高效節(jié)能擠出技術(shù)在片板材生產(chǎn)線中實際利用

擠出技術(shù)自1935年開始應(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、國防軍工、航空航天等多個領(lǐng)域，應(yīng)用面越來越廣，產(chǎn)量也越來越大。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、自動化是當(dāng)今塑料擠出加工行業(yè)關(guān)注的三大重點，尤其是高效節(jié)能，契合于國家的節(jié)能減排政策，尤為塑料加工行業(yè)關(guān)注，本文重點講一下高效節(jié)能擠出技術(shù)在片板生產(chǎn)線的實際應(yīng)用，并比較一下各項技術(shù)的優(yōu)缺點，對該類生產(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． 擠出機驅(qū)動系統(tǒng)

在擠出機的擠出塑化過程中，10%-25%的能量來自于外部加熱圈（或?qū)嵊停┘訜幔溆嗄芰恐饕獊碜杂跀D出機的驅(qū)動系統(tǒng)，也就是由電機的機械能轉(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）流電機驅(qū)動減速箱，通過減速箱減速后驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動。在這個子系統(tǒng)中，電機和減速箱的傳動效率是我們關(guān)注的重點，但我們往往只關(guān)注速比選擇是否合適，而忽略了電機的效率和減速箱的效率。國內(nèi)一般的中小型交流電機（三相異步）的效率為87%，而變頻電機一般可以到90%，國外先進電機的效率可以到92%。減速箱的傳動效率一般被人忽略，忽略的主要原因是大多數(shù)人的印象中好像沒有其他更好的替換部件來取代減速箱。不同的傳動比傳動效率略有差異，一般的傳動效率可達(dá)95%以上?？戳松厦娴臄?shù)據(jù)，我們馬上意識到，很多司空見慣的零部件其實是有很大的效率提升空間的，但效率的提升，意味著采購成本的提高，但更大的問題是設(shè)備供應(yīng)商有可能為了設(shè)備的競爭力并不會把這些知識介紹給客戶或采用昂貴但節(jié)能的零部件。直驅(qū)電機的出現(xiàn)改變了這個子系統(tǒng)的替換問題，除了價格高，直驅(qū)電機在效率上有了大幅的提升，達(dá)到95%左右。但如果是常規(guī)的三相異步電機配減速箱，其傳動效率為87% X 95%≈82.6%，和直驅(qū)系統(tǒng)相比差距就非常大了。很多使用者對這個差異沒有直觀的了解，我們舉一條常規(guī)的雙機共擠PP PS吸塑類生產(chǎn)線來說明一下，就非常形象了。國內(nèi)一般的此類生產(chǎn)線，采用φ120的單螺桿擠出主機和φ65單螺桿擠出輔機，其電機功率分別為132KW和55KW，按生產(chǎn)時70%的平均負(fù)載計算，直驅(qū)系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)之間每小時的能耗差異為（132KW+55KW）X 70% X （95%-82.6%）=16.23KW。由于擠出生產(chǎn)線都是24小時不停生產(chǎn)的，這已經(jīng)是一個非常大的節(jié)能數(shù)據(jù)了，這意味著，通過改變驅(qū)動系統(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個工作日計算），一年節(jié)能的費用超過10萬元。雖然改直驅(qū)要增加約20萬的成本，但這個改造顯然是劃算的，關(guān)鍵是設(shè)備制造商怎么和客戶來溝通這個問題，從而最終獲得客戶的認(rèn)同。

二． 擠出機加熱系統(tǒng)

相對于上面驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的少有人識，擠出機加熱系統(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，通過線圈中的高頻交變電流給擠出機機筒加熱，從而起到升溫的作用。電磁加熱的最大優(yōu)點是節(jié)能、加熱快、單位面積加熱功率大。其缺點是硬件成本高（在這三種加熱方式中，硬件成本價格從高到低依次為：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。紅外加熱是通過紅外輻照的方式把熱能傳遞到機筒上，從而使機筒升溫。紅外加熱的特點是節(jié)能、保溫和隔熱性能好，缺點是硬件成本高、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)的對比，由于整個擠出機加熱系統(tǒng)只占擠出機耗能的10%-25%，比重較小，加熱系統(tǒng)的節(jié)能效果從總體來看并沒有宣傳的那么明顯。

三． 擠出保溫系統(tǒng)

相對于擠出機的加熱系統(tǒng)，整個保溫系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為簡單，但效果卻非常明顯。我們知道，在片板材生產(chǎn)線中，尤其是多擠出機共擠系統(tǒng)中，流道非常多也非常長，在設(shè)備生產(chǎn)過程中，整個流道基本處于空氣的直接冷卻中，為了防止流道溫度過低，流道的加熱圈要不斷的加熱，來維持流道溫度的平衡，在這個過程中需要浪費不少的電能。保溫系統(tǒng)的初衷就是保持熱量，使不易喪失，同時也能大幅降低擠出機周邊的溫度，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。對于長流道有著較好節(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，除了成本會有所提高，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改造來取得較為明顯的節(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)計上，其節(jié)能效果往往要通過比較后才能確切的得出，而國內(nèi)與國外擠出系統(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（從單機產(chǎn)量400KG/H提升到800KG/H甚至更高），國內(nèi)外走了兩條截然不同的道路。國內(nèi)走的是傳統(tǒng)路線，為了提高產(chǎn)量，最簡單的方法是提高擠出機的直徑，擠出機直徑由傳統(tǒng)的φ120增大到φ150，甚至φ180。擠出機直徑的增加，固然提高了產(chǎn)量，但擠出機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）并沒有降低，如果涉及到維護和更換配件，困難更是大幅增加；在更換原料或切換顏色時，大螺桿擠出產(chǎn)生的廢料也會大幅增加。國外走的路線與我們不同，他們不但沒有增加螺桿直徑，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，同時大螺桿擠出存在的缺點，這些高速小擠出機往往都可以避免，其單位能耗也有大幅的降低，綜合能耗降幅到30%，這個效果還是很驚人的。

既然高速小螺桿優(yōu)勢這么大，為什么國內(nèi)沒人跟進？調(diào)查發(fā)現(xiàn)這個看似簡單的問題其實有著深層次的問題，并非表面看的這么簡單。首先，國內(nèi)擠出機用的高速減速箱普遍不過關(guān)，超過120轉(zhuǎn)/分的減速箱，振動、漏油和長期使用穩(wěn)定性都不過關(guān)；其次，螺桿設(shè)計不過關(guān)。擠出行業(yè)并非一個高附加值的行業(yè)，無法吸引高端人才的長期堅守，國內(nèi)的螺桿設(shè)計，大多憑借的是經(jīng)驗而非物料流動的流變參數(shù)或者還是大量的實驗結(jié)果，對于這類顛覆性的螺桿設(shè)計，往往無從下手； 再次，螺桿加工和材料不過關(guān)。固然國內(nèi)可以通過逆向工程測繪一下國外的螺桿，但做出來之后發(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。

那是否我們就無路可走呢？也不盡然！國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)對我們改進現(xiàn)有螺桿設(shè)計很有幫助，雖然無法達(dá)到和國外完全一致的效果，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)域或許國內(nèi)在短期內(nèi)無法達(dá)到國外的高度，但沒有任何一家客戶強制要求我們一定要用單螺桿來生產(chǎn)，他們的要求只是高產(chǎn)、高效、品質(zhì)達(dá)標(biāo)。我們知道，對于擠出機，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，這對某些塑料制品的加工是及其有利的?；谶@個原理，近幾年雙螺桿和多螺桿擠出機被大量應(yīng)用到了片板材生產(chǎn)線。以PET片材加工為例，采用雙螺桿擠出機替代單螺桿擠出機后，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法比擬的。

五． 通過排氣系統(tǒng)簡化原料處理系統(tǒng)

在塑料加工的過程中，水分和揮發(fā)分對最終制品的品質(zhì)有著極大的影響。一般來說，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)到這個效果，往往在進入擠出機之前，原料要做烘干除濕的處理，但這個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)晶除濕機要耗能100-150度電，能耗占比非常大。 而擠出機的排氣技術(shù)，可以大幅簡化原料的處理系統(tǒng)，降低原料干燥（或除濕）的能耗。單螺桿和多螺桿都可以實現(xiàn)排氣，從結(jié)構(gòu)原理上說，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，在某些特殊的反應(yīng)擠出中，可實現(xiàn)多次脫灰的功能。 從節(jié)能的角度說，排氣脫灰能力越強，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)品競爭力。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，取得了不錯的經(jīng)濟效益和節(jié)能效果。

目前在國內(nèi)，傳統(tǒng)片板材市場已經(jīng)趨于飽和，利潤率逐年降低，經(jīng)營風(fēng)險越來越大。隨著國內(nèi)勞動力成本的不斷提升，已經(jīng)成為各個行業(yè)都必須面對的難題，而在塑料片材行業(yè)又尤其重要。片材機械95%以上的加熱及驅(qū)動都要靠電力，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，對提高產(chǎn)品競爭力具有積極意義，是我們“擠出人”孜孜以求的目標(biāo)。