橡套电缆工艺.doc
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目录
摘要 Ⅰ
绪论 1
第1章电缆的硫化工艺和生产线的布置形式 3
1.1电缆的硫化工艺 3
1.2连续硫化生产线的布置形式 7
第2章悬链线式生产线的布置及分析 10
2.1悬链线设计理念 10
2.2橡套电缆悬链线状的力学特性 11
第3章橡套电缆连续硫化工艺参数的确定 15
3.1MYPTJ橡套电缆的橡料选择 15
3.2制品规格的确定 15
3.3螺杆转速和牵引速度的确定 16
3.4硫化温度和出线速度的确定 16
3.5蒸汽压力的确定 17
第4章悬垂控制器的工作原理 19
4.1接触式悬垂控制器 19
4.2非接触式悬垂控制器 19
第5章擦管的原因及排除办法 20
5.1擦管的原因 20
5.2解决擦管的办法 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
绪论
本课题是关于橡套电缆连续硫化设计分析，说到“硫化”，我简单的介绍一下“硫化”的目的和意义。
许多优良的电缆绝缘聚合物，如聚乙烯、乙丙胶、或三元乙丙胶、聚乙烯—醋酸乙烯共聚物等都是具有直链的热塑性材料。
这种长链分子间没有连结，易于互相移动。
当温度生高到一定程度，它们都会发生机械变形，并降低其工作温度。
为了改善它们的耐温特性，这种直链行的分子结构，可通过物理或化学方法，交叉链接起来。
成为多向行结构。
经交联以后，原来的热塑性体就变成热弹性体。
这个交联的过程基本上和橡胶的硫化过程相同，所以有时也把“交联”叫做“硫化”。
交联方法有物理的化学的两类。
物理方法是采用高能粒子射线（如γ射线）照射直链聚合物，在其链上打出若干游离基团，简称为接点。
接点活性很大，可把两个或几个线型分子交叉连接起来。
对电力电缆，由于绝缘较厚，直径较大，一般不采用物理交联而采用化学交联。
化学交联是采用化学方法将直链的PE及EPDM等热塑性直链的分子，通过化学反应交联起来，转化为三维网状结构。
化学交联一般还可以分过氧化物交联和硅烷接枝交联两种。
关于电缆在硫化管中擦管问题的解决，国外已经有了很好的发展。
现在有特色的交联方法有十多种，硫化生产线吸收了包括计算机在内的许多先进技术，出现了若干种自动化水平高，产品质量好，工艺性能稳定的机组，NOKIA、Davis、TROESTER和Royal等国外较著名设备制造公司的硫化生产线的大量引进，规范了工艺要求提高了产品质量。
通过计算机系统的自动控制软件，可以大大的降低工艺控制的难度，为解决擦管问题提供了很好的保证。
其中悬垂控制器就是一个很好多例子，通过它的控制，使电缆制品在硫化管中的位置得到自动的调整，同时也使它呈现在操作者的眼前。
为进一步的调整提供了方便。
所谓“擦管”，就是电缆在硫化管中进行硫化时，由于电缆的自重会出现下垂的现象，如果这种现象出现在硫化管的前面，此时电缆的表面还没有进行充分的硫化，橡胶的各种性能还没有达到要求的程度，耐摩擦性还很差，于是电缆与硫化管接触的表面部分就会出现擦伤，严重影响电缆制品的表观和使用性能，这种现象是不允许的。
本课题后面就这方面的问题，进行系统的分析以找到解决的办法。
我国近年引进硫化技术，生产线近20余项，结束了我国硫化技术徘徊不前的局面，缩短了世界先进水平的差距。
关于擦管问题有了自己的分析和解决的具体办法，特别是近年来我国电缆行业的飞速发展，急待要求各方面的技术跟上。
现在电缆制品使用的特定场合要求电缆制品的性能有保证，特别是像煤矿、船舶、
居所等场合的电缆。
所以擦管问题急需解决。
引起擦管的原因有很多，所以解决的方法也各不相同。
本课题就水蒸气连续硫化机组和CCV生产线上出现的擦管问题进行里分析。
水蒸气连续硫化机组上擦管的解决主要是控制电缆生产的规格，以及生产过程中温度、气压等。
CCV生产线上的擦管主要和生产线的布置有关，所以要对生产线的布置有很高的要求，对它的分析也很复杂。
本课题研究电缆在上述各种交联（硫化）方法中存在的擦管问题。
从生产线的布置和生产工艺上简要介绍，找出拖管的各种原因及解决的方法，从而改进生产线的布置，强化生产过程中的工艺控制，比如气压、温度、时间等方面的控制。
第1章电缆的硫化工艺和生产线的布置形式
1.1电缆的硫化工艺
硫化是电缆橡皮绝缘和护套生产的最重要的工艺过程，在硫化过程中，由于橡胶分子链间生成了交联键，从而得到了满足电缆使用要求的各种性能。
1.1.1硫化的概念
在加热条件下，胶料中生胶与硫化剂发生化学反应，使橡胶由线型结构的大分子交联成为立体网状结构的大分子，导致胶料的物理机械性能及其它性能有明显的改善。
这个过程称硫化。
随着生产的发展，硫化剂和高温已不再是硫化的必要条件，采用高能射线辐照，可以不用硫化剂就能使橡胶硫化；有些胶种在很低的温度下，甚至在室温下也能硫化。
所以广义硫化的概念是，胶料在一定条件下，橡胶大分子由线型结构转变为网状结构的交联过程。
在硫化过程中，取不同硫化时间测定硫化胶的物理机械性能，可得出下图3-2所示曲线：
1
2
4
3
5
6
硫化时间
物理机械性能
1-抗张强度2-定伸强度3-弹性4-伸长率
5-硬度6-永久变形
图3-1硫化过程中胶料性能变化
从图中可以看出抗拉强度、定伸强度、弹性等性能达到峰值后，硫化时间再延长，其值开始下降，而硬度则保持不变。
伸长率、永久变形等性能则随硫化时间的延长而渐减，并在到达最低值后，又缓慢上升。
其它性能如耐热性、耐磨性、
抗溶胀性能等都随硫化时间增加而有所增加，并在正硫化阶段达到最好值。
硫化过程胶料性能的变化，是由于硫化过程中分子结构发生变化的结果。
未硫化的生胶是线型结构分子链，其运动具有独立性，外观表现出可塑性大、伸长率高、并有可溶性。
经硫化后的胶料，橡胶分子链间生成横键，因而在大分子链间除次价键力外，在分子链彼此结合处还有主价键力发生作用。
所以硫化胶具有更大抗张强度、定伸强度和弹性，而伸长率小，并失去了可溶性。
1.1.2硫化的历程
在硫化过程中，胶料性能随硫化时间变化的曲线，称硫化曲线。
通过测定胶料定伸强度的变化过程可以看出，整个硫化过程可分为四个阶段（见下图3-3），即硫化诱导阶段、预硫化阶段、正硫化阶段和过硫化阶段。
诱导期
预硫化期
正硫化期过硫化期
定伸强度
硫化时间
A
B
C
D
A-起硫快速的胶料B-有延迟特性的胶料
C-过硫化定伸强度上升的胶料D-具有复原性胶料
图3-2硫化历程
硫化诱导期在这个阶段中，交联尚未开始，胶料具有良好的流动，在这个阶段终点起胶料开始变硬并失去流动性，挤橡过程基本属于这一阶段。
这一阶段的长短取决于胶料配方，主要是促进剂的种类。
用超速促进剂的胶料，其焦烧期比较短，此时胶料较易发生焦烧，操作安全性差。
而用后效性促进剂的胶料有较长的焦烧期，操作比较安全。
预硫阶段在诱导期和正硫化阶段之间为欠硫化阶段。
在诱导阶段之后，交联便以一定的速度开始进行，但开始的交联度仍很低，各项指标也不高，如抗张强度、定伸强度都很低、伸长率和永久变形却很大，但随硫化时间的增长，交
联度增加，各项指标都有显著提高，一直到正硫化为止。
这个阶段时间的长短反应了硫化速度的大小，从提高生产率，防止绝缘和护套层变形出发，都希望硫化的速度快一些。
不同性能指标的欠硫化时间长短也不一致，抗张强度，弹性和伸长率要长一些，抗撕裂和耐磨性要短一些。
正硫化阶段在这一阶段，硫化制品已经达到了一定的交联度。
硫化胶的综合性能达到最佳值。
这一阶段所取的温度和时间分别称为正硫化温度和正硫化时间，总称正硫化条件，正硫化是一个阶段，在这一阶段中，胶料各项物理机械性能基本保持恒定，或变化很小，所以正硫化阶段也称硫化平坦期。
过硫化期正硫化后继续硫化，进入过硫化阶段。
在过硫化阶段中，不同的橡胶会出现不同情况；天然橡胶和丁基橡胶胶料会出现各项物理机械性能下降的“返原”现象；而合成橡胶胶料在硫化阶段中各项物理机械性能变化很小或基本不变。
交联和氧化断链反应贯穿于橡胶硫化过程的始终，在硫化的不同阶段上，上述两种反应所占的地位不同过硫化阶段中氧化断链反应占主导地位。
对于天然橡胶胶料，橡胶主链为线型大分子结构，断链使其物理性能下降。
而对于大部分合成橡胶，存在着支链结构，在氧化裂解反应中也有支化和环化反应，胶料变硬，伸长率降低，但强度指标变化不大。
1.1.3正硫化点
如前所述，正硫化为硫化过程中胶料综合性能达到最佳值的阶段，而达到正硫化所需的最短时间称“正硫化点”，正硫化阶段所经过的时间称“硫化平坦时间”，这段硫化曲线称硫化平坦线。
由于在给定的温度下，胶料各种性能达到最佳值的时间不一，为了使橡胶制品获得最佳性能和确定正硫化条件，必须按制品的性能要求、规格、工艺特点，选择即能满足制品特殊性能的要求，又有良好的综合性能的最短硫化时间的一点为正硫化点，一般橡皮电缆生产中，以抗张强度或抗张积作为主要指标，同时兼顾耐磨性、耐撕裂性和弹性等，来确定工艺正硫化点。
通常是在抗张强度达到最佳值之前的一点地方作为工艺正硫化点，这样即满足了产品的性能要求，又有较高的生产率。
正硫化点的确定可采用硫化胶的物理机械性能测定法，专用仪器法和化学方法，最常用的物理机械法和专用仪器法。
1.1.4硫化条件
硫化的主要条件是温度、时间和压力。
硫化温度热硫化本身是一个化学反应过程。
影响反应过程的首要条件是温度，硫化温度对硫化速度的影响，通常用硫化温度系数来描述。
硫化温度系数是指在特定温度下，橡胶达到一定硫化程度所需的时间，与在温度相差10℃的条件下所需的相应时间之比，其表达式为：
T1/T2=K（t2-t1）/t1
T1---温度为t1时所需的硫化时间；
T2---温度为t2时所需的硫化时间；
K----硫化温度系数。
硫化温度系数K随胶料的差异变化，并且还与硫化温度范围有关。
试验证明多数橡胶在硫化温度为120-180℃范围内的K值通常为1.5-2.5，各种情况的K值见表3-3。
表3-7各种情况的K值
橡胶种类
温度范围
120-140℃
140-160℃
160-170℃
170-180℃
天然橡胶
1.7
1.6
-
-
异戊橡胶
1.8
1.7
-
-
低温丁苯
1.5
1.5
1.95
2.3
顺丁橡胶
1.83
1.88
-
-
丁基橡胶
-
1.67
1.8
-
氯丁橡胶
1.7
1.7
-
-
丁睛-18
1.85
1.6
2.0
2.0
丁睛-26
1.84
1.6
2.0
2.5
丁睛-40
1.85
1.5
2.0
2.0
硫化压力硫化时使线缆制品置于一定压力之下，是非常重要的，因为线芯和胶料不可避免带来有空气和水分。
在硫化过程中，温度一般都在100℃以下，水分转变为气体；胶料中某些成分间也会因发生化学反应而产生气体。
这些气体在胶层中产生内压力，如果线缆制品外面压力小于内部气体压力的话，这些气体就会在胶料中形成大的气泡，或分层。
如增加制品外面压力，就可抑制气泡长大，保持组织的致密，所以硫化压力是保持制品质量的重要条件。
硫化时间硫化是一个交联过程，需要一定时间才能完成，前面曾叙述了
正硫化时间的确定。
但当硫化条件有变化时，硫化时间长短的调节必须服从于正硫化时的硫化效应，并为此为准则。
时间过短会造成欠硫，过长会导致过硫。
为介绍硫化效应，应先引入硫化强度概念。
硫化强度表示胶料在一定温度下，单位时间所达到的硫化程度，或胶料在一定温度下的硫化速度，硫化强度取决于胶料的硫化温度系数和硫化温度，其式为
It=K（t-t0）/t0
It—硫化强度；
K—硫化温度系数；
t—胶料硫化温度；
t0—规定硫化效应所采用的温度
根据硫化强度和温度系数的关系，可得到不同硫化温度下的温度系数对应的硫化强度，并可列成表，以备以后计算硫化效应十使用。
硫化效应是硫化强度和硫化时间的乘积，其表达式为：
E=ItT
式中It—硫化强度；
T---硫化时间。
硫化效用是衡量硫化程度深浅的尺度。
若一种胶料在不同硫化条件下硫化，只要其硫化效应相同，那么就能达到同一的硫化程度。
按此原则，在生产条件变更的情况下，调整硫化条件，并可判断在制胶料是否达到正硫化。
若已知胶料的硫化温度系数，而硫化温度发生变化，可从上面公式中求出温度变化的硫化时间。
若硫化温度系数为2，硫化温度升高15℃，则硫化时间为原有硫化时间的一半。
因此可通过提高硫化温度还要考虑到下列因素：
胶料的种类、硫化方法。
例如，天然胶的硫化温度一般不宜大于160℃；丁苯胶、定睛胶可以采用150～190℃；氯丁胶小于170℃，至于象硅、氟等胶种，200℃硫化也能承受。
硫化体系对硫化温度也有很大影响，用硫黄作硫化剂，硫化温度要低，而采用低硫高速促进剂的硫化体系适用于高温硫化。
硫化方法对硫化温度影响：
罐式硫化温度要低，连续硫化温度要高，饱和蒸汽硫化温度低，而溶盐硫化温度就高些。
1.2连续硫化生产线的布置形式
连续挤压和硫化的机组，称连续硫化机组。
即从挤橡机出来的绝缘或护套立即进入高压蒸汽管进行硫化，然后对硫化后的产品进行冷却，最后收绕在线盘上。
连续硫化机组根据硫化管的不同安放形式，分为四种布置方式。
1.2.1卧式连续硫化机组
卧式连续硫化机组的特点是硫化管和冷却管近似水平安装。
整个机组主要由放线装置、储线器、挤橡机、硫化管、冷却管、冷却水密封、牵引装置和收排线装置等组成。
这种机组生产的制品由于自重的作用，很容易出现擦管，为了避免因擦管而使制品表面损伤，必须对制品的单位重量加以限制，即限制机组的最大生产规格，所以以这种方式布置的机组，其生产范围较窄。
1.2.2倾斜式连续硫化机组
倾斜式连续硫化机组的特点是硫化管与水平线呈一定的角度。
整个机组的组成与卧式连续硫化机组基本相同，硫化管是从挤橡平台按一定倾斜度敷设到收线装置。
由于挤橡机机头位置适当抬高，就相当于制品自重的减轻，因此若与卧式布置具有相同的管长，则制品的规格可以大一些，即机组的生产范围可以宽一些。
倾斜式硫化管的倾斜角度从减轻擦管着想，自然是倾角越大越好。
显而易见，当硫化管管长一定时倾角越大，挤橡机提高的距离越大，厂房的建筑高度也就越高。
因此，应从厂房高度，场地大小，生产制品的规格范围等方面综合考虑后，再确定硫化管的适当倾角。
1.2.3悬链线式连续硫化机组
悬链线式连续硫化机组的特点是硫化管的轴线呈悬链线形状。
所谓悬链线就是两固定点之间的线段，由于自重的影响所形成的一条曲线。
在连续硫化机组中，在挤橡机机头和牵引之间。
若有上牵引装置，则在两牵引装置之间，由于电缆自
重的原因，其电缆轴线必然是一条悬链线。
若把硫化管的轴线也做成悬链线，那么电缆的擦管问题就可以得到基本解决。
悬链线式连续硫化机组又可分为半悬链线式和全悬链线式两种。
考虑到设备的投资费用和实际生产的需要，全悬链线式用的较少，基本上都是半悬链线式的，即只取悬链线式全长的一半。
悬链线式连续硫化机组的硫化管路安装较复杂。
硫化管的作用是通入高压蒸汽，对绝缘及护套进行硫化，它是由无缝钢管分段对接而成，现电线电缆厂大多采用双层硫化管，可以通高压蒸汽到夹层中去，对内层加以保温，在硫化管外包覆50－60毫米厚的石棉，用以保温。
硫化管长度一般为40－60米。
电缆在硫化管中进行硫化时，制品在挤出机头和牵引装置间由于自重会呈悬垂线下垂，下垂的高度与两支点间距离，自重和张力有关。
如超规格生产或张紧力不足，就会出现擦管现象。
线在冷却定型之前是不允许的。
因此，在设计时就必须保证制品在到达擦管点时已具有足够的硫化程度。
从而避免因擦管而使制品表面损坏。
橡套电缆一般采用悬链线式硫化生产线。
第2章悬链线式生产线的布置及分析
2.1悬链线设计理念
2.1.1悬链线设计的优点
综合四种生产线的布置形式，橡套电缆的生产一般使用悬链式生产线。
这种生产线的挤出机布置在较高的平台上，硫化管模拟制品呈悬链线状，不同规格的悬链线是不同的，并且在运行中张力变化（由速度波动引起的）也会使悬链线下移或上升到和管壁相碰，为解决这一问题，各机组普遍采用了悬垂控制器，通过检测电缆在硫化管中的位置，发出指令控制下牵引电机升速或降速，控制电缆置于硫化管中心位置附近。
2.1.2悬链线设计结构分析
悬链线式橡套电缆生产线的布置方式即解决硫化生产中的电缆擦管问题，不使建筑费用增加过高（一般厂房经改造即可安装），是目前国内外应用最广泛的橡套电缆生产线。
如图2-1所示，挤出机组安放在较高的平台上（主机房），硫化管呈悬链线状从平台上往地面延伸，根据所设计的生产速度、产品规格和其它条件确定悬链形状、长度及冷却段的尺寸。
挤包后的橡套电缆就是靠上下牵引装置的张紧力保持其在悬链线管内的中心位置，并使电缆在管内按给定的速度运动，从而完成电缆的连续硫化和冷却过程。
每一条橡套电缆生产线其硫化管的悬链形状是固定不变的，而生产的电缆在一定的范围内是分批变化的，因此保持在管内的正确位置和连续生产运动是衡量一条生产线的主要技术指标。
硫化管内压力、温度、水位等影响使电缆在管内的位置经常产生波动和变化，通过安装在硫化管上的悬垂控制器和控制系统调整上下牵引装置，以免电缆擦伤管壁，划伤电缆外层屏蔽。
如果牵引装置没有可靠的技术特性，生产线就不能正常工作。
图2-1悬链线式橡套生产机组
在工厂的橡套电缆生产中，由于牵引装置的失误造成突然停车的情况时有发生，每次都使近200米的电缆成为废品，这是橡套电缆生产成本高的一个重要原因。
另外牵引装置的不稳定也会使运行中的电缆表面出现竹节和波纹，因此牵引装置的可靠性是橡套电缆生产线运转的前提。
2.2橡套电缆悬链线状的力学特性
2.2.1悬链线状的力学分析
电缆在硫化管中进行化学交联并连续运行时，所呈悬链状是由生产线的上下牵引装置进行力平衡来实现的。
见图2-2安装在硫化管上的悬垂控制器根据电缆在管中的位置发出信号，使上下牵引装置进行自动调节，保证管内电缆的动态平衡。
如一柔软、无延性，均匀的橡套电缆在两固定点间（即上下牵引装置间）形成悬链线状。
图2-3悬链电缆受力分析
如图2-3所示。
取电缆微小长度ds作受力分析：
其垂直方向力的平衡为
（1）
而
（2）
在一定时，对求微分，得
（3）
由式
（1）、（3）得：
（4）
而
（5）
（6）
由（4）、（6）式得：
（7）解此微分方程式，当=0时=0
（8）
将式（8）积分，当=0，=0时
（9）
其中为悬链常数则
（10）
（11）
当=0，=0，则因此，
（12）
式（12）即为悬链线方程，该方程所描绘的曲线图形为悬链线，方程中常数a的变化决定了悬链线形状的不同，如图2-4所示
图2-4不同a值悬链线
悬链线形设计的硫化管其中心线为悬链线的一部分，图2-5所示为半悬链挤出机头A点至TDP点为悬链线，点TDP到C点为－的倾角直管，这是目前国内应用最多的橡套电缆生产线布管方式。
图2-5半悬链布线
图2-6为全悬链布管方式，从机头A至下封器C间的交联管中心线为全悬链线。
图2-6全悬链布线
从上面电缆悬链状微小段ds的受力分析可以看出，悬链常数a是决定其形状的主要参数，在橡套电缆处于悬链状态时，由式可知，该常数的大小是在电缆单位长度重量确定的条件下由牵引装置对电缆的水平张力FH所决定的，FH最大不得超过下牵引装置的最大牵引力，这实际上就确定了橡套电缆生产线牵引装置所设计牵引力的取值范围。
通常每条橡套电缆生产线都有固定的生产规格，其牵引装置的牵引力就是根据所生产最大规格橡套电缆的单位长度重量计算出来的。
例如橡套电缆生产线上下牵引装置最大牵引力均为16kN，硫化管悬链常数为150m，该生产线所能生产的橡套电缆单位长度重量最大为。
如果在这条生产线上生产超过此规格的橡套电缆，牵引装置就不能可靠地运转，电缆擦管不可避免。
2.2.2上悬点处倾角的选定
在悬链线的设计中，一般限于厂房条件，悬链线水平长度大致是给定的，上端挤出机机头中心点的高度的选择要达到此处倾角α的要求。
倾角的选择与产品电压
等级有关，电压越高，绝缘越厚。
橡料被挤出后进入硫化管受热变得更软，橡套自重产生下垂而变形，造成所谓梨行偏心，倾角越小现象越严重。
第3章橡套电缆连续硫化工艺参数的确定
在橡套电缆的生产过程中，擦管与连续硫化工艺参数的确定有很大的关系。
如果工艺参数控制不当，不但会出现擦管，还会影响到制品的其它方面的性能。
例如蒸汽压力和出线速度是连硫操作的重要参数，其关系到产品机械物理性能﹑外观质量﹑生产效率等。
随着现代科学技术的发展，橡胶生产技术也越来越多显现出高新技术的发展。
橡胶高效快速硫化剂和促进剂的发现，电线电缆快速硫化也成为现实。
连续硫化是从挤橡和罐式硫化演变而来，连续硫化有很多优点，生产效率高，电线电缆表观比传统工艺大大提高，铜导体不会氧化等。
用传统工艺生产的橡套电缆一般不能和高档家用电器配套，其主要原因是电缆的外观不好，铜丝氧化严重，不能
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