一种挤出机及其挤出工艺和系统的制作方法

本发明涉及应用螺杆挤出机加工材料的相关技术领域，如橡胶、塑料、食品、建材、燃料等行业的材料混合、粉碎、加热、反应、成型，尤其是应用螺杆挤出机加工橡胶、塑料领域，具体为一种挤出机及其挤出工艺和系统。

背景技术：

螺杆挤出机具有连续化的混合、分散、粉碎、输送和挤出的特点，尤其是单螺杆挤出机具有结构简单、成本低、易维护的特点，在橡胶、塑料领域应用十分广泛。但是单螺杆挤出机对物料的剪切和挤拉作用力十分有限，在有限长度的机筒内和很短的通过时间内难以完成对材料的加工要求。如果增加螺杆和机筒的长度，虽然可以延长对物料的加工时间，但是过长的螺杆的加工、安装和运行中保证很高的平直度和稳定性有较大的难度，也就难以保证螺杆与机筒的间隙很小，间隙增大将大大降低对材料的剪切强度和产能，螺杆的晃动还会加快螺杆和机筒损坏，进一步增大螺杆与机筒的间隙，导致挤出机的功能失效。

在一个机筒内有多个螺杆旋转可以在有限长度内提高对材料的加工效果，例如双螺杆挤出机、三螺杆挤出机、更多螺杆的行星(环行)螺杆挤出机在与单螺杆挤出机相似长度和时间内可成倍提高对材料的加工能力。增大螺杆和机筒的直径也可以显著提高对材料的加工能力，例如锥形双螺杆挤出机可以增加物料在机筒内的停留时间和受到的作用力。为了在有限的螺杆和机筒长度内和有限通过时间内完成对材料的加工要求，螺杆螺纹的构型有着决定性作用。因此，各种类型的螺杆挤出机都十分注重对螺杆本身的研究，完善螺杆的各种加工能力，形成了强化剪切、捏合、拉伸、输送的各种复杂构型及其单元组合。但是在一些应用场合，功能强的螺杆并不能解决用挤出机加工材料所带来的问题，而引起这些问题的主要因素是：

1、目前所有螺杆挤出机只能向前挤出，沿螺杆轴向上的物料无法前后相互混合。

2、在螺杆构型、螺杆和机筒直径/长度一定时，物料在挤出机内受到作用力和作用时间受到螺杆转速、机头阻力、挤出流量、散热条件的制约。这两个特点使得目前螺杆挤出机对一些材料的加工难以满足工艺和性能要求，尤其是要以控制时间来满足工艺性能要求的材料加工。在这种情况下，并不能仅仅增强对物料的作用力就可以在短时间内完成对材料的加工 要求，而是必须要保证一定的加工时间。以轮胎橡胶的加工为例，例如：

①、白炭黑与橡胶的混炼需要加入硅烷偶联剂，硅烷偶联剂先与白炭黑表面化学反应，偶联后才能与橡胶充分混合，达到增强橡胶作用。这个过程并不取决于螺杆对物料的作用力，而主要取决于温度和反应时间，这就要保证物料在机筒有一定的停留时间。

②、轮胎的各部位橡胶的配方组成不同，橡胶原料的门尼粘度随产地、批次不同有变化，挤出量也随着生产要求发生变化。这些变化都会使挤出机的产能和混炼效果产生变化。而现有螺杆挤出机对物料的作用力和作用时间受到螺杆转速、挤出流量的制约，不能对螺杆转速、挤出流量、停留时间进行独立可调。例如，若要提高混炼强度，就要提高螺杆转速，但物料的停留时间缩短，挤出流量也随之增加；若要延长停留时间，就要降低螺杆转速，但螺杆对物料的剪切混炼强度下降，挤出流量也随之减小。不论哪种情况都不能同时保证物料的混炼效果和挤出流量的稳定。

③、不能使前后的物料混合均匀。这是由于旋转的螺杆的螺纹只能使物料产生沿轴向移动，进入螺槽的物料按进入时间顺序排列向前旋转移动，前后的物料尤其是固体物料难以相互混合。如果前后的物料组成有差异，挤出的物料组成就不会均匀。现有的螺杆挤出机的螺杆的螺旋产生的正位移方向都朝向一个方向，即物料出口方向，沿螺杆轴向相距较远位置的物料是很难相互混合的，因此，径向各断面上的物料平均组成基本上是进入机筒时的物料平均组成，从加料斗进入机筒时的物料组份分布的均匀性对挤出物料的均匀性有决定性影响。目前用挤出机加工轮胎橡胶时各组份加入工艺方法很难保证进入机筒时的各组份分布的均匀性，主要原因是:

(a)、橡胶与其他助剂的几何尺寸相差悬殊。由于橡胶在常温下呈弹韧性固体，难以破碎成小粒径的粉料，即使预先制成粉状或细小颗粒状，在外力和自身粘流性质作用下会重新融合成块状。所以挤出机一般用较大的胶块喂料，而与橡胶共同混炼的助剂大多呈粉末状如炭黑、白炭黑、硫化剂、防老剂等。当它们按配方量在料斗内初步混合时，容易集中在局部橡胶块的表面和间隙中，简单、短时间地搅拌混合内难以达到均匀分布。

(b)、相态不同。有的助剂呈液体如芳烃油、偶联剂等，当它们按配方量在料斗内初步混合时会流淌到料斗的底部聚集，简单、短间时、搅拌混合不可能达到均匀的分布。

(c)、用量和体积相差悬殊。轮胎橡胶配方中有很多用量很少的组份如硫化剂、促进剂、防老剂等，用量只有橡胶的1％左右，但对轮胎性能有重要影响，当它们按配方量在料斗内与较大颗粒的橡胶短时间地混合时，难以达到均匀的分布。

(d)、冷喂料对加料斗内物料预混合效果较差。多个不同相态的物料要均匀混合，必须要在搅拌下不断有新的界面生成。但目前螺杆挤出机加 工橡胶主要采用冷喂料，冷硬的块状橡胶在加料斗内即使有搅拌也因难以形成新相界面，与粉状、液状物料的混合难以达到均匀的分布。

(e)、加料斗内物料受到的搅拌力较小、力的方向维数少和作用时间较短。物料在加料斗混合内要较短时间内达到较均匀的分布，物料必须要受到较强的、多维方向的作用力，并有较长的停留搅拌混合时间。但在目前的螺杆挤出机的加料斗内，物料只能会在螺杆的运动下径向转动和沿轴向挤出方向移动，进入螺槽的物料只会往前移动并进入机筒，物料在加料斗内停留时间短并且缺少前后混合作用力。

(f)、物料进入机筒的流量不稳定。加料斗内较大颗粒固体物料存在较大空隙，进入螺杆螺槽内的物料包含空气，使螺槽不能充分填满。混炼过程中高温引起挥发性物质蒸气也产生气泡。这些气泡与物料一同沿螺杆轴向移动，物料在螺棱与机筒内壁之间的径向剪切混炼的效果就会大大下降。这些气泡的多少和大小一般是随机变化的，因此螺杆混炼的物料在径向也存在不均匀性。

上述主要因素造成了从加料斗进入机筒的物料组成分布前后是不均匀的。当物料在加料斗内没有达到较均匀的分布，进入机筒后大部分不会与其前后的物料再有机会混合，造成了沿螺杆轴向各组分的不均匀性或随时间变化的不均匀性。即使强化螺杆的塑化和混合功能也只能在螺杆的径向或轴向前后很窄的范围内提高均匀性，不能前后长时间、长距离地增强物料混合的均匀性。由于螺杆不能前后混炼物料，加料内斗的物料在进入机筒时的先后不均匀性就决定了混炼物料的先后不均匀性。因此，加料斗内物料进入机筒时的分布均匀性是影响现有螺杆挤出机挤出物料均匀性的最重要因素之一。

综上所述，现有螺杆挤出机作为连续混炼挤出设备时最主要存在的问题是：

1、进料的不均匀性和在加料斗内混合作用力小和作用力维数少，混合产生新界面少，混合时间短造成了进入机筒的物料分布不均匀。

2、进入机筒内的物料在螺杆旋转推进下不能前后相互混合。

3、混炼强度、混炼时间和挤出产量都取决于螺杆转速这一个因素，在保持挤出产量稳定的前提下，混炼强度或混炼时间不能独立控制，造成不能通过提高混炼强度或延长混炼时间来提高物料的混炼均匀性。

因此现有螺杆挤出机和常规混炼工艺很难满足高度均匀的混合、分散、塑化加工要求。

为了提高现有螺杆挤出机的混合分散均匀性，原料的各组分几何尺寸应相近，例如采用与粉状填料接近的粉末状橡胶，并且与微量组分预混合分散好后再加入挤出机的加料斗可以提高挤出物料各组分的均匀性。但粉末橡胶的制备，运输，贮存都很麻烦，又容易在环境温度升高和有外压力下自黏成块，粉末很不稳定，尤其是对于天然橡胶。另外，各组分的预混 合分散工艺是间歇性工艺，并不能消除不同混合批次之间存在的不均匀性。

目前提高轮胎橡胶各组分混合分散均匀性和满足橡胶塑化要求的最可行和可靠的工艺是采用密炼机或开炼机来炼胶。该类工艺对各组分的物理和几何状态没有较苛刻的要求，喂料次序和炼胶时间只要满足工艺要求不会对最终物料不均匀性造成影响。但密炼机或开炼机炼胶工艺是间歇性炼胶工艺，单台设备不能实现连续化加工要求，要实现连续化加工要多台和多种设备协同工作及其复杂的控制工艺。而且随着轮胎产量快速增长和生产效率的不断提高还带来许多其他问题。例如，密炼机的产能不断提高，单批次混炼物料的量越来越大，带来了耗电功率巨大，发热量大而且时间集中，单位体积物料的散热冷却面积下降，物料温升快，混炼时间缩短的问题；开炼机的混炼作用界面只限于两滚筒的相切面，生产效率很低，敞开工作污染环境的问题；不同批次混炼质量差异和物料多次贮存运输问题；设备投资和土地占用较大等问题。

技术实现要素：

本申请人提出的发明申请，主要解决现有技术存在的问题：

1、解决现有螺杆挤出机的螺杆转速、停留时间、挤出流量不能根据材料和工艺要求较大范围地独立调节问题和前、后物料不能混合的问题。

2、改善现有螺杆挤出机的加料斗内的物料各组分在进入机筒前混合不均匀问题和较大块物料进入机筒的不顺畅问题。

3、改善现有螺杆挤出机混炼物料的均匀性问题。

4解决现有橡胶混炼设备不能连续混炼并连续挤出问题，并改善其生产效率低、耗电功率大、散热不良、温升快、混炼批次不均匀问题。

5、降低能耗和水耗。

能够解决上述技术问题的一种挤出机，其技术方案主要包括加料装置、输送装置、出料装置，加料装置设有加料斗和混合室，所不同的是所述输送装置至少包括两个机筒组，每个机筒组之间平行排列，每个机筒组内有一组以上物料输送机构，各机筒组与加料装置的混合室连通，各机筒组之间具有相互连通的反馈通道，所述反馈通道使各机筒组之间以及各机筒组和混合室之间能形成循环的物料流动通道。

所述机筒组可由一个机筒组成，或由数个机筒串联连接而成。

所述物料输送机构包括一根螺杆或数根螺杆、剪切分散单元、和/或螺杆与剪切分散单元的组合；各螺杆可以相互协同旋转或独立旋转或同向或反向旋转。

所述物料输送机构包括一根螺杆或数根螺杆的组合，各螺杆可以相互协同旋转或独立旋转或同向或反向旋转。

所述机筒为不同直径的机筒或等直径的机筒，与其配套的螺杆的直径 和长度也相应相等或不等。

所述螺杆的末端通过与轴承连接、轴承与机筒和/或与机架连接而得到支撑。

所述反馈通道内设置有控制物料流通截面大小和开闭的机构，例如可以采用控制物料流通量的反馈通道阀门。

所述出料装置为出料控制机构、剪切分散单元、过滤单元、恒流控制单元、机头口模的其中之一或其两种以上的组合。

所述剪切分散单元的一种结构包括一组以上相间的圆环和圆片，所述圆环的外边缘与机筒内壁连接固定，中间的环形孔可让螺杆的轴和物料通过；所述圆片的圆心与螺杆的轴连接固定，圆片的外边缘可让物料通过，每个圆环和圆片之间的间隙为固定和/或可调节，在与物料接触的圆环和/或圆片的表面为光面、或有沟槽、或有凸棱。

所述为出料控制机构为控制出料流通截面大小和开闭的机构，如为出料阀门。

所述过滤单元为网络状结构的多孔材料，只允许小于孔径的物料通过。

所述恒流控制单元为熔体齿轮泵，或为螺杆泵，或为涡轮蜗杆机构。

所述机头口模为物料的流道、预口型、口型的其中之一或他们的组合。

所述出料装置至少有一个或二个以上，设置于机筒的端部或靠近端部、和/或机筒外侧的任一位置上。

两个机筒组的平行排置形式有：相互水平排置，或上下垂直排置，或上下倾斜排置。

所述机筒内腔或平滑、或有沟槽、或有伸入筒体内腔的销钉。

所述混合室内至少包含有穿过混合室底部与驱机机构连接的两根螺杆，其中的螺杆可以相互齿合或非齿合。

采用上述挤出机的一种反馈和循环挤出工艺，其挤出方法为：将物料从加料装置的加料斗投入，物料通过输送装置在加料装置的混合室内初步混合后，输送进入其中一个含有正向挤出的输送装置的机筒，通过调节正位移恒流控制单元，使一部分物料按比例从出料装置的出料口排出，另一部分物料通过两个机筒之间的反馈通道输送进入含有反向挤出的输送装置的机筒，返回到加料装置的混合室，与从加料斗加入的新物料汇合，经过加料装置的混合室输送和混合进入含有正向挤出的输送装置的机筒内，如此循环形成连续的反馈循环挤出过程。

采用上述挤出机的另一种间歇循环挤出工艺，其挤出方法为：将出料装置的出料口先关闭，物料从加料斗连续投入直至充满所有机筒组，物料通过物料输送机构在相互连通的机筒组、反馈通道和加料装置内循环流动，连续循环一定时间后，出料装置的出料口打开，物料从出料口排出。

采用上述挤出机的再一种并行同向挤出工艺，其挤出方法为：将物料 从加料斗投入，通过物料输送机构同时进入到两个机筒组内，并同时向出料装置方向进行输送，物料从出料口排出。

采用上述挤出机及其对应挤出工艺所构成的一种物料连续挤出系统，是通过两台或数台挤出机的串联或并联，组成分时间、多段加料的连续生产线。

本发明的有益效果(以橡胶的混炼为例)：

1、通过部分或全部物料在两个及以上机筒内的循环，通过控制反馈比例可控制物料在机筒内的平均停留时间。

2、提高螺杆的转速可以增加物料在机筒的内循环流量，增强螺杆与机筒对物料的塑化分散强度，但在恒流控制单元例如熔体齿轮泵的控制下，并不会增加物料的挤出流量，只要螺杆的转速产生的物料正位移流量大于恒流控制单元排出的流量，螺杆的转速相对于排出量可独立调节，增强了挤出机对不同混炼要求和产能要求的物料的工艺的适应性。

3、反馈物料与加料斗内新加入的物料连续混合,使不同时间加入的物料能够多次反复混合，可以消除因为前后加入的物料组分分布不均匀和因为前后进入机筒螺杆螺槽内的物料流量不稳定造成的物料的不均匀。

4、反馈物料把螺杆的挤出压力及时传递到进料口，反馈循环系统的首末两端相通并与大气相通，在螺杆高速旋转下维持了机筒内较低的压力，机筒内的低压力降低了机筒、螺杆磨损、摩擦能耗、摩擦生热引起的温升。

5、和现有相同长度和相同直径的单螺杆挤出机相比，双螺杆双机筒缩短了单根螺杆的长度，提高了螺杆高速旋转时的稳定性和及其与机筒的紧密性，提高了混炼性能和产能。

6、机筒物料的排出口设置在柱形机筒的侧面使机筒内螺杆的两端都可以通过轴承与机筒固定，提高了螺杆高速旋转的稳定性和及其与机筒的紧密性，提高了混炼性能和产能。

7、反馈的热物料对新加入加料斗内的冷的物料进行加热软化，在相对输送的双螺杆的剪切、撕拉和旋转的搅拌混合作用下，更容易产生新的混合界面，加快了物料在加料斗内的混合均匀。

8、加料斗内相互紧密靠近的双螺杆对物料形成强力咬合，增强了螺杆将冷的、硬的、较大块物料压进螺杆螺槽的能力。

9、反馈挤出的螺杆旋转增强了对加料斗内物料剪切、撕拉作用力，增强了加料斗内物料的水平旋转和垂直旋转力，延长了物料在加料斗内的停留混合时间，提高了物料在加料斗内的混合均匀性。

10、新加入的冷料经过反馈的热物料的预热，缩短了在机筒内的固体熔融时间和长度,等效于提高了机筒内的螺杆的有效混炼长度，提高了螺杆混炼能力，提高了物料混合的均匀性。

11、反馈挤出的热物料在加料斗内加热冷物料，相当于机筒内高温的 热物料被引出机筒冷却，加料斗相当于冷却器的作用，既可降低机筒内物料的温度，又可减少或省去对冷料的加热，加上机筒内的压力降低，减少了总能量的输入和摩擦生热，冷却所需的冷却水相应减少，能显著地节能节水。

12、和现有螺杆单向混炼挤出机相比，反馈物料使先后加入的物料能够相互混合，提高了物料的均匀性，延长了物料的停留时间，满足了以时间控制的加工要求。螺杆转速的变化对排料口的流量没有影响，因此可以根据物料的特性和温升情况改变螺杆的转速，满足了以分散度控制或以温度控制的加工要求。

13、和现有间歇混炼设备相比，物料在多个机筒内连续地的反馈和循环流程与在一个混炼空间内的循环具有较高的相似性，因此他们混炼物料的均匀性差异较小，但连续混炼减小了间歇混炼存在的批次不均匀性，在相同的产能下，单位时间所需要混炼物料的容积大幅减少，因此设备所需的电功率大为减小，单位时间混炼的功热效应产生的热量大大减少。螺杆挤出机的机筒物料填充率高、单位体积物料散热面积大，冷却水冷却效率高，使得混炼温升相对较慢，混炼时间得以延长。

14、反馈物料使得物料在机筒内具有不同的停留时间，使混炼出的橡胶分子量具有宽分布的特点，提高了加工成型性能和制品的综合力学性能。

15、需要在不同时间加入不同组份物料混炼的多段混炼工艺，可用相应多台数相同的、相似的、不同参数型号的反馈挤出机组合成连续混炼生产线，生产线的设备类型减少，流程短，紧凑，占地少，便于控制。

16、本发明所提供的挤出机，可挤出的物料为液态、粉状和/或固体状结构的一种以上物体或其混合物，且特别适于有不同粒径的粉状和/或块状物料的混合挤出。

附图说明

图1为本发明挤出机一种实施方式的结构示意图。

图2为图1实施方式中一螺杆正向挤出而另一螺杆反向挤出流程图。

图3为图1实施方式中双螺杆同时正向挤出流程图。

图4为图1实施方式中，反馈通道设置在主机筒中部的示意图。

图5(a)为图1实施方式中，主、副机筒水平布置的示意图。

图5(b)为图1实施方式中，主、副机筒垂直布置的示意图。

图5(c)为图1实施方式中，主、副机筒斜向布置的一种方案示意图。

图5(d)为图1实施方式中，主、副机筒斜向布置的另一种方案示意图。

图6为图1实施方式中，主、副机筒同向挤出的工作模式图。

图7为图1实施方式中，反馈通道关闭，主机筒单独挤出的工作模式 图。

图8为图1实施方式中，主机筒的出料口关闭，反馈通道打开，主、副机筒中循环挤料的工作模式图。

图9为图1实施方式中，反馈通道打开，主机筒的部分物料反馈副机筒的工作模式图。

图10为图1实施方式中，副螺杆尾部的轴承安装结构图。

图11为图1实施方式中，主、副螺杆尾部的轴承安装结构图，其中主机筒的出料口侧向设置。

图12为图11中主、副机筒的工作模式图。

图13为图1实施方式中，反馈通道打开，出料口侧向设置于副机筒的工作模式图。

图14为挤出机作为连续混炼和挤出设备的物料工艺流程图。

图15(a)为图1实施方式中，部分物料通过副机筒反馈的工作模式图。

图15(b)为图15(a)中主、副螺杆的吃料示意图。

图16为为图1实施方式中，混合单元的结构示意图。

图17为挤出机作为连续混炼和挤出设备的有反馈的物料挤出工艺流程图。

图18为挤出机作为连续混炼和挤出设备的无反馈的物料挤出工艺流程图。

图19为图1实施方式按左、中、右串联布置构成的挤出系统示意图。

图20为图1实施方式按左上、右上并联、上下串联布置构成的挤出系统示意图。

图21为图9工作模式中，不同R下物料在B点的反馈比例x。

图22为图21中某时刻连续加入的新物料在经过i次数反馈循环和连续挤出后，在B点的挤出比例xⁱ。

图23为图22中，循环次数i与累计分布率的关系。

图24为图22中，不同循环次数或停留时间的物料在B点的分布率。

图25为图9工作模式中，反馈/挤出比R与平均停留时间的关系。

图26为图25中，循环次数i与累计分布率的关系。

图27为图25中，循环次数与平均停留时间的关系。

图号标识：1、机座；2、电动机；3、双输出减速机；4、加料装置；4a、加料斗；4b、混合室；5、主机筒；6、副机筒；7、主螺杆；8、副螺杆；9、销钉；10、出料装置；10a、出料阀门；10b、剪切分散单元；10c、熔体齿轮泵；10d、机头口模；11、排气口；12、反馈通道；12a、反馈通道阀门；13、轴承；14、挤出机。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明一种挤出机，包括加料装置4、输送装置、出料装置10、驱动装置、冷却装置和控制装置，所述加料装置4包括加料斗4a和混合室4b，所述输送装置至少包括两个机筒组，两个机筒组平行排列，每个机筒组内有一组以上物料输送机构，各机筒组与加料装置4的混合室4b连通，其最主要特征是各机筒组之间具有相互连通的反馈通道12，所述反馈通道12使各机筒组之间以及各机筒组和混合室4b之间能形成循环的物料流动通道，使得一个机筒组内的物料的部分或全部可以流入另一个机筒组，并最终使部分或全部物料从混合室4b流经各个机筒后又返回到了混合室4b，与新加入的物料混合，形成连续地反馈或循环；该系统最简单的形式是两机筒及其内部螺杆组成的环形流通系统，两机筒内部的螺杆穿过混合室4b底部与驱机装置连接，两螺杆可以相互齿合或非齿合；所述驱动装置包括电动机2和由电动机2驱动的双输出减速机3，所述双输出减速机3至少有一个输出轴具有正向和反向转动功能，如图1所示，工艺流程如图2和图3所示。

进一步的描述为，有两个平行的机筒(如图1中5、6)，两个机筒至少有两个相互连通的通道(如图1中4b、12)，两个机筒都有或其中一个机筒至少有一个加料装置(如图1中4)和至少有一个出料装置(如图1中10)，出料装置10可以是控制流量的单元(如图1中10a、10c)、剪切混合单元(图1中10b)和机头口模(如图1中10d)的排列组合。每个机筒中各至少有一组物料输送机构例如至少有一根螺杆(如图1中7、8)，两机筒中的螺杆可以共享一套驱动装置的动力和调速，也可以有各自独立的动力和调速机构；两个机筒内的螺杆可以独立或相互协同旋转，可以同向或反向旋转，可以将机筒内的物料同向挤出或相对挤出。两个机筒的内径以及其中的螺杆直径可以相同或一个较大另一个较小。一般情况下两个机筒的物料流量不同时，两个机筒的内径以及其中的螺杆直径一个较大，另一个较小，以方便调节控制。把直径较大机筒称为主机筒(图1中5)，主机筒5中的输送机构称为主机筒输送机构(如图1中主螺杆7)，把直径较小机筒为副机筒(图1中6)，副机筒6中的输送机构称为副机筒输送机构(如图1中的副螺杆8)。主螺杆7只向前正向挤出物料，而副螺杆8可正向或反向旋转，可向出料装置10或向加料装置4方向挤出物料。两个机筒的两个连通口的其中一个在两机筒的端部相通并且与加料装置4中的混合室(图1中的4b)汇合成一个口。另一个连通口的布置，当两机筒长度相近时，可以布置在两机筒的两端相距较远的位置(如图1中的反馈通道12)；当两机筒长度相差较大时，可以布置在较长的机筒(如主机筒5)的中部与较短机筒(如副机筒6)相对的端部的位置(如图4所示)。两个平行机筒的轴线相对位置可以水平(如图5a)、上下垂直(如图5b)、上下倾斜布置(如图5c和5d)。

所述冷却装置为水冷、风冷、或油冷的其中之一或他们的组合，冷却装置至少设置在加料装置、机筒组、输送装置、出料装置之一的装置上。

所述控制装置包括驱动装置、加料装置、输送装置、反馈通道、出料装置、冷却系统的控制方法和机构。

该挤出机可以有四种工作模式：

(1)、当两个螺杆同向挤出时，相当于一台长度较长、产能较大的大型螺杆挤出机(如图6所示)。

(2)、当只有一个机筒(如主机筒5)内的螺杆挤出而另一个机筒内螺杆停止工作并关闭两个机筒的反馈通道12时(通过反馈通道阀门12a实施)，可成为一台长度较短、产能较小的小型的螺杆挤出机(如图7所示)。

(3)、当关闭排料口，不向机筒外排料时，主机筒5的螺杆正向挤出，副机筒6内螺杆反向挤出，把主机筒5挤出的物料全部反回到主机筒5的加料斗4a，全部物料在两个机筒内循环，可以成为一种间歇混炼设备(如图8所示)。

(4)当如主机筒5的螺杆正向挤出，副机筒6内螺杆反向挤出，把主机筒内的部分物料反馈到主机筒5的加料斗4a，另一部分物料排出机筒，可成为一种连续混炼和挤出设备(如图9所示)。

上述(1)、(2)和(3)三种工作模式原理是显而易见的，以下说明模式(4)可以解决现有螺杆挤出机作为连续混炼挤出设备存在最主要的三个问题的方法。

①、提高了不同时间加入具有不同分散均匀性的物料的相互混合程度。显然，反馈挤出使不同时间加入具有不同均匀性的物料的相互混合成为可能。通过控制挤出和反馈物料的比例、控制螺杆的转速控制反馈流量，使不同时间加入具有不同均匀性的物料经过数十次的前后混合，使均匀性提高。图14是模式(4)的物料工艺流程图，V₁(m³/s)是恒流控制单元排出物料的容积速度，也是加料的容积速度，由生产需要的输出产能决定，一般为定值；V₂(m³/s)是副螺杆8反馈挤出的容积速度；(V₁+V₂)是主螺杆7正向挤出的容积速度；反馈/挤出比R＝V₂/V₁。V₂是根据物料的分散、塑化要求由两个螺杆的转速共同决定的。不同R下物料在B点的反馈比例x＝R/(1+R)如图21的坐标图所示。

某时刻连续加入的新物料在经过i次数反馈循环和连续挤出后，在B点挤出比例xⁱ如图22、图23的坐标图所示。

不同循环次数或停留时间的物料在B点的分布率如图24的坐标图所示。

②、在排料口有一个恒流单元控制下，提高螺杆的转速，增加的流量被反馈到加料斗4a，而不会影响挤出排料的稳定性。这样混炼强度可独立于挤出产能变动。对于单纯的分散混合，通过提高混炼强度缩短混炼时 间，或通过延长停留时间降低混炼强度。对于有化学反应的分散混合，化学反应需要一定的时间，通过提高挤出/反馈比例R可增加物料在机筒内的平均停留时间(如图25、图26、图27的坐标图所示)。

其中t_a为图14中物料从A→B→C→D→A的时间，但会损失一部分挤出产能。

③、在加料装置4内，两个机筒连通于加料斗4a的底部，螺杆螺纹的外径增大，螺槽加深，两螺杆的螺棱靠近但非接触的状态，可以对之间的物料产生大的咬合和剪切作用力。从副机筒6的反馈回来热的物料沿着副螺杆8的螺槽继续向后移动直至螺杆末端，从副螺杆8的螺槽中脱出，被缠绕、卷入主螺杆7的螺槽中，向前移动，进入主机筒5。所以，在两个螺杆的螺槽内都缠绕有热的物料。当新加入的冷物料与螺杆接触时会被加热软化，在物料在两螺杆之间及螺杆与加料斗壁之间的挤压、剪切、拉伸力作用下变形、破碎，产生新的界面，加快不同组分的混合、分散。两螺杆相向推动和转动使螺杆上面的物料产生垂直和水平方向的转动，增强了物料的搅拌混合强度和在料斗内的停留时间。当两螺杆旋转至的螺槽与螺槽相对时，两螺杆之间的间隙最大，可咬合较大块的物料进入螺槽；当旋转至螺棱与螺棱相对时，两螺杆之间的间隙最小，可对物料产生较大的剪切力；当旋转至螺棱与螺槽相对时，可咬合较小块物料或对原螺槽中较大物料产生拉伸撕裂作用。因此，反馈的热的物料和双螺杆相反水平推动和上下转动，使加料装置4内的物料混合均匀性提高(如图15a、图15b)。

④、节能节水和提高效率。将机筒内物料从出料口反馈到机筒的进料口，使得相连接的机筒组成的整个物料流通系统的两端相通并与大气相通，螺杆转速的提高，物料流速的加快不会明显提高机筒的压力，因此，机筒内的压力较低，摩擦力减小，磨损减小，能耗减少，温升下降。反馈的热物料对新加入的冷物料预热，可以减少甚至不需要在机筒的固体压缩段对物料的额外加热。输入的加热能量减少，需要排出的热量也减少，冷却水相应减少，温升变慢，混炼时间得以延长。新加入的冷物料在料斗内混合和预热，缩短了固体冷物料在机筒内的熔融时间过程，等效于延长了螺杆的混合、分散、塑化段的长度，提高了螺杆的混炼效率。反馈的物料与料斗内的冷物料混合，还相当于把机筒内温度较高的部分物料引出机筒外与冷却介质直接接触冷却后再进入机筒，这时加料斗相当于一个冷却器。强化料斗的冷却能力，按需要控制料斗内物料进入机筒时的温度，与机筒和或螺杆中的循环冷却水系统一同工作，就可以控制机筒内物料的温升。除了加入的冷物料作为冷却介质，还可以在加料斗上面加入水冷、风冷、油冷的间接冷却循环系统，甚至直接加入低沸点蒸发介质直接冷却降低加料斗内物料的温度。

⑤、和间歇混炼设备相比，物料连续流过设备，混炼没有间歇时间，在相同的产能条件下，单位时间内设备混炼的物料容积就要减少，需要的 混炼功率就要减少，产生的热量就要减少。因此，设备需要配置的功率减小，加上螺杆与机筒之间的物料与机筒壁接触紧密，填充率高，绝热作用的空气较少，冷却散热条件较好，温升速度慢，可以延长混炼时间。

为了准确控制向加料斗4a反馈物料的流量、准确控制向排料口挤出流量和提高排料口挤出压力，排料口需要一个控制流量和压力的装置，可以采用熔体齿轮泵10c来控制排料口流量和压力(如图1所示)。

从本发明的可反馈的连续分散混合和挤出工作流程(如图2和图14所示)，可见，难免会有一部分新加入的物料(1/(1+R))只经过≤t_a时间就被挤出排料口。为了减少这部分停留时间短的物料的影响，采取以下措施：

1、在排料口之前和反馈通道12后，增加一道过滤单元，使未分散的较粗物料不被挤出并流入反馈流程。

2、在排料口增加一组强剪切的分散混合单元10b，加快提高挤出物料的分散度。例如，在主螺杆7顶端、排料口之前安装一组由圆环(相当于被压扁的有内螺旋的机筒)和圆片(相当于被压扁的螺杆)相间组成的剪切分散单元(如图1、图16所示)。圆环的外边缘与机筒连接固定，中间的环形孔让螺杆的轴和物料通过；圆片的圆心与螺杆的轴连接固定，圆边缘可以让物料通过。圆环和圆片相对旋转时可产生高的剪切强度。在圆环和圆片的表面可以都有凸起的螺旋，也可以仅仅其中一个的表面有凸起的螺旋，可向排料口方向产生正位移输送。圆环和圆片之间的间隙可调节，圆环/圆片组数可增加或减少。这样可以控制排出物料的通过路程的长短和时间。

3、提高R使这部分物料在排出料的比例较小。

为了提高本发明挤出机的混炼能力和产能，提高反馈/挤出比R，需要减小螺棱与机筒的间隙、提高螺杆的转速。这要求提高螺杆旋转径向稳定性。将螺杆的两端通过轴承13固定在机筒上以提高旋转的径向稳定性。当螺杆的两端都有轴承13与机筒固定时，原来在机筒的一端的挤出排料口就必须设置在柱形机筒侧面位置上。可以将一个或两个螺杆的两端通过轴承13与机筒固定，如图10和图11所示。物料的排料口可以设于主机筒5上，也可以设置在副机筒6的位置上，这样可以增加挤出物料在机筒内的平均停留时间(如图11、图12、图13所示)。

本发明挤出机还可以能够通过关闭出料口，暂时不让物料排出，将物料从混合室4b经过主机筒5、反馈通道12、副机筒6，将全部物料返回到混合室4b，如此连续循环一定时间后再从出料口排出，从而实现对批量物料的间歇式的混合分散加工，其工艺流程如图17所示。

本发明挤出机还可以能够通过主机筒5和副机筒6内部的正位移输送例如主螺杆7和副螺杆8的同方向挤出，将物料从混合室4b同时挤入两个机筒，物料从出料装置10排出，从而实现在较小内径机筒和较小螺杆长径比下提高挤出机产能，工艺流程如图18所示。

为了进一步说明本发明挤出机所要解决的问题，以下通过例子进一步说明该类挤出机的工作方式和应用。

例1：三段串联连续混炼工艺(如图19)，即一种形式的挤出系统。

要混炼的橡胶配方如表1,终炼胶产能2100kg/h。

该三段串联连续混炼工艺是在第1段将全部的天然橡胶、全部的白炭黑、三分之一的炭黑、全部的氧化锌、全部的硬脂酸混炼75s成母炼胶Ⅰ，

在第段将剩余的三分之二的炭黑、其他组分与母炼胶1混炼70s成母炼胶Ⅱ，在第3段将母炼胶Ⅱ与全部硫黄、全部促进剂混炼90s成终炼胶。连续混炼加料方法如下。

第1段混炼：在左边挤出机14连续加入的原料：天然橡胶333.3g/s、炭黑46.7g/s、白炭黑50g/s、氧化锌20.4g/s、硬脂酸6.6g/s。混炼物料平均停留时间75s，控制温度155℃以下。熔体齿轮泵10c连续挤出母炼胶Ⅰ经过一定距离和时间的冷却输送给第2段挤出机14(中间)，挤出流量为1614kg/h(448.3g/s≈0.374L/s)。左边挤出机14两个机筒内的螺杆参数同为：螺杆长度1650mm,螺杆直径240mm,螺纹升角35°，平均螺槽深25mm,螺棱宽25mm,螺纹条数3。螺杆转速50r/m,挤出量反馈量比R＝11，单个循环时间7.5s,机筒内物料容积约33.7L，电机功率250kW。

第2段混炼：在中间挤出机14连续加入母炼胶Ⅱ和加入剩余2/3的炭黑(炭黑加入量为93.3g/s)/其他组分33.3g/s。物料平均停留混炼时间80s，控制温度155℃以下。熔体齿轮泵10c连续挤出母炼胶经过一定距离和时间的冷却向输送给第3段挤出机14(右边)，挤出流量为2070kg/h(575g/s≈0.479L/s)。中间挤出机2两个机筒内的螺杆参数同为：螺杆长度1760mm,螺杆直径240mm,螺纹升角35°，平均螺槽深35mm,螺棱宽35mm,螺纹条数3。螺杆转速50r/m,挤出量反馈量比R＝11，单个循环时间8s，机筒内物料容积约46L,电机功率280kW。

第3段混炼：在右边挤出机14连续加入母炼胶、硫黄3.3g/s和促进剂5.0g/s。混炼物料平均停留时间90s，控制温度100℃以下。熔体齿轮泵连续挤出2100kg/h(583.3g/s≈0.486L/s)。右边挤出机14两个机筒内的螺杆参数同为：螺杆长度2000mm,螺杆直径242mm,螺纹升角35°，平均螺槽深35mm,螺棱宽35mm,螺纹条数3。螺杆转速50r/m,挤出量反馈 量比R＝11，单个循环时间9s，机筒内物料容积约52.5L，电机功率300kW。

开机操作工艺步骤：

①、首先开启一段混炼的挤出机14(左边)，熔体齿轮10c关闭，按上述计算的配方量和加料速度加料。物料在螺杆与机筒之间被剪切、挤压摩擦下不断升温至工艺要求的温度。当物料充满两机筒形成闭合循环后，停止加料，待循环时间大于该段的平均停留时间后，开启熔体齿轮泵10c，按计算流量排胶，经过一定时间和距离的冷却输送到二段挤出机14(中间)，同时开始向一段挤出机14(左边)连续加入新物料。

(2)、二段挤出机14(中间)的熔体齿轮泵10c关闭，接收一段挤出机14(左边)供胶，并按计算的配方量和加料速度连续加料，当物料充满两机筒形成闭合循环后，停止加料和同时停止一段挤出机14(左边)的排料，物料在螺杆与机筒之间被剪切、挤压摩擦下不断升温至工艺要求的温度。待循环停留时间大于该段的平均停留时间后，开启熔体齿轮泵10c，按计算流量排胶，同时恢复一段挤出机14(左边)向二段挤出机14(中间)的供胶。二段挤出机14(中间)排出的胶料经过一定时间和距离的冷却输送到三段挤出机14(右边)，同时以计算的配方量和加料速度连续加入新物料。

(3)、三段挤出机14(右边)开启接收二段挤出机14(中间)的供胶，熔体齿轮泵10c关闭，按计算的配方量和加料速度连续加料和同时接收二段挤出机14(中间)的供胶，当物料充满两机筒形成闭合循环后，停止加料和同时停止一段挤出机14(左边)和二段挤出机14(中间)的排料。物料在螺杆与机筒之间被剪切、挤压摩擦下不断升温至工艺要求的温度。待三段挤出机14(右边)内物料循环停留时间大于该段的平均停留时间后，开启熔体齿轮泵10c，按计算的流量向下辅机排胶，同时以计算的配方量和加料速度开始连续加入新料和同时恢复一段挤出机14(左边)和二段挤出机14(中间)的排料。当三台挤出机14的物料形成连续贯通后，控制好各段的温度及冷却水流量，加料速度，螺杆转速、齿轮泵速度，保持各段协调一致，形成连续稳定生产。

例2：“Y”形三段连续混炼工艺(如图20)，即另一种形式的挤出系统。

要混炼的橡胶配方如表2，终炼胶产能4013kg/h。

该“Y”形三段连续混炼工艺是将三分之一的天然橡胶、全部的硅烷偶联剂与全部的沉淀白炭黑混炼成母炼胶Ⅰ，将三分之二的天然橡胶、全部的炭黑、氧化锌、硬脂酸、微晶蜡、防老剂混炼成母炼胶Ⅱ，再将母炼胶Ⅰ、母炼胶Ⅱ、硫黄、促进剂混炼成终炼胶。混炼母炼胶Ⅰ的作用是对沉淀白炭黑表面进行硅烷化处理，在高浓度、高温、较长时间的混炼下使

化学反应更充分、分散更好，避免与全部橡胶一起混炼造成过炼问题，提高生产效率，还可降低混炼能耗，提高轮胎综合性能。连续混炼加料方法如下。

第1段混炼：在左上方的挤出机14连续加入三分之一的天然橡胶434.3g/s、白炭黑260.6g/s、硅烷偶联剂45.6g/s。混炼物料平均停留时间70s，控制温度160℃以下。熔体齿轮泵10c以1297.73kg/h(360.5g/s≈0.316L/s)连续排出母炼胶Ⅰ，经过一定距离和时间的冷却输送到中下方的挤出机14。左上方的挤出机14两个机筒内的螺杆参数同为：螺杆长度1290mm,螺杆直径200mm,螺纹升角35°，平均螺槽深32mm,螺棱宽30mm,螺纹条数3。螺杆转速50r/m,挤出量反馈量比R＝11，单个循环时间7s，机筒内物料容积约26.5L，电机功率250kW。

第2段混炼：在右上方的挤出机14连续加入三分之二的天然橡胶434.3g/s、炭黑260.6g/s、氧化锌+硬脂酸+微晶蜡32.6g/s、防老剂13.03g/s。混炼物料平均停留时间75s，控制温度155℃以下。熔体齿轮泵10c以2665.82kg/h(740.5g/s≈0.650L/s)排出母炼胶Ⅱ，经过一定距离和时间的冷却输送到中下方的挤出机14，该挤出机14两个机筒内的螺杆参数同为：螺杆长度1930mm,螺杆直径242mm,螺纹升角39°，平均螺槽深33mm,螺棱宽32mm,螺纹条数3。螺杆转速50r/m,挤出量反馈量比R＝11，单个循环时间7.5s,机筒内物料容积约58.5L,电机功率400kW。

第3段混炼：第1段混炼和第2段混炼的母炼胶同时向中下方的挤出机14供胶，同时加入硫黄6.5g/s、促进剂7.2g/s。混炼物料平均停留时间55s，控制温度100℃以下。熔体齿轮泵10c以4012.8kg/h(1108.2g/s≈0.978L/s)排出终炼胶。中下方的挤出机14两个机筒内的螺杆参数同为：螺杆长度1630mm,螺杆直径280mm,螺纹升角39°，平均螺槽深36mm,螺棱宽32mm,螺纹条数3。螺杆转速50r/m,挤出量反馈量比R＝11，单个循环时间7.5s,机筒内物料容积约88L,电机功率520kW。

开机操作工艺步骤：

①、首先开启一段混炼的左上挤出机14和二段混炼的右上挤出机14，熔体齿轮泵10c都关闭，按计算的配方量和加料速度分别向左上挤出机14和右上挤出机14加料。当物料充满两机筒形成闭合循环后，停止加料。 物料在螺杆与机筒之间被剪切、挤压摩擦下不断升温至工艺要求的温度。待两挤出机14内的物料循环时间大于该段的平均停留时间后开启熔体齿轮泵10c排出母炼胶Ⅰ和母炼胶Ⅱ，同时开始向该两台挤出机14连续加料。母炼胶Ⅰ和母炼胶Ⅱ经过一定距离和时间的冷却输送，同时并始终保持同步输送到中下的挤出机14。

②、中下的挤出机14的熔体齿轮泵10c关闭，接收左上的挤出机14和右上的挤出机14供胶，并按计算的配方量和加料速度连续加料，当物料充满两机筒形成闭合循环后，停止加料并暂停左上的挤出机14和右上的挤出机14的排料。物料在螺杆与机筒之间被剪切、挤压摩擦下不断升温至工艺要求的温度。待中下的挤出机14循环停留时间大于该段的平均停留时间后，开启熔体齿轮泵10c，按计算流量排出终炼胶，同时以计算的速度连续加入新物料料和恢复左上的挤出机14和右上的挤出机14的排料。

当三台挤出机14全部物料连续贯通后，控制好各段的温度及冷却水流量，加料速度，螺杆转速、齿轮泵速度，保持各段协调一致，形成连续稳定生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。