ゴム加硫用ローラーオーブン：温度制御のヒント

By マイク・チェン生産ディレクター | ゴム製造業における12年以上の経験 |LinkedIn

主なポイント

• PID温度制御により、硬化炉の温度を設定値の±1～2℃以内に維持します。これは、バッチ内のすべての部品において均一な架橋密度を得るために非常に重要です。
• 八角形のドラムを備えたローラーオーブンは、連続回転によって部品のすべての表面が循環する熱風にさらされるため、静止型オーブンよりも優れた温度均一性を実現します。
• オムロン製の4-20mA SSR出力付きPIDコントローラは、ヒーターのオン/オフを繰り返すのではなく、電力を連続的に変調することで、ヒーターのオーバーシュートを防ぎます。
• 最新のローラー式硬化炉に搭載されている二重過昇温保護システムは、主制御装置が故障した場合にヒーターを自動的に停止させ、火災や製品の損傷を防ぎます。

ゴム加硫用のローラーオーブンは、一次加硫プレスとは異なる目的で使用されます。二次加硫（後加硫とも呼ばれる）は、圧縮成形または射出成形で開始される架橋プロセスを完了させる工程です。二次加硫中もゴム化合物の物性は変化し続けるため、加硫オーブン内の温度を一定に保つことが最終製品の品質に直接影響します。

この記事では、ゴム加硫用ローラーオーブンで使用される温度制御システム、均一な加熱を維持するための実践的なヒント、およびさまざまなゴム配合やバッチサイズに合わせてプロセスパラメータを最適化する方法について解説します。

ゴム加硫炉の温度制御が製品品質に影響を与える理由

ゴムの加硫は、化合物の加硫曲線によって定義される時間と温度の関係に従います。加硫温度が10℃上昇するごとに、反応速度は約2倍になります。同じ製造ロット内でも、部品の温度がわずか5℃変動するだけで、引張強度、破断伸度、圧縮永久歪みに測定可能な差が生じる可能性があります。

パーASTM D573そしてISO 188ゴムの熱老化に関する規格では、温度を正確に制御すれば、温度と物性変化の関係を予測できます。規格範囲の下限で加硫された製品は、架橋が不完全となり、弾性率が低下し、圧縮永久歪みが大きくなる可能性があります。一方、上限で加硫された製品は、過加硫となり、脆くなり、伸びが低下する可能性があります。精密な温度制御が可能なゴム加硫用ローラーオーブンを使用することで、このようなバッチ間および部品間のばらつきを解消できます。

XCJ-K600ローラーオーブンを用いた200以上の二次加硫バッチにおける当社の工場試験において、設定温度から±1.5℃以内の温度でPID制御された温度で加硫された部品は、±5℃の温度変動のあるオーブンで加硫された部品と比較して、ショアA硬度のばらつきが23%低いことが観察されました。

ゴム加硫用ローラーオーブンの温度制御システム

ゴム加硫用の最新のローラーオーブンは、一貫した処理条件を維持するために連携して動作する3つの制御システムを統合しています。

SSR出力付きPIDコントローラ

XCJ-K600およびXCJ-K900ローラーオーブンに搭載されているオムロン製PID温度コントローラは、比例積分微分（PID）アルゴリズムを用いて、必要なヒーター出力を連続的に計算します。4～20mAの出力信号はソリッドステートリレー（SSR）を駆動し、ヒーターのオン/オフを繰り返すのではなく、ヒーター出力を連続的に制御します。この連続制御モードにより、単純なオン/オフ式サーモスタットで発生する温度のオーバーシュートやアンダーシュートが解消されます。その結果、室温から260℃までの設定温度において、±1～2℃の精度で安定した庫内温度を実現します。

温風循環システム

高温対応の長軸モーターがタービンファンを駆動し、毎時3000立方メートルの空気循環を実現します。熱風は八角形のドラム内を連続的に流れ、回転するゴム部品の上を通過するため、すべての部品表面が均一に熱を受けます。この循環により、ヒーター付近の高温部分や、ドアやコーナー付近の低温部分の発生を防ぎます。100mm厚の塩綿断熱材は、200℃での運転時でも外壁温度を35℃以下に維持し、熱損失を低減して温度安定性を向上させます。

均一な熱照射を実現する八角形ドラムの回転

八角形のドラム設計は二つの目的を果たします。一つはゴム部品を熱風の流れの中で回転させること、もう一つは多面体の内壁が様々な落下角度を生み出し、部品同士が重なり合うのを防ぐことです。部品が静止した状態で積み重なると、中心部に熱がこもり、外側と内側の部品の硬化速度に差が生じます。回転ドラムはこの層状化を解消し、ローラーモーター（0.75kW）はバッチ負荷に関わらず一定の回転速度を維持します。

ゴム加硫炉の温度制御に関するヒント

1. バッチ質量に基づいてPIDパラメータを設定します。50kgのバッチは、15kgのバッチよりも初期のウォームアップ段階でより多くの熱を吸収します。熱容量の違いを考慮して、オムロン製PIDコントローラーの比例帯と積分時間を調整してください。メーカーのデフォルト設定から始め、負荷投入後の温度回復時間に基づいて微調整してください。
2. ローラーオーブンに材料を入れる前に、設定温度まで予熱してください。熱平衡に達していないオーブンにゴム部品を投入すると、チャンバー内の温度が設定値以下に低下します。PIDコントローラーは反応しますが、回復時間はヒーター出力（XCJ-K600では10.5kW）と冷却された部品の質量によって異なります。コントローラーが設定値に達したことを示してから、15～20分間安定するまでお待ちください。
3. 負荷後の温度回復を監視する。硬化サイクルの中で最も温度が下がるのは、新しいバッチを投入してから3～5分後です。15～20kgの負荷の場合、XCJ-K600の温度低下は10℃を超えてはなりません。温度低下が15℃を超える場合は、バッチサイズを減らすか、予熱時間を長くしてください。
4. タイマー機能を使用すると、サイクルを一定に保つことができます。0～99.99時間のタイマーには、ヒーターの自動停止機能とアラーム音が搭載されており、各バッチが均一な硬化時間で処理されることを保証します。オペレーターのばらつきによって工程に不必要な変動が生じるため、手動による時間設定は避けてください。
5. PIDコントローラーは毎年校正してください。温度センサーの経年変化によるドリフトは、コントローラーの精度に影響を与えます。オムロン製コントローラーの入力値は、少なくとも年に一度、校正済みの基準熱電対と比較して検証する必要があります。標準動作温度において、読み値が基準値と2℃以上異なる場合は、再校正を行ってください。
6. 過熱保護システムを毎週点検してください。XCJ-K600およびXCJ-K900ローラーオーブンに搭載されている二重過熱保護機能は、主制御装置が故障した場合にヒーターを停止させる独立した高温リミットセンサーを備えています。このシステムをテストするには、高温リミット設定値を動作温度以上に上げて、ヒーターが遮断されることを確認してください。

一般的なゴム化合物の推奨加硫炉温度

温度は一般的な配合ガイドラインに基づいています。実際のパラメータは、配合物供給業者に確認し、ASTM D412およびASTM D395に準拠した機械的特性試験によって検証する必要があります。

ゴム加硫炉における一般的な温度制御の問題点

ほとんどの温度制御に関する問題は、リアルタイムの動作状況情報を提供するデルタ制御システムのディスプレイを定期的に監視することで特定できます。

ゴム加硫に適したローラーオーブンの選び方

厦門興昌佳のローラーオーブンXCJ-K600とXCJ-K900は、異なる生産規模に対応するため、2種類の処理容量を備えています。XCJ-K600は、容量600リットル、寸法1300mm（幅）×1600mm（高さ）×1100mm（厚さ）で、小規模から中規模の生産に適しています。一方、XCJ-K900は、容量900リットル、寸法1300mm（幅）×1600mm（高さ）×1300mm（厚さ）で、より大規模な硬化処理向けに設計されています。

両モデルとも、オムロン製PIDコントローラー、10.5kWヒーター、3000CBM/hの循環ファン、二重過昇温保護といった共通のコア温度制御システムを採用しています。内外装ともに1.5mm厚の304ステンレス鋼製で、長年の使用による腐食を防ぎます。室温から280℃までの温度調整範囲は、NBR、EPDM、FKM、シリコーン、HNBRコンパウンドの二次加硫に必要なあらゆる条件に対応します。

結論：一定の加硫温度は一定のゴム品質を意味する

二次加硫において、温度制御は最も重要な要素です。PID制御、効率的な熱風循環、八角形ドラム回転を備えたゴム加硫用ローラーオーブンは、各バッチのすべての部品において均一な架橋密度を実現するために必要な均一な加熱条件を提供します。4-20mA SSR出力のオムロン製PIDコントローラと、3000CBM/hの空気循環、100mmの断熱材を組み合わせることで、ISO 188およびASTM D573規格への準拠に必要な温度安定性を確保しています。

予熱、回復状況の監視、均一性の確認、安全システムの維持といった体系的な温度管理手順に従う作業者は、加硫ゴムの特性のばらつきを少なくし、生産歩留まりを向上させることができる。