降低全鋼載重子午線輪胎硫化上下模溫差的措施

王俊霞，慕振興，陳培文，張高航

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

與傳統(tǒng)過(guò)熱水硫化相比，硫化中后期采用潔凈的氮?dú)馓娲^(guò)熱水可以節(jié)約大量蒸汽能源。氮?dú)庵苽浞椒ê?jiǎn)單、環(huán)保，采用氮?dú)饬蚧绞皆诮档统杀?、?jié)能減排方面具有重要的意義。

輪胎上下模溫差越小，各部件上下模硫化效應(yīng)越接近，輪胎整體硫化質(zhì)量越好，因此降低輪胎上下模溫差是輪胎硫化需要解決的重要問(wèn)題之一，尤其是采用氮?dú)饬蚧?，此?wèn)題更明顯，可以說(shuō)，降低輪胎上下模溫差是氮?dú)饬蚧谋匾疤嶂籟1-5]。氮?dú)饬蚧跗诹蚧z囊通入高溫蒸汽，膠料在交聯(lián)過(guò)程中吸收大量熱量而產(chǎn)生大量冷凝水，充入氮?dú)鈺r(shí)，氮?dú)夂驼羝叩蜏鼗旌蠈?dǎo)致絕熱溫升產(chǎn)生冷凝水，冷凝水集中在硫化膠囊底部，導(dǎo)致下模溫度低于上模，這是造成輪胎上下模溫差的根本原因，所以要降低輪胎上下模溫差需及時(shí)排出冷凝水。此外，中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔的結(jié)構(gòu)也是影響輪胎上下模溫差的原因之一。

本工作通過(guò)埋線測(cè)溫法評(píng)價(jià)全鋼載重子午線輪胎硫化上下模溫差，改進(jìn)排凝程序和中心機(jī)構(gòu)缸蓋，并通過(guò)硫化發(fā)泡點(diǎn)試驗(yàn)確定改進(jìn)前后的硫化時(shí)間，找出降低輪胎硫化上下模溫差的最佳方案。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

1.1 輪胎規(guī)格

考慮胎肩部位設(shè)計(jì)對(duì)上下模溫差的影響，選取胎肩為封閉結(jié)構(gòu)的12R22.5CST113 18PR規(guī)格輪胎進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 硫化機(jī)臺(tái)

我公司早期硫化機(jī)全部采用機(jī)械式熱板硫化機(jī)，后續(xù)增加的硫化機(jī)全部為液壓硫化機(jī)，考慮液壓硫化機(jī)控制穩(wěn)定，選取616#液壓硫化機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 硫化工藝

蒸汽通入時(shí)間 9 min，氮?dú)馔ㄈ霑r(shí)間 39 min，保壓時(shí)間 0.5 min，排壓時(shí)間 0.5 min，硫化總時(shí)間 49 min。

1.4 硫化測(cè)溫分析儀

采用特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TCMA1000型硫化測(cè)溫分析儀。

1.5 膠料活化能計(jì)算

取輪胎各部件膠料進(jìn)行硫化儀測(cè)試（試驗(yàn)溫度分別為140，143，145，150，155 ℃），將試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入測(cè)溫分析儀系統(tǒng)中，自動(dòng)計(jì)算得到活化能，如圖1所示。

圖1 膠料的硫化儀數(shù)據(jù)和活化能

1.6 測(cè)溫孔的加工

測(cè)溫孔位置的選取要考慮穿線方便，盡量遠(yuǎn)離膠囊，避免硫化過(guò)程中膠囊進(jìn)入測(cè)溫孔而損壞，所以測(cè)溫孔的位置盡量靠近下鋼圈外邊緣。測(cè)溫孔直徑根據(jù)埋線后測(cè)溫線的直徑確定，需盡量小。如鋼圈背面與金屬接觸，需要開(kāi)10 mm的槽，測(cè)溫孔直徑選擇12 mm，測(cè)溫孔中心與下鋼圈邊緣距離10 mm，鋼圈測(cè)溫孔加工如圖2所示。

圖2 鋼圈測(cè)溫孔加工示意

1.7 測(cè)溫部位的選取

輪胎上下模測(cè)溫部位在胎里表面選取，測(cè)量位置為胎肩、胎側(cè)和胎圈，分別測(cè)量進(jìn)汽孔和回水孔兩個(gè)位置，共12個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，埋線測(cè)溫如圖3所示。

圖3 埋線測(cè)溫示意

2 上下模溫差改進(jìn)試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)狀分析

2.1.1 排凝設(shè)置

蒸汽步序排凝設(shè)置：蒸汽通入同時(shí)排凝3 s，通入第25 s排凝3 s，通入第50 s排凝3 s，后續(xù)按溫度低于195 ℃時(shí)進(jìn)行排凝。

2.1.2 溫差分析

硫化溫差測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，硫化過(guò)程中溫差最大值出現(xiàn)在胎側(cè)部位，為18.61 ℃，胎圈部位啟模溫差較大，最大值為6.41 ℃。

表1 改進(jìn)前硫化溫差測(cè)量結(jié)果 ℃

2.1.3 啟模時(shí)硫化效應(yīng)

硫化效應(yīng)指膠料等效硫化時(shí)間與t90的比值，衡量輪胎上下模硫化效應(yīng)一般采用下模/上模硫化效應(yīng)比值，比值越接近1，上下模硫化效應(yīng)越接近。改進(jìn)前輪胎上下模硫化效應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表2可以看出，下模/上模硫化效應(yīng)比值大多在0.4～0.6之間，這說(shuō)明下模與上模硫化效應(yīng)相差較大，部分部位下模硫化效應(yīng)僅為上模的1/2。

表2 改進(jìn)前輪胎上下模硫化效應(yīng)

2.1.4 溫度及溫差曲線

從硫化機(jī)合模開(kāi)始硫化至硫化結(jié)束啟模，硫化過(guò)程中輪胎上下模溫度及溫差曲線見(jiàn)圖4。

圖4 改進(jìn)前硫化過(guò)程中輪胎上下模溫度及溫差曲線

從圖4可以看出：硫化初期高溫蒸汽進(jìn)入階段溫度逐步上升，上模升溫快于下模升溫，溫差逐漸增大；氮?dú)膺M(jìn)入初期溫差仍在增大，后期上模升溫減緩，下模繼續(xù)升溫，溫差逐漸減小。

分析認(rèn)為，硫化初期為吸熱反應(yīng)，產(chǎn)生大量的冷凝水未及時(shí)排出，溫差逐漸增大；氮?dú)膺M(jìn)入初期由于氮?dú)?、蒸汽高低溫混合?dǎo)致絕熱溫升產(chǎn)生冷凝水，而冷凝水未及時(shí)排出，溫差逐漸增大。

根據(jù)上述分析，后續(xù)需對(duì)輪胎上下模溫差、硫化效應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)，硫化最大溫差出現(xiàn)在上胎側(cè)部位，這說(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題：一是下模的冷凝水沒(méi)有及時(shí)充分排出；二是蒸汽噴射角度過(guò)大，到達(dá)上胎側(cè)位置，導(dǎo)致上胎側(cè)溫度過(guò)高。所以減小上下模溫差主要從冷凝水排凝程序和中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔角度兩個(gè)方面進(jìn)行。改進(jìn)目標(biāo)為：最大溫差≤15 ℃，啟模溫差≤5 ℃，下模/上模硫化效應(yīng)比值≥0.69。

2.2 排凝程序改進(jìn)試驗(yàn)

排凝程序改進(jìn)試驗(yàn)從兩個(gè)方面進(jìn)行：蒸汽排凝程序調(diào)整、氮?dú)獠叫蛟黾优拍?，排凝改進(jìn)試驗(yàn)方案如下：（1）方案1。蒸汽排凝程序調(diào)整，蒸汽通入同時(shí)排凝3 s，第25 s排凝3 s，第50 s排凝3 s，后續(xù)每3 min排凝3 s；（2）方案2。蒸汽排凝程序調(diào)整同方案1，氮?dú)馔ㄈ氩叫蛟黾优拍獨(dú)馔ㄈ胪瑫r(shí)排凝4 s。由此可知，改善方案1增加了蒸汽步序排凝次數(shù)，延長(zhǎng)了排凝時(shí)間，方案2在方案1的基礎(chǔ)上增加了氮?dú)獠叫蚺拍?/p>

2.2.1 溫差分析

排凝程序改進(jìn)后硫化溫差測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 排凝程序改進(jìn)后硫化溫差測(cè)量結(jié)果 ℃

從表3可以看出：蒸汽排凝程序調(diào)整后，輪胎硫化過(guò)程中溫差最大值降至16.27 ℃，啟模溫差最大值降至5.75 ℃；氮?dú)獠叫蛟黾优拍?，輪胎硫化過(guò)程中溫差最大值降至13.67 ℃，各部位啟模溫差均減小，啟模溫差最大值降至2.84 ℃。

2.2.2 啟模時(shí)硫化效應(yīng)分析

排凝程序改進(jìn)后輪胎上下模硫化效應(yīng)見(jiàn)表4。

從表4可以看出，蒸汽步序排凝程序改進(jìn)、氮?dú)獠叫蛟黾优拍?，各部位下?上模硫化效應(yīng)比值增幅較大，最小值增至0.65。

表4 排凝程序改進(jìn)后輪胎上下模硫化效應(yīng)

2.2.3 溫度及溫差曲線

排凝程序改進(jìn)后硫化過(guò)程中輪胎上下模溫度及溫差曲線見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，隨著硫化的進(jìn)行，輪胎上下模溫差逐漸減小。

圖5 排凝程序改進(jìn)后硫化過(guò)程中輪胎上下模溫度及溫差曲線

2.3 中心機(jī)構(gòu)缸蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)試驗(yàn)

2.3.1 進(jìn)汽孔改進(jìn)方案

中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔直徑和角度影響輪胎上下模溫差，進(jìn)汽孔角度減小，蒸汽噴射角度減小，噴射高度降低避免蒸汽進(jìn)入時(shí)直接噴射到輪胎上部，使其盡量噴射到輪胎胎冠中間部分，使下模溫度升高，上下模溫差減小。進(jìn)汽孔直徑減小，蒸汽進(jìn)入時(shí)噴射力度增大，使蒸汽更快地在膠囊內(nèi)腔中循環(huán)，并快速充滿(mǎn)囊腔，降低上下模溫差。

改進(jìn)前后中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，改進(jìn)前進(jìn)汽孔直徑為11 mm，進(jìn)汽孔角度分別為20°和5°；改進(jìn)后中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔直徑調(diào)整為7 mm，進(jìn)汽孔角度調(diào)整為0°和5°。2種角度的8個(gè)進(jìn)汽孔交替分布。

圖6 改進(jìn)前后中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔結(jié)構(gòu)

2.3.2 硫化溫差分析

中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后硫化溫差測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5，排凝程序?yàn)榉桨?。

從表5可以看出，中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后，輪胎硫化過(guò)程中溫差最大值為9.86 ℃，啟模溫差最大值為2.82 ℃。

2.3.3 啟模時(shí)硫化效應(yīng)分析

中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后輪胎上下模硫化效應(yīng)見(jiàn)表6。

從表6可以看出，中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后，硫化效應(yīng)得到改善，輪胎各部位下模/上模硫化效應(yīng)比值增幅較大，最小值增至0.69。

2.3.4 溫度及溫差曲線

表6 中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后輪胎上下模硫化效應(yīng)

中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后硫化過(guò)程中輪胎上下模溫度及溫差曲線見(jiàn)圖7。

從圖7可以看出，中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后，硫化過(guò)程輪胎上下模溫差進(jìn)一步減小。

圖7 中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔改進(jìn)后硫化過(guò)程中輪胎上下模溫度及溫差曲線

3 硫化時(shí)間評(píng)價(jià)

對(duì)12R22.5CST113 18PR規(guī)格輪胎進(jìn)行硫化時(shí)間評(píng)價(jià)，采用硫化發(fā)泡點(diǎn)試驗(yàn)確定發(fā)泡點(diǎn)時(shí)間，其與安全時(shí)間之和為硫化時(shí)間。改進(jìn)前后輪胎硫化時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 改善前后輪胎硫化時(shí)間對(duì)比 min

從表7可以看出，上下模溫差減小后，輪胎硫化時(shí)間縮短1 min。

4 結(jié)語(yǔ)

以12R22.5CST113 18PR規(guī)格輪胎為研究對(duì)象，通過(guò)埋線測(cè)溫試驗(yàn)對(duì)蒸汽步序排凝程序、氮?dú)獠叫蚺拍绦?、中心機(jī)構(gòu)缸蓋進(jìn)汽孔進(jìn)行改進(jìn)，有效減小了輪胎硫化上下模溫差，縮短了硫化時(shí)間，從而達(dá)到了提高輪胎質(zhì)量和產(chǎn)能的目的。