Walzenofen für die Gummivulkanisation: Tipps zur Temperaturkontrolle

By Mike ChenProduktionsleiter | Über 12 Jahre Erfahrung in der Gummiherstellung |LinkedIn

Wichtigste Erkenntnisse

• Die PID-Temperaturregelung hält die Temperatur im Aushärtungsofen innerhalb von ±1-2°C des Sollwerts, was für eine gleichmäßige Vernetzungsdichte aller Teile einer Charge entscheidend ist.
• Rollenöfen mit achteckigen Trommeln erzielen eine bessere Temperaturhomogenität als statische Öfen, da die kontinuierliche Rotation alle Teileoberflächen der zirkulierenden Heißluft aussetzt.
• Der Omron PID-Regler mit 4-20 mA SSR-Ausgang verhindert ein Überschwingen der Heizung, indem er die Leistung kontinuierlich moduliert, anstatt die Heizung ein- und auszuschalten.
• Moderne Walzenhärteöfen verfügen über doppelte Überhitzungsschutzsysteme, die die Heizung automatisch abschalten, wenn die primäre Steuerung ausfällt, wodurch Brände und Produktschäden verhindert werden.

Der Walzenofen für die Vulkanisation von Kautschuk dient einem anderen Zweck als Primärvulkanisationspressen. Die Sekundärvulkanisation – auch Nachvulkanisation genannt – schließt den Vernetzungsprozess ab, der in der Kompressions- oder Spritzgussform beginnt. Da sich die physikalischen Eigenschaften von Kautschukmischungen während der Sekundärvulkanisation weiterentwickeln, beeinflusst eine konstante Temperaturregelung im Vulkanisationsofen die Qualität des Endprodukts unmittelbar.

Dieser Artikel behandelt die Temperaturregelungssysteme, die in Walzenöfen zur Vulkanisation von Kautschuk eingesetzt werden, praktische Tipps zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Erwärmung und wie Prozessparameter für verschiedene Kautschukmischungen und Chargengrößen optimiert werden können.

Warum die Temperaturregelung in einem Vulkanisationsofen die Produktqualität beeinflusst

Die Vulkanisation von Kautschuk folgt einem durch die Vulkanisationskurve der jeweiligen Kautschukmischung definierten Zeit-Temperatur-Zusammenhang. Mit jeder Erhöhung der Vulkanisationstemperatur um 10 °C verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit annähernd. Bereits eine Temperaturabweichung von 5 °C innerhalb einer Teilecharge kann messbare Unterschiede in Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Druckverformungsrest innerhalb desselben Produktionslaufs hervorrufen.

ProASTM D573UndISO 188Gemäß den Normen für die Wärmealterung von Kautschuk ist der Zusammenhang zwischen Temperatur und Eigenschaftsänderung bei präziser Temperaturregelung vorhersagbar. Produkte, die im unteren Bereich des Spezifikationsbereichs vulkanisiert werden, können eine unvollständige Vernetzung aufweisen, was zu einem niedrigeren Modul und einem höheren Druckverformungsrest führt. Produkte im oberen Bereich können übervulkanisiert werden und dadurch spröde werden sowie eine geringere Dehnung aufweisen. Ein Walzenofen für die Kautschukvulkanisation mit präziser Temperaturregelung eliminiert diese Chargen- und Teileabweichungen.

Bei unseren Werksprüfungen an mehr als 200 Sekundärvulkanisationschargen mit dem Rollenofen XCJ-K600 stellten wir fest, dass Teile, die mit einer PID-geregelten Temperatur innerhalb von ±1,5°C des Sollwerts gehärtet wurden, eine um 23% geringere Variation der Shore-A-Härte aufwiesen als Teile, die in Öfen mit Temperaturschwankungen von ±5°C gehärtet wurden.

Temperaturregelungssysteme in einem Walzenofen zur Gummivulkanisation

Moderne Walzenöfen zur Vulkanisation von Gummi integrieren drei Steuerungssysteme, die zusammenarbeiten, um gleichbleibende Verarbeitungsbedingungen zu gewährleisten.

PID-Regler mit SSR-Ausgang

Der Omron-PID-Temperaturregler in den Rollenöfen XCJ-K600 und XCJ-K900 berechnet die benötigte Heizleistung kontinuierlich mithilfe eines PID-Reglers. Das 4-20-mA-Ausgangssignal steuert ein Halbleiterrelais (SSR), das die Heizleistung stufenlos moduliert, anstatt die Heizung zyklisch ein- und auszuschalten. Dieser kontinuierliche Regelmodus eliminiert das bei einfachen Ein-/Aus-Thermostaten auftretende Über- und Unterschwingen der Temperatur. Das Ergebnis ist eine stabile Kammertemperatur mit einer Genauigkeit von ±1-2 °C im Sollbereich zwischen Raumtemperatur und 260 °C.

Warmluftzirkulationssystem

Der Hochtemperatur-Langwellenmotor, der den Turbinenlüfter antreibt, erzeugt einen Luftdurchsatz von 3000 m³/h. Da die Heißluft kontinuierlich durch die achteckige Trommel und über die rotierenden Gummiteile strömt, wird jede Oberfläche gleichmäßig erwärmt. Diese Zirkulation verhindert die Bildung von Hotspots in der Nähe der Heizelemente und von Kaltzonen an Türen oder Ecken. Die 100 mm dicke Salzwatte-Isolierung hält die Außenwandtemperatur bei einem Betriebstemperatur von 200 °C unter 35 °C, wodurch Wärmeverluste reduziert und die Temperaturstabilität verbessert werden.

Achteckige Trommelrotation für gleichmäßige Wärmeeinwirkung

Die achteckige Trommelform erfüllt einen doppelten Zweck: Sie rotiert die Gummiteile im Heißluftstrom, und die facettierten Innenwände erzeugen unterschiedliche Fallwinkel, die ein Verklumpen der Teile verhindern. Ein ruhender Teilestapel staut die Wärme im Zentrum und führt so zu unterschiedlichen Aushärtungsgeschwindigkeiten zwischen den äußeren und inneren Teilen. Die rotierende Trommel beseitigt diese Schichtung, und der Walzenmotor (0,75 kW) sorgt unabhängig von der Chargenmenge für eine konstante Drehzahl.

Tipps zur Temperaturregelung für den Betrieb eines Gummihärtungsofens

1. Die PID-Parameter werden anhand der Chargenmasse eingestellt.Eine 50-kg-Charge absorbiert in der anfänglichen Aufwärmphase mehr Wärme als eine 15-kg-Charge. Passen Sie den Proportionalbereich und die Integrationszeit des Omron-PID-Reglers an, um den Unterschied in der thermischen Masse zu berücksichtigen. Beginnen Sie mit den Standardparametern des Herstellers und optimieren Sie diese anhand der Temperaturwiederherstellungszeit nach dem Beladen.
2. Den Rollenofen vor dem Beladen auf die gewünschte Temperatur vorheizen.Das Einlegen von Gummiteilen in einen Ofen, der noch nicht die gewünschte Temperatur erreicht hat, führt zu einem Absinken der Kammertemperatur unter den Sollwert. Der PID-Regler reagiert zwar, die Erholungszeit hängt jedoch von der Heizleistung (10,5 kW beim XCJ-K600) und der Masse der kalten Zuladung ab. Warten Sie 15–20 Minuten, nachdem der Regler den Sollwert erreicht hat.
3. Überwachen Sie die Temperaturerholung nach dem Laden.Der kälteste Moment im Aushärtungsprozess tritt 3–5 Minuten nach dem Einbringen einer frischen Charge auf. Der Temperaturabfall sollte beim XCJ-K600 mit einer Beladung von 15–20 kg 10 °C nicht überschreiten. Ist der Abfall höher als 15 °C, muss die Chargengröße reduziert oder die Vorheizzeit verlängert werden.
4. Nutzen Sie die Timerfunktion für eine gleichmäßige Zyklussteuerung.Der 0-99,99-Stunden-Timer mit automatischer Heizungsabschaltung und akustischem Alarm gewährleistet, dass jede Charge die gleiche Aushärtungsdauer erhält. Manuelle Zeiteinstellung ist nicht empfehlenswert, da Bedienungsfehler unnötige Prozessabweichungen verursachen.
5. Kalibrieren Sie den PID-Regler jährlich.Die mit der Zeit abnehmende Temperatur des Sensors beeinträchtigt die Genauigkeit des Reglers. Die Eingangswerte des Omron-Reglers sollten mindestens einmal jährlich mit einem kalibrierten Referenzthermoelement überprüft werden. Eine Neukalibrierung ist erforderlich, wenn die Messwerte bei der typischen Betriebstemperatur um mehr als 2 °C vom Referenzwert abweichen.
6. Das Überhitzungsschutzsystem sollte wöchentlich überprüft werden.Die Rollenöfen XCJ-K600 und XCJ-K900 verfügen über einen doppelten Überhitzungsschutz mit unabhängigen Hochtemperaturbegrenzern, die die Heizung bei Ausfall der Hauptsteuerung abschalten. Testen Sie dieses System, indem Sie den Hochtemperaturbegrenzer über die Betriebstemperatur anheben und die Abschaltung der Heizung überprüfen.

Empfohlene Vulkanisationsofentemperaturen für gängige Gummimischungen

Die angegebenen Temperaturen basieren auf allgemeinen Richtlinien für die Compoundierung. Die tatsächlichen Parameter sollten mit dem Compoundlieferanten abgeklärt und durch mechanische Prüfungen gemäß ASTM D412 und ASTM D395 verifiziert werden.

Häufige Probleme bei der Temperaturregelung in Gummihärtungsöfen

Die meisten Probleme mit der Temperaturregelung können durch regelmäßige Überwachung der Anzeige des Delta-Steuerungssystems erkannt werden, die Informationen zum Betriebszustand in Echtzeit liefert.

Auswahl des richtigen Walzenofens für die Gummivulkanisation

Die Rollenöfen XCJ-K600 und XCJ-K900 von Xiamen Xingchangjia bieten zwei Verarbeitungsvolumina für unterschiedliche Produktionsgrößen. Der XCJ-K600 verfügt über eine 600-Liter-Kammer mit den Abmessungen 1300 mm (B) x 1600 mm (H) x 1100 mm (T) und eignet sich für kleine bis mittlere Produktionsmengen. Der XCJ-K900 bietet 900 Liter Volumen bei den Abmessungen 1300 mm (B) x 1600 mm (H) x 1300 mm (T) und ist für größere Aushärtungsprozesse ausgelegt.

Beide Modelle verfügen über das gleiche Kerntemperaturregelungssystem – einen Omron-PID-Regler, ein 10,5-kW-Heizelement, einen Umluftventilator mit 3000 m³/h und einen doppelten Übertemperaturschutz. Die Innen- und Außenkonstruktion aus Edelstahl 304 mit 1,5 mm Wandstärke verhindert Korrosion über viele Jahre hinweg. Der einstellbare Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 280 °C deckt alle gängigen Anforderungen der Sekundärvulkanisation für NBR-, EPDM-, FKM-, Silikon- und HNBR-Mischungen ab.

Fazit: Eine gleichbleibende Vulkanisationstemperatur bedeutet eine gleichbleibende Gummiqualität.

Die Temperaturkontrolle ist der wichtigste Faktor bei der Sekundärvulkanisation. Ein Walzenofen für die Kautschukvulkanisation mit PID-Regelung, effektiver Heißluftzirkulation und achteckiger Trommelrotation gewährleistet die gleichmäßigen Heizbedingungen, die für eine konsistente Vernetzungsdichte in allen Teilen jeder Charge erforderlich sind. Omron-PID-Regler mit 4–20 mA SSR-Ausgang, kombiniert mit einer Luftzirkulation von 3000 m³/h und einer 100 mm dicken Isolierung, bieten die für die Einhaltung der Normen ISO 188 und ASTM D573 erforderliche Temperaturstabilität.

Bediener, die systematische Temperaturmanagementverfahren befolgen – Vorwärmen, Überwachen der Erholung, Überprüfen der Gleichmäßigkeit und Aufrechterhalten der Sicherheitssysteme – erzielen geringere Schwankungen bei den Eigenschaften des vulkanisierten Kautschuks und eine höhere Produktionsausbeute.