橡膠混煉生產線的規劃與選型

韓幫闊 ，李建星 ，劉金一 ，楊菲

(1. 大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 大連 116036 ；2. 山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265406 ；3. 青島群金恒智能裝備科技有限公司，山東 青島 266000)

混煉，是以輪胎為典型代表的橡膠制品生產的源頭工序，也是核心工序。對比其他工序，混煉有如下特點：

（1）電能消耗大

混煉，是將電能轉化成膠料內能的過程，起到剪切、分散和分布等作用?；鞜捲O備的驅動功率較大，尤其是輪胎廠使用的大規格密煉機，所配套主電機的功率動輒 1250 kW 、2500 kW 甚至更大。估算一臺430 L 密煉機，一天消耗的電能就可達3 萬kW.h。從實踐來看，以輪胎生產制作為例，混煉設備所消耗的電能往往占到整個工廠的40% 以上；

（2）廠房造價高

根據下落式密煉機的工作特點，以及發揮上輔機的優勢考慮，混煉車間的廠房高度一般都在20 多m，最常見為4 層、24 m 設計。對比后端的其他生產工序，混煉的廠房建設成本較高；

（3）環保要求高

典型的橡膠混煉過程，會產生大量的煙氣、粉塵、異味等，需要對其進行充分的收集和處理。

另外，混煉還決定了最終橡膠制品的品質、精度以及整個公司的生產效率和產能。所以，對混煉生產線進行科學的規劃，對混煉設備進行科學的選型，是很有必要的工作。

自2017年起，筆者主要負責公司成套總包項目的規劃、技術方案制定和執行工作，先后實施了陜西科隆、廈門正新、中山日豐、中山日豐、來安亨通、河北萬達等多個重大橡膠混煉生產線的成套總包項目，對混煉線生產線的規劃與選型積累了一定的經驗。通過本文與行業分享，以期為民族橡膠工業的進步出一份力。

混煉生產線的整體規劃、設備的選型，與很多因素有關系。要因地制宜，才能制定出最優化的技術方案見圖1。

圖1 典型的混煉生產線設備流程、廠房規劃圖

1 密煉機的選定

密煉機是橡膠混煉生產線的核心設備，其余設備以密煉機為基準進行選型。

1.1 轉子形式

自1916年標準意義上的密煉機誕生至今，其技術進行了多次的升級和優化。但密煉機的基本理論沒變：兩個帶有螺旋棱的轉子，以相同或者不同的速度進行相向旋轉，從而產生對膠料的剪切、攪拌、折卷和切割等作用。所以，轉子是密煉機的核心零部件，決定了整臺密煉機也即是整條混煉生產線的生產效率、品質和能耗等。

從大類來分，轉子分嚙合型和非嚙合型兩種。在這兩個大的分類下，又細分了很多種不同類型的轉子，以滿足不同工況的需要：

1.1.1 嚙合型轉子

圖2 嚙合型轉子，綜合了切線型轉子（即非嚙合型轉子）與開煉機的特點在一起。設計、制作難度大，采購成本高，生產效率相對低（典型意義上講，吃料慢、溫升慢、排料慢）。

圖2 嚙合型轉子

目前主流的有PES-3 和PES-5 兩種型式，PES-5 相對更先進，溫度控制能力更好，混煉品質和效率更高，應當優先考慮。

另外，近年來串聯密煉機組深受市場歡迎。串聯密煉機機組主要用于生產白炭黑高填充的配方，亦可用于傳統膠料的減段。因為下位機沒有上頂栓，為了提升吃料能力，現在還出現了PES-6 結構的嚙合型轉子。

1.1.2 非嚙合型轉子

也就是常說的切線型轉子，一般以每根轉子上的螺旋棱數量進行分類，見圖3。

圖3 典型非嚙合型轉子之四棱高效型

（1）兩棱：目前主要應用在50 L 等小規格密煉機上，生產效率相對較低。

（2）四棱：有四棱高效（長棱、短棱的軸向長度比為4:1）、四棱標準（長棱、短棱的軸向長度比為2:1）、同步技術和ZZ2 多種型式。

（3）六棱：變間隙混煉技術轉子，目前主要應用在370 L 等大規格密煉機的塑煉、混煉工況。

總體來說，嚙合型轉子是質量型轉子，非嚙合型轉子是產量型轉子。以前，非輪胎橡膠制品工況，應用嚙合型轉子比較多。近幾年來，隨著高檔輪胎配方中的白炭黑填充份數越來越高，硅烷化反應等需求使得輪胎企業大量采購嚙合型轉子密煉機使用，其中各規格串聯密煉機機組以及大規格的320 E 單機、440 E單機、580 E 單機等產品為主流。

從密煉機的工作特點來看，在做方案設計時，優先考慮切線型轉子。當切線型轉子實在不能滿足工況要求時（如白炭黑硅烷化反應要求的恒溫、高檔剎車片物料混煉等），才考慮嚙合型轉子，以提高設備生產效率和經濟性。

1.2 容積

密煉機的容積，決定了單條混煉線的產能（圖4）?？筛鶕椖康挠媱澞戤a能，綜合330 個工作日/年、24 h 工作/ 天的給定前提推薦下進行計算。

圖4 密煉機總容積（被封閉的白色區域）示意

切線型密煉機打膠快，可按3～4 min/ 車進行計算。嚙合型型密煉機打膠相對慢一些（吃料慢，排料慢。剪切力小、冷卻能力強，溫升慢），可按4～5 min/ 車進行計算。

例如，規劃年產1 萬t 的混煉膠項目（只打加炭黑的A 膠，不打加硫磺的B 膠），兼顧設備的停機檢修等因素，則應該考慮切線型四棱轉子的110 L 密煉機。名義產量計算：108 L（總容積）×0.75（經驗填充系數）×1.15（膠料比重）×60/4×24≈33.5 t/ 天。

目前，“ 大橡塑” 已批量生產的密煉機規格系列如下:

（1）嚙合型轉子密煉機

90 E、135 E、160 E（全世界首創）、190 E、270 E、320 E、440 E、580 E ；

（2）切線型轉子密煉機

50 L、80 L、110 L、160 L、270 L、330 L、370 L、430 L、650 L ；

（3）串聯密煉機組

320 E/580 ET、440 E/800 ET、580 E/1000 E。

1.3 其余配置

1.3.1 上頂栓

液壓式，對比氣動式，具有動作快、精度高、壓力高、節能等突出的優勢，生產效率快，煉膠品質高。目前，配置氣動上頂栓的新制作密煉機，基本已徹底消失。80 L 等小規格密煉機，標配也已經是液壓上頂栓結構。

1.3.2 主電機

優先推薦目前最節能的永磁同步電機。從目前的數據看，在同等煉膠工藝條件下，永磁同步電機比普通變頻電機節能6%～10% 左右（綜合永磁電機采用水冷，沒有冷卻風機的因素），對比直流電機則節能更明顯。而對永磁電機的消磁擔憂，從目前的技術來看是大可放心的，因為高溫、震動在實踐中是可以做到避免的；

永磁電機除了原理性的節能，還有一個優勢是可以做成低轉速、大轉矩輸出。像密煉機的下輔機開煉機或者擠出壓片機，理論上都可以做成永磁電機直驅，取消減速器。按照常規3 級減速配置考慮，至少可以節能6% 以上。而且，設備占地空間、運行維護成本等都有很大的優化、提升。而對于密煉機來說，綜合考慮各種因素，永磁半直驅是最好的方案（圖5）。即設置一級減速的過渡減速器，這樣永磁同步電機尺寸、質量和成本都可以得到優化，即適合新項目，也適合既有老密煉機驅動系統的現場升級改造。

圖5 密煉機永磁半直驅方案圖

1.3.3 水溫控制裝置TCU

理論上說，進入密煉室、轉子、卸料門的冷卻水溫度，是很重要的工藝參數。所以，為了用好密煉機，應該為其配置水溫控制裝置?？紤]到密煉機的工藝精度、對水源的要求及設備運行可靠性等各種因素，推薦電加熱、管式直冷的溫控結構。

1.3.4 轉子端面密封裝置

常規工況，推薦成熟穩定的液壓外壓式密封結構。剎車片、醫藥制品等對轉子密封潤滑油進入密煉室比較敏感的工況，可以采用內壓式密封+ 無油潤滑摩擦副的方案。目前，“ 大橡塑” 已進行過成功應用，達到了預期目的。

1.3.5 耐磨合金

常規工況，堆焊傳統的合金也能滿足要求，但是會產生裂紋（必須控制裂紋寬度≤0.4 mm）。特殊工況下，則需要選擇無裂紋耐磨合金（圖6）。使用壽命更長，可靠性更高。但是因為所用焊材的特殊性，成本會有不小幅度的增加。

圖6 堆焊無裂紋合金的轉子實物

2 上輔機的選定

密煉機上輔機系統主要用于煉膠工序，其功能是使密煉機混煉所需物料的運輸、儲存、稱量、投料等環節實施機械化和自動化。該設備具有提高密煉機混煉效率、降低環境污染、提高混煉膠質量，保持煉膠質量穩定、減輕密煉機操作工人勞動強度、防錯功能等特點。該設備配置上位機計算機管理軟件，采用WINDOWS 操作系統，畫面為中文顯示，操作簡便、界面友好，實現煉膠過程智能化，并為用戶的全廠信息化管理預留了遠程控制和系統網絡管理接口。

上輔機的選型由多個因素決定，前期以客戶需求為出發點，綜合主要有以下幾點：

2.1 客戶需求

根據客戶產品類別，分為輪胎和橡膠制品兩大類，制品又分為膠管、膠帶、汽車零部件、電纜電線、密封件、鞋材、混煉膠等，根據密煉機和產品特性選擇上輔機。

2.2 物料特性

粉料特性（形狀、粒度、流動性、密度、熔點、爆炸性、積聚性、腐蝕性等）、油料特性（溫度、黏度、密度、熔點、比熱容、腐蝕性等）、膠料特性（密度、硬度、形狀、含水率、黏性等）。

2.3 生產工藝

與具體配方有關，是配方的實現過程，主要涵括各種原料配比、自動稱量與手動、多次稱量投料、多種物料攙混、粉膠油的投料順序節拍等，具體生產工藝和配方一般都是保密的，在書面文件中以代號表示。

2.4 產能和效率、精度

上輔機產能以密煉機煉膠產能為基本依據，上輔機供料效率為密煉機煉膠效率的1.2～2 倍為宜。一車混料膠中粉、膠、油的配比含量即是上輔機一手料（一個配料周期）的總量，單位時間內一手料的重量就是上輔機的效率。根據配方要求，確定好各原料的稱量范圍（最小稱量值～ 最大稱量值），再者確定配料周期和時間，配料周期一般包含稱量時間、投料時間、運輸過程以及投料、落料等，嚴格意義上包含設備臨時故障、處理和短時間恢復等。精度或者誤差是在進入密煉機投料口處實際測量與理論設定對比而得出的，實測精度是物料物理狀態、稱重傳感器、稱重數顯儀表、給料裝置、外界環境條件、管道殘留消耗、磨損等綜合因素決定，并非僅僅是電子秤本身的檢定分度值和儀表分辨率。市面上絕大數稱重傳感器都是應變片式，其誤差值隨著量程增大而逐漸增大，所以上輔機稱量精度和誤差是以全量程的百分數來表示比較合理，例如：0.1%～0.2% F/S。

2.5 功能結構配置

上輔機核心功能是給密煉機供料，將混料原料按時定量的供入密煉機中。主要配置:日儲倉、粉料輸送機、粉體料斗秤、后加料裝置、儲油罐、液體油料秤、真空抓膠機械手、切膠機（膠塊）、膠片導開輸送機、膠片導開裁切機、膠料秤、投料皮帶輸送機、小料校核秤、氣力輸送系統、密煉機除塵系統等。

2.6 廠房及布局

新建廠房、改造、擴建、多層、單層、鋼混、簡易房等，設備分為整體一條線布局、單機臺布局、重力下落多層布局、平面單層布局等。上輔機及密煉線的整體布局要與廠房土建設計、公用工程相匹配。

2.7 上下游設備的對接和聯動

密煉機對接（混煉、終煉、一次法等），主要包括投料門的寬度、開度、高度位置，投粉口的尺寸和定位，注油口的尺寸、壓力、注油閥電控柜和位置檢測等，密煉線外圍零部件、管路、運動部套等是否與上輔機干涉等，上輔機與密煉機、下輔機信號對接、PLC 通訊、軟件配方管理等。

2.8 環保

當地環保部門要求、粉塵排方濃度、車間粉塵濃度、粉塵產生點和吸塵點、粉塵防爆要求、廢氣治理、異味處理、噪音和振動、對周圍環境影響、擾民等因素。

2.9 其他

不同國家、地區的特殊要求，包括法律、法規、技術規范、電壓等級、進入許可、認證準則等。

上輔機處理的物料對象是炭黑粉料、液體油料和固體膠料等，根據不同情況上輔機方案有多種。以下幾種常規上輔機結構形式和創新結構形式：

2.1 0 重力式立體上輔機

最經典、最常見也是技術最成熟的布局形式。主要依靠物料自身重力下落流動，實現物料的自動稱量和投料。結構布局自上而下與密煉機對接，一般高度為3～4 個樓層，以輪胎廠為典型代表。對廠房要求高，一般270 L 及其以下規格的密煉機，廠房高度24 m。270 L 以上規格的密煉機，廠房高度26.5 m（消防成本大幅提升），如圖7 所示。

圖7 重力式立體上輔機方案示意圖

2.1 1 平面式上輔機

依靠機械或者氣力（正壓或者負壓）進行物料輸送，實現物料的自動稱量和投料?？梢詽M足廠房低、產能不大、下落密煉機或翻斗捏煉機的情況。一般高度為1～2 個樓層，以中小制品廠為典型代表，如圖8所示。

圖8 平面式上輔機方案示意圖

2.1 2 離線多功能上輔機

與密煉線分開工作，采用多秤、多桶同時配料，AGV 小車或者自動物流線往復循環工作，提前將批量配料準備好，一套上輔機可以供料多臺密煉機，適用于各種粉體企業，如圖9 所示。

圖9 離線多功能上輔機方案示意圖

圖10 全自動開煉機簡圖

以上，主要介紹的是上輔機的核心部分，即炭黑等大料的在線稱量和輸送。完整意義上的上輔機，還應包括在線的膠料系統、油料系統、密煉機投料口的粉塵處理系統、配方管理、電氣控制系統以及離線的小料系統（又有手動、半自動、全自動等多種不同的形式）等。

因為真正影響廠房布局、上輔機結構以及成本的，就是大料部分。上輔機的其它部分，相對不受廠房土建的限制，各種方案差異不大。所以，其他部分在此不做過多的闡述。

3 下輔機的選定

從工作原理看，典型密煉機下輔機的主要作用是：

（1）將密煉機排出的團狀膠料轉變成片狀。

（2）涂抹隔離劑。

（3）冷卻降溫。

（4）進行適當的補充混煉。

通過以上，可便于膠料的儲存、周轉等后續工作。

3.1 開煉機、擠出壓片機

開煉機或者擠出壓片機，是最常見的密煉機下輔機。

從設備特點看，無論開煉機還是擠出壓片機都可以完成對密煉機所排膠料的形狀改變。開煉機，是比密煉機應用早了接近100年的典型橡膠機械。擠出壓片機，大規模推廣應用的時間則要晚很多。兩種設備的主要對比見表1。

表1 兩種設備主要對比表

3.1.1 開煉機

開煉機，因操作靈活等優勢被廣泛采用。以前，密煉機的下方往往配置三臺開煉機進行補充混煉、冷卻和下片。目前，主流的配置是2 臺開煉機，1#開煉機接取密煉機排出的團狀膠料，不帶翻料裝置，主電機定速；2#開煉機接取1#開煉機輸送來的膠片，帶翻料裝置，主電機變頻調速，并通過可調寬度的切刀下滿足下游工藝需要寬度的膠片。

不過，上述這種傳統的設備配置，需要2 名操作工，人力成本和操作者的勞動強度都高，而且質量波動大。近幾年，從低溫一次法簡化而來的全自動開煉機被大量選擇如圖1，全自動開煉機，通過擺料小車、大循環皮帶實現膠料的自動翻煉、下料，自動化程度高，質量均勻。

應用全自動開煉機有三種常見的流程選擇：

（1）配置2 臺開煉機

1#開煉機為全自動開煉機，2#開煉機為常規開煉機，不過在2#開煉機的上方設置料槽。1#開煉機全自動生產，不用人工干預，包括自動下片給2#開煉機。第一車膠料生產時，2#開煉機下片需要人工輔助下，連續生產后，兩臺開煉機均不需要人工操作。該流程，適合母煉和終煉膠的生產；

（2）配置3 臺開煉機

1#開煉機、2#開煉機均為全自動開煉機，3#開煉機為常規開煉機，在3# 開煉機的上方設置料槽。相關生產動作，與配置2 臺開煉機的一樣。該流程，既適合傳統母煉和終煉膠的生產，也可以在個別工藝條件下實現一步混煉。1#開煉機降溫后，往2#開煉機送片時補充硫磺母膠，在2#全自動開煉機上進行硫磺的分布混煉；

（3）配置4 臺開煉機

1#開煉機、2#開煉機、3#開煉機均為全自動開煉機，4#開煉機為常規開煉機，在4#開煉機的上方設置料槽。相關生產動作，與配置2 臺、3 條開煉機的一樣。該流程，主要用于一步混煉。

需要注意的是，全自動開煉機配置的流程，密煉機下方的排料斗要帶氣缸驅動的門，萬一開煉機系統出現故障，可以將密煉機排出的膠料進行緩存。

目前，“ 大橡塑” 生產的開煉機主要有如下規格：

Φ360×800（900）（14"）、Φ400×1000（16"）、Φ450×1200（18"）、Φ480×Φ610×800（ 精煉機）、Φ550×1500（22"）、Φ560×Φ510×1500（1530）、Φ560×Φ510×800（ 破膠機）、Φ610×2000（24"）、Φ660×2130（26"）、Φ710×2200（28"）、Φ760×2340（30"）、Φ810×2540（32"）。

3.1.2 擠出壓片機

雖然沒有開煉機良好的補充混煉和冷卻能力，但是擠出壓片機因為其自動化程度高、均一性好等優點，也被輪胎廠等企業大量采用。

傳統的輪胎膠料生產，母煉流程是密煉機- 擠出壓片機- 膠冷，終煉流程是密煉機- 開煉機- 開煉機- 膠冷。從近幾年國內外新建輪胎項目看，終煉流程的主流配置是：密煉機- 擠出壓片機- 開煉機- 膠冷。2014年，廣州萬力實施過“ 將8#GK270 下輔機原Φ660 開煉機1 更換為雙螺桿擠出壓片機的改造”，其結論是“ 終煉密煉機下輔機采用雙螺桿擠出壓片機后相對于采用開煉機，硫磺分散效果得到大幅提升，提高了膠料混煉質量；同時也提高了全線自動化水平，降低了工人勞動強度；另外，封閉式雙螺桿擠出壓片機杜絕了散膠浪費，也更有利于現場衛生和定置管理”。另外，日系的輪胎制造廠，密煉車間是沒有開煉機的，無論母煉還是終煉，均是使用擠出壓片機。

當然，設備最終是要為工藝服務的。設備流程的選擇，也依賴于工藝條件。

目前，“ 大橡塑” 生產的雙螺桿擠出壓片機主要有如下規格：

（1）XJY-SZ 602×250，配套160 L 或者190 E密煉機使用；

（2）XJY-SZ 743×330，配套270 L 或者320 E密煉機使用；

（3）XJY-SZ 936×416，配套430 L 或者580 E密煉機使用，也可配套320E ；

（4）XJY-SZ 1093×486，配套650 L 密煉機使用。

3.2 在線濾膠

對于橡膠原材料純度不高或者對膠料要求比較嚴格的工況，會選擇在密煉機的下輔機里進行在線濾膠。

目前，濾膠機主要分螺桿式和泵式機頭兩種。正常情況下，加硫磺后的膠料在線過濾需要使用泵式機頭結構。市場常見有德國UTH 或者西班牙KCM 的泵式機頭濾膠機和螺桿式濾膠機。

“ 大橡塑” 研發制作的國內最大規格350 濾膠機（螺桿式），產量可達到3～4 t/h，可適合配套270 L 密煉機，亦可兩臺并聯配套430 L 密煉機使用。

根據輸入膠料的特性和形狀，濾膠機有三種常見的結構：

（1）傳統式，帶旁壓輥，適合喂入片狀膠料。

（2）雙挽式，也叫雙轉子式，主螺桿上方設置有兩根轉子，適合團狀膠料。

（3）雙錐喂料式，適合上述兩種結構濾膠機不好喂入的膠料。

濾膠機最常見安裝在2 臺開煉機之間，亦可在密煉機平臺下直接接取密煉機排出的團狀膠料，替代開煉機、擠出壓片機使用（此應用有局限性，一定要充分評估工藝特點）。

濾膠機出片，常見為粉條狀、麻花狀，亦可在機頭設置切刀和展開裝置，以片狀的形式出片，直接進膠冷，省去1 臺開煉機。

3.3 膠冷

膠冷是混煉生產線的收官設備，主要考核指標是出片溫度滿足“ 室溫+5 ℃” 的要求，防止疊放好的膠料發生焦燒等問題。

膠冷主要分掛桿式和網帶層鋪式兩種結構，掛桿式為最常見，網帶式適合薄膠片以及多條窄膠片同時冷卻的情況。膠冷又有落地式和架空式可供選擇，標準廠房情況下，推薦架空式，下方可以通行叉車等，不影響物流。

資金允許的話，膠冷推薦采用自動收片裝置，自動稱量、裁斷、碼齊，配上三工位的膠盤裝置，一個操作工就可以同時看幾條生產線，大大降低人力成本。

4 其他

除了前文所述的生產設備，橡膠混煉生產線還需要輔助的環保處理裝置、水電風等動力的供應。設備制作商可以與業主、設計院一起商討確定實施方案。

4.1 冷卻水

除了濾膠機等可能會有冰水的特殊需要外，混煉生產線的冷卻水溫度25° 左右可以。另外，最好是將冷卻水進行軟化處理，以防止結垢影響傳熱效率；

4.2 電源

目前，800 kW 以下的小規格密煉機的主電機都可以使用AC380 的電源。功率大的，需要AC10 kV或6 kV 的高壓電。需要注意的是，高壓變頻器的尺寸很大（一組的長度在8 m 左右），配電室的空間要規劃夠；

4.3 壓縮空氣

主要是上輔機消耗量大，密煉機及下輔機消耗量比較少，其量相對上輔機來說可以忽略不計。

4.4 蒸汽

用戶單位有蒸汽資源的話，上輔機部分的油料加熱可以使用。正常情況下，都采用電加熱，不用額外準備蒸汽。

5 結語

混煉，是橡膠制品生產重要的工段。以滿足工藝需要為前提，對生產線進行科學的規劃，并對設備進行科學的選型，是很有意義的。

近些年來，密煉機、上輔機、開煉機、擠出壓片機和膠冷等傳統混煉設備，都有明顯的技術提升和進步，整條生產線的規劃可供選擇也比較多。因地制宜，統籌兼顧，是可以規劃出最佳的方案的。尤其是對翻斗生產線進行升級改造，因在用的廠房往往都比較矮，需要新的布局方案才能滿足要求。但是無論是挖地坑式、水泥墩式還是標準的一層半式，都有很多成功實施的案例。

“ 大橡塑” 近年來已成功實施了多個重大成套總包項目，本文與行業分享，以期共同促進民族橡膠工業的進步與發展。