耐热输送带设计分析(论文).doc

耐热输送带分析设计摘要：本文从耐热输送带常见的损坏原因入手，考虑了不同的使用环境对输送带内部温度场分布的影响及计算方法，提出应根据输送带内部温度分布的不同而有针对性地设计输送带的结构及上、下覆盖胶配方，这样大大减少了材料成本，提高了输送带整体耐热性，延长输送带的使用寿命。关键词：耐热输送带 温度分布 结构设计 配方设计1、 前言在现代化的工业生产中，随着自动化程度的日益提高，耐热输送带被广泛用于各个领域。主要用于输送烧结矿、焦碳、水泥熟料、石灰等物料。由于所输送的物料温度、使用环境温度、带长、带速、物料与输送带的接触系数、以及是否采用强制冷却等原因的不同，造成输送带带体温度分布不同。但到目前为止，大多生产厂家设计耐热输送带时仍然是根据经验，例如耐200输送带，即指物料温度为200，而极少考虑在使用过程中输送带内部温度的具体分布。这样为了使用安全，就盲目增加覆盖胶厚度及骨架层数，提高了生产及使用成本，加大了能源消耗。本文从耐热带使用过程中常见破坏的原因，温度分布等方面考虑，针对不同使用环境提出新的设计理论。2、 耐热输送带使用中破坏的主要原因通过耐热输送带破坏的原因分析以及现场使用情况了解发现：热物料接触覆盖胶后，首先破坏覆盖胶，引起橡胶表层老化龟裂，使材料变脆并使表面裂纹扩展，以至于橡胶层剥落破坏，然后热量继续向里传递，导致骨架层强度降低、损坏。具体表现为（1）覆盖胶与热物料间的能量交换引起温度升高而老化、龟裂进而脱落；（2）覆盖胶因高温物料的灼烧而碳化、表面凹陷、脱落；（3）骨架材料自身因高温导致强力下降产生应力集中而逐层破坏；（4）高温破坏了胶料与骨架材料间附着力，出现布层间或覆盖胶与布层间起泡、脱层等现象，缩短了输送带的使用寿命。而这些破坏原因均与输送带厚度方向上的温度高低相关。因此，要延长耐热输送带的使用寿命，首先要了解耐热输送带使用过程中温度场的分布及影响机理，另外要根据温度场的分布设计合理的橡胶配方，其次要增强骨架材料的耐热性及运用合理的带体结构。下面我就对耐热输送带使用过程中的温度场分布、结构及配方设计发表一点粗浅的看法。3、 耐热输送带中温度场的分析输送带在使用过程中，一般是单面接触热物料，所以热量的传递是单方向的，即从接触热物料的上表面向下表面传递。由于橡胶为热的不良导体，从上表面传导的热能要经过一定时间才可传递到下表面，且热物料与带体进行热交换的同时，还会以对流、辐射等方式向大气中散发热量。回程阶段，带体的热能也会散发到大气中。另外由于输送带的带速、环境温度、带长等的不同导致输送带与热物料之间的热传递很复杂。一般输送带内部温度场的分布可以有两种方式得到。一种是直接测量法，即把热电偶埋在测量位置，记录温度与时间的关系，这种方法比较实用，但耗时、花费大，且对现场使用的输送带测量难度较大；另一种方式是用理论公式进行热传导计算。因为橡胶热传导现象属于传热学中不稳定热传导，因此耐热输送带的温度分布可以应用不稳定热传导理论导出公式进行分析和计算。同时，输送带的长度与宽度都比厚度大很多，可视为一种无界薄板，另外骨架层、贴胶与覆盖胶的热扩散系数不同，因此必须将各层厚度换算成相当于某一层的传热当量厚度，然后将各层的当量厚度加起来作为整体厚度，然后应用薄板热传导计算理论进行计算。 图1如图1，定上覆盖胶为基准层，厚度为L1，设基准层的热扩散率为1，骨架层的厚度为L2，热扩散率为2，下覆盖胶厚度为L3，热扩散率为3，换算成基准层的当量厚度（设为L2C、L3C），可按下式计算：L2CL2 （31）L3CL2 （32） 式中1、2、3为热扩散率（由试验测定），单位：cm2/s。耐热输送带实际使用过程中，物料的热量会通过对流、辐射、传导三种方式向外传递，同时物料温度随着时间的推移而降低，这与环境温度等多方面有关系。为便于理论计算，可以假设物料与输送带表面接触良好，他们间的热量只通过热传导传递。把输送带看成多层薄板组成。多层薄板导热性可以用以下方程式表示： （1、2、3n） （33）薄板间的热传导写成下面条件式：T = T (34)式中 T在第层t时间中温度，； i各层温度传导系数，M2/C； t时间，秒；但实际使用的输送带内部热传递是非常复杂的，特别是物料的不均匀性等多方面外界的影响导致输送带内部温度分布计算难度很大。也有学者利用大型非线性有限元分析软件对输送带进行过温度场的分析计算。笔者更希望能通过以上论述起到抛砖引玉的作用，通过大家的努力使耐热输送带的温度分布计算更准确，确实能起到指导设计的作用。通过以上理论及相关实验可以推测出物料在输送带上停留期间，会与胶带发生热传递，导致输送带带体温度增加，卸料回程阶段，胶带热量散发到空气中，胶带的温度降低。在最初阶段，胶带的局部温度以dTc/C的速率上升（C为工作周期），经过一段时间，温度呈现稳定状态，稳定状态下的温度与物料温度、带速、带长、物料与胶带的接触系数、胶料与骨架材料的比热及热传导系数、环境温度等有关。当达到这种稳定状态时，胶带温度没有任何上升，既dTc/C=0，这期间的胶带温度分布是设计胶带结构的决定性因素。4、 耐热输送带结构设计4.1设计原理了解到输送带在运行过程中的参数，就可以从理论上模拟计算带子在运行过程中带体的温度分布，进而设计出合理的带体结构。但由于覆盖胶、贴胶胶料及骨架材料的热扩散率不同，导致输送带的温度分布及结构设计更加复杂。同一物料温度下，不同物料与带体接触系数；或同种物料，由于盖胶配方、骨架材料及带体厚度的不同就会形成不同的温度分布，造成输送带不同形式的损坏。现在常见的耐热输送带设计理论有两种：一种是提高盖胶及骨架层的热传导能力，使物料的热量尽快散发出去，尽量减少输送带厚度方向温度梯度，使整个输送带温度相对均匀。这种方式一般应用到物料温度不是太高，不足以破坏骨架材料性能的使用场合。另一种则与之相反，是通过降低盖胶和骨架层的热传导能力，热的物料与带体接触后，热量不容易传递到输送带内部，这样能有效降低输送带的整体温度，不引起骨架材料的破坏。但这种设计也对覆盖胶提出更高的要求，由于热量不能及时散发出去，表面温度就会长时间保持高的状态，覆盖胶就更容易老化、龟裂。尽管有不同的设计理念，但不改变的是耐热输送带在使用过程中，总会由于热传导的不同步形成厚度方向上的温度梯度。这就造成输送带使用过程中各部位破坏的原因不尽相同，上覆盖胶主要是热氧老化反应为主，而下覆盖胶则更倾向于物理损坏。通过对客户使用过的输送带分析，也验证了这个结论。因此，我们可以针对输送带不同的部位设计不同配方，使输送带整体使用性能提高，避免木桶原理中短木板的出现。4.2 耐热输送带常见结构形式4.2.1 在物料温度不高，不足以引起骨架材料破坏的场合，可以采用普通层叠式结构，同时调整配方，提高胶料的热传导能力，覆盖胶与骨架材料在满足物理使用性能的前提下尽量减薄，以提高厚度方向热能的传导速度，减少热能在上表面的汇聚，以此提高输送带的使用寿命。4.2.2 在输送物料温度较高，使用环境比较恶劣的情况下，若采用上述带体结构，热能会迅速向下传递，造成骨架材料温度大幅度提高，影响使用寿命。这时必须考虑降低盖胶与骨架材料的热传导能力，使输送带厚度方向温度梯度增大，常用的方法是增加上覆盖胶厚度的同时降低胶料热传导率，另外可以考虑在骨架层与上覆盖胶间增加1-2层隔热性极好的材料来保护带体。4.2.3 一些钢厂由于设备陈旧，管理欠缺，在烧结车间会出现红的物料，在这些条件非常苛刻的使用环境，普通的耐热带已经不能满足使用要求，这时就要考虑使用金属网做为骨架材料的输送带。因为这种情况下输送带是一种破坏性的使用，覆盖胶损坏方式已从普通的热氧老化转变为剧烈的热氧反应。而采用钢网骨架材料，不仅可以避免输送带被烧穿，而且由于钢材的优良导热性，能从物料与输送带接触区将热量及时传导和分散出去，可以显著降低局部的热效应，有效延长输送带的使用寿命。5、 耐热带配方的设计通常把橡胶材料长时间热老化后保持其原有物理机械性能的能力称作为它的耐热性。橡胶的耐热性能与橡胶的极性、分子链刚性、化学键性质和饱和度等因素有关。各种橡胶的耐热程度如下表：使用温度范围/适 用 的 橡 胶低于7070100100130130150150180180200200250高于250各种橡胶天然橡胶、丁苯橡胶氯丁橡胶、丁晴橡胶、氯醇橡胶丁基橡胶、乙丙橡胶、氯磺化聚乙烯丙烯酸酯橡胶、氢化丁晴橡胶乙烯基硅橡胶、氟橡胶二甲基硅橡胶、氟橡胶全氟醚橡胶、硼硅橡胶、三嗪橡胶上述橡胶均需要通过硫化才具有实用性。在硫化过程中，交联键的类型对它的耐热性有重要影响，即形成的化学键键能越高，耐热性越好。各种键型的键能如下表所示。各种交联键的键能键型 键能（kcalmol-1）键型 键能（kcalmol-1）多硫键 2728单硫键 54.5硅氧键 102双硫键 大于40碳碳键 62.7采用NR或SBR做为主题材料，若想达到较好的耐热性能，最好能生成单硫键，可以考虑用促进剂TMTD、DTDM做为硫化体系。橡胶配合中，氧化锌做为一种活性剂，用量一般35份，但在需要提高传导热能的耐热配方中，可以考虑10份或以上，当氧化锌用量达到10份时，可以起到很好的热传导作用。防老剂在耐热配方中起的作用非常大，好的配合能明显提高耐热性，国外有的配方防老剂总份数达到10份以上。但某些防老剂用量过高时，容易出现防老剂析出现象，另外防老剂配合过程中，要充分考虑协同或对抗效应。对于乙丙橡胶而言，由于价格相对较低，耐热性能和物理性能相对较好，所以逐步成为耐热输送带的发展趋势。乙丙胶因合成材料的不同有二元乙丙和三元乙丙胶之分，二元乙丙是一种高饱和度的橡胶，不能通过硫磺硫化，交联困难，后来在它的基础上引进第三单体（常见的有乙叉降冰片烯、双环戊二烯、1、4己二烯），形成了现在的三元乙丙橡胶。若想硫化后的乙丙胶有优异的热氧老化性能，最好采用过氧化物硫化体系，常见的硫化剂为过氧化二异丙苯。过氧化物做为硫化剂时，必须考虑其用量的大小，加入量过多，残余的过氧化物会发生自由基分解，促进橡胶老化；但若用量不够，会降低交联密度，耐热性也会下降。另外，若物料温度特别高，此时输送带覆盖胶的破坏是一种剧烈的热氧反映，而不是缓慢的热氧老化破坏，此时的盖胶配方应首先考虑其耐灼烧性能。提高胶料耐灼烧性能的方式很多，常用的是通过结焦剂的加入，使输送带的覆盖胶遇高温炽热物料时能够迅速反应，在表面形成微孔炭化层，减少热量向带体内部传递，同时炭化层由于辊筒的作用在表面形成网状细纹，便于空气流通，冷却带体。6、 结论6.1通过对耐热输送带的损坏原因分析，输送带使用寿命主要与输送带内部温度场的分布有关，而不仅仅与所输送的物料温度有关。6.2输送带输送热物料时，最终带体的温度分布将趋于稳定，我们可以根据实际测试或计算得出稳定后