石英管加熱器技術在擠塑機加熱系統中的應用分析

張志方, 夏世文

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

0 引言

塑料機械發展至今,已經達到具有一定規模的高精度、高技術的階段。 其中,加熱系統也經過幾個發展歷程,包括液體加熱方法、電阻加熱法、石英加熱法、電磁加熱法[1],多用于擠塑機和擠出機。 擠塑機主機主要由擠出系統、傳動系統、加熱系統和機身組成,其原理是塑料通過加熱系統加熱熔融,再通過擠出系統塑化成均勻的熔體,并在壓力下被螺桿連續定壓、定量、定溫地擠出機頭。 要實現塑料的成型擠出,關鍵部分為擠壓系統和加熱系統。 一方面,加熱系統中加熱溫度的平穩性等方面對塑料制品的質量起到關鍵性作用[2-3];另一方面,擠塑機設備的電能耗成本在企業整體成本中占相當的比例,而傳動系統中的主電機與加熱系統輸入能量占擠塑機設備能耗比為91.63%[4]。 因此,企業需要根據自身情況,并結合當前節能低碳、綠色制造的環境,探索新型加熱技術,制造出更節能環保的綠色產品,同時降低企業整體的能耗與成本。

本工作對φ150 型擠塑機(SJ-150 單螺桿結構)、φ120 型擠塑機(SJ-120 單螺桿結構)及φ90 型擠塑機(SJ-90 單螺桿結構)主機加熱系統進行改造,將現有鑄鋁加熱器替換成石英管加熱器,并對其改造后的應用效果進行分析、研究。 通過統計設備運行12 個月每月的耗電,分析對比了3 種擠塑機型改造前后在升溫過程中主機加熱部分功率的變化和差異,驗證了石英管加熱器在擠塑機加熱系統中的可行性。

1 鑄鋁加熱器技術

目前,擠塑機的加熱系統常采用的加熱技術是鑄鋁加熱器,鑄鋁加熱器結構示意圖見圖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。 該鑄鋁加熱器是經改進后的電阻加熱器,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簡單的優點,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密實的氧化鎂粉中,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,外部無保溫結構,導致熱量損失較大,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的生產。 研究表明,鑄鋁加熱器的熱效率只有32%,其余68% 的熱能損耗會擴散到空氣中, 使外殼溫度大于200 ℃[5],既不符合當前低碳節能、綠色環保及高質量發展的理念,也不符合降本增效和可持續發展的要求。

2 石英管加熱器技術

石英管加熱器結構從內至外依次為石英管發熱層、反射層、保溫層和外殼,結構示意圖見圖2。

圖2 石英管加熱器結構示意圖

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生的熱能和光能。 安裝時,石英玻璃管貼近機筒的一面,不僅能夠直接傳導熱光能量,通過反射作用將熱量輻射到機筒面,還能夠有效防止熱量流失,不需要在加熱外側和端面添加具有反光功能的保溫材料進行保溫[6]。 石英管加熱器體積較小,質量較輕,裝卸方便,加熱效率高,且維護簡單,但成本與鑄鋁加熱器相當[4]。 故障時,一般只是單根石英加熱管損壞,直接替換即可。

3 改造應用與效果對比

3.1 技術參數對比

本工作對φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機進行了主機加熱部分的改造,將鑄鋁加熱器替換為石英管加熱器。 技術改造后,通過石英加熱系統對螺筒內的原料進行加熱,預熱90 min。 各擠塑機具體技術參數見表1。

表1 3 種擠塑機的技術參數

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

3.2 功率對比

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

表2 改造前后主機部分加熱總功率對比

由表2 可知,改造前φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機主機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 種機型擠塑機改造后主機部分的加熱總功率均明顯低于改造前。

3.2.1 能耗分析

擠塑機加熱系統改造后,投入生產使用,記錄φ150 型、φ120 型、φ90 型擠塑機設備運行12 個月的用電量數據,并與改造前擠塑機設備的用電量對比,對比結果見圖3。

圖3 改造前后設備用電量對比

由圖3 可知,φ150 型擠塑機主機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,節約電量為122 250 kW·h;φ120 型擠塑機主機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,節約電量55 445 kW·h;φ90 型擠塑機主機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,節約電量為27 306 kW·h。由此可知,3 種機型擠塑機改造后主機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 經濟效益分析

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

由表3 可知,改造后的φ150 型、φ120 型、φ90型擠塑機全年共計節約電量為205 001 kW·h,按照現在用電單價計算,全年可節約14.4 萬元。 同時,一整年石英管加熱器運行情況良好,未出現內部石英加熱管損壞的情況。

4 結束語

本工作對φ150 型、φ120 型及φ90 型3 臺擠塑機的加熱系統進行改造,將傳統的鑄鋁加熱器替換為石英管加熱器,并經實際生產驗證,其節電率分別達到42%,45%,32%,證明了石英管加熱器具有較高的節能效果和經濟效益,具有較好的推廣價值,可供國內同行借鑒。