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注塑加工中的節能技術

借鑒橡膠、金屬和陶瓷等加工技術,塑膠加工技術在近年來得到了快速發展,主要的成型加工方法有注塑成型、擠出成型、發泡成型、吹塑成型、滾塑和搪塑成型、複合成型等。中國的塑膠工業是在建國後才開始發展,在改革開放後得以迅速擴展。“十一五”期間,我國塑膠製品產量年均增長20.1%,產值年均增長20.06%。根據國家統計局最新資料,2016年1-11月全國塑膠製品規模以上企業產量累計6989.5萬噸,1-12月橡膠和塑膠製品主營業務收入32360.2億元,1-11月規模以上企業塑膠加工專用設備累計產量24萬多台,同比增長7.6%,呈現出強勢發展狀態。
注塑成型是塑膠加工中重要的加工方式,工程塑料業中,80%採用了注射成型。汽車、建築、家用電器、食品、醫藥等產業迅猛發展,推動了注塑技術水準的發展和提高。目前,我國生產的塑膠機械約50%為注塑機。從美歐等主要生產國來看,注塑機的產量逐年增加,注塑成型是技術發展最快的成型方法之一。由於工藝和成本的需要,注塑機經常會處於全時段運轉狀態,是電能消耗大戶,俗稱“電老虎”。據統計,我國僅僅塑膠加工的年用電需求就可完全消耗三峽電站一年的發電量,降低注塑加工的電耗已經成為工業領域節能工作的一大重點。
注塑加工的電能消耗主要有三個系統:動力驅動、料筒加熱和塑膠乾燥加熱,以上三項耗電約占注塑加工總能耗的95%以上,是節能技術研發和應用的主要方向。以某品牌一台200噸的注塑機為例,動力驅動系統裝機功率18.5千瓦、料筒加熱14.3千瓦、配100公斤熱風乾燥機加熱功率6千瓦,合計38.8千瓦,若滿負荷生產,年耗電約8.7萬度電,換算二氧化碳排放65萬噸(0.75公斤二氧化碳/度)。
下面具體闡述注塑加工節能技術發展歷程,以及對新節能技術應用的預測,也可為其它成型技術和方法提供借鑒。
動力驅動系統
注塑工藝的主要流程為:鎖模—射膠—保壓—溶膠—冷卻—開模—取件,每個階段需要不同的壓力和流量,即負載不同,耗電有所不同。
過去,注塑加工大多採用定量泵的液壓系統,油泵馬達以恒定的轉速提供恒定的流量,多餘的油壓通過溢流閥回流油箱,即高壓節流,使油泵馬達消耗更多無效的能量。在保壓和冷卻、取件階段,注塑機處於靜止等候狀態,對流量和壓力的需求幾乎為零,但定量泵系統馬達持續向油路中排油。由於系統底壓的存在,無謂消耗更多的電量,產生電能浪費,能量損失達25% 80%。為了減少無效電耗,後來陸續出現了變頻技術、變數泵技術等過渡性方式的技術。
經過10年來節能技術的發展,目前的主流技術和產品是伺服節能系統,包括液壓伺服和全電動伺服。伺服系統具有節能、精准、穩定、快速回應等優異性能,性價比高,幾乎所有的注塑設備製造廠主打產品均為伺服驅動節能系統,市場應用量達90%以上,個別品牌已經取消定量泵驅動的非節能性注塑機的製造。而終端的注塑工廠也通過節能技術改造的方式,逐漸完成伺服節能技術的應用,節能技術得以普遍的採納和接受。
料筒加熱系統
料筒加熱系統的作用是保持原料溫度在設定範圍,注塑機初次開機加溫階段和高溫性能塑膠,對熱量的需求更大,耗電更多。
料筒加熱節能的技術發展歷程為:普通加熱圈(雲母或陶瓷)、普通加熱圈+節能保溫套、電磁節能加熱圈、紅外加熱節能圈、超導遠紅外節能加熱器。
過去,採用普通加熱圈的方式,外表溫度高,加熱效率低,能耗大,二次降溫成本高,但採購成本低,配件便宜,歸類為低值易耗品。隨著製品的高品質要求、節能和加工成本降低要求,逐漸淘汰。
現在,雖然普通加熱圈仍佔據多數,但已有部分理念先進的使用者開始使用節能型產品,如普通加熱圈+節能保溫套、電磁加熱圈、紅外納米發熱圈、雙效節能加熱器等。
各種節能型加熱產品的特點比較見表1。
從上圖的節能型料筒加熱產品特點比較可以看出,節能新技術在不斷發展、升級。
日前,國家發改委在官網(www.sdpc.gov.cn)發佈了《國家重點節能低碳技術推廣目錄》(2016本節能部分))推薦綜合性能最先進的“雙效節能加熱器”。
據統計,目前節能型加熱產品應用率很低,不足市場的5%。由於技術成熟穩定、趨勢明顯,隨著用戶認可度的提高,有很大的發展空間和市場機會,落後、耗能的料筒加熱產品將全面退出。
塑膠乾燥加熱系統
塑膠的乾燥效果對於注塑產品的品質影響甚大,特別是對於一些具有特殊功能的工程塑料材料,會嚴重影響到產品的外觀品質(如光澤度、裂紋)、性能要求(如彎曲強度、拉伸強度等),以及塑化能力和成型效率等。注塑生產過程中,多數塑膠乾燥除濕是必須的工藝要求,而且持續生產全過程,電耗很大,應用數量最多的是熱風乾燥設備。
過去,因一次採購成本低的原因,普遍使用非節能型熱風乾燥設備,缺點是能耗大,加熱效率低,外表面溫度高,熱損失大,原料易過熱、易結塊,安全性低,例如一台100公斤熱風式乾燥機,採購價最低不到5000元,但使用的電費每年高達20000元以上,差距數倍,用戶僅僅關注了採購成本低,而忽略了使用過程中的高電耗,造成利潤減少,企業競爭力低。
目前,節能型塑膠熱風乾燥設備應用率很低,不足所有塑膠加工製造企業總數的1%,未來的發展空間和市場機會很大。
未來五年塑膠加工節能趨勢預測
從動力驅動系統節能歷程來看,定量泵系統逐漸發展到節能型的伺服動力系統,用戶從不重視、嘗試、認可、普遍應用,節能的觀念逐漸加深、轉變、採納,歷經10年左右,達到普及率近100%。我們預測,未來5年內,在塑膠加工節能方面,將實現塑膠加工全面節能,見圖1和圖2。主要理由如下:一方面使用節能系統的投資回報率極高(50%以上),為企業創造純利潤;另一方面有國家國策支援,企業能拿到更多政府補貼。
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