新型節(jié)能環(huán)保電磁加熱輥在鋁塑復(fù)合板行業(yè)中的應(yīng)用

鄒 斌 馬忠喜（上海聯(lián)凈環(huán)保科技有限公司,上海 201100）

1 前言

鋁塑復(fù)合板最早由德國的Alusingen公司于1969年開發(fā)出來，已經(jīng)經(jīng)過了40多年的發(fā)展；在我國，鋁塑復(fù)合板的生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過近20年的進展，2008年全行業(yè)產(chǎn)值近200億元。近10年來，平均每年以20%左右的速度增長，中國已成為世界上最大的鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)國、消費國和出口國。

鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)的工藝與設(shè)備，在近20年間，也經(jīng)歷了從高檔舶來品到合資、國產(chǎn)等一系列過程。國內(nèi)廠家利用其在塑料機械行業(yè)的多年經(jīng)驗，結(jié)合鋁塑復(fù)合板產(chǎn)品的特性，90年代中期就成功地開發(fā)出國內(nèi)第一條全自動連續(xù)熱輥壓法生產(chǎn)線。隨著對溫度、壓力、張力、速度等控制手段較為深入的了解，國產(chǎn)化的鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)線工藝和設(shè)備經(jīng)歷了多次技術(shù)變革。在看似復(fù)雜的工藝過程中，最關(guān)鍵的一點是復(fù)合溫度與壓力的配合，其中復(fù)合溫度需通過適應(yīng)高分子粘接膜的溫度曲線來實現(xiàn)。而設(shè)備的關(guān)鍵之處又在于對復(fù)合輥進行透徹的研究。這方面國產(chǎn)化的成果是有目共睹的，在幾乎沒有多少資料可以借鑒的國產(chǎn)化之初，到如今，每條國產(chǎn)復(fù)合生產(chǎn)線只需操作人員6名，即可完成從PE上料至鋁塑復(fù)合板成品碼放的所有工作。

但隨著世界經(jīng)濟主流走向低碳、節(jié)能環(huán)保，國家產(chǎn)業(yè)政策進行了前所未有的結(jié)構(gòu)化升級，素以“電老虎”之稱的鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)線的高能耗，加上多數(shù)國內(nèi)生產(chǎn)廠家彌漫高溫和嗆人導(dǎo)熱油氣味的極其惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場，以及常常見諸報端的油滲漏引發(fā)的火災(zāi)，使得整個鋁塑復(fù)合板行業(yè)的發(fā)展遭遇了巨大瓶頸。

在這種政治、經(jīng)濟、環(huán)境大氣候營造的背景下，針對鋁塑板復(fù)合生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備－復(fù)合加熱輥的新產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)以及取代，已成為每一家鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)廠家翹首企盼的剛性需求。本文將介紹一種采用電磁感應(yīng)加熱原理制作的加熱輥，上海聯(lián)凈經(jīng)過三年多的研究和實踐，表明這項新技術(shù)在節(jié)能降耗上是非常具有推廣價值的，取得了良好的預(yù)期效果。

2 傳統(tǒng)加熱復(fù)合輥的弊端

目前普遍采用的鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)線工藝和設(shè)備中，復(fù)合輥加熱通常采用強制循環(huán)導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)，150～250℃高溫的導(dǎo)熱油經(jīng)油泵將其送到復(fù)合輥加熱，由于高溫油要經(jīng)過軸的一端進入，由另一端流回到油加熱中心，由此帶來一系列的弊端：

（1） 高能耗：以一條典型的鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)線為例，加熱輥共8個，其中4個輥對應(yīng)4臺導(dǎo)熱油加熱裝置，加熱功率各18kW，外加3kW油泵4臺；另4個輥對應(yīng)2臺電熱油加熱裝置，加熱功率各27kw，外加3kW油泵2臺；即導(dǎo)熱油加熱和輸送合計裝機功率144kw。其中18kw的導(dǎo)熱油輸送泵在整個生產(chǎn)過程中必須常開。高溫導(dǎo)熱油在輸送過程中管道沿途散熱顯著，按化工管路輸送經(jīng)驗，至少8%～10%的熱量會散失到環(huán)境中去。

（2）旋轉(zhuǎn)接頭密封泄漏：這是一個普遍存在的難題。不光是在鋁塑復(fù)合板行業(yè)，其它相關(guān)行業(yè)如造紙、PVC壓延、醫(yī)藥食品覆膜等等行業(yè)，該問題的存在對質(zhì)量安全環(huán)保均造成極大困擾。導(dǎo)熱油泄漏往往導(dǎo)致彌漫高溫和嗆人導(dǎo)熱油氣味的極其惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場，不少廠家不得不準(zhǔn)備大量便攜式滅火器材，以備不測，但常常還是難免油滲漏引發(fā)的火災(zāi)。鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)車間已成為工廠所在地政府清潔生產(chǎn)重點整治的對象。

（3）長期使用性能惡化：由于導(dǎo)熱油長期加熱循環(huán)使用，在輥內(nèi)及輸送管道中會因氧化而產(chǎn)生很多雜質(zhì)粘于其內(nèi)表面，致使污垢增加，導(dǎo)熱性差，加熱慢，輥面溫差加大，嚴(yán)重時出現(xiàn)流道阻塞。

（4 ）低精度：復(fù)合輥的軸承在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中，一定會發(fā)熱，自然冷卻無法實現(xiàn)降溫的目的。在加工時只能采用高溫軸承，由于高溫軸承是大間隙軸承，所以工作精度不高，質(zhì)量也不穩(wěn)定。

有一些鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)線已嘗試采用電阻絲加熱棒加熱輥設(shè)備，雖然可以緩解導(dǎo)熱油泄漏帶來的問題，但電阻絲加熱棒的高溫特性使得電阻棒的氧化無法避免，頻繁更換電阻棒對生產(chǎn)造成的干擾使得生產(chǎn)廠家望而卻步。

3 電磁加熱的基本原理

電磁加熱的基本原理圖如下：

圖1 電磁加熱的基本原理

當(dāng)交變的電流i通過感應(yīng)線圈時，由于電流的磁效應(yīng)，會在線圈內(nèi)部產(chǎn)生相同頻率的交變磁通φ，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，置于交變的磁通中的金屬工件內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e。由麥克斯韋(JAMES CLERK MAXWELL，英，1831～1879)電磁方程式，電動勢 e的大小為：

式中 N是線圈匝數(shù)。假設(shè)為φ正弦變化量，其角頻率為ω，即

φ=φmsinωt

式中為φm磁通正弦波的峰值。感應(yīng)電動勢為：

e = -Nφmωcosωt = Nφmωsin(ωt-π/2)

顯然，這也是一個交變的等頻率正弦量，最大值為Nφmω，并且相位上有 90度的延遲?？梢缘玫礁袘?yīng)電動勢的有效值E為:

從上面公式可以看出，感應(yīng)電勢的大小與頻率高低和磁場的強度成正比。因此，可以通過提高振蕩頻率和磁場強度的方法來提高感應(yīng)電動勢。

上面分析可見，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化為金屬內(nèi)部的熱能。感應(yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。另外需要指出的是，感應(yīng)加熱的原理與一般電氣設(shè)備中產(chǎn)生渦流以及渦流引起發(fā)熱的原理是相同的，不同的是在一般電氣設(shè)備中渦流是有害的，而感應(yīng)加熱卻正是利用渦流的熱效應(yīng)進行加熱的。

這樣，感應(yīng)電勢在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，使工件加熱。其熱量與電流電阻的關(guān)系為:

式中， Q為電流通過電阻產(chǎn)生的熱量(J)；I為電流有效值(A)；R為工件的等效電阻()；t為工件通電的時間(s)。

由上面兩式可以看出，感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場強弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，因此提高感應(yīng)線圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大；同樣提高工作頻率也會使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使工件升溫更快。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。

感應(yīng)加熱的整個過程是這樣的，首先通過感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化成磁能，交變的磁場產(chǎn)生同頻率交變的電動勢 E；交變電動勢 E作用于金屬工件后，形成閉合回路，在工件表面產(chǎn)生電流——渦流，實現(xiàn)了從磁能到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過導(dǎo)磁性金屬材料時會在金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使金屬材料本身自行高速發(fā)熱，從而達到直接加熱金屬料筒的目的。

4 電磁加熱復(fù)合輥的優(yōu)勢

上述電磁加熱技術(shù)具有能耗低、熱效率高、溫度提升快、溫度控制精度高等優(yōu)點，因此在許多行業(yè)被廣泛應(yīng)用。最近幾年發(fā)展很快的電磁爐、電磁熱水器等，均采用了該技術(shù)。運用到復(fù)合加熱輥上，總體上具有如下優(yōu)點：

(1)高效節(jié)能：仍以一條典型的鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)線為例，加熱輥共8個，采用電磁加熱復(fù)合輥，取消所有導(dǎo)熱油加熱裝置和輸送油泵。其中4個輥電磁加熱裝機功率各12kW；另4個輥電磁加熱裝機功率各9kW；合計裝機功率84kw。僅取消輸送油泵以及不存在高溫導(dǎo)熱油在輸送過程中管道沿途散熱，能量節(jié)約就在30%以上。此外，復(fù)合輥最耗能的階段在開機升溫階段，當(dāng)該階段結(jié)束后，僅需補充由于熱量散失帶來的熱量，由于電磁加熱不存在熱慣性，故電磁發(fā)生器的通斷比會比導(dǎo)熱油加熱裝置的通斷比更低，此處節(jié)約的能量通常在10%～15%左右。故累計節(jié)能可達到40%～45%。

(2)環(huán)保安全：由于電磁感應(yīng)加熱輥從根本上避開了對環(huán)境造成巨大污染的導(dǎo)熱油系統(tǒng)，故真正意義上實現(xiàn)了無燃燒廢氣排放、不消耗氧氣、無噪音、無污染，沒有過熱油和過熱蒸汽和相應(yīng)的管道，確保生產(chǎn)環(huán)保安全。

(3)軸向溫度均勻：由于采用RTD等高端的溫控手段及加熱冷卻調(diào)節(jié)手段，電磁感應(yīng)輥表面溫度在設(shè)計好的導(dǎo)流片的內(nèi)部導(dǎo)熱油導(dǎo)流循環(huán)流動作用下，輥的軸向溫度可控制在±1.0℃內(nèi)。

(4)多點式溫度控制：有可編程序控制器等自動化工控產(chǎn)品，采用多閉環(huán)智能控制系統(tǒng)和完善的保護系統(tǒng)，運行及其穩(wěn)定；在加熱輥端部，隨著生產(chǎn)工藝的需要，可任意實現(xiàn)輥體中部溫度和輥體端部溫度的差異化，從而解決鋁塑復(fù)合板行業(yè)普遍存在的側(cè)邊開膠脫落的問題。

(5)降低成本：使用電磁加熱復(fù)合輥，免除了導(dǎo)熱油配套系統(tǒng)的施工、維護、年檢和相關(guān)配套費，免除了管道的敷設(shè)等；設(shè)備占地面積減少很多，運行人員也減少。

5 ?400mm×1800mm加熱輥輥面溫度分布實驗數(shù)據(jù)

圖2 加熱輥示意圖

圖3 加熱輥輥體表面實測溫度分布圖

表1 加熱輥輥體表面實測溫度分布

電磁感應(yīng)加熱輥的研制，需要攻克機械、電氣、自控、空調(diào)、工程數(shù)學(xué)等若干個不同行業(yè)的邊緣學(xué)科交叉技術(shù)問題。其中尤以磁場強度有限元分析為核心，結(jié)合目前尖端的RTD自控手段的運用，取得機電儀一體化必備的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

圖2以?400mm×1800mm加熱輥為例，列出一組非常吻合生產(chǎn)現(xiàn)場需要的溫度數(shù)據(jù)見圖3，表1，從常溫到設(shè)定溫度的升溫時間在50min左右，完全滿足生產(chǎn)需要。

6 電磁感應(yīng)加熱輥與安全相關(guān)的技術(shù)問題

(1)電磁感應(yīng)圈完全包容在輥體之中，不存在電磁波的外輻射問題。按照國家環(huán)保文件的規(guī)定：頻率≥5MHZ需要進行電磁輻射測試，而電磁加熱圈的工作頻率遠遠低于規(guī)定頻率，因此不需要考慮電磁波輻射防護問題。

(2)電磁加熱裝置帶有過電流、過電壓、IGBT過熱等多種保護功能，裝置運行可靠。當(dāng)發(fā)生故障時，切斷電源，并在電源面板上顯示故障，如果需要的話可以向主機PLC輸出故障報警信號，經(jīng)PLC處理后在顯示屏上顯示，報警信號采用光電隔離輸出。

(3)電磁加熱電源取自原動力電源，感應(yīng)圈和輥體完全隔離，避免了線圈漏電傷人的危險。另外，在DCDYIII電源上還設(shè)計了漏電檢測保護電路，當(dāng)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象時，能夠快速切斷電源，保證設(shè)備和操作人員安全。

(4)電磁加熱裝置內(nèi)置諧波濾波器，減少了EMC輻射，裝置運行時不會干擾其他控制器的正常工作。

7 限電令背景之下的電磁感應(yīng)加熱輥的應(yīng)用

“十一五”規(guī)劃提出單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)能耗降低20%左右的目標(biāo)。2010年下半年，必須完成降耗4.48%的目標(biāo)。隨著“十一五”末期臨近，尚未完成節(jié)能減排任務(wù)的地方心急如焚，強制性限電措施大有蔓延之勢。目前浙江、江蘇、山東、廣西、甘肅等地已經(jīng)開始限電或有較明確的限電預(yù)期。其中，浙江和江蘇地區(qū)的階段性限電從8月即已開始。

在上述限電令的大背景之下，實質(zhì)已拉開以單位GDP能耗為主要經(jīng)濟衡量指標(biāo)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。以保守數(shù)據(jù)估計，目前全國復(fù)合生產(chǎn)線約200~250條，總生產(chǎn)能力為2億平方米左右，實際生產(chǎn)能力近8000萬～1億平方米。如能在鋁塑復(fù)合板生產(chǎn)線上全部采用上述介紹的新型環(huán)保節(jié)能電磁感應(yīng)加熱輥，將帶來不可估量的經(jīng)濟和社會雙重效益。