滾塑式沼氣池罐體加工節(jié)能方法的研究

韓大明，王福全，羅竟明

(1.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040;2.哈爾濱市三維滾塑能源研究所，哈爾濱150040)

能源是滾塑生產(chǎn)成本的重要組成部分，影響滾塑制品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。滾塑工藝在中國(guó)起步較晚，發(fā)展遲緩，其產(chǎn)量在整個(gè)塑料行業(yè)所占比重微乎其微。因此，滾塑工藝被業(yè)界忽略，節(jié)能概念建立較晚，是伴隨著能源危機(jī)、燃料漲價(jià)、人民幣升值而出口受阻、勞動(dòng)力成本上升的不利因素出現(xiàn)的。節(jié)能可以從多個(gè)方面降低滾塑成本，提高滾塑制品競(jìng)爭(zhēng)力，增加滾塑企業(yè)利潤(rùn)［1］。滾塑生產(chǎn)的主要成本是塑料原料、能源、勞動(dòng)力，能源成本是最容易解決、最方便解決、最快解決的。勞動(dòng)力成本的解決，需要自動(dòng)化技術(shù)的提高、機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，是未來(lái)的發(fā)展課題。

對(duì)于滾塑機(jī)節(jié)能的研究，可以減少燃?xì)庀?，減少?gòu)U氣排放，降低熱源成本。只要控制適宜的加熱溫度，就可以保障塑料應(yīng)有的強(qiáng)度，提高制品品質(zhì)，減少塑料用量，降低原料成本。機(jī)械、電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、耐用，可以減小電力、裝機(jī)容量，降低設(shè)備造價(jià)。避免超溫、超時(shí)加熱，可以延長(zhǎng)設(shè)備、模具使用壽命。塑料加熱溫度適宜，避免塑料分解，可以降低對(duì)于原料的溫度耐久性要求，使得滾塑適應(yīng)種類(lèi)更多的原料。

1 滾塑工藝

塑料原料以粉末狀顆粒，加入中空的模具中，模具旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)，對(duì)模具加熱，使得塑料逐漸融化，涂敷在模具內(nèi)表面上。塑料完全融化后，停止加熱，冷卻后，停止模具旋轉(zhuǎn)。打開(kāi)模具，卸下已經(jīng)成形的塑料，就是所要加工的塑料產(chǎn)品。滾塑生產(chǎn)的塑料制品，無(wú)縫、強(qiáng)度高、彈性好［2］。塑料不經(jīng)過(guò)高溫?cái)D壓，不在高溫區(qū)滯留 (沒(méi)有料斗)，因此，只要不過(guò)度加熱，塑料性能沒(méi)有高溫?fù)p失，具有更高的機(jī)械、物理、化學(xué)性能［3］。塑料滾塑，產(chǎn)品的一個(gè)表面是受模具控制而光滑的，一般是外表面，而另一面是自然形成的光面。塑料滾塑適合制造中空的制品 (中心是空的)。如圖1所示。

圖1 滾塑生產(chǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotational molding process

2 模具測(cè)溫系統(tǒng)與控制

保持穩(wěn)定而精確的模具溫度區(qū)間，是為了保證正常的塑料塑化過(guò)程，避免塑料發(fā)生降解失效。溫度測(cè)量與控制，分為保溫箱溫度測(cè)量與控制、模具溫度測(cè)量與控制。保溫箱溫度測(cè)量與控制，采用常規(guī)溫度測(cè)量與控制方法，容易實(shí)現(xiàn)，精度較高，成本較低，技術(shù)簡(jiǎn)單，可供選擇的自動(dòng)儀表種類(lèi)繁多。模具處于三維自由運(yùn)動(dòng)、高溫環(huán)境，無(wú)法直接進(jìn)行接觸測(cè)量。因此，模具溫度測(cè)量、控制，技術(shù)復(fù)雜、難于實(shí)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)的成本、技術(shù)難度很高［4］。

采用普遍使用的熱輻射非接觸測(cè)溫，由于滾塑工藝的特殊性，高溫?cái)_動(dòng)氣流對(duì)于溫度測(cè)量的結(jié)果影響非常大，數(shù)據(jù)可靠性不高，有待采用特殊技術(shù)剔除氣流擾動(dòng)誤差，方可普遍用于生產(chǎn)實(shí)踐。采用航天測(cè)控技術(shù)，可以準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量模具的內(nèi)外溫度。采用微波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可以實(shí)時(shí)連接地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)［5］。如圖2所示。

圖2 模具溫度測(cè)試工作原理Fig.2 Work theory of mould temperature measurement

生產(chǎn)、試驗(yàn)中，使用的模具測(cè)溫系統(tǒng)有3種，分述如下。

第一種是電池供電，手動(dòng)降溫。滾塑開(kāi)模時(shí)，人工手動(dòng)打開(kāi)測(cè)溫設(shè)備的絕熱外殼，使得內(nèi)部電路散熱。此種設(shè)備與國(guó)外的Rotolog控制系統(tǒng)相似，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是使用繁瑣、容易損壞。

第二種是電池供電，自動(dòng)降溫。滾塑開(kāi)模時(shí)，測(cè)溫設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)到空氣溫度低，自動(dòng)啟動(dòng)降溫風(fēng)扇，使得測(cè)溫設(shè)備的內(nèi)部與外界空氣循環(huán)，給內(nèi)部電路散熱。電池每天需要人工充電，電源線(xiàn)帶來(lái)麻煩。而使用干電池既不經(jīng)濟(jì)，每天又有更換電池的麻煩，這是設(shè)備存在的缺點(diǎn)。

第三種是在線(xiàn)連續(xù)供電，自動(dòng)降溫。滾塑開(kāi)模時(shí)，測(cè)溫設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)到空氣溫度低，自動(dòng)啟動(dòng)降溫風(fēng)扇，測(cè)溫設(shè)備的內(nèi)部與外界空氣循環(huán)，使得內(nèi)部電路散熱。供電是連續(xù)的，不需要人工充電，這使得使用變得方便。

3 滾塑機(jī)能耗實(shí)例與節(jié)能試驗(yàn)

3.1 搖擺滾塑機(jī)燃?xì)夤?jié)能試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)環(huán)境。

環(huán)境氣溫:15℃。

試驗(yàn)設(shè)備:GSJ－3YB數(shù)控滾塑機(jī)改裝搖擺機(jī)(如圖3所示)，搖擺式工作 (如圖4所示)。

圖3 搖擺式滾塑機(jī)Fig.3 Swing rotational molding machine

圖4 搖擺式滾塑機(jī)試驗(yàn)Fig.4 Experiment of swing rotational molding machine

塑料原料:大慶7042聚乙烯顆粒料，粉碎機(jī)粉碎，粒狀物，粒度－30目。

熱源:液化氣，自制燃燒器，7支噴嘴。驅(qū)動(dòng)功率:主軸1.5kW，副軸0.75kW。

消耗功率:主軸小于100VA(50V0，0.9A)，副軸156VA(100V0，0.9A)。

模具:200升水箱，4個(gè)銅質(zhì)預(yù)埋件。

(2)模具測(cè)溫系統(tǒng)。

Mwc－1型模具溫度測(cè)試儀，MwcX－1型模具溫度顯示儀，MwcX1模具溫度遙測(cè)通訊測(cè)試程序V1.02.exe。

3.2 普通搖擺機(jī)試驗(yàn)

不調(diào)節(jié)燃燒器流量，生產(chǎn)中不控制溫度，塑料重量:7kg。

液化氣重量消耗見(jiàn)表1。

表1 液化氣重量消耗量的變化Tab.1 Changing of gas weight consumption

升溫過(guò)程單位時(shí)間耗氣量為:

(24.7－24.4)/11=0.027kg/min。

全部過(guò)程單位時(shí)間耗氣量為:

(24.7－23.7)/35=0.029kg/min。

單位重量耗氣量為:

(24.7－23.7)/7=0.14。

制品質(zhì)量:桶身溫度不夠，沒(méi)有成形，封頭溫度足夠，成形很好。

3.3 保溫罩式搖擺機(jī)試驗(yàn)

保溫罩式搖擺機(jī)試驗(yàn)成品如圖5所示。

圖5 保溫罩式搖擺滾塑機(jī)成品Fig.5 End product of swing rotational molding machine with insulation cover type

調(diào)節(jié)燃燒器流量，生產(chǎn)中控制溫度，塑料重量:7.8kg。

液化氣重量消耗見(jiàn)表2。

表2 液化氣重量消耗的變化Tab.2 Changing of gas weight consumption

8.5min升溫耗氣量為:

(22.55－22.3)/8.5=0.029kg/min。

150～200℃塑化耗氣量為:

(22.0－22.3)/(17－8.5)=0.035kg/min。

單位塑料重量耗氣量為

(22.55－22.0)/7.8=0.07。

制品質(zhì)量:正常。

3.4 節(jié)能效果對(duì)比分析

普通搖擺機(jī)與保溫罩式搖擺機(jī)試驗(yàn)過(guò)程比較見(jiàn)表3。

表3 兩種試驗(yàn)過(guò)程效果比較Tab.3 Results comparision of two experiment during process

實(shí)驗(yàn)表明，保溫罩式搖擺機(jī)，相對(duì)普通開(kāi)放式搖擺機(jī)，能耗降低50%，滾塑時(shí)間縮短50%。本次試驗(yàn)中，對(duì)普通開(kāi)放式搖擺機(jī)進(jìn)行了模具溫度測(cè)量。為防止超溫?fù)p壞塑料制品，人為調(diào)節(jié)、降低了燃?xì)庀模?］。實(shí)驗(yàn)中模具的支撐采用了100mm直徑鋼管，相對(duì)于滾塑件450mm的尺寸，其傳導(dǎo)散熱很?chē)?yán)重，熱損失很大。

滾塑工業(yè)化生產(chǎn)中，支撐輪相對(duì)于滾塑件尺寸很小，其傳導(dǎo)散熱較小。在實(shí)際滾塑生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)中不能準(zhǔn)確測(cè)量模具各個(gè)部位的真實(shí)溫度，為防止塑化不良，多采用過(guò)度加熱，因此存在更大的熱損失［7］。因此，在實(shí)際滾塑生產(chǎn)中，采取適當(dāng)措施，降低能耗75%是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 滾塑機(jī)節(jié)能方法

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容，提出了滾塑機(jī)的節(jié)能方法［8－10］。

(1)降低氣體對(duì)流散熱。氣體對(duì)流散熱，熱量被流動(dòng)的空氣帶走。氣體對(duì)流散熱是最主要的散熱方式，在保溫箱式滾塑機(jī)中，影響不大。對(duì)于明火作業(yè)的搖擺式滾塑機(jī)，模具暴露于空氣中，模具自由散熱，不受限制，大部分熱量流失于空氣中。使用保溫罩封閉搖擺式滾塑機(jī)中的模具，隔斷模具與空間環(huán)境的氣體對(duì)流接觸，阻止氣體對(duì)流散熱。

(2)降低輻射散熱。輻射散熱，與物體溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，意即溫度越高，輻射散熱越快。降低保溫箱溫度，可以降低輻射散熱。搖擺式滾塑機(jī)，高溫模具暴露于空氣中，模具自由輻射散熱，不受限制。相當(dāng)可觀的熱量經(jīng)過(guò)輻射散熱。使用保溫罩封閉搖擺式滾塑機(jī)中的模具，隔斷模具與空間環(huán)境的輻射接觸，阻止輻射散熱。

(3)降低固體傳導(dǎo)散熱。熱量的傳遞，與介質(zhì)密度、面積呈現(xiàn)正相關(guān)，意即密度越大、或者面積越大，傳熱越快。介質(zhì)密度與材料有關(guān)，鋼鐵密度較大，是熱的良導(dǎo)體。滾塑機(jī)的主要制造材料是鋼鐵，為了降低傳導(dǎo)散熱，可以通過(guò)增設(shè)保溫層、減小鋼鐵面積實(shí)現(xiàn)。保溫箱式滾塑機(jī)的主要傳動(dòng)軸、支承軸，一端在保溫室的高溫環(huán)境，另一端在外部大氣常溫環(huán)境，溫度相差200余度，固體傳導(dǎo)散熱較大。減小軸徑，可以降低固體傳導(dǎo)散熱。

主要傳動(dòng)軸、支承軸，受到模具重量、滾塑機(jī)結(jié)構(gòu)的制約。模具厚度減小，有效的減小了模具重量。滾塑機(jī)結(jié)構(gòu)，影響自身的重量、鋼材尺寸。良好的結(jié)構(gòu)，可以顯著減少鋼材重量、減小軸徑。減少鋼材重量、減小軸徑，相應(yīng)的動(dòng)力需求降低，可以減少裝機(jī)容量。

(4)防止超時(shí)加熱。滾塑生產(chǎn)實(shí)踐中，不能準(zhǔn)確知道塑化的程度，只能依據(jù)肉眼觀察、經(jīng)驗(yàn)判斷，確定滾塑結(jié)束的時(shí)機(jī)。因此，為了防止塑化不足，只能延長(zhǎng)加熱時(shí)間。延長(zhǎng)時(shí)間因技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)不同而差異很大，往往造成超時(shí)加熱。模具內(nèi)部的溫度，能夠表示塑化的程度。采用儀表直接、準(zhǔn)確的測(cè)量模具內(nèi)部的溫度，就可以防止超時(shí)加熱。

(5)防止超溫加熱。滾塑生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)于溫度的測(cè)量和控制比較差。明火作業(yè)的搖擺式滾塑機(jī)，基本上不測(cè)量溫度，依據(jù)肉眼觀察、經(jīng)驗(yàn)控制加熱，由此控制溫度。粗放的生產(chǎn)方法，使得模具溫度變化區(qū)間很大。近年來(lái)，有的采用了紅外輻射測(cè)溫方法，由于熱氣流的影響，溫度偏差很大。由于被測(cè)量的模具與熱氣流緊密接觸，影響更為突出。保溫箱式滾塑機(jī)，測(cè)量和控制保溫箱內(nèi)的氣體溫度，溫度精度很高，不易發(fā)生超溫加熱。

模具內(nèi)部的空氣溫度，能夠表示塑化的程度。直接接觸測(cè)量模具的溫度、模具內(nèi)部的溫度，控制生產(chǎn)過(guò)程，可以防止超溫加熱。直接、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制模具溫度、模具的內(nèi)部溫度，可以有效防止超溫加熱。

5 結(jié)論

(1)對(duì)滾塑式沼氣池罐體加工工藝的模具測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)模具的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與控制。

(2)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)普通搖擺滾塑機(jī)與保溫罩式搖擺滾塑機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)單位塑料重量的耗氣量進(jìn)行了計(jì)算與比對(duì)。

(3)根據(jù)試驗(yàn)得出的結(jié)果提出了滾塑式沼氣池罐體加工的節(jié)能方法。

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