橡胶电缆连续硫化生产线水汽平衡系统设计探讨

孙竹，宋海峰

(南京艺工电工设备有限公司，江苏南京211199)

0 引言

橡胶电缆因其包覆材料的特有性质在生产过程中广泛采用连续硫化生产工艺，做为生产线关键技术之一的水汽平衡控制系统其可靠性和稳定性对橡胶电缆制品的品质起着至关重要的作用。

1 橡胶电缆的生产流程

橡胶电缆的生产过程实质上就是胶料的硫化过程。硫化即胶料通过生胶分子间交联，形成三维网络结构的过程。连续硫化工艺则是挤包和硫化连接成一道工序的硫化工艺。

橡胶电缆包覆层的硫化在硫化管内进行，硫化管道的布置形式通常有半悬链式和倾斜式两种，本文以半悬链式为例。图1中电缆线芯被上牵引牵至一定高度(形成悬链)经模具挤出包覆，再经过充满饱和蒸汽的硫化管道硫化，随后进入冷却管道冷却，硫化完成后的电缆冷却后经下牵引牵出管道，作为成品被收卷在收线设备上。

图1 生产流程图

2 水汽平衡系统设计

2.1 硫化管道压力和温度的选择

橡胶电缆包覆层硫化反应的加热介质通常采用饱和蒸汽，饱和蒸汽的温度与其压力有关，当蒸汽的压力达到一定数值时，蒸汽的温度也随之达到相应的数值。在实际生产过程中，蒸汽的压力和温度满足Antoine公式［1］:ln(P)=A-B/(T+C)，其中A、B、C为Antoine常数，T为饱和蒸汽的温度，P为饱和蒸汽压力。也可以直接查表得到，如表1［1］。

表1 饱和蒸汽压力与其温度的关系

续表1

包覆层胶料的硫化时间很大程度上取决于饱和蒸汽的温度，不同配方的胶料硫化温度不尽相同，需要试验得到相应数据。在已知某种胶料一种温度下的硫化时间时，可以通过公式(其中，τ为硫化时间，T为硫化温度，K=2)求得在其他温度下的硫化时间，并可以求得在对应温度下电缆的生产速度。例如，要硫化一根10mm2的橡皮绝缘电缆，经配方试验确定在143℃温度下，硫化时间为30min。假定线芯以80m/min的速度通过温度为143℃的硫化管道，则硫化长度应为80×30=2 400m才能满足硫化过程。这样长的硫化管道很明显是不可取的。如果将硫化温度由143℃提高到203℃，根据公式可以求得203℃下的硫化时间为0.468 8min，如果采用50m长的硫化管来硫化，则生产线速度ν=50÷0.468 8=106.7m/min。

此外，蒸汽压力的作用还可以使电缆包覆层更加致密。

2.2 硫化管道和冷却管道长度的选择

由于受厂房的限制，硫化管的长度有限。如果加热段管道过短，会导致电缆硫化不充分，影响生产速度；如果加热管道太长，冷却管道长度必然要缩短，这时水位可能会过低，电缆又会因热交换不够导致冷却不充分，影响产品品质。因此必须合理的选择加热段和冷却段管道的长度，并且把冷却水位控制在比较合理的区段内。

硫化管道长度的选择通常有两种方法:

1)计算法

可根据公式:L=V×t×s(其中:L—硫化管道长度，m；V—生产线速度，m/min；t—硫化时间，min/mm，通常 t=0.25 ～1.5；s—胶料厚度，mm)

例如:生产一根导体截面积为10mm2，包覆厚度为1.6mm，生产线速度不小于30m/min的橡胶电缆所需的硫化段长度为:Lmin=30×0.5×1.6=24m(这里t取0.5)。以此类推，可计算出其他规格品种所需的硫化段长度 Lmin1～k，最终 L=max(Lmin1～k)。

2)类比法

根据国内外成熟生产线的布置情况及相关标准，类比设计出类似生产线的硫化段长度，这里不做阐述。

可根据电缆生产厂家的胶料情况以及要求的生产线速度初算出所需的硫化段长度，再根据厂房实际情况以及冷却效果确定最小许用冷却段长度，通常冷却段长度取1.15～2倍的硫化段长度。

2.3 水汽平衡系统的控制原理及组成

由于管道内的蒸汽压力存在波动，同时在生产过程中也需要根据生产速度调节管道内蒸汽的压力，以获得有利的生产参数。因此，生产线的控制转化为水汽平衡的控制。按各部分功能，整个水汽平衡系统可分为以下3个部分:1)蒸汽压力控制部分；2)外循环部分；3)内循环部分。蒸汽压力控制部分控制着管道内的蒸汽压力，外循环部分控制管道内实际的水位，两个部分控制上相互独立，通过管道压力相互联系。冷却部分水泵的供给保持了水位在设定高度同时抵消了蒸汽压力的波动，实现动态平衡。内循环部分起着增强冷却效果减轻水位波动的作用。

a)蒸汽压力控制部分

蒸汽压力的控制关键在于对管道内蒸汽压力实时监测及管道内压力反馈。如图2所示，蒸汽压力控制部分主要由蒸汽控制阀组和远传压力表组成。远传压力表将实时监测到的管道压力信号送至控制系统，经运算处理后与系统设定的参数进行比较，由控制系统控制蒸汽阀组的进汽阀开启或关闭，管道内蒸汽的实际压力与设定压力保持一致。在蒸汽控制阀组内增设了安全阀，限定管道内的最大压力，保障安全。

图2 水汽平衡系统组成图

b)外循环控制部分

水位的控制关键在于对管道内实际水位的实时监测和反馈，如图2所示，外循环控制部分由冷却水供给阀组和差压变送器组成。差压变送器一端连接有一定高度差的小型储水罐，另一端连接冷却管道的末端，两端均匀与管道相通。假设管道内压力为P0差压变送器两端的压差△P则取决于管道内水位的实际高低与小型储水罐的高度差△H。基于此，差压变送器采集到了管道内的水位信号，并将该信号送至控制系统，经控制系统运算处理后与设定的水位参数进行比较，控制冷却水供给阀组的开启或关闭，从而保证水位的动态平衡。图3为外循环控制流程图

c)内循环部分

如图2所示，内循环阀组即内循环部分，将管道内的冷却水从水位上部抽回冷却管末端，其中设有强冷装置，增强了管道内冷却水的冷却效果，可以有效的减轻冷却水对管道内线缆的扰动。循环阀组在主管道上设置有多个取水口，可以适应不同的水位，并且在取水口上安装有传感器，一旦蒸汽到达取水口，此处的阀组会自动关闭，保障安全。

图3 外循环控制流程图

3 结语

水汽平衡系统作为倾斜式或半悬链式橡胶硫化生产线中重要的控制系统之一，其稳定性值得进一步研究，本水汽平衡系统水汽控制平稳可靠，生产过程中对电缆的扰动小，已在安徽等地多条“0+3”橡胶连续硫化生产线中得到验证。

［1］范仲元.水和蒸汽热力性质图表［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］傅政.橡胶材料性能与设计应用［M］.北京:化学工业出版社，2003.