湯曉水，李 華

（1.江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096，2.江西省江銅耶茲銅箔有限公司，江西 南昌 330096 ）

1 引言

江銅臺(tái)意特種電工材料有限公司于2005 年建成投產(chǎn)，主要產(chǎn)品為耐冷媒漆包線、聚酰胺酰亞胺漆包線、自潤滑聚酰胺酰亞胺漆包線等高端漆包銅圓線，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能2.0 萬t。公司一直致力于以高品質(zhì)的產(chǎn)品為市場客戶服務(wù)，受到社會(huì)廣泛贊譽(yù)。漆包線主工藝設(shè)備是分別從德國Niehoff 公司、奧地利MAG 公司和國內(nèi)西瑪梅達(dá)公司、無錫巨一同創(chuàng)公司、廣東太陽線纜公司等引進(jìn)的具有世界領(lǐng)先水平的拉絲、漆包生產(chǎn)線。公司在建廠初期從奧地利MAG 公司引進(jìn)當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)的MOZART 機(jī)型連拉連包高速漆包機(jī)8 臺(tái)，但截止到2016 年，由于其使用年限較長，而漆包機(jī)烘爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)仍停留在十年前的技術(shù)水平，烘爐的催化燃燒熱風(fēng)循環(huán)的熱量利用效率明顯不高；再加設(shè)備老化烘爐開裂且內(nèi)部變形嚴(yán)重，造成烘爐爐壁熱量和涂漆過程漆包線表面熱量損失嚴(yán)重且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致能耗居高不下，漆包線產(chǎn)品的電單耗達(dá)到1200kW·h/t 以上，生產(chǎn)成本大幅增加，隨著漆包線市場競爭的日趨激烈，利潤嚴(yán)重下降；同時(shí)，我國漆包機(jī)制造企業(yè)在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，秉承節(jié)能減排、綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，已經(jīng)制造出符合我國漆包線生產(chǎn)發(fā)展趨勢的低能耗零排放高速漆包機(jī)。針對(duì)此現(xiàn)狀，公司在2016 年開始陸續(xù)對(duì)MAG 高速漆包機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，以降低漆包線產(chǎn)品單位能耗（電單耗），穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 MAG 高速漆包機(jī)各部分能耗分布

2.1 漆包線生產(chǎn)工藝流程

MAG 高速漆包機(jī)采用連拉連包連續(xù)生產(chǎn)和烘爐廢氣催化燃燒生產(chǎn)工藝，具體生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。漆包線的生產(chǎn)工藝流程概括起來包括在線拉絲、清洗、退火、涂漆、烘焙、冷卻、HVC 在線檢測、潤滑、收線等九個(gè)階段。其中烘焙是影響漆包線生產(chǎn)質(zhì)量的重要工序，在烘焙階段，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)絕緣油漆的有機(jī)溶劑蒸發(fā)和漆膜交聯(lián)固化過程，因此，需要大量的能量補(bǔ)充持續(xù)完成上述反應(yīng)。故烘焙階段是漆包線工藝過程中耗能最大的部分，研究烘爐的節(jié)能技術(shù)對(duì)漆包線的節(jié)能具有非常重要意義［4］。

圖1 高速漆包機(jī)生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 MAG 高速漆包機(jī)各部分能耗統(tǒng)計(jì)

根據(jù)奧地利格拉茨大學(xué)（University of Graz）對(duì)MAG 高速漆包機(jī)生產(chǎn)過程中各部分能耗統(tǒng)計(jì)分析，其能耗分布如圖2 所示：

圖2 高速漆包機(jī)各部分能耗的統(tǒng)計(jì)圖

從上圖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，在漆包線生產(chǎn)過程中，能耗的分配如下：烘爐55%，退火爐18%，各種風(fēng)機(jī)12%，拉絲10%，收線3%，其他2%。從中可以看出，漆包機(jī)烘爐電加熱能耗占比最大，占總能耗的55%，而后三者的傳動(dòng)部分（風(fēng)機(jī)、拉絲、收線）的能耗僅占到25%左右，而且是很難改進(jìn)的。所以，為了實(shí)現(xiàn)漆包機(jī)低能耗（或零能耗），最好的解決方案就是降低烘爐電加熱的能耗，所以要對(duì)高速漆包機(jī)的烘爐節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究并對(duì)其實(shí)施節(jié)能改造。

3 高速漆包機(jī)烘爐的結(jié)構(gòu)及工作原理

烘爐是漆包機(jī)的主要組成部分。高速漆包機(jī)烘爐結(jié)構(gòu)，包括爐膛和催化燃燒室兩部分，具體如圖3 所示。

爐膛包括烘爐入口區(qū)、溶劑蒸發(fā)區(qū)、漆膜固化區(qū)，催化燃燒室位于爐膛上方，催化燃燒室頂部設(shè)有廢氣排出管連接排廢風(fēng)機(jī)，爐膛與催化燃燒室通過循環(huán)風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)回流管道相連接。漆包機(jī)烘爐設(shè)有溫控裝置，溫控裝置包括設(shè)置在烘爐內(nèi)各區(qū)的溫度傳感器和設(shè)置在烘爐外用于接收烘爐內(nèi)信號(hào)的接收控制器。當(dāng)烘爐內(nèi)溫度達(dá)不到烘烤漆包線溫度時(shí)，烘爐內(nèi)溫度傳感器發(fā)出信號(hào)，烘爐繼續(xù)加熱；當(dāng)烘爐內(nèi)的溫度達(dá)到對(duì)漆包線烘烤的溫度時(shí)，烘爐內(nèi)的溫度傳感器對(duì)烘爐外的接收控制器發(fā)出信號(hào)，接收控制器對(duì)烘爐執(zhí)行停止加熱的命令。

MAG 漆包機(jī)的溫度控制點(diǎn)為烘爐固化區(qū)溫度，烘烤溫度只要設(shè)置烘爐固化區(qū)一個(gè)溫度點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)烘爐內(nèi)各區(qū)溫度的自動(dòng)控制。為了確保漆包機(jī)高速生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，MAG 高速漆包機(jī)均采用四頭四爐的結(jié)構(gòu)，每個(gè)烘爐中都具有單獨(dú)的一套電加熱、催化燃燒、熱風(fēng)循環(huán)及PLC控制系統(tǒng)。

裸銅線經(jīng)涂漆后以一定速度進(jìn)入烘爐, 對(duì)銅線表面涂覆的漆液進(jìn)行烘焙, 使漆膜固化。在烘焙過程中, 通過對(duì)烘爐各區(qū)（入口區(qū)、蒸發(fā)區(qū)、固化區(qū)）的溫度以及風(fēng)機(jī)（循環(huán)風(fēng)機(jī)、排廢風(fēng)機(jī)）轉(zhuǎn)速控制,使漆包線漆膜的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到客戶或國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。銅線表面涂覆的漆液在漆包機(jī)烘爐里面不僅存在物理變化還存在復(fù)雜的化學(xué)變化。在物理變化中，油漆中的有機(jī)溶劑在烘爐蒸發(fā)區(qū)進(jìn)行蒸發(fā)，有機(jī)溶劑由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)；而在化學(xué)變化中則是漆膜在烘爐固化區(qū)的交聯(lián)固化反應(yīng)，當(dāng)有機(jī)溶劑蒸發(fā)后，漆膜交聯(lián)固化反應(yīng)開始，并在催化燃燒反應(yīng)的作用下，油漆中的樹脂成分由線狀高分子鏈隨即固化成網(wǎng)狀分子鏈結(jié)構(gòu)，在固化區(qū)形成牢固的漆膜。漆包機(jī)在正常工作狀態(tài)運(yùn)行中，其烘爐內(nèi)部氣流相對(duì)穩(wěn)定，且具有一定的熱量平衡。烘爐熱量的來源包括烘爐電加熱和絕緣油漆中有機(jī)溶劑催化燃燒后產(chǎn)生的大量熱能；而烘爐熱量的損失則是排廢風(fēng)機(jī)排出的廢氣熱量和烘爐熱交換帶走的熱量［5］。

圖3 高速漆包機(jī)烘爐結(jié)構(gòu)示意圖

4 高速漆包機(jī)烘爐節(jié)能技術(shù)的研究與改造

從漆包機(jī)烘爐的工作原理可知，烘爐系統(tǒng)熱量補(bǔ)充是通過電力加熱和溶劑催化燃燒來實(shí)現(xiàn)的，能量的總輸入永遠(yuǎn)等于能量的總消耗。只要將消耗的熱量值降低到相關(guān)溶劑催化燃燒所產(chǎn)生熱量值，那就不需要外部電力加熱或少加熱，就能實(shí)現(xiàn)低能耗（或零能耗）。因而， 為了實(shí)現(xiàn)漆包機(jī)低能耗（或零能耗），最好的解決方案就是改變傳統(tǒng)的電加熱控溫模式，通過電加熱升溫到設(shè)定溫度后，盡量利用溶劑催化燃燒產(chǎn)生的熱量維持溫度，降低烘爐電加熱。而要降低烘爐電加熱，就必須通過優(yōu)化烘爐爐溫曲線、提高有機(jī)溶劑催化燃燒效率、優(yōu)化烘爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)、烘爐排廢熱量的再次利用等技術(shù)創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)烘爐的低能耗、零排放和高環(huán)保要求。

4.1 優(yōu)化烘爐爐溫曲線

漆包機(jī)烘爐的熱量包括電加熱產(chǎn)生的熱能和絕緣油漆有機(jī)溶劑蒸汽催化燃燒產(chǎn)生的高溫廢氣熱能兩種。油漆有機(jī)溶劑催化燃燒產(chǎn)生的高溫廢氣量和溫度以及漆包機(jī)烘爐各區(qū)電加熱的空氣溫度, 會(huì)因漆包線生產(chǎn)工藝不同而發(fā)生變化,其影響程度取決于生產(chǎn)漆包線的型號(hào)、規(guī)格、DV 值、油漆種類 、涂漆道次、循環(huán)和排廢風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素，再加烘爐各區(qū)溫度受爐內(nèi)氣流等因素互相影響并存在一定非線性關(guān)系。

漆包機(jī)爐溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)是采用溫度傳感器對(duì)漆包機(jī)烘爐各區(qū)的空氣溫度信號(hào)進(jìn)行檢測，并將檢測出的信號(hào)傳遞給溫度調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算后發(fā)出控制指令信號(hào)，以控制相應(yīng)的PLC 執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)，通過對(duì)漆包機(jī)烘爐各區(qū)溫度的控制采用模糊PID 控制方法來實(shí)現(xiàn)，使烘爐電加熱、溶劑的催化燃燒、循環(huán)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量或者排廢風(fēng)機(jī)的排廢量隨偏差量的大小而變化，以滿足漆包機(jī)烘爐溫度控制的要求［6］。

通過以上對(duì)生產(chǎn)工藝匹配烘爐各區(qū)域爐溫的模糊PID 控制方式來實(shí)現(xiàn)烘爐爐溫曲線的進(jìn)一步優(yōu)化，確保有機(jī)溶劑催化燃燒充分，減少烘爐熱量的損失，降低烘爐電加熱。

4.2 提高烘爐有機(jī)溶劑催化燃燒效率

漆包機(jī)烘爐有絕緣漆的機(jī)溶劑催化燃燒有三方面的功能。

（1）調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)新鮮空氣吸入量, 使絕緣油漆的有機(jī)溶劑蒸汽催化燃燒充分。

（2） 調(diào)節(jié)排廢風(fēng)機(jī)廢氣排放量以防止觸媒中毒。

（3）維持爐內(nèi)負(fù)壓燃燒，防止有害氣體逸出。

有機(jī)溶劑催化燃燒在烘爐上部的催化燃燒室內(nèi)進(jìn)行，催化燃燒室是由不銹鋼制的耐火爐體和由鍍鈀與鉑貴金屬絲催化劑組成的，機(jī)溶劑催化燃燒后的產(chǎn)生的熱量大部分由循環(huán)風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)道送回至烘爐，少部分用于烘爐上部的出風(fēng)口，目的是產(chǎn)生向下的負(fù)壓,阻止烘爐內(nèi)的有機(jī)溶劑揮發(fā)性氣體在熱壓作用下自然上升的勢頭，少量的多余氣體作為尾氣經(jīng)進(jìn)入熱交換器預(yù)熱補(bǔ)給風(fēng)機(jī)所吸入的新鮮空氣后排出。

根據(jù)上述控制要求，設(shè)計(jì)了以負(fù)壓為前饋?zhàn)兞繉?duì)排廢流量進(jìn)行校正，再按比例調(diào)節(jié)吸入風(fēng)量的協(xié)調(diào)控制方案, 使二者流量均勻變化, 維持燃燒區(qū)爐內(nèi)負(fù)壓穩(wěn)定, 并根據(jù)烘爐固化區(qū)溫度, 動(dòng)態(tài)調(diào)整比例因子, 以減少對(duì)爐溫的擾動(dòng)［1］。排廢風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與烘爐入口的氣流負(fù)壓連動(dòng)，根據(jù)漆包線生產(chǎn)的型號(hào)、規(guī)格及DV 值，PLC 控制系統(tǒng)計(jì)算出爐入口新鮮空氣吸入量，以此作為給定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)排廢風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；循環(huán)風(fēng)機(jī)采取模糊智能控制，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)不同型號(hào)、規(guī)格及DV 值，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫輸出對(duì)應(yīng)工藝配方的循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，取消了人工跟蹤與調(diào)節(jié)。從而提高有機(jī)溶劑催化燃燒效率，減少烘爐“煙道損失”。

4.3 優(yōu)化烘爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)

按照上述新設(shè)計(jì)的烘爐爐溫曲線，優(yōu)化烘爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高熱空氣流暢的循環(huán)，達(dá)到熱量的最高效率的利用，降低烘爐的加熱比率。

優(yōu)化烘爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過改變高速漆包機(jī)爐膛循環(huán)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)，將熱風(fēng)循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槎未呋紵?，改變傳統(tǒng)模式使溶劑在爐膛內(nèi)充分燃燒，釋放的熱能能夠維持長時(shí)間的高溫，達(dá)到廢物循環(huán)利用的目的，同時(shí)降低廢氣向外排放量，符合我國倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念。

由于爐內(nèi)氣體流量較小，減少截面對(duì)提高氣體流速意義更大，在烘爐的入口區(qū)增加均風(fēng)裝置擋板、固化區(qū)內(nèi)壁上下面設(shè)計(jì)成波浪狀，改變氣流方向盡量采取橫向沖刷，使烘爐系統(tǒng)各區(qū)域溫度分布較均勻，溫度分布更合理，烘爐進(jìn)出口的壓力更合適，與傳統(tǒng)機(jī)臺(tái)相比，烘爐入口區(qū)、蒸發(fā)區(qū)溫度得到提高，但固化區(qū)的溫度卻在下降，使漆包線從進(jìn)入烘爐入口區(qū)開始就一邊溶劑蒸發(fā)一邊開始固化，到了固化區(qū)就徹底完成了漆膜的固化，從而進(jìn)一步提高傳熱效率［2］。

考慮到底涂涂漆道次最多，將烘爐涂漆臺(tái)的底涂與面涂位置進(jìn)行調(diào)換，使底涂涂漆槽距離烘爐入口最近，有利于涂漆臺(tái)揮發(fā)的大部分溶劑進(jìn)入烘爐催化燃燒，提升催化燃燒效率，實(shí)現(xiàn)烘爐節(jié)能。

改進(jìn)烘爐保溫措施并增加爐體長度。全部選用新材料高品質(zhì)陶瓷纖維棉且通過多層次的阻隔方式以解決爐體的隔熱保護(hù)，盡量降低爐內(nèi)熱量對(duì)爐壁的熱輻射損失；烘爐長度在原來的基礎(chǔ)上增加1.2m，以延長漆包線在爐內(nèi)的烘焙時(shí)間，進(jìn)一步降低烘爐固化區(qū)溫度，減少電加熱，提高熱效應(yīng)。

冷卻段進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)改造。更換原MAG 高速漆包機(jī)的冷卻風(fēng)道，使用不銹鋼材料；冷卻風(fēng)機(jī)由原大功率4kW 減小到1.5kW，并把風(fēng)機(jī)改造成變頻調(diào)速，降低風(fēng)機(jī)能耗，提升成品漆包線的冷卻效率；增加線表溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線溫自動(dòng)控制，并加設(shè)隔熱保護(hù)裝置，降低線表熱量的散發(fā)，提高線表溫度，利用線表自身溫度實(shí)現(xiàn)溶劑蒸發(fā)。

生產(chǎn)工藝的優(yōu)化升級(jí)。由于冷卻段進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)改造，提升成品漆包線的冷卻效率，為DV 值的提升提供有利條件，如Φ 0.80mm 規(guī)格DV 值由改造前的115 提升至140 左右，提高生產(chǎn)效率，降低能耗。

對(duì)排廢熱量的再利用，把熱量綜合利用率達(dá)到最高。利用漆包機(jī)烘爐排出的高溫廢氣，經(jīng)熱交換器加熱水產(chǎn)生高溫蒸汽，輸入到漆包機(jī)退火爐進(jìn)行裸銅線退火的防氧化保護(hù)，拆除了原有的電蒸汽發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)熱量利用的最大化。同時(shí)，確保完全凈化廢氣催化燃燒充分且?guī)Ф蝺艋b置，實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放［3］。

5 烘爐節(jié)能改造后的效益分析

為降低漆包線能耗，實(shí)現(xiàn)漆包線產(chǎn)品生產(chǎn)成本下降，我公司于2016 年7 月至8 月對(duì)2005 年引進(jìn)的奧地利MAG 連拉連包高速漆包機(jī)H5 機(jī)臺(tái)（型號(hào)：MOZART H5/4-4/24D，生產(chǎn)漆包線規(guī)格：Φ 0.30～0.80mm）的烘爐進(jìn)行節(jié)能改造?，F(xiàn)將H5 機(jī)臺(tái)烘爐節(jié)能改造前、后一個(gè)月的生產(chǎn)漆包線產(chǎn)品的線徑、產(chǎn)量、電單耗等數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。

表1 H5 烘爐節(jié)能改造前、后生產(chǎn)漆包線線徑、產(chǎn)量、電單耗等數(shù)據(jù)對(duì)比

從上表數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：在H5 烘爐節(jié)能改造前，5 月29 日至6 月28 日一個(gè)月的生產(chǎn)周期內(nèi)，漆包線生產(chǎn)總產(chǎn)量102.896t，平均電單耗是1277.64kW·h/t（換算成改造后相同的加權(quán)線徑的電單耗是1204.2kW·h/t）；而在H5 烘爐節(jié)能改造后，9 月29 日至10 月28 日一個(gè)月的生產(chǎn)周期內(nèi)，漆包線生產(chǎn)總產(chǎn)量109.173t，平均電單耗是515.60kW·h/t。烘爐節(jié)能改造后電單耗下降1204.2-515.6=688.6kW·h/t，電費(fèi)按0.60 元/度計(jì)算，每噸漆包線成本可下降688.6*0.60=413.2 元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，因而MAG 高速漆包機(jī)的烘爐節(jié)能改造具有廣泛推廣應(yīng)用的前景。

6 結(jié)束語

隨著我國近幾年大力倡導(dǎo)節(jié)能減排、綠色環(huán)保理念以及智能制造的應(yīng)用，尤其是工業(yè)制造的漆包線行業(yè)，應(yīng)該對(duì)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式進(jìn)行改造和升級(jí)，降低能耗實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。我公司通過對(duì)MAG 高速漆包機(jī)烘爐節(jié)能技術(shù)的研究與改造實(shí)踐，烘爐節(jié)能改造后大大提升了電能的利用率，大幅降低漆包線生產(chǎn)過程中的電耗成本，為企業(yè)取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)已經(jīng)有很多漆包線企業(yè)使用該技術(shù)達(dá)到了很好的節(jié)能效果，因而低能耗零排放漆包機(jī)的烘爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)是當(dāng)前漆包線行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。所以，我公司又在2017 年陸續(xù)對(duì)剩下的6 臺(tái)MAG 高速漆包機(jī)進(jìn)行了烘爐節(jié)能改造，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。