高效節(jié)能擠出技術(shù)在片板材生產(chǎn)線中實(shí)際利用
- 最后修訂: 2024-03-18
擠出技術(shù)自1935年開(kāi)始應(yīng)用于熱塑性塑料至今已有80多的歷史,伴隨著化工行業(yè)的突飛猛進(jìn)和新型熱塑性材料的不斷涌現(xiàn),擠出技術(shù)也經(jīng)歷了多次技術(shù)迭代,其制品更是廣泛的應(yīng)用于日常生活、國(guó)防軍工、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域,應(yīng)用面越來(lái)越廣,產(chǎn)量也越來(lái)越大。伴隨著塑料工業(yè)的大規(guī)模興起,其能耗的使用效率就越發(fā)受到關(guān)注,高效節(jié)能、大產(chǎn)量、自動(dòng)化是當(dāng)今塑料擠出加工行業(yè)關(guān)注的三大重點(diǎn),尤其是高效節(jié)能,契合于國(guó)家的節(jié)能減排政策,尤為塑料加工行業(yè)關(guān)注,本文重點(diǎn)講一下高效節(jié)能擠出技術(shù)在片板生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用,并比較一下各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)該
擠出技術(shù)自1935年開(kāi)始應(yīng)用于熱塑性塑料至今已有80多的歷史,伴隨著化工行業(yè)的突飛猛進(jìn)和新型熱塑性材料的不斷涌現(xiàn),擠出技術(shù)也經(jīng)歷了多次技術(shù)迭代,其制品更是廣泛的應(yīng)用于日常生活、國(guó)防軍工、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域,應(yīng)用面越來(lái)越廣,產(chǎn)量也越來(lái)越大。伴隨著塑料工業(yè)的大規(guī)模興起,其能耗的使用效率就越發(fā)受到關(guān)注,高效節(jié)能、大產(chǎn)量、自動(dòng)化是當(dāng)今塑料擠出加工行業(yè)關(guān)注的三大重點(diǎn),尤其是高效節(jié)能,契合于國(guó)家的節(jié)能減排政策,尤為塑料加工行業(yè)關(guān)注,本文重點(diǎn)講一下高效節(jié)能擠出技術(shù)在片板生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用,并比較一下各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)該類生產(chǎn)線的生產(chǎn)企業(yè)或使用企業(yè)有一定的參考借鑒意義。
一. 擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
在擠出機(jī)的擠出塑化過(guò)程中,10%-25%的能量來(lái)自于外部加熱圈(或?qū)嵊停┘訜?,其余能量主要?lái)自于擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),也就是由電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了塑化用的熱能(可能是摩擦生熱,也可能是剪切生熱)。目前主流的結(jié)構(gòu)是由交(直)流電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速箱,通過(guò)減速箱減速后驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。在這個(gè)子系統(tǒng)中,電機(jī)和減速箱的傳動(dòng)效率是我們關(guān)注的重點(diǎn),但我們往往只關(guān)注速比選擇是否合適,而忽略了電機(jī)的效率和減速箱的效率。國(guó)內(nèi)一般的中小型交流電機(jī)(三相異步)的效率為87%,而變頻電機(jī)一般可以到90%,國(guó)外先進(jìn)電機(jī)的效率可以到92%。減速箱的傳動(dòng)效率一般被人忽略,忽略的主要原因是大多數(shù)人的印象中好像沒(méi)有其他更好的替換部件來(lái)取代減速箱。不同的傳動(dòng)比傳動(dòng)效率略有差異,一般的傳動(dòng)效率可達(dá)95%以上??戳松厦娴臄?shù)據(jù),我們馬上意識(shí)到,很多司空見(jiàn)慣的零部件其實(shí)是有很大的效率提升空間的,但效率的提升,意味著采購(gòu)成本的提高,但更大的問(wèn)題是設(shè)備供應(yīng)商有可能為了設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力并不會(huì)把這些知識(shí)介紹給客戶或采用昂貴但節(jié)能的零部件。直驅(qū)電機(jī)的出現(xiàn)改變了這個(gè)子系統(tǒng)的替換問(wèn)題,除了價(jià)格高,直驅(qū)電機(jī)在效率上有了大幅的提升,達(dá)到95%左右。但如果是常規(guī)的三相異步電機(jī)配減速箱,其傳動(dòng)效率為87% X 95%≈82.6%,和直驅(qū)系統(tǒng)相比差距就非常大了。很多使用者對(duì)這個(gè)差異沒(méi)有直觀的了解,我們舉一條常規(guī)的雙機(jī)共擠PP PS吸塑類生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)明一下,就非常形象了。國(guó)內(nèi)一般的此類生產(chǎn)線,采用φ120的單螺桿擠出主機(jī)和φ65單螺桿擠出輔機(jī),其電機(jī)功率分別為132KW和55KW,按生產(chǎn)時(shí)70%的平均負(fù)載計(jì)算,直驅(qū)系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)之間每小時(shí)的能耗差異為(132KW+55KW)X 70% X (95%-82.6%)=16.23KW。由于擠出生產(chǎn)線都是24小時(shí)不停生產(chǎn)的,這已經(jīng)是一個(gè)非常大的節(jié)能數(shù)據(jù)了,這意味著,通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),該生產(chǎn)線一年的節(jié)電數(shù)為16.23KW X 24 X300=116867KW(一年按300個(gè)工作日計(jì)算),一年節(jié)能的費(fèi)用超過(guò)10萬(wàn)元。雖然改直驅(qū)要增加約20萬(wàn)的成本,但這個(gè)改造顯然是劃算的,關(guān)鍵是設(shè)備制造商怎么和客戶來(lái)溝通這個(gè)問(wèn)題,從而最終獲得客戶的認(rèn)同。
二. 擠出機(jī)加熱系統(tǒng)
相對(duì)于上面驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的少有人識(shí),擠出機(jī)加熱系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)卻廣泛被使用者熟知(供應(yīng)商推廣力度較大,總體成本增幅不大),目前主流的兩個(gè)技術(shù)是電磁加熱技術(shù)和紅外加熱技術(shù)。電磁加熱原理類似于家里的電磁爐,通過(guò)線圈中的高頻交變電流給擠出機(jī)機(jī)筒加熱,從而起到升溫的作用。電磁加熱的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、加熱快、單位面積加熱功率大。其缺點(diǎn)是硬件成本高(在這三種加熱方式中,硬件成本價(jià)格從高到低依次為:電磁加熱>紅外加熱>傳統(tǒng)云母或鑄鋁加熱),保溫能力差。電磁加熱一般適合于物料從固態(tài)到半塑化態(tài)的加熱,不適合熔融態(tài)加熱。紅外加熱是通過(guò)紅外輻照的方式把熱能傳遞到機(jī)筒上,從而使機(jī)筒升溫。紅外加熱的特點(diǎn)是節(jié)能、保溫和隔熱性能好,缺點(diǎn)是硬件成本高、紅外加熱管易碎、某些加熱區(qū)不能很好散熱。在目前的應(yīng)用實(shí)踐中,電磁加熱的成本約為傳統(tǒng)加熱的5倍,紅外加熱的成本約為傳統(tǒng)加熱2~3倍,節(jié)能效果大體較傳統(tǒng)加熱節(jié)電20%-40%。但要澄清的是,加熱圈的節(jié)電僅限于加熱系統(tǒng)的對(duì)比,由于整個(gè)擠出機(jī)加熱系統(tǒng)只占擠出機(jī)耗能的10%-25%,比重較小,加熱系統(tǒng)的節(jié)能效果從總體來(lái)看并沒(méi)有宣傳的那么明顯。
三. 擠出保溫系統(tǒng)
相對(duì)于擠出機(jī)的加熱系統(tǒng),整個(gè)保溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單,但效果卻非常明顯。我們知道,在片板材生產(chǎn)線中,尤其是多擠出機(jī)共擠系統(tǒng)中,流道非常多也非常長(zhǎng),在設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中,整個(gè)流道基本處于空氣的直接冷卻中,為了防止流道溫度過(guò)低,流道的加熱圈要不斷的加熱,來(lái)維持流道溫度的平衡,在這個(gè)過(guò)程中需要浪費(fèi)不少的電能。保溫系統(tǒng)的初衷就是保持熱量,使不易喪失,同時(shí)也能大幅降低擠出機(jī)周邊的溫度,使操作人員的環(huán)境舒適度大幅提高。該類產(chǎn)品類似于北方建筑中的保溫層,起到隔熱和保溫的作用。對(duì)于長(zhǎng)流道有著較好節(jié)能效果且硬件成本提升不多,值得廣泛推廣。
四、高效螺桿及多螺桿技術(shù)
上面所述的三點(diǎn),除了成本會(huì)有所提高,節(jié)能的效果比較明確,使用者在權(quán)衡利弊后都可以通過(guò)改造來(lái)取得較為明顯的節(jié)能效果。但在擠出生產(chǎn)中,塑化和產(chǎn)量的核心還是體現(xiàn)在螺桿設(shè)計(jì)上,其節(jié)能效果往往要通過(guò)比較后才能確切的得出,而國(guó)內(nèi)與國(guó)外擠出系統(tǒng)的差距往往體現(xiàn)在這上面。以單螺桿片材擠出生產(chǎn)線為例,為了提高產(chǎn)能(從單機(jī)產(chǎn)量400KG/H提升到800KG/H甚至更高),國(guó)內(nèi)外走了兩條截然不同的道路。國(guó)內(nèi)走的是傳統(tǒng)路線,為了提高產(chǎn)量,最簡(jiǎn)單的方法是提高擠出機(jī)的直徑,擠出機(jī)直徑由傳統(tǒng)的φ120增大到φ150,甚至φ180。擠出機(jī)直徑的增加,固然提高了產(chǎn)量,但擠出機(jī)的成本和體積都大幅增加,單位能耗(單位能耗指的是熔融塑化1KG熱塑性材料需要的耗電)并沒(méi)有降低,如果涉及到維護(hù)和更換配件,困難更是大幅增加;在更換原料或切換顏色時(shí),大螺桿擠出產(chǎn)生的廢料也會(huì)大幅增加。國(guó)外走的路線與我們不同,他們不但沒(méi)有增加螺桿直徑,反而減小了螺桿直徑,但大幅提高了螺桿轉(zhuǎn)速(最高螺桿轉(zhuǎn)速可達(dá)700-1000轉(zhuǎn)/分),同樣達(dá)到了高產(chǎn)的效果,同時(shí)大螺桿擠出存在的缺點(diǎn),這些高速小擠出機(jī)往往都可以避免,其單位能耗也有大幅的降低,綜合能耗降幅到30%,這個(gè)效果還是很驚人的。
既然高速小螺桿優(yōu)勢(shì)這么大,為什么國(guó)內(nèi)沒(méi)人跟進(jìn)?調(diào)查發(fā)現(xiàn)這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題其實(shí)有著深層次的問(wèn)題,并非表面看的這么簡(jiǎn)單。首先,國(guó)內(nèi)擠出機(jī)用的高速減速箱普遍不過(guò)關(guān),超過(guò)120轉(zhuǎn)/分的減速箱,振動(dòng)、漏油和長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性都不過(guò)關(guān);其次,螺桿設(shè)計(jì)不過(guò)關(guān)。擠出行業(yè)并非一個(gè)高附加值的行業(yè),無(wú)法吸引高端人才的長(zhǎng)期堅(jiān)守,國(guó)內(nèi)的螺桿設(shè)計(jì),大多憑借的是經(jīng)驗(yàn)而非物料流動(dòng)的流變參數(shù)或者還是大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于這類顛覆性的螺桿設(shè)計(jì),往往無(wú)從下手; 再次,螺桿加工和材料不過(guò)關(guān)。固然國(guó)內(nèi)可以通過(guò)逆向工程測(cè)繪一下國(guó)外的螺桿,但做出來(lái)之后發(fā)現(xiàn),效果完全不一樣,易斷、不耐磨似乎是常態(tài),最終結(jié)論是我們的材料和熱處理都達(dá)不到要求。
那是否我們就無(wú)路可走呢?也不盡然!國(guó)外高速小螺桿的成功給了我們很大的啟迪:換條路走走或許就能走出傳統(tǒng)的誤區(qū)。首先,新型的螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)我們改進(jìn)現(xiàn)有螺桿設(shè)計(jì)很有幫助,雖然無(wú)法達(dá)到和國(guó)外完全一致的效果,但很多原理是想通的,比如螺旋喂料套、高效BM結(jié)構(gòu)螺桿的應(yīng)用,極大的提升了現(xiàn)有的螺桿技術(shù),產(chǎn)量和能效比都有了大幅的提升。其次,在單螺桿領(lǐng)域或許國(guó)內(nèi)在短期內(nèi)無(wú)法達(dá)到國(guó)外的高度,但沒(méi)有任何一家客戶強(qiáng)制要求我們一定要用單螺桿來(lái)生產(chǎn),他們的要求只是高產(chǎn)、高效、品質(zhì)達(dá)標(biāo)。我們知道,對(duì)于擠出機(jī),內(nèi)置螺桿的數(shù)量越多,其剪切效果和脫灰效果越好,綜合能耗越低,這對(duì)某些塑料制品的加工是及其有利的。基于這個(gè)原理,近幾年雙螺桿和多螺桿擠出機(jī)被大量應(yīng)用到了片板材生產(chǎn)線。以PET片材加工為例,采用雙螺桿擠出機(jī)替代單螺桿擠出機(jī)后,在原料適應(yīng)性、喂料穩(wěn)定性、物料排氣脫水上都可以獲得非常優(yōu)異的性能,尤其在喂料穩(wěn)定上,幾乎可以涵蓋所有厚度的PET瓶片料和回收料,使設(shè)備的適應(yīng)性大幅提升。另外,由于雙螺桿的排氣脫水性能要遠(yuǎn)比單螺桿優(yōu)異,在塑化過(guò)程中可以很好的控制PET的粘度降,從而獲得較高品質(zhì)的片材產(chǎn)品。目前業(yè)界普遍認(rèn)為,雙螺桿免結(jié)晶設(shè)備生產(chǎn)的部分規(guī)格的PET產(chǎn)品(0.2mm-0.8mm),已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了傳統(tǒng)單螺桿擠出生產(chǎn)線(帶結(jié)晶干燥系統(tǒng))生產(chǎn)的片材品質(zhì),加之其優(yōu)異的單位能耗和原料適用范圍,該類設(shè)備獲得了廣泛的應(yīng)用。同樣的,在PVC壓延行業(yè),行星多螺桿擠出機(jī)早已大量使用,其綜合效能是傳統(tǒng)的單螺桿和雙螺桿所無(wú)法比擬的。
五. 通過(guò)排氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化原料處理系統(tǒng)
在塑料加工的過(guò)程中,水分和揮發(fā)分對(duì)最終制品的品質(zhì)有著極大的影響。一般來(lái)說(shuō),水分越少,揮發(fā)分脫離(脫灰)越充分,制品的品質(zhì)越好。為了達(dá)到這個(gè)效果,往往在進(jìn)入擠出機(jī)之前,原料要做烘干除濕的處理,但這個(gè)工藝的耗能卻非常大。以PET為例,每處理一噸PET,傳統(tǒng)的結(jié)晶除濕機(jī)要耗能100-150度電,能耗占比非常大。 而擠出機(jī)的排氣技術(shù),可以大幅簡(jiǎn)化原料的處理系統(tǒng),降低原料干燥(或除濕)的能耗。單螺桿和多螺桿都可以實(shí)現(xiàn)排氣,從結(jié)構(gòu)原理上說(shuō),內(nèi)置螺桿數(shù)量越多,脫灰和排氣效果越好。雙螺桿是最典型的脫灰類擠出機(jī),在某些特殊的反應(yīng)擠出中,可實(shí)現(xiàn)多次脫灰的功能。 從節(jié)能的角度說(shuō),排氣脫灰能力越強(qiáng),原料前道處理的要求就越低,從而就越節(jié)能。
六. 一步法代替多步法成型
某些片材,用傳統(tǒng)工藝需要多個(gè)步驟才能加工完成,比如在擠片前需要多配方造粒、原料處理(例如:干燥、除濕),在片材擠出后還需要有多層復(fù)合、涂膠、印刷等多道工藝,工藝成本高。如能簡(jiǎn)化工藝步驟,局部采用一步法成型,可以大幅降低生產(chǎn)成本,增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。在片材領(lǐng)域,采用雙螺桿生產(chǎn)PET片材、PET片材成型和吸塑一體化、PVC桌邊條成型、涂膠一體化等都是典型案例,取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。
目前在國(guó)內(nèi),傳統(tǒng)片板材市場(chǎng)已經(jīng)趨于飽和,利潤(rùn)率逐年降低,經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。隨著國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本的不斷提升,已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)都必須面對(duì)的難題,而在塑料片材行業(yè)又尤其重要。片材機(jī)械95%以上的加熱及驅(qū)動(dòng)都要靠電力,在行業(yè)里有“買得起設(shè)備用不起電”的戲言,是典型的耗電大戶,提高產(chǎn)量、降低單位能耗,對(duì)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有積極意義,是我們“擠出人”孜孜以求的目標(biāo)。