节能串联式密炼机低温炼胶生产线

南京凯驰机械有限公司

1综述

1.1课题背景

1.1.1课题提出的背景及依据必要性

本项目为高等级于午线轮胎生产关键设备研制项目。

    随着世界橡胶工业的发展，集、绿色、环保、智能化于一体的新型轮胎成为发展主流，开发新型节能环保、高性能化、多功能化、精密化、低运行成本、适于绿色炼胶工艺的炼胶设备，支撑轮胎及橡胶制品行业实现清洁生产、节能降耗及减少环境污染，一直是欧美等发达国家重要的研发课题，也是橡机行业发展趋势。

2010年12月，工信部发布《轮胎产业政策》，指出“十二五”期间我国轮胎行业准入门槛和节能减排的目标为：综合能耗不高于950千克标煤／吨橡胶。这一政策必将促使我国轮胎行业淘汰落后产能、实施装备升级换代，加速我国橡胶机械向低耗、清洁炼胶、绿色环保方向发展。

    密炼机是轮胎和橡胶制品生产的关键设备，长期以来，传统的密炼设备投资成本高，占地面积大，能耗居高不下，制约了轮胎工业的发展。因此研制、节能的串联式密炼机低温炼胶生产线十分必要。

    该项目属于国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中规定的“（四）高端装备制造产业”里的“数字化、柔性化及系统集成技术为核心的智能制造装备”的内容，2010年列为2010年度江苏省企业技术创新项目指导计划（苏经信科技【2010】318号文件），2011年，列入中国化工装备总公司重大科技攻关计划，并与当年10月在南京市发改委立项（立项文号：宁发改工【2011】377号）。

1.1.2科学意义和社会经济意义

项目的实施，将实现我国轮胎清洁生产技术的重大突破，将从整体上提升我国橡胶机械技术水平，增强国产橡机产品竞争力。串联式密炼机低温炼胶生产线是益阳橡胶塑料机械集团有限公司在引进、消化、吸收世界橡胶机械前沿技术的基础上，经过不断自主创新研发的具有自主知识产权的清洁、节能环保的新产品，产品填补空白，处于水平。

    项目的实施，对提升下游轮胎等橡胶制品行业装备水平及节能环保、绿色清洁生产具有重要意义。串联式密炼机生产线变传统的3-4段炼胶工艺为1段，生产效率提高50%以上，综合节能30%，同时可为下游企业节约厂房和设备投资20-30%。以建设一个300万套半钢子午胎工厂为例，引进国外炼胶设备投资需6000万元人民币，采用国产串联式密炼机生产线投资将在300万元人民币左右，混炼胶设备年节能约5万吨标煤，节电280万度。经济和社会效益。

1.2项目研究与开发概述

本项目主要研究内容是在引进、消化吸收及前期研发的基础上进行大型啮合技术的研究，完成低温炼胶转子的开发，高耐磨、耐腐蚀表面强化和无油润滑机械动密封材料的研究开发，应用转子可变工作状态技术、液压上顶栓技术、计算机技术、电子技术和传感检测技术完成一段混炼炼胶生产线研制，开发出低能耗、低泄漏、高分散性、智能化胶料混炼的具有水平的串联式密炼机炼胶生产线。

2外现状、市场调查和需求预测

2.1外技术现状

轮胎和制品企业的快速发展，对能源的消耗、环境的污染产生很大的影响，因而，实现轮胎及橡胶制品的清洁生产、节约能源及减少环境污染己成为迫在眉睫需要解决的问题，开发高性能化、多功能化、精密化和效率化、低运行成本的节能降耗环保新型橡机产品，一直是欧美等发达国家重要的研发课题，也是橡机行业发展趋势。

近年来，国外橡塑机械研发机构已完成了利用计算机过程控制技术和数据处理技术，实现密炼机混炼智能化控制、自动化操作以及裁断成型与硫化一体的自动化轮胎生产线，使得橡胶工业由传统劳动密集型进入现代技术密集型时代。

当今密炼机的技术现状主要表现为：

（l)大功率、大容量、率的密炼设备生产线：功率从几十KW到3300KW，从一个电机驱动发展到了两个电机驱动，容量从几十发展到了370L、400L、520L、600L,转子速度从原来的20r/min发展到现在的80r/min以土，同时直流电机驱动的密炼机，还可任意调节其转速与速比。

(2)转子形式多样化：二棱、四棱、222、PES3、PES5、ST、NST、六棱转子等形式。四凸棱转子和六凸棱转子能胶料的混合、分散、传热性能，使施加于转子上的负荷均匀，并转子的机械强度，因而目前世界上的密炼机广泛采用的是这两种的转子。

(3)系列化、联动化、自动化：目前密炼机的类型有F系列、GK系列、K系列和国产的XM系列。F系列与GK-N系列的特点是加料量大、混炼室压力高、混炼周期短、转子形式多样，可适应不同的胶料；GK-E和K系列的特点是可提高混炼胶料的分散度，降低排胶温度以及减轻胶料对机器的磨损，适合混炼使用偶联剂的白碳黑的绿色胶料：为提高生产效率，工作条件，密炼机从原始的裸机发展到上、下辅机，密炼机的作业从胶料的投加、各种配合剂的喂入到胶料的混炼，从混炼胶的排放、补充混炼到压片，形成了有机整体的联动化；计算机技术、电子技术以及传感检测技术的发展，炼胶生产线实现了混炼过程中各种工艺参数的在线检测和控制，如将混炼室胶料的温度、压力、粘度、混炼周期以及上、下辅机与配合剂的运行参数等，编入计算机程序，密炼机的整个操作过程实现了自动化。

(4)密炼机的炼胶接触表面采用了合金材料无裂纹；

(5)液压上顶栓替代气动上顶栓；

目前上为广泛密炼机有以下几种类型：

(1)以美国Farrel公司为代表的F系列密炼机，采用的是切线型转子，其代表产品有F270、F305、F370、F620。该公司一直致力于开发和研究同步技术转子密炼机，同步技术转子在提高分布混炼的同时改进了分散性混炼。同步技术转予的速比将传统使用的速比l- 16:1改为1:1，转子在等速操作时，同步技术转子的结构和转子之间的相互作用大大提高了流变参数的均匀性，确保了加工工艺的优化和提高终产品的质量。

(2)以英国Francis Shaw公司为代表的K型密炼机，采用啮合型转子的串联式炼胶工艺。包括密炼机、调速装置和下辅机设备在内的串联式密炼机生产线，和原生产相比，该系列密炼机可提高混炼胶料的分散度，降低排胶温度以及减轻胶料对机器的磨损，适合混炼使用偶联剂与白炭黑的绿色轮胎胶料。整个生产能力提高50%，并省去混炼，节省大量的人力物力和场地。

(3)以德国H&F公司为代表的切线式N型和圆筒啮合E型技术密炼机，其代表产品为GK270N、GK255N、GK400N、GK650N、GK190E，GK250E、GK320E、GK520E。该公司研制正在研制具有磨损防护装置、温度控制和防尘装置，且维修量少的组合式密炼机以及可以改进混炼胶料质量，与间歇式炼胶系统不同的ZSK全啮合式同向旋转双螺杆挤出机。组合式密炼机具有功能独立的三个部分，料斗、混炼区、机座。可以分别进行正向或反向安装，各部件易于拆卸、更换和安装，维修停机时间减少。

(4)以意大利Pomini公司为代表的VIC型转子间隙可调节的啮合型密炼机，代表产品有：VIC220。VIC密炼机的转子为相互啮合式，转子之间的间距可以调节，转子与密炼室之间的密封采用传统的环形系统，旋转部件由硬质材料制成易于更换，冷却区具有程度的换热效能，对同一规格的密炼机，VIC的换热面积比剪切型的大7096以上，生产能力和混炼胶质量相对较高，并且胶料的混合、分散、传热性能，转子的强度。

2.2市场调查

节能串联式密炼机低温炼胶生产线属于橡胶机械高端智能产品。国外单套设备价格在4000万元左右，但是，串联式密炼机自动化水平高、能耗低、效率高，尤其适用于绿色轮胎的生产，代表橡机行业发展前沿水平，符合国家“十二五”轮胎产业政策对橡胶行业节能降耗、绿色生产、清洁生产的政策要求，是未来炼胶设备的主流，市场需求仍比较大，凯驰橡机自主开发的节能串联式密炼机炼胶生产线综合技术，国产化程度高，成本低，价格在1500万元左右，产品竞争力强。公司试制的两台样机已销往三角轮胎集团公司，正向其他轮胎企业推广。

2.3需求预测

2011年5月份，《欧洲橡胶杂志》（ERJ）公布了2010年度全球橡胶机械报告。报告指出：随着世界轮胎市场的强劲复苏，轮胎公司增加投资，形成对橡胶机械市场需求高峰。世界橡胶机械行业快速从2008年谷底走出，市场需求旺瘫，2010年全球橡胶机械销售收入332300万美元，比2009年增长12.6%，与“十一五”末年相比，年均增长8.32%，世界橡机行业进入快速发展轨道，预测全球橡胶机械市场需求旺盛状态将持续较长时间，橡胶机械升级及扩大产能将迎来高峰。此外，随着我国交通运输业、高速公路的发展，带动了汽车工业的发展。受汽车工业发展的拉动，轮胎行业和橡胶制品行业规模扩大需求增加，随着经济全球化和世界轮胎工业的发展，轮胎技术和设备技术不断提高，许多国家轮胎企业不断投入资金新建工厂或是对原有工厂的设备、工艺进行改造和更新，以扩大生产能力。根据橡胶行业协会预测：“十一五”期间，我国轮胎产量将在2006年的年产2亿条增加到年产4亿条，到2015年世界上用于轮胎的橡胶消耗总量将由目前的1000万吨增加到1700万吨，加上老设备的改造，约需此类型密炼机150余台。因此，该产品外市场空间较大。

3技术可行性分析

3.1课题研究与开发论述

3.1.1主要研究与开发内容

研究内容：一步法炼胶工艺及装备技术研究

实现一步法炼胶工艺及GE320/GE590T串联式密炼机装备技术的重大突破。创新点；串联式密炼机生产线处于一个封闭系统，大大减少了胶粉对环境的污染，胶料混炼时间分布在两台密炼机上，下部密炼机被设计成具有非常好的分布混炼功能以及极好的温度控制性能，晟优化的通风和的冷却面积以及快速吃、排料功能，同时，这两台密炼机都具有很好的自洁性能。生产效率将提高50%以上，综合节能30%，胶料分散度提高两个等级以上。

研究内容二：新型PES5、吃料性能强的啮合型转子研究开发

实现新型PES5啮合型转子技术的重大突破，开发出组合式并带螺旋槽强制冷却的PES5啮合型转子。

创新点：焊接工艺采用自主创新研制的无裂纹耐磨硬质合金堆焊药芯焊丝．对关键合金件进行镀硬铬工艺热处理，提高耐磨性，堆焊合金电镀铬镀层厚度50u m以上，耐磨性和耐蚀性是一般钢件镀铬层的l 5倍以上；

研究内容三：新型无油润滑密封材料及装置的研发

实现无油润滑密封材料技术的重大突破，开发出外压式无油润滑密封装置。

创新点：密炼机转子防尘密封采用外压式无油润滑密封结构，它由一个固定在侧板土的静耐磨环以及跟转子转动的动耐磨环、安装在动环上的六组弹簧构成，动、静耐磨环均为剖分式，并在密封环表面堆焊了一层耐磨硬质合金，它的密封压力主要是混炼室内胶料对动耐磨环产生的推力，因此该结构的密封效果不受转子窜动的影响，具有密封可靠，自润滑性能好，耐磨和耐高温且使用寿命长的特点。

研究内容四：主电机交流变频控制系统及温度闭环控制系统研发

实现密炼机交流变频控制系统及温度闭环控制技术的重大突破。创新点：采用大功率交流变频及闭环控制，实现恒温炼胶，提高胶辩的分散性和均匀性，每万伏电压电流谐波控制在3%以内，节能15%以上；轮胎的使用寿命提高10%，节约能源和材料等生产成本15%。

3.1.22主要技术参数与国外同类产品对比

3.1.3主要技术关键

(1)新型PES5、吃料性能强的啮合型转子

    (2)新型C-C复合材料无油润滑密封

    (3)主电机交流变频驱动系统

    (4)串联式密炼机中上、下密炼机采用现场在线控制系统

(5)下密炼机的温度闭环控制

3.1.4主要创新点及效果

    (1)技术创新及使用效果创新：

    ①串联式密炼生产线混炼的时间分布在两台密炼机上，下部密炼机被设计成具有非常好的分布混炼功能以及极好的温度控制性能，优化的通风和的冷却面积以及快速吃、排料功能，同时，这两台密炼机都具有很好的自洁性能。子午线轮胎胶料的混炼一般平均需要3-4段，而采用一台串联式密炼机能使混炼减少为一段，从而大大减少了炼胶的辅助和停放时间，省去了多台密炼机、双螺杆挤出机和胶片冷却装置，减少设备投资600-800万，同时节省设备占地空间，即减少了工程投资约100万。采用常规密炼机混炼子午胎胶料约需9 -12分钟，而采用串连密炼机生产效率将提高150%以上，节约电能30%以上。

    ②串联式密炼生产线处于一个封闭式系统，大大减少了粉尘对环境的污染。

    ③串联式密炼生产线下部的密炼机没有加压系统，无需增加任何小料油料等，其转子防尘密封装置可采用无油密封装置，减小丁胶料及环境的污染，节约了材料消耗，降低了生产制造成本；单台串连密炼机每天节省油料约150L以上，年节约生产成本20多万元。

    ④串联式密炼生产线下部的密炼机没有上顶栓加压装置，因此炼胶功率消耗大大降低，即大大降低了能耗，降低了生产成本。

    ⑤由于两台串联式密炼机采用无级调速以及具有的温度控制性能，因此，碳黑分散度高，并能形成一个均匀的硫化体系，轮胎的使用寿命将提高10%左右，即节约能源和材料消耗等生产成本15%左右，这为中国子无胎工业的快速发展奠定了良好的基础。

    ⑥由于串联式密炼机中上下密炼机采用现场在线自动控制，因此减少了人为因素的影响，胶料质量的波动少。

⑦下密炼机采用交流变频控制转速，采用温度闭环控制，可以利用主电机的转速的变化来实现恒温炼胶的控制，大大提高了胶料的分散性和均匀性。

⑧上下密炼机均采用12脉冲的交流变频调速装置，大大降低了谐波电流对电网的污染，并提高了功率因素，节约电能达5%左右。

(2)工艺创新：

采用新工艺设计和专用工艺相结合的设计和制造。

①焊接工艺：采用自主创新研制的无裂纹耐磨硬质合金堆焊药芯焊丝。用于密炼机的密炼室等部件及其类似的工作环境下的工件表面堆焊，提高焊接的稳定性和耐磨性，防止未炼制好的胶料挤入裂纹后夹杂在熟料中被带出，影响胶料质量，提高设备的效益比。

②热处理工艺：对关键合金件进行镀硬铬。在炼胶过程中因为要添加多种配料，对与胶料接触的零件将产生酸性腐蚀。因此，要求这些零件兼具高的耐磨性和耐蚀性。本项目对关键合金件进行镀硬铬处理，能给零件带来耐磨性和耐腐蚀性能的良好配合，提高零件的使用寿命。

3.2课题技术基础和产品可靠性论述

凯驰橡机拥有的技术研发实力及丰富的制造经验，公司设有国家认定企业技术中心、博士后科研工作站和江苏省橡胶塑料机械工程技术研究中心，拥有各类技术人员400余名，专职试验研究与发展人员206名，与青岛科技大学、北京化工大学、北京橡胶工业设计研究院、中南大学、武汉理工大学等科研院所建立了产学研战略合作关系。公司自1980年引进德国克虏伯2种规格的密炼机产品以来，通过三十多年的消化吸收和自主创新，现已形成了包括GKl.5、GK270、GK400、GE580等在内的三十多个型号规格的系列化产品，先后承担国家火炬计划、江苏省合作计划等国家、省部级科技项目20余项，其中GK250E密炼机的研制列入国家“十五”重大装备研制攻关项目，获中国石化联合会科技进步二等奖，GE580密炼机的研制列入2007年科技部科技兴贸行动专项，该产品经中国化工集团组织的鉴定，为当时国产规格的密炼机，综合技术达到水平，被评为国家新产品，获江苏省科技进步二等奖，GE320密炼机的研制列入2008年完成商务部优化高新技术出口产品项目，出口到意大利，公司拥有密炼机核心专利近40项，累计生产各种规格的密炼机1000多台。四十余年的技术积累和沉淀，为串联式密炼机低温炼胶生产线的研制提供了良好的技术支撑。

 凯驰橡机是江苏省质量技术监督局认定的质量信用AAA级企业，江苏省质量管理奖获奖企业，主导产品密炼机是中国石油和化学工业联合会品牌、江苏省、江苏省出口、江苏省商标，公司研制的GE320/GE590T商效节能串联式密炼机低温炼胶生产线将GK型和F型密炼机的优点揉合在一起，其技术性能、结构设计以及液压、电气控制以及产品质量等均等均已达到水平。与橡机企业德国HF公司GK320E/GK550ET产品相比，具有以下特点：

(1) GE320密炼机转子防尘密封采用内压式机械密封结构，它由一个固定在侧板上的静耐磨环以及跟转子转动的动耐磨环、安装在动环上的六组弹簧构成，动、静耐磨环均为剖分式，并在密封环表面堆焊了一层耐磨硬质合金，它的密封压力主要是混炼室内胶料对动耐磨环产生的推力，因此该结构的密封效果不受转子窜动的影响，具有密封可靠，使用寿命长的特点。

(2) GE320和GE590T密炼机转子内部沟槽均采用单向大螺旋形式，便于清砂，减少了铸造缺陷。

(3) GE590T密炼机转子冷却水端，设有止推轴承，转子由推力轴承承受轴向力并确定轴向位置，这种装置使得转于密封装置受力情况良好，温升低。

(4) GE590T密炼机转子防尘密封采用YCH液压密封结构，每个环上采用4个油缸直接加压，不需调整，安装维护非常方便。同时，该密封装置采用无油密封形式，静耐磨环采用C-C复合材料，该种材料自润滑性能好，且耐磨和耐高温。

(5) GE590T密炼机转子密封的每个环上的油压可以分开调节，这样就减少了油耗，更好地控制了密封环地温升。

(6)上顶栓的位置可以在整个炼胶过场中，通过线性位移传感器、伺服阀及PLC控制，可以使得每一车胶料的均匀性趋近一致。

(7) GE320和GE590T密炼机主电机均采用高压交流变频驱动，多单元串联矢量控制高压变频器（恒转矩控制）。具有中性点漂移功能，保证电机正常运行（保证密炼机正常出料）；输入电流谐波：54脉冲二极管整流，19电平IGBT/PWM逆变，谐波在3%以下，功率因数达到95%以上。

(8) GE320密炼机的液压驱动系统改进为上下顶栓单独驱动，大大提高了油泵的使用寿命。

4课题实施方案

4.1研究与开发技术方案

项目研制实施方案：

年：完成项目调研、方案设计以及各项前期工作；

年：完成上密炼机GE320、下密炼机GE590T，以及XK660液压调距开放式炼胶机图纸设计、样机制造及产业化前期工作；

第三年：完成样机制造，购买和安装调试生产设备，实现产业化生产。

4.2主要方案及工艺流程

(1)主要方案：

①新型啮合型转子应用及开炼机新型液压调距装置研发；

②新型c-c复合材料无油润滑密封的研发；

③主电机交流变频控制系统研发；

④串联式密炼机现场在线控制系统及温度闭环控制系统研发。

(2)工艺路线：

①生产与技术的准备，包括：工艺设计和专用工艺的设计和制造，生产计划的编制、生产资料的准备：

②毛坯制造，包括铸造、锻造等；

③零件加工，包括切削加工、热处理、表面处理等；

④产品装备，包括组装、总装、调试等；

⑤产品服务，包括安装调试、售后服务等。