炭黑称量投料系统失效模式及对策

作者简介：曹练孙（1962-），男，1983年毕业于江西省轻化工业学校热工仪表及电气自动化专业，1990年毕业于中国科技大学计算机应用专业，从事轮胎设备管理与技术工作35年，已发表论文数篇。

收稿日期：2020-07-15
1　炭黑称量投料系统的构成
（1）炭黑秤
它包含以下部分；螺旋输送器、加料蝶阀、炭黑秤（秤斗、PVC 内衬、震动气缸、卸料蝶阀、上呼吸罩、下呼吸管及排料管、气压平衡管、顺料筒、气控管路、电磁阀）。

（2）备料斗
它包含以下部分：备料斗本体、呼吸换气罩、PVC 内衬、震动气缸、料位计、卸料蝶阀、裤裆叉、排料管与震动装置。

2　称量投料过程
配方选定所需称量炭黑的日储罐，当发出称量指令时，日储罐底下对应的螺旋输送器开始旋转，同时螺旋末端的加料蝶阀打开，炭黑从日储斗流入螺旋加料器，在螺旋的作用下，炭黑被推入炭黑秤内，此时螺旋高速运转，当炭黑秤内的炭黑到达配方设定值约95%左右，螺旋自动转为低速，当其值达到配方的98%左右，螺旋转为点动补秤，直至达到配方设定值时停止。

炭黑秤在称量过程中，炭黑进入秤斗内，秤斗内的气体由位于炭黑秤顶部的上呼吸罩排出。

当上辅机发出炭黑秤卸料命令，炭黑秤底部的卸料蝶阀打开，侧面的震动气缸开始震动，炭黑排入备料斗，与此同时，顶部的呼吸罩源源不断的向炭黑秤内部补气，以避免炭黑秤在排料时内部形成真空而导致排料不顺畅所造成的炭黑残留。

炭黑称量投料系统失效模式及对策
曹练孙
(陕西延长石油集团橡胶有限公司，陕西 咸阳 712000)
摘要：橡胶行业，尤其是轮胎企业，上辅机炭黑称量投料系统，经常出现炭黑多加、少加以及检量不准确系统失效等问题。

造成许多胶料因炭黑问题不能用甚至报废，有些即使能用，也需人工切割，与正常料按比例一点点掺用，这不仅造成了极大的人力物力浪费，而且给质量控制带来风险。

本文就其失效原因进行探讨、分析，并将已改造成功防止再发的方案予以公布，以供同行交流、参考、借鉴。

关键词：流动性；换气；料位计；粉化；称量投料中图分类号：TQ330.381
文章编号：1009-797X(2021)01-0025-05
文献标识码：B DOI:10.13520/ki.rpte.2021.01.006
当炭黑秤排料完毕，在气压平衡管的作用下，秤体上下气压处在同一压力场，这就是所谓的均压平衡原理，以此消除气压对炭黑秤的附加作用，让炭黑秤准确归零，为下一次称量做好准备。

炭黑秤在排料过程中，备料斗接收炭黑，斗内的气体通过其顶部的呼吸换气罩排出。

当备料斗接到向密炼机排料的命令，备料斗底下的卸料蝶阀打开，炭黑通过裤裆叉的通道排入密炼机，同时换气罩向备料斗补气，震动气缸开始震动，当料位计检测到备料斗内无料时，延时数秒，蝶阀关闭，震动停止，为接收下一车炭黑做好准备。

3　失效原因分析及仿真
炭黑称量投料系统，见图1。

其失效模式分析如下：（1）炭黑多加、少加。

（2）炭黑在备料斗内起拱堆积，排不下去，进不了密炼机，有时甚至堆积到炭黑秤底部。

原因分析如下。

3.1　炭黑多加：通过现场观察发现，超出公
差范围的主要原因
（1）炭黑（尤其是白炭黑）物性差异较大，从日储罐向炭黑秤加料时，有的流的快，有的流的慢，当
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炭黑秤处在点动接近设定值时，流动性好流得快的炭黑还没有等系统反应过来，在蝶阀还没有来得及关闭时，就迅速冲下去好几公斤。

（2）当日储罐处于低料位，密炼机正在生产称量炭黑，如果此时进行炭黑压送，压送气流就会通过较薄的料层加速炭黑的流动，使之不可控，造成多加。

（3）当炭黑秤在点动称量时，日储罐椎体部分吹风破拱，同样会造成炭黑的加速流动。

（4）即使是同一品种白炭黑或炭黑，由于在运输、存放、压送以及在日储斗存储过程中的各种因素影响，也会造成车次之间的流动性有比较大的差异，从而导致时好时坏的情况发生。

（5）密炼机在炼胶过程中，由于投料门需要除尘，主除尘风机将密炼机加料斗内的含尘气体抽走，这样就在加料斗内形成了负压，如果备料斗底下的卸料蝶阀气密性不好，再加上备料斗呼吸不畅，这个负压就会通过炭黑秤排料管作用到炭黑秤上，造成附加误差，炭黑多称量。

负压（气压）造成的影响，本人在《上辅机缺陷分析及改进》一文已有详细论述，此处不再赘述。

3.2　炭黑少加
（1）备料斗呼吸不顺畅，在排料时形成真空，斗内有炭黑残留。

（2）备料斗震动装置不灵或者失效，造成少量炭黑黏附在内衬壁上。

（3）料位计探测不灵，给出假信号。

（4）炭黑在备料斗内架桥起拱，炭黑下不来。

3.3　炭黑在备料斗内堆积，直至炭黑秤
除了上述2种失效模式外，另一种更为严重的失效模式是备料斗内的炭黑几乎没有排入密炼机，而料位计却探测不到，一车接一车，直到堆积到炭黑秤底下的蝶阀。

造成这个问题的关联因素为料位计选型且安装不当。

备料斗料位计原设计为音叉料位计，这种料位计在炭黑料位检测时存在以下问题：
（1）音叉之间容易夹粉或时间长了被受潮的炭黑糊住，在备料斗内炭黑排空后，发出错误信号，上辅机的指示灯一直在闪烁，造成生产中断；为了解决这个问题，上辅机在设计时将此种状况变通为：当料位计指示灯处于闪烁状态时，延时数秒，默认备料斗内炭黑已排放干净，关闭卸料蝶阀，开始下一个循环。

这种设计方案虽然解决了料位计经常误发信号问题，但是却给炭黑起拱，没有排放干净判断不清，埋下了隐患。

（2）音叉的两个震动叉为扁平结构，正常安装应保持两个叉的宽面处于垂直状态，但是，由于安装方式为螺纹式，在拧紧音叉可能出现歪斜，很难保证其处在垂直状态，最为严重的是两个叉子的宽面处于水平位置，呈上下分布状态，上面的叉子成为了挡板，这样在使用过程中，只要叉子之间排完了炭黑，而在叉子的上部即使有炭黑，音叉也会误认为斗内无炭黑。

（3）当位于音叉探测部周围的炭黑排空，而斗内严重架桥起拱时，音叉也会误判。

造成架桥的原因后面详述之。

3.4　炭黑在备料斗内架桥起拱仿真
仿真情形见图2和图3。

仿真过程：笔者按照备料斗的尺寸缩小比例自制了一个小的备料斗，备料斗底下放了一个储料桶，在备料斗内倒入炭黑进行仿真：第一次倒入颗粒状+小条状的白炭黑，打开底部放料阀，不开震动，白炭黑靠自重可以完全滑入储料桶；第二次倒入颗粒状+少量粉化状的炭黑，打开底部放料阀，不开震动，炭黑大部分可以靠自重滑入储料桶，但是备料斗璧上有少量的炭黑残留且下料速率较慢；第三次倒入与第二次相同的炭黑，打开底部放料阀，同时开震动，这时炭
黑很快的滑入储料桶而且备料斗壁上无炭黑残留，上
图1　炭黑称量投料系统图
述仿真情形见图2；第四次倒入除尘器回收炭黑，见图3，此炭黑主要是白炭黑和炭黑的混合物(完全呈粉状，粒径很细，看上去很松软，测得比重为0.32)，打开底部放料阀，可以观察到，备料斗的炭黑在中间部位稍微凹陷了一点点后，就静止不动了，这时打开振动器，炭黑依然纹丝不动，然后我们用工具敲打备料斗壁，给予更加强烈的震动，甚至是摇晃备料斗，炭黑还是下不去，这种情况表明：炭黑严重架桥起拱了。

第四次的仿真重复了三次，结果一致。

因此，通过仿真可以认定：在生产过程中，当在某一车次所投放的白炭黑或炭黑达到上述相同或类似物性条件时，就会架桥起拱，排放不下去，然后一车接一车堆积，直至
炭黑秤底部。

图2　炭黑在备料斗内架侨起拱仿真
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图3　炭黑在备料斗内架桥起拱仿真2
3.5　裤裆叉失效模式
为了工艺上校核炭黑秤实际称量精度以及生产排错料的需要，在备料斗的底部，通常都设计安装了一个裤裆叉。

它的功能如下：当密炼机正常工作时，裤裆叉里面的阀板关闭排错料口，备料斗里面的炭黑投入密炼机；当需要校验炭黑秤精度和排错料时，阀板关闭炭黑流向密炼机的口，备料斗里面的炭黑流入排错料口，事实上，用这种方式根本无法有效的校验炭黑秤精度，其原因如下：
（1）裤裆叉的这种翻板式简易结构，无法保证阀板能够有效的密封。

（2）由于不密封，往往在排错料口后面安装一个蝶阀来控制泄漏，这个蝶阀正常状况时关闭，当需要校验炭黑秤或排错料时打开，为了满足安装要求，蝶阀与裤裆叉的阀板之间必须有一段短管，否则蝶阀无法安装，这段短管在密炼机生产过程中，往往会被裤裆叉泄漏出来的炭黑填满，其附加的重量使得炭黑秤的精度校验严重失真，毫无意义。

（3）由于长时间不用，阀板就会卡在排错料位置，当需要使用时，就会出现打不开或打开后关闭不严的情形发生。

（4）一旦关闭不严，在校验炭黑秤的精度时，就会有一部分炭黑流入密炼机，这样的结果同样使得炭黑秤的精度校验严重失真。

4　对策与改进措施
针对上述情况，我们经过充分的技术论证和借鉴其他行业类似工况的成功经验，采取了如下对策措施，详见图4。

（1）将炭黑秤上部的呼吸罩面积加大到2 m 2，滤材采用防静电里子布，以改善换气性能。

（2）在日储罐椎体与螺旋送料器的连接处安装手动插板阀，调节从日储罐进入螺旋的炭黑流量，防止冲过头。

（3）日储罐破拱风压力调整至0.2~0.4 kg ，消除因破拱风压力过高造成的过快的炭黑流速，同时在程序上关联，称量时不破拱。

（4）当日储罐处低料位时，程序设定如果此时压送炭黑，炭黑秤就不能称量，消除压送风对炭黑秤造成的误差。

（5）将炭黑秤底下的气压平衡管硬管部分加长，避免因管道过短，硬管与软管连接处积存炭黑造成的堵管导致平衡管失效的情形发生。

（6）将炭黑秤底下排料管的呼吸器加长并增大过滤换气面积，面积加大至1 m2，同时过滤材料由针刺涤纶毡滤筒改为防静电里子布，以改善自然换气效果。

（7）将流动性太好、称量难以控制的白炭黑（炭黑）放到长螺杆的料仓内，增加称量输送阻力。

（8）在三楼楼板开一个直径200 mm的孔，放一根直径150 mm的软管与备料斗的排气口相连接，软管的另一端在三楼与一个2 m2的呼吸罩连接，呼吸罩过滤材质采用防静电里子布制作，这个呼吸罩在炭黑秤向备料斗排料时，将备料斗内的空气排出来，当备料斗向密炼机排料时，向备料斗补气，消除密炼机加料斗负压对炭黑秤的影响，同时，有效的保障了备料斗内的气压始终与大气压等压，消除真空效应所带来的排料不尽和附加误差。

（9）在备料斗的中心部位，插入一根4分管，管子的下端安装一个规格1英寸的金属烧结滤芯消音器，其深度控制在距离卸料阀上平面350 mm左右，管子的上端位于备料斗的盖板上部约500 mm，在其上面安装一个快插接头，外径10 mm的PU管插入快插接头，气源来自震动气缸的气路，当备料斗排料，震动气缸开始工作时，震动气源使得震动气缸往复动作，同时向这根管子间歇性的吹气，压缩空气通过滤芯消音器进入备料斗的炭黑内部，产生破拱作用，助推炭黑向下流动排出。

（10）将卸料蝶阀改为气动偏心半球阀（可选），当阀门打开时，流道完全畅通，排料速率加快，由于偏心半球阀的结构特点与蝶阀不同，它更加有利于粉料（炭黑）密封，同时可靠性进一步得到提升。

（11）将音叉料位计改为振棒料位计，降低音叉夹粉误发信号所产生的故障。

（12）将裤裆叉去掉，用一根夹布橡胶管将备料斗与后加料器连起来，橡胶管两端均为快装卡箍接头，上端与备料斗连接，下端与后加料器连接，当需要检量炭黑秤的精度，或者是排错料时，只要将上端或下端的快装卡箍松开即可。

这样改进的结构不仅密封良好，而且操作也十分简便，更为重要的是，消除了泄漏或累积炭黑所造成的误差，使得检量精度真实有效。

5　改进效果评估
我司在新投产的2台密炼机上进行上述改进，达成以下效果：
（1）炭黑超差1 kg以上，每月由接近300次下降至约15次。

（2）总超差率（超差次数/生产总车次）由50‰下降到2‰。

（3）除了超差1 kg以上的，其余超差均在工艺可接受范围内。

（4）炭黑架桥起拱堆积到炭黑秤底部的现象得到彻底消除，仅此一项，每年减少的胶料品质下降、报废和返工损失费用在50万元以上。

（5）备料斗平均排料速率快了5 s，缩短了无效时间，提高了效率。

（6）炭黑秤的检量变得真实有效，有利于品质管控。

（7）系统可靠性稳定性有了很大的提高，因炭黑投料称量系统失效造成非正常停机检修，致使生产中断频次大大下降。

（8）整个系统密封性提高，粉尘外泄减少，环境污染得到了根本性的改善。

图4　改进后的炭黑称量投料系统图
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The failure mode and countermeasures of carbon black weighing
and feeding system
Cao Liansun
(Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Rubber Co. LTD., Xianyang 712000, Shaanxi, China) Abstract: In the rubber industry, especially tire companies, the carbon black weighing and feeding system of the auxiliary machine often has problems such as excessive and less carbon black addition and inaccurate inspection, and system failure. Many rubber materials cannot be used or even scrapped due to carbon black problems. Even if they can be used, some rubber materials need to be cut manually, and then mixed with normal materials in proportions. This not only causes a great waste of manpower and material resources, but also brings risk to quality control. This article discusses and analyzes the reasons for its failure, and publishes the successful modification scheme for peer exchange and reference.
Key words: fluidity; air exchange; level meter; pulverization; weighing and feeding
（R-03)
豪迈集团，世界500强的优秀合作供应商
Himile Group, an excellent cooperative supplier of the world's top 500 25年前，豪迈集团脱胎于一家破产倒闭的乡镇企业维修车间，当时只有员工34名。

如今，豪迈集团拥有员工18000名，年产值过百亿，集团辖1家上市公司、4家国家高新技术企业、6家海外子公司，成为全球轮胎模具研发与制造基地、世界有影响力的高端机械零部件制造商、全球最大的气门芯生产基地，拥有20多家世界500强客户。

在轮胎模具行业，豪迈轮胎是前三甲普利司通、米其林、固特异最大的供应商。

产品涉及轮胎模具、高端机械零部件、油气装备、化工装备、精密锻造等，目前与美国GE、德国西门子、法国米其林、日本普利司通、德国大陆等20多家世界500强企业合作。

豪迈集团董事长张恭运，在谈到在与世界500强开展贸易合作的切身感受说道，“世界500强的过程管控和敬畏规范的意识，时刻影响并引领着我们前进。

此后，德国西门子、法国米其林、日本普利司通、美国斯伦贝谢等企业纷至沓来。

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我们的产能，也以每年50%以上的速度持续扩张”。

2019年，豪迈轮胎的世界500强客户订单占比达到43%。

今年上半年，公司产值同比增长15%，出口增长6%，人员增长22%。

豪迈奉行“努力把豪迈建设成员工实现自我价值奉献社会的理想平台”的宗旨，秉持“改善即是创新，人人皆可创新”的创新理念，营造“鼓励创新、宽容失败”的氛围，不断创新改善，强化内部管理，积极寻求全球范围内的合作，向着“成为一流公司”的宏伟愿景阔步前行。

摘编自“轮胎世界网”
（R-03)。