橡胶混炼设备使用现状与工艺发展

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橡塑技术与装备

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于清溪

（原化工部橡胶司，北京　　１０００１３）

摘要：分析了混炼设备的机型分类与对比，以及开炼机与密炼机的容量及功率比较。介绍了各种混炼设备的发展过程与现状，对比了各种混炼设备的特性、适用范围及性能参数。介绍了混炼室、转子及上下辅机的发展概况。最后展望了混炼设备的未来发展。

关键词：橡胶混炼设备；开炼机；密炼机；功率；转速；转子

中图分类号：TQ330. 43 文献标识码：B 文章编号：1009-797X(2007)05-0006-11

橡胶混炼是一个极为复杂的综合加工工艺过程。它同化学工程中的粉体、液体、气体的混合搅拌完全不同，是固体块状橡胶与粉末状颗粒填料、液态黏稠材料以及多种化学助剂等的多相性的配合、混合、捏合与分散的过程。因此，在混炼中必须使用挤压、剪切、翻搅和渗透性特别强的设备。目前，从生产技术上真正能完成这一使命的机械，只有开炼机、密炼机和捏炼机而已，人们不仅将其视为橡胶工业技术的核心，同时也是决定橡胶制品质量的最重要因素。

合3种形式；后者为椭圆形的结构，采用捏合机的结构，介于开炼机与密炼机之间，属于半密闭式，故又称之为捏炼机。

现在，密炼机历经四代的改进创新，早已成为轮胎厂、大型工业橡胶制品厂和胶鞋厂的主流混炼装备。然而，开炼机目前仍然是最基本的混炼设备，不仅工业橡胶制品厂和胶鞋厂，即便是轮胎厂也离不开它。半密闭式炼胶机的捏炼机，对非轮胎橡胶制品的生产更为有利。开炼机与密炼机的容量、功率比较见表1。

１．２　　开炼机

开炼机（Mill）是1820年由托马斯－汉寇克（Thomas Hancook）在英国创办全球第一家橡胶厂时发明制造的。原始的开炼机为人工驱动的带铁钉的2个木制辊筒。1839年，埃德温－查菲（Edwin Chaffee）完成开炼机的基本雏形，并取得炼胶加工设备的专利。1854年以光滑铁辊取代木辊，进一步加强了设备强度。以后虽经

作者简介：于清溪，男，教授级高工，原化工部橡胶司副司长。

收稿日期：２００７－０１－２９

１　　混炼设备使用分析

１．１　　机型分类与对比

橡胶混炼质量除了配方之外，主要决定于采用的混炼设备及其确定的工艺条件。目前使用的炼胶设备主要分为开放式和密闭式2种类型。开炼机按辊筒表面又分为光滑和沟槽2类形式，前者专用于塑炼、混炼和热炼，后者专用于破胶、粗炼。密炼机以混合室来说，又有固定型和翻转型之分。前者又按向心旋转转子形状分为椭圆形相切、三角形啮合和圆筒形咬

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表１　　　　开炼机与密炼机容量及功率比较

700大型机，以及长度超过2.5 m和3 m的巨型机750、850。目前，开炼机已经不仅用于橡胶，而且还普遍扩展应用到塑料、石棉等工业方面，其双辊相心旋转挤压的原理甚至扩展到钢材、建材、木材、纺织、印染和涂料等加工领域，开炼机在工业生产中，堪称神奇“万能”的机种。橡胶混炼最常用的规格为400×1 000中型机、560×1 530和660×2 130大型机3种，辊筒直径与长度比为1∶2.5~3.2，速比为1.08~1.15，中小型机前后辊筒直径相同，大型机辊筒前大后小，以利混炼操作。

开炼机根据用途虽然有破胶机、塑炼机、混炼机、热炼机、精炼机之分，然而除了破胶、粗炼之外，一般均采用同一机型，即以混炼机代替。开炼机虽可从塑炼到混炼一次连贯作业，但为获得高质量的混炼胶料，通常均实行塑炼、母炼和混炼分开，即从塑炼胶、母炼胶到混炼胶的三段炼胶方式。这样分段炼制的胶料，虽然时间要长30%~50%，但胶料的混合质量可以得到充分保障，并且有利于工厂大生产组织形态。

以标准型的550型开炼机为例，对于天然橡胶来说，一次投料量约为50~60 L，塑炼时间为5~10 min，母炼时间为25~30 min，混炼时间为20~25 min，总炼胶时间控制在约1 h上下。对合成橡胶由于具有黏弹性不如天然橡胶而塑性又大于天然橡胶的特点，在混炼时往往会出现“脱辊”、“粘辊”、“掉渣”、“散粒”等不利操作的现象，因而投料量要减少1/3（SBR、BR、CR）~1/2（NBR、EPDM）。合成橡胶虽然可以省掉塑炼工序，但由于混炼时间的延长，炼胶总时间也不会减少太多。因此，开炼机的生产效率是很低的。

开炼机除了生产效率低之外，还存在着不少其他致命的弱点：橡胶与配合剂材料的混合翻捣完全靠人工操作，手工动作多，劳动强度大，使人疲惫不堪；机械伤害事故多，容易造成工人致残死亡；粉尘到处飞扬，环境污染严重，职业病频发；混炼温度难以控制，设备动力消耗大；生产操作不规范，随意性很大；

批

多次改进，但基本结构没有出现根本性的变化。

百余年来，开炼机之所以久盛不衰，迄今仍在大量使用的主要原因是：①结构简单，价格低廉，易于维修，使用方便；②机动灵活，容易安装，有的甚至不需要安装可以随意整个移动；③操作直观，投料多少随意改变，混炼质量随时观察；④辊筒的间隙大小、旋转速度可以自由调整，适于天然及各类合成橡胶，对配合剂材料吞噬“吃药”的范围很广，既能炼黑胶又能炼白胶及彩色胶料，清洗非常方便；⑤可以一机多用，不仅能有效地进行混炼，同时也用于塑炼、热炼以及压片、出片甚至破胶、洗胶和粉碎、精炼等。

现在开炼机的尺寸规格已达10余种之多，小到实验室用的150和试验车间用的250微型机，生产现场使用的小型机350、中型机400和450，大到550混炼机和配套密炼机压片的650、

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次之间参差不齐，混炼效果的差异性明显等。正因如此，随着密炼机的出现和发展以及橡胶厂生产规模的大型化和合成橡胶的大量使用，从20世纪50年代之后，开炼机已逐渐退出轮胎生产等大型混炼领域。70年代有了翻转式密炼机以后，开炼机在工业橡胶制品厂和胶鞋厂等的使用也逐年减少。目前，除中小型橡胶厂和特殊橡胶的混炼仍以开炼机为主之外，主要是作为补充混炼的手段和密炼机下片、压延机、挤出机热炼供胶的主要机种。

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混炼），而使用密炼机不超过3~5 min（中速和快速混炼），极大地提高了生产效率。同时，由于混炼温度相应地由60~80 ℃提高到140~160 ℃甚至170~180 ℃，因而也加速了橡胶降解裂变的程度。

高温的混炼效果往往不如低温好，出现质量事故的频率也增加。因此，为控制温度的上升和使橡胶有恢复和熟化的机会，现在普遍采取多段混炼的方法。一般视橡胶与配合剂材料的种类、数量和混合的难易程度，将其分为1~4段混炼，配合药品可以分段加入，每次缩短到3~5 min，温度控制在140~160 ℃，最终一段加硫磺的温度要降到80~100 ℃，时间不超过1 min。这样可以有效解决胶料均混的问题。

密炼机除了先加胶、后加药的传统混炼程序之外，有时也常常采取同时投入的方式，个别场合甚至采用先加药、后加胶的逆序式混炼法，以达到短时间控制温度保证均混的目的。近年来，开始大量使用双速密炼机混炼，即高速下母炼和低速下混炼的方法。对于精细胶料有的还使用多速或变速密炼机混炼。高速密炼机大多配置强制冷却系统，以控制混合室内温度的上升，但水冷温度也不宜过低，以免引起混合室壁产生冷凝水而影响胶料质量。

密炼机的另一缺点是，肉眼无法观察橡胶混炼的情况，混合室也难以彻底清洗干净，夹胶、漏药、渗油等现象时有发生，给胶料质量性能、换料生产带来不少困难，同时也给设备维护保养和环境清洁带来诸多不便和不利因素。为了使密炼机的混炼质量达到开炼机的水平，多年来一直在不断进行研究改进，现已发展到第4代产品。

汉寇克最初设想的密炼机（Mixer）为1837年专利记载的像切菜机那样的单螺杆搅刀机，只能用于天然橡胶的塑炼。1913年，德国W&P（Werner and Pfleiderer）公司最早取得了GK型密炼机（Gummi Kneter）的技术专利并随后投入生产，以后逐步发展为现今的GK型密炼机。因系在机内混炼，故又称为印泰美型（Intermix），简称G型。1915年，在该公司工作过的Fern－

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１．３　　密炼机

使用密炼机炼胶可以有效克服开炼机的上述一系列缺点，而且生产效率还可获得几倍到几十倍地提高。例如与550型开炼机投料容量大体相同的3A型密炼机，一次混炼的生产效率为开炼机的3倍。同样，投料容量为140 L的11号密炼机则为550型开炼机的11倍左右。一般开炼机的混炼由于完全靠手工作业，其辊筒直径和长度往往受到限制，只有在400~560 mm×1 000~1 530 mm之间，人的操作活动才可以随意自由正常。大到660 mm×2 130 mm和750 mm×2 500 mm之时，一次投料量要达90 L和120 L，对一般操作人员来讲就感到有些吃力。如再增大到860 mm×3 050 mm、容量达171 L，可说已达一般人的体力极限，非少数年轻力壮工人莫属。而密炼机由于机械投料和自动排料，从小到20~90 L到大至120~200 L乃至280~600 L，不受任何限制。

近些年来，密炼机伴随着上辅机的橡胶、配合剂材料的自动称量、运输、投料系统日臻完善，以及下辅机由开炼机辊筒下片改为螺杆机辊筒压片，还有下工序连续冷却装置和自动堆放运输系统的连续化，炼胶已成为微机、光机电一体化的自动生产线。因此，一次投料量更进一步扩大到280、470、600 L，出现了F370、F620和GK650、F800等超大型、巨型机组。

密炼机的一次混炼时间，也由于转子转数从常规的20 r/min慢速提高到30~40 r/min中速乃至60 r／min的快速，较之开炼机缩短了5~10倍以上。原来用开炼机要30~40 min（仅为一次

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Ley H．Banbury发明并申请了有别于印泰美型的以发明人命名的班伯里型（Banbury）密炼机，然后回美于1916年在美国法雷尔（Farrel）公司开始生产，几经发展改进，由初始的以数码命名（1、3、9、11、27）到加注英文字母的A型、D型，一直到现今的F型。

G型和F型2种密炼机的结构基本是相同的，它们都把开炼机的剪切挤压式圆形辊筒改为棱形曲轴式辊筒。所不同的是F型为线形相切的椭圆形辊筒，G型为线形啮合的三角形辊筒。由于辊筒转子形状的不同，不仅密炼机与开炼机的混炼效果不尽相同，同时2种密炼机之间也存在着微妙的差别。

1934年，英国人R. Cook取得与开炼机辊筒形状相同的转子呈圆筒形带齿的咬合式密炼机专利，并在英国弗兰西斯－萧（Francis－show）公司投入生产，称为K型密炼机。该机从投料量3 L的K1微型机，一直发展到510 L的K10巨型机，主要着眼于合成橡胶并谋求解决难混胶料的炼胶质量问题。1937年意大利波米尼（Pomini）公司对咬合式密炼机又作改进，研发出同开炼机一样可调整转子间隙的可变辊距密炼机，接着又出现了转子速度相同的同步转子密炼机。现在，K型密炼机继F型和G型之后，已成为橡胶混炼的又一大机种。

从现实使用情况观察，F型的班伯里机和G型的印泰美机都堪称为典型的标准密炼机，各具特点，各有千秋，互为补充，不相上下。而K型的弗兰西斯机可视为取代开炼机的改型密炼机，除具有F型、G型通用性的用途之外，在特种橡胶的混炼和特殊用途方面，显示出独到的特点。

际上为半密闭式的炼胶机，故而人们又将其称为捏炼机（Kneader）。捏炼机虽然转子同密炼机一样，但整体结构简单，价格便宜，而且可以两面加料，翻转排料，混炼过程中也可观察混炼状态。尤其是一般不用安装，可以整体移动，使用起来非常方便，因而发展十分迅速，其数量已远远超过标准型和改进型的密炼机。

多年来，捏炼机经过不断改进完善，性能不断有所提高，有效地代替了开炼机混炼，现已成为密炼机的另一大流派。捏炼机的投料容量也由初期的3~55 L逐步扩大到75~200 L，近来还出现类似GK650、F620和K10那样的投料容量高达500 L以上的巨型机。捏炼机正在同密炼机争夺剩余的市场，现已在胶鞋和工业橡胶制品生产领域占据优势的地位。

捏炼机实际上属半密闭型设备，自动化程度也低，可以说是介于开炼机与密炼机之间的中间产品。环境污染仍是有待解决的大问题；同时不宜炼硬胶，使用受到一定限制。在生产效率上，混炼时间虽比开炼机缩短1倍，但较之密炼机要长2倍。通常，混炼一车料要15~20 min，因此生产效率仅为同类密炼机的1/3左右。然而它的动力消耗较低，一般仅为开炼机的1/2，而且像开炼机一样换料方便，易于清洗，特别适于小批量多品种交替生产的方式。

１．５　　连续混炼机

尽管密炼机已达到很高的生产效率，每个混炼周期缩短到3~5 min的很短时间。然而，间歇式生产带来的批次之间的胶料质量差异始终难以彻底解决，同时给生产线连续化带来一定困难。因此，连续混炼一直成为橡胶业界梦寐以求、执著追寻的方向。从1845年H.Bernly和R.A.Broomun在英国制成人工驱动的压出机，1854年发明柱塞式压出机用于古塔波橡胶电缆生产，到1880年开发螺杆式压出机生产轮胎用橡胶零部件和1945年开始用于天然橡胶塑炼之后，历经半个多世纪漫长岁月的摸索，终于在1950年研发成功以螺杆挤出为特征的连续混炼机。

螺杆连续混炼机虽然在塑料工业很快得到

１．４　　捏炼机（半密炼机）

为推进开炼机的密闭化和密炼机的可视化，1958年日本神户机械最早推出了橡胶用的捏炼机。接着日本森山（Mori－Yama）公司在1960年也研发出介于密炼机和开炼机之间的混合室可翻转的密炼机，称之为伲达型（Kneader）密炼机并申请了专利，简称M型，从1970年起，在橡机市场上开始推广。它形似密炼机，但实

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了应用推广，但在橡胶工业中却遇到了重重困难和诸多难题。50多年来，虽多次作为开发重点，但时断时续，历经坎坷，迄今人们已经开发了几代产品。多年来，一直生产F型密炼机，最近又收购拥有K型密炼机生产技术的Farrel公司研制的连续混炼机，已由FCM到FTX、KCM到MVX再到ACM系列。这类混炼、排气、挤出式的连续混炼机，到现在已进行了4代的改进。生产G型密炼机、历史最久的W&P，其连续混炼机也由ZSK发展到EVK。这种挤出、排气、捏炼型的连续混炼机，如今已进入到第6代。最近，意大利Pirelli在它们的基础上又研发出CCM型连续混炼机。

螺杆连续混炼机具有许多优点：①它使传统的间歇、间断式混炼实现了连续化，形成前后一条龙的自动生产线，既节省了生产场地又减少了存放地点和停留时间，大幅度地提高了经济效益；②可以免除密炼机及其上下辅机的庞大系统，使设备小型化，流程缩短，大大节约了工厂一次性设备投资；③降低生产噪音和动力消耗，使生产环保得到进一步改善；④使生产操作温度、时间、速度和混炼数量、质量都能得到可靠的控制，减少了间歇生产不同批料之间出现的异常波动差异，质量性能的均一性更加有所保证；⑤人员减少，劳动强度进一步降低，有利于实现生产自动化无人操作。

上述特点，为橡胶厂特别是生产带、管、条、板及异型材等制品的工厂实现全厂自动化提供了美好前景。然而，由于目前橡胶的颗粒化以及配合剂材料的均匀分散等问题尚未完全解决，其使用范围仅限于颗粒状橡胶和配合剂材料数量、种类不多的电缆、热塑性弹性体等的混炼设备，对于橡胶制品的混炼尚未进入实用化、产业化的阶段。攻关的重点，主要是对双螺杆的改进和投入配合剂材料的均混。研究设想方向是采用塑料的同向平行往复式销钉双螺杆挤出机（Buss）、异向旋转锥形双螺杆挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机等相互组合的形式，以期研发出新的适于橡胶用的螺杆混炼机。不过，橡胶连续混炼机真正达到能进入产业化的

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时期，看来仍尚需时日。

１．６　　机种特性比较

目前，已产业化的混炼机有密闭式、半密闭式和开放式3种混炼机。其混合室填充系数、转子形态、动力消耗、加排料方式、混炼特点、适用范围以及设备价格和生产效率高低等都是各不相同的，归纳起来如表2所示。

综合对比结果，3种类型混炼设备各有特色，难分伯仲。这也是它们迄今仍各自能占领自己市场的主要原因，对使用者来说，应该视用途和规模而确定选型。

２　　混炼设备工艺发展

２．１　　总趋势

混炼设备的开炼机已经基本定型，作为传统机种多年来没有大的改变，不过机电控制系统仍在不断现代化，生产量已处于稳中有降的趋势。与之同时，密炼机和半密炼机由于工厂规模大型化和生产效率化，近些年来不断在发展变化。新机型不断涌现，容量的超大型化，转子转数从中速、高速到多速和无极变速，同时动力加强型的密炼机也日渐增多。最近更出现了时控、温控和能控的功能密炼机和全自动化的智能型密炼机，形成了从橡胶和配合剂材料储运、称量、投料、混炼到排料、压片、冷却、存放等可循环生产的自动化生产线。各类密炼机（捏炼机）主机的性能参数，见表3所示。

２．２　　混合室

随着轮胎厂生产日益大型化、效率化，密炼机混合室也在上顶栓加压化和室壁强冷化取得成效的基础上，不断向大容量、高填充系数的方向发展。

50年前普遍生产使用的大型机种11号，经过A型和D型的改进，现已发展到F270、F370的超大型机组，有效容量由140、160 L增大到200、280 L。而总容量30~40 L（有效量20~30 L）的小型机和60~120 L（有效量40~90 L）的中型机已很少生产使用，处于濒临淘汰的状态。目前超大型机F270、F370正成为轮胎厂的主流机种，相对应的GK300和GK400也深受青睐。多

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表２　　橡胶混炼机种类特性及适用范围

年前，总容量相当于11号密炼机2.2倍、生产效率为550开炼机27倍的27号密炼机，由于热散困难、排料接受难度大等原因长期未能推广。而今，世界各大密炼机生产厂家皆已纷纷推出比27号机（有效容量350 L）更大的、有效容量可达460~490 L的F620、GK650的巨型机，并且在轮胎厂得到成功地使用。进入21世纪，更进一步出现F800型、有效容量达600 L的机组巨人。

同时，适于工业橡胶制品厂和胶鞋厂等用的、以多品种小批量、白色彩色胶种和橡塑并用见长的K型密炼机和M型半密炼机，近年来也日益出现了大型化的趋向。微型和小型机除了供作研发和中间试验之外，在橡胶厂生产上已无人使用，而大中型机则开始占据主导地位，主要为投料50~180 L的K4~K7和55~150 L的M55~M150。目前，这两种机型也出现了总容量高达851~1 150 L（有效量为500 L）的K10和M500巨型机，以满足橡胶厂大型专业化和更多地专业母料、色料厂大量向中小橡胶厂供胶的需要。

混合室有效容量的填充系数也在逐年提高。配置椭圆转子的班伯里机，已由原来A、D

型的0.65~0.70提高到F型的0.75；带有三角转子的印泰美机平均已达0.70以上；咬合式的K型仍较低，多为0.60；翻转式的M型机最低，一般在0.45左右。近年新的改进型已大为提高，有的甚至高达0.85。由于三角转子和圆筒转子在混合室中的剪切啮合和咬合力大，其动力消耗也要比椭圆转子增大10%~20%和30%~40%。在强力混炼时，F、G、K三种类型密炼机的动力功率都要相应加大1倍以上。一般的M型半密炼机则由于有效利用系数低，剪切作用相对小，因而动力消耗也要低很多，配置电机功率一般仅为F型机的60%左右。

混合室与转子、排料口缝隙的密封，近年来由于使用一系列新的设计材料，采用内压式机械密封结构，使夹胶、漏药、渗油等多年来一直难以解决的问题也大部减少到最低限度，密炼机的环境得到很大改善。过去，为便于混合室清洗而设计的多段联结或两壁向外分开式结构的机型，也仅推广了一段时间。由于它使混合室的结构复杂化，加上近年来内壁加工进一步光滑化，转子的动密封已得到一定解决，通常在工艺上使用清洗胶一般也可清洗干净，

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表３　　各类密炼机（捏炼机）性能参数

注：1. 无极变速转子速度为10~60；

2. GK250为我国创新研制的机种。系列化规格有GK45、GK90、GK320和GK520。

因之，混合室的结构尽量趋向简单化，可开闭混合室已不再作为发展重点。

混合室的压力，随着上顶栓直径已加大到近乎转子直径的水平和单位压力也由气动改为液压达到0.4~0.6 MPa，较前有了成倍提高，对改进混炼效果起了关键作用。目前许多橡胶厂使用时已不再是固定压力，而是根据填胶量和

混炼状况不断调节压力。即开始时用高压，进入混炼状态之后改用低压，并开发了一种位置指示器（PRI），可从位移曲线变化观察填胶量的多少和混炼的质量。同时，还可根据不同种类的橡胶和配合剂材料的数量，来确定不同的加料量和相应的上顶栓压力。

２．３　　转子

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转子对混炼的影响最大。因此，为提高炼胶质量和生产效率，减少混合生热和动力能耗，都将转子作为重点来研究，对其几何形状、角度、配置、棱数和长短棱比、转子转数、速比、冷却和间隙进行对比。据称，现在研究开发的转子种类已达36种之多，但目前生产使用达到产业化的主要还是椭圆形、三角形和圆筒形3种基本形状结构，前两者为相切型、啮合型，后者为咬合型。前者的棱片为提高剪切频率，已从多年标准型的2W逐步增加改为4W、4WH、ST到ZZ2型，生产效率提高了20%~30%以上。目前6W1型也开始进入实用阶段，电机功率也相应增加20%~30%。咬合型的棱片也出现了PES1、PES3和VIC等导型棱片，并且开始扩及用到F型和G型的转子上。新的啮合型Co-flow密炼机的特点是L/D值大，投料可以顺/逆时针流动，填充系数高达82%，对各种胶料的混炼效果都比一般啮合型转子好。

混炼的剪切作用机理，在开炼机基本上是由辊筒间内外剪切力和翻捣达到提高混炼的目的。在密炼机对相切转子如2W、4W、4WH、ST、ZZ2等主要是靠两转子之间的剪切为主，啮合和咬合转子如PES1、PES3和VIC等则要靠转子与混合室之间的外剪切为主来达到混炼的最终要求。内外剪切及其混合的剪切力可殊途同归，但混炼效果毕竟不尽一致，消耗动力也不尽相同。

一般来讲，相切型转子间隙宽广，易发挥上顶栓压砣压下效果，填充系数高，吃胶速度快；而啮合式转子的冷却面积大、橡胶升温较慢，软化剂油的混入快。混炼的顺序和胶料动向，前者为分散/混合，向转子中央方向进行；后者为混合/分散，向外侧混合室壁方向前进，因而转子速度前者也较后者快5~20 r/min。综合起来分析，相切型转子有利于轮胎胶料，啮合式转子对工业橡胶制品难混料更显现出优越效果。因此，以相切型转子为特征的F型密炼机和以啮合式转子为特征的G型密炼机，都在转子上相互借鉴各自优点，出现了上面所述的各类新式转子。

现在，最常用的4W转子密炼机，以F270为例，在标准速度20 r/min下配置的电机已由2W的400 kW增大到600 kW，增加50%；容量由270 L减至245 L，减少10%上下。为充分发挥密炼机快速炼胶的优越性，转子的旋转速度也跟着成倍和成2倍提高，使混炼时间大大缩短。原来同开炼机速度基本相同的20 r/min单一慢速密炼机也已基本被淘汰，代之以30/40 r/min和40/60 r/min的双速的中速和快速密炼机。70年代一度达到40/80 r/min的大型高速密炼机，在因生热和混炼质量问题而停顿数十年之后，如今由于成功地解决了强冷和温控问题又被提上议事日程。转子速度的提高，同时也带动了电机功率的大幅增加。以F270机来说，从20、40、60 r／min到80 r／min，配置的电机分别要提高到510、710、1 000、1 600 kW和2 000 kW，每段平均约增加20%~40%之多。

转子速度同混合室大小和混炼时间长短有着密切关系。通常在设定混炼为10 min时，微型机（有效量3~10 L）的转子转数最高可达150~250 r/min，此时仍可将混炼温度控制在规定的140~160 ℃之内，因此一般平均在100~120 r/min下操作。中小型机（有效量30~100 L）也可达80~ 100 r/min。而大型机（有效量110~190 L），在正常情况下为60~80 r/min。对超大型和巨型机（有效量200~600 L）目前仍停留在40~60 r/min的速度，多数在40 r/min下操作，只有少数达60 r/min。

高速混炼必然使生热显著上升，为此大多采用低温水强制冷却的方式，使温度得到控制。然而，水温过低时常会在混合室壁上出现冷凝水，对胶料质量产生极为不利的影响。因此，人们不得不将出口水温进行控制，一般来讲，对天然橡胶为30~35℃，丁苯橡胶等合成橡胶可达40~45℃。高速混炼往往还会产生橡胶过度塑化，造成混炼不均以及凝胶、解聚、焦烧、自硫等增多的现象。从混炼质量来看，大多希望以较低温度和较长时间混炼为宜。

为取得混炼质量与效率的平衡，适应各种胶料不同的混炼要求，现今密炼机大多采用双

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速的方式，并逐步向多级变速的方向发展。通常利用快速高温进行塑炼、母炼，以中速低温进行混炼加硫磺。目前微小型机大多已改为无级变速，中大型机也为多级变速，超大型和巨型机大多为双速，20/40和30/60。不同速度和变速混炼给炼胶带来了极大便利，可以根据胶种、配方和胶料的软硬程度来选择最佳的混炼条件。同时，双速混炼可使时间相对缩短1倍以上。如20 r/min时为10 min，40 r/min即可降至5 min，60 r/min则进一步缩短到2.5 min，80 r/min可减到2 min以下。为解决高速混炼使温度急剧升高和时间大幅缩短给胶料带来的诸多不确定因素和减少胶料性能的波动偏差，现在普遍采取多段混炼的方式。多段混炼的效果非常突出，甚至远远超过低温长时间一次混炼。

转子直径以圆筒形来说，几乎与同容量的开炼机辊筒直径相同，例如K6的总容量168 L，有效容量为100 L，其转子直径为600 mm，而大体同一容量的650型开炼机有效容量为92 L，辊径为660 mm。密炼机的投料口和上顶栓，为适应快速投料和加压混炼的需求，其直径也逐渐扩大至近乎转子直径的程度，一块35 kg重的橡胶不用切开可以一次投进，设计压力可达0.5~0.8 MPa，以满足炼制特硬胶的要求。

由于子午胎的发展，轮胎硬胶不断增多，一般标准型的密炼机已显得力不胜任。近年出现了功率更大的强力型密炼机，而且正逐步占据主流。同一规格密炼机，强力型所用电机功率比普通型的一般要增大1倍。60转F270普通型为525 kW，强力型为900~1 300 kW。现在超大型以上到巨型机几乎已全部为强力型机，电机功率最高达到3 000~3 300 kW以上，成为单机吃电的大户。与之同时，混炼含有白炭黑的胶料时不仅对转子使用限度是个考验，同时也对混合室带来侵蚀性，由此使密炼机的使用寿命由通常的10 a减到了7 a，有些甚至短到不超过4 a。因此，除了推出新的转子之外，还出现了可变间隙的密炼机，在混合室中能提供可变阻力和可变速度的密炼机等等。

目前在美欧等国家，同步相切型转子的F

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型密炼机大约57%用在轮胎厂，23%用于工业橡胶制品厂，塑料厂占13%。与之相似的啮合型转子G型密炼机，除5%用于轮胎和79%用于工业制品之外，电缆占7%，塑料占有6%。近年G型密炼机除了GK－N型之外，由于大力发展了PES3型转子更适于子午胎橡胶混炼的GK－E型，扩大在轮胎厂的使用。咬合型转子的K型密炼机约有80%用于工业橡胶制品厂，其余用在轮胎厂等方面。日本及东南亚等国对翻转式的M型半密炼机使用甚多，大约1/2左右用于工业橡胶制品厂，1/3用在胶鞋厂，其他多为塑料加工工厂所用。

２．４　　上下辅机与自控系统

上下辅机及其自控系统是实现密炼机大型化、高速化、强力化的重要前提条件。如果2~3 min一个周期、一次产胶200~300 kg的超大型密炼机，仍沿用传统的以人为主的投料和排料方式，其劳动强度之大是不可想象的，已经远远超过了开炼机。同时，环境污染和胶料质量问题也顿现，使用密炼机的优越性尽失。为此，人们对上下辅机系统装置的机械化自动化，多年来投入了巨大力量，付出了昂贵代价。

50年前出现的相当于550型开炼机27倍生产效率的27号巨型密炼机，有效容量350 L，一次混炼400 kg胶料，当时下辅机要配置4台650型开炼机加硫磺压片，排料分配相当困难，多个工人来往穿梭，忙乱不堪；使用1台850型开炼机，虽可一次加硫磺压片，但工人在这种庞然大物面前操作，劳动强度很大，不胜其力，终因遇到种种困难，无法普遍推广而中断。因此，密炼生产多年来一直停留在大型密炼机混炼和配置1~2台开炼机加硫磺压片的密炼机与开炼机同时串联的程度。而更多地是采用2台开炼机一台加硫磺另一台压片或2台交替接胶压片、加硫磺压片的生产方式。

对快速和高速密炼机来说，显然是2台开炼机压片已无法适应密炼机的生产要求，于是螺杆压片机应运而生，并出现随密炼机大小而专门配置的双锥双螺杆，直径从360 mm×150 mm、480 mm×200 mm、600 mm×250 mm、750 mm×

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300 mm、935 mm×415 mm到1 080 mm×500 mm的各种大小辊径（350~850 mm）的辊式螺杆压片机。而且大多与密炼主机连成一个机组，压片宽度可从400 mm到1 200 mm，从密炼机间歇投料、排料到螺杆机连续压片一直到挂片机冷却堆放，形成一条上下15~25 m高、前后达20~40 m长的生产线。现在可以说，下辅机已经完全实现了自动化。

上辅机系统也基本实现了半自动化，粉体填料从储斗和液体软化剂从储缸开始皆已达到自动输送、自动称量和自动投料的三自动程度。配合小药也已达到自动输送称量，集中混合并同橡胶一起机械投料的水平。整个配合时间可在1~2 min之内完成，同主机运行完全匹配，并且达到高度精确的标准。除橡胶之外，几乎所有配合剂材料皆可在管道和密封装置内通过气流或机械输送形式达到密闭化目的，环境污染问题得到一定解决。

现在，上下辅机已成为一个庞大的系统，其复杂程度大大超过密炼机本身，所花的投资费用高出主机2~3倍。整个系统实行PLC控制，达到了一机化的效果。微机、电脑、光机电、传感器等的采用，还可以随时了解混合室混炼以及投料、排料的具体情况并及时进行调整，大多数可以做到自动显示温控、时控，或功率积分仪能控混炼的质量情况。过去常需10人以上操作的大型密炼生产装置，在实现了PLC化后已减少到2~3人。目前已实现在一个小的电子计算机室内可以指挥全车间多台密炼装置的生产，使橡胶厂的密炼车间实现集群化和群控化。近年来，还出现了智能型密炼机，对混炼温度、时间和能量不仅能够实行测量、控制，而且还可以自动通过改变转子速度、上顶栓压力、冷却条件等进行自动调节，以达最佳混炼效果。

同一设备有效容量，密炼机组的占地面积仅为开炼机的约1／10，而生产效率则为其10~30倍，操作工人节省更多。但密炼机组要立体安装，需高达20 m以上的多层建筑，形成一个庞然大物。设备一次投资费用往往高达1 000多万元，巨型密炼机组甚至要达到2 000万~3 000万元的巨额资金，电力消耗占到工厂的1/2左右。因此，这样的资金密集型设备，除了大型轮胎厂之外，对一般中小型橡胶企业来说令人生畏，望而却步。密炼机未来改革发展的方向，到底是大中型为主向高速化发展，还是走超大型、巨型化的中低速方向，仍是众说纷纭，有待今后在实践中解决的一个课题。

另一方面，不管密炼机的大型化还是高速化，都是间歇式生产，容量的增大和时间的缩短都会使混炼差异性机率增加，而每次开机的电量消耗更是一个沉重负担。为此，节能型、功能型、环保型密炼机更是人们追求的方向。节能降耗、小型高效，应该是混炼的重要课题。同时，炼制子午胎含白炭黑的胶料使混炼难度进一步增加，对密炼机的适应性也提出了挑战。在这种技术指导背景之下，当螺杆连续挤出在塑料等行业取得重大技术进步的今天，橡胶工业许多人对连续混炼又重新燃起希望之火，给予更多关注。

迄今为止，螺杆技术的发展在橡胶工业生产中不仅已取代了开炼机压片，同时也大部代替了开炼机热炼。螺杆挤出机由压出橡胶零部件发展到注压成型硫化机，已使非模品和模制品的压出、成型和硫化实现一机化，形成了连续自动化一条生产线。螺杆机更早在60年前的1945年即已用于天然橡胶的塑炼，出现了直径达250（功率155 kW）、300 mm（功率245 kW）和350 mm（功率310 kW）的大型塑炼机，每小时生产量可达900~2 200 kg。

然而，螺杆挤出用于橡胶混炼，不管从1 950~1 960年美国开始出现FCM连续混炼机，经过单双螺杆、收敛螺径、多段螺刀等各种螺杆形式，改进到如今的FTX、MVX机，还是德国由ZSK发展到EVK已经商业化的传递式连续

３　　未来

现今，大型现代化的密炼机组已成为橡胶工业现代化的主要标志之一，使橡胶加工真正由劳动密集型转化为资金和技术密集型，由此晋升到现代制造业。

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混炼机，都仍存在着许多有待解决的问题，尚无法同密炼机相提并论。不过，最近连续混炼机在热塑性弹性体（TPE）等方面取得的突破性进展，使其在橡胶混炼的实用化进程中又大大向前迈进了一步。

综观上述情况，橡胶混炼在未来相当的时间内，将是继续处于多种机型共存发展的状态。它们的侧重有所不同，从各自特点出发，分别选择自己的服务对象。轮胎厂主要以超大型密炼机为主，F型对多种橡胶的适应性和G型对硬胶混炼的优越性，将成为选择的基础。不过，这两种密炼机正在相互借鉴，对转子形式是采用四棱相切型、啮合型或是其他型，可以由用户根据胶料要求选定。上顶栓采取液压还是气动的何种方式也由客户自己选择。因此，F型与G型的区别日益缩小，共性越来越多。现在G型密炼机在转子上已发展到GK-N和GK-E两大类别五六种转子形式共20多个规格型号。

工业橡胶制品厂大多以大中型密炼机为佳，其中适于炼制难混硬胶、高填充胶料的K型将更显威力，同时翻转式的M型半密炼机的应用范围也日趋广泛。对于以色料混炼为主的制鞋厂，价廉物美的各种M型密炼机将成为主要机种。

尽管如此，对于所有橡胶厂来说，开炼机仍将是它们补充混炼的重要手段。特别是对于占90%以上的众多小型橡胶厂，从一机多用、节

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省设备投资角度出发，开炼机仍不失为最佳选择的机种之一，尤其对特种橡胶加工厂更是不可缺少的设备。今后，大多数工厂还要继续采用密炼机与开炼机并用的生产方式，历经百年沧桑的开炼机依然是橡胶工业的一种象征。

我国现已成为年消耗橡胶440万t和热塑性弹性体（TPE）62万t以上的全球第一大国。有30余家橡机企业生产炼胶机，年销售3 000台开炼机、500台半密炼机和100多台密炼机。目前大连橡塑机厂的F型和益阳橡塑机厂的GK型密炼机，以及上海、江苏、浙江、辽宁、四川等地橡机厂生产的半密炼机（捏炼机）和开炼机已经蜚声海内外。青岛科技大学也开发出螺杆连续混炼机，并且进行了成功鉴定。今后，即将迎来在开炼机、密炼机、半密炼机（捏炼机）等的基础上，又有连续混炼机加盟，互为补充，相互竞争，共同发展的新时代。

参考文献：

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全球橡机概观. ERJ，2005，187. 3/4，14~16.

Present service status and process development

of rubber mixing equipment

Yu Qingxi

(Former rubber bureau of the Ministry of Chemical Industry , Beijing 100,013 China)

Abstract: Analyzed the type classification and the contrast of the mixing equipment, as well as themachine compares with densely the machine capacity and the power. Introduced each kind of theequipment developing process and the present situation, contrasted each kind of the equipmentcharacteristic, the applicable scope and the performance parameter. Introduced mixing chamber, therotor and the up and down stream equipment development. Finally it forecasted the mixing equipmentdevelopment in future.

Key word: rubber mixing equipment; open mill; internal mixer; power; rotating speed; rotor

(XS-03)

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