广州市华南橡胶轮胎有限公司 黄爱华
一百多年前，胶料混炼在开放式炼胶机上进行，配方材料敞开式加入，炭黑和化工小料不可避免地在周围空间飞扬，既污染环境，又难保证混炼胶质量。至1916年英国工程师Banbury 发明了具有上顶栓压砣、下落式卸料门与混炼室构成的密闭式炼胶机，使橡胶、炭黑和助剂能在一个特定的全封闭机械空间内混炼。随后二、三十年里，他又对密炼机的加料、卸料、冷却、压料装置进行了一系列的改进和完善，使配合剂的漏出减少、操作安全、人力劳动减轻、生产效率提高，产品质量与工作环境得到改善。人们为了纪念Banbury对密炼机的划时代贡献，把切线型转子密炼机命名为“Banbury Mixer”。
至今为止，橡胶混炼加工理论没有出现革命性突破。虽然我们使用的密炼机从外型上几乎看不到变化，但长期以来全球密炼机研发制造企业投入大量研究和创新实践，对炼胶机理认识更加深入，在密炼机领域的转子技术、上顶栓驱动和压力控制技术、炼胶温控技术、混炼室密封技术，以及机型升级规格延伸，使橡胶工业在新材料配方开发、高效生产和提高均匀性、节能减排方面不断进步。
密炼机位于橡胶生产头道工序，生产的胶料质量对在制品加工工艺性能、制成品质量、过程生产成本有相当重要的影响和起关键作用；同时炼胶工段是耗能大户，以轮胎生产为例，炼胶能耗占全厂总能耗的35%～40%；密炼机的机械性能和工艺性能优劣，还关系到现场清洁文明以及热胶废气产生量的大小（胶温越高，产生热胶废气越多）。
因此，我们要充分认识密炼机及其炼胶技术在橡胶生产领域的重要位置，牢记“抓好了密炼机就抓住了炼胶的牛鼻子”。本文简介近期（重点是本世纪以来）国内外密炼机的技术成果和发展趋势，供橡胶产业的技术与管理人员分析参考。
一密炼机的技术进步
1. 密炼机转子创新
密炼机转子是密炼机的核心零件，它的变革总是与新材料发展，新技术要求，以及人们对优质胶料、高效节能生产的不懈追求联系在一起。表1列出有代表性的密炼机转子的发展历史及其应用特点。
表1 密炼机转子历史及其性能特点
转子类型
问世
发明人
性能特点
剪切分散型 2W
1916
Farrel
转子工作有速比，胶料主要在棱尖与室壁之间受强烈剪切，炭黑分散快，剪切生热较大。
剪切分散型 4W
W.P
转子工作有速比，胶料主要在棱尖与室壁之间受强烈剪切，炭黑分散快，剪切生热大；炼胶效率高于2W转子
啮合混合型K／E
1936
Farrel/W.P
转子工作无速比，胶料主要在转子中间受到啮炼混合作用，室壁间的剪切作用较少，转子径向尺寸较大，胶温上升较平缓。适用于对温度敏感的配方材料混炼。
剪切分布型ST
1988
Farrel
转子工作无速比，胶料在棱尖与室壁之间受剪切，也被推向中间搅合。提高均匀分布作用，温升相对较缓和。
在分散和分布功能方面趋于比较均衡。同比F4w转子，炼胶效率高10.6%，胶料均匀性提高15%。
分布剪切型Zz2
1993
W.P
转子工作有速比，相对4W转子其剪切作用减少，胶料轴向流动翻滚较多，分布均匀，炼胶温升较缓和。
剪切分布型6W MTVC
2001
神户制钢
转子工作无速比，每条长棱与室壁之间的间隙分成大、中、小三段，轴向运动的部分胶料可从这些间隙中翻过棱峰，有减缓剪切分散、提高均匀分布作用。胶料温升趋于缓和，炼胶效率与ST转子处于同一水平。
分布剪切型 NST
2004
Farrel
转子工作无速比，一边长棱与ST一样，另一边长棱螺旋角加大、棱加宽，与ST转子相比会将更多胶料推向中间搅合，均匀分布作用加大，温升趋于缓和。适用于温度敏感的配方材料混炼。同比ST转子占比体积约小2％、则工作容积增加约2％、炼胶效率提高5.6%。
从上述发展历史看来，橡胶密炼机转子是由剪切分散为主，向分散和分布兼顾的发展过程。以啮合混合型K／E 、ZZ2、6w MTVC、NST为代表的转子，在提高炼胶均匀性、缓和炼胶温升、较大范围地适应各种配方方面，都有很好的表现。
表2列出用Farrel密炼机系列转子NST、ST、2w在某工厂生产终炼胶，进行连续一个月生产的对比测试数据。
表2 密炼机不同转子用于终炼胶生产的性能对比
项目
样本1
样本2
样本3
密炼机规格
F270
F270
F270
转子结构形式
NST
ST
2w
1份配方胶料重量 kg
218
218
208
转子速度起始/结束 r/min
40/40
39/30
43固定
气缸压力起始/结束 Mpa
0.54/0.5
0.54/0.5
0.59 /0.5
设定工艺温度：混炼室壁℃
32
32
32
转子℃
82
82
71
下顶栓℃
38
38
38
平均混炼时间 S
58.36
63.31
68.44
平均炼胶周期时间 S
86.94
91.89
97.02
平均排胶功率 kwh
8.78
10.62
无数据
1小时产量 kg/hr
基于加料和排料的炼胶周期总时间28.6 S
9015
8564
7742
胶料质量：连续1个月生产胶料的批次，流变仪测试数据的标准差Mh（std dev）
0.33
0.94
1.09
结论：2w转子为基准比较，产量增加率 %
16.5
10.6
参考基准
ST转子为基准比较，产量增加率 %
5.3
参考基准
-9.6
2w转子为基准比较，胶料均匀性提高 %
70%
15%
参考基准
ST转子为基准比较胶料均匀性提高 %
65%
参考基准
-16
从对比可见，不断优化结构的密炼机转子，可给用户带来越来越可观的质量生产效益。
2. 交流电机与变频驱动器的密炼机应用
用交流电机变频驱动替代直流电机的密炼机拖动和调速技术，为炼胶工艺提供更佳效率曲线，这是因为密炼机要求在很短的时间内有很高的输出，而在炼胶周期的长时间内只要求低的电机电流。在部分过载运行情况下，AC电机工作起来比直流电机高效。据国外的评估对比，用交流变频取代直流密炼机的电机调速时，平均能提高20%的电能利用效率。例如在国外轮胎工业某工厂，一台直流电机驱动的320啮合密炼机，每小时3吨产量，消耗2，600，000kwh/年（6，000小时/年运转），装交流电机变频调速后，由于它效率很高，每年减少用电650，000 kwh。在我国，交流变频电机应用在密炼机拖动的优越性也得到了广大用户认可。
3. 炼胶工艺压力调控技术
炼胶压力主要由上顶栓压料装置施加。早在上世纪50年代，我国上海橡胶机械厂就研究开发在50L密炼机上应用液压上顶栓压料装置，国外在上世纪80年代中期研究液压压料装置技术，真正被应用到实际生产是90年代，推广应用是在本世纪初。至今，密炼机的上顶栓压力驱动控制普遍由液压伺服驱动技术替代了传统的气缸驱动。
为确保油缸漏油不会进入混炼室影响混炼胶的质量，两个油缸液压油缸对角装在加料加压装置侧边，通过横梁导轨（杆）机构驱动上顶栓。图1所示示一种液压上顶栓和加料装置的构成。
图1 密炼机的液压上顶栓和加料装置
使用液压压料装置的密炼机，加料门和上顶栓均可与气动式的保持通用。因此对仍还在线的气动式压料装置，都可用液压式来替代升级。实际应用表明，密炼机液压上顶栓压料装置对比传统气缸式，有如下优缺点：
1）液压式采用伺服阀控制压力，响应速度快，上顶栓能在炼胶过程中自动上下移动寻找压力平衡位置，对胶料的压力始终保持设定压力值，稳定的压力参数对炼胶质量均匀很有利。
2）由于稳定的炼胶压力，为缩短炼胶周期时间提供了条件，有利于挖潜炼胶产量。
3）改用不可压缩流体液压驱动上顶栓，同比压缩空气驱动上顶栓的消耗动力能源，综合成本降低40%～45%。
4）在改善环境方面：首先是消除了压缩空气的排放噪音；更重要的是液压驱动上顶栓运行平稳得多，使井口段的动态气流吸/排引起的“喷粉”明显减少，现场粉尘污染小得多；另一个优势是压料时由伺服压力闭环控制，上顶栓浮动时对井口板明显减少横向撞击力，不但磨损大大减少，高频噪音也明显下降。
5）液压压料装置的制造成本比气动压料装置高
图2是替代气缸式的密炼机液压式压料装置结构示意图。
图2 适用于对旧密炼机改造的液压加料压料装置
1.油缸 2.井道 3、4.连接锁紧装置5.横梁 6.导杆 7.上顶栓8.圆柱销 9.活塞杆 10.井道盖板
更有意义的是液压加料装置实行的胶料压力能智能化控制。上世纪气动比例阀控制压陀压力，在一定范围拓展了工艺参数柔性，当今的液压压料装置智能控制压力技术。例如，H.F密炼机集团开发的“智能柱塞控制技术（iRAM）”，是通过位置传感器、压陀数字控制器等构成的专用电子控制器，高速闭环控制液压站元件与执行机构，驱动压料装置的压陀快速升/降、轻轻触底、位置浮动。图 3是用 “智能柱塞控制（iRAM）”控制上顶栓陀体的位置曲线，可见混炼阶段作用于胶料的压力是很稳定的。
图3 炼胶周期的上顶栓陀体位置控制（iRAM）
4 转子密封装置
当今密炼机转子密封装置主要采用端面动态式，两个精密平面在介质压力下或外力（如弹簧力、液压力）的作用下相互贴紧、一动一静相对回转运动而构成动态密封装置，同时外部高压注油系统往密封端面注入润滑油减少磨擦。
转子端面动密封装置有外压式和内压式。内压式依靠混炼时胶料向外挤时的压力使动密封圈压紧在静密封圈上，但胶料向外运动的压力变化很大，所以内压式压紧力是很不稳定的，密封效果不良。后来大部分密炼机采用外压端面密封技术结构。
外压端面密封装置主要有拨叉油缸压紧式（FYH式）、拨叉弹簧压紧式、油缸直压式。
1）拨叉油缸压紧式(简称FYH）。拨叉板的一端固定连接油缸在一起，压缩弹簧对拨叉板产生一定的预紧力。工作时油缸通入压力油，由于活塞杆不移动而缸体移动，从而带动拨叉板往外移动，拨叉板中间有支点起着杠杆作用，使其另一端的运动转化为对压紧环压紧力。
2）拨叉弹簧压紧式的结构与拨叉油缸压紧式相似，把油缸换成了弹簧。结构简单，压力较小，适用于中小型密炼机和加压式捏炼机。
3）油缸直压式密封装置，在密炼机转子端面固定的动密封环，与在混炼室壁固定的静密封环构成一对机械密封，由分布在外端面的4个并联油缸直接向静密封环施加压力，使静密封环的密封面贴紧动密封环的密封面，见图 4 所示。在动、静密封环接触面之间，注入高压润滑油，起减少磨擦生热、保证良好密封作用。油缸直压式密封装置结构简单，压力均等，密封面受力平衡，有很好的密封效果，大量使用在高温高压密炼机中。
图4 油缸直压式密封结构示意图
密炼机转子密封的工作好坏，关系到密封油消耗量大小、密封环寿命长短、环境影响正常与否、维修投入资源大小，多年来国内外密炼机制造企业持续对转子密封装置进行研究改进。在整合F、WP和Pomini技术资源基础上，H.F密炼机集团研发了“iXseal”转子智能密封控制技术。基于分析密封环在炼胶周期中承受压力是变化的，啮合型密炼机的密封环不需要在全周期过程受高反压。转子旋转一周，上顶栓液压压力在50～70 bar范围，那么施加到动、静密封环之间的作用力是可变的。iXseal技术根据炼胶周期中密封区域动态，在线计算需要的压紧力和润滑油量，控制密封压力和润滑油的供应量恰到好处。其机械结构是基于对油缸直压式优化改进的HDC式。
图5 HDC 密封结构示意图
据国外的GK320E应用iXseal测试数据表明：一个炼胶周期中的低压占39.3%、高压占60.7%，用iXseal技术的每份胶料平均可减少53.6 ml密封油量。
5. 强化传热能力和优化温控装置
炼胶温度是非常重要的工艺参数。在合适的稳定温度场条件进行炼胶，是得到质量稳定的必要条件。又由于炼胶过程产生大量的剪切生热，要求密炼机有能力带走大量的热量以减缓温升。近三十年来，密炼机的传热效率和温控装置技术得到不断改进和优化。
1）转子内腔结构设计了强制循环冷却结构，淘汰中空式。
图6示出两种传热效率比大得多的强制循环冷却结构。a为螺旋槽循环冷却结构的转子，工作段与轴装配焊接为整体，有最大的传热能力带走热量，这种冷却结构常用在啮合性转子和GK密炼机转子；b 为棱尖/超级冷却结构，有较大的传热面积和最好的强制水循环，据称热交换效率比早期的棱尖冷却式（ST转子所用）提高50%左右。炼胶生热被带走更多，结果能使胶料剪切应力增大。这种冷却结构为Farrel主流转子NST采用。
图6 转子的强制循环冷却结构
2）为使冷却系统带走更多生热量，密炼机混炼室两侧壁的转子耐磨端板增加钻孔水冷却通道。
3）以密炼机室壁温度为控制对象的新型温控装置更加高效。各区温控装置采用变频水泵驱动后，对动力电能消耗有了一定的节约。但从温控设计思想来说，考虑充分利用能源是必要的，更重要的是要让温控系统的温度特性曲线恰好地匹配密炼机部件的温升特性曲线，使两者的相互反应达到平衡。先进的温控集成控制器用新研究算法，硬件和软件都进行重新设计而成，直接控制密炼机室壁温度，而不是传统式只对水流温度控制（传统式的经常在操作点周围波动）；新的温控装置热交换效率高，动力电源利用率就高。
6. 低温升炼胶技术
高剪切有利于橡胶长分子断裂，炭黑分散也需要有较高的剪应力。高剪切伴随温度升高，当剪切温升过高时“剪切变稀”，不利于分子断链和炭黑分散，温度敏感的配方也不好适应，加硫胶在温度过高时会发生早期硫化。这些原因致使许多配方工艺为间歇式混炼，到达某一工艺温度就要排胶、冷却停放后再炼，这称为多段混炼法。段数越多炼胶生产率越低，物料和能源消耗越高，因此人们总是设法缓和炼胶温升，希望密炼机能在有效控制温度条件下，持续炼胶减少混炼段数。
对于密炼机设计的指导思想，Farrel认为：
认知冷却系统带走多少发热量，是理解橡胶密炼机新概念的重要一步。
实现有效的恒定温度条件下持续炼胶，意味着密炼机要做到有效地热传导、准确的温度控制、转子速度实时调变。
综合技术（机器结构、调速系统、强制循环流量、上顶栓压力的控制元件和软件等）有能力实现一步母炼的反应型混炼，减少母炼的混炼段数可使单位时间内获得更大的炼胶效率，从而减少公用工程消耗，增加经济效益。
当今为生产低滚动阻力轮胎，胎面胶使用高配比白炭黑配方，控制在＜160℃进行硅烷化反应炼胶，要求低温升炼胶工艺。有能力低温升炼胶的密炼机，是如下多项技术协同的结果。
显著提高机器的传热能力，如前面5. 所述。
智能控制上顶栓压料的压力，如IRAM技术方法。
炼胶周期内转子速度变化。
设计制造新型转子、新机型。
智能控制炼胶工艺
目前，低温升炼胶的密炼机主要有如下型式。
1）啮合型转子密炼机，具有很好的温升控制性能，加以智能控制系统控制炼胶工艺
参数，很好适应硅烷化反应炼胶生产。如图示为Farrel Intermix 密炼机炼胶的硅烷化反应工艺曲线，炼胶周期内能稳态地变速、恒定胶温限值下持续炼胶，使常规3～4段的轮胎母炼胶段数减少为2段。
2）串联式密炼机，常见的由一小一大规格的啮合型密炼机上下串接在一起。例如，320E在上方，550E密炼机在下方，320E带上顶栓，550E不带，直接接取320E卸下的胶料。炭黑分散主要在320E内进行，下方550E密炼机混炼室的内表面积与进入的批次胶料重量的比率比320E大得多，对炼胶温升的控制能力就大得多。低温升有利于胶料分布均匀，从而减少混炼段数，达到减少重复炼胶时间和能源消耗，较低粘度的橡胶甚至可以一段从母炼到终炼。另方面550E混炼室内的压力较GK320E低，胶料升温速率相对较小，里面产生的热胶废气也容易被抽排出机外。
基于串联密炼机的低温升炼胶特性，我国益阳橡胶塑料有限公司自主设计的90/180啮合串联式密炼机组，在下方180密炼机内就能完成低于95℃的非轮胎橡胶制品配方加硫混炼，实现了橡胶制品行业优质环保的低温一次法炼胶生产。
3）传热能力得到提升的分布剪切型转子，如NST、Zz4，协同速度调变、iRAM压力控制技术的密炼机，用于硅烷反应炼胶也有很好的工艺性能。
二新技术成果助力橡胶生产优质高效节能
密炼机的技术进步和创新成果，给予当今橡胶轮胎和制品行业发展相当大的助动力。尤其是本世纪以来，密炼机装备水平的提高，给用户进行开发新配方、优化生产工艺提供了更好的条件，明显提升了炼胶改善和经济效益。
1. 据国外报告，密炼机先进技术（AC变速/上顶栓位置控制/阻尘控制/在线能量平衡）的协同应用，能量消耗至少比20年前降低20%～40%。
2. 密炼机新型转子、同步转子相位调整、炼胶温度、压力、转速工艺参数的智能控制技术，使机器柔性化得到拓展，为炼胶工艺技术人员进行配方开发试验拓宽了参数范围，为不断推向市场的新材料应用以及进行生产配方优化提供了前所未有的装备技术条件。
3. 低温升炼胶密炼机技术解决了白炭黑硅烷反应炼胶工艺问题，使低滚动阻力汽车轮胎胎面胶生产告别了传统密炼机炼胶的高能耗、低效率和胶料不均匀的被动局面。表3列举一些轮胎胶料生产需要的炼胶段数。
表3 几种密炼机生产轮胎胶料的炼胶段数（+1为终炼）
配方
传统密炼机F370
新型密炼机 F440或BN440
串联密炼机320E/550E
全钢载重子午胎
胎面
5（4+1）段
4（3+1）段
3（2+1）段
带束
5（4+1）段
4（3+1）段
3（2+1）段
胎侧
3（2+1）段
2（1+1）段
2（1+1）段
胎面
4（3+1）段
3（2+1）段
2（1+1）段
半钢子午胎
带束
4（3+1）段
3（2+1）段
3（2+1）段
胎面
3（2+1）段
2（1+1）段
2（1+1）段
先进的轮胎企业用320E/550E生产半钢轮胎胎面胶，一天可生产170t终炼胶（含母炼）。同比常规密炼机400 L母炼+270 L 终炼的炼胶生产线，一天生产终炼胶100t左右。可见，低温升的密炼机在优质高产和节能环保方面具有很大的优势。
4. 新机型替代传统机型提升综合性能，是国内外密炼机企业构建新的竞争力行动之一。在全面评估已有产品性能的基础上，进行整体优化设计，实施机型更新，与传统机型规格对应，在密炼机总尺寸、总功率、操作方式不变的基础上，重新设计替代机型，目的是使密炼机消耗资源不增加，用户获得提高产量、降低炼胶成本、提高胶料均匀性的经济效益。表4以H.F密炼机集团的一些新旧机型为例对比。
表4 新旧机型的参数和性能对比
新型
旧型
新型
旧型
机型
F440/ BanburyR BM440N
F370
BanburyR BM700N
F620
工作容积
438 L
413 L
719 L
F4W — 632 L
ST – 690 L
转子类型
NST
ST
ST-SCR
F4W、ST
电机功率
2300 kw
2300 kw
3000 kw
3000 kw
标准转速
60 r/min
60 r/min
50 r/min
50 r/min
混炼室壁表面
堆焊Farrel无龟裂硬材料，更耐酸性气体腐蚀
堆焊Farrel 13#硬材料（有龟裂）
堆焊Farrel无龟裂硬材料，更耐酸性气体腐蚀
堆焊Farrel 13#硬材料（有龟裂）
转子耐磨端板
一分为二对称式、钻孔冷却
整体式，无冷却
一分为二对称式、钻孔冷却
整体式，无冷却
传热流道
混炼室壁钻孔，转子棱尖/超级冷却结构；耐磨端板通水循环冷却
混炼室壁钻孔，
转子棱尖冷却结构
混炼室壁钻孔；转子螺旋水道冷却，效率超50%；耐磨端板通水循环冷却
混炼室壁钻孔，
FAW转子中空冷却，
ST转子棱尖冷却
转子轴支承结构
锥形轴套与轴承装配，方面装拆。和装配精度调整
锥形轴颈与轴承装配
锥形轴套与轴承装配，方面装拆。和装配精度调整
锥形轴颈与轴承装配
上顶栓的重锤
修改连接活塞杆的结构和重锤底部结构，增加连接强度，用”keel”重锤的工作容积同比增加13 L
修改连接活塞杆的结构和重锤底部结构，增加连接强度，用”keel”重锤的工作容积同比增加20 L
排料口
加宽约30%，提高排胶效率
加宽30%，提高排胶效率
排料门与混炼室壁的结合面
同角度的斜面接触，不会产生粉末结块
斜面角相差1°线接触，缝隙中产生粉末结块
同角度的斜面接触，不会产生粉末结块
斜面角相差1°的线接触，缝隙中会产生粉末结块
L/D
L/D ≈ 1.5
L/D ≈ 2
机架
修改结构提高刚性，重新设计密封环保养位置结构，方便作业
修改结构提高刚性，重新设计密封环保养位置结构，方便作业
防尘密封
HCD油缸直压式
油缸直压式
HCD油缸直压式
油缸直压式
工艺控制
智能控制炼胶
iRAM压力控制
智能控制炼胶
智能控制炼胶
iRAM压力控制
智能控制炼胶
每车胶重，填充系数0.75、比重1.15
377.77 kg
356.21 kg
620.14 kg
F4W -- 545.1 kg
ST – 595.12 kg
BM700N的设计基本参数长径比L/D比F620减小后，混炼室和转子的一些几何尺寸发生较大改变，转子工作轴向长度减短、直径增大，获得条件优化循环冷却结构；相应混炼室长度减短、宽度增加，机架轴承间距减短，有利于转子轴刚性提高。较小的L/D对炼胶工艺也起到良性作用。表5以F620为参考基准，对工艺的优化性能作比较。
表5 长径比L/D的改变对炼胶工艺的优化作用
BM700N
F620
改变的结果
胶料轴向折叠次数
L/D = 1.48
L/D = 2.044
增加胶料折叠38.1%，可明显提高均匀性，存在缩短混炼周期的潜在机会。
50rpm的剪切速率/ S
228
216
剪切作用增加5.8 %
转子冷却结构
螺旋水道冷却
中空或棱尖冷却
大约提高50%的冷却效率，排料温度较低，有利于炼胶分散和分布，存在缩短混炼周期的潜在机会。
混炼室容积 L
719
F4W – 632
ST -- 690
增加 13.76%（比F4W）
4.2% （比ST）
从新旧机型结构和性能对比，可见密炼机持续技术创新的成果优势：
橡胶配方技术将能更好地应对新材料的挑战
炼胶均匀性和质量稳定性的能力指数提升到前所未有水平
密炼机占用资源条件不变，但每一批次胶料的份量增加、炼胶周期变短，单位时间的炼胶产量增加，单位重量生产量的能耗（kwh/kg）减少。
低温升炼胶减少热胶废气产生，是从源头上治理VOCS 的方向和措施。
参考资料：
2016-10-26“Farrel Banbury 百年纪念大会”的系列报告
《F270密炼机压料装置的技改和成效》，橡胶技术与装备，2015,01
2019年9月7日
