李志華,金秋華,宮莉莉(青島科技大學機電工程學院,山東青島266061)

摘要:介紹了在氣力輸送系統(tǒng)中炭黑的破碎機理,分析了炭黑破碎率的影響因素,指出炭黑品種,炭黑的堆積密度、壓碎強度和不同粒徑質(zhì)量分布等物性,輸送管道長度及其布置、輸送壓力和炭黑輸送速度等工藝參數(shù)是影響炭黑破碎率的主要因素,并通過實驗結(jié)果進行了論證。

關鍵詞:炭黑;破碎率;氣力輸送

中圖分類號:TQ 022·3文獻標識碼:A文章編號: 1000-1255(2008)03-0165-04

炭黑作為一種填充劑主要用于增強橡膠,改善橡膠的性能如應力、拉伸強度、撕裂強度、硬度等,并以此提高橡膠制品的質(zhì)量。炭黑對橡膠的增強作用主要與炭黑的用量、結(jié)構(gòu)、粒徑和油含量以及表面活性有關。Veith等[1-3]研究表明,粒徑是炭黑最重要的性能之一。炭黑破碎率是指炭黑進入煉膠過程時其粉末含量百分比。炭黑的粒徑大于125μm稱為粒,粒徑小于125μm稱為粉。粉末含量高的炭黑不但會延長混煉周期,降低生產(chǎn)效率,更重要的是會影響煉膠質(zhì)量。炭黑破碎率越低,越有利于提高煉膠質(zhì)量。由于炭黑在進入密煉機煉膠之前,通常需要通過氣力輸送系統(tǒng)將其輸送到指定位置,然后進行稱量和投料,因此,分析炭黑在氣力輸送系統(tǒng)中的破碎機理,以及不同品種炭黑、不同輸送工藝參數(shù)對炭黑破碎率的影響,是降低炭黑破碎率的研究重點。

由于影響氣力輸送炭黑過程的因素很多,如炭黑的品種、物性、幾何形狀和尺寸分布,輸送壓力、速度,管道幾何尺寸、管道布置及管道材質(zhì)等,因此,進行準確計算是不太可能的。但是通過綜合分析和實驗驗證,確定影響氣力輸送過程中炭黑破碎率的主要因素及其問題解決的方案,用其指導炭黑氣力輸送設計和調(diào)試及正確使用,是非常有現(xiàn)實意義的。

1　炭黑破碎機理

從顆粒在輸送氣流中的運動形式來看,顆粒由于彼此尺寸和質(zhì)量存在差異,使其受到的空氣阻力不同,顆粒的運動速度大小和方向都發(fā)生變化,引起顆粒間產(chǎn)生明顯的速度之差,彼此產(chǎn)生摩擦和碰撞[4]。即使是尺寸、質(zhì)量、形狀完全相同的炭黑顆粒,運動時處于不同的管道位置,其軸向速度、徑向速度和周向速度均有差異,顆粒也會相碰,從而引起炭黑的破碎。

從能量的角度分析,輸送炭黑時,粒子(粒子質(zhì)量為M,速度為U)的動能為1/2MU2,當炭黑粒子與管壁或罐壁發(fā)生碰撞時,速度降低造成能量損失,產(chǎn)生的應力正比于粒子產(chǎn)生的能量損失。當應力超過炭黑粒子壓碎強度時,即發(fā)生破碎;否則不會發(fā)生破碎。因此,影響炭黑破碎率的主要因素為輸送速度、粒子質(zhì)量、料氣混合比和粒子壓碎強度。

2　炭黑破碎率的主要影響因素

2·1　炭黑品種

在同一氣力輸送系統(tǒng)及相同的輸送工藝參數(shù)下輸送炭黑,炭黑品種不同,其破碎率不同。圖1為不同品種炭黑在相同輸送條件下的實驗結(jié)果?？梢钥闯?不同品種炭黑的破碎率有很大的區(qū)別。

2·2　炭黑物性

2·2·1　堆積密度

不同廠家生產(chǎn)炭黑的堆積密度存在一定的差異,放置時間的長短也會影響炭黑的堆積密度。放置時間越長,炭黑吸收水分,其堆積密度增大,造成輸送阻力變大,輸送變得困難。因此,對于堆積密度大的炭黑,為了避免輸送管路堵塞,需要較大的輸送壓力和消耗較多的空氣量。輸送壓力的提高和空氣量的增大,使得料氣混合比下降,輸送速度提高,增大了炭黑顆粒之間的碰撞力和炭黑與輸送管內(nèi)壁的摩擦力,導致炭黑破碎率增大。

2·2·2　壓碎強度

在輸送距離、管道布置和輸送參數(shù)相同的條件下,炭黑粒子的壓碎強度越大,輸送后其破碎率的增量就越小。為了保證輸送后的炭黑破碎率小于5%,對于輸送距離大于100 m的氣力輸送系統(tǒng),炭黑粒子的壓碎強度應大于25 g;若輸送距離小于100 m,炭黑粒子的壓碎強度也不得低于22~24 g[5]。

2·2·3　粒徑分布

粒徑分布對破碎率的影響主要是基于強度的尺寸效應,即材料強度的測定值隨著顆粒的大小而變化。顆粒越小其強度測定值越大,越不易在輸送中發(fā)生破碎。因為顆粒越大其包含缺陷的可能性也越大,裂紋也可能較多。在相同低速密相氣力輸送系統(tǒng)中,炭黑N 660和炭黑N 234在輸送前后的不同粒徑大小的質(zhì)量分布分別如圖2和圖3所示?？梢钥闯?不同粒徑的炭黑輸送前后的質(zhì)量分布變化較大,當炭黑粒徑為0·425 mm左右時,顆粒對輸送后破碎率的貢獻最大。一般來說,粒子直徑為1 mm左右、粒子分布均勻的球形顆粒炭黑容易輸送,輸送后的破碎率也小。

另外,由于炭黑具有吸濕性,若其在大氣環(huán)境中存放時間過長,容易結(jié)塊,不但會影響正常輸送和輸送效率,還會增加輸送后管道內(nèi)的殘余量。因此,為了實現(xiàn)正常輸送,必須提高輸送壓力和輸送速度,必然引起炭黑的破碎率增大;同時,為了去除輸送管道內(nèi)的殘余炭黑,必須加大清掃力度,也增大了炭黑的破碎率。

2·3　輸送系統(tǒng)參數(shù)

2·3·1　輸送管道長度及其布置

輸送管道的長度及其布置決定輸送阻力的大小和炭黑粒子與管壁發(fā)生碰撞、摩擦的幾率,是影響炭黑破碎率的主要因素之一。輸送管道越長,用的彎管越多,產(chǎn)生的阻力越大,需要的輸送壓力就越高,從而增大了炭黑的破碎率;輸送管道直徑大,輸送能力大,與管壁摩擦碰撞的炭黑量會減少,產(chǎn)生的粒子破碎率會下降。在正常輸送時,為了減小炭黑粒子的破碎率和輸送管道的磨損,要求輸送管道出口處炭黑的流動速度盡量小,即控制進入管道中的空氣量,實現(xiàn)低速輸送。對不同品種的炭黑自動設定不同的比例調(diào)速閥和比例調(diào)壓閥,以提供不同的供氣量和輸送壓力是比較好的辦法。在設計氣力輸送管道時,盡量采用短距離輸送。由于炭黑經(jīng)過彎頭時,炭黑粒子對彎頭內(nèi)壁產(chǎn)生的沖擊加大,炭黑的破碎比直管段破碎的可能性要高得多,故應盡量少用彎頭,且彎頭的曲率半徑應大于輸送管道內(nèi)徑的4倍;選取管道的內(nèi)壁應光滑,使其與閥門的連接光滑過渡,避免產(chǎn)生過大的輸送阻力。如氣動控制閥門應選取氣動球閥或氣動兩位分配閥。圖4是在輸送管道總長度分別為80m和150m的條件下,不同品種炭黑輸送后的破碎率?？梢钥闯?當管道總長度為150 m時,輸送后炭黑的破碎率遠大于管道總長度為80m時的破碎率,同時不同品種炭黑的破碎率也存在差別。

2·3·2　輸送壓力

輸送壓力是氣力輸送系統(tǒng)極其重要的參數(shù)。實驗采用密相低速氣力輸送系統(tǒng),其壓力包括發(fā)送罐憋壓壓力、主管壓力和輔管壓力。在實際操作中,通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)比例調(diào)壓閥和監(jiān)控輸送系統(tǒng)中壓力傳感器的壓力變化來自動調(diào)節(jié)壓力參數(shù)[6]。

整個輸送過程可以看作是等溫過程,通過等溫空氣狀態(tài)方程可得到輸送空氣的末端速度(V)為:V=(P1/P0)V1, (1)

式中:V1為輸送空氣的初始速度,即是發(fā)送罐出料彎頭壓力下的氣體速度;P0為輸送末端的絕對壓力,即外界環(huán)境大氣壓;P1為發(fā)送罐出料彎頭的初始絕對壓力。

當空氣的初始速度一定時,初始壓力和末端壓力相差越大即壓降越大,空氣的末端速度就越大,因此在管道的末端特別是彎頭處,高速運行的顆粒對彎頭的沖擊加大,不但加快了其對輸送管道,特別是彎頭內(nèi)壁的磨損,重要的是,會造成炭黑粒子破碎率的提高。另外,如果氣力輸送過程是穩(wěn)定的,則管道上各點的壓力從輸送開始至結(jié)束均是平穩(wěn)下降、波動較小,炭黑的破碎率減小;如果管道上各點的壓力波動很大,這就說明在氣力輸送過程中,炭黑在管道內(nèi)以不穩(wěn)定的沙丘狀運動,造成顆粒間的碰撞次數(shù)增加,炭黑的破碎率增大。若發(fā)送罐設定壓力過高時,將會出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的沙丘狀運動,但如果發(fā)送罐設定壓力過低,就會導致稀相輸送,不僅消耗的空氣量增加,還會使輸送能力降低。通過實驗分析得出,對于輸送距離為80m的密相低速輸送系統(tǒng),理想的壓力參數(shù)分別為:發(fā)送罐設定壓力0·10 MPa、主管壓力0·30MPa、輔管壓力0·35MPa。

2·3·3　炭黑輸送速度

由于氣力輸送系統(tǒng)是非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)[7],炭黑輸送速度不穩(wěn)定,因而炭黑的輸送速度對其破碎率的影響很大。由于不同品種的炭黑其物性有差異,所以在相同輸送條件下輸送不同品種炭黑時的輸送速度差異很大。為了使不同品種炭黑均能夠自動地以較大料氣混合比、較低的并且是較穩(wěn)定的輸送速度進行輸送,應采用比例調(diào)速閥自動調(diào)節(jié),使不同品種的炭黑以不同的空氣用量進行輸送,達到最佳輸送狀態(tài)。輸送速度越低越有利于降低炭黑的破碎率,這和輸送能力存在一定矛盾,同時又極有可能造成輸送管路的堵塞,因此在實際輸送過程中存在一個最佳的炭黑輸送速度。對于管道總長為80m的氣力輸送系統(tǒng),其末端輸送速度以7~9 m/s為宜。

3　結(jié)束語

在氣力輸送過程中炭黑粒子的破碎問題已經(jīng)引起橡膠界的廣泛關注。炭黑的破碎率與炭黑的輸送能力、輸送耗氣量、輸送的可靠性、輸送的環(huán)保指標,同樣是衡量氣力輸送系統(tǒng)設計技術(shù)水平的重要指標之一。通過實驗分析炭黑的物性對其破碎率的影響,以及炭黑在氣力輸送過程中的破碎機理,對氣力輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設計,提高系統(tǒng)的使用性能,從而提高橡膠制品的質(zhì)量具有相當重要的意義。