1.4. Резиносмесители.

1.4.1. Назначение и классификация.

— РС – основной вид оборудования для приготовления резиновых смесей и пластикации каучуков.

— РС представляет собой замкнутую камеру с вращающимися друг другу навстречу роторами (валками фигурного профиля) или машину червячного типа., в которую подаются в определенной последовательности все ингредиенты.

— Преимущества РС (по сравнению с вальцами): герметизация (меньше потери и пыль), лучше перемешивание, больше производительность, меньше время смешения, безопасность работы, легко агрегируется с машинами для доработки резиновой смеси, процесс может быть автоматизирован.

— Недостатки РС: высокая температура на выходе, до 140^оС (на вальцах 80-100), трудно отводить тепло, поэтому большой расход охлаждающей воды.

— Классификация: РС периодического и непрерывного действия.

— Классификация РС периодического действия.

— По свободному объему камеры смешения (объем камеры за вычетом объема, занимаемого роторами) – эта величина характеризует производительность и потребляемую мощность.

— По наибольшей частоте вращения заднего ротора – влияет на производительность и область использования РС, интенсивность воздействия на смесь, скорость обработки, температуру нагрева материала.

— По типу системы охлаждения – закрытая и открытая.

— По форме роторов – с касающейся геометрией (тангенциальные) и взаимопроникающей геометрией (сцепляющиеся)

— По типу (выдвигающийся и откидывающийся) и расположению (снизу и сбоку) нижнего затвора.

— Обозначения. РС выпускают со смесительной камерой от 4.5 до 630 дм³ с левым и правым расположением привода, если смотреть на откидную дверцу загрузочной воронки

— Например, РС 250/20-П ГОСТ…: свободный объем смесительной камеры 250 дм³, частота вращения быстроходного ротора 20 об. в мин, с правым расположением привода. РС 71/12; 17; 23; 35 – Л. Различная частота (набор) вращения роторов. РС 250/20-40-Л. частота вращения от 20 до 40.

1.4.2. Устройство РС.

— Материал поступает в смесительную камеру через окно, перекрываемое грузом верхнего затвора.

— Под действием воздушного цилиндра груз через поршень и шток нажимают на обрабатываемую смесь (давление 0.6-0.8 МПа).

— Над загрузочной воронкой расположен зонт вытяжной вентиляции.

— Внутри два горизонтально расположенных ротора, вращающиеся навстречу друг другу. Из-за формы роторов происходит интенсивное перемешивание (деформации сдвига, среза, растяжения, сжатия)

— Роторы внутри охлаждаются, они вращаются в подшипниках. Есть специальные устройства, предохраняющие от попадания смеси в подшипники.

— Смесительный эффект происходит между ротором и стенкой и между двумя роторами.

— Интенсивность обработки зависит от давления верхнего затвора. При увеличении давления от 0.1 до 0.6 МПа время обработки снижается от 10 до 2 мин (в 5 раз). Обычно избыточное давление составляет 0.6-0.8 МПа.

— При увеличении числа оборотов время обработки также уменьшается. Берут 80-100 об./мин, но при этом растет температура, требуется большой расход охлаждающей воды.

— Известно, что смешение (диспергирование) протекает лучше, когда смесь прилипает к корпусу и роторам (высока адгезия к металлу). Это имеет место в случае мягких каучуков, и тогда достаточно небольшого давления верхнего затвора. При обработке жестких каучуков прилипания не происходит, смесь проскальзывает без сдвиговых деформаций, плохое перемешивание.

— По этой причине для интенсификации смешения мягких каучуков увеличивают число оборотов, а в случае жестких каучуков увеличивают давление верхнего затвора. Это снижает проскальзывание. В обоих случаях увеличивается потребляемая энергия и температура, но и растет производительность

1.4.3. РС периодического действия.

— РС с роторами овальной формы Бенбери. На массивном основании размещена смесительная камера, состоящая из двух половин корпуса, образующих продольную часть, и двух боковин по торцам. В камере расположено два ротора овальной формы в подшипниках качения, закрепленных в боковинах.

— В нижней части расположено окно для выгрузки готовой смеси. Оно перекрыто нижним затвором скользящего типа (пневматическим) или откидного типа (гидравлическим) – последний лучше, меньше температура.

— В верхней части окно для загрузки материалов через загрузочную воронку. Во время работы РС загрузочное окно перекрывается грузом верхнего затвора, который опускается и поднимается под действием воздушного цилиндра.

— В корпусе имеется отверстие для ввода мягчителей.

— Стенки камеры с внешней стороны охлаждаются водой из форсунок, или имеются внутренние каналы для охлаждения.

— Усилие от двигателя передается через приводные и фрикционные шестерни к роторам. В современных РС используют блок-редуктор.

— В местах прохода шеек роторов через боковины установлены уплотнительные устройства, препятствующие выбиванию из камеры ТУ и выжиманию наружу резиновой смеси.

— Задний ротор (со стороны загрузочной воронки) имеет большее число оборотов, его называют левым, если смотреть с торца со стороны подвода охлаждающей воды.

— Отечественные РС имеют свободный объем смесительной камеры 4.5, 71, 250 дм³, английские – до 600, германские – до 330.

— РС с роторами трехгранной формы. Выпускаются фирмой "Вернер Пфляйдерер" для смешения материалов, особо чувствительных к увеличению температуры. Здесь температура значительно ниже, чем в РС других типов. При необходимости можно уменьшить число оборотов, при этом меньше интенсивность обработки и меньше тепловыделения.

— Роторы располагаются один над другим и смещены.

— Спереди имеется массивная откидная дверца для выгрузки с гидравлическим приводом.

— Форма роторов исключает возникновение осевых усилий.

— При открывании передней дверцы можно получить легкий доступ к роторам – легко разобрать.

— Эти РС низкого давления при меньшем числе оборотов, меньше тепловыделения, меньше расход охлаждающей воды.

— РС с роторами цилиндрической формы с одним большим винтовым выступом и двумя винтовыми выступами меньшего размера.

— Обработка происходит в зазоре между роторами, а не между ротором и корпусом – износ стенки незначителен, можно не делать наплавку твердым сплавом.

— Эти роторы с взаимопроникающей геометрией – выступы входят во впадины с зазором ~ 3 мм – создается фрикция. Осуществляется перемещение в продольном направлении, что способствует лучшему перемешиванию.

— Свободный объем до 500 л (Англия).

— Конструкции основных узлов.

— Фундаментная плита. Их несколько – для смесителя, редуктора и двигателя. Сделаны из чугуна, имеются виброизоляционные опоры.

— Смесительная камера завода "Большевик" состоит из 4 частей – двух половин корпуса цилиндрической части и двух боковин – торцов, все из стали. В боковинах корпуса подшипников и уплотнения в месте прохода шеек роторов через стенку смесительной камеры. Боковины крепятся к корпусу на 16 шпильках с резьбой. Внутренняя цилиндрическая поверхность имеет наплавку твердым сплавом (6 мм). Снаружи корпус имеет ребра жесткости – они же дополнительные поверхности охлаждения. Корпус камеры и боковины образуют загрузочное и разгрузочное окна.

— РС "Вернер Пфляйдерер" имеет разъем по горизонтали, что облегчает монтаж и демонтаж роторов, имеет сменную внутреннюю рубашку.

— РС "Фаррел" на наружной поверхности цилиндрической части камеры имеются каналы, по которым с большой скоростью идет вода – струйная система охлаждения на 50% уменьшает расход воды.

— Ротор – основной элемент РС.

— Овальный имеет 2 или 4 гребня, наплавка 6-12 мм. Гребни различной длины. Преимущество: обеспечение большего усилия, недостатки: наличие осевого усилия, действующего на торцевые стенки РС, необходимость регулирования положения ротора в осевом направлении, выполняемого подшипниками качения.

— Цилиндрический (фирма "Ф. Шоу") – 4 гребня по спирали, материал перемещается от торцов камеры к центру – поэтому нет осевого усилия и не требуется специального регулирования для их установки в осевом направлении. Вся обработка происходит между роторами, нет наплавки твердым сплавом на стенках камеры.

— Трехгранный (фирма "Вернер Пфляйдерер"). Они лучше уравновешены в отношении осевых нагрузок.

— Уплотнительные устройства для предотвращения проникновения ТУ и смеси из камеры наружу – требует постоянного наблюдения и ухода. Раньше были фрикционные или сальниковые уплотнения, которые требовали сильного равномерного поджатия. У современных РС очень большое давление в камере, такие уплотнения не удовлетворяют требованиям, происходит износ шеек роторов, большие выпрессовки. Поэтому перешли на уплотнения лабиринтного типа – они хороши в случае использования подшипников качения. В лабиринт под давлением ~5 МПа подается смазка, представляющая собой гидравлический затвор – смесь разжижается и выходит тонкой струйкой из РС. Используют 2-3 лабиринта. В случае подшипников скольжения используют лабиринтно-пластинчатые уплотнения, при выработке вкладышей или образовании люфтов в подшипниках диски смещаются, не нарушая лабиринтных зазоров.

— Загрузочное устройство состоит из собственно загрузочной воронки и верхнего затвора. На верхней плоскости камеры смешения установлена горловина высотой 170-500 мм. К ней крепится корпус загрузочной воронки (чугун). Воздушный цилиндр управляет работой верхнего затвора и через поршень, шток и груз производит давление на смесь (0.6-0.8 МПа). Давление сжатого воздуха 0.8-1 МПа. Груз имеет систему охлаждения.

— Разгрузочное устройство. Выгрузка осуществляется через окно нижней части, которое во время работы перекрыто дверцей нижнего затвора. Он может быть скользящим и с откидной дверцей. Нижний затвор скользящего типа приводится в действие пневматической или гидравлической системой. Откидная дверца имеет гидравлический привод, при этом способе время выгрузки меньше. В скользящем затворе воздушный цилиндр с прикрепленными бронзовыми планками скользит по направляющим приливам основания РС. На верхней плоскости цилиндра крепится дверца-горбуша. Верхняя часть горбуши имеет треугольную форму и образует единую поверхность с половинками камеры смешения. Она имеет наплавку (6 см) и систему охлаждения. При подаче воздуха в одну из полостей цилиндра корпус с дверкой смещается и открывает или закрывает камеру. Разгрузочное устройство с откидной крышкой снабжено поворотным рычагом на специальных резиновых прокладках. Поворот на 120^о осуществляется гидравлическим устройством. Дверца охлаждается. Для запирания во время работы служит выдвигающаяся опорная запирающая плита, работающая от гидроцилиндра. Этот затвор лучше, не заедает, не загрязняется остатками, нет выпрессовок, меньше температура.

— Привод. Может быть реализован по различным кинематическим схемам. Используют асинхронный и синхронный двигатели. В РС большие мощности, поэтому применяют синхронный двигатель, т.к. мощность в течение цикла существенно изменяется, при неполной нагрузке синхронный двигатель понижает cos. При необходимости плавного изменения числа оборотов используется двигатель постоянного тока. Применяют мощности от 320 до 1250 кВт с числом оборотов 500-1000 в мин. Используют блок-редуктор.

Автоматическое управление и контроль за работой РС. С увеличением числа оборотов и давления время цикла уменьшается до 2-6 мин. Все должно работать в четком режиме, необходима автоматизация.

— Современный РС оснащен средствами контроля и регулирования температуры, времени смешения, давления сжатого воздуха в цилиндрах затворов, откидной дверцы загрузочной воронки, в устройстве для подачи жидких ингредиентов, давления и расхода воды, груза верхнего затвора, дверцы скользящего или откидного типа нижнего затвора и воздухоохладителя двигателя и потребляемой мощности, приборы контроля и управления гидравлической системы нижнего затвора.

— Предполагается возможность работы в ручном и полуавтоматическом режиме или полностью в автоматическом режиме с управлением от удаленного пульта.

— Особое значение – контроль температуры. Имеется несколько термопар: в грузе верхнего затвора, в дверце нижнего затвора, две в боковинах камеры смешения. Продолжительность смешения регулируют КЭП.

— Схема автоматизации включает в себя три самостоятельные системы: подача и отвод охлаждающей воды (0.4 МПа), подача сжатого воздуха (0.6-0.8 МПа), гидравлики для управления откидной крышкой нижнего затвора.

— Для управления используется процессорная техника, позволяющая контролировать температуру, время, затраты энергии и комбинации этих параметров.

— В основе лежат такие же принципы, что и для регулирования протекания химической реакции:

,

где R_b – интенсивность смешения, a – постоянная аппарата, R_k – температурный коэффициент смешения, T=Т–Т_нач. Степень завершенности процесса смешения определяется следующим выражением:

— Интегрирование осуществляется путем счета импульсов.

№	Рабочий цикл	Сумма импульсов
1	Начало – каучуки, наполнители, мягчители	0
2	Пресс открыт	17
3	Активаторы, ускорители, сера	165
4	Пресс закрыт	173
5	Разгрузка	228

— Т_нач.=50^оС, R_k=1.9.

— При таком способе контроля время начала вулканизации t_s имело разброс 7.7-8.0 мин против 6.9-9.2 без такого контроля.

— Различия по бечам видны из таблицы.

№	Рабочий цикл	t, c	t, c	t, c	Сумма импульсов
1	Начало – каучуки, наполнители, мягчители	0	0	0	0
2	Пресс открыт	130	160	155	17
3	Активаторы, ускорители, сера	360	358	343	165
4	Пресс закрыт	370	366	355	173
5	Разгрузка	528	490	470	228

— Преимущества применения процессора на примере вулканизационных характеристик (реометр "Монсанто"):

Наличие процессора	Характеристика	Среднее	% отклонения
Нет	Минимальный момент	12.5	4.7
Есть		12.8	3.8
Нет	Максимальный момент	52.9	2.0
Есть		54.4	1.4
нет	Оптимальное время tc(90)	2.8	4.5
есть		3.0	1.6

1.4.4. Смесители непрерывного действия.

— Увеличение числа оборотов, давления верхнего затвора, мощности и пр. ведет к интенсификации процесса, росту температуры (до 140^оС и более) – отсюда две стадии; если температура сверх допустимых пределов, приходится разгружать РС преждевременно.

— Другой недостаток – неравномерность потребления мощности в течение цикла смешения, что ведет к повышенным значениям установленной мощности двигателя и удорожанию привода.

— РС непрерывного действия делают обычно на основе ЧМ с одним или несколькими червяками

— Преимущества: большая интенсивность смешения (в 3-4 раза) из-за образования большого числа потоков смеси меньшего сечения с большими усилиями и сдвиговыми деформациями; температура смеси на выходе 85-100^оС (в РС периодического действия до 140-150^оС) из-за лучшего охлаждения – больше поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу объема смеси; потребляемая мощность не меняется в процессе смешения, что позволяет снизить мощность двигателя на 30-40%, уменьшить металлоемкость и стоимость оборудования.

— Недостатки: усложняется система подачи и развески материалов, которая должна обеспечит дозирование одновременно подаваемых компонентов и непрерывность питания

— Машины EVK – содержат по всей длине червяка срезающие и потокораспределительные элементы, которые делают возможным интенсивный срезающий эффект.

— Менее чувствительны к изменению коэффициента заполнения.

— Диаметр червяка 90-650 мм, мощность привода 90-1500 кВт, число оборотов 110-14 об./мин.

— Область применения: выпуск маточных смесей или готовой смеси после РС периодического действия; предварительный подогрев перед ЧМ теплого питания или каландром, использование как МЧХ; непрерывное смешение с вводом вулканизующего агента без и с дегазацией.

— Машины Transfermix – непрерывный смеситель, использующий эффект обмена материала между червяком и корпусом. Изобрел Френкель (Англия)

— Материал вытесняется червяком в пазы в корпусе и возвращается обратно, но к другим порциям материала.

— Область применения: дополнительное смешение после РС периодического действия; непрерывное смешение с вводом вулканизующей группы; непрерывных предварительный подогрев холодных готовых смесей перед подачей на МЧТ и каландры.

— Червяк четырехзаходный переменного диаметра от 83/102 до 530/660 мм, мощность 23-1200 кВт, число оборотов 74-12 об./мин, производительность 300-15000 кг/час.

1.4.5 Механизм смешения.

— Принцип работы РС периодического действия – в закрытой камере с помощью двух вращающихся роторов некоторый объем смеси интенсивно перемешивается.

— В результате воздействия роторов перемешиваемая смесь перетекает из одной полости камеры в другую через зазоры между ротором и стенкой камеры.

— Благодаря постоянным изменениям направления перемешивания создаются благоприятные условия, обеспечивающие усреднение состава смеси по всему объему, ее перетирание и гомогенизация.

— Воздействие на смесь в камере РС настолько интенсивно, что перемешивание длится не более нескольких минут, резко растет температура – это главная трудность.

— Цель – достижение определенного пространственного распределения частиц относительно друг друга.

— Идеальное смешение – когда в каждой малой дозе объема смеси относительное содержание компонентов равно исходному.

— Поверхность раздела компонентов при смешении резко возрастает. Если, например, была одна шаровидная частица объемом V=D³/6 с поверхностью S=D². После диспергирования получилось m частиц (несжимаемых) объемом V=md³/6, но c большей поверхностью S'=md². Т.к. объем при этом не меняется, то D³/6=md³/6. Отсюда d=Dm^–1/3. Тогда S'=md²=mD²m^–2/3=D²m^1/3=Sm^1/3. Если m=1000, то поверхность раздела возрастает в 10 раз. Т.к. форма частицы отклоняется от сферической, увеличение поверхности раздела еще больше.

— Увеличение поверхности раздела происходит и при растяжении между органами машины. Для того, чтобы показать это, предположим, что частица имела форму куба со стороной а. Ее объем V=a³ и поверхность S=6a². После деформации получается параллелепипед с основанием а₁² (a₁<a) и стороной b=an (n>1). Его объем а₁²b=а₁²an=a³. Отсюда a₁=аn^–1/2. Тогда S'=2а₁²+4a₁b=2a²n^–1+4a²nn^–1/2=a²(2/n+4n^1/2)=a²p>S. (p>6).

n	1	2	3	4	5	6	10
p	6.00	6.66	7.59	8.50	9.34	10.13	12.85

— Степень диспергирования зависит от времени смешения и его интенсивности, которые определяются величиной деформации.

— Чем меньше объем малого компонента, тем больше должна быть интенсивность смешения (легче перемешать компоненты в соотношении 1:1, чем 1:100).

— При смешении необходимо иметь возможность осуществить деформации сдвига, растяжения и сжатия, что ведет к увеличению поверхности раздела между компонентами – это условие получения однородной по составу и свойствам смеси.

— В реальных условиях это сопровождается сложными физико-химическими процессами – изменением агрегатных состояний, уменьшением молекулярной массы полимера, структурированием, деструкцией, набуханием в мягчителях, диффузией и пр.

— Оценка качества смешения: оптические методы; определение физико-механических характеристик вулканизатов и пласто-эластических свойств смесей; электрические методы; математические характеристики (² – генеральная дисперсия теоретической функции распределения компонента в смеси, S² – выборочная дисперсия, I=²/S² – индекс смешения); химические методы (весовые и объемные); электрохимические методы; ультразвуковые методы; микрорадиоволновые методы.

— Физика процесса. Процесс включает следующие стадии. Разделение ингредиентов; два механизма: в результате деформации кусков каучука происходит увеличение поверхности, каучук обволакивает агломераты частиц ингредиентов; по второй схеме происходит дробление кусков каучука, которые смешиваются с агломератами частиц наполнителя, происходит уменьшение удельного объема смеси. Диспергирование – прогрессирующее изменение размера частиц наполнителя, разрушение агломератов. Это требует дополнительных затрат энергии, поэтому потребляемая мощность на этой стадии возрастает(кривая зависимости мощности от времени имеет два пика). Пластикация – изменение реологических свойств смеси, уменьшение вязкости из-за механо-химической деструкции и изменение вязко-эластических свойств полимера. Происходит падение потребляемой мощности. Распределение (простое смешение) – движение частиц через массу без изменения их физической формы (сопровождается увеличением энтропии системы). Этот процесс сопровождает все три указанные выше стадии.