李鴻·膠管膠帶行業(yè)“十四五”開局運行態(tài)勢分析及構建新發(fā)展格局大形勢下的前景展望與發(fā)展建議

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開發(fā)高技術含量和差異化的特色產品，滿足不同客戶的需求。法律、法規(guī)日趨嚴格，環(huán)保法規(guī)不斷完善，

膠管專業(yè)的發(fā)展必須適應這些要求，開發(fā)滿足膠管需求性能的，可循環(huán)再利用的新型環(huán)保高分子材料

已成為發(fā)展趨勢 ；隨著汽車產業(yè)的國際化發(fā)展，汽車膠管設計逐步由逆向開發(fā)向正向開發(fā)發(fā)展，模擬

仿真技術將被大量應用于管路的結構設計、工藝設計驗證。隨著國家三包政策的逐步完善、整車廠的

技術要求不斷提高，要求管路產品具備與整車同壽命，需要材料在高溫條件下具備更為良好的耐撕裂

性能和動態(tài)疲勞性能。

國內和國外都相繼出臺法律法規(guī)和提倡新能源汽車，以期待解決和改善環(huán)境污染等問題。對于汽

車用膠管產品而言，開發(fā)并應用適應這種需求的高分子材料成為發(fā)展趨勢，如滿足耐生物燃油的橡膠

材料，滿足廢車回收指令的熱塑性彈性體、滿足節(jié)省燃油的輕量化需求的以塑代金、以塑代橡膠的材

料技術等，正向匹配設計開發(fā)技術的提升。隨著汽車產業(yè)的國際化發(fā)展，汽車膠管設計逐步由逆向開

發(fā)向正向開發(fā)發(fā)展，模擬仿真技術將被大量應用于管路的結構設計、工藝設計驗證 ；適應更為苛刻的

溫度環(huán)境。耐極限環(huán)境溫況逐漸提高，隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展以及渦輪增壓技術的全面推廣，膠管

材料對極限溫度的挑戰(zhàn)越來越高。

4.2.3 液壓膠管重點發(fā)展為新型工程機械配套的新產品

隨著工程機械產品噸位越來越大，動力越來越足，對于液壓膠管超高壓力提出了要求，同時工作

時溫度也不斷提高，部分工程機械設計逐漸壓縮空間，對膠管彎曲半徑提出了更高的要求，需要我們

膠管減少彎曲半徑，開發(fā)這類液壓膠管就是瞄準了這部分市場需求。推廣新型環(huán)保原材料、低排放、

低滲透、可循環(huán)材料利用及輕量化發(fā)展 ；無論合資品牌還是自主品牌的主機廠，對于汽車膠管的技術

標準及法規(guī)要求已接近站在同一高度，雖然膠管核心材料的供給已與國際同行達到同一供給平臺，但

國際高端主機廠的產品標準對配方、裝備、工藝及結構設計要求較高，國內大部分膠管企業(yè)仍不能滿

足要求或只能勉強滿足要求，積極推進新配方、新材料、新工藝、新技術的深入研究和學習，才能真

正在技術、環(huán)保方面達到并引領世界先進水平，為我國膠管專業(yè)實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供強有力的保

障。

開發(fā)新型橡塑復合液壓軟管提升軟管耐溫、耐介質、耐疲勞老化等性能的液壓軟管，挖掘機等高

端設備用膠管的國產替代，開發(fā)性能達到耐高溫 121 度和動態(tài)脈沖性能大于 100 萬次的液壓膠管。

智能膠管產品應在傳統(tǒng)產品基本功能的基礎上，增加智能感應芯片、預埋件等，實現(xiàn)自動化管理，

自動預警功能。

4.2.4 積極研發(fā)新技術、新設備，突破掌握一批達到國際先進水平的重大技術裝備

努力將高端裝備制造發(fā)展成為提升膠管膠帶行業(yè)國際競爭力的強大動力和重要支柱，幫助膠管膠

帶生產企業(yè)提高產品生產質量和穩(wěn)定性，提高自動化程度和生產效率，并爭取扭轉高端裝備仍主要依

賴進口的局面重點企業(yè)要比較成熟地導入射頻技術、智能機器人、信息技術為載體的智能化制造，打

造智能化工廠，實現(xiàn)自動化制造、半成品物流自動化、輸送自動化、成品檢測與入庫自動化、全自動

化智能化立體倉儲系統(tǒng)，以及對整個體系進行綜合管理的 MES 管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從原材料、部件、成

型、硫化、檢測、入庫自動化、信息化、智能化生產。到“十四五”末，重點企業(yè)要基本實現(xiàn)從煉膠

到成品全過程的自動化、聯(lián)動化、智能化，有效解決生產質量、性能、穩(wěn)定性、安全性、節(jié)能環(huán)保以

及效率等各方面的問題。開發(fā)智能膠管膠帶膠帶產品及智能管理技術，實現(xiàn)產品的在線遠程控制。到

“十四五”末，重點企業(yè)要基本實現(xiàn)從煉膠到成品全過程的自動化、聯(lián)動化、智能化，有效解決生產質量、

性能、穩(wěn)定性、安全性、節(jié)能環(huán)保以及效率等各方面的問題。

4.2.5 建設以國家需求和市場為導向、強化膠管膠帶龍頭企業(yè)為主體的創(chuàng)新平臺

整合行業(yè)科技資源，融通行業(yè)的技術研發(fā)，組織瓶頸技術創(chuàng)新攻關，加快研究成果共享與轉化，

優(yōu)化膠管膠帶產品產業(yè)鏈，對推動區(qū)域和行業(yè)整體升級，提高膠管膠帶專業(yè)國內外際競爭能力和市場

占有率。重點企業(yè)的主要生產工藝裝備基本實現(xiàn)智能化、連續(xù)化、自動化、數(shù)字化，試驗檢測設備實

現(xiàn)自動化、量化、數(shù)字化，接近世界先進水平。推動企業(yè)加快自動化、信息化、智能化的建設進程，

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大力發(fā)展智能制造，用信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，進行智慧工廠等智能制造試點示范項目試點。建立一

支受過高級培訓、掌握豐富技術知識的員工隊伍，滿足智能制造中的系統(tǒng)維護、故障診斷、排除和溝

通協(xié)調的需要。

膠管膠帶企業(yè)配置能夠保證日常生產經(jīng)營管理高效運作的硬件和基礎軟件設施，建立與公司生產

經(jīng)營活動相匹配的內外部系統(tǒng)溝通平臺 , 將生產經(jīng)營活動產生的各種數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)和 ERP 系統(tǒng)實現(xiàn)

信息資源共享 , 實現(xiàn)辦公系統(tǒng)和生產經(jīng)營活動自動化。重點企業(yè)建成數(shù)字化車間，通過實施聯(lián)網(wǎng)集中

控制、智能化管理、過程在線監(jiān)測，確保各工序準確、均勻、質量穩(wěn)定、生產安全、衛(wèi)生環(huán)保，行業(yè)

完成兩化融合的深度建設。推廣智能化工廠，力爭實現(xiàn)無人值守化高端工廠。推動膠管膠帶企業(yè)加快

自動化、信息化、智能化的建設進程，大力發(fā)展智能制造，用信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，進行智慧工廠

等智能制造試點示范項目試點。重點企業(yè)要比較成熟地導入射頻技術、智能機器人、信息技術為載體

的智能化制造，打造智能化工廠，實現(xiàn)自動化制造、半成品物流自動化、輸送自動化、成品檢測與入

庫自動化、全自動化智能化立體倉儲系統(tǒng)，以及對對整個體系進行綜合管理的 MES 管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從

原材料、部件、成型、硫化、檢測、入庫自動化、信息化、智能化生產。

疫情防控帶來重大挑戰(zhàn)，但也為人工智能技術的加速應用提供了全新場景和試驗機會。在疫情防

控期間，依靠人工智能和大數(shù)據(jù)技術，數(shù)字政府和各類線上服務得到快速發(fā)展，在膠管膠帶行業(yè)推動

復工復產方面，人工智能作為一種通用技術，在與各行各業(yè)結合的過程中，帶來了工作效率和有效性

的提升。在信息化和智能化時代，膠管膠帶行業(yè)需要更好地發(fā)揮人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術在疫情

防控和復工復產方面的作用，把握新場景帶來的新機遇。

4.2.6 抓住國內市場打造內循環(huán)經(jīng)濟體系的契機，提升我國膠管膠帶產業(yè)的競爭力

推動膠管膠帶行業(yè)轉型升級，推動政府出臺相關政策，支持需要重點發(fā)展的技術和產品項目，限

制技術含量不高或一般擴大產能的項目，禁止高耗能、高污染的項目，淘汰落后技術及裝備，最大限

度的去除落后產能，鼓勵企業(yè)注重創(chuàng)新發(fā)展、智能制造、綠色生產，摒棄落后的生產方式，加快轉型

升級步伐。

優(yōu)化產業(yè)鏈，優(yōu)化產品結構和產業(yè)層次，形成優(yōu)勢明顯的產業(yè)鏈。通過向上游延伸爭取所用原材

料的話語權，通過向下游產業(yè)延伸尤其是向其應用領域的延伸，掌握膠管膠帶的發(fā)展方向。有效銜接

產業(yè)鏈，與產業(yè)鏈上的優(yōu)勢企業(yè)建立長期穩(wěn)定、互利共贏的合作關系，謀求更高層次的發(fā)展。

4.2.7 強化膠管膠帶產品的綠色生產

加大行業(yè)節(jié)能降耗、減排治污防治力度，利用新技術、新工藝、新材料、新設備推動企業(yè)節(jié)能減排。

制定行業(yè)清潔生產技術評價體系，開展效能對標達標活動，研發(fā)、推廣污染防治技術，大幅度提高行

業(yè)清潔生產水平。提高資源綜合利用水平，提升能源利用效率，擴大新能源應用比例，加強水資源利

用，加強廢棄物綜合利用技術的研發(fā)與推廣利用，提高大宗工業(yè)固體廢物轉化為再生資源的能力。論

證行業(yè)應用綠色原材料的可行性，通過使用環(huán)保的原材料從源頭上遏制污染的產生，滿足行業(yè)生產工

藝和技術的要求，帶動行業(yè)實行綠色化，加速產業(yè)鏈升級。協(xié)助政府部門推進行業(yè)環(huán)境信用體系建設，

同時要積極通過各種途徑反映企業(yè)環(huán)保方面的愿望和訴求，維護企業(yè)的合法權益。

4.2.8 堅決規(guī)范膠管膠帶市場秩序

膠管膠帶企業(yè)要加強行業(yè)自律，冷靜分析市場，保持理性的經(jīng)營理念，自覺維護行業(yè)正常、公平

的市場競爭次序，采取符合市場規(guī)律的營銷模式，依托高品質的的產品質量、及時有效的售后服務和

不斷創(chuàng)新的技術開展競爭，贏得市場。行業(yè)重點企業(yè)要帶頭樹立品牌意識，從轉型升級和供給側改革

入手，用品牌、質量、服務贏得市場。通過提升產品質量和效能獲得市場和用戶的認可。自覺抵制非

理性營銷行為，做好經(jīng)營風險防控，不重蹈價格戰(zhàn)覆轍，保持自身合理的利潤空間，珍惜、善待市場，

共同維護好公平有序的營商環(huán)境，促進行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。政府部門應通過嚴查、嚴打積極協(xié)助企

業(yè)清理行業(yè)惡性競爭的三流企業(yè)，嚴禁侵權、假冒事件的發(fā)生。

4.3 實施“雙碳”目標膠管膠帶行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

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就膠管膠帶行業(yè)而言，“雙碳”目標的推進，面臨著來自路徑選擇、產品結構調整。隨著“雙碳”

目標的提出與推進，“十四五”時期成為踐行既定目標的關鍵時期。

4.3.1 膠管膠帶產業(yè)產品能耗、物耗高

與產業(yè)鏈其它產業(yè)相比，作為國民經(jīng)濟配套產業(yè)的膠管膠帶屬于傳統(tǒng)“三高一低”（高投入、高能

耗、高污染、低效益）產業(yè)，實現(xiàn)“雙碳”目標時間更緊、幅度更大、困難更多、任務異常艱巨，在

產業(yè)鏈中還處于中低端，存在生產管理粗放、高碳燃料用量大、產品能耗物耗高。

4.3.2 膠管膠帶產品傳統(tǒng)配方面臨多環(huán)芳烴和短鏈氯化石蠟的禁用風險

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類含有近一萬種化合物，在膠管膠帶生產中會使用一些含有 PAHs 的油類

作為添加油。這些添加油與橡膠介質結合在一起，并最終駐留在膠管膠帶產品中。多環(huán)芳烴具有致癌性，

不僅對膠管膠帶生產工人造成傷害，也會在膠管膠帶產品使用過程中摩擦被加熱分解成苯系物等致癌

物質，這些物質大多在離地面 1 米的空氣中漂浮，對兒童造成直接危害。

短鏈氯化石蠟（SCCP）在我國阻燃輸送帶配方中作為阻燃劑廣泛使用，作為一種潛在的持久性有

機污染物，短鏈氯化石蠟具有持久性、生物富集性、長距離遷移、高毒性等特點，會對生態(tài)環(huán)境和人

體健康造成威脅，目前許多國家已經(jīng)對短鏈氯化石蠟（SCCP）禁用，我國行將簽署禁用短鏈氯化石蠟

斯德哥爾摩公約，2017 年 5 月，在第八次《斯德哥爾摩公約》締約方大會上，通過了關于增列短鏈氯

化石蠟進入附件 A 的決議。修正案于 2018 年 12 月 18 日生效。截至到 2021 年 7 月，全球 184 個締約

方中有 167 個締約方通過該項決議。其中包括歐盟、日本等。目前，沒有締約方申請?zhí)囟ɑ砻庥猛尽?/p>

4.3.3 膠管膠帶產品普遍附加值低

膠管膠帶產品進行產業(yè)結構轉型升級面臨自主創(chuàng)新不足、關鍵技術“卡脖子”、能源資源利用效率

低、各類生產要素成本上升等挑戰(zhàn)，短期內實現(xiàn)碳排放與經(jīng)濟增長脫鉤壓力巨大。

企業(yè)將進入前所未有的轉型期，也面臨著前所未有的轉型壓力。從企業(yè)內部來看，如何實行低碳

或零碳，成為了企業(yè)進行技術革新或是上新項目時的重要選項。從企業(yè)外部來看，經(jīng)濟結構、能源結構、

產業(yè)結構將發(fā)生深遠的變化。

4.4 實施“雙碳”目標膠管膠帶行業(yè)帶來歷史性的發(fā)展機遇

盡管從戰(zhàn)術角度看，實現(xiàn)“雙碳”目標對膠管膠帶行業(yè)挑戰(zhàn)巨大，但從戰(zhàn)略角度看，實現(xiàn)“雙碳”

目標的機遇大于挑戰(zhàn)。因此，我們在戰(zhàn)略上要倍加珍惜這一歷史性機遇，系統(tǒng)思考、科學布局 ；在戰(zhàn)

術上要踏踏實實地科學踐行綠色發(fā)展之路，以期搶占膠管膠帶低碳科技制高點。

實施“雙碳”目標將加速膠管膠帶行業(yè)產業(yè)結構的調整與優(yōu)化。一是驅動相關的技術升級與模式

創(chuàng)新 ；二是導致高能耗產業(yè)及產能的擴張受到抑制 ；三是促使數(shù)字經(jīng)濟、高科技產業(yè)及服務業(yè)成為發(fā)

展重點。

4.4.1 倒逼產業(yè)轉型升級，提高經(jīng)濟增長質量

實施“雙碳”目標將推動膠管膠帶初級制造業(yè)向綠色低碳轉型升級，并將大大增加綠色發(fā)展相關

新技術的研發(fā)投資。

例如，我們在“十四五”規(guī)劃提出的遠距離物料輸送用環(huán)境友好的節(jié)能輸送帶取代依賴修路和有

撒漏的高能耗汽車輸送，就可以提到議程上了。另外，載人輸送帶在城市等人員密集流動場合使用也

會被接受。

4.4.2 加速膠管膠帶行業(yè)的能源轉型和能源革命進程

通過大幅提升能源利用效率和大力發(fā)展非化石能源，逐步擺脫對化石能源的依賴，以更低的能源

消耗和更清潔的能源，支撐膠管膠帶產品的綠色發(fā)展，在倒逼能源清潔轉型的同時保障能源安全供應。

4.4.3 加快高耗能膠管膠帶產品和企業(yè)去產能和重組整合步伐

高能耗、高排放產品和企業(yè)，產能擴張力度將受到較為嚴格的碳排放限制，產能退出和壓減速度

加快。而且膠管膠帶行業(yè)內技術、設施更為先進的龍頭企業(yè)有望進一步占據(jù)競爭優(yōu)勢，兼并重組整合

趨勢加強。

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4.4.4 新增大量綠色投資需求，改善投資結構

為實現(xiàn)“雙碳”目標，高耗能、高排放膠管膠帶產品和企業(yè)為降低排放，需要新增大量清潔能源設備、

低碳排放設備等技術改造投資 ；為實現(xiàn)快速降低碳排放，需要新增大量綠色、低碳、零碳等技術投資。

例如，倒逼帶傳動與汽車、工程機械、農業(yè)機械等配套的傳動效率提高及使用說明與其大修同步，可

以擴大傳動帶的市場領域。

4.4.5 有利于打破“碳壁壘”，推動膠管膠帶產品出口

未來，在碳減排倒逼下，為滿足本國環(huán)保團體要求并保護本國產業(yè)，部分國家或將碳減排與貿易

聯(lián)系在一起，動用“碳壁壘”。膠管膠帶產品實施“雙碳”目標，可打破“貿易壁壘”，消除出口產品

被征收碳稅的潛在風險。

4.5 “十四五”期間膠管膠帶行業(yè)在實施“雙碳”目標的建議

現(xiàn)階段我國膠管膠帶領域主要面臨傳統(tǒng)產能嚴重過剩的風險，而高端產品技術難以突破，未來碳

中和政策壓力將推動現(xiàn)代膠管膠帶高端化、清潔化、市場化路線。區(qū)域協(xié)調發(fā)展面臨新挑戰(zhàn)。我國地

區(qū)經(jīng)濟發(fā)展差異大，不同地區(qū)資源稟賦、產業(yè)優(yōu)勢和經(jīng)濟發(fā)展水平的差異性，造成不同區(qū)域膠管膠

帶產品綠色低碳發(fā)展的成本有著顯著差異?！半p碳”將給不同地區(qū)、不同人群帶來不同程度的影響。

“十四五”期間可以從多方面推動“雙碳”目標的實現(xiàn)。一是從管理方面構建節(jié)能模式 ；二是通過科

研投入，促進技術進步，以達到節(jié)能減碳模式。三是通過政策傾斜促進節(jié)能減排。各方面采取的措施

需要從成本、性價比、安全性等方面把握，促使企業(yè)自動走綠色節(jié)能道路。為此，我謹提出如下 11

個方面的建議。

4.5.1 提升膠管膠帶產品的價值鏈

通過優(yōu)化產業(yè)結構，一方面不斷提升工藝技術水平，降能減排，減少碳排放相關成本 ；另一方面，

向下延伸產業(yè)鏈，提升產品附加值，降低單位產值的能耗成本。因此這將利好具有技術優(yōu)勢及擁有全

產業(yè)鏈、可以獲得產品高附加值的膠管膠帶企業(yè)。以新工藝、新技術，聚焦核心技術攻關，把產品創(chuàng)

新作為產業(yè)結構調整的龍頭，提升產品價值鏈。

4.5.2 推進存量產能的效益最大化

“十四五”期間，要根據(jù)資源稟賦特點，全面對標找差、追求極致效率，推進存量產能的效益最大

化。突破核心關鍵技術，加快低碳技術開發(fā)與應用等多種方式處理好發(fā)展與減排的關系、整體與局部

的關系以及短期與中長期的關系。

4.5.3 提高膠管膠帶產品原料低碳化比例

加快產業(yè)結構調整，淘汰高耗低效產能，推進產業(yè)提質升級。大力發(fā)展發(fā)展高端產品，不斷提高

原料低碳化比例。加快油轉化、電氣化步伐，推進能源結構低碳化。

4.5.4 協(xié)同作戰(zhàn)實施“雙碳”目標

協(xié)同作戰(zhàn)，協(xié)同降碳將是今后一段時期企業(yè)間繞不開的話題。在實施路徑協(xié)同方面，要積極開展

多能互補、發(fā)揮減污降碳協(xié)同效應。在科技創(chuàng)新協(xié)同方面，要加強產業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新、推動綠色化數(shù)字

化轉型。實現(xiàn)“雙碳”目標需要統(tǒng)籌各方力量，付出艱苦卓絕的努力。實施“雙碳”目標不是哪一個

企業(yè)、哪一個行業(yè)能夠單獨完成的艱巨任務，需要全社會、產業(yè)鏈上下游企業(yè)共同努力。

4.5.5 堅決控制出廠產品有害物質超標

制作膠管膠帶產品的一些原料中，會含有大量的鎘、鉛、汞、鉻等元素，導致有害物質超標。這

些元素一般以化合物形式存在，因此企業(yè)要加強監(jiān)測化合物、粘合劑和防霉劑的使用，以控制相關元

素的含量。

4.5.6 加強原料管控

原料采購建立入庫檢機制應對有害物質限量要求，其檢測依據(jù)相應國家標準執(zhí)行。包括：鎘、鉛、汞、

六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚含量的檢測按照《電子電氣產品六種限用物質的檢測方法》（GB/T

26125）中規(guī)定的方法進行 ；PAHs 含量的檢測按照《汽車材料中多環(huán)芳烴的檢測方法》（QC/T1131-

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2020）中規(guī)定的方法進行 ；SCCP 按照 SN/T 3814 進行測定。

針對采購的原材料，生產前可以對通過 X 射線熒光光譜分析法進行監(jiān)測，以確保批量原材料的安

全性并且避免原材料的交叉污染。而對于特殊的原材料，如最常出現(xiàn)問題的氧化鋅產品，應做重點監(jiān)測。

4.5.7 加緊研發(fā)推出限用、禁用材料的替代品

對膠管膠帶產品生產中使用一些限用、禁用材料，企業(yè)應有緊迫感加緊替代品的研究采用，例如 :

各種膠管膠帶產品廣泛使用的高鋅氧化鋅，全部或部分用低鋅及無鋅硫化活性劑取代，大幅減低

耐高溫輸送覆蓋膠氧化鋅添加份數(shù)，用非鈷粘合劑取代鋼絲繩芯輸送帶生產中使用的鈷鹽，研發(fā)高效

低毒阻燃劑取代氯化石蠟、三氧化二銻，等等。

4.5.8 有序穩(wěn)妥推進“雙碳”工作

充分學習理解和用好新政策，及時與政府及有關管理部分溝通，反映推進“雙碳”工作遇到和充

分的新問題和新情況。要牢固樹立發(fā)展是第一要務的理念，有序穩(wěn)妥推進“雙碳”工作，避免激進和

一刀切的做法，保持經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。同時，通過加強低碳清潔能源技術創(chuàng)新，加快能源體制機制

改革，提高能源利用效率，努力實現(xiàn)低碳能源的規(guī)?；?，降低低碳能源使用成本，加大超低排放和節(jié)

能改造力度，加快向低碳、清潔化轉型。

4.5.9 樹立膠管膠帶產品全生命周期低碳運營的理念

從膠管膠帶企業(yè)的角度看，企業(yè)核心競爭力將發(fā)生改變，低碳制造和低碳產品成為企業(yè)贏得競爭

優(yōu)勢的必備能力。同時，企業(yè)的發(fā)展理念及業(yè)態(tài)也將發(fā)生改變，必須進行產品全生命周期的低碳運營，

不僅要考慮產品使用過程中的碳排放，也要考慮產品生產過程中的碳排放，還要考慮產品全生命周期

中所用能源的碳排放。未來碳配額管理將是企業(yè)有效運營的基礎，高碳的企業(yè)必須花費大量資金來購

買碳排放額度，甚至可能因此失去參與競爭的資格。預計未來低碳將成為國際上新的經(jīng)濟準則和貿易

壁壘，高碳輸出的企業(yè)將被直接拒之門外。

例如，輸送帶產品要成為低碳制造和低碳產品，除了考慮產品生產過程中的碳排放，重要的是使

用過程中的碳排放，一條輸送帶線要衡量其全生命周期為用戶輸送了幾百萬噸物料消耗用戶多少千瓦

電力，因此市場機會是青睞“技術＋低碳”的企業(yè)。

4.5.10 實施“雙碳”目標要產業(yè)鏈上下游聯(lián)動與內部聯(lián)動相結合

從產業(yè)內部看，必須通過產業(yè)鏈上下游聯(lián)動來實現(xiàn)減碳，包括輸送帶、膠管、傳動帶的設計、采

購、生產、使用、回收及服務等各個環(huán)節(jié)，即全產業(yè)鏈條和產品全生命周期的降碳脫碳。從產業(yè)外部看，

必須通過跨行業(yè)、跨領域協(xié)同來實現(xiàn)脫碳。在此過程中，以碳交易為核心的低碳政策法規(guī)體系，將為

膠管膠帶行業(yè)低碳和脫碳轉型提供最直接的驅動力和根本的保障。

具體來說，在內部聯(lián)動方面，實現(xiàn)產業(yè)全生命周期減碳的措施可歸納為 ：一是生產減碳，包括能

效提升、工藝創(chuàng)新、燃料 / 原料替代和綠色能源使用等。二是使用減碳，包括節(jié)能增效和提高運行效

率等，特別是應當提高低碳 / 零碳產品的使用強度，以稀釋其生產過程付出的能耗和排放代價。同時

應盡可能延長產品的使用壽命，過去這主要是為了降低成本，而未來則是為了減少生產來降低碳排放。

三是回收減碳，包括提升材料的回收與再利用效率、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟等。材料的回收與再利用意味著可

以少生產原材料，這將有效減少原材料生產從礦產開采到加工應用全過程的碳排放。四是供應鏈減碳，

包括材料替換和工藝創(chuàng)新等，前者將從源頭上解決上游產業(yè)鏈的碳排放問題，后者將有效降低零部件

生產過程中的碳排放。

例如，舊輸送帶的回收與再利用，就會顯著降低輸送帶產業(yè)整體的碳排放。

4.5.11 加快膠管膠帶專業(yè)的能耗限額及產品綠色設計規(guī)范標準制修訂，為實施“雙碳”目

標提供標準保障

時不我待，當務之急是盡快建立完善的支撐膠管膠帶的“雙碳”目標的標準體系，我們正在制修

訂中國橡膠工業(yè)協(xié)會團體標準“輸送帶單位產品能源消耗限額”和“綠色產品設計規(guī)范 輸送帶”，兩

項實施“雙碳”目標所急需的重要的標準。由浙江雙箭橡膠股份有限公司主持修訂的“輸送帶單位產

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

品能源消耗限額”已進入調研論證階段，按照 GB/T12723《單位產品能源消耗編制通則》的規(guī)定，在《輸

送帶單位產品能源消耗限額》中確定三個能源消耗值即限定值、準入值和先進值的單位及其指標，即

將產生征求意見稿。由無錫寶通科技股份有限公司主持新研制的“綠色產品設計規(guī)范 輸送帶”也進

入實質編制階段。

2021 年 4 月 1 日國家發(fā)展改革委召開國家能耗限額標準推進工作會，對加快推進能耗限額標準制

修訂提出工作要求。會議強調 ：編制和實施能耗限額標準是《節(jié)約能源法》的法律規(guī)定，各行業(yè)協(xié)會

要加快推動有關能耗限額標準制修訂工作，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和及能耗雙控目標提供有力支撐?！遁?/p>

送帶單位產品能源消耗限額》的編制工作組認真學習領會今年的政府工作報告 ：“2021 年單位國內生

產總值能耗降低 3% 左右”的要求，同時按照國家“十四五規(guī)劃”：“十四五”時期總目標是能耗降低

13.5%, 及“十四五”時期二氧化碳排放降低 18% 的規(guī)劃進行論證 , 認真考慮到有關因素的影響，一

是環(huán)保要求對能耗有新挑戰(zhàn)、二是智能化改造打破原能耗統(tǒng)計路線、三是混煉膠外購外加工問題、四

是化工園區(qū)內企業(yè)等新情況與新問題。

當前，膠管膠帶行業(yè)目前正處于產業(yè)結構調整的重要時期，能否適應雙循環(huán)格局的“雙新”形勢

和實施“雙碳”戰(zhàn)略，滿足膠管膠帶行業(yè)下游市場領域多樣化的迫切需要，是引領膠管膠帶行業(yè)高質

量發(fā)展的關鍵。在中國經(jīng)濟發(fā)展紅利中蓬勃壯大的膠管膠帶產業(yè)，在生產能力、制造技術、質控營銷

等方面都取得了長足進步，產業(yè)的國際地位不斷上升，已經(jīng)慢慢地從追隨者演變?yōu)樽汾s者的角色，只

要把握雙循環(huán)格局的“雙新”和實施“雙碳”戰(zhàn)略的機遇，就能夠延續(xù)高質量發(fā)展、實現(xiàn)建設膠管膠

帶世界強國的宏圖偉業(yè)！

鄒濤 等·活絡模激光清洗技術的開發(fā)應用及發(fā)展方向

33

0 前言

活絡模傳統(tǒng)清洗方式對環(huán)境造成的客觀影響，隨著國家“碳達峰、碳達標”戰(zhàn)略目標實施計劃的

推進，迫切需要發(fā)展激光清洗技術而替代活絡模傳統(tǒng)的清洗方式。縱觀國內外市場活絡模線上、線下

激光清洗設備開發(fā)應用的實際情況，通過簡單、實效、造價、服務等維度給予評估，均存在這樣或那

樣的問題，詳情參見表 1。優(yōu)先開發(fā)國產線下激光清洗設備并推廣應用，進一步攻克線上激光自動化

清洗技術難關，以滿足輪胎企業(yè)模具清洗的迫切需求，是本文著重研究方向。

表 1 活絡模主要激光清洗設備應用特性評估表

清洗類別 設備類型 代表性產品 應用特點

線上

手持式激

光清洗機

德國 Cleanlaser

公司 CL300

①手持清洗靈活方便 ；

②極端高溫環(huán)境下線上清洗無法長時間連續(xù)作業(yè)，勞動強度大 ；

③清洗效果差，存在清洗死角，“ 花斑 ” 現(xiàn)象嚴重 ；

④高溫環(huán)境下激光清洗機故障率高，清洗頭壽命短 ；

⑤線上手持清洗為開放式清洗，對操作者和周邊人員存在激光輻射危害 ；

⑥清洗煙塵彌散在生產車間，影響職工職業(yè)健康 ；

⑦清洗機價格和維修成本居高不下，維保不及時，設備閑置率高。

自動化激

光清洗機

德國 4JET

公司 TMCS

①自動化清洗，清洗效果一致性好 ；

②活絡模在線一體化清洗，存在清洗死角，污垢積累嚴重 ；

③高溫環(huán)境下激光清洗機故障率高、壽命較短 ；

④自動清洗機有激光防護罩，對操作者和周邊人員提供激光輻射安全防護 ；

⑤清洗煙塵可收集處理，保護職工職業(yè)健康 ；

⑥清洗機價格和維修成本居高不下，維保不及時 ；

⑦自動清洗機不能適應各類型硫化機不同規(guī)格模具的清洗要求，在線高溫環(huán)境下，光學系

統(tǒng)及運動部件無法保證長期連續(xù)穩(wěn)定工作，該自動化激光清洗機已停止銷售并退出市場。

備注 線上激光清洗無需拆模，硫化機生產效率較高。

線下

手持式激

光清洗機

德國 Cleanlaser

公司 CL500

①手持清洗無法長時間精細化穩(wěn)定作業(yè)，勞動強度大 ；

②其余特點與線上手持激光清洗機①、③、④、⑤、⑥、⑦相同。

自動化激

光清洗機

德國 4JET

公司 STMCS

①活絡模線下組合一體化清洗，存在清洗死角 ；

②其余特點與線上自動化激光清洗機①、④、⑤、⑥相同。

備注 線下激光清洗，需要拆模，影響硫化機利用率。

說明

由于手持激光清洗機清洗輪胎模具存在的固有缺點，與進口手持激光清洗機一樣，大多數(shù)手持激光清洗機在輪胎企業(yè)被

閑置停用。可滿足模具清洗質量要求的線下自動化模具激光清洗設備只能從國外高價進口，而線上自動化激光清洗技術

有待攻關突破。

活絡模激光清洗技術的開發(fā)

應用及發(fā)展方向

鄒濤 1

，楊和逸 2

，仇連波 3

（1. 萬力輪胎股份有限公司，廣東 廣州 511400 ；

2. 南京集萃激光智能制造有限公司，江蘇 南京 211800 ；

3. 合肥萬力輪胎有限公司，安徽 合肥 231137）

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

1 活絡模清洗方式存在的主要問題及分析

1.1 活絡模傳統(tǒng)清洗方式存在的問題與分析

1.1.1 活絡模傳統(tǒng)清洗方式簡介

活絡模傳統(tǒng)清洗方式主要分為線上干冰清洗和線下砂洗兩大類。

（1）線上干冰清洗

線上干冰清洗又稱在線冷噴 , 其原理（見圖 1）是通過壓縮空氣將粒狀干冰（CO2）高速噴射到模

具表面，利用溫差（模具 180℃左右，干冰 -78℃ ）的物理反應使膠垢脆化及松脫，將污垢快速徹底

的從金屬表面剝落，達到清潔型腔表面并在較短時間恢復生產的目的。干冰清洗具體清洗過程包括 ：

低溫冷凍剝離、吹掃剝離、沖擊剝離。

由于干冰清洗技術的特性與優(yōu)勢，為提高硫化機生產效率與產品外觀質量，活絡模線上干冰清洗

方式在輪胎企業(yè)獲得普遍應用。

圖 1 干冰清洗原理示意圖

（2）線下砂洗

線下砂洗按清洗設備自動化程度，分為手動砂洗與自動化砂洗兩種。按砂料的種類一般分為玻璃

珠、金剛砂、不銹鋼丸砂洗三種。

a. 手動砂洗

手動砂洗機（見圖 2），主要由噴砂主機、旋風分離器、儲砂箱、

壓入式噴砂機、噴槍組、儲塵器、風機及連接管路各系統(tǒng)組成。壓力式噴砂機噴出的砂料掉入至

主機集砂斗，然后在高壓風機的負壓吸引下被吸入至旋風分離器進行分離，砂料只使用一次后掉入儲

砂箱中儲存等待集中處理，無用的粉塵和細砂被抽至濾芯除塵箱進行過濾后排入大氣中。

人工手持噴槍可以靈活地對模具型腔表面通過玻璃珠或不銹鋼丸進行噴射清洗。一般用于鋁花紋

塊、小規(guī)格鋼制模具型腔表面的清洗。

圖 2 手動推車轉盤式噴砂機示意圖

鄒濤 等·活絡模激光清洗技術的開發(fā)應用及發(fā)展方向

35

b. 自動化砂洗

輪胎模具自動化清洗機（見圖 3），由主機部分，旋風集料、給料系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，電器部分四大

部分組成。四大系統(tǒng)通過電器的自動控制有機的組成一體，來完成輪胎模具的清洗工作。

該雙工位洗模機采用吸入式噴砂，即利用壓縮空氣在噴槍內高速流動形成負壓產生的引射作用，

將旋風除塵器內的磨料通過噴砂管吸入噴槍內，然后隨壓縮空氣由噴嘴高速噴出，實現(xiàn)對工件表面的

噴砂處理。噴出后的磨料，落回集砂斗內循環(huán)使用，噴砂時產生的灰塵被除塵箱抽出，并經(jīng)分離器進

行分離，好的磨料積至分離器底部，落回儲砂器中循環(huán)使用，粉塵經(jīng)兩級分離，被吸至旋風除塵器及

布袋除塵器，由布袋除塵器將粉塵分離，凈化排到空氣中。

輪胎模具自動化砂洗設備，清洗效率較高。一般采用不銹鋼丸或玻璃珠砂為磨料，主要用于鋼制

模具型腔表面的清洗。

圖 3 輪胎模具自動化清洗機示意圖

36

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

1.1.2 活絡模傳統(tǒng)清洗方式存在的問題及分析

活絡模傳統(tǒng)清洗方式，不論是線上還是線下清洗，利用介質清洗型腔表面時，對環(huán)境及模具精度

都有一定程度的影響，存在的問題及分析如下。

a. 線上干冰清洗

線上干冰清洗因高速氣流夾帶干冰顆粒對型腔表面進行噴射，產生噪音（100 ～ 110dB）較大、

粉塵多、伴隨著大量 CO2 汽化而對環(huán)境造成惡劣影響，并因急劇冷卻和冰粒沖擊型腔模各配合面，導

致花紋筋累積變形、損壞及配合精度劣化等缺陷，造成產品外觀及均勻性指標難以控制，相應模具維

修費用逐步增加。

b. 線下砂洗

線下砂洗，主要采用噴砂清洗方法，不論是手動設備砂洗還是自動化設備砂洗，都是通過壓縮空

氣將砂粒高速噴出，對模具表面進行沖擊和切削使膠污剝離模具表面，其清洗過程等同于對模具表面

進行研磨，極易造成模具配合精度及鋁花紋塊胎頂精度的劣化。由此對產品質量與模具維護成本造成

的影響程度，同比干冰清洗方式更大。

1.2 活絡模激光清洗方式存在的主要問題及分析

1.2.1 激光清洗技術簡介

激光清洗是一種利用高能短脈沖激光束照射工件表面，表面的污物、銹斑或涂層吸收激光能量后

發(fā)生瞬間蒸發(fā)、應力沖擊或振動剝離的工藝過程（見圖 4）。激光清洗所需能量（功率）密度應大于清

洗污染物所需能量（密度）密度閾值以進行有效清洗，同時激光能量（功率）密度應小于工件的損傷

能量（功率）密度閾值，以免對工件造成損傷。在清洗閾值與損傷閾值之間，能量（功率）密度越大，

清洗效率越高（見圖 5）。激光清洗需要對能量（功率）密度進行十分嚴格的控制。

激光清洗不需使用任何化學藥劑和清洗液，清洗下來的廢料基本上都是固體粉末，體積小，易于

存放，可回收，無光化學反應、不會產生污染，是一種沒有環(huán)境污染的“綠色”清洗方法。激光清洗

無研磨、非接觸、無熱效應，不會損傷工件表面。激光可以通過光纖或導光臂傳輸，與機械臂或機器

人相配合，可方便地實現(xiàn)遠距離操作，能清洗傳統(tǒng)清洗方法人員不易到達的危險場所（真空環(huán)境、核

輻射環(huán)境等）實施清洗作業(yè)。激光清洗可與智能制造技術相結合實現(xiàn)智能自動清洗，清洗速度快、效

率高。激光清洗無需耗材，設備運行成本低。

激光清洗輪胎活絡模是激光清洗技術的典型應用，在實現(xiàn)綠色低碳環(huán)保清洗的同時，可降低輪胎

企業(yè)制造成本，綜合效能提升顯著。

圖 4 激光清洗原理示意圖 圖 5 激光清洗閾值示意圖

1.2.2 活絡模激光清洗方式簡介

（1）活絡模線上激光清洗方式

活絡模線上激光清洗是采用激光清洗技術替代傳統(tǒng)線上干冰清洗的一種清洗方法，分為手持式與

鄒濤 等·活絡模激光清洗技術的開發(fā)應用及發(fā)展方向

37

自動式清洗兩種（見圖 6、圖 7）。以上兩種線上激光清洗方式均需要將激光能量準確輸送到模具表面，

通過控制模具表面光斑的掃描移動速度和激光能量密度在合適的范圍實現(xiàn)對活絡模表面殘留物的有效

清洗。

采用線上激光清洗可以避免線上干冰清洗的高噪聲和車間環(huán)境污染，并減少因活絡模磨損精度下

降而對輪胎質量的影響，有利于輪胎企業(yè)的環(huán)境保護、職業(yè)健康、效能提升。

圖 6 線上手持激光清洗 圖 7 線上自動化激光清洗（4JET）

（2）活絡模線下激光清洗方式

活絡模線下激光清洗可以替代傳統(tǒng)的砂洗工藝，能避免模具多次砂洗受損嚴重，精度差等問題。

激光清洗對模具無損傷。

活絡模線下激光清洗可采用手持激光清洗或自動化激光清洗。由于手持激光清洗無法保證模具表

面各部分獲得的激光能量（功率）密度保持一致，因而清洗外觀不良，存在清洗“花斑”或“斑馬紋”

現(xiàn)象（見圖 8），影響模具的使用效果。自動化激光清洗活絡模可以通過保持激光清洗頭照射模具的距

離以及激光清洗頭移動速率保持恒定來保證激光能量（功率）密度的一致性，從而實現(xiàn)清洗效果的一

致性。

圖 8 手持清洗時模具表面出現(xiàn)的“花斑”

線下激光清洗活絡模分為整體清洗與打散清洗兩種方式。模具花紋塊組合成整體進行清洗可以快

速對模具工作表面進行清洗，但對花紋塊與花紋塊之間結合面的膠垢無法進行有效清洗?；罱j模打散

清洗可以對各花紋塊型腔表面、花紋塊與花紋塊的對接面（豎面）及與側板的配合面（環(huán)面）進行無

死角清洗，清洗干凈徹底。

1.2.3 活絡模激光清洗方式存在的主要問題與分析

（1）活絡模線上激光清洗方式

活絡模線上激光清洗技術這些年在輪胎企業(yè)的應用過程中，主要存在以下四個方面的問題，有待

進一步解決后才具有推廣的價值。

38

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

a. 作業(yè)環(huán)境溫度較高

硫化機模具的工作溫度一般在 180℃左右。輪胎定型硫化結束脫模后，系統(tǒng)截止進蒸汽，進行模

具清洗作業(yè)，模具剩余溫度還有 100℃以上，機臺周圍環(huán)境溫度一般都在 40°以上。在線手持激光清

洗模具，操作人員在機臺模具上的炙熱高溫環(huán)境下手持數(shù)公斤重激光清洗頭連續(xù)精細清洗作業(yè)數(shù)十分

鐘或一兩個小時（視模具規(guī)格大小而不同），安全風險高，清洗質量難以保證。因此在線手持激光清

洗方式在活絡模整套型腔的實際清洗過程中難于推廣應用。

采用自動化激光清洗，激光清洗設備將面臨同樣的高溫環(huán)境條件。激光清洗頭中的光學元件、控

制元器件、運動部件在高溫環(huán)境下會很快老化失效，故障頻發(fā)，失去使用功能。

b. 清洗部位難以接近

不論是液壓硫化機，還是機械式硫化機，上側板與花紋塊距下側板表面較高，離清洗操作人員較遠，

無論是手持清洗作業(yè)人員或自動清洗的激光清洗頭都較難接近清洗區(qū)域并進行清洗作業(yè)。

c. 對各類型硫化機及不同規(guī)格模具的適應性

采用手持激光清洗可基本適應各類型硫化機不同規(guī)格模具的清洗要求，但高溫環(huán)境條件限制了手

持清洗方式的應用。自動激光清洗存在激光清洗頭模組與各類型硫化機及不同規(guī)格模具的規(guī)格大小、

空間姿態(tài)配合及清洗運動控制問題。

d. 存在清洗死角

線上激光清洗是對活絡模型腔進行整體清洗，由于激光清洗頭空間位置及姿態(tài)受模具型腔結構的

限制，模具中有些部位存在清洗死角，激光束不能照射進死角部位，造成清洗不干凈。長周期硫化情

況下，模具局部表面殘留物會越積越多，影響輪胎產品外觀質量及均勻性。

(2) 活絡模線下激光清洗方式

目前大多數(shù)購置了活絡模線下激光清洗設備的廠家主要采用手持式激光清洗機進行手工清洗作業(yè)。

線下手持清洗作業(yè)存在如下主要問題 ：

a. 無法避免清洗“花斑”。手持清洗作業(yè)無法保持手持清洗頭距模具表面的距離和沿模具表面輪

廓移動速度的穩(wěn)定性，模具表面獲得的激光能量密度一直處于變化之中，造成局部區(qū)域清洗不干凈或

“過燒”損傷模具，形成清洗“花斑”，影響模具清洗質量及輪胎表面色澤的均一性。

b. 勞動強度大。手持激光清洗需要操作人員長時間精細控制數(shù)公斤重手持清洗頭的移動狀態(tài)，這

對操作人員的體力和耐力是極大的考驗，勞動強度極大。久而久之，手持激光清洗并不具有實用價值。

c. 存在激光輻射安全風險。手持式激光清洗為開放式清洗，清洗用激光光源為最高風險等級的 4

類激光產品，激光清洗的激光束及其照射在模具表面雜亂反射的的漫反射光存在損傷人眼及皮膚的風

險。手持激光清洗具有操作的隨意性，極易對操作者或周邊其他人員造成激光輻射危害。

d. 清洗煙塵污染空間環(huán)境。開放式的清洗作業(yè)環(huán)境，不能做到對清洗煙塵的完全收集處理。長期

以往，彌散在空氣環(huán)境中的煙塵會損害員工職業(yè)健康。

因此，很有必要開發(fā)一款完全解決手持激光清洗應用固有缺陷的新型自動化激光清洗設備。

2 活絡模線下激光清洗技術的開發(fā)與應用

2.1 活絡模線下激光清洗設備的開發(fā)

針對活絡模線下傳統(tǒng)清洗及手持激光清洗方式存在的諸多問題，國內少數(shù)廠家開展了活絡模線下

自動激光清洗設備的研發(fā)工作。其中南京集萃激光智能制造有限公司開發(fā)的 JL-SmartCleaning 系列

全自動輪胎模具激光清洗工作站（以下簡稱工作站，見圖 9），由脈沖光纖激光器、六軸機器人、帶云

臺激光清洗頭、整機控制系統(tǒng)、雙工位旋轉平臺、激光清洗專家軟件、煙塵收集處理系統(tǒng)、激光安全

系統(tǒng)和水氣輔助系統(tǒng)等八大部分組成。在完成了大量激光清洗工藝試驗的基礎上建立了激光清洗工藝

專家?guī)煜到y(tǒng)，該工作站已在輪胎企業(yè)生產現(xiàn)場得到了實際的清洗應用。

該工作站的研發(fā)制造申報了關于激光清洗工藝、激光清洗模具快速定位、激光清洗頭、激光輻射

安全防護、激光清洗工藝管理等方面的 19 項發(fā)明專利、實用新型專利和軟件著作權，其中 15 項已獲

鄒濤 等·活絡模激光清洗技術的開發(fā)應用及發(fā)展方向

39

得中國國家知識專利局和國家版權局授權。吹響了國產化替代進口激光清洗設備的新號角。

圖 9 JL-SmartCleaning 系列全自動激光清洗工作站外觀圖

工作站根據(jù)絕大多數(shù)輪胎制造企業(yè)針對半鋼、全鋼模具的清洗要求，國外同類激光清洗設備在使

用中存在的問題及國際國內輪胎行業(yè)相關模具規(guī)格技術標準和激光行業(yè)輻射安全防護要求技術標準設

計而成。

該工作站采用了雙工位設計，有效提高了工作站的使用效率。該工作站可對打散后的活絡模花紋

塊、側板逐塊進行全方位自動清洗（見圖 10、圖 11），將花紋塊分型面和胎肩上的“膠垢”殘留物以

及側板鋼圈上的污垢清洗干凈。

圖 10 花紋塊的激光自動清洗 圖 11 側板的激光自動清洗

采用了六軸機器人和激光清洗云臺使激光清洗頭具有更靈活的空間位置與姿態(tài)控制能力，實現(xiàn)全方

位無死角清洗。焦距保持功能和沿模具弧面勻速運動功能可以保證激光清洗的一致性，清洗無“花斑”。

為保證花紋塊的各個部分都被清洗干凈，激光束可從四個角度傾斜照射花紋塊進行清洗。激光束

傾斜照射花紋塊的角度依各花紋塊中花紋的高度和間隔不同而不同。采用能量均勻分布的平頂光束（見

圖 12）進行激光清洗，可有效防止高斯光束對模具造成損傷。采用方形光斑較圓形光斑具有更好的模

具表面覆蓋效率（見圖 13），從而提高了清洗效率。

圖 12 能量均勻分布的平頂光束 圖 13 光斑搭接影響清洗效率

該工作站系列可配備波長 1064nm，平均輸出功率 500W、1000W 或 2000W，單脈沖能量 25mj、

40

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

50mj 或 100mj 的納秒脈沖光纖激光器，滿足不同的清洗要求。根據(jù)模具表面殘留物嚴重程度，可以

合理調整激光脈沖頻率、脈沖寬度及光束掃描速度從而精確控制模具表面獲得的激光能量密度，實現(xiàn)

對模具的柔性清洗。

專業(yè)開發(fā)的激光清洗專家?guī)煜到y(tǒng)可以查詢、新增、修改、調用、存貯各規(guī)格型號、各編號模具的

激光清洗工藝參數(shù)，包括清洗工藝路徑規(guī)劃、清洗頭運動參數(shù)、激光工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)。

該工作站配備有溫濕度、水溫和風壓傳感器實時監(jiān)控設備的工作條件和環(huán)境條件，保障設備運轉

于正常工作環(huán)境條件。工作站控制柜配有恒溫低濕工作條件，保證了激光器及機器人控制系統(tǒng)和整機

控制系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運轉。

激光清洗模具在可移動全密閉防護罩內進行。根據(jù) GB7247.1-2012《激光產品的安全 第 1 部分 ：

設備分類、要求》國家強制性標準，防護罩關閉后的工作站屬于安全的 1 類激光產品。為觀察防護罩

內激光清洗作業(yè)情況，該工作站配有視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控激光清洗情況。煙塵收集系統(tǒng)收集過濾處

理防護罩內激光清洗產生的煙塵，過濾精度達到 0.3μm。

2.2 活絡模線下激光清洗設備的應用

JL-SmartCleaning 工作站應用于合肥萬力 200 萬條全鋼產能的模具清洗，從一年多的使用情況

進行評估，其清洗質量、清洗效率和應用成本達到或優(yōu)于設計指標，可滿足公司生產日換模計劃的模

具清洗要求 , 具體情況如下。

2.2.1 清洗質量

工作站從模具與輪胎兩個維度進行驗證評估，具有無色差，無死角，不易堵孔的特點。其焦距保

持與勻速運動功能，能避免模具表面色差，保證清洗效果的一致性（見圖 14）。清洗過程中，除完成

模具型腔表面清洗，還可有效清除側板鋼圈、側板與花塊配合面等位置殘留膠皮、隔離劑等異物（見

圖 15）。解決了模具配合面因砂洗損傷其精度劣化而影響產品質量的難題。

需要指出的是，對于表面銹蝕的模具或經(jīng)過焊接、拋光后維修痕跡明顯的模具需先進行噴砂或拋

光處理，再進行激光清洗。此外，如型腔模及鋼圈配合面殘留較厚膠皮，須人工清理后再行激光清洗，

以免在模具表面殘留明顯黑色痕跡。

側板 鋼模花紋塊 鋁?；y塊

圖 14 型腔模表面清洗效果圖

花塊配合面清洗前 花塊配合面清洗后 側板配合面清洗前、后

圖 15 型腔模配合面清洗效果對比圖

2.2.2 清洗效率

鄒濤 等·活絡模激光清洗技術的開發(fā)應用及發(fā)展方向

41

工作站自動清洗操作，配員 ：1 人 / 班，負責模具吊裝吊離清洗工位、模具配合面嚴重附著膠皮

雜物清理及通孔等工作。清洗全鋼型腔 48-60 分 / 副（側板 4-5 分 / 塊，鋼花塊 4-5 分 / 塊），可以

清洗 8-10 副 / 班模具。1 天 3 班可以清洗 24-30 副型腔。完全可以滿足生產換模計劃的模具清洗要求。

2.2.3 清洗費用及效益預算

雖然現(xiàn)階段激光清洗設備的價格相對較高，折舊費用稍高，但激光清洗較砂洗及干冰清洗在人工

成本、能耗、耗材費用等方面均有所下降。

（1）激光清洗單價

人工 31 元 / 副，能耗 5 元 / 副，激光清洗無耗材，設備維護及折舊 77 元 / 副，合計 113 元 / 副。

（2）噴砂清洗單價

人工 62 元 / 副，能耗 76 元 / 副，耗材 70 元 / 副，設備維護及折舊 26 元 / 副，合計 234 元 / 副。

（3）干冰清洗單價（服務外包）

人工 / 耗材 200 元 / 副，能耗 80 元 / 副，無設備維護及折舊費用，合計 280 元 / 副。

（4）費用對比及效益測算

引入激光清洗工作站前，采用傳統(tǒng)的清洗方式。每天模具清洗工作量為 20 副，其中線下砂洗 12

副 / 天，線上干冰清洗 8 副 / 天。清洗費用合計 5048 元 / 天，合 184.3 萬元 / 年。

引入激光清洗工作站后，每天模具清洗工作量仍為 20 副，其中激光清洗 16 副 / 天，線上干冰清

洗 4 副 / 天（不拆模以趕工生產）。清洗費用合計 2928 元 / 天，合 106.9 萬元 / 年。

引進激光清洗設備后，模具清洗費用比采用傳統(tǒng)清洗費用下降了 42%，節(jié)省額達 77.4 萬元 / 年。

如年度模具激光清洗數(shù)量增加，激光清洗技術為輪胎用戶節(jié)約的制造成本將更加可觀。

隨著未來激光清洗采用進口激光器價格的進一步下降，或國產脈沖激光器性能、可靠性的不斷提

升，全自動激光清洗設備的購置成本有望得到降低，應用激光清洗活絡模具必將獲得更大的的經(jīng)濟優(yōu)

勢。

2.2.4 激光清洗對模具壽命、排氣孔影響

砂洗易造成排氣孔堵塞，噴砂清洗后需要疏通排氣孔，無法疏通的需更換氣套。少部分輪胎廠噴

砂前會用鐵絲等將排氣孔逐一塞住，然后再噴砂清洗，避免不銹鋼丸或金剛砂等磨料堵塞排氣孔。以

上兩種處理方式工作量都較大，一般模具完成通孔工作需要 1-2h/ 副。激光清洗方式不會造成排氣孔

堵塞，排氣孔里殘留的只是較軟的橡膠或者隔離劑，容易疏通并且鉆頭不易折斷，通孔效率同比大大

提升，基本不用更換排氣套。由于激光清洗設備自動運行不需要全程看護，清洗人員可同時兼顧通孔

工作，不需要單獨配備通孔及更換氣套人員，全鋼模具通孔時間約 10-20 分 / 副。

激光清洗能有效維持活絡模精度長周期穩(wěn)定，還能適用于彈簧氣套模具（砂洗無法清洗）的清洗，

模具維護成本顯著降低。

2.2.5 工作站維護及服務

與其他自動化激光清洗設備需要定期更換（一般是 1 次 / 年）固體碟片激光器中的光學鏡片、激

光晶體和空氣清潔單元不同，工作站采用了免維護的全固態(tài)光纖激光器，無需任何光學元件，其中半

導體泵浦光源的壽命宣稱可達十萬小時，穩(wěn)定可靠。激光清洗頭的運動采用了有較高 IP 防護等級的

成熟技術工業(yè)機器人。工作站整機的維護工作量較小，主要集中在兩個方面 ：一是定期清潔激光清洗

頭光學系統(tǒng)和煙塵收集處理系統(tǒng)中的濾筒 ；二是對雙工位旋轉平臺和移動防護罩的運動單元定期加注

潤滑油脂。這些均屬常規(guī)日常維護，輪胎企業(yè)維護人員經(jīng)過常規(guī)培訓即可實施維保作業(yè)。較低的現(xiàn)場

維保門檻不僅降低了工作站停機待保時間，更大幅降低了設備維保的備件、服務費用。

當工作站發(fā)生輪胎企業(yè)維護人員無法解決的設備故障時，廠商可在 4h 內予以快速響應，必要時派

員 24h 內出發(fā)前往用戶現(xiàn)場進行診斷、維修。用戶無需將將設備或部件運回生產廠維修。

3 活絡模激光清洗技術的發(fā)展方向

3.1 線下活絡模激光清洗技術的優(yōu)化與推廣

42

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

線下活絡模激光清洗技術應在現(xiàn)有自動化激光清洗技術的基礎上進行個性化的改進、提高。一是

要提高激光清洗的適應性。根據(jù)一些輪胎企業(yè)的清洗作業(yè)習慣與需求，開發(fā)既可以對活絡模具花紋塊

進行整體組合清洗以節(jié)省拆模時間，又可以對打散后的活絡?；y塊、側板逐塊進行全方位清洗的全

能自動化激光清洗設備。二是要不斷提高清洗效率。通過提高單脈沖激光能量、激光脈沖頻率和光束

掃描速度來縮短清洗時間。三是要進一步提高激光清洗設備的自動化、智能化水平，使激光智能清洗

融入“工業(yè) 4.0”智能工廠體系相應模塊，助力實現(xiàn)輪胎模具的全生命周期管理，減少模具投入、降

低模具損耗、提高模具使用效率與產品外觀質量及動均性能。四是要降低全自動激光清洗設備的購置

成本和使用成本，提高國產化對主要進口部件的替代率，使全自動激光清洗設備進入更多的輪胎企業(yè)，

為用戶創(chuàng)造出更多的效益。

3.2 線上活絡模激光自動化清洗設備的開發(fā)方向

線上活絡模激光自動化清洗技術是全面替代目前模具傳統(tǒng)干冰清洗的重大舉措。該技術的研發(fā)突

破，對打通輪胎行業(yè)線上活絡模清洗通道，實現(xiàn)線上線下全過程的激光自動化清洗，以徹底解決二氧

化碳排放的環(huán)境問題，并助力企業(yè)升級轉型實現(xiàn)智慧化管理，具有非常重要的現(xiàn)實作用。

鑒于線上模具自動化清洗所面臨的高溫環(huán)境、激光清洗機難以接近工作區(qū)域、不同類型硫化機結

構和多規(guī)格模具尺寸等復雜條件，有必要從下列幾個方面進行研究攻關 ：

（1）耐高溫激光清洗模組設計。激光清洗模組中的光學系統(tǒng)、清洗頭運動系統(tǒng)、控制電子系統(tǒng)及

其他輔助系統(tǒng)要有良好的耐熱性能。可配備適宜的冷卻系統(tǒng)保障激光清洗模組中的元器件零部件處于

正常工作狀態(tài)。

（2）線上模具激光清洗模組與模具的空間對接。激光清洗設備研發(fā)企業(yè)與輪胎制造企業(yè)及自動化

物流設備開發(fā)公司進行緊密合作，開發(fā)地面巡游升高車或空中 RGV 懸掛車將自動化激光清洗模組按要

求送至預定的清洗位置。

（3）激光清洗模組與各規(guī)格模具的自適應對接。針對不同類型硫化機結構和各規(guī)格模具開發(fā)激光

清洗模組與模具之間的自適應對接裝置，使激光清洗模組軸心自動定位于模具的軸心。根據(jù)模具的材

質、規(guī)格大小調整激光清洗頭掃描參數(shù)和清洗工藝參數(shù)。

（4）激光清洗模組的小型化。受硫化車間現(xiàn)場場地和清洗位置的制約，線上自動化激光清洗設備

必須在線下自動化激光清洗設備的基礎上做小型化開發(fā)。將激光清洗頭、清洗頭運動系統(tǒng)、激光安全

防護系統(tǒng)、煙塵抽除系統(tǒng)集成為激光清洗模組，同時將激光清洗模組與模具進行空間對接的自適應系

統(tǒng)集成到一體。

4 結束語

綜上所述，線下活絡模自動化激光清洗替代傳統(tǒng)砂洗方式技術的成功開發(fā)與應用，開創(chuàng)了國產化

替代并超越進口設備的新紀元。隨著該項技術的逐步升級與拓展，必將被越來越多的輪胎企業(yè)所采用。

激光清洗設備研發(fā)企業(yè)更應順勢而為，通過和輪胎制造企業(yè)及物流自動化設備研發(fā)公司緊密合作，攻

克線上活絡模自動化激光清洗技術難關，助力輪胎企業(yè)實現(xiàn)線上線下全過程的激光自動化智能清洗，

徹底解決干冰清洗方式其二氧化碳排放的環(huán)境問題，在振興名族工業(yè)的征程上，做出新的歷史性的應

有貢獻。

參考文獻 ：

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[2] 中華人民共和國國家標準 GB/T13579-2017 輪胎定型硫化機 .

[3] 中華人民共和國國家標準 GB7247.1-2012 激光產品的安全 第 1 部分 ：設備分類 .

[4] 中華人民共和國國家標準 GB/T7247.5-2017 激光產品的安全 第 5 部分 ：生產者關于 GB7247.1 的檢查清單 .

[5] 中華人民共和國國家標準 GB/T7247.14-2012 激光產品的安全 第 14 部分 ：用戶指南 .

[6] 中華人民共和國國家標準 GB/T18490.1-2017 機械安全 激光加工機 第 1 部分 ：通用安全要求 .

[7] 中華人民共和國國家標準 GB/T18490.2-2017 機械安全 激光加工機 第 2 部分 ：手持式激光加工機安全要求 .

陳元榮·新形勢下輪胎工廠提高能效技術的新思考

43

面對新的形勢和要求，輪胎企業(yè)如何應對？本文圍繞這個話題，提出企業(yè)應在持續(xù)提升企業(yè)能源管控水

平的同時，加大能源利用新技術的創(chuàng)新應用，包括高溫氮氣硫化、電加熱硫化技術等。其中的一些思路已在

個別企業(yè)試用，但多數(shù)仍在論證中。作者希望能夠通過本文，啟發(fā)和調動全行業(yè)技術人員的創(chuàng)新精神，為節(jié)

能降耗，提升效益出謀劃策，貢獻力量。

1 新形勢新要求

近年來，由于過度能源消耗，CO2 排放，造成全球氣候變暖，已越來越引起各國領導人和關注環(huán)境變化的

人士重視。我國政府以建立人類命運共同體、營造人類美好家園為崇高目標，提出“綠水青山即是金山銀山”

的理念，不斷推出各種舉措，以降低 CO2 排放，保護生存環(huán)境。為制止低水平重復建設，國家制訂實施了《輪

胎行業(yè)準入條件》《輪胎工廠單位產品綜合能耗限額（GB29449-2012）》等；為防止企業(yè)對能源的無序使用和浪費，

國家及地方政府對重點用能企業(yè)實施能源使用效能和節(jié)能工作監(jiān)察。企業(yè)為降低成本，提高效益，也不斷對

設備和生產工藝進行改進，以降低能源消耗。這一系列的舉措，促進了節(jié)能工作的開展，提升了能源使用效率，

降低了 CO2 排放，改善了大氣環(huán)境。

進入 21 世紀，面對國際國內的新形勢，我國政府從建立人類命運共同體，形成人和自然和諧發(fā)展的現(xiàn)代

化新格局的高度，多次向國際社會發(fā)出倡議并首先承諾中國將提高自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，

力爭到 2030 年前 CO2 排放達到峰值，努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和。

為響應和落實黨中央、國務院加強生態(tài)文明建設、推動高質量發(fā)展的號召，國家發(fā)改委印發(fā)了《完善能

源消費強度和總量雙控制度方案》（發(fā)改環(huán)資〔2021〕1310 號，以下簡稱《方案》），明確了新時期做好能耗雙

控工作的總體要求、主要目標、工作任務和保障措施，及時回應社會關切，將對碳達峰、碳中和目標實現(xiàn)發(fā)

揮重要支撐作用。

國家標準委也于近日委托中橡協(xié)對輪胎和炭黑行業(yè)進行能源消耗的調研，并在此基礎上，將組織對《輪

胎工廠單位產品綜合能耗限額（GB29449—2012）》進行修訂，進一步壓縮能源消耗控制標準。

面對新的形勢和要求，各輪胎企業(yè)加快步伐，全面進行改造創(chuàng)新。

一是在生產技術和工藝方面。2020 年 11 月米其林宣布減排與碳中和生產實施的計劃，并研發(fā)出世界第一

個碳中和輪胎—米其林 e.Primacy。德國馬牌將碳減排范圍拓展到全產業(yè)鏈，在原材料采購環(huán)節(jié)，確保來源可

追溯，真正實現(xiàn)綠色采購，且多年致力于蒲公英輪胎的研發(fā)投入，以期實現(xiàn)從蒲公英根部提取原料取代橡膠

原料。國內輪胎企業(yè)也相繼有了作為，例如青島森麒麟碳中和輪胎主要體現(xiàn)在超低滾阻、高抗實話、靜音為

核心的技術 ；中策橡膠通過生產工藝和技術裝備打造“低碳經(jīng)濟、綠色智造”的智能工廠 ；玲瓏輪胎從多年

前就開始研究“蒲公英”技術，以期待有所突破 ；賽輪輪胎“液體黃金”技術提高輪胎性能的同時可以減少

粉末污染。

二是在節(jié)能降耗方面。本文的主要內容即是圍繞這個話題，開展討論。新的形勢也給輪胎企業(yè)節(jié)能降耗，

新形勢下輪胎工廠提高能效技術的

新思考

陳元榮

( 北京市海淀區(qū)，北京 100143)

44

2022 年“高機宗源杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

進一步提升能效水平提出了更高的要求，直接關系到輪胎企業(yè)的生存和發(fā)展，其目的就是倒逼輪胎企創(chuàng)新思維，

開拓思路，打破傳統(tǒng)習慣和模式，加大節(jié)能降耗措施的研發(fā)和應用投入力度，深挖節(jié)能潛力，使節(jié)能降耗取

到突破，這樣才能實現(xiàn)真正意義上的綠色制造。

2 新思路新突破

本文是作者結合多年來輪胎企業(yè)的工作經(jīng)歷，在學習和借鑒其他行業(yè)的先進經(jīng)驗的基礎上，提出的一些

建議，僅供參考。其中的一些想法已在個別企業(yè)試用，還有一些想法也可能與現(xiàn)有標準存在不一致，僅供大

家討論思考。

2.1 工廠布局

傳統(tǒng)的工廠布局中，為安全考慮，將變電所、鍋爐房等布置在工廠邊緣，遠離居民區(qū)及生產區(qū)；現(xiàn)代條件下，

變電設備及設施，鍋爐結構及質量和控制技術已達到很高水平，變電站已實現(xiàn)無人值守，危及人身安全、影

響居民正常生活的情況已基本可以避免。因此，現(xiàn)代工廠設計時，應盡量將鍋爐房、變電所選址建設在距離

熱源用戶或較大電力負荷的車間附近，盡可能的縮短輸送距離，降低輸送過程中產生的溫降、壓降等能源損失。

2.2 在兩大用能工序（煉膠、硫化）采用新工藝、新技術

2.2.1 煉膠工序

煉膠工序是輪胎生產能源消耗最大的工序，其能耗約占輪胎生產總能耗的 40%。因此煉膠設備的節(jié)能降

耗很重要。

針對煉膠工藝，推廣使用低溫連續(xù)混煉技術、濕法混煉技術或串聯(lián)混煉技術。低溫連續(xù)混煉可大幅提高

生產效率，由一條生產線取代密煉機以及上下輔機，簡化設備結構，降低能耗，提高混煉膠質量和穩(wěn)定性，

容易實現(xiàn)綠色操作等。據(jù)有關資料，某公司的 CCC 低溫連續(xù)混煉技術，較傳統(tǒng)分批混煉方式能降低能耗 50%，

降低成本 62%，十分可觀。濕法混煉實現(xiàn)了連續(xù)混煉過程，簡化了混煉程序，減少了混煉設備、能源和勞動

力的投入，一次大大降低了混煉成本，減少設備投入達 50% 以上，由于主要填料如炭黑、白炭黑是在液態(tài)下

與膠乳混合進行，濕法煉膠與傳統(tǒng)煉膠相比節(jié)能效果顯著。根據(jù)中橡協(xié)材料研究中心對不同企業(yè)提供的濕法

膠產品采用 1.0L 小密煉機混煉的能耗檢測，濕法與干法相比能耗平均下降 30% 左右。串聯(lián)混煉技術以復合

作用方式取代傳統(tǒng)密煉機單一作用方式煉膠，上位機升溫混煉與下位機恒溫硅烷化反應的獨特工藝，可實現(xiàn)

一次終煉和母煉，減少混煉段數(shù)，從而減少場地占用，取消膠料中間停放和反復加熱煉膠的環(huán)節(jié)以提高煉膠

效率，在提升膠料質量的同時可有效減少噸膠能耗，降低生產成本效果顯著。某大型橡機公司研制的串聯(lián)密

煉機組與傳統(tǒng)煉膠工藝相比，單條生產線可提高產能 30% 以上，噸膠能耗降低約 30% 左右。

針對煉膠設備，密煉機采用高壓永磁同步電機驅動技術。其相對于現(xiàn)在普遍使用的高壓變頻交流異步電

機和高壓直流調速電機具有如下優(yōu)點 ：

（1）轉子軸轉速與電機磁場轉速一樣。如 6 極就是 1000 轉 / 分，而異步電動機軸轉速約為 975 或

980 轉（所以叫異步）。

（2）在額定負荷下，比異步電機效率高 4%-5%，比直流電機高 10% 左右。輕載 / 空載或過載情況下永

磁電機的效率下降很少。空載異步效率只有 70% 或更低，而同步空載的效率還會達 90%。

（3）永磁同步電機閉環(huán)控制狀態(tài)下在密煉機上的機械特性可以與直流電機相媲美，甚至還更好 ；彌補了

普通異步電機在低轉速段轉矩輸出不夠的弱點（如無法帶料啟動、硬料低速過載等）。

（4）永磁同步電機自身的功率因數(shù)可接近于“1”。

（5）永磁同步電機的空載電流與額定電流均遠遠低于異步電機，例 ：1500kW，10KV ：異步電機額定電流

115A ；空載電流 23.5A。永磁同步電機額定電流 93A ；空載電流＜ 2A

（6）永磁同步電機的額定電流小、效率高 ；體積普遍小于普通異步電機和直流電機，為密煉機直流驅動

系統(tǒng)改造提供了便利（因為同功率的普通異步電機尺寸比直流電機大，不方便改造）。

（7）永磁同步電機維護與異步電機一樣，正常使用無需額外進行維護保養(yǎng)。

目前已在國內多家輪胎企業(yè)使用，效果明顯。

陳元榮·新形勢下輪胎工廠提高能效技術的新思考

45

2.2 硫化工序

（1）高溫氮氣硫化工藝替代傳統(tǒng)熱水硫化工藝。高溫氮氣硫化在乘用胎以及橡膠薄制品的生產中已得到

廣泛的應用。近年來隨著我國大型制氮技術和設備的成熟以及輪胎生產技術和工藝的不斷創(chuàng)新，國內一些工

廠已將高溫氮氣硫化工藝推廣應用于全鋼載重輪胎生產的硫化環(huán)節(jié)，以替代傳統(tǒng)的熱水硫化工藝。高溫氮氣

硫化因膠囊中的溫度高，硫化速度快，可提高硫化生產效率。據(jù)對國內兩家輪胎工廠全鋼硫化工段的簡單對比，

高溫氮氣硫化較傳統(tǒng)熱水硫化效率提升約 12%，噸產品綜合能耗降低約 16%。高溫氮氣硫化系統(tǒng)和設備較傳

統(tǒng)熱水硫化還具有系統(tǒng)相對簡單、運行穩(wěn)定、無腐蝕結垢、維修工作量小、易實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，應該大

力推廣。

制取氮氣方式建議優(yōu)先考慮以下兩種 ：1-800m3

/h 可采用碳分子篩變壓吸附法 ；1000-2500m3

/h 可采用

深冷精餾空分法。該設備和技術國內已完全可以自行設計生產。

（2）高壓氮氣與電加熱硫化方式相結合。該工藝是在輪胎硫化膠囊生產過程中，根據(jù)硫化工藝將一定數(shù)

量的電加熱管預埋在硫化膠囊的囊壁上，并引出導線與外部電源和溫控裝置連接。輪胎硫化過程中，膠囊內

部充高壓氮氣并保持壓力，生產工或工藝員可根據(jù)硫化工藝設置和調節(jié)膠囊溫度以及時間。硫化模具及模套

的溫度實現(xiàn)相對容易，其原理可以借鑒電熱式平板硫化機的方式，即在模套中安裝一定數(shù)量的電加熱管，并

引出導線與外部電源和溫控裝置連接即可，結構相對簡單。因電加熱管屬易損件，所以在設計和生產時，需

注意維修更換方便。

（3）0bar 排熱水熱能再利用技術。如一時難以進行改造，需繼續(xù)使用傳統(tǒng)熱水硫化工藝時，應盡量將低

品位熱能加以充分利用。5bar 程序結束轉入 0bar 程序進行時，硫化設備和管道中仍存有大量的溫度達 140 至

170℃的熱水。傳統(tǒng)的方式是直接排入 0bar 罐，壓力由 0.5Mpa 降低至常壓，溫度降至＜ 100° C，同時產生大

量的閃蒸汽排空后作為高溫循環(huán)水系統(tǒng)的補充水。實際使用中，這部分熱水往往因多余溢流排掉，其主要原

因是蒸汽在與高溫循環(huán)水進行熱交換的同時，釋放潛熱而凝結為液態(tài)進入熱水系統(tǒng)形成補充水。這種方式不

僅浪費了大量的熱能，同時由于閃蒸外派，也造成熱水的浪費?，F(xiàn)代技術的發(fā)展，使這部分低品位熱能得到

了利用。改進建議 ：冬季可將這些熱水通過熱水泵壓送到工廠的采暖系統(tǒng)直接進行采暖或作為熱水采暖系統(tǒng)

的補充水 ；夏季可輸送給熱水型溴化鋰制冷機使用。

（4）抽真空系統(tǒng)優(yōu)化

降低進入真空泵前的氣體溫度。熱水硫化的最后一道程序是在 0bar 程序完成以后將膠囊內部的熱水抽出

并形成負壓，使膠囊變形收縮。很多工廠，因設計安裝問題等，在實際使用中，當 0bar 過程結束轉入抽真空

程序時，膠囊內部的熱水壓力仍有 0.2~0.3MPa, 這部分熱水在轉入真空系統(tǒng)后大部分迅速變成閃蒸汽，而另

一部分進入真空回收罐后，再次擴容形成閃蒸，體積膨脹，從而嚴重影響真空泵的效率和抽真空效果。為改

善抽真空效果，最好的辦法是降低閃蒸汽的體積。某公司根據(jù)伯努利氣體狀態(tài)定律，在真空泵與真空罐之間

加裝了一臺換熱器，利用常溫水將進入真空泵前的閃蒸汽溫度從 90℃ 降低到 40℃ 左右。這就相當于真空泵

效率提升了一倍。

全自動渦噴倍增式真空設備。該設備是依據(jù)文丘里管噴射抽真空原理，利用工廠內的設備冷卻水回水壓

力噴射抽取真空。該設備可安裝在有循環(huán)冷卻水使用的車間或泵房，如壓出壓延車間、空壓站或水泵房的冷

卻塔旁空地，循環(huán)冷卻水經(jīng)過本設備后進入回水箱（池），利用冷卻水壓力 0.03MPa，流量 350m/h 左右完成

做功。真空罐和汽水分離器安裝在動力站內空置位置，與原有水環(huán)真空泵系統(tǒng)真空接口并聯(lián)，停產時可使用

旁路閥。不停產時可全自動使用渦噴倍增式真空設備系統(tǒng)?？赏ㄟ^ PLC 遠程操作閥門實現(xiàn)與原有水環(huán)真空泵

系統(tǒng)的切換。

（5）硫化蒸汽凝結水回收系統(tǒng)

目前輪胎企業(yè)硫化用蒸汽凝結水普遍采用疏水閥或切斷閥定時排凝的方式，這種方式普遍存在以下問題 ：

閥門動作頻繁（一年動作次數(shù)約 200 萬次），容易造成密封面磨損、動作不正常 ；疏水閥過濾網(wǎng)堵塞，操作工

為保證硫化溫度而打開旁通管路等失效情況，造成大量新蒸汽泄漏浪費。近年來，有關單位和技術人員開展

了大量的研究和探索，圍繞如何減排和余熱蒸汽的再利用提出了多種方案 ：歸納起來主要有以下三種 ：一是

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2022 年“高機宗源杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

拆除各機臺獨立布置的疏水閥，在每一排硫化機支管的末端集中并聯(lián)布置多路疏水閥，增加疏水閥的數(shù)量并

加大疏水閥口徑。以此解決各機臺疏水閥由于口徑小，易堵塞 ；獨立安裝的疏水閥一旦出現(xiàn)故障就不得不打

開旁通維持生產的問題。二是近年來開發(fā)使用的新型硫化機集成式熱工閥組。集成式熱工閥組改變傳統(tǒng)單一

管道單一閥門設計思路 , 所有閥門并列安裝在模塊上 , 利用模塊內部流道構造來替代復雜的單根管路結構 ,

節(jié)省管路分布空間 ; 同時消除管道因沖擊 , 電焊腐蝕等造成泄漏，減少了蒸汽損耗。整套閥組全部采用不銹

鋼材質，所有管路分布體現(xiàn)出較高的集成度。疏水閥排出的汽水混合物接入凝水回收裝置。汽水分離后，凝

結水通過熱水循環(huán)泵送回鍋爐給水系統(tǒng)再利用。其部分閃蒸汽可使用鍋爐用軟化水在間接換熱設備進行熱交

換，吸收其潛熱而利用，另一部分可用于冬季工廠非生產崗位采暖或夏季用于低壓單效溴化鋰吸收式制冷機

的熱源。三是由桂林橡膠院等單位開發(fā)的無動力閉式集中疏水系統(tǒng)或稱為高效蒸汽供熱系統(tǒng)，其節(jié)能率更高、

是一套不使用疏水閥的供熱系統(tǒng)技術（該院有相關資料，在此不詳細介紹）。其蒸汽潛熱利用率（除表面散熱外）

接近百分之百 ；凝結水回收率（除接口、破口等泄漏外）為百分之百，且自動返回熱源勿需外施動力 ；凝結

水顯熱回收率近百分之百（可調）。另外該裝置沒有動力機械、易損件和對大氣的動密封組件，因此，可靠性

很高，免維修周期很長。

也有企業(yè)對系統(tǒng)局部進行一些改動，取得一定的效果，但其基本原理與上述類似，因此不一一列舉。

綜合對以上幾種方案進行比較，第一種方案結構簡單，投資額小，維護難度低，適用于中小企業(yè)因地制

宜進行改造。第二、三種方案技術含量高，節(jié)能效果更好，投資額較大，運行穩(wěn)定，但維修費用高，維修難

度大，因此適用于大型輪胎企業(yè)。

2.3 空壓機進風系統(tǒng)改造

空壓機的工作效率除了與設備自身的結構、質量以及運行維護水平有關外，還有一個很關鍵的因素就是

進氣溫度。通常情況下，空壓機的進風口未做任何處理，靠自然吸入周圍環(huán)境溫度下的大氣，經(jīng)壓縮、冷卻、

干燥、除油除水后送至工廠各工序使用?？諌簷C的運行效率以及壓縮空氣的品質受環(huán)境影響很大，特別是夏季，

由于環(huán)境溫度高，空氣濕度大，空壓機的運行效率和壓縮空氣質量受到很大影響。據(jù)測算，環(huán)境溫度每升高 1℃，

在相同的使用條件下，空壓機的運行效率約降低 3% 左右。如何在環(huán)境發(fā)生變化時，保持空壓機穩(wěn)定高效運行，

重點就是如何保持空壓機進風口的進氣質量。某公司結合現(xiàn)場情況，采取在空壓機進風口加裝三通，將部分

空壓機的吸風從成型工區(qū)接入的辦法，改善了進氣質量，同時也大大提高了空壓機運行效率?？諌簷C吸入成

型工區(qū)約 22℃、濕度低于 40% 的空氣，不僅保證了空壓機的穩(wěn)定高效運行，同時也促進了成型工區(qū)空氣的流

通和循環(huán)。

2.4 制冷站低溫冷卻水系統(tǒng)改造

一般輪胎企業(yè)的制冷站都會安裝布置多臺制冷機，以滿足密煉機、壓出壓延機組設備冷卻水和成型工區(qū)

空調機組甚至辦公生活的不同需要。運行方式通常為多臺制冷機并聯(lián)運行，制冷機出口溫度調節(jié)至接近制冷

機組允許的最低出口溫度。成型工區(qū)空調機組的用水由制冷機直接供給，密煉機和壓出壓延機組設備用冷卻

水則通過板式換熱器將低溫冷卻水與冷凍水進行冷熱交換后供應。

存在問題 ：為滿足成型工區(qū)溫度要求，被迫將制冷機運行狀態(tài)全部調至臨界值，影響運行安全，而密煉

機和壓出壓延機組設備冷卻水又不能過低，板式換熱器熱交換效率低（72%-85%），因此經(jīng)濟性差，能源浪費。

改造建議 ：

a. 分別測算空調機組用冷負荷和密煉機組、壓出壓延機組用冷負荷，按照其負荷大小，結合制冷機的制

冷量調整制冷機組的“分工”。即區(qū)分出空調用專用機組和密煉、壓出壓延用專用機組。在此基礎上，根據(jù)現(xiàn)

場情況留出 2~3 臺做共用機組并對這 2~3 臺制冷機組的冷凍水進出口管路進行“兩用”改造。改造后將密煉、

壓出壓延設備用冷凍水和成型工區(qū)空調用冷凍水分列，其運行方式為 ：密煉、壓出壓延設備用冷凍水與成型

工區(qū)空調用冷凍水分機臺、分管路各自專供。這樣即可將供密煉、壓出壓延設備的冷凍水可提高到 18~20℃，

供成型工區(qū)空調使用的溫度可調節(jié)到 7.5~9℃。

b. 密煉、壓出壓延設備的低溫冷卻水不再通過板式換熱器進行交換，省去了由于交換效率帶來的冷損失。

夏季，由制冷機出口的冷凍水作為低溫冷卻水直接供密煉、壓出壓延設備使用，使用后的低溫冷卻水直接回

陳元榮·新形勢下輪胎工廠提高能效技術的新思考

47

到制冷機，經(jīng)制冷機降溫后再送到密煉和壓出壓延設備，如此循環(huán) ；冬季，則改由冷卻水泵直接供應，回水

經(jīng)冷卻塔冷卻后進入回水池，再由冷卻水泵抽出供密煉、壓出壓延設備，如此循環(huán)。改造后，因密煉、壓出

壓延設備用冷卻水不需要過低溫度，因此大大降低了制冷機的負荷，改善了制冷機的運行工況。同時因取消

了一級換熱器，避免了效率損失。兩臺以上制冷機同時運行時，可以根據(jù)用戶的負荷變化和不同需求，“共用”

機可以在兩種溫度工況下切換運行，隨意組合，平衡負荷。另外相應減少了大功率冷卻水泵的開動臺數(shù)，節(jié)

電效果顯著。

2.5 雨水和污水資源化利用

主要目標是將工廠生產生活污水和雨水收集，經(jīng)處理后作為工業(yè)循環(huán)水補充水、綠化和潔廁使用。目前

各輪胎廠普遍比較重視污水的處理和再利用，因工廠條件限制，多數(shù)工廠未建設雨水的收集和處理系統(tǒng)。污

水的處理和再利用多停留在綠化和潔廁，大多數(shù)被排入市政管網(wǎng)，造成很大浪費。近年來，我國水處理技術

快速發(fā)展，污水和雨水處理再利用工藝也已非常成熟，在大型和現(xiàn)代企業(yè)達到了廣泛穩(wěn)定的應用，取得了顯

著的經(jīng)濟效益和社會效益。

污水的處理工藝可以概括為物理法、化學法、物理化學法和生物法等幾種。如何選取并進行設計主要從

以下幾方面考慮 ：

（1) 污水處理工藝應根據(jù)處理規(guī)模、受納水體的水質特性、環(huán)境功能及工廠的實際需要，經(jīng)全面技術經(jīng)濟

比較后優(yōu)選確定。

（2) 工藝選擇的主要技術經(jīng)濟指標包括 : 處理單位水量投資、削減單位污染物投資、處理單位水量電耗和

成本、削減單位污染物電耗和成本、占地面積、運行性能可靠性、管理維護難易程度、總體環(huán)境效益等。

（3) 應切合實際地確定污水進水水質，優(yōu)化工藝設計參數(shù)。必要時要對污水的現(xiàn)狀水質特性、污染物構成

進行詳細調查或測定，作出合理的分析預測。

（4) 積極審慎地采用高效經(jīng)濟的新工藝。對在國內首次應用的新工藝，必須經(jīng)過中試和生產性試驗，提

供可靠設計參數(shù)后再進行應用。

2.6 水處理離子交換器正洗水的回收利用。

無論是鍋爐用水還是工廠用軟化水、循環(huán)冷卻水等，在預處理后現(xiàn)在普遍采用的工藝仍然為技術成熟、

運行穩(wěn)定、易控制的離子交換法去除水中的鈣、鎂離子，以實現(xiàn)水的軟化、防治結垢的目的。離子交換器的

運行可分為四個階段 ：反洗、再生、正洗、運行。新設備投運或更換交換樹脂，投運前需使用再生液對交換

樹脂浸泡 8-16h。無論陰陽離子交換器，都需要經(jīng)過這些程序，使用中需要以上四個階段。其中正洗階段是在

再生階段完成后，對交換介質進行沖洗，去除交換器中的再生液殘留和附著在交換樹脂上的雜質，正洗水量大、

時間長，排出的正洗水中含有大量的再生液，直接排掉不僅浪費水資源，而且因此水中含有再生液污染環(huán)境。

某公司對此進行了改造，將這部分正洗水用于交換器的反洗水使用，收到了很好的效果。其做法是首先將正

洗水收集沉淀以去除大部分雜質，然后經(jīng)泵過濾后直接接入離子交換器的反洗管路，反洗初期使用這部分水

起到了很好的作用，一是節(jié)約了反洗用水，二是因這部分水中含有一定濃度的再生液，反洗初期的同時伴隨

一定的再生作用，所以也使再生時間和再生液用量有一定的減少。

3 結語

以上僅就輪胎企業(yè)節(jié)能降耗工作，從技術的角度提出一些新想法，并非技術方案，供參考。實際應用時，

仍需進行方案論證和工程設計，這里不做祥述。做好節(jié)能降耗工作，需要能源管理和節(jié)能措施同時重視、同

時加強，兩手抓兩手都要硬，因此企業(yè)應提高認識，更新觀念，在不斷提升企業(yè)管理水平，強化能源管控的

同時，加大節(jié)能技改的再投入，降低能源消耗，才能使企業(yè)持續(xù)獲得優(yōu)質的經(jīng)濟效益和社會效益，實現(xiàn)辦企

為民的崇高目標。

48

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

1 治理背景及要求

我公司是一家生產全鋼子午線輪胎的企業(yè)，目前的生產能力為混煉膠 28 萬 t/ 年和全鋼子午胎

680 萬條 / 年。公司地址位于浙江省杭州市錢塘新區(qū)。企業(yè)在生產輪胎過程中，在硫化工段會產生惡

臭氣體，其主要成分是二硫化碳（CS2）、硫化氫（H2S）、非甲烷總烴、顆粒物等，其氣味難聞，對周

邊環(huán)境和居住人群造成不良影響。為解決企業(yè)存在的污染問題，對該工序產生的廢氣進行了綜合治理。

由于我公司地址位于浙江省杭州市，所以所執(zhí)行的排放標準參考《橡膠制品工業(yè)污染物排放標準》（GB

27632—2011）企業(yè)大氣污染物排放限值，詳見表 1。

表 1 《橡膠制品工業(yè)污染物排放標準》（GB27632—2011）

注 ：基準排風量指用于核定大氣污染物排放濃度而規(guī)定的消耗單位膠料的廢氣排放量上限值。

表 2 惡臭污染物排放標準

除按照以上標準外，根據(jù)實際要求，顆粒物濃度≤ 5mg/m3

，臭氣污染物排放濃度≤ 500（無量綱）。

且當煙氣進口非甲烷總烴≥ 4mg/m3 時，要求處理效率≥ 50%。

2 治理方案的研究

廢氣的治理包括兩個方面，一是廢氣的收集，二是廢氣的治理。這里首先介紹廢氣的收集。廢氣

的高效收集有利于車間環(huán)境的改善，同時更有利于提高廢氣的治理效率。

2.1 廢氣收集的研究

該工序傳統(tǒng)的收集模式是大圍罩模式，通過屋頂風機將車間內部廢氣進行有組織收集，并通過環(huán)

活性炭吸附脫附 +RTO 焚燒工藝在處理

輪胎企業(yè)硫化工序廢氣上研究與應用

顧建，包撿青，王斌

（杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018）

序號 污染物項目 生產工藝或設施 排放限值 mg/m3基準排風量 *

m3/t 膠

污染物排放監(jiān)控

位置

1 顆粒物 輪胎企業(yè)及其它制品企業(yè)煉膠裝置 12 2000

車間或生產設施排

氣筒

2 非甲烷總烴

輪胎企業(yè)及其它制品企業(yè)煉膠和硫化裝置 10 2000

輪胎企業(yè)及其它制品企業(yè)膠漿制備、膠漿噴

涂和涂膠裝置

100 —

3

甲苯及二甲苯

合計

輪胎企業(yè)及其他制品企業(yè)膠漿制備、浸漿、

膠漿噴涂和涂膠裝置

15 —

污染物 排放標準值 廠界標準值

排氣筒高度 /m 排放量 /(kg.h -1

) 二級新擴改建 /(mg.m-3

)

氨 30 20 1.5

硫化氫 30 1.3 0.06

臭氣濃度 ＞ 15 1000（無量綱） 20（無量綱）

顧建 等·活性炭吸附脫附 +RTO 焚燒工藝在處理輪胎企業(yè)硫化工序廢氣上研究與應用

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保設備治理后統(tǒng)一排放，見下圖 1。

圖 1 大圍罩收集方式

因這種收集技術存在氣量大，收集效率低等缺陷，所以進過優(yōu)化，采用第二代收集技術。硫化機

采用背靠背安裝，中間形成密閉空間。上料側采用一臺一隔的小圍罩卷簾門收集，出料側后側相通。

如圖 2 和圖 3。

圖 2 小圍罩收集方式

該方案采用局部密閉的措施，從一定程度上降低了風量，提高了收集效率。該方案的收集效率可

以大大提升，但由于每臺硫化機都需要增加密閉房和自動卷簾門，所以前提投入會比較打。同時，在

輪胎胎胚進出時，卷簾門會打開，密閉空間的廢氣會少量溢出。但其優(yōu)點是可以大幅減少排放量，以

一條硫化溝，22 臺硫化機為例，風量可以從原來的 14.4 萬 m3

/h，下降至 6 萬 m3

/h，排放量直接下降

58.3%。

2.2 廢氣治理方案

2.2.1 廢氣產生量

本治理方案針對廠 E 區(qū)地溝總計 22 臺硫化機內產生的硫化廢氣進行處理，廢氣產生量與處理系統(tǒng)

設計見表 3。產生廢氣量大，廢氣含有有機物濃度低。

表 3 硫化車間 E 區(qū)廢氣產生量

序號 廢氣來源 廢氣產生量 /(m3.h -1

) RTO 處理系統(tǒng)設計風量 /(m3.h -1

)

1 E 區(qū)處理系統(tǒng) 60000 3000

2.2.2 治理方案比對

目前，廢氣處理市場上常用的吸附濃縮工藝有轉輪濃縮和活性炭罐吸附脫附。橡膠制造業(yè)的廢氣

處理也是如此。轉輪的吸附材質是沸石，沸石和活性炭都具有很好的廢氣吸附性能，但是二者針對的

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

成分、適宜的情況不同。

針對兩種吸附材料的不同，結合項目特征，從以下幾方面分析兩者差異 ：

（1）活性炭能夠吸附的廢氣更加廣譜，適用于本項目?；钚蕴课娇椎来笮〔灰?，可以吸附多種

廢氣成分 ；而沸石轉輪孔道均一，吸附廣譜窄，只能針對某幾類有機物進行吸收。橡膠行業(yè)產生的廢

氣成分復雜，有有機物、無機物，因此活性炭吸附更加適合本項目。

（2）活性炭濃縮倍數(shù)大（＞ 100 倍），沸石濃縮倍數(shù)?。?5~40 倍）?；钚蕴肯啾扔诜惺?，吸附容量更大，

因此濃縮倍數(shù)也更大。本項目產生的廢氣濃度小，風量大。為保證后續(xù)燃燒的良好進行，同時減少不

必要的燃燒投入，濃縮的目標是能夠得到高濃度、小風量的廢氣，而活性炭可以更好滿足這種要求。

（3）轉輪吸附濃縮比活性炭吸附濃縮對廢氣預處理的要求更高。沸石轉輪造價高，材質精細，廢

氣中含有顆粒物或者油性物質極易發(fā)生堵塞。相對而言活性炭對預處理要求更低。一般工程應用中，

與沸石轉輪匹配的預處理設置四層，而活性炭吸附只要求兩層，預處理成本更低。

（4）轉輪吸附材料使用時間長，活性炭壽命短?；钚蕴考s 1 年更換一次，更換下來的活性炭可以

交由有危廢處理資質的單位處理，也可以由企業(yè)熱解爐高溫無氧再生重復使用。轉輪能夠使用 8-10

年之久，廢轉輪作危廢處置。

（5）轉輪投資高，活性炭投資低。轉輪造價高，活性炭成本低廉，更換也方便，維護成本有限。

綜合以上論述，結合工程經(jīng)驗，盡管沸石轉輪有著較好的脫附效果，但在硫化工藝上仍不建議應用。

因此，本方案選擇活性炭濃縮作為濃縮工藝。根據(jù)整治方案的要求，配合前端過濾處理和后端 RTO 焚燒。

2.2.3 治理工藝

本項目廢氣處理工藝選用“濾袋過濾 + 活性炭吸附脫附濃縮 +RRTO 焚燒”工藝，見圖 3。

圖 3 廢氣處理工藝簡圖

為了更好地保護后續(xù)處理設備，本方案設置了濾袋過濾除塵系統(tǒng)。廢氣經(jīng)過車間自有管道收集，

一級濾袋除塵后，進入活性炭吸附，吸附完成后高空排放。活性炭經(jīng)過一定時間的吸附后，逐漸趨于

飽和，活性炭罐按照系統(tǒng)自動控制進入脫附程序。本系統(tǒng)利用 190℃蒸汽，換熱給脫附風，脫附風進

入活性炭罐，將吸附在活性炭上的有機物脫附出來，并隨脫附風進入 RTO 系統(tǒng)焚燒。在高溫（760~850℃）

狀態(tài)下，有機物被分解為 CO2 和 H2O，尾氣通過 30m 高的排氣筒高空排放。

2.2.4 治理系統(tǒng)介紹

治理系統(tǒng)包括如下 ：過濾濾袋除塵裝置、活性碳吸附脫附裝置、活性炭罐脫附冷卻系統(tǒng)、旋轉

RTO 裝置、安全防火裝置等。

過濾濾袋除塵裝置 ：由于硫化車間灰塵和顆粒物較多，為了保護活性炭吸附脫附系統(tǒng)，在前端設

置預處理系統(tǒng)——二級干式過濾器。干式過濾器過濾等級為 F5、F7。廢氣進入干式過濾器，經(jīng)濾袋過

濾，將粉塵附在濾袋的表面，過濾后的氣體經(jīng)過濾袋后排出。過濾器均設置壓差變送器對廢氣過濾系

統(tǒng)壓差進行控制，壓差過載時報警更換濾材。預處理過濾器主要用于去除廢氣中的顆粒物、粉塵等雜質，

以保證活性炭的凈化效率和使用壽命。設計過濾器單臺處理能力分別為每套設備 50000m3

/h。我方設

計的濾袋在線更換系統(tǒng)，能夠在不停產的情況下更換濾袋，不影響企業(yè)的正常生產。

顧建 等·活性炭吸附脫附 +RTO 焚燒工藝在處理輪胎企業(yè)硫化工序廢氣上研究與應用

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活性碳吸附脫附裝置 ：廢氣經(jīng)預處理去除顆粒物與粉塵后進入活性炭吸附系統(tǒng)。每個活性炭罐尺

寸為 1906×1702×2506mm，填充活性炭 2.52m3

。根據(jù)每條處理線路處理風量不同，在留一定余量的

基礎上，需要配備的活性炭罐數(shù)量不同。配備數(shù)量遵循“多用一備”的原則，能夠實現(xiàn)在線吸附脫附。

整套裝置由 5 只活性炭罐組成，運行時除其中 1 只罐子用于脫附，其余都用于吸附，循環(huán)往復，實現(xiàn)

逐個脫附，保證活性碳的再生。過活性炭罐空速約為 0.75m/s，每個活性炭罐內活性炭吸附床填充厚

度為 600mm，活性炭罐達到設計吸附周期后轉入脫附流程。切換閥采用零泄漏三通閥，單個活性炭罐

的脫附不影響其他碳罐的吸附過程?；钚蕴抗薇孛弈蜏亍?300℃，厚度≥ 100mm。填充活性炭的規(guī)

格參數(shù)見表 4。

表 4 活性炭基本參數(shù)

規(guī)格 100×100×100mm

體密度 0.38-0.42g/mL

碘值 500mg/g

靜態(tài)吸苯量 ≥35%

活性炭罐脫附冷卻系統(tǒng) ：通過循環(huán)風來實現(xiàn)?；钚蕴吭冢?50℃的情況下，吸附效果較差。因此，

經(jīng)過脫附后需要對活性炭罐進行冷卻。本系統(tǒng)采用新風冷卻，冷卻后的風不排放，通過循環(huán)風機在冷

卻系統(tǒng)中循環(huán)，冷卻風的降溫由冷水換熱器實現(xiàn)。

旋轉 RTO 裝置 ：RTO 主要由燃燒室、陶瓷填料床和旋轉閥等組成。爐體分成 12 個室，5 個室進廢

氣，5 個室出凈化氣，1 個室清掃，1 個過渡室。廢氣分配閥由電機帶著連續(xù)、勻速轉動，在分配閥的

作用下，廢氣緩慢在 12 個室之間連續(xù)切換。每個陶瓷填料床依次經(jīng)歷蓄熱 - 放熱 - 清掃等程序，周

而復始，連續(xù)工作。蓄熱室“放熱”后應立即引入適量潔凈空氣對該蓄熱室進行清掃（以保證 VOC 去

除率在 98% 以上），只有待清掃完成后才能進入“蓄熱”程序。否則殘留的 VOCS 隨煙氣排放到煙囪從

而降低處理效率。經(jīng)過預處理的廢氣進入廢氣焚燒爐，高溫（800℃左右）條件下裂解為二氧化碳和水。

RRTO 內部設置蓄熱體用于預熱有機廢氣，充分回收利用氧化分解有機廢氣時所放出的熱能。RRTO 中

使用焚燒爐專用蜂窩陶瓷蓄熱體 --- 片狀組合式蜂窩陶瓷蓄熱體，內部蜂窩結構采用“T”形排列設計，

代替了原有普通蜂窩陶瓷的“十”形方孔結構排列，解決了產品在使用過程中的堵孔情況 ；同時，內

部蜂窩孔具有連通式結構，增加空隙率，減少氣流壓降，改善整個截面上氣體分布，使氣體分布更均勻，

提高了設備熱回收效率。

安全防火裝置 ：本系統(tǒng)的安全裝置主要是活性炭的防火保護，并由蒸汽來實現(xiàn)?；钚蕴恐瘘c低，

尤其吸附有機物后更加易燃。活性炭罐中安裝有熱電偶，當檢測到溫度超過設定溫度時，系統(tǒng)自動關

閉脫附風閥，打開蒸汽管路，蒸汽通入隔絕氧氣，有效預防火災的發(fā)生。

2.2.5 系統(tǒng)運行費用

本項目運行費用主要來自常電能耗和耗材費用。

運行設備風機，為了滿足最大產生濃度下達標排放，各廢氣系統(tǒng)風量配置較大，但是實際運行時

可通過變頻調節(jié)，在廢氣排放不多的情況下，降低能耗，見表 5。

表 5 系統(tǒng)耗電設備用電費用

設備 功率 /kW 數(shù)量 / 臺 運行時間 /(h.a -1

） 運行費用 /（萬元 .a -1

)

主風機 1 55 1 7920 27.87

循環(huán)風機 7.5 1 500 0.24

穩(wěn)壓風機 5.5 1 500 0.176

脫附風機 2 5.5 1 500 0.176

吹掃風機 1.1 1 500 0.044

電加熱器 110 1 250 2.2

配電柜 7.5 1 7920 3.8016

總計 34.5/（萬元 .a -1

)

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

電費 0.8 元 / 度計算，年運行時間為 330 天，每天 24h，則年運行費用為 34.5 萬元。

系統(tǒng)耗材費用主要耗材為濾袋，濾袋約 3 ～ 6 個月更換一次，按 6 個月更換一次計，耗材費共計 1.6

萬元 / 年，見表 6。

表 6 系統(tǒng)耗材費用估算

序號 名稱 數(shù)量 更換周期 平均年維護費用 / 萬元

1 F5 濾袋 2 0 6 個月 0.6

2 F7 濾袋 2 0 6 個月 1

3 活性炭 按需 破損補充、備用 3

總計 平均年維護費用 4.6 萬元

合計費用 ：按照處理風量 6 萬立方米 / 小時計算，預計年運行費用為 39.1 萬元 / 年。

3 治理綜合評價

整治后，我公司委托第三方對此次改造的效果進行了整體評價，得出如下結論 ：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、

現(xiàn)場調查及資料核對，企業(yè)本次整改方案及效果基本上達到了《杭州市輪胎制造（橡膠制品業(yè)）行

業(yè)揮發(fā)性有機物污染整治規(guī)范（試行）》、《浙江省揮發(fā)性有機物污染整治方案》等相關文件的規(guī)定。

經(jīng)整治前后的監(jiān)測結果對比，整治后，企業(yè) VOCs 的減排量為 4.0632t/a，VOCs 的去除效率所有提

高，由原先的 30.6% 提高到 45.2% ；企業(yè)硫化 E 區(qū)廢氣處理設施對惡臭污染物的去除效率由整治前的

43.9% 提高到 57.6%，能達到《杭州市輪胎制造（橡膠制品業(yè)）行業(yè)揮發(fā)性有機物污染整治規(guī)范（試行）》

要求。因此，本次整改有一定的減排效果。整體而言，整改后的硫化廢氣處理設施的去除效率優(yōu)于原

處理裝置。

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韓笑 等·MPUCM 并用比對 MPUCMPA12 TPV 性能的影響

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橡膠與塑料共混的目的是改善產品的物理機械性能和加工工藝性能，解決經(jīng)濟技術問題。如何有

效地利用現(xiàn)有橡膠、塑料，通過共混改性拓寬應用領域已經(jīng)引起了廣泛重視。熱塑性彈性體代表著一

種不同于傳統(tǒng)橡膠化學為基礎的橡膠加工的重要方向，它的加工中取消了傳統(tǒng)橡膠硫化工藝過程，如

塑料那樣用注壓、擠出、吹塑、模壓等方法成型，且成型速度快，具有可重復加工性，可節(jié)約設備投資、

節(jié)約能源及節(jié)約人力，具有較強的競爭力 [1]。

本課題主要選用 PA12 L16 作為動態(tài)硫化熱塑性彈性體的塑料相，選取混煉型聚氨酯（MPU）作為

動態(tài)硫化熱塑性彈性體的橡膠相，制備 MPU/PA12 TPV，李俊山 [2] 等人研究發(fā)現(xiàn)，氯化聚乙烯（CM）

與 PA 有較好的相容性，且它們之間還可以發(fā)生少量的鍵合，同時，在 MPU 中并用一部分 CM 作為橡膠

相具有一定的經(jīng)濟技術價值。

本文選取 MPU 并用一部分 CM 作為動態(tài)硫化熱塑性彈性體的橡膠相，通過改變橡 MPU 與 CM 的并用

比例，研究其對 MPU/CM/PA12 TPV 的物理機械性能、動態(tài)力學性能及耐老化性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原材料

MPU，牌號 SUNTHANE?

E6011，聚醚型高性能混煉型聚氨酯橡膠，廣州順力聚氨酯科技有限公司 ；

CM：牌號 WEIPREN?

3000，中等氯含量，濰坊亞星化學股份有限公司；PA12，牌號 L16，經(jīng)過改性處理，

熔點為 180 ～ 185℃ ；其他配合劑均為常用工業(yè)品。

1.2 主要儀器和設備

扭矩流變儀，RM-200C，哈爾濱哈普電器技術有限責任公司 ；開煉機，X（S）K-160，上海雙翼橡

塑機械有限公司 ；平板硫化機，LCM-3C2-G03-LM，深圳佳鑫電子設備科技有限公司 ；GT-7017-M 型

老化箱，臺灣高鐵有限公司；無轉子硫化儀，GT-M2000-A，臺灣高鐵有限公司；電子拉力機，I-7000S，

臺灣高鐵有限公司 ；硬度計，上海險峰電影機械廠。

1.3 實驗配方

橡膠相 MPU/CM 中 MPU 和 CM 的并用比例，如表 1 所示。

表 1 MPU/CM 母膠中 MPU 與 CM 的并用比例

橡膠相其余配合劑（單位：份）：白炭黑 30，MgO 5，硬脂酸 0.3，DCP1.2。在 MPU/CM/PA12 TPV 中，

MPU/CM 和 PA12 的并用比例為 70/30。

1.4 試樣制備

MPU/CM 并用比對 MPU/CM/PA12

TPV 性能的影響

韓笑，鄧濤 *

（青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042）

編號 1# 2# 3# 4# 5#

MPU 用量 / 份 100 90 80 70 60

CM 用量 / 份 0 10 20 30 40

54

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

稱量 ：按照配方中規(guī)定的原材料品種和用量進行稱量。

制備方法 ：將開煉機的輥距調到 1mm，加入不同并用比例的 MPU/CM，薄通五次 ；輥距調到 2mm，

將塑煉后的生膠放入開煉機中，待包輥后，依次加入配合劑，最后加入硫化劑，混煉約 15min，均勻

后打三角包 5 次，下片，停放 16h。

將扭矩流變儀溫度調至 185℃，加入 PA12 熔融，待扭矩基本不變后，按照比例加入 MPU/CM 母膠，

待動態(tài)硫化完成后，取出 TPV。

將平板硫化儀升溫至 185℃，放入 TPV，預熱 3min，排氣 5 次，加壓模壓 5min，冷壓 4min，開模，

制得 TPV 試片。

1.5 分析與測試

動態(tài)硫化性能 ：采用 RM-200C 扭矩流變儀進行動態(tài)硫化，條件為 185℃，動態(tài)硫化時間參考扭矩

流變儀曲線。

力學性能 ：拉伸性能采用電子拉力試驗機按照 GB/T 528—2008 進行測試，拉伸方式為單向拉伸，

拉伸速度為 500mm/min。每個測試點測試五次，將測試結果去最大最小值后求平均值，即為實驗結果。

沖擊回彈性能：回彈性能采用沖擊彈性試驗機按照 GB/T 1681—91 進行測試，每個試樣測定三點，

各點之間距離不少于 10mm，取三點數(shù)值的中間值表示一個試樣的回彈性。

動態(tài)力學性能 ：采用美國 Alpha 科技公司生產的 RPA2000 型橡膠加工分析儀，測試方式為剪切應

變溫度掃描，應變頻率 1.7Hz，轉動角度 0.5°，掃描溫度范圍 65 ～ 185℃。

質 量、 體 積 變 化 率 試 驗 ：按 GB/T 1690—2006 測 試， 熱 介 質 老 化 條 件 為 46# 液 壓 油、

100℃ ×72h。將試樣懸掛于試驗容器內，后將容器置于 100℃恒溫箱中，72h 后取出試樣，室溫下停

放 30min 后進行稱量。

耐介質老化 ：按 GB/T 1690—2006 測試，熱介質老化條件為 46# 液壓油、100℃ ×72h。

浸泡后的拉伸性能 ：采試樣從試驗液體中取出后，清除其表面上的液體，在室溫空氣中停放

30min 后，進行測試。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

通過扭矩流變儀扭矩 - 時間曲線可知 MPU/CM 和 PA 混合后的扭矩變化情況，及橡膠相的交聯(lián)程度

與破碎情況。不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 動態(tài)硫化扭矩 - 時間曲線如圖 2 所示。

圖 2 不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 圖 3 不同 MPU/CM 并用比的

TPV 動態(tài)硫化時間 - 扭矩曲線 共混膠硫化特性曲線（170℃）

圖 2 為不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 的扭矩流變儀混煉曲線，PA12 熔融后，加入

韓笑 等·MPUCM 并用比對 MPUCMPA12 TPV 性能的影響

55

MPU/CM 混煉膠進行動態(tài)硫化。投入母膠后，扭矩迅速上升，在扭矩流變儀轉子的剪切破碎下，扭矩下降；

在熱的作用下，橡膠相發(fā)生硫化交聯(lián)反應，黏度和模量上升，其交聯(lián)作用大于轉子的剪切作用，導致

扭矩上升并達到峰值 ；之后由于交聯(lián)的橡膠相粒子破碎后分散于高溫下黏度較小的 PA12 相中，相反

轉開始進行 ；隨著橡膠相粒子交聯(lián)作用達到飽和且不能繼續(xù)被剪切破碎成更小的聚集體，扭矩下降并

最終保持不變，同時完成相反轉 [3]。

隨著 CM 并用量的增大，動態(tài)硫化過程中完成相反轉的時間基本不變，扭矩流變儀的最高扭矩逐漸

下降，不同 MPU/CM 并用比的共混膠硫化特性曲線（測試溫度為 170℃）如圖 3 所示，由圖可知，隨

著 CM 的并用量增大，硫化曲線的最高扭矩下降，即在本實驗所用的配合體系下，CM 的交聯(lián)程度低于

相同條件下 MPU 的交聯(lián)程 [4]。當 MPU/CM 的并用比從 100/0 到 70/30 時，硫化曲線達到的最高扭矩近

似等差遞減，而 MPU/CM 的并用比為 60/40 時，相比于 70/30 時的最高扭矩明顯下降，說明當 CM 并

用量較大時，在 DCP 硫化體系下，MPU 和 CM 很難達到同步硫化。

2.2 MPU/CM/PA12 TPV 的物理機械性能

不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 物理機械性能如表 2 所示。

表 2 同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 物理機械性能

隨著 MPU/CM/PA12 TPV 橡膠相中 CM 并用量的增大，硬度不變，當 MPU/CM 的并用比為 100/0、

90/10、80/20 和 70/30 時，拉斷強度基本不變，扯斷伸長率增大，200% 定伸強度逐漸降低 ；當 TPV

中 MPU/CM 的并用比為 60/40 時，拉斷強度和扯斷伸長率明顯降低，同時回彈性明顯下降，這說明當

TPV 橡膠相中 CM 的并用量大于 30 份時，制得 TPV 的力學性能與回彈性能較差，要制得性能良好的

TPV，CM 的并用量不宜超過 30 份。

2.3 熱空氣、熱油老化后 TPV 的物理機械性能

為了考察 MPU/CM/PA12 TPV 的老化性能，本實驗分別選用了空氣中 100℃ ×72h、46# 液壓油中

100℃ ×72h 兩種老化條件的對其試樣進行老化，以表征不同 MPU/CM 并用比對 MPU/CM/PA12 TPV 老

化性能的影響。

2.3.1 熱空氣老化后 TPV 的性能變化

熱空氣老化后，不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 性能變化如表 3 所示。

表 3 熱空氣老化后不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 性能變化

由表 3 可知，熱空氣老化后，隨著 CM 并用量的增大，MPU/CM/PA12 TPV 的拉斷強度變化率逐漸

增大，且拉斷強度較老化前高，在熱空氣老化過程中，分子網(wǎng)絡進一步引發(fā)交聯(lián)反應，分子鏈網(wǎng)絡更

密集，可以承載的應力提高 ；扯斷伸長率變化率均為負值，說明熱空氣老化后，TPV 的扯斷伸長率較

老化前降低，且隨著 CM 并用量的變化基本不變。

2.3.2 熱油老化后 TPV 的性能變化

熱油老化后，不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 性能變化如表 4 所示。

項目 1# 2# 3# 4# 5#

硬度 / 邵 A 9 5 9 5 9 5 9 5 9 5

拉斷強度 /MPa 22.1 19.3 19.8 20.7 16.5

扯斷伸長率 /% 218 225 253 274 210

50% 定伸強度 /MPa 9.7 9.4 9.8 9.6 9.6

200% 定伸強度 /MPa 20.6 17.2 16.8 16.0 15.6

扯斷永久變形 /% 4 5 4 5 5 0 5 5 5 5

回彈性 /% 2 9 2 9 2 8 2 8 2 5

項目 1# 2# 3# 4# 5#

拉斷強度變化率 /% 6.5 10.4 13.9 12.1 11.7

扯斷伸長率變化率 /% -11.9 -12.9 -12.9 -13.5 -22.9

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

表 4 熱油老化后不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 物理機械性能

項目 1# 2# 3# 4# 5#

拉斷強度變化率 /% -5.33 -4.45 -5.25 -4.35 -5.87

扯斷伸長率變化率 /% -6.93 -9.89 -5.93 -6.93 -11.90

體積變化百分數(shù) /% -0.35 -0.42 0.96 2.14 3.01

質量變化百分數(shù) /% 0.04 0.25 1.36 1.82 2.22

由表 4 可知，熱油老化后，MPU/CM/PA12 TPV 的拉斷強度和扯斷伸長率變化率均為負值，說明熱

油老化后 TPV 的拉斷強度和扯斷伸長率降低。當 CM 的并用量低于 30 份時，MPU/CM 的并用比對拉斷

強度和扯斷伸長率變化率的影響較??；當 CM 的并用量增大至 40 份時，拉斷強度和扯斷伸長率損失較大。

由質量、體積變化率可知，隨著 CM 的并用量增大，更多的低分子液壓油浸入到 TPV 中，拉伸時分子

鏈之間發(fā)生滑脫的概率增大，導致其耐熱油性能下降 [5]。

2.4 MPU/CM/PA12 TPV 動態(tài)力學性能

對不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 進行剪切應變溫度掃描，儲能模量（G’）和損耗模量

（G”）如圖 4、圖 5 所示。

圖 4 不同 MPU/CM 并用比 TPV 的 圖 5 不同 MPU/CM 并用比 TPV 的

儲能模量 - 溫度曲線 損耗模量 - 溫度曲線

隨著溫度的升高，PA12 相的軟化引起共混物模量下降，在溫度為 160 ～ 180℃時，溫度接近 TPV

中的塑料相 PA12 的軟化點，TPV 的 G’減小最快。隨著 CM 并用量的增加，MPU/CM 的硫化程度降低，

導致制備的 MPU/CM/PA12 TPV 彈性下降、G’降低，同時，損耗模量略有升高，說明 TPV 的黏性隨

CM 并用的增大略有升高。

為了進一步研究不同 MPU/CM 并用比的 MPU/CM/PA12 TPV 黏彈性，本實驗繪制了剪切應力下?lián)p耗

因子（tan δ）- 溫度曲線，如圖 6 所示。

由圖 6 可知，tanδ 在 160 ～ 180℃快速增大，這與溫度接近 PA12 的軟化點有關（按 GB/T4608

測試方法，PA12L16 的熔點為 178℃），溫度在軟化點以上時，MPU/CM/PA12 TPV 的 G ＇快速降低，

而在此溫度區(qū)間內 G ＂變化不大，如圖 4、5 所示，因此 tan δ 快速增大 ；隨著 CM 并用量的增加，

MPU/CM/PA12 TPV 的 tan δ 升高，說明 CM 并用量的增加使得 TPV 的能量損失增大。

3 結論

（1）動態(tài)硫化時，隨著 CM 的并用量增加，扭矩流變儀的最高扭矩下降，在本實驗配合體系下，

CM 的硫化程度不及 MPU。

（2）在橡膠相中，當 CM 的并用比例低于 30 份時，制得的 MPU/CM/PA12 TPV 具有良好的力學性能，

且老化性能較好，當 CM 并用量為 40 份時，TPV 的性能明顯下降。

韓笑 等·MPUCM 并用比對 MPUCMPA12 TPV 性能的影響

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（3）隨著 CM 并用量的增大，MPU/CM/PA12 TPV 的 G ＇降低，G ＂略有升高，TPV 能量損失增大，

彈性變差。

參考文獻 ：

[1] 楊清芝 . 現(xiàn)代橡膠工藝學 [M]. 1 版 . 北京 ：中國石化出版社 ,1997:73-76.

[2] 李俊山 . 現(xiàn)代橡膠工藝學 [M]. 1 版 . 北京 ：中國石化出版社 ,1997:377-464.

[3] 王建功 , 陳自安 , 李珍 , 等 . 硫磺硫化 EPDM/PP 熱塑性彈性體相反轉及物理性能研究 [J]. 橡膠工業(yè) ,2018,65(02):137-141.

[4] 田亞飛 .NR/NBR、NR/SBR/NBR 并用膠的同步硫化及應用研究 [D]. 華南理工大學 ,2013.

[5] 尤黎明 , 杜偉 , 韓笑 , 等 . 不同增塑體系對丁腈橡膠老化前后及膠管扣壓過程性能的影響 [J]. 橡塑技術與裝備 ,2021,47(06):52-56.

圖 6 不同 MPU/CM 并用比 TPV 的損耗因子 - 溫度曲線

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

0 引言

模具是輪胎制造過程中的關鍵裝備，如何高效、快捷、有效且低成本地清潔模具一直是輪胎企業(yè)

苦惱的問題。尤其面對彈簧氣孔套式模具和 PVD 鍍層模具，傳統(tǒng)的噴砂、噴干冰、超聲波清洗方式無

能為力。噴砂清洗會損傷模具，存在后續(xù)繁重的氣孔通孔作業(yè)，而且噴砂無法清洗彈簧氣孔套式模具。

干冰清洗耗材昂貴，噪音大，無法有效徹底地清潔模具?；瘜W藥液超聲波清洗模具耗時長，還面臨廢

液處理排放的問題。

輪胎模具激光清洗技術，是用高能高頻納秒超短脈沖激光轟擊模具表面，使其表面的污染層瞬間

蒸發(fā)或爆破剝離，從而達到清潔的工藝過程。相對傳統(tǒng)清洗方法，激光清洗模具有很多優(yōu)勢 ：

(1) 清洗無需耗材輔料 ；

(2) 運行成本低 ；

(3) 能量密度可精準調整 ；

(4) 不會損傷模具 ；

（5）不會出現(xiàn)堵塞排氣孔現(xiàn)象 ；

（6）清除的固體粉末易于收集，對環(huán)境無污染。

激光清洗質量的好壞和清洗效率的高低取決于激光清洗過程中對激光能量的有效控制。采用全自

動激光清洗系統(tǒng)可精確控制模具表面獲得的激光能量密度，在保證不損傷模具的前提下最大可能的提

高效率，保證清洗的一致性。由于手持激光清洗機采用手持清洗作業(yè)方式，無法保證模具表面激光能

量密度的一致性，從而導致清洗不均勻，存在“花斑”現(xiàn)象，影響輪胎外觀及產品品質，嚴重時會損

傷模具。采用全自動激光清洗系統(tǒng)是必然趨勢，全自動激光清洗系統(tǒng)有以下特點 ：

（1) 能量密度可精確控制，在不損傷模具的基礎上高效清潔 ；

（2) 可精確控制脈沖重疊率，充分利用激光能量，確保效率 ；

（3) 清洗無“花斑”，一致性好 ；

（4) 可長時間連續(xù)穩(wěn)定工作，無耗材，運行成本低 ；

（5) 設有清洗參數(shù)工藝庫。

1 全自動激光清洗系統(tǒng)在輪胎模具清洗中的應用

全自動激光清洗系統(tǒng)在輪胎模具清洗中的應用逐年增多。尤其對于彈簧氣孔套式輪胎模具的清洗，

激光清洗是最佳的清洗方式。前幾年德國制造的激光清洗系統(tǒng)開始進入國內的一些輪胎企業(yè)。但由于

售價高、維護費用高、服務不及時、光路調整復雜、故障率高等原因，阻礙了其進一步的推廣。

這幾年隨著適合激光清洗的穩(wěn)定可靠激光光源的出現(xiàn)，國內很多企業(yè)加大了激光清洗技術工業(yè)化

應用的研發(fā)投入，做了不同方向的嘗試工作。大部分企業(yè)由于技術及資金的原因，其產品開發(fā)僅止步

激光清洗技術在輪胎模具清洗中的

應用研究

潘濟堂

（南京集萃激光智能制造有限公司，江蘇 南京 210000）

潘濟堂·激光清洗技術在輪胎模具清洗中的應用研究

59

于中、小功率手持清洗機。中、小功率激光光源的激光聚焦后，焦斑能量分布不均勻，中心位置能量

密度最高，朝著焦斑邊緣方向，能量密度逐漸降低。用這種光源進行清洗，極易損傷模具。同時，手

持清洗機手持操作存在激光輻射安全隱患，影響使用操作人員的職業(yè)健康。在全自動激光清洗系統(tǒng)產

品方面，國內只有極少數(shù)企業(yè)做了長時間的開發(fā)工作。其中南京集萃激光公司開發(fā)的全自動輪胎模具

激光清洗系統(tǒng)目前已成功應用于國內多家輪胎企業(yè)。其產品采用全密封防護結構，激光清洗作業(yè)時無

激光輻射危害風險，安全可靠。南京集萃激光公司的全自動激光清洗系統(tǒng)與德國同類激光清洗設備相

比，有如下不同 ：

（1) 光源免維護。

（2) 光路無需調整。

（3) 采用方形光斑，效率更高。

（4) 運動部件采用穩(wěn)定可靠的機器人。

（5) 工藝庫參數(shù)錄入簡單易學，看圖測量幾個參數(shù)即可。

（6) 操作簡單易學，培訓 1 小時即可單獨操作。

（7) 采用模具分體式清洗，清洗更為靈活。

（8) 模具花紋塊可采用多角度清洗，且角度可調。

本文所有數(shù)據(jù)均通過南京集萃激光公司的全自動輪胎模具激光清洗系統(tǒng)實際使用過程得出。該系

統(tǒng)采用了 IPG 公司功率 500W 的納秒脈沖激光器，激光束經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦后焦斑為 2mm 邊長的方形

平頂光，高速振鏡掃描的清洗帶寬為 50mm。激光束與模具表面法線夾角最大為 45°時，可保證打在

模具表面上的激光掃描線條均在激光束焦深范圍之內，從而最大限度地保證清洗質量的一致性。

2 輪胎模具的激光損傷閾值

激光清洗系統(tǒng)實際應用中是否會損傷模具，在激光平均功率確定的條件下需要從兩個方面綜合考

慮 ：

（1）單脈沖激光束的能量密度（j/cm2

）；

（2）激光束的脈沖寬度。

假設激光垂直入射于潔凈的模具表面，觀察模具表面發(fā)生氧化變色（開始產生損傷現(xiàn)象）的情況，

通過測量、計算開始發(fā)生氧化變色時的能量密度及脈寬，確定激光對于模具的損傷閾值。據(jù)文獻 [1] 可

知金屬材料的吸收率 :

A=4n/[(n+1)2

+k2

] （1）

n 是材料針對某一波長的激光的折射系數(shù)，k 是材料針對某一波長激光的吸收系數(shù)。

據(jù)文獻 [2] 可知輪胎模具常用材料的光學特性參數(shù) ：

表 1 各材料 1064nm 激光的光學特性

材料 折射系數(shù) k 吸收系數(shù) n

Al 8.5 1.75

Fe 4.44 3.81

將 表 1 的 參 數(shù) 帶 入（1） 式 中 可 得 到 AL 的 1064nm 吸 收 率 為 ：8.8%，F(xiàn)e 的 1064nm 吸 收 率 為 ：

35.6%。

輪胎模具通常用模具鋼或鋁合金制成。由于鋁的激光吸收率遠低于鐵，可知鋁的激光損傷閾值遠

高于模具鋼，本文只研究模具鋼表面氧化變色所需的能量密度和脈寬。模具鋼的熔點在 1495℃左右。

據(jù)文獻 [3] 可知，基材表面熱作用深度與激光脈寬有關 ：

（2）

其中 α 為熱擴散率，t 為脈沖寬度，當激光脈沖寬度為 40ns 時，激光脈沖能量作用于基材深度

為 1.5um. 當激光脈沖寬度為 60ns 時，作用深度為 1.76um，100ns 時作用深度為 2.3um。激光焦

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

斑是 2×2mm 的一個方形光斑，這樣可以通過 M=ρV 計算出受單脈沖激光束作用的物質質量分別為

4.51×10-5g、5.53×10-5g、7.14×10-5g。根據(jù)文獻 [4] 可知納秒級激光脈沖轟擊物件后表面的瞬時

溫升 ?T ：

?T=Q/(C*M) （3）

其中 Q 為吸收能量，單位為 J；C 為基材的比熱容，單位為 J/(g·℃ ) ；M 為物質質量，單位為 g。

根據(jù)上式可計算出在不同能量脈寬的激光脈沖下基材溫升數(shù)據(jù)。

表 2 不同脈沖時模具鋼的溫升

40 60 100 能量密度 /(j.m-2

)

100mj 1791 1462 1132 2.5

80mj 1433 1170 906 2

60mj 1074 877 680 1.5

40mj 717 585 453 1

按上表計算數(shù)據(jù)結合 45 號鋼的熔點，可知單脈沖能量在 100mj 時，脈寬在 40ns 和 60ns 時，模

具基材會損傷，脈沖能量在 80mj 時，脈寬在 40ns 時模具基材會被損傷。按上表所示數(shù)據(jù)在一塊潔凈

的 45 號鋼工件上進行了測試，基本符合，激光單脈沖 40ns/100mj 時，工件表面有嚴重的熔化氧化變

色現(xiàn)象（如圖 1 所示），在激光脈沖 40ns/80mj 和 60ns/100mj 兩種情況下，工件表面有輕微氧化變

色現(xiàn)象（如圖 2 所示）。在實際應用中要避免清洗設備的激光參數(shù)設定在損傷模具基材的范圍。

圖 1 基材嚴重損傷形貌 圖 2 基材損傷形貌

4 輪胎模具激光清洗最佳參數(shù)

淡色的橡膠對 1064nm 的激光吸收率非常低，輪胎模具表面黑色殘留物可以用 1064nm 的脈沖激光

清洗。因為輪胎材料中含有炭黑，根據(jù)文獻 [5] 可知，添加炭黑后的橡膠對激光的吸收率高達 80%，其

吸收率遠大于模具基材對激光的吸收率。這也能解釋為何其單純的除油能力比較弱，去除油漬主要依

靠基材表面的瞬時溫升氣化油膜，油膜較多的區(qū)域被瞬時氣化的油氣吹到周圍。只能去除基材表面一

層薄薄的油膜，之后模具深層的油又會慢慢滲出到表面。

激光清洗最佳參數(shù)與輪胎模具污染層的厚度相關。生產 1000 條和生產 3000 條輪胎后的模具，由

于污染層厚度不同，其最佳清洗參數(shù)也有區(qū)別。

剛從硫化機上拆下的模具由于其基材溫度較高，且模具表面的污染物還處于浸潤狀態(tài)，此時的附

著力最小，最易清洗。

為了高效的利用好每一個脈沖，找到高效的最佳清洗參數(shù)，需要考慮五個最基本的參數(shù) ：

(1) 功率大小 P/w

光源功率的百分比，一般設定值≥ 90%，甚至滿功率運行。

(2) 脈沖寬度 T/ns

脈寬 /ns

脈沖能量 /mj 溫升

潘濟堂·激光清洗技術在輪胎模具清洗中的應用研究

61

由表 2 中計算結果可以看出，單脈沖能量一定的情況下，脈寬越小，越利于清洗，但是要關注損

傷閾值的范圍。實際清洗中，發(fā)現(xiàn)基材表面有變色現(xiàn)象發(fā)生意味著很可能已經(jīng)接近損傷臨界值?？紤]

到污染層的清洗效果，40ns 時能量密度不能過大，實際應用中一般用 60ns 或者 100ns。這個參數(shù)由

激光器設定，設定好以后不得隨意改動。

(3) 能量密度 Δ（J.cm-2）

由于光源采用的脈寬為納秒級別的脈沖激光器，清洗參數(shù)考慮能量密度更為合適，由表 2 可以看

出 60ns 時，Δ=2.5j/cm2 時，45 號模具鋼就處于基材損傷的臨界值。所以實際應用中，建議不要超過

這個能量密度。

(4) 脈沖重疊率 α1=b/i×100%

為了提高效率，利用好每個脈沖的能量，必須讓脈沖有序的按照某一規(guī)律排列，首先考慮到單個

脈沖的重疊率，此時就直觀的體現(xiàn)出了方形平頂光斑的優(yōu)勢。

圖 3 脈沖重疊率示意圖

(5) 行重疊率 α2=c/i×100%

下圖所示的平行線式出光的行重疊率是比較理想的情況，實際的重疊率更為復雜，這要根據(jù)清洗

頭掃描出光的方式來具體分析確定。平行線出光方式的出光時間利用率為 40% 左右，像南京集萃激光

公司的全自動激光清洗設備采用了類似 Z 形的出光方式，其出光時間利用率達到 90%，對激光能量的

利用效率更高。

還有一種利用轉鏡提高效率的出光方式，由于轉鏡的體積過大，控制方式繁瑣，最主要的是轉鏡

表面平均反射率不到 80%，有將近 20% 以上的激光能量被損失，所以采用此方式的系統(tǒng)很少。

圖 4 行重疊率示意圖

根據(jù)清洗效果確定這 5 個基本參數(shù)后，其它運行參數(shù)均可計算得出。

τ（kHz）激光器的運行頻率的計算公式 ：

（4）

其中 P（W）為實際給定功率，Δ（j/cm2

）為設定的能量密度，i（mm）為焦斑邊長。

振鏡掃描速度 f（M/S）的計算公式 ：

（5）

其中 τ（kHz）為激光器頻率，i(mm) 為焦斑邊長，α_1 為脈沖重疊率，百分數(shù)。

清洗頭相對工件的清洗速度 F（M/min）的計算公式 ：

（6）

其中 l（mm）為焦斑邊長，α2 為行重疊率，50（mm）為掃描線長，f（M/S）為上式計算結果，t（s）

為振鏡的空走系數(shù)，振鏡的空走系數(shù)是實測出振鏡一個循環(huán)中不出光空走的時間。

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

根據(jù)以上所確定的損傷閾值范圍，及各參數(shù)的詳細分析，經(jīng)過實驗確定其最佳清洗參數(shù)。在實際

應用中，清洗一個 12.00R20 規(guī)格模具側板用時 5min 左右，清洗模具效果見圖 5。從四個角度照射模具，

全方位無死角清洗一個同規(guī)格全鋼花紋塊用時 4.5min，清洗效果見圖 6。南京集萃激光公司的全自動

激光清洗系統(tǒng)配有雙工作臺，一個工作臺進行清洗作業(yè)時，另一個工作臺可進行模具的上下料。整體

清洗一副 12.00R20 的全鋼模具，總耗時 1h 左右。

圖 5 輪胎模具側板清洗形貌圖 圖 6 輪胎模具花紋塊清洗形貌圖

5 結論

綜上所述，全自動激光清洗系統(tǒng)相較于手持激光清洗機，在輪胎模具清洗中有著諸多技術、質量

和安全優(yōu)勢。合理控制激光清洗參數(shù)對于高效高質無損清洗模具至關重要。在國內減碳降排、綠色制造、

智能制造政策的指引下，在企業(yè)節(jié)能降耗，減少生產成本，提升經(jīng)濟效益的追求下，國產全自動激光

清洗系統(tǒng)必將發(fā)揮自身技術、成本、服務優(yōu)勢，更好地服務于輪胎制造企業(yè)的生產經(jīng)營，應用前景廣闊。

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡膠連續(xù)終煉實驗研究

63

終煉作為混煉過程的收官環(huán)節(jié)，對之后的所有工序會產生深遠的影響，其關鍵性不言而喻。終煉

并不是簡單地使硫磺和橡膠進行初步混合，而是使多種不同性質、不同形態(tài)的物料，包括硫磺、硫化

促進劑、活性劑以及未分散均勻的填充體系，使其與橡膠基體間發(fā)生復雜的物理、化學變化。

現(xiàn)有的終煉工藝 [1] 已經(jīng)相對成熟，能夠基本滿足生產需求，但還是存在各種各樣的問題，主要有

以下幾點 ：

（1）配方種類以及硫化體系 [2-4] 種類繁多，難以實現(xiàn)所有配方及硫化體系均適配。一般終煉裝備

如開煉機 [5-7]、密煉機 [8-10] 等都有各自的適用范圍 ；

（2）橡膠的黏彈性及其特殊的力學響應特征導致大部分終煉裝備進行終煉時需要較大的作用力，

對于回轉類元件則需要較大的輸出扭矩。并且流變行為難以預測 [11]

；

（3）不同配合劑 [12] 由于其顆粒尺寸不同，各運動單元間的接觸反應情況靈活多變，難以進行精

確控制，終煉過程 [13] 反應產物也會出現(xiàn)差異 ；

（4）終煉過程中的產熱、應力變化會導致溫度場、壓力場、剪切速率場、粘度場 [14,15] 都隨之改變，

各種物理、化學反應程度也會出現(xiàn)波動，不同批次的終煉膠性能穩(wěn)定性無法保證。因此，對橡膠復合

材料的終煉過程進行研究困難重重。

終煉不僅僅是混煉過程的一道工序，對于之后的加工成型工藝也具有延續(xù)性影響，對橡膠制品的

各項性能具有決定性作用。終煉效果關乎著橡膠制品的安全性和使用壽命，也關乎使用橡膠制品的個

體的安全。因此，改進終煉工藝及裝備，進行新型橡膠終煉裝備和工藝創(chuàng)新，完善橡膠混煉工業(yè)體系

刻不容緩，是橡膠工業(yè)體系亟待解決的最重要的課題之一。

1 實驗

1.1 實驗配方

實驗配方見表 1。

表 1 天然膠炭黑實驗配方

材料名稱 份數(shù) /phr

天然膠 100

N234 53.5

ZnO 3.5

硬脂酸 SAD 2

防老劑 4020 1.5

增塑劑 A 2

促進劑 NS 1.5

硫磺 S 1

合計 165

炭黑配方橡膠連續(xù)終煉實驗研究

肖鑫鑫 1

，邊慧光 1

, 許明輝 1

，王祿銀 1

，牛廣智 1

，汪傳生 1,2*

（1. 青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061 ；

2. 山東省高分子材料先進制造技術重點實驗室，山東 青島 266061）

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1.2 主要設備和儀器

XLB-D420X400 平板硫化機，青島億朗橡膠裝備有限公司 ；RPA2000 橡膠加工分析儀，美國阿爾法

公司 ；Premier MV 門尼粘度儀，美國阿爾法公司 ；MDR-C 無轉子流變儀，美國阿爾法公司 ；Instron

3365 萬能實驗機，英斯特朗公司 ；EPLEXOR 150N 動態(tài)熱機械分析儀，德國 GABO 公司 ；SS-8350ED

橡膠回彈實驗機，臺灣松恕檢測儀器有限公司 ；SS-5643-D DIN 磨耗實驗機，臺灣松恕檢測儀器有限

公司 ；Precisa XB 220A 密度儀，瑞士普利賽斯公司 ；Wallace H17A 邵氏硬度計，英國華萊士公司 ；

GT-7016-AR 氣動式?jīng)_裁制樣機，高鐵科技股份有限公司 ；S112MXB 厚度計，日本三豐儀器有限公司 ；

XM-1.7L 同步轉子剪切型密煉機 ；XK-160 開煉機 ；XLHZ-60 橡膠連續(xù)終煉機，山東省高分子材料先進

制造技術重點實驗室研發(fā)，設備如圖 1 所示，技術參數(shù)見表 2。

圖 1 XLHZ-60 橡膠連續(xù)終煉機

表 2 雙轉子連續(xù)終煉機主要性能參數(shù)

1.3 實驗工藝及測試

通過密煉制得炭黑配方母煉膠后，分別采用連續(xù)終煉機、密煉機、開煉機這三種終煉裝備，在相

同轉速 30r/min 和相同溫控 50℃時，將硫化體系與母煉膠按照配比均勻加入、進行終煉，控制有效

終煉時間 90s 左右，制得終煉膠，對其進行各項性能測試并進行分析。

2 結果與分析

對于炭黑 - 天然橡膠配方膠料，通過采用不同終煉裝備及工藝，對橡膠串聯(lián)式連續(xù)混煉的母煉膠

進行終煉，使三種終煉裝備在相同轉速 30r/min 和相同溫控溫度 50℃下進行終煉，測定喂料溫度，

待終煉膠擠出后測量排膠溫度，得到終煉前后膠料的溫度差，將各組不同終煉方法制得的終煉膠分別

取樣進行門尼粘度測試、橡膠加工性分析、無轉子流變測試，并采用將終煉膠置入不同形狀模具中進

行硫化，將硫化膠進行拉伸性能及硬度測試、回彈性能測試、DIN 磨耗測試、動態(tài)熱機械性能測試。

項目 技術參數(shù)

轉子直徑 60mm

長徑比 20 1

中心距 55mm

轉子旋向 異向內旋

電動機參數(shù) 45kW 1500r/min

轉子轉速 0~50r/min

控溫區(qū)域 三段機筒，機頭

模溫機介質與通道數(shù)量 導熱油，四通道

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡膠連續(xù)終煉實驗研究

65

各種測試結果的對比分析如下 ：

如圖 2 和圖 3 所示，對于炭黑 - 天然橡膠配方膠料，在相同工藝參數(shù)下開煉機溫控對終煉過程起

到的降溫冷卻作用最明顯，連續(xù)終煉機次之，密煉機溫控降溫效果最差。

由于開煉機是開放式結構，除輥筒內循環(huán)冷卻水降溫外，與空期間熱交換帶走的熱量也十分可觀；

連續(xù)終煉機屬于半開放式結構，空氣與膠料一同從喂料口進入，在終煉過程中，由于雙轉子對膠料剪切、

擠壓，空氣被壓出，大部分沿流動膠料間隙向后排除，在一定程度上也能帶走部分熱量 ；而密煉機終

煉在相對封閉的環(huán)境下進行，熱量難以散失，降溫效果差，如果不對終煉工藝進行控制，容易產生局

部高溫導致發(fā)生交聯(lián)反應。

圖 2 終煉排膠溫度對比 圖 3 終煉喂料 - 排膠溫度差對比

通過分析圖 4 中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)終煉機及開煉機終煉制得的終煉膠門尼粘度較低，加工流動性較

好，而密煉機制得的終煉膠門尼粘度較高。這可能是因為密煉機終煉環(huán)境相對封閉，熱量無法快速散失，

終煉溫度較高，待排膠冷卻后終煉膠收縮嚴重，分子鏈間作用力較大，因此在進行門尼粘度測試時數(shù)

值較大。

圖 4 終煉膠的門尼粘度對比

通過圖 5 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于炭黑 - 天然橡膠配方實驗，三種終煉裝備制得的終煉膠 MH-ML 幾

乎相等，說明交聯(lián)網(wǎng)絡框架的致密程度也相近。

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

圖 5 終煉膠的 MH-ML 對比

通過圖 6 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，開煉機終煉制得的終煉膠 Payne 效應最低，填料分散情況最好，密煉

機終煉次之，連續(xù)終煉機的最差。由于連續(xù)終煉機雙轉子上混煉元件結構多變，相比于剪切型密煉機

轉子，并非所有結構都能增強填料分散情況，部分結構優(yōu)先考量輸送能力，連續(xù)終煉機對膠料的剪切

作用總體上較弱，因此橡膠分子鏈斷裂較少，平均分子量較大，Payne 效應較高 ；密煉機雙轉子對膠

料產生周期性的剪切作用，每轉一圈就會對膠料剪切一次，因此能夠使填料分散相對均勻 ；而在開煉

機終煉過程中，不僅保持對膠料的持續(xù)剪切，還通過打卷或三角包促進填料分散，因此其 Payne 效應

最低。

圖 6 終煉膠的 Payne 效應對比

圖 7 終煉膠的 T10 對比 圖 8 終煉膠的 T90 對比

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡膠連續(xù)終煉實驗研究

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通過圖 7 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，密煉機制得的終煉膠 T10 最短，連續(xù)終煉機次之，開煉機的最長。T10

表征焦燒時間，終煉過程中生熱越高，散熱越慢，溫度越高，越容易產生早期硫化，焦燒時間越短，

加工安全性越低。密煉機終煉散熱差，溫升快，更易出現(xiàn)早期硫化，因此焦燒時間最短 ；連續(xù)終煉機

散熱由于密煉機，次于開煉機，因此介于兩者之間 ；開煉機開放式環(huán)境有助于散熱，故焦燒時間最長。

通過圖 8 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)終煉機制得的終煉膠 T90 最長，開煉機次之，密煉機的最短。因

為密煉機終煉散熱差，溫升快，更易出現(xiàn)早期硫化，在進行無轉子硫變測試時初始硫化程度最高，測

得的正硫化時間最短 ；連續(xù)終煉機內硫化體系的分散情況劣于密煉機及開煉機終煉，因此正硫化時間

最長。

圖 9 終煉膠硫化試樣的拉伸強度對比 圖 10 終煉膠硫化試樣的斷裂伸長率對比

通過圖 9 和圖 10 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)終煉機制得終煉膠的硫化試樣拉伸強度最低，斷裂伸長率

最高 ；密煉機制得終煉膠硫化試樣斷裂伸長率最低，拉伸強度方面密煉機制得的終煉膠硫化試樣拉伸

強度最高 ；開煉機制得的終煉膠硫化試樣斷裂伸長率及拉伸強度基本介于其他兩種終煉方法之間。在

工業(yè)化生產中，如果只是為了追求膠料最佳拉伸性能，采用密煉機進行終煉往往可以得到較好的結果，

如果只是為了追求批次間拉伸性能的穩(wěn)定性，采用開煉機進行終煉可以達到預期 ；由于連續(xù)終煉機具

有自動化程度高、生產效率高的特點，因此適用于對膠料拉伸性能沒有過高要求的大批量生產。

圖 11 終煉膠硫化試樣的 M300 對比 圖 12 終煉膠硫化試樣的 M300/M100 對比

通過圖 11 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，密煉機制得終煉膠的硫化試樣 M300 最大 ；連續(xù)終煉機制得的終煉膠

硫化試樣 M300 略低于密煉機的，略高于開煉機的 ；開煉機制得終煉膠的硫化試樣 M300 介于其他兩種

方法之間。這說明采用密煉機進行終煉，填料與橡膠基體間的作用力最強，這往往是交聯(lián)反應充分，

交聯(lián)密度大的體現(xiàn)，除 M300 外還會表征在回彈率高、DIN 磨耗低等方面。同時，與拉伸強度相對應，

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

證明密煉機制得終煉膠的力學性能較為突出，適合高性能橡膠制品的生產。

通過圖 12 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)終煉機制得終煉膠的硫化試樣 M300/M100 最低，密煉機次之，

開煉機最高。綜合來看，密煉機制得的終煉膠填料補強系數(shù)較高，填料與橡膠間結合程度好，對力學

性能會有所提升。因此，采用密煉機進行終煉可以得到力學性能更優(yōu)的終煉膠。

圖 13 終煉膠硫化試樣的回彈率對比

通過圖 13 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，密煉機制得終煉膠的硫化試樣的回彈率在三種終煉方法中最高，連續(xù)

終煉機制得終煉膠的硫化試樣的回彈率在三種終煉方法中最低，開煉機次之。回彈率的對比又一次證

明了采用密煉機終煉制得的終煉膠力學性能最好，適用于追求高性能橡膠制品的生產當中。

圖 14 終煉膠硫化試樣的硬度對比

通過圖 14 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，密煉機制得終煉膠的硫化試樣硬度波動最小，連續(xù)終煉機次之，開煉

機最大，且開煉機制得炭黑配方終煉膠硬度偏小。這說明開煉機制得終煉膠補強劑對橡膠基體的支撐

作用較弱，炭黑包裹形成的結合橡膠強度較低，造成宏觀上表征為硬度偏低。因此，如果對硬度有要

求且采用炭黑配方的生產需謹慎采用開煉機進行終煉。

肖鑫鑫，等·炭黑配方橡膠連續(xù)終煉實驗研究

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圖 15 終煉膠硫化試樣的 DIN 磨耗對比

通過圖 15 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用連續(xù)終煉機或密煉機制得終煉膠的硫化試樣 DIN 磨耗都比較低，

而開煉機的較高。通過 DIN 磨耗的對比分析，也能看出采用密煉機進行終煉獲得的終煉膠性能的卻較

為優(yōu)異，而對于炭黑配方，為了追求低磨耗，也可采用連續(xù)終煉機。綜合考量，開煉機終煉生產效率低，

危險性高，且制得的終煉膠及其硫化試樣性能也不太突出，因此不推薦繼續(xù)應用于工業(yè)化生產。

圖 16 終煉膠硫化試樣的抗?jié)窕詫Ρ?圖 17 終煉膠硫化試樣的滾動阻力對比

通過圖 16 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)終煉機制得終煉膠的硫化試樣抗?jié)窕宰畹?，開煉機的次之，密

煉機的最高。綜合考量，采用密煉機終煉往往可以獲得抗?jié)窕暂^好的橡膠制品。

通過圖 17 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三種終煉方法制得終煉膠的硫化試樣滾動阻力相差不大，其中密煉機

的最小，連續(xù)終煉機次之，開煉機的最大。綜合考量，不論是炭黑配方還是白炭黑配方，采用密煉機

進行終煉可以獲得較低的滾阻。

圖 18 密煉機終煉功率曲線 圖 19 開煉機終煉功率曲線

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

利用功率計對連續(xù)終煉機終煉過程的能耗進行記錄，可以得到溫控溫度 50℃、雙轉子轉速 30r/

min 時，連續(xù)終煉機連續(xù)運轉狀態(tài)下每小時能耗約為 3.5kWh。由 XLHZ-60 連續(xù)終煉機 30r/min 時終

煉生產能力約為 53.53kg/h，求得單位能耗 0.065kWh/kg。通過圖 18 和圖 19 記錄的開煉機和密煉機

功率曲線可以發(fā)現(xiàn)，在相同轉速 30r/min 及溫控溫度 50℃下密煉機終煉從開始喂料至結束排料總能

耗 842.03KJ。由于平均每車 ( 約 600g) 的終煉總時長約為 150s，得到 1.7L 剪切型密煉機終煉生產

能力約為 14.4kg/h，單位能耗 0.390kWh/kg。開煉機終煉一車的能耗 1001.80KJ。由于平均每車 ( 約

600g) 的終煉時長約為 240s，得到開煉機終煉一車的生產能力約為 9kg/h，單位能耗 0.464kWh/kg。

對比三種不同終煉設備的生產能力和單位能耗可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)終煉機和密煉機的自動化程度更高，

而且連續(xù)終煉機在加工效率、單位能耗方面有著巨大優(yōu)勢。

3 結論

（1）開煉機和連續(xù)終煉機能夠制得門尼粘度較低，T10 較長的終煉膠，加工安全性能較好，密煉

機制得的終煉膠加工安全性較差 ；三種終煉裝備制得的終煉膠 MH-ML 幾乎相等，開煉機的 Payne 效應

最低，填料分散性較好。

（2）密煉機制得的終煉膠硫化試樣在拉伸強度、DIN 磨耗和抗?jié)窕苑矫婢哂幸欢▋?yōu)勢 ；開煉機

制得的終煉膠硫化試樣硬度偏小，DIN 磨耗較高 ，硬度波動太大 ；三種終煉方法制得的終煉膠的硫化

試樣滾動阻力相差不大，連續(xù)終煉機制得的終煉膠性能較為均衡。

（3）對比三種終煉裝備的生產能力和單位能耗可以發(fā)現(xiàn)，相同轉速及溫控溫度下，連續(xù)終煉機生

產能力最高。連續(xù)終煉機生產效率高，單位能耗非常低。從效率和能耗方面看，連續(xù)終煉機非常適合

長周期、大規(guī)模的工業(yè)化生產，十分符合國家“節(jié)能降耗”的需求。

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呂柏源 等·橡膠加工技術及設備的研究

71

上世紀 60 年代末期，山東化工學院成立了橡膠機械教研室，當時領導高瞻遠矚成立了“橡膠冷喂料擠出機”

和“橡膠密煉機”研究組，并首次組織編寫國內《橡膠機械教材》，為后來我校發(fā)展專業(yè)教學和科研奠定了扎

實基礎?，F(xiàn)在的“青島高機科技有限公司”傳承了 1993 年青島化學院成立三位一體（教學 - 科研 - 開發(fā)）的

示范研究所——《青島化院高分子機械研究所》和隨后成立的《青島化院高分子機械研究開發(fā)中心》不斷地

進行結合國際前沿技術與國內創(chuàng)新的實際，進行了一系列原始創(chuàng)新研究?，F(xiàn)就“高機”的橡膠加工原創(chuàng)技術

作如下匯報。

1 橡膠工業(yè)熱水循環(huán)節(jié)能溫控技術研究與推廣

1.1 課題的來源與發(fā)現(xiàn)

20 世紀 70 年代末期、80 年代初期在本科生做“橡膠擠出機”實驗時，發(fā)生了一個異?，F(xiàn)象 ：按理論來

說，擠出機的生產能力應該與螺桿轉速成正比，但是實驗數(shù)據(jù)則表明，有時螺桿轉速高，其生產能力卻很低 ；

有時螺桿轉速低，可是生產能力卻很高。同時，生產能力的數(shù)據(jù)嚴重波動而且沒有重復性。導致實驗做不下去，

學生實驗報告也寫不下去。

在這種情況下，我們對實驗的原材料和實驗的工藝條件進行排查，問題找到了 ：實驗的熱源是學校鍋爐

房提供的蒸汽，冷卻水是自來水的水網(wǎng)，蒸汽與自來水分別接到分配器閥門，采用分配器閥門調節(jié)擠出機的

加熱冷卻溫度?？墒牵仩t房提供蒸汽的壓力是波動的，水網(wǎng)的水壓也是波動的，也就是說，擠出機的加熱

冷卻溫度也是波動的，這說明擠出機的加熱冷卻溫度是影響生產能力的重要因素。為了解決擠出過程加熱冷

卻溫度的穩(wěn)定問題，我們選擇了“橡膠工業(yè)熱水循環(huán)溫控技術”的課題。

1.2 課題的調研與研究

在開題以前我們在國內調研了有關研究院所、大學以及相關企業(yè)，調研結果只有相關企業(yè)采用常規(guī)的 PID

氣動調節(jié)的溫控裝置，同時進口的壓延機也是采用 PID 氣動調節(jié)技術，這種技術不但價格昂貴，而且體積龐大，

技術復雜，對我們來說很難使用和推廣。我們選用了簡單的位式控制的溫控技術，并按教科書推薦原理進行

設計和制造。在試車時，將系統(tǒng)設置到 70℃，然后啟動循環(huán)系統(tǒng)，可是不到一分鐘，整個系統(tǒng)全是涼水，試

驗失敗了。當時選的控制表頭是時間比例表，我們分析了時間比例表的工作原理結合實驗中為什么系統(tǒng)中的

水一會就“涼”了的實際情況，得出了改正方案 ：為什么加熱系統(tǒng)滿足不了加熱溫度？為什么系統(tǒng)的水冷得

那么快？為了解決這兩個問題，一定要解決 ：①系統(tǒng)一定要控制進冷水量 ；②系統(tǒng)一定要控制加熱量 ；③系

統(tǒng)要匹配冷熱水量 。這樣問題歸結為 ：在時間比例表的冷卻端得到要控制冷卻水的時間，冷水進入時間長則

系統(tǒng)冷卻量大，冷卻水進入時間短則系統(tǒng)冷卻量小 ；同理加熱端也是一樣。由此得到在時間比例表的冷卻區(qū)

和加熱區(qū)分別裝上時間控制（繼電器）器，實現(xiàn)了恒溫控制，我們完成和申請了“熱水循環(huán)復合時間比例恒

溫控制技術與裝置”專利，如圖 1 所示。

橡膠加工技術及設備的研究

呂柏源 1,2，呂曉龍 1,2

(1. 青島科技大學，山東 青島 266042 ；

2. 青島高機科技有限公司，山東 青島 266000)

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

圖 1 熱水循環(huán)復合時間比例恒溫裝置

1.3 熱水循環(huán)恒溫控制技術的應用和推廣

在推廣熱水循環(huán)恒溫控制技術以前，橡膠輪胎企業(yè)要么用致冷水（15℃），要么采用冷卻水進行橡膠加工。

當時行業(yè)就沒有恒溫熱水加工的概念，到主管科研部門要求立項，主管領導半開玩笑說 ：“呂老師，你是不是

神經(jīng)有問題，橡膠廠用制冷水還冷卻不下來，你還用熱水？！”，沒有辦法，不予立項。；當恒溫熱水恒溫技

術研制成功后，課題組連續(xù) 8 年在行業(yè)上講演有關推廣報告，還是沒有企業(yè)敢使用。后來沈陽一橡機廠需出

口冷喂料擠出機，境外客戶要求必須配備恒溫控制裝置，我們第一批制作了 12 臺溫控裝置，隨后打開了熱水

循環(huán)溫控技術的推廣局面。并得到了迅速推廣，獲得化工部“85”期間重點推廣項目，“95”期間獲得了國家

級科研成果重點推廣項目，并于 1990 年，1991 年分別獲得了化工部和國家科技進步獎。

橡膠工業(yè)熱水循環(huán)溫控技術與裝置（如圖 2 所示）的推廣解決了橡膠工業(yè)使用傳統(tǒng)的致冷水或冷卻水的

加工工藝歷史，提高了橡膠制品質量穩(wěn)定性，提高了產品的質量，提高了生產效率和降低了能耗以及節(jié)省水

資源。

圖 2 橡膠工業(yè)熱水循環(huán)溫控裝置

熱水循環(huán)溫控技術的推廣配合了我國冷喂料擠出工藝的推廣 ：當年沈陽一橡機廠，制造出我國第一臺對

呂柏源 等·橡膠加工技術及設備的研究

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頂式復合胎面冷喂料擠出機，由于采用了制冷擠出工藝，擠出的胎面溫度不但高而且出現(xiàn)粘糊狀膠塊，為了

降低胎面溫度，就極力降低冷卻水溫度，在冷卻水里加入冰塊，可是無論怎么降溫，胎面的粘糊狀膠塊越來

越嚴重，最后不得不下了不成功的結論。事實上，其失敗主要原因是采用了制冷誰的冷喂料擠出工藝，冷卻

溫度越低則擠出過程的摩擦與內摩擦越強烈，擠出溫度也越高，同時受熱也不均勻，擠出速度也隨之降低。

可以說，冷喂料擠出工藝要獲得好的效果，熱水循環(huán)恒溫控制技術是必要的配套技術?！案邫C”曾在上世紀 80

年代末期作了一個冷喂料擠出與加熱冷卻溫度實驗，其結果如圖 3 所示。

圖 3 φ65 冷喂料擠出機喂料段溫度與生產能力的曲線

從關系曲線說明加熱冷卻溫度對擠出過程穩(wěn)定性和提高生產能力有著重要作用。

“高機”也在 20 世紀 90 年代初期在 1.5L 密煉機做過實驗，當混煉室子轉子冷卻溫度低于 35℃時物料與

混煉室產生嚴重打滑現(xiàn)象，但溫度提高到 45 ～ 47℃時，則打滑現(xiàn)象消失。在 2019 年在青島某運輸帶廠進行

混煉作業(yè)實驗，當冷卻溫度 35℃時，混煉物料在混煉室打滑，工作電流一直上不去，隨即將加熱冷卻溫度提

高到 47℃，在不到 10sec 后密電機電流迅速爬升，煉膠成功。接著生產了 1t 這種實驗膠料，全部成功。

熱水循環(huán)溫控控制技術和設備的推廣改變了行業(yè)多年來推行的致冷水冷卻工藝，對橡膠制品提高了產品

質量，提高產品質量的穩(wěn)定性，提高生產效率，降低能耗有著重要意義。

2 橡膠一步法注射成型技術與設備的研究與應用

2.1 課題的來源與發(fā)現(xiàn)

“高機”在上世紀 80 年代在研究生做“螺桿構型”實驗時，由于部分機身的螺釘沒有鎖緊，在做高速實驗時，

膠料在靠近機頭位置以極高的速度噴射出來，形成了一堆光滑致密具有一定溫度且流動性相當好的物料，經(jīng)

分析這種物料很符合注射成型的物料，據(jù)此“高機”開始了一步法注射成型技術與設備的研究。

2.2 一步法注射成型技術的研究

所謂“一步法注射”是從傳統(tǒng)注射方法演變而來，原來傳統(tǒng)注射方法，不論是“螺桿往復式注射”還是

“柱塞式注射”均是第一步先塑比，塑化的物料儲存在機筒端部或儲料筒中 ；第二步由螺桿或柱塞推動塑化的

物料進入到模具中，故稱傳統(tǒng)的注射方法為“二步法注射”；而“一步法注射”，其塑化和注射均為同步進行，

即一步完成則稱“一步法注射”。

一步法注射近百年來沒有為人們重視，主要原因有兩方面 ：一是注射壓力不是擠出壓力所能達到的，因

為擠出壓力通常最高也約是 30MPa，離注射壓力 100MPa 差距甚大 ；二是一步法連續(xù)注射如何定量？思維受到

了傳統(tǒng)二步法體積定量方法的束縛。事實上這是一步法成功與否的關鍵技術，“高機”重點做了這兩方面研究

工作。

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

（1）實驗室研究

針對上述的疑問和技術難題，高機第一步做了實驗室的實驗研究。圖 4 為實驗室實驗裝置。

圖 4 一步法注射成型實驗裝置

通過實驗得到如下的結果和結論 ：

①一步法注射壓力滿足了注射成型的要求，初步測定已達到了 100MPa（1000Kg/cm3

），最高可達到 120

MPa（1200Kg/cm3

），并得出注射過程的壓力變化曲線 , 如圖 5 所示。

圖 5 注射過程壓力變化曲線

②信息定量技術充分地、可靠地滿足了注射過程的定量要求 ；

③各種厚度尺寸的制品表面光潔度可達鏡面，內在質量致密 ；

④注射后噴嘴與流道內的膠料仍能保持原來的性能 ；

⑤設備的強度、剛度滿足了注射過程的要求 ；

通過實驗室的實驗驗證，一步法注射成型技術的原理是可行的。

（2）工業(yè)中試的考核研究

通過實驗室驗證了一步法在一般情況下工作原理是可行的，但在特殊注射制品是否可行尚未得到證明?！案?/p>

機”第二步做了大長徑比、大容量橡膠制品的工業(yè)中試的考核研究，其實驗裝置如圖 6 所示。

呂柏源 等·橡膠加工技術及設備的研究

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圖 6 工業(yè)中試考核研究實驗裝置

通過實驗研究得出以下結果和結論 ：

①在大長徑比＞ 50（3600:70）和高粘度（門尼粘度為 87）的條件下的注射實驗仍獲得一步法注射成型

的成功。證明一步法注射既有專用性也具有通用性 ；

②橡膠制品的表面光潔度和內在的致密性比傳統(tǒng)模壓成型顯著提高，證明一步法能獲得高質量的橡膠制

品。

（3）工業(yè)化設備技術的研究

通過實驗室的研究和工業(yè)中試的考核研究，從工作原理到配套技術，從設備到工藝等一系列的實踐研究，

證明一步法注射技術進行工業(yè)化設備技術的研究已具備了條件?！案邫C”選擇了“油田螺桿鉆具橡膠定子一步

法注射成型技術的工業(yè)化設備的研究”，其研究設備為圖 7 所示。

圖 7 油田螺桿鉆具橡膠定子一步法注射成型工業(yè)化設備

通過工業(yè)化設備的研究得到了以下結果與結論 ：

①由一步法注射成型的工業(yè)化設備生產的油田螺桿鉆具定子，經(jīng)勝利油田各有關鉆井隊使用的 11 根鉆具

定子，均獲得優(yōu)異的使用效果 [1] ；

②在注射成型領域中實現(xiàn)了四個突破，一是第一次突破了現(xiàn)有國內外注射橡膠制品 15000g 的記錄，實現(xiàn)

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術、裝備與市場高峰論壇

了 28000g 橡膠制品的注射成型 ；二是第一次突破了現(xiàn)有國內外使用的二步法注射成型，實現(xiàn)了一步法成型 ；

三是第一次突破了現(xiàn)有國內外注射橡膠制品的長度，實現(xiàn)了 3200mm 長度橡膠制品的注射成型 ；四是第一次

突破了國內外電動液壓或全液壓的注射成型，實現(xiàn)了全電動注射成型。

通過工業(yè)化驗證，一步法注射成型技術與全套設備可在行業(yè)上進行推廣和應用。

（4）一步法注射成型技術在注射輪胎膠囊的應用

上述研究主要證明和解決注射方法工作原理的可行性問題，但是要應用在工業(yè)產業(yè)化生產上必須具有全

套技術能力和可行性?！案邫C”承擔了研制“十五”國家重大技術裝備“載重子午胎成套設備及工程子午胎關

鍵設備研制項目”中的“膠囊注射成型機”研究專題，其研制設備如圖 8 所示。

圖 8 膠囊一步法注射成型機

本膠囊注射成型機于 2006 年通過了中國石油和化學工業(yè)協(xié)會的專家鑒定，主要鑒定意見如下 ：

“該成果采用了具有自主知識產權一步法注射成型和電動螺旋鎖模硫化兩大核心技術 ：突破了諸多理論和

技術難點，解決了傳統(tǒng)注射技術的容量、定量和注射壓力問題，使該成果極大的擴展了注射成型技術的應用

范圍 ；提高了塑化質量，進而提高制品的使用性能 ；同時具有結構簡單、緊湊、提高效率、減少能源、方便

操作，易于維護保養(yǎng)和實現(xiàn)文明生產等優(yōu)點。”

“該成果具有廣泛的應用前景，特具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，可在橡膠行業(yè)進行大力推廣。”

專家鑒定委員會一致同意該項目通過鑒定，并一致認為該成果在膠囊注射成型領域達到了國際領先水平。

建議進一步設計多工位和擴展系列以滿足市場和不同需求。

2.3 一步法注射成型技術的應用前景

從成型原理上講，一步法注射成型技術能應用于模壓成型的所有橡膠制品，尤其更適用于大型制品。

（1）大型橡膠制品以實心輪胎、護舷、公路橋梁大型防震器、油井防噴器、大型油田鉆具橡膠定子、大

型礦山離心泵襯套和各種大型橡膠制品。大型橡膠制品，適合采用多工位一步法注射或一步法移模注射技術 ；

（2）中小型橡膠制品適合采用多模巢一步法注射技術 ；

（3）在一步法注射輪胎方面，現(xiàn)有輪胎制造材料和成型方法，可先采用一步注射法生產輪胎胎面或采用

現(xiàn)有輪胎胎體 + 注射胎面的注射硫化一體技術 ；

（4）一步法注射成型技術，從發(fā)展趨勢來講是要代替模壓技術甚至傳統(tǒng)的二步法技術，同時在輪胎制造

發(fā)展趨勢來看，一步法注射技術將會派上用場。

3 橡膠連續(xù)混煉技術研究及應用前景