物理发泡注气针计算

高压注氮物理发泡注气针的选择和应用

位浩波， 王国权， 汤张煦

（江苏亨通线缆科技有限公司）

摘要：分析讲解了物理发泡原理和注气针校验、选择时的相关计算，提出了如何控制发泡质量。 关键词：物理发泡；发泡度；泡沫绝缘单线；注气针；压强；标准大气压

The Selection and Application of Gas Injector for High Pressure Nitrogen Injection in

Physical Foaming Process

Wei Haobo , et al

（Jiangsu Hengtong Wire & Cable Technology Co.,Ltd ）

Abstract : In this article, it gives the analysis and instruction of the physical foaming principle and the gas injector checkout as well as the related calculation on selecting, and then brings up the methods of controlling the foaming quality.

Keywords : physical foaming; foaming expansion ;foaming insulated wire;gas injector; intensity of pressure;standard air pressure

0 引言

泡沫绝缘单线具有电容小、绝缘性能好、衰减小、传输距离长等优点。因此在现代通信中，泡沫绝缘单线在铁路数字信号电缆、同轴电缆、船用电缆、高频数据电缆等信号传输电缆中都有广泛应用。绝缘线芯绝缘层的发泡质量是关系到电缆传输性能的一个重要因素，因此选择一个合适的注气针是生产合格泡沫绝缘单线的一个重要准备工作。

1 发泡原理

在计算如何选择注气针型号前我们先来了解一下泡沫绝缘单线的物理发泡的原理：物理发泡是聚烯烃绝缘料在熔融状态下用注气针把氮气注入挤出机机筒，这时候要求注气针内的压强大于挤出时绝缘料对机筒（这里和下面说的机筒均是指注气点这部分机筒）的压强。在高压下氮气会溶解在绝缘料中，普通的绝缘料在这种条件下溶解度并不高，很容易达到饱和状态，所以要在绝缘料中加入2%左右的成核剂用来增加氮气在绝缘料中的溶解度，混合了成核剂的绝缘料叫做物理发泡料。发泡料从模套挤出后，由于大气压强远小于氮气在机筒内的压强，所以发泡料暴露在空气中时氮气体积会不断膨胀，泡孔形成是氮气膨胀的过程，只有在氮气膨胀产生的压强大于发泡材料的抗张强度时才能形成发泡结构。这里有两点要注意的是：1、发泡料在机筒里并没有发泡，氮气只是溶解在发泡料里；2、发泡后绝缘单线内氮气压强可以视为1个标准大气压强。

2 注气针校验

注气针的喷嘴由蓝宝石制成，并安置于喷嘴支架中，注气针在工作时气体流速近似为声速340m/s ，根据摩尔定律相同温度相同摩尔数的气体：1122PV P V =，即压强与体积成反比，

所以喷嘴出口处直径和注气针工作压强决定注气针的出气量，设注气针喷嘴的直径为r 米，注气针工作的压强为N 个标准大气压，可以计算出注气针的出气量为

2

r 360034010004N π

*⨯⨯⨯L /Hour （1），这个结果是标准大气压下的体积。从（1）式中可以

得出出气量与工作压强成正比，与注气针的喷嘴直径的平方成正比。注气针上标的是“X L/Hour at 300 bar ”，即 “标准大气压下氮气的体积X 升/小时 在300bar 的工作压强”，我们可以用排水法校验注气针，一小时的排水量应该等于注气针上标的X L/Hour ，如图：

3 根据产品要求选择注气针

计算每小时生产的泡沫绝缘单线需要的注气用量即计算一个小时生产的泡沫绝缘单线中气体的体积，设泡沫绝缘单线的直径为D 米，导体的直径为d 米，发泡度为F ，生产线速度为v 米/分钟，可以计算出每小时生产的泡沫绝缘单线需要的氮气用量为

()221

d v 6010004D F π-⨯⨯⨯⨯ L （标准大气压的体积）

（2），这个结果是在注气针工作压强为300bar 时应选择的注气针。但在实际生产中，注气针的压强至少要比注气点的压强大50bar ，一般我们要求注气针工作压强为机筒压强的1.5倍左右，所以在生产中注气针的工作压强可能并不是300bar 。假设实际生产中根据机筒挤出压力计算出注气针在工作时压强应设定为n 300* bar ，设待选择的注气针的型号为a L/Hour 。根据1122PV P V = 可以得出型

号为a L/Hour 的注气针在工作压强为n 300* bar 时注气量是n*a L/Hour （3），生产过程中氮气没有损耗，所以（3）=（2），即n*a=()221

d v 6010004D F π-⨯⨯⨯⨯⇒ 应选择的注气针型号为a=

()2215000v d n F D π***- L/Hour at 300bar （4）。

4 发泡质量的控制

发泡过程中，氮气膨胀产生的压强随泡孔的变大而变小，随温度降低而变小；发泡材料的抗张强度随温度降低而增大。实际生产中，按照理论指导生产出的泡沫绝缘单线，发泡度大于预先计算的称为发泡过度，小于预先计算的称为发泡不足。冷却后发泡过度的发泡线中泡孔的氮气压强小于标准大气压，发泡不足发泡线中泡孔的氮气压强大于标准气压压强。发泡过度是由于冷却不及时或冷却不足引起的；发泡不足是由于过早冷却引起的。为了生产出质量更好的发泡线，应尽可能的减小发泡过度，通常控制发泡过度的方法有加大冷却水流量和移动冷却水槽位置两种方法，但这两种方法都有极限，特别是生产的泡沫绝缘单线直径很大时，实际发泡度一般都是比预先计算的要大，由（4）式可以计算出发泡度

()22n a

15000v d F D π*=**-，由这个等式可以得出这样的结论：在a 不变时即固定的注气针，发泡度与注气针工作压强n 300*成正比，与生产线速度v 成反比，根据这一关系，在加大冷却水流量和移动冷却水槽位置这两种方法都达到极限时，可以调节注气针压强或生产线速氮气瓶 注气站

量杯和水箱