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從20世紀(jì)50年代，第一臺注射成型機(jī)（注塑機(jī)）開始，距今已經(jīng)有了60多年的歷史，美國、德國、日本作為注射成型機(jī)的傳統(tǒng)技術(shù)強(qiáng)國，在市場上依然保持著領(lǐng)先的定位，中國作為制造業(yè)的后起之秀，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已超過60家生產(chǎn)企業(yè)。中國注塑機(jī)的產(chǎn)量占據(jù)了全球注塑機(jī)產(chǎn)量的2/3。因此中國的注塑機(jī)配套企業(yè)得以高速發(fā)展，其中主要以鑄件、螺桿、電機(jī)、伺服驅(qū)動器、機(jī)械手、料斗干燥機(jī)等行業(yè)均誕生了行業(yè)龍頭企業(yè)，并發(fā)展成為全球的塑機(jī)配套供應(yīng)商，其中以信易干燥機(jī)為代表。只有注塑機(jī)的加熱圈部分，目前在國內(nèi)沒有形成優(yōu)勢的龍頭企業(yè)，形成了百家爭鳴，百花齊放的競爭態(tài)勢，就目前而言，加熱圈這個偏門行業(yè)正在因?yàn)榧t外節(jié)能加熱圈的出現(xiàn)打破混亂的市場格局，逐步形成行業(yè)龍頭及優(yōu)勢企業(yè)。鑒于此，有著多年加熱圈從業(yè)經(jīng)歷的筆者，就目前中國市場上的主流塑機(jī)加熱圈做一個橫向?qū)Ρ龋园l(fā)展的眼光看待目前市場的發(fā)展方向。目前全球正在以巴黎氣候峰會為契機(jī)，國內(nèi)正在組建統(tǒng)一的碳資產(chǎn)交易市場，因此中國產(chǎn)注塑機(jī)為了順應(yīng)國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會發(fā)展的方向，大力實(shí)施綠色發(fā)展戰(zhàn)略，緊緊抓住節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品成為市場熱點(diǎn)的機(jī)遇，注塑機(jī)加熱器商也加快傳統(tǒng)技術(shù)改造、升級換代的步伐，并不斷采用節(jié)能降耗新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝、新材料，以滿足各類生產(chǎn)家的低能耗需求。本文主要論述了目前注塑機(jī)常用加熱圈的結(jié)構(gòu)及工作原理，并將它們之間的性能與特點(diǎn)進(jìn)行比較，提出了個人的見解，供有關(guān)人士參考。
1注塑機(jī)普通加熱圈的工作原理與結(jié)構(gòu)
1 .1電阻式加熱圈
目前市場上的大部分注塑機(jī)仍然采用電阻式加熱圈，電阻式加熱圈是基于電流電阻熱效應(yīng)來產(chǎn)生熱量，即當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的電阻對電流有阻礙作用，而電流要克服導(dǎo)體的阻力要做功，將電能轉(zhuǎn)化成熱能，并通過接觸式傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞，故需將加熱圈的內(nèi)壁與料筒的外壁可靠且緊密接觸才能將熱能傳遞到料筒上。
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要山接線端子、緊固螺釘、外殼、絕緣體、電阻絲5部分組成。
圖1電阻式加熱圈結(jié)構(gòu)圈
如圖1所示，電阻式加熱圈具有價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，因結(jié)構(gòu)簡單而帶來的故障率低等優(yōu)勢。但是電阻式加熱圈的缺點(diǎn)也同樣明顯，因?yàn)槭墙佑|式傳熱，而注塑機(jī)在高速運(yùn)作過程中的震動，會影響普通加熱圈的加熱效率，從而帶來耗能的增加。
1.2電磁感應(yīng)加熱圈
電磁感應(yīng)加熱圈是利用磁場感應(yīng)渦流加熱原理進(jìn)行工作。將輸入工頻50 Hz/220 V交流電通過整流電路變成315 V的直流電，再通過控制電路轉(zhuǎn)換成頻率為20-35 kHz的高頻電流，高頻電流通過線圈時(shí)會產(chǎn)生高速變化的磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過金屬時(shí)，會在金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使金屬本身自行高速發(fā)熱。用于注塑機(jī)料筒加熱的電磁感應(yīng)裝置通常山隔熱保溫材料、電磁線圈、護(hù)罩、控制器等組成，如圖2所示。
圖2 電磁感應(yīng)加熱圈結(jié)構(gòu)圖
電磁感應(yīng)技術(shù)，在2000年初期開始在塑機(jī)加熱圈領(lǐng)域應(yīng)用，經(jīng)過近10年的發(fā)展，電磁感應(yīng)技術(shù)逐步成為節(jié)能加熱圈的代名詞，而這在紅外節(jié)能加熱圈出現(xiàn)之后發(fā)生了根本性的變化。
1.3紅外節(jié)能加熱圈
目前也有叫做納米紅外電熱圈、遠(yuǎn)紅外加熱圈、納米加熱圈等，其本質(zhì)就是紅外線加熱圈，其典型代表企業(yè)包含了VICHUN偉川紅外節(jié)能加熱圈、NEZOY納米紅外電熱圈、AIKSEN納米紅外電熱圈。當(dāng)紅外節(jié)能加熱圈的電阻絲通上交流電后，其自身已變成遠(yuǎn)紅外輻射熱源，具有高強(qiáng)度、高熱效、高穿透性、低能耗等特點(diǎn)，并且，利用紅外輻射加熱技術(shù)不論是對被加熱工件還是對環(huán)境都沒有污染。因此，高紅外輻射加熱管是一種真正意義上的“綠色產(chǎn)品”高紅外輻射加熱管的工作原理是：電流在通過以特殊材料制成的加熱管的加熱絲時(shí)，加熱管會輻射出一定波長的紅外線，當(dāng)紅外線被物體吸收時(shí)，物體即被加熱。利用這一特性來加熱物體的技術(shù)就叫做紅外輻射加熱技術(shù)。由于不同材質(zhì)的物料對不同波長的紅外線的吸收程度不同,為了適應(yīng)不同的加熱對象，通過改變加熱絲的材料成分和繞制方法，可以產(chǎn)生不同波長的紅外線輻射?，F(xiàn)在，用于工業(yè)用途的紅外輻射主要是波長0.76～1.6μm左右的短波、波長1.6～4μm左右的中波和波長大于4μm的長波。短波紅外輻射又叫近紅外輻射，中波和長波又叫遠(yuǎn)紅外輻射。由于紅外輻射的熱慣性極小而熱效率很高，利用短波、中波紅外輻射技術(shù)，可以高密度、高能量、高強(qiáng)度地對工件（這里所指為炮筒又叫機(jī)筒）進(jìn)行加熱，以達(dá)到提高加熱質(zhì)量、縮短加熱時(shí)間、節(jié)約加熱能源。目前市場上知名度較高的偉川紅外節(jié)能加熱圈加熱溫度可達(dá)500---700度，其遠(yuǎn)紅外發(fā)射率可達(dá)90%以上，同時(shí)偉川紅外節(jié)能加熱圈的紅外輻射源材質(zhì)匹配了目前注塑機(jī)采用的鉻鉬合金鋼材質(zhì)的物理特性，使得該品牌節(jié)能加熱圈相對其他同類產(chǎn)品具有更佳的節(jié)能效果。
圖3 以偉川紅外節(jié)能加熱圈結(jié)構(gòu)圖為例
2 各種加熱圈的性能
以上介紹了在注塑機(jī)上廣泛運(yùn)用的加熱圈結(jié)構(gòu)與工作原理，下面從多角度對不同種類的加熱圈進(jìn)行分析比較。
2.1節(jié)能
由于注塑機(jī)全電趨勢明顯，伺服系統(tǒng)的采用使得電加熱系統(tǒng)占整機(jī)能耗的30%以上，如果能合理的選用不同種類的加熱圈，就能降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本。電阻式加熱圈是電阻絲發(fā)熱，通過接觸傳導(dǎo)方式將熱量傳遞到料筒上，且只有加熱圈內(nèi)壁傳遞熱能，而其外壁的熱量大部分散失到空氣中，因?yàn)闊崞胶獾脑?，外表面的溫度和工作設(shè)定溫度保持一致，在200~300℃以上，存在極大的熱損失。而電磁感應(yīng)加熱圈本體并不發(fā)熱，且實(shí)際使用中會在料筒外部包裹一定厚度的保溫材料，電磁感應(yīng)加熱圈的表面溫度在60攝氏度以下，料筒內(nèi)部的熱量只有微量輻射到空氣中，這樣熱能損失會大大降低，提高了熱效率，因此節(jié)能效果顯著。紅外加熱圈采用高品質(zhì)電阻加石英管的方式組成紅外發(fā)生器，其本身可高密度、高能量、高強(qiáng)度地對工件進(jìn)行加熱，同時(shí)反射結(jié)構(gòu)的采用，以及航天級保溫隔熱材料的應(yīng)用，使得增加了紅外輻射效率，減少了熱能損失，節(jié)能效果明顯。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，三種加熱圈的表面溫度與最高節(jié)能率如圖4所示。
圖4 三種加熱圈節(jié)能率比較
從圖示可以看到電磁加熱圈的表面溫度以及相對普通加熱圈節(jié)能率都有優(yōu)勢，但是為什么現(xiàn)在是紅外節(jié)能加熱圈占據(jù)了節(jié)能加熱圈市場的主導(dǎo)地位呢？接下來詳細(xì)分析。
2.2安全性
電阻式加熱圈山于采用電阻絲為發(fā)熱元件，對人體健康無不良影響。而電磁感應(yīng)加熱圈是高頻電流通過線圈產(chǎn)生高速變化的交變磁場，當(dāng)磁場強(qiáng)度到達(dá)一定量時(shí)會對人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成危害。筆者參考互聯(lián)網(wǎng)的一個案例做分析，以一臺鎖模力為90 T的注塑機(jī)為測試樣機(jī)，該機(jī)配置三段電磁感應(yīng)加熱圈，每段額定功率為2.25 kW，根據(jù)EN62233- 2008電磁場的測量方法，使用電磁場分析儀ELT- 400逐段通電進(jìn)行測試，測試的數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 某電磁感應(yīng)加熱圈磁通量值
分析表1的檢測數(shù)據(jù)可知:當(dāng)分別將各段電磁加熱圈逐個通電時(shí)，測出磁通量密度還較小，而如果同時(shí)對兩段以上的加熱圈通電后，我們發(fā)現(xiàn)磁通量密度會顯著增大，加權(quán)值W達(dá)到1.804，而根據(jù)歐盟EN62233標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定此值需小于1，故可認(rèn)為是不符合此標(biāo)準(zhǔn)的。但目前國內(nèi)僅對家用和類似用途電器的電磁設(shè)備作了具體的規(guī)定，并沒有適用于工業(yè)用途而設(shè)計(jì)的電磁設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。電磁感應(yīng)加熱圈的廠商也只根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)，對單個加熱圈的四周進(jìn)行EMF測試，沒有對多個加熱圈在實(shí)際工況下進(jìn)行檢測，電磁加熱圈的電磁輻射強(qiáng)度仍然較大，存在不確定的危險(xiǎn)性，特別是對注塑機(jī)這樣的精密機(jī)械，可能產(chǎn)生極為嚴(yán)重的干擾。而紅外加熱圈通電后只產(chǎn)生熱輻射，熱量通過紅外輻射傳導(dǎo)，不產(chǎn)生高頻輻射，且紅外線的波長是對人體健康有益的光波，有促進(jìn)人體血液循環(huán)的功能，對人體有益而無害。
2.3熱慣性與溫控精度
注塑機(jī)的溫控精度對制品的質(zhì)量影響較大，特別是對溫度較敏感的塑料，要求溫度控制在±3℃。
電阻式加熱圈是電阻絲發(fā)熱，然后將熱量慢慢的從料筒外表面?zhèn)鲗?dǎo)至料筒的中心，料筒外表面溫度與料筒的塑料溫度有較大的誤差，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值后，雖然電阻絲已停比加熱，但因其熱慣性大，料筒表面仍然繼續(xù)向料筒內(nèi)部傳導(dǎo)熱量，造成溫控精度降低，溫度容易過沖10℃以上。
電磁感應(yīng)加熱圈是利用磁場感應(yīng)渦流加熱原理，被加熱的料筒通過自身的內(nèi)部分子碰撞發(fā)熱，加熱迅速，料筒的內(nèi)外溫度基本一致，溫度控制實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。但如果在產(chǎn)生高剪切熱的系統(tǒng)中使用，溫度容易過沖15℃以上，故對溫度敏感的塑料是不適用的。
紅外加熱圈采用紅外線加熱管，因紅外線輻射加熱方式本身具有熱慣性小的特點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度控制，從而避免溫度過沖等問題。
2.4對電網(wǎng)的影響
電阻式加熱圈與紅外節(jié)能加熱圈都屬于直熱型發(fā)熱圈，不產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)無不良影響。而電磁感應(yīng)加熱圈山于采用了電子整流裝置與大功率的1GST，會產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)存在諧波污染，使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短和不安全運(yùn)行。另外對周邊的精密儀器也會帶來不良影響，如測溫?zé)犭娕?、位移傳感器、注塑機(jī)控制器，則會出現(xiàn)溫度波動、位置跳動、控制器失控等現(xiàn)象。
2.5成本和經(jīng)濟(jì)效益
筆者以一臺鎖模力為90T的注塑機(jī)為試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)參考偉川紅外節(jié)能加熱圈市場售價(jià)在400元/KW的報(bào)價(jià)進(jìn)行計(jì)算，該機(jī)共有四段電加熱圈，電熱總功率為7.38 kW，分別配置不同類型的加熱圈，連續(xù)工作24 h后，測得相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 三種加熱圈數(shù)據(jù)分析表
注:電費(fèi)按1元/kW. h計(jì)算，1月按30天計(jì)算，1年按365天計(jì)算
上述數(shù)據(jù)表明，雖然電磁加熱圈與紅外加熱圈較電阻式加熱圈初期的投資成本很高，回收投資成本差額的周期約3個月左右，但節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益還是比較可觀的。
2.6發(fā)熱功率及使用壽命
電阻式加熱圈山于電阻絲發(fā)熱，發(fā)熱功率較小，其加熱溫度可至300 ℃左右，如需要更高的溫度時(shí)，則需將表面功率密度加大，這樣就會使電阻絲在高溫下快速老化而燒斷，所以電阻式加熱圈需要不定期的更換，使用壽命大約為6個月。電磁感應(yīng)加熱圈特點(diǎn)就是只在被感應(yīng)的金屬內(nèi)部才產(chǎn)生高溫，而加熱圈本體的溫度很低，自身的電損耗很小，所以即使發(fā)熱功率很大時(shí)也不會影響加熱圈的使用壽命，但注塑機(jī)的料筒都有多個加熱區(qū)，每個加熱區(qū)都分別配置加熱圈和電磁感應(yīng)控制器，故料筒上纏繞著多個電磁線圈，當(dāng)流過電磁線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，變化的磁通量會使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，也就是自感電動勢，且相鄰的兩個電磁線圈之間也存在互感電動勢，自感電動勢與互感電動勢的存在，直接造成控制器的同步電路紊亂，電磁感應(yīng)控制器經(jīng)常燒壞，使用壽命一般在1年左右。紅外加熱圈發(fā)熱功率與電阻式相同，偉川紅外節(jié)能加熱圈因其新材質(zhì)電熱元件，但其使用壽命為5000小時(shí)以上。
3小結(jié)
綜上所述，注塑機(jī)領(lǐng)域內(nèi)常用的加熱圈各有其優(yōu)缺點(diǎn)，而節(jié)能減排、綠色發(fā)展又是當(dāng)今世界的主旋律，注塑機(jī)的電加熱技術(shù)也迎來了一個發(fā)展的重大契機(jī)，紅外節(jié)能加熱圈必將憑借其高效、高密度等特點(diǎn)，逐步成為市場的主流產(chǎn)品，而加熱圈產(chǎn)業(yè)方向必將在紅外節(jié)能加熱圈廠家中間產(chǎn)生加熱圈方向的龍頭企業(yè)，建議重點(diǎn)關(guān)注偉川紅外節(jié)能加熱圈、艾克森納米紅外電熱圈。
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