роторов.

Благодаря контролю и ведению записи положения поршня в процессе цикла перемешивания, обеспечивается оптимальное качество продукта и производительность. Система контроля положения поршня также оповещает пользователя о несоответствиях характеристик исходного материала, ошибке оператора, изменениях производительности, а также в качестве мер по устранению этих неисправностей предлагает варианты изменения рабочих параметров смесителя «Бенбери». Например, скорости вращения ротора и давления поршня.

Конструкция взаимозацепляющихся роторов NR5 предусматривает широкий диапазон их применения. Они идеально подходят для работы с самыми современными термочувствительными эластомерными композициями. Роторы сделаны из литой стали повышенного сопротивления, что снижает деформацию ротора и вала.

Роторы NR5 состоят из двух спиралей на ротор, причем одна спираль срезана с тем, чтобы обеспечить сцепление с другим ротором: результирующий профиль представляет собой набор точно пригнанных уникальных выступов и клиньев. Равномерное распределение и дисперсионное смешивание компонентов технологической массы посредством сдвига и растяжения осуществляется в зоне между роторами: при снижении вязкости материал перемещается в ускорительное пространство между клиньями и стенками камеры для полной дисперсии. Благодаря форме роторов NR5, обеспечивается принудительная циркуляция материала и однородность массы. Без потери качества смешивания материалов достигается увеличение веса партии и коэффициентов заполнения. Эффективность смешивания не зависит от коэффициента заполнения.

Роторный узел монтируется на сферических подшипниках качения. Торцы ротора герметизированы пылезащитными сальниками. Давление, создаваемое внутри камеры, увеличивает герметизирующий эффект. Технологическое и смазочное масло подается непосредственно в сальник и вокруг него. По желанию заказчика роторы могут укомплектовываться гидравлическим пылезащитным уплотнением.

Характерной особенностью роторов NR5 являются лабиринтовые водоводы для высокоскоростной циркуляции воды с отверстиями через зоны всех клиньев, благодаря чему исключается опасность образования любых очагов тепла. Это позволяет поддерживать равномерное интенсивное охлаждение всех поверхностей роторов. Эта способность выводить тепло делает возможным более энергоемкое смешивание.

Смесители «Интермикс» оснащены термоэлектрическими зондами (термопарами) с автоматической стабилизацией температуры, экспериментально расположенными в зоне максимального сближения роторов, где всегда имеется материал в надлежащим образом заполненной камере. Для компенсации охлаждающего действия концевых пластин камеры термопара нагревает пространство непосредственно вокруг себя. Точность измерения находится в пределах 5 єС от мягких компаундов до компаундов средней твердости. Весь узел термопар расположен внутри заглушки для облегчения технического обслуживания и продолжительности срока службы. Его конструкция подразумевает простую регулировку до уровня предыдущего поколения смесителей.

В стенках смесительной камеры и обеих концевых пластинах имеются отверстия для водоводов охлаждения, в результате чего на всех соприкасающихся с композитным материалом поверхностях тепло рассеивается. Благодаря этому опасность точечного перегрева и преждевременной выгрузки партии фактически исключена.

Конструкция смесителей «Интермикс» полностью модульная, что обеспечивает быстрый доступ к рабочим компонентам, облегчает модернизацию и замену деталей.

Для минимизации времени простоя отверстия подачи и выгрузки продукта у смесителей «Интермикс» больше, чем обычно. Большой размер отверстия подачи материала позволяет осуществлять быструю загрузку всех типов материалов: широких листов или большого количества сыпучих материалов. Большое отверстие разгрузочного люка ускоряет выгрузку в листовой форме, что способствует уменьшению проблем с подачей в последующее оборудование технологической линии.

Рабочие компоненты выполнены из высокопрочных материалов, что ведет к увеличению срока службы, снижению случаев выхода компонентов из строя и частоты проведения технического обслуживания. Свойства прочного покрытия роторов NR5 и камеры, позволяют обрабатывать высокоабразивные материалы при сохранении продолжительного срока службы смесителя.

Смесители серии Mark 5 оснащены гидравлическим поршнем, вместо пневматического верхнего цилиндра, как это было у миксеров предыдущего поколения. С помощью гидравлической системы фаза подачи повторяется от партии к партии, а также осуществляется контроль давления во время фазы засасывания. Аккумуляторы обеспечивают «плавающее» состояние, когда это необходимо. У гидравлического бункера имеется несколько преимуществ перед пневматическим верхним цилиндром. Благодаря мгновенному повышению давления до рабочего, а также тому, что гидравлическое рабочее давление стабильно и не меняется при изменении нагрузок системы подачи воздуха, возможно создание постоянных условий эксплуатации и точное положение поршня в течение всего цикла смешивания. При использовании гидравлического бункера исключаются задержки между циклами, что в свою очередь увеличивает общую производительность смесителя.

Два гидравлических клина вдавливают охлаждаемый поливом разгрузочный люк смесителя «Интермикс» точно в уплотнительную зону концевых пластин камеры. Регулируемые уплотнительные гребни обеспечивают уплотнение люка относительно стенок камеры. Чтобы такое уплотнение было возможным, в петли люка монтируются на шарниры с дополнительными зазорами. Таким образом, полностью исключается утечка даже тонкомолотых порошков и загрязнение.

Для удовлетворения требований к крутящему моменту для специфических областей использования смесители могут укомплектоваться мощными одно-, двухскоростными двигателями (или с переменной скоростью вращения) и зубчатыми редукторами.

Однородность достигается путем смешивания всех или большинства ингредиентов в несколько стадий. Благодаря производительности смесителей «Интермикс» возможно уменьшение количества стадий смешения.

Управление всеми функциями смешивания, взвешивания и подачи ингредиентов осуществляется с помощью микропроцессора. Благодаря такому типу циклического, быстрого и точного управления достигается оптимальная однородность компаундов.

Однородность от партии к партии, контролируемая по заданным параметрам общего энергопотребления, времени и температуры, является идеальной для составления компаундов высочайшего качества. Это позволяет добиться максимальных результатов в процессе экструзии, формования или каландрирования. Управление возможно по разомкнутому циклу, когда для работы смесителя требуются условия, налагаемые извне, или по замкнутому циклу, когда касательно температуры работа смесителя варьируется автоматически в соответствии с измеренными условиями.

Изменения состояния исходных материалов при увеличении периодов времени между смешиванием соответствующего компаунда приведут к разнице стандартов дисперсии. Даже в этом случае, благодаря памяти последовательности технологических операций, удается соблюсти жесткие допуски вязкости смесей. Эту последовательность можно регулировать в соответствии с дисперсионными условиями посредством переключения скорости вращения роторов миксера, что позволит достичь необходимой мощности и температуры нагнетания за оптимальное время цикла смешивания. Возможно использование различных типов систем управления. Благодаря возможности терморегуляции с помощью смесителей «Интермикс» можно создавать компаунды высочайшего качества независимо от выбранного типа системы управления.

Для выполнения простейших операций смесителя сконфигурирована стандартная полуавтоматическая система с аналоговыми устройствами считывания информации. Панель управления и консоль можно расположить в соответствии с требованиями оператора.

Выполнение смешивания в автоматическом режиме в соответствии с сохраненными и загруженными параметрами смешивания выполняется с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК) базовой системы управления. Он управляет технологическим процессом в соответствии с предварительно установленной циклической последовательностью действий. Ключевые изменения технологического процесса записываются и используются для регулировки технологического процесса, чтобы обеспечить требуемое качество продукта в условиях меняющихся условий обработки. Данные также загружаются в систему для сбора информации и управления партиями смесей.