Понятие резиновой смеси, рецепта смеси и процесса смешивания. Краткая характеристика смесителей периодического и непрерывного действия.

Резиновая смесь как основной полуфабрикат для шин представляет собой сложную композицию, состоящую из полимерной основы и большого числа ингредиентов (до 20 и более) - компонентов вулканизующей группы, наполнителей, пластификаторов и других добавок. Поэтому и шины на основе резиновых смесей называют композиционными, в отличие от литых шин из полиуретанов. Перечень всех ингредиентов в мас ч на 100 мас.ч. каучуков называют рецептом резиновой смеси, но можно представить рецепт также в массовых (мас%) и объемных (об%) процентах. Для расчёта рецепта смеси в мас% произведение мас.ч. каждого компонента на 100 делят на сумму мас.ч. всех компонентов. Для расчета рецепта смеси в об% долю каждого компонента в мас ч делят на его плотность. Рабочий рецепт смеси можно выразить также в кг на загрузку в технологическое оборудование, на котором её изготавливают.

Приготовление резиновой смеси - сложный механохимический процесс, в котором механическое диспергирование, гомогенизация и смешение компонентов сопровождаются химическими реакциями и тепловыми явлениями. Процесс смешения сопровождается изменением структуры макромолекул каучуков и реакциями прививки их к поверхности техуглерода с образованием нерастворимого углеродо-каучукового геля, на него влияют химические свойства, физическое состояние и содержание каждого компонента. «Полезное» физико-химическое превращение (высокая степень диспергирования техуглерода) сопровождается «вредными» процессами деструкции и сшивания макромолекул, нарушения регулярности их структуры и накопления газообразных продуктов реакции, которые необходимо контролировать. Если при простом смешении статистический беспорядок в распределении частиц увеличивается без уменьшения их размеров, то при диспергирующем смешении уменьшаются и размеры частиц до коллоидного уровня. В результате этого достигается статистическое распределение частиц каждого ингредиента по всему объему смеси, выражающееся в том, что соотношение ингредиентов в каждом элементе объёма смеси становится практически одинаковым.

Закрытые смесители периодического действия являются наиболее массовым видом смесительного оборудования и по сравнению с вальцами более производительны и безопасны в работе, легче поддаются автоматизации и позволяют на 15-20% экономить электроэнергию. Смешение осуществляется в закрытой камере при механическом воздействии на материалы двух горизонтально расположенных роторов, занимающих около 60% объёма камеры и вращающихся навстречу друг другу с разной скоростью. Особенности конструкции смесителей разных типов определяются в основном роторами, которые по форме могут быть овальные (Бенбери), трех- или четырехгранные (Вернер-Пфляйдерер) и кулачковые взаимозацепляющиеся (Интермикс). При работе смесителей развивается высокая температура, которую снижают водой. В обозначении отечественных смесителей указывают свободный объём камеры (полный объём камеры за вычетом объёма, занимаемого роторами) и частоту вращения заднего ротора. Эффективность работы смесителя зависит от объёма компонентов смеси. Стремятся к тому, чтобы к концу цикла объём заполнения камеры достигал 60-80% свободного объёма, что определяют экспериментально с учётом состава смеси и степени амортизации смесителя. С увеличением зазора между гребнем лопасти ротора и стенкой камеры вследствие износа смесителя несколько увеличивают объем заполнения его камеры. Свободное пространство в камере необходимо для смешения компонентов, но при недостаточной её загрузке чрезмерно уменьшается давление, что удлиняет цикл из-за проскальзывания смеси. При перегрузке камеры снижается однородность смеси, так как часть ингредиентов длительное время оказывается в горловине загрузочной воронки и не участвует в смешении. Продолжительность смешения растёт при увеличении содержания техуглерода, а одновременная загрузка техуглерода и мягчителей ухудшает его распределение в резиновой смеси. С повышением давления верхнего затвора на смесь увеличивается трение, что повышает температуру и уменьшает продолжительность смешения. При повышении скорости вращения роторов усиливается перемешивание смеси и повышается интенсивность процесса, что сокращает продолжительность цикла.

Смесители непрерывного действия облегчают создание непрерывных потоков переработки резиновых смесей, позволяют улучшать культуру труда и уменьшать производственные площади, а в их рабочей камере по характеру воздействия вращающегосяся ротора (шнека) на смесь выделяют три зоны:

· в зоне загрузки смесительные органы имеют винтовую нарезку для равномерности захвата, уплотнения и подачи материалов в зону смешения;

· в зоне смешения находятся перемешивающие элементы конструкции, обеспечивающие максимальный смесительно-диспергирующий эффект;

· в зоне выгрузки снижаются механические воздействия, и развившееся давление уплотняет и выталкивает смесь через разгрузочное отверстие. Выделяющееся тепло во второй и третьей зонах интенсивно отбирают большие поверхности охлаждения, что в сочетании с высокими напряжениями и скоростями сдвига способствует эффективному перемешиванию материалов. Роторные смесители непрерывного действия ФКМ фирмы «Фаррел» (США) имеют два ротора с червячной нарезкой в зоне загрузки и фасонными лопастями, подобными роторам смесителя «Бенбери». Материалы уплотняются, смачиваются и диспергируются при воздействии сдвига между гребнями роторов и стенкой камеры и продольного возвратно-поступательного среза. Усреднение и гомогенизация достигаются трамбовкой, перелопачиванием и перебросом смеси из камеры в камеру под действием разности скоростей вращения роторов. Одночервячные смесители непрерывного действия «Трансфермикс» наиболее распространены и имеют червяк с переменной глубиной нарезки витков, расположенный в конической полости корпуса, которая имеет винтовую нарезку и сужается к выходу (рис.2.26). Материал послойно переходит из межвитковых каналов червяка в каналы корпуса и обратно по сложной траектории, но по интенсивности смешения они уступают ФКМ. Отечественный смеситель РСНД-530/660-1 с червяком диаметром 660 мм в загрузочной и 530 мм в разгрузочной зоне и шестью зонами регулирования температуры от 20 до 140 ^о С работает совместно со смесителем периодического действия, а смесь из него выходит в виде гранул или листов.

Технологические схемы приготовления резиновых смесей на современных заводах. Понятие об основных и дорабатывающих смесителях. Охлаждение и транспортирование гранул маточных смесей.

Технологические схемы приготовления резиновых смесейна современных шинных заводах предусматривают одну, две и три стадии на оборудовании большой единичной мощности. Первую стадию изготовления маточных смесей и пластикацию НК осуществляют в резиносмесителях РС-650 с объёмом камеры 0, 63 м ³ и плавным регулированием частоты вращения роторов от 15 до 50 об/мин. Дорабатывают смеси в шнековых экструдерах с диаметром шнека 530/660 мм, оборудованных гранулирующей или валковой головками. Вторую и третью стадии проводят в таких же смесителях и экструдерах или в смесителях РС-250-30 с подачей на вальцы диаметром 665 мм и длиной валков 2100 мм, используемые и для одностадийного смешения. Технологическая схема включает ряд поточно-автоматических линий развески ингредиентов и изготовления резиновых смесей, автоматизированные склады из вращающихся барабанов для хранения гранул маточных смесей, высотные склады со штабелерами и системы управления смешением и складскими операциями (рис.2.27). В состав линий входят смесители с объёмом камеры 0, 33-0, 37 м ³ и 0, 62-0, 65 м ³. Путём регулирования частоты вращения роторов обеспечивают условия для улучшения диспергирования техуглерода и сокращения продолжительности смешения. Линия 1 используется для приготовления маточных и готовых камерных резиновых смесей, в том числе и на основе БК, а линии 2-7 – для маточных и готовых смесей массового ассортимента, из них линия 5 является универсальной для приготовления смесей любой стадии. Высокопроизводительное смесительное оборудование на отечественных заводах разнообразно (табл.2.14), а в проспектах зарубежных фирм предлагают смесители периодического действия с объёмом камеры 0, 33 м ³, 0, 37 м ³, 0, 62 м ³, 0, 63 м ³, 0, 65 м ³ и 0, 87 м ³. Использование дорогостоящего оборудования большой единичной мощности целесообразно только в условиях крупнотоннажного производства при его непрерывной и стабильной работе без частой смены рецептов. Эффект от его применения достигает 6-7% по сравнению с серийным оборудованием, несмотря на более высокую себестоимость смесей.

Дорабатывающее оборудование непрерывного действия – экструдеры с гранулирующей или стрейнирующей головкой, червячные смесители «Трансфермикс» и агрегаты из трёх вальцев. На линиях первой стадии смесей с продолжительностью цикла 3 мин ставят экструдер с гранулирующей головкой, а более сложный и дорогой из червячных машин - «Трансфермикс» (табл.2.15). Приводы этих машин имеют плавную регулировку скорости вращения шнека от количества материала в загрузочной воронке, снабжённой тремя указателями уровня, а система терморегулирования поддерживает заданную температуру поверхностей шнека, корпуса и головки. Из-за высокой температуры смесители «Трансфермикс R-21» не применяют в линиях производства готовых смесей. Маточные же смеси из каучуков повышенной жёсткости (протекторная или брекерная смесь для легковых радиальных шин) на линии с червячным смесителем при более высокой её производительности имеют на 8% выше качество и на 4% стабильнее свойства, чем на линиях с экструдером. Последовательность введения компонентов в камеру резиносмесителя 23 по режимографу ЭВМ обеспечивается скоординированной работой загрузочных транспортёров 32, 28, 27, 10, загрузочных ёмкостей 16 и насосов 6 (рис.2.28). Полимерная основа подаётся первой, затем техуглерод и остальные ингредиенты, а жидкие мягчители через инжектор впрыскиваются шестерёнчатым насосом при закрытом верхнем затворе. Каучуки доставляются от централизованного участка резки кусками разного размера в контейнерах 29 на питающие транспортёры 30 для взвешивания, а мелкие куски укладывают около весов 31, которые обслуживает оператор, набирая точные навески и укладывая их на загрузочный транспортёр 32. Светлые ингредиенты взвешиваются на автоматических весах 9, 22, 26 и с помощью соответствующих устройств загружаются в камеру смесителя. Техуглерод из расходных бункеров 12 дозаторами 13 подаётся на автоматические весы 14, 15 и далее через ёмкость 16 - в загрузочную воронку смесителя с отсосом пыли, которую используют потом в менее ответственных изделиях. Химикаты, упакованные в мешочки на участке централизованной развески и доставленные с помощью ПТК, подаются с загрузочного транспортёра 28 прямо в загрузочную воронку резиносмесителя, чтобы предотвратить потери. Легкоплавкие и жидкие мягчители из обогреваемых трубопроводов 1 после взвешивания на автоматических весах 3, 4 подаются в сборную ёмкость 5 для впрыскивания насосами-дозаторами 6 в рабочую камеру смесителя. По окончании цикла через откидную дверку нижнего затвора смесь поступает в загрузочную воронку экструдера-гранулятора 33 и выходит в виде цилиндриков диаметром 15 мм и длиной 20-25 мм с насыпной плотностью 585 кг/м ³. После обработки на установке 34 антиадгезивами гранулы подаются транспортёром 35 на установки 36 для охлаждения и сушки и по материалопроводу 37 пневмотранспорта - на склад для охлаждения во вращающихся барабанах.

Установка для охлаждения и сушки гранул является устройством непрерывного действия в режиме, при котором одновременно в один барабан поступают гранулы только что приготовленной смеси, а в другом барабане охлаждаются и выгружаются гранулы предыдущей партии. В загрузочный бункер 1 и далее через трубу заполнения 2 во входной корпус 3 поступают гранулы с температурой 130-140 ^о С, откуда с помощью втяжных лопастей 4 попадают в цилиндрический корпус 5, ось которого наклонена к горизонтали под углом 2, 5 ^о (рис.2.29). Ленточные спирали 6, подъёмные лопасти 7 и тормозные кольца с секторными заслонками 8 на внутренней поверхности барабанаспособствуют перемещению гранул под действием силы тяжести к разгрузочному бункеру. Барабан в специальных кольцах 13 приводится во вращение через приводную шестерню 12 и зубчатый венец 11 от электродвигателя 10. Сушка и охлаждение гранул происходят во встречном потоке воздуха. В режиме загрузки барабан вращается по часовой стрелке, а движение гранул к выходу тормозится ленточной спиралью, тормозными кольцами и противотоком воздуха, что обеспечивает требуемую интенсивность их сушки, охлаждения и перемешивания. В режиме разгрузки барабан вращается против часовой стрелки, и скорость выхода гранул через разгрузочный бункер 9 повышается силой тяжести потока и усилием ленточной спирали. В барабанах гранулы разных партий усредняются, что позволило при применении барабанов большой ёмкости повысить на 15-20% стабильность и качество готовых смесей. На ПО «Нижнекамскшина» гранулы маточных смесей из вращающихся барабанов 7 засасываются системой пневмотранспорта производительностью 7 т/ч через роторные питатели 8 и подаются через промежуточный склад или напрямую к резиносмесителю второй стадии смешения (рис.2.30). На складе из осадителя 9 гранулы реверсивным транспортёром 12 раздаются по складским вращающимся ёмкостям 13, а на вторую стадию подаются в материалопровод через загрузочное устройство 15 и переключатели трубопроводов 16.

Требования к качеству протекторных лент и оборудование для их профилирования. Устройство и достоинства штифтовых экструдеров, головок червячных машин, агрегатов из двух и трех машин.

Высокое качество шин в значительной степени обеспечивается соблюдением требований к качеству протекторной ленты, а главное из них - точно и стабильно воспроизводить её геометрические размеры в соответствии со спецификацией (прецизионность заготовок). Не менее важна однородность поперечного сечения ленты по массе, обеспечивающая на последующих переделах стабильность и однородность усадки. Необходимы также высокое качество поверхности заготовок (монолитная, гладкая, ровная, без надрывов по кромке) и отсутствие в их массиве кусочков подвулканизованной смеси. Профилирование заготовок со стабильными геометрическими размерами и качеством поверхности для шин современных конструкций не обеспечивается червячными машинами теплого питания. Агрегатами разогревательных и питательных вальцев для них не обеспечивается требуемая гомогенизация резиновых смесей по массе и температуре, что приводит к неоднородности усадки профильных заготовок. Вальцы не справляются также с переработкой смесей повышенной жёсткости (перегрев на валках и «шубление») и с высокими адгезионными свойствами (залипание и переход на задний нерабочий валок), являются травмоопасным оборудованием и требуют тяжелого физического труда. С расширением производства грузовых ЦМК-шин современных конструкций повышаются требования к качеству профилированных заготовок и к уровню автоматизации технологического процесса их профилирования.

Перспективное оборудование для профилирования протекторных лент – червячные машины холодного питания (МЧХ), позволяющие отказаться от подогревательных вальцов, что облегчает автоматизацию процесса питания и обеспечивает постоянство теплового режима и геометрических размеров ленты. В первую очередь необходимы МЧХ штифтового типа и с валковыми головками, которые обеспечивают повышение производительности автоматизированных линий в 1, 2-2 раза с одновременным улучшением качества ленты. МЧХ штифтового типа снабжают цилиндром, в котором радиально размещены штифты, доходящие до сердечника червяка. Как правило, в ряд радиально расположено 6-8 штифтов, а количество рядов вдоль цилиндра варьируется от 6 до 12 в зависимости от области применения экструдера. Штифты многократно разбивают поток резиновой смеси, повышая эффективность её гомогенизации по массе и температуре, и усиливают её сцепление со стенками цилиндра, повышая этим пропускную способность.

Профиль протекторной ленты формуется в головке, выходное отверстие которой имеет форму щели (рис.2.34). Окончательная конфигурация поперечного сечения ленты формируется с помощью сменной профильной планки 2, которая прижимается к корпусу головки 1 посредством планки и конусной зажимной гребенки 3 (а). В головке идут процессы перераспределения потока резиновой смеси в направлении придания ему формы, соответствующей сечению профилируемой ленты. Головки современных машин делают разъёмными в виде двух полуматриц, шарнирно закрепленных на корпусе машины, которые могут перемещаться в вертикальном направлении с помощью гидроцилиндров низкого давления 4. Смена профилирующих планок в разъёмных головках значительно упрощается и не требует много времени. При выпуске протекторной ленты с одной червячной машины во внутреннюю полость головки могут вставляться вкладыши и распределители, позволяющие изменять её объем и конфигурацию. Оптимальная геометрия литниковых каналов для различных профилей достигается применением оформляющих вставок, позволяющих сократить время нахождения смеси в головке и снизить температуру экструзии. В таких головках смесь течёт по оптимальному пути при меньшем противодавлении её движению, что увеличивает производительность червячной машины. Изготовление протекторных лент из двух различных резин возможно одновременной работой двух агрегированных МЧХ – дуплексов (б) на одну головку. Для профилей повышенной прецизионности разработаны головки со сложной конфигурацией внутренней поверхности и дополнительным элементом - планкой предварительного формования, повышающей плавность перехода из формовой зоны в профильное отверстие. Планка окончательного формования придаёт профилю конечную форму, и на её поверхности со стороны планки предварительного формования имеются специальные выемки, образующие камеру смешения, в которой происходит встреча двух потоков резин, их дублирование и формование стыка. Совмещенные заготовки поступают в зазор, образованный планкой окончательного формования и опорной планкой, в котором и происходит окончательное формирование профиля.

На шинных заводах освоены специализированные линии для выпуска прецизионных профилей для шин перспективных конструкций, в том числе:

· –агрегаты сдвоенных МЧХ со штифтованными цилиндрами АМЧХ-200/125, АМЧХ-200/160 и АМЧХ-250/160 профилирования протекторных лент для легковых и грузовых радиальных шин в составе автоматизированных линий;

· –агрегат сдвоенных машин со щелевой головкой для сдублированных заготовок гермослоя и технологической прослойки грузовых ЦМК-шин;

· –МЧХ с валковой головкой к установке для навивки протектора узкой шприцованной лентой;

· одиночные МЧХ для всего диапазона типоразмеров пневматических шин.

Конструкции головок агрегатов 2-червячных, 3-червячных и 4-червячных машин позволяют выпускать профильные детали из различных резин

Установка двух МЧХ с общей головкой (рис.2.36) по одному варианту (а) - в вертикальной плоскости: одной нижней машины на фундаменте, а второй под углом к ней на эстакаде. По другому варианту (б) две МЧХ устанавливают в горизонтальной плоскости одна напротив другой или под определённым углом друг к другу, а У-образную головку закрепляют между ними. Оба варианта головок позволяют выпускать ленты в один и в два ручья, но в головке второго типа два потока смесей выходят вниз через предформующие полости к профильной планке, где совмещаются, дублируются и профилируются. В головке первого типа траектория потоков значительно проще. Профильная оснастка крепится к головке с помощью клиновидной планки, которая приводится в действие посредством гидроцилиндра. Совмещение двух потоков осуществляется или в планке предварительного формования, или в планке окончательного формования. Такая головка обеспечивает лучшее распределение и совмещение потоков смесей и отличается удобством обслуживания.

Для выпуска многослойных протекторных лент грузовых шин из резиновых смесей различного состава на одну общую головку разработаны варианты агрегирования трёх (триплексы) и четырёх (квадруплексы) червячных машин в вертикальной плоскости.

Агрегаты для выпуска протекторных лент на современных шинных заводах - это поточно-автоматические линии, в которых объединены питатели, червячные машины холодного питания, отборочные, весовые и приёмные транспортёры. Ряд зарубежных фирм применяет питатели подачи смеси в МЧХ одновременно с 2-4 поддонов, что усредняет её свойства и снижает колебания размеров заготовок. В агрегаты включают также шероховальное и промазочное устройство, усадочный рольганг, тензометрические весы и дисковый нож для резки ленты на заготовки, которые после измерения их массы на штучных весах укладывают на тележки-книжки. Общие встроенные головки для триплексов и квадруплексов являются сочетанием прямоточной и угловых головок в вертикальной плоскости (рис.2.38). Соединение потоков смесей разного состава происходит в них так же в планках предварительного и окончательного формования. При переходе на новый профиль они заменяются, а при более сложных изменениях конфигурации внутренней полости головки используются сменные вставки. В агрегат «Триплекс» входят три штифтовых экструдера холодного питания друг над другом с диаметрами шнеков 200, 150 и 120 мм соответственно и общей экструзионной головкой, которые включаются в зависимости от сложности профилируемой детали покрышки. В агрегате «Триплекс» может быть запущен любой из трёх один экструдер, а могут - одновременно два или три экструдера. Один экструдер включается для профилирования простой протекторной ленты (с диаметром шнека 200 мм) или дополнительных деталей (с диаметром шнека 150 мм), а два экструдера – единой детали боковины и бортовой ленты. Три экструдера включают для выпуска трехслойных протекторных заготовок с подканавочным слоем, который накладывается при прохождении профилированной ленты через двухвалковый каландр, питающийся разогретой резиновой смесью от дополнительного экструдера с диаметром шнека 90 мм. После этого профилированная лента проходит через тензометрические весы для непрерывного контроля массы, подаётся в четырёхярусную ванну для охлаждения и усадки, после чего обдувается и высушивается с помощью пяти воздушных шаберов. Высушенная лента подаётся на транспортёр резательной машины для поперечного раскроя дисковым ножом на заготовки заданных значений длины и угла резания, которые после удаления воды поступают на штучные весы для измерения массы. Весы информируют световым индикатором о прохождении Одночервячные МЧХ штифтового типа с валковыми головками, состоящими из нижнего и верхнего профилирующего валков и ролика отбора ленты, - перспективное направление профилирования листовых резиновых заготовок шириной до 1000 мм (рис.2.39). Экструдер для профилирования герметизирующего слоя легковых и грузовых шин или резиновых прослоек на каркас и брекер имеет широкощелевую головку, в которой резиновая смесь перераспределяется по ширине и передаётся в форме полосы толщиной 20 мм в зазор между валками для формования до заданного калибра (а). Автоматически поддерживаются геометрические размеры заготовки, согласовываются производительности червячной машины и валковой головки, а для удобства чистки отводятся валки или машина. На Ярославском шинном заводе работает линия выпуска гермослоя толщиной до 5-6 мм на экструдере с двухвалковой головкой, у которой скорлупу профилирующего валка можно менять. Для выпуска протекторных и других заготовок толщиной до 40 мм применяют двухвалковую головку с верхним профильным валком или одновалковую, в которой заданная конфигурация заготовок образуется за счёт профильной планки в верхней части головки. Валок является нижней частью головки и может перемещаться в вертикальном направлении с помощью гидроцилиндров, что позволяет регулировать зазор между ним и планкой при настройке калибра. МЧХ с двухвалковыми головками применяются также в установках навивки протектора узкой шприцованной лентой (б). МЧХ с валковой головкой оборудуются автоматическими системами управления электроприводом, регулирования температурного режима по зонам цилиндра, червяка и валков головки, а также регулирования ширины ленты. Валковые головки благодаря низкому давлению в них позволяют профилировать из высоковязких резиновых смесей наполнительные шнуры для бортов покрышки или детали брекера и бортовых лент, а при смене профиля верхний валок легко заменяют валком нужной конфигурации. Профилирование наполнительных шнуров, надбрекерных лент, бортовых лент, износостойких лент на кромки боковин, и др. осуществляют на машинах МЧХ-125 и МЧХ-150 (табл.2.16), снабжённых набором профильных шайб для установки в головке. Профилированные ленты и шнуры из головки шприцмашины поступают в охладительную ванну длиной 7, 5 м и по выходе из неё обдуваются сжатым воздухом для удаления влаги и подаются на отборочный транспортёр, где разрезаются на заготовки определённой длины. На некоторых агрегатах профилированные ленты сразу поступают на отборочный транспортёр и резку, а заготовки укладываются в стеллажи-тележки или закатываются с прокладкой на специальные катушки. МЧХ с валковыми головками для питания каландров, особенно в составе кордных линий (табл.2.17), повышают производительность процесса при одновременном снижении энергозатрат и трудоёмкости и значительном сокращении производственных площадей под оборудование.