Forno de rolos para vulcanização de borracha: dicas para controle de temperatura

By Mike ChenDiretor de Produção | Mais de 12 anos de experiência na fabricação de borracha |LinkedIn

Principais conclusões

• O controle de temperatura PID mantém a temperatura do forno de cura dentro de uma faixa de ±1-2°C do ponto de ajuste, o que é fundamental para uma densidade de reticulação uniforme em todas as peças de um lote.
• Os fornos de rolos com tambores octogonais alcançam uma melhor uniformidade de temperatura do que os fornos estáticos, porque a rotação contínua expõe todas as superfícies das peças ao ar quente circulante.
• O controlador PID da Omron, com saída SSR de 4-20 mA, evita a sobrecarga do aquecedor modulando a potência continuamente, em vez de ligar e desligar o aquecedor intermitentemente.
• Os modernos fornos de cura por rolos possuem sistemas duplos de proteção contra sobretemperatura que desligam automaticamente o aquecedor caso o controlador principal falhe, evitando incêndios e danos ao produto.

O forno de rolos para cura da borracha tem uma função diferente das prensas de vulcanização primária. A vulcanização secundária — também chamada de pós-cura — completa o processo de reticulação que se inicia no molde de compressão ou injeção. Como as propriedades físicas dos compostos de borracha continuam a se desenvolver durante a vulcanização secundária, o controle preciso da temperatura no forno de cura afeta diretamente a qualidade do produto final.

Este artigo aborda os sistemas de controle de temperatura utilizados em fornos de rolos para vulcanização de borracha, dicas práticas para manter um aquecimento uniforme e como otimizar os parâmetros do processo para diferentes compostos de borracha e tamanhos de lote.

Por que o controle de temperatura em um forno de vulcanização de borracha afeta a qualidade do produto?

A cura da borracha segue uma relação tempo-temperatura definida pela curva de cura do composto. Para cada aumento de 10°C na temperatura de cura, a taxa de reação praticamente dobra. Uma variação de temperatura de apenas 5°C em um lote de peças pode produzir diferenças mensuráveis ​​na resistência à tração, alongamento na ruptura e deformação permanente por compressão dentro da mesma produção.

PorASTM D573eISO 188De acordo com as normas para o envelhecimento térmico da borracha, a relação entre temperatura e alteração de propriedades é previsível quando a temperatura é controlada com precisão. Produtos vulcanizados na extremidade inferior da faixa de especificação podem apresentar reticulação incompleta, resultando em menor módulo de elasticidade e maior deformação permanente por compressão. Produtos na extremidade superior podem sofrer vulcanização excessiva, tornando-se quebradiços e com alongamento reduzido. Um forno de rolos para vulcanização de borracha com controle preciso de temperatura elimina essa variação entre lotes e entre peças.

Em nossos testes de fábrica com mais de 200 lotes de vulcanização secundária usando o forno de rolos XCJ-K600, observamos que as peças curadas com temperatura controlada por PID dentro de ±1,5°C do ponto de ajuste apresentaram uma variação 23% menor na dureza Shore A em comparação com as peças curadas em fornos com oscilações de temperatura de ±5°C.

Sistemas de controle de temperatura em um forno de rolos para vulcanização de borracha

Os modernos fornos de rolos para vulcanização de borracha integram três sistemas de controle que trabalham em conjunto para manter condições de processamento consistentes.

Controlador PID com saída SSR

O controlador de temperatura PID da Omron nos fornos de rolos XCJ-K600 e XCJ-K900 utiliza um algoritmo proporcional-integral-derivativo para calcular continuamente a potência de aquecimento necessária. O sinal de saída de 4-20 mA aciona um relé de estado sólido (SSR) que modula a potência de aquecimento continuamente, em vez de ligá-lo e desligá-lo intermitentemente. Esse modo de controle contínuo elimina a oscilação de temperatura (sobretensão e subtensão) que ocorre com termostatos simples do tipo liga/desliga. O resultado é uma temperatura estável na câmara com precisão de ±1-2 °C em pontos de ajuste entre a temperatura ambiente e 260 °C.

Sistema de circulação de ar quente

O motor de eixo longo de alta temperatura que aciona o ventilador da turbina produz uma circulação de ar de 3000 m³/h. Como o ar quente circula continuamente pelo tambor octogonal e sobre as peças de borracha giratórias, todas as superfícies recebem a mesma exposição ao calor. Essa circulação impede a formação de pontos quentes próximos aos aquecedores e zonas frias próximas à porta ou aos cantos. O isolamento de 100 mm em algodão salino mantém a temperatura da parede externa abaixo de 35 °C durante a operação a 200 °C, reduzindo a perda de calor e melhorando a estabilidade da temperatura.

Rotação do tambor octogonal para exposição uniforme ao calor.

O design octogonal do tambor tem uma dupla função: ele gira as peças de borracha através do fluxo de ar quente, e as paredes internas facetadas criam ângulos de queda variáveis ​​que impedem que as peças se encaixem umas nas outras. Uma pilha estática de peças retém o calor no centro, criando diferenças na taxa de cura entre as peças externas e internas. O tambor rotativo elimina essa estratificação, e o motor do rolo (0,75 kW) mantém uma velocidade de rotação constante, independentemente da carga do lote.

Dicas de controle de temperatura para operação de forno de vulcanização de borracha

1. Defina os parâmetros PID com base na massa do lote.Um lote de 50 kg absorve mais calor durante a fase inicial de aquecimento do que um lote de 15 kg. Ajuste a banda proporcional e o tempo integral no controlador PID da Omron para compensar a diferença de massa térmica. Comece com os parâmetros padrão do fabricante e faça ajustes finos com base no tempo de recuperação da temperatura após o carregamento.
2. Pré-aqueça o forno de rolos até a temperatura definida antes de carregá-lo.Ao colocar peças de borracha em um forno que ainda não atingiu o equilíbrio térmico, a temperatura da câmara cai abaixo do ponto de ajuste. O controlador PID reagirá, mas o tempo de recuperação depende da potência do aquecedor (10,5 kW no modelo XCJ-K600) e da massa da carga fria. Aguarde de 15 a 20 minutos para a estabilização após o controlador indicar que o ponto de ajuste foi atingido.
3. Monitore a recuperação da temperatura após o carregamento.O momento mais frio do ciclo de cura ocorre de 3 a 5 minutos após o carregamento de um novo lote. A queda de temperatura não deve exceder 10 °C para o XCJ-K600 com uma carga de 15 a 20 kg. Se a queda exceder 15 °C, reduza o tamanho do lote ou aumente o tempo de pré-aquecimento.
4. Utilize a função de temporizador para um controle de ciclo consistente.O temporizador de 0 a 99,99 horas com parada automática do aquecedor e alarme sonoro garante que cada lote receba o mesmo tempo de cura. Não confie na cronometragem manual, pois a variabilidade do operador introduz variações desnecessárias no processo.
5. Calibre o controlador PID anualmente.A deriva do sensor de temperatura ao longo do tempo afeta a precisão do controlador. A entrada do controlador Omron deve ser verificada com um termopar de referência calibrado pelo menos uma vez por ano. Recalibre se a leitura diferir em mais de 2 °C da referência na temperatura operacional típica.
6. Verifique o sistema de proteção contra sobretemperatura semanalmente.A dupla proteção contra sobretemperatura nos fornos de rolos XCJ-K600 e XCJ-K900 inclui sensores independentes de limite máximo que desligam o aquecedor caso o controlador principal falhe. Teste este sistema elevando o ponto de ajuste do limite máximo acima da temperatura de operação e confirmando se o aquecedor se desconecta.

Temperaturas recomendadas para fornos de cura de compostos de borracha comuns.

As temperaturas são baseadas em diretrizes gerais de formulação. Os parâmetros reais devem ser confirmados com o fornecedor do composto e verificados por meio de testes de propriedades mecânicas de acordo com as normas ASTM D412 e ASTM D395.

Problemas comuns de controle de temperatura em fornos de vulcanização de borracha

A maioria dos problemas de controle de temperatura pode ser identificada através do monitoramento regular do visor do sistema de controle Delta, que fornece informações em tempo real sobre o status operacional.

Selecionando o forno de rolos adequado para a cura da borracha

Os fornos de rolos XCJ-K600 e XCJ-K900 da Xiamen Xingchangjia oferecem dois volumes de processamento para diferentes escalas de produção. O XCJ-K600 possui uma câmara de 600 litros com dimensões de 1300 mm (L) x 1600 mm (A) x 1100 mm (P), adequada para produções de pequeno a médio porte. O XCJ-K900 oferece 900 litros com dimensões de 1300 mm (L) x 1600 mm (A) x 1300 mm (P), projetado para operações de cura em maior volume.

Ambos os modelos compartilham o mesmo sistema central de controle de temperatura — controlador PID Omron, aquecedor de 10,5 kW, ventilador de circulação de 3000 m³/h e dupla proteção contra sobretemperatura. A construção interna e externa em aço inoxidável 304 com 1,5 mm de espessura de parede previne a corrosão ao longo de anos de operação. A faixa de temperatura ajustável, de temperatura ambiente a 280 °C, atende a todos os requisitos comuns de vulcanização secundária para compostos de NBR, EPDM, FKM, silicone e HNBR.

Conclusão: Temperatura de cura consistente significa qualidade de borracha consistente.

O controle de temperatura é o fator mais importante na vulcanização secundária. Um forno de rolos para cura de borracha com controle PID, circulação eficiente de ar quente e rotação octogonal do tambor proporciona as condições de aquecimento uniformes necessárias para uma densidade de reticulação consistente em todas as peças de cada lote. Controladores PID da Omron com saída SSR de 4-20 mA, combinados com circulação de ar de 3000 m³/h e isolamento de 100 mm, garantem a estabilidade de temperatura exigida para conformidade com as normas ISO 188 e ASTM D573.

Os operadores que seguem procedimentos sistemáticos de gestão de temperatura — pré-aquecimento, monitoramento da recuperação, verificação da uniformidade e manutenção dos sistemas de segurança — obtêm menor variação nas propriedades da borracha vulcanizada e maior rendimento de produção.