張志方, 夏世文

(1.金杯電工股份有限公司, 長(zhǎng)沙 410205;2.武漢第二電線電纜有限公司, 武漢 430000)

0 引言

塑料機(jī)械發(fā)展至今,已經(jīng)達(dá)到具有一定規(guī)模的高精度、高技術(shù)的階段。 其中,加熱系統(tǒng)也經(jīng)過(guò)幾個(gè)發(fā)展歷程,包括液體加熱方法、電阻加熱法、石英加熱法、電磁加熱法[1],多用于擠塑機(jī)和擠出機(jī)。 擠塑機(jī)主機(jī)主要由擠出系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和機(jī)身組成,其原理是塑料通過(guò)加熱系統(tǒng)加熱熔融,再通過(guò)擠出系統(tǒng)塑化成均勻的熔體,并在壓力下被螺桿連續(xù)定壓、定量、定溫地?cái)D出機(jī)頭。 要實(shí)現(xiàn)塑料的成型擠出,關(guān)鍵部分為擠壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)。 一方面,加熱系統(tǒng)中加熱溫度的平穩(wěn)性等方面對(duì)塑料制品的質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用[2-3];另一方面,擠塑機(jī)設(shè)備的電能耗成本在企業(yè)整體成本中占相當(dāng)?shù)谋壤?而傳動(dòng)系統(tǒng)中的主電機(jī)與加熱系統(tǒng)輸入能量占擠塑機(jī)設(shè)備能耗比為91.63%[4]。 因此,企業(yè)需要根據(jù)自身情況,并結(jié)合當(dāng)前節(jié)能低碳、綠色制造的環(huán)境,探索新型加熱技術(shù),制造出更節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品,同時(shí)降低企業(yè)整體的能耗與成本。

本工作對(duì)φ150 型擠塑機(jī)(SJ-150 單螺桿結(jié)構(gòu))、φ120 型擠塑機(jī)(SJ-120 單螺桿結(jié)構(gòu))及φ90 型擠塑機(jī)(SJ-90 單螺桿結(jié)構(gòu))主機(jī)加熱系統(tǒng)進(jìn)行改造,將現(xiàn)有鑄鋁加熱器替換成石英管加熱器,并對(duì)其改造后的應(yīng)用效果進(jìn)行分析、研究。 通過(guò)統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行12 個(gè)月每月的耗電,分析對(duì)比了3 種擠塑機(jī)型改造前后在升溫過(guò)程中主機(jī)加熱部分功率的變化和差異,驗(yàn)證了石英管加熱器在擠塑機(jī)加熱系統(tǒng)中的可行性。

1 鑄鋁加熱器技術(shù)

目前,擠塑機(jī)的加熱系統(tǒng)常采用的加熱技術(shù)是鑄鋁加熱器,鑄鋁加熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

鑄鋁加熱器是將電阻絲裝于金屬管中,并填進(jìn)氧化鎂粉之類的絕緣材料,然后將此金屬管鑄于鋁合金中。 該鑄鋁加熱器是經(jīng)改進(jìn)后的電阻加熱器,相較于舊式電阻加熱器,既保持了體積小、加熱溫度較高及裝設(shè)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),又省去云母片,降低了加熱器的成本。 鑄鋁加熱器的最高加熱溫度一般為350 ～370 ℃。 此外,由于電阻絲裝于加熱金屬管內(nèi)密實(shí)的氧化鎂粉中,具有防氧化、防潮、防震和防爆等性能,提高了加熱器的使用壽命和傳熱效果。

但是,鑄鋁加熱器所需功率大,外部無(wú)保溫結(jié)構(gòu),導(dǎo)致熱量損失較大,降低了最終的加熱效率,需要消耗更多的能源與成本以保障持續(xù)的生產(chǎn)。 研究表明,鑄鋁加熱器的熱效率只有32%,其余68% 的熱能損耗會(huì)擴(kuò)散到空氣中, 使外殼溫度大于200 ℃[5],既不符合當(dāng)前低碳節(jié)能、綠色環(huán)保及高質(zhì)量發(fā)展的理念,也不符合降本增效和可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 石英管加熱器技術(shù)

石英管加熱器結(jié)構(gòu)從內(nèi)至外依次為石英管發(fā)熱層、反射層、保溫層和外殼,結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 石英管加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

石英管加熱器的加熱原理是將通電的電阻絲穿入石英玻璃管中,石英玻璃管能夠反射電阻絲產(chǎn)生的熱能和光能。 安裝時(shí),石英玻璃管貼近機(jī)筒的一面,不僅能夠直接傳導(dǎo)熱光能量,通過(guò)反射作用將熱量輻射到機(jī)筒面,還能夠有效防止熱量流失,不需要在加熱外側(cè)和端面添加具有反光功能的保溫材料進(jìn)行保溫[6]。 石英管加熱器體積較小,質(zhì)量較輕,裝卸方便,加熱效率高,且維護(hù)簡(jiǎn)單,但成本與鑄鋁加熱器相當(dāng)[4]。 故障時(shí),一般只是單根石英加熱管損壞,直接替換即可。

3 改造應(yīng)用與效果對(duì)比

3.1 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

本工作對(duì)φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機(jī)進(jìn)行了主機(jī)加熱部分的改造,將鑄鋁加熱器替換為石英管加熱器。 技術(shù)改造后,通過(guò)石英加熱系統(tǒng)對(duì)螺筒內(nèi)的原料進(jìn)行加熱,預(yù)熱90 min。 各擠塑機(jī)具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 3 種擠塑機(jī)的技術(shù)參數(shù)

由表1 可知,φ150 型擠塑機(jī)在升溫過(guò)程中主機(jī)加熱部分功率最高為66 kW;改造后,升溫過(guò)程中主機(jī)加熱部分功率最高為38 kW,改造后節(jié)電率為42%。φ120 型擠塑機(jī)在升溫過(guò)程中主機(jī)加熱部分功率最高為60 kW;改造后,升溫過(guò)程中主機(jī)加熱部分最高功率為33 kW,改造后節(jié)電率為45%。φ90型擠塑機(jī)在升溫過(guò)程中主機(jī)加熱部分功率最高為35 kW;改造后,升溫過(guò)程中主機(jī)加熱部分功率最高為24 kW,改造后節(jié)電率為32%。

3.2 功率對(duì)比

擠塑機(jī)加熱系統(tǒng)主要通過(guò)電加熱塊加熱,其包括電熱絲、正溫度系數(shù)熱敏電阻、電磁鐵、鐵板、彈性件、正接電板和負(fù)接電板。 正接電板和負(fù)接電板串聯(lián),正溫度系數(shù)熱敏電阻和電磁鐵串聯(lián);電熱絲和正溫度系數(shù)熱敏電阻位于擠塑機(jī)料筒的空腔內(nèi),正溫度系數(shù)熱敏電阻的居里溫度為預(yù)設(shè)溫度;電磁鐵與鐵板相對(duì)設(shè)置,空腔內(nèi)的溫度低于居里溫度時(shí),電磁鐵通電對(duì)鐵板施加磁性吸附力,鐵板與正接電板、負(fù)接電板相抵,電熱絲工作。 空腔內(nèi)的溫度高于居里溫度時(shí),鐵板在彈性件作用下與正接電板、負(fù)接電板分離,電熱絲斷電停止工作,避免了加熱溫度出現(xiàn)較大幅度的變化,使得加熱溫度恒定在預(yù)設(shè)溫度左右。改造后,在保持溫控區(qū)段一致的情況下,選用單塊功率小的加熱塊,以此來(lái)控制總功率。 改造前后主機(jī)部分的加熱總功率對(duì)比見表2。

表2 改造前后主機(jī)部分加熱總功率對(duì)比

由表2 可知,改造前φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機(jī)主機(jī)部分的總加熱功率分別為108,66,40 kW,改造后分別為72,42,25 kW。 由此得知,3 種機(jī)型擠塑機(jī)改造后主機(jī)部分的加熱總功率均明顯低于改造前。

3.2.1 能耗分析

擠塑機(jī)加熱系統(tǒng)改造后,投入生產(chǎn)使用,記錄φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機(jī)設(shè)備運(yùn)行12 個(gè)月的用電量數(shù)據(jù),并與改造前擠塑機(jī)設(shè)備的用電量對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 改造前后設(shè)備用電量對(duì)比

由圖3 可知,φ150 型擠塑機(jī)主機(jī)加熱部分在改造前每年總的耗電量為290 837 kW·h;改造后的耗電量為168 587 kW·h,節(jié)約電量為122 250 kW·h;φ120 型擠塑機(jī)主機(jī)加熱部分在改造前的每年總耗電量為 123 210 kW·h, 改造后的耗電量為67 765 kW·h,節(jié)約電量55 445 kW·h;φ90 型擠塑機(jī)主機(jī)加熱部分在改造前每年總的耗電量為85 335 kW·h,改造后的耗電量為58 029 kW·h,節(jié)約電量為27 306 kW·h。由此可知,3 種機(jī)型擠塑機(jī)改造后主機(jī)部分每年總的耗電量均明顯低于改造前,可有效降低能耗。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

改造后的φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機(jī)全年節(jié)約電量分別為122 250,55 445,27 306 kW·h。改造前后全年總能耗對(duì)比見表3。

由表3 可知,改造后的φ150 型、φ120 型、φ90型擠塑機(jī)全年共計(jì)節(jié)約電量為205 001 kW·h,按照現(xiàn)在用電單價(jià)計(jì)算,全年可節(jié)約14.4 萬(wàn)元。 同時(shí),一整年石英管加熱器運(yùn)行情況良好,未出現(xiàn)內(nèi)部石英加熱管損壞的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作對(duì)φ150 型、φ120 型及φ90 型3 臺(tái)擠塑機(jī)的加熱系統(tǒng)進(jìn)行改造,將傳統(tǒng)的鑄鋁加熱器替換為石英管加熱器,并經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證,其節(jié)電率分別達(dá)到42%,45%,32%,證明了石英管加熱器具有較高的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益,具有較好的推廣價(jià)值,可供國(guó)內(nèi)同行借鑒。