淺談MAG高速漆包機烘爐的節能技術與改造

湯曉水，李 華

（1.江西銅業加工事業部，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

江銅臺意特種電工材料有限公司于2005 年建成投產，主要產品為耐冷媒漆包線、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，年設計產能2.0 萬t。公司一直致力于以高品質的產品為市場客戶服務，受到社會廣泛贊譽。漆包線主工藝設備是分別從德國Niehoff 公司、奧地利MAG 公司和國內西瑪梅達公司、無錫巨一同創公司、廣東太陽線纜公司等引進的具有世界領先水平的拉絲、漆包生產線。公司在建廠初期從奧地利MAG 公司引進當時世界先進的MOZART 機型連拉連包高速漆包機8 臺，但截止到2016 年，由于其使用年限較長，而漆包機烘爐系統結構設計及工藝設計仍停留在十年前的技術水平，烘爐的催化燃燒熱風循環的熱量利用效率明顯不高；再加設備老化烘爐開裂且內部變形嚴重，造成烘爐爐壁熱量和涂漆過程漆包線表面熱量損失嚴重且產品質量不穩定，導致能耗居高不下，漆包線產品的電單耗達到1200kW·h/t 以上，生產成本大幅增加，隨著漆包線市場競爭的日趨激烈，利潤嚴重下降；同時，我國漆包機制造企業在消化吸收國外先進技術的同時，秉承節能減排、綠色環保的設計理念，已經制造出符合我國漆包線生產發展趨勢的低能耗零排放高速漆包機。針對此現狀，公司在2016 年開始陸續對MAG 高速漆包機進行節能改造，以降低漆包線產品單位能耗（電單耗），穩定產品質量，提高經濟效益。

2 MAG 高速漆包機各部分能耗分布

2.1 漆包線生產工藝流程

MAG 高速漆包機采用連拉連包連續生產和烘爐廢氣催化燃燒生產工藝，具體生產工藝流程如圖1 所示。漆包線的生產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、收線等九個階段。其中烘焙是影響漆包線生產質量的重要工序，在烘焙階段，發生復雜的物理化學反應，實現絕緣油漆的有機溶劑蒸發和漆膜交聯固化過程，因此，需要大量的能量補充持續完成上述反應。故烘焙階段是漆包線工藝過程中耗能最大的部分，研究烘爐的節能技術對漆包線的節能具有非常重要意義［4］。

圖1 高速漆包機生產工藝流程圖

2.2 MAG 高速漆包機各部分能耗統計

根據奧地利格拉茨大學（University of Graz）對MAG 高速漆包機生產過程中各部分能耗統計分析，其能耗分布如圖2 所示：

圖2 高速漆包機各部分能耗的統計圖

從上圖統計數據分析可知，在漆包線生產過程中，能耗的分配如下：烘爐55%，退火爐18%，各種風機12%，拉絲10%，收線3%，其他2%。從中可以看出，漆包機烘爐電加熱能耗占比最大，占總能耗的55%，而后三者的傳動部分（風機、拉絲、收線）的能耗僅占到25%左右，而且是很難改進的。所以，為了實現漆包機低能耗（或零能耗），最好的解決方案就是降低烘爐電加熱的能耗，所以要對高速漆包機的烘爐節能技術進行研究并對其實施節能改造。

3 高速漆包機烘爐的結構及工作原理

烘爐是漆包機的主要組成部分。高速漆包機烘爐結構，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、溶劑蒸發區、漆膜固化區，催化燃燒室位于爐膛上方，催化燃燒室頂部設有廢氣排出管連接排廢風機，爐膛與催化燃燒室通過循環風機和熱風回流管道相連接。漆包機烘爐設有溫控裝置，溫控裝置包括設置在烘爐內各區的溫度傳感器和設置在烘爐外用于接收烘爐內信號的接收控制器。當烘爐內溫度達不到烘烤漆包線溫度時，烘爐內溫度傳感器發出信號，烘爐繼續加熱；當烘爐內的溫度達到對漆包線烘烤的溫度時，烘爐內的溫度傳感器對烘爐外的接收控制器發出信號，接收控制器對烘爐執行停止加熱的命令。

MAG 漆包機的溫度控制點為烘爐固化區溫度，烘烤溫度只要設置烘爐固化區一個溫度點就能實現烘爐內各區溫度的自動控制。為了確保漆包機高速生產過程中產品質量的穩定性和一致性，MAG 高速漆包機均采用四頭四爐的結構，每個烘爐中都具有單獨的一套電加熱、催化燃燒、熱風循環及PLC控制系統。

裸銅線經涂漆后以一定速度進入烘爐, 對銅線表面涂覆的漆液進行烘焙, 使漆膜固化。在烘焙過程中, 通過對烘爐各區（入口區、蒸發區、固化區）的溫度以及風機（循環風機、排廢風機）轉速控制,使漆包線漆膜的各項性能指標達到客戶或國家技術標準。銅線表面涂覆的漆液在漆包機烘爐里面不僅存在物理變化還存在復雜的化學變化。在物理變化中，油漆中的有機溶劑在烘爐蒸發區進行蒸發，有機溶劑由液態變為氣態；而在化學變化中則是漆膜在烘爐固化區的交聯固化反應，當有機溶劑蒸發后，漆膜交聯固化反應開始，并在催化燃燒反應的作用下，油漆中的樹脂成分由線狀高分子鏈隨即固化成網狀分子鏈結構，在固化區形成牢固的漆膜。漆包機在正常工作狀態運行中，其烘爐內部氣流相對穩定，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溶劑催化燃燒后產生的大量熱能；而烘爐熱量的損失則是排廢風機排出的廢氣熱量和烘爐熱交換帶走的熱量［5］。

圖3 高速漆包機烘爐結構示意圖

4 高速漆包機烘爐節能技術的研究與改造

從漆包機烘爐的工作原理可知，烘爐系統熱量補充是通過電力加熱和溶劑催化燃燒來實現的，能量的總輸入永遠等于能量的總消耗。只要將消耗的熱量值降低到相關溶劑催化燃燒所產生熱量值，那就不需要外部電力加熱或少加熱，就能實現低能耗（或零能耗）。因而， 為了實現漆包機低能耗（或零能耗），最好的解決方案就是改變傳統的電加熱控溫模式，通過電加熱升溫到設定溫度后，盡量利用溶劑催化燃燒產生的熱量維持溫度，降低烘爐電加熱。而要降低烘爐電加熱，就必須通過優化烘爐爐溫曲線、提高有機溶劑催化燃燒效率、優化烘爐系統結構和工藝設計、烘爐排廢熱量的再次利用等技術創新來實現烘爐的低能耗、零排放和高環保要求。

4.1 優化烘爐爐溫曲線

漆包機烘爐的熱量包括電加熱產生的熱能和絕緣油漆有機溶劑蒸汽催化燃燒產生的高溫廢氣熱能兩種。油漆有機溶劑催化燃燒產生的高溫廢氣量和溫度以及漆包機烘爐各區電加熱的空氣溫度, 會因漆包線生產工藝不同而發生變化,其影響程度取決于生產漆包線的型號、規格、DV 值、油漆種類 、涂漆道次、循環和排廢風機轉速等因素，再加烘爐各區溫度受爐內氣流等因素互相影響并存在一定非線性關系。

漆包機爐溫的自動控制系統是采用溫度傳感器對漆包機烘爐各區的空氣溫度信號進行檢測，并將檢測出的信號傳遞給溫度調節器進行運算后發出控制指令信號，以控制相應的PLC 執行控制機構，通過對漆包機烘爐各區溫度的控制采用模糊PID 控制方法來實現，使烘爐電加熱、溶劑的催化燃燒、循環風機的送風量或者排廢風機的排廢量隨偏差量的大小而變化，以滿足漆包機烘爐溫度控制的要求［6］。

通過以上對生產工藝匹配烘爐各區域爐溫的模糊PID 控制方式來實現烘爐爐溫曲線的進一步優化，確保有機溶劑催化燃燒充分，減少烘爐熱量的損失，降低烘爐電加熱。

4.2 提高烘爐有機溶劑催化燃燒效率

漆包機烘爐有絕緣漆的機溶劑催化燃燒有三方面的功能。

（1）調節循環風機新鮮空氣吸入量, 使絕緣油漆的有機溶劑蒸汽催化燃燒充分。

（2） 調節排廢風機廢氣排放量以防止觸媒中毒。

（3）維持爐內負壓燃燒，防止有害氣體逸出。

有機溶劑催化燃燒在烘爐上部的催化燃燒室內進行，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，機溶劑催化燃燒后的產生的熱量大部分由循環風機經風道送回至烘爐，少部分用于烘爐上部的出風口，目的是產生向下的負壓,阻止烘爐內的有機溶劑揮發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進入熱交換器預熱補給風機所吸入的新鮮空氣后排出。

根據上述控制要求，設計了以負壓為前饋變量對排廢流量進行校正，再按比例調節吸入風量的協調控制方案, 使二者流量均勻變化, 維持燃燒區爐內負壓穩定, 并根據烘爐固化區溫度, 動態調整比例因子, 以減少對爐溫的擾動［1］。排廢風機轉速與烘爐入口的氣流負壓連動，根據漆包線生產的型號、規格及DV 值，PLC 控制系統計算出爐入口新鮮空氣吸入量，以此作為給定值，自動調節排廢風機轉速；循環風機采取模糊智能控制，對應生產不同型號、規格及DV 值，系統數據庫輸出對應工藝配方的循環風機轉速，取消了人工跟蹤與調節。從而提高有機溶劑催化燃燒效率，減少烘爐“煙道損失”。

4.3 優化烘爐系統結構和工藝設計

按照上述新設計的烘爐爐溫曲線，優化烘爐系統結構設計，提高熱空氣流暢的循環，達到熱量的最高效率的利用，降低烘爐的加熱比率。

優化烘爐系統結構設計。通過改變高速漆包機爐膛循環風道的結構，將熱風循環轉變為二次催化燃燒，改變傳統模式使溶劑在爐膛內充分燃燒，釋放的熱能能夠維持長時間的高溫，達到廢物循環利用的目的，同時降低廢氣向外排放量，符合我國倡導的節能環保理念。

由于爐內氣體流量較小，減少截面對提高氣體流速意義更大，在烘爐的入口區增加均風裝置擋板、固化區內壁上下面設計成波浪狀，改變氣流方向盡量采取橫向沖刷，使烘爐系統各區域溫度分布較均勻，溫度分布更合理，烘爐進出口的壓力更合適，與傳統機臺相比，烘爐入口區、蒸發區溫度得到提高，但固化區的溫度卻在下降，使漆包線從進入烘爐入口區開始就一邊溶劑蒸發一邊開始固化，到了固化區就徹底完成了漆膜的固化，從而進一步提高傳熱效率［2］。

考慮到底涂涂漆道次最多，將烘爐涂漆臺的底涂與面涂位置進行調換，使底涂涂漆槽距離烘爐入口最近，有利于涂漆臺揮發的大部分溶劑進入烘爐催化燃燒，提升催化燃燒效率，實現烘爐節能。

改進烘爐保溫措施并增加爐體長度。全部選用新材料高品質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，盡量降低爐內熱量對爐壁的熱輻射損失；烘爐長度在原來的基礎上增加1.2m，以延長漆包線在爐內的烘焙時間，進一步降低烘爐固化區溫度，減少電加熱，提高熱效應。

冷卻段進行優化升級改造。更換原MAG 高速漆包機的冷卻風道，使用不銹鋼材料；冷卻風機由原大功率4kW 減小到1.5kW，并把風機改造成變頻調速，降低風機能耗，提升成品漆包線的冷卻效率；增加線表溫度自動控制系統，實現線溫自動控制，并加設隔熱保護裝置，降低線表熱量的散發，提高線表溫度，利用線表自身溫度實現溶劑蒸發。

生產工藝的優化升級。由于冷卻段進行優化升級改造，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 規格DV 值由改造前的115 提升至140 左右，提高生產效率，降低能耗。

對排廢熱量的再利用，把熱量綜合利用率達到最高。利用漆包機烘爐排出的高溫廢氣，經熱交換器加熱水產生高溫蒸汽，輸入到漆包機退火爐進行裸銅線退火的防氧化保護，拆除了原有的電蒸汽發生器，實現熱量利用的最大化。同時，確保完全凈化廢氣催化燃燒充分且帶二次凈化裝置，實現真正意義上的零排放［3］。

5 烘爐節能改造后的效益分析

為降低漆包線能耗，實現漆包線產品生產成本下降，我公司于2016 年7 月至8 月對2005 年引進的奧地利MAG 連拉連包高速漆包機H5 機臺（型號：MOZART H5/4-4/24D，生產漆包線規格：Φ 0.30～0.80mm）的烘爐進行節能改造。現將H5 機臺烘爐節能改造前、后一個月的生產漆包線產品的線徑、產量、電單耗等數據對比如表1 所示。

表1 H5 烘爐節能改造前、后生產漆包線線徑、產量、電單耗等數據對比

從上表數據對比分析可知：在H5 烘爐節能改造前，5 月29 日至6 月28 日一個月的生產周期內，漆包線生產總產量102.896t，平均電單耗是1277.64kW·h/t（換算成改造后相同的加權線徑的電單耗是1204.2kW·h/t）；而在H5 烘爐節能改造后，9 月29 日至10 月28 日一個月的生產周期內，漆包線生產總產量109.173t，平均電單耗是515.60kW·h/t。烘爐節能改造后電單耗下降1204.2-515.6=688.6kW·h/t，電費按0.60 元/度計算，每噸漆包線成本可下降688.6*0.60=413.2 元，經濟效益十分顯著，因而MAG 高速漆包機的烘爐節能改造具有廣泛推廣應用的前景。

6 結束語

隨著我國近幾年大力倡導節能減排、綠色環保理念以及智能制造的應用，尤其是工業制造的漆包線行業，應該對傳統的生產方式進行改造和升級，降低能耗實現可持續發展。我公司通過對MAG 高速漆包機烘爐節能技術的研究與改造實踐，烘爐節能改造后大大提升了電能的利用率，大幅降低漆包線生產過程中的電耗成本，為企業取得更大的經濟效益。國內已經有很多漆包線企業使用該技術達到了很好的節能效果，因而低能耗零排放漆包機的烘爐節能環保技術是當前漆包線行業發展的必然趨勢。所以，我公司又在2017 年陸續對剩下的6 臺MAG 高速漆包機進行了烘爐節能改造，取得了很好的經濟效益。