從 Farrel Banbury 百年紀念看密煉機新發(fā)展

一、前言

2016 年 10 月 26～27 日，在英國工業(yè)革命發(fā)源地---曼徹斯特（Manbchster，UK）的科學與工業(yè)博物館舉行了“Farrel Banbury 百年紀念大會”，主辦方是整合重組世界密煉機三大巨頭（Farrel、Werner and Pfleiderer、Pomini）的德國 H.F 密煉機集團。

一個世紀以前，英國工程師 Fernley H. Banbury 對 19 世紀出現(xiàn)的密煉機初型進行創(chuàng)新改革，發(fā)明成果“Banbury Mixer”以他本人名字命名，從此密煉機具有上頂栓壓砣和下落式卸料門，使橡膠、炭黑和各種配合劑能夠在全封閉的機械空間內進行混煉。Banbury 密煉機在美國 Farrel 制造，隨后的二、三十年里，他又對密煉機的冷卻、混煉膠卸出、配合劑加入、壓陀進行了一系列的改進和完善，使生產效率提高、配合劑的損失減少、產品質量與工作環(huán)境改善、操作安全便利、勞動強度減輕的密煉機發(fā)展作出劃時代的貢獻。

一百周年的 Farrel Banbury 紀念大會選擇在著名的曼徹斯特科學與工業(yè)博物館舉行，讓出席大會的全球橡膠工業(yè)高端人士重溫英國乃至世界工業(yè)的發(fā)展歷史，同時也感受近代工業(yè)文明給我們的生活和工作帶來的便利。人們在為世界橡膠工業(yè)發(fā)展做出革命性貢獻的科學家表達敬意的此時此地，心靈撞擊著勵志宣言，寓意密煉機在新的百年一定能為橡膠工業(yè)技術革命站上新的高點。

在密煉機設計制造商眼中的未來，下游市場的趨勢是：

1. 新聚合物發(fā)展將不停止

2. 現(xiàn)有的聚合物將升級，有功能性的，也有結構性的調整

3. 現(xiàn)有的配方將要優(yōu)化，將會用高含量的填充劑（價格影響），較大量的液體聚合物（性能改進，經(jīng)濟性），填充劑的功能化表面（特性）

4. 新配合劑將助力成本的減少

5. 橡膠工廠規(guī)?；厔?，密煉機容量普遍傾向于大規(guī)格；

6. 橡膠工廠產品周期變得越來越短，要求規(guī)范的變化越來越快，新產品煉膠工藝需要不斷適應，密煉機工程化項目會增加。

7.能源成本將上升為主要因素，煉膠擔當責任重大。

二、大會內容

紀念大會主旨內容包括資深設計專家的成果報告、材料發(fā)展挑戰(zhàn)密煉機的應對措施、測試分析方法和手段、輪胎生產企業(yè)與密煉機廠商的共贏發(fā)展，以及參觀位于英國的 Farrel 密煉機制造工廠。

自從 2010 年美國 Farrel、意大利 Pomini 通過德國 H.F 收購，與德國 W&P 一起歸并于 H.F 密煉機集團以后，他們之間沒有了市場競爭，構成強強聯(lián)合、優(yōu)勢互補、技術共享的新體制，主導全球密煉機技術發(fā)展的主流趨勢，表現(xiàn)在下列五個方面。

（一）經(jīng)過一個世紀以來的不斷改進和發(fā)展，密煉機已經(jīng)成為橡膠行業(yè)通用的膠料加工設備，面對二十一世紀下游市場的要求，密煉機設計制造商致力不斷改進和完善之。從煉膠技術工藝的前景看來，至今尚未開發(fā)出可以取代目前相切型密煉機和嚙合型密煉機的其他煉膠設備。因此，現(xiàn)有的這兩種類型密煉機仍將是今后世界橡膠工業(yè)制備膠料的主要裝備，其地位尚未能動搖。

（二）從外觀和使用形式來看，密煉機主機形態(tài)幾乎沒有變化?，F(xiàn)實生產中，配方變化是常態(tài)，而密煉機的可變范圍是有限的，結果就會有生產效率和膠料質量的水平波動。新材料要求更精細地匹配煉膠工藝，當一種具有調節(jié)配方輔助性能的改良材料進入市場時，如果下游企業(yè)只是簡單地基于原有配方進行替代和試驗，而沒有改變密煉工藝，這種情況下配方可能得不到好處，或僅有部分來自于新性能改進和改良材料的好處。因此希望密煉機的參數(shù)范圍更寬并方便可調。

今天的密煉機能在如下方面提高機器柔性，來適應材料配方不斷要求的工藝變化。

1. 自從切線型密煉機引入同步混煉以來，不同轉子相位能夠提供給特種型號的材料明顯的優(yōu)勢，這些相位已經(jīng)被用戶利用于重大的產量和質量改進。這些相位是為不同的切線型密煉機特別提供的，可是在一臺密煉機上利用變化相位的所有優(yōu)勢是不容易的。獨立驅動切線型密煉機的方法，在一個煉膠周期中也能夠改變轉子的相位，在最短的煉膠時間內達到最好的質量。

2. 可變內嚙合間隙（VIC）將允許內嚙合機器有更多用途。轉子軸承裝在離心式齒輪襯套內，齒輪襯套通過蝸桿作用，蝸桿旋轉時，轉子中心沿圓軌跡移動，從而改變混煉室內轉子與轉子、轉子與混煉室壁之間間隙，個性化地適應多樣化煉膠工藝要求。

3. 轉子幾何形狀多樣化和優(yōu)化，用戶總是可以根據(jù)自己的情況選擇到一定范圍內最優(yōu)

適配工藝性能的轉子。

4. 面向各種橡膠制品、不同規(guī)模、使用特種配方的橡膠生產企業(yè)，相切型和嚙合型這兩大類型的密煉機，從大約 1.5 公斤膠/份的實驗室用微型機，到 600 公斤膠/份左右的巨大機型，產品規(guī)格均已系列化提供選擇和匹配機群。

5. 對一臺具備可變的轉子速度、上頂栓壓力、上頂栓位置、熱界面和智能化工藝控制功能的密煉機，加上用戶配方填充系數(shù)的變化，幾乎可解決今天配方的所有要求。用戶要做的就是變化參數(shù)的系列試驗，優(yōu)選到該配方最適配的密煉機工作參數(shù)，確定為自己的煉膠工藝。

6.通過大幅度提高熱交換冷卻能力、開發(fā)新型轉子 NST、嚙合型密煉機大型化，煉膠參數(shù)和等溫工藝智能化控制、以及發(fā)明一大一小兩臺嚙合型密煉機串聯(lián)機組等的一些列技術創(chuàng)新成果，不但解決了綠色輪胎配方的硅烷反應煉膠的效率和膠料均勻性，還拓寬了密煉機可適應工藝范圍，使更多、更新的材料配方有很好的生產性能。

（三）Farrel、Pomoni、W&P 集合在 H.F 密煉機集團旗下以來，優(yōu)勢互補，各品牌系列產品在優(yōu)化細化改進中融入了相互的優(yōu)點，全新設計的機型也陸續(xù)走向市場。他們還致力于高效率低耗能密煉機的有關工作，對各機型進行大量分析試驗基礎上，策劃創(chuàng)新改進，其中一些技術研究或成果顛覆著傳統(tǒng)概念。

1. 除了用現(xiàn)代的交流電機與變頻驅動器裝配密煉機組，比直流電機時代增加了 20%的高效低耗，還在研究驅動系統(tǒng)模塊。據(jù)稱，用 4 到 6 個電機，通過專用減速箱驅動嚙合型密煉機轉子。由于嚙合型密煉機在眾多煉膠周期中運轉在部分負荷條件下，他們經(jīng)常工作在遠離優(yōu)化速率功率而非高效率，必要時增加電機通過開關通斷來抵消這個問題，可以保證電機運轉在最佳效率范圍。

2. 在普遍采用液壓上頂栓以后，發(fā)明了 iRAM 智能上頂栓系統(tǒng)，通過專用的數(shù)字控制器，實現(xiàn)高速閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)和液壓上頂栓，驅動壓陀在煉膠周期中快速升降、輕輕觸底、實時在任意位置上均勻浮動。據(jù)稱，沒有哪種上頂栓能夠與之等同。iRAM 的功能和許多令人感興趣的方面，可用于開拓潛在很寬的工藝工程范圍。一個國外的實踐經(jīng)驗表明，iRAM 上頂栓控制能夠節(jié)省清掃階段和減少通風階段，這結果使減少的煉膠時間可達 25%的水平。這也能夠節(jié)省有意義的能量。液壓上頂栓系統(tǒng)和 iRAM 除了這里描述的節(jié)能潛力以外，還提供大范圍的工藝優(yōu)化能力。

3. 對原有變頻水泵驅動的溫控裝置，新設計溫控集成控制器。設計原則是工程師不但必須知道密煉機部件的溫升特性曲線（例如流動速率的壓力損失），而且也要知道溫控裝置的（克服背壓功能的流動速率）。首先要對這兩個特性關系進行系統(tǒng)的分析，然后個性化檢測密煉機的循環(huán)，對每個溫度循環(huán)泵作出恰當選擇。結果，循環(huán)水泵的規(guī)格可比原設計小至 30%。據(jù)稱，HF 已經(jīng)設計制造了專用的控制硬件和軟件，證明節(jié)能明顯。密煉組分和溫控裝置互相作用的知識也在這個技術設計中起了決定性作用。一旦分析了整個系統(tǒng)的相互反應，就可以研發(fā)穩(wěn)定控制的算法，這種溫度集成控制器能直接控制密煉室壁溫度，而不只是水流溫度，不會像常規(guī)的溫控裝置經(jīng)常在操作點周圍波動。

4. 相對于相切型密煉機，嚙合型密煉機的密封區(qū)膠料壓力較小，于是開發(fā)出轉子密封系統(tǒng)“iXseal”，一個概念是：合理減少潤滑油消耗獲最小成本、延長密封環(huán)壽命、主機驅動的負荷減少。

深入細致的試驗分析表明，嚙合型密煉機的密封環(huán)不需要在全周期過程受高反壓。以簡單的形式來看，把密煉機的密封比作 4 個圓形剎車片，如果他們連續(xù)地承受高壓力，對主電機的能量消耗就有影響。于是設計 iXeal 的結構和軟件，智能化減少密封負載和油量，結果就減少驅動轉子的負載動力，以及密封油消耗。而在相切型密煉機的密封智能控制方面，正在與德國一家大學合作研究，該大學教授報告了研究和進展。

5. 深入檢查和全面評審了作為下輔機的雙螺桿擠出壓片機 CONVEX TM ，這一領域延伸的比較試驗已經(jīng)表明，雙螺桿擠出機的螺紋形狀在操作特性方面起重要作用。通常，螺紋直徑錐度使得進口區(qū)比排料區(qū)的輸出能力高得多。正是這個原因，大比例的混合轉變?yōu)椤伴]環(huán)”（即回流）從擠出機的前面到后面區(qū)域。一個優(yōu)化螺桿的新設計，考慮減少大量的回流（機器功能不需要的），這使驅動螺桿的能源減少至 33%。

6.全新設計的 Banbury RBM700N 密煉機，是 F620 的替代機型。在 Banbury RBM700N 中，完美體現(xiàn)了 Farrel 與 W&P 的技術優(yōu)勢融合。設計特征和主要優(yōu)點是：加料部分沒有喉板，減少了阻力限制，采用了底部形式為 Keel tm 的上頂栓，沒有死角，并增加 20 升膠料； ST-SC○ R超級冷卻轉子，冷卻效率比 F620 的 ST 轉子高 50%以上；減短轉子長徑比，使膠料的水平運動距離減短；轉子直徑加大、內部冷卻水道改變，提供給混煉膠料更佳的能量效率；引入第三個注油器，分散注油；加大了轉子端板的介質傳導表面；下料門寬度尺寸加大很多，使卸料更快且不會掛膠；新結構 HCD 阻塵密封組件，4 個油缸圓周均衡壓力分布，用彈簧預加載。

（四）密煉機對高效率和低能耗煉膠的新貢獻

在進入本世紀以來，電機交流變頻調速驅動取代直流電機調速，電能的節(jié)約率不低于 20%。更新的交流變頻驅動技術還將刷新這個數(shù)字。在嚙合型密煉機方面，正在試驗的新傳動系統(tǒng)模塊呈現(xiàn)節(jié)約能耗的有意義數(shù)據(jù)。

在一臺規(guī)格和動力配置一定的密煉機上，如果單位批次能生產更多的膠料，或達到同等質量均勻性的煉膠周期能更短，就是效率更高和能耗更低的煉膠生產。以上提及的技術改革創(chuàng)新使機器柔性和工藝適應性范圍更大以外，在高效率低能耗生產方面情況如下。

1.在生產同等量膠料時，規(guī)格越大的密煉機單位重量膠料的動力消耗、人力和折舊成本越低，所以大規(guī)模生產的橡膠企業(yè)已經(jīng)趨向選擇 550E、BM700N，用作終煉膠時同樣滿足工藝質量要求。

2. 采用 NST 轉子和液壓上頂栓“Keel”壓陀，等同規(guī)格密煉機的凈容量得到增加。例如，BN440N的凈容積 438 升，F370 的 413 升，與 F370 相比，每批次可增加膠料 21.56kg（填充系數(shù) 0.75、膠料比重 1.15 時）。

3. iRAM 智能上頂栓系統(tǒng)的位置控制方法，使煉膠周期中不需要清掃并減少通風，直接減少周期時間 10 S，再是實時變化的壓陀位置使膠料壓力很穩(wěn)定，到達膠料均勻性指標的煉膠時間就更短。

據(jù)稱，國外有些企業(yè)的某些配方減少總周期時間甚至達 25%！還有一個亮點是，由于壓陀“輕輕觸底”，大大減少批次膠料中的粉料升揚、由此抽風量可減少，加上壓陀的位置控制作用，使投入的配方粉料基本沉降在混煉室內，使配方各組分就更真實貼近設計用量。

4. 把設備故障潛在風險降到最低，使設備結構在故障修理時方便拆裝，是追求高效率和低成本生產的橡膠企業(yè)所期盼的，因此新密煉機在常見故障多發(fā)部位作了很多細致優(yōu)化和改進，其中有：進料口喉板表面改用硬鋼涂層以加強抵抗硅烷反應氣體的腐蝕；卸料門寬的尺寸加大約 28%，幾乎不可能出現(xiàn)排膠卡阻，同時卸料門組合傳動改為對稱驅動以均衡工作應力降低零件的機械疲勞；壓陀與活塞桿的剛性連接加大了桿直徑，相關零件結構優(yōu)化到能便捷裝配；重新設計機架（剛性保持），改善修理轉子密封環(huán)的操作空間使工作時間縮短。

5. ST-SC○ R超級冷卻轉子增加 50%冷卻效率以后，更多煉膠生熱被帶走的結果，是作用膠料的剪切應力增加。據(jù)稱，批次煉膠周期時間減少可達 10%或更多。

6.串聯(lián)式嚙合型密煉機，嚙合型轉子有較寬的工藝范圍。在上方密煉機里完成分散混煉，下方密煉機的內表面積與批次膠料重量的比率比常規(guī)密煉機大得多，對煉膠溫度控制能力就很大，有利于完成膠料的分布混煉，從而減少混煉段數(shù)，使重復煉膠的時間和能源消耗減少，甚至低粘度的膠料能夠一段完成到終煉。據(jù)稱，對于一份常規(guī)炭黑母煉膠，潛在可節(jié)省 25%的時間。對于白炭黑硅烷母煉膠，潛在可縮短 45%的煉膠時間以及獲得相應的能源消耗降低。

（五）上下游結盟更緊密。百年來密煉機順應橡膠工業(yè)發(fā)展的持續(xù)要求，所作革新優(yōu)化的結果也必須經(jīng)過實踐來檢驗評估，才能得到市場認可，因此密煉機任何一個變革，都是與下游用戶緊密合作的結果，合作得到雙贏。印度 Apollo 報告了與 Farrel 合作以來，隨著規(guī)模發(fā)展不斷進行煉膠技術改造和工藝優(yōu)化，相應容量的密煉機同比，今天的利用率提高 8～9%，產量增加 60%，一次不合格膠料減少了 56%，快檢結果均勻性和批次一致性提高 40～50%因而使抽檢頻率減量，這些成果直接減少了工廠的投資和營運管理投入。當然， Farrel 在這里得到了連續(xù)穩(wěn)定的應用試驗條件。

H.F 披露了 2016 年完成的米其林 TIGAR 輪胎煉膠工廠項目——交鑰匙工程服務成果。眾所周知，米其林歷來喜歡直接控制專業(yè)經(jīng)驗，由內部工程師團隊研發(fā)和建立所有需求的機器和工廠，內部不能開發(fā)的就拆分細類給供應商。隨著市場競爭激烈和成本越來越高的經(jīng)營環(huán)境，他們開始接受咨詢顧問建議，利用外部技術共同推進發(fā)展，于是與長期合作的 H,F 把項目延伸到交鑰匙工程，充分利用對方的工程資源，自己需要做的是在內部設計（定方法）與 OEM 解決方案（買方法）之間找到平衡。H.F 在自己的技術中心進行廣泛的測試運轉確認每一種輪胎的混煉時間，工程師團隊研究完整的 TIGAR 密煉車間設計，包括信息化系統(tǒng)：EQP 設備裝置（傳感器/執(zhí)行器等）→DS/CS 菜單模塊→（菜單裝置功能，控制）→ES 自動化模塊（自動化裝置功能，域應用）→MES 辦公室應用（基本的車間功能，辦公室應用）→ERP 企業(yè)資源計劃（中心數(shù)據(jù)平臺）。項目三個階段是：a)工程和建造階段，包括構造機器、軟件開發(fā)實驗、虛擬工廠、軟件試驗；b) 安裝階段;c)開車和生產階段，包括 I/O 檢查、空試車、投料試車、可靠性考核。該項目從合同簽訂到通過驗收在兩年內完成了，工程和建造時長不變，但縮短試車生產時長達到 1/3。通過 TIGAR 項目他們萌生一個共同意愿“我想也有一些機會共同開發(fā)解決方案——在目前市場還沒有的方案。那是比現(xiàn)有的更好和更有利益的”。

三、結束語

筆者為中國橡膠工業(yè)企業(yè)的長期從業(yè)人員，管理了各種密煉機的應用，見證了我國橡膠工業(yè)的高速發(fā)展，在“Farrel Banbury”新世紀元年有如下感想：

1. 新材料不斷走向市場，是導引密煉機和煉膠工藝技術進步變化的源動力。橡膠工業(yè)企業(yè)需要采用先進煉膠設備，更要努力用好先進設備功能來創(chuàng)新優(yōu)化工藝，就一定能提高煉膠生產效率、降低能耗、穩(wěn)定膠料質量。

2. 先進密煉機制造的每一個創(chuàng)新成果，都是緊密進行“產學研”的過程和結果。期望我國密煉機制造依托“產學研”平臺，堅定信念持續(xù)技術創(chuàng)新，為用戶提供更多性能優(yōu)越的密煉機產品。

3. 經(jīng)歷百年的橡膠密煉機混煉技術持續(xù)長青，相信密煉機在新的百年粗壯婆娑，橡膠工業(yè)也將依托新材料新裝備在智能煉膠道路上不斷獲得創(chuàng)新發(fā)展成果。