高速漆包機節(jié)能工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究

〔摘 要〕基于高速連拉連包漆包機的工作原理，分析了漆包機主要能耗的分布結(jié)構(gòu)，認為高速連拉連包漆包機的電耗高的工序主要是烘烤、退火和冷卻工序。在此基礎(chǔ)上，分別揭示了烘烤和退火工藝對漆包線能耗的影響規(guī)律，探討了漆包機節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。研究認為，在確保漆包線表面質(zhì)量漆包線延伸率和回彈角等性能指標的前提下，降低排廢、循環(huán)風機轉(zhuǎn)速控制出口的溫度，降低退火一段、二段的溫度，利用漆包機余熱替代電加熱來制備退火保護性氣氛水蒸氣等措施，能有效降低高速漆包機能耗。

〔關(guān)鍵詞〕漆包機；烘烤；退火溫度；排廢；能耗

中圖分類號：TM245；TM205" " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）04-0028-05

Research on Energy-saving Process and Key Technologies of High Speed Enameling Machine

XU Suhang1， YU Qi1， HU Yanbo1， LE Shuncong1， LAI Deyong1， GUO Wei1， JIN Ping2

（1. Jiangxi Copper Corporation， Nanchang， Jiangxi 330096， China;

2. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" According to the working principle of high-speed sequence enameling machine， the paper analyzes the distribution structure of the main energy sources of the enameling machine. It is believed that the processes with high electricity unit consumption in high-speed sequence enameling machine are mainly roasting， annealing， and cooling. On this basis， the paper explains the influence of roasting and annealing processes on the energy consumption of enamelled wires respectively， and discusses the key technologies for energy-saving of enameling machine. The study concluded that the corresponding measures， such as reducing waste discharge and temperature at the outlet of circulating fan speed control on the premise of ensuring the surface quality of the enameled wire and related performance indicators， reducing the I and II annealing temperatures on the premise of ensuring enameled wire elongation and performance indicators of rebound angle， and scientifically utilizing the waste heat from enameling machine to replace electric heating annealing protective atmosphere， should be taken to effectively reduce the energy" consumption of high speed enameling machine.

Keywords" enameling machine; roasting; annealing temperature; waste discharge; energy consumption

漆包線是繞組線的一種，主要由導(dǎo)體和絕緣層組成，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備、家用電器、工業(yè)電機等領(lǐng)域。漆包線的制備過程主要包括導(dǎo)體拉制和絕緣層涂覆兩個關(guān)鍵工序，具有生產(chǎn)流程長、連續(xù)性高等特點。近年來，我國漆包線的需求量不斷增大，產(chǎn)能不斷擴大，漆包機的制備技術(shù)快速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保型高速連拉連包漆包機不斷引入市場。近年來，國內(nèi)眾多學者對漆包機的節(jié)能進行了大量而深入地研究，特別是對其烘爐研究得較多。江西銅業(yè)崔宏偉等[1]研究了漆包機烘爐加熱失效的原因，并對加熱管、催化劑、排廢風機提出了合理實用的技術(shù)措施。湯曉水等[2]研究了MAG高速漆包機其烘爐的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過優(yōu)化烘爐爐溫曲線、提高有機溶劑催化燃燒效率、優(yōu)化烘爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等技術(shù)創(chuàng)新手段降低漆包機烘爐能耗。廣東工業(yè)大學王俊影等[3]利用MATLAB的Simulink仿真實驗，對PID控制與模糊控制的效果進行了對比分析，建立了模擬試驗系統(tǒng)，并編寫了熱平衡模糊控制軟件，實現(xiàn)了烘爐的熱能總量平衡控制和溫度控制。銅陵有色黃德路[4]研究了進口立式漆包機烘爐能源激勵，進行了保溫節(jié)能技術(shù)改造，降低了能耗。中南大學張家元[5]利用FLUENT 軟件為計算平臺，對高速漆包機烘爐中熱風的流動過程進行數(shù)值模擬研究，研究了烘爐結(jié)構(gòu)對節(jié)能的影響機制。

本文以JSWM公司設(shè)計制造的5/4-4/24F四頭連拉連包漆包機為研究對象，分析漆包機的結(jié)構(gòu)，探究烘烤、退火工序?qū)Ω咚倨岚鼨C節(jié)能的影響規(guī)律，研究漆包機節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。

1" "高速連拉連包工藝流程及能耗分析

1.1" 生產(chǎn)工藝流程

高速連拉連包工藝是指DV≥100（D是指漆包線的直徑，V是指漆包線的生產(chǎn)速度）、導(dǎo)線拉伸和絕緣漆涂覆聯(lián)合制備的一種工藝。隨著漆包線制造行業(yè)的高速、節(jié)能、環(huán)保趨勢的快速發(fā)展，高速連拉連包漆包機成為主流裝備。5/4-4/24F四頭高速漆包機是當前應(yīng)用最普及的一種典型漆包機機型。其采用連拉連包連續(xù)生產(chǎn)和烘爐廢氣催化燃燒生產(chǎn)工藝，目前市場應(yīng)用的綠色環(huán)保機型都是在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化升級而設(shè)計制造。其生產(chǎn)工藝流程主要包括在線拉絲、清洗、退火、絕緣漆涂敷、烘烤、冷卻吹干、在線檢測、潤滑、成卷收線等階段[6-8]。具體流程：導(dǎo)體經(jīng)拉絲機進行多模連續(xù)拉拔，經(jīng)過高溫水清洗導(dǎo)體表面的銅泥、乳化液等污漬，進入退火工段進行軟化，軟化后的導(dǎo)體通過涂漆模涂敷絕緣漆后，進入烘爐進行絕緣層烘烤，烘烤后，熱態(tài)涂有絕緣層的漆包線進入冷卻段冷卻，再經(jīng)過在線檢測儀檢測漆包線的連續(xù)性以及漆瘤后，進行表面噴涂，最后纏繞成卷。按漆包線的性能要求，流程中絕緣漆涂敷、烘烤、冷卻吹干的過程中是反復(fù)進行。

1.2" 能耗分析

根據(jù)高速連拉連包漆包機的結(jié)構(gòu)特點，對5/4-4/24F機型的漆包機烘爐、退火、冷卻、拉絲、收線等各主要能耗工序分別進行了統(tǒng)計，以生產(chǎn)■1.000 mm Q（ZY/XY）-2/200 200級漆包線為統(tǒng)計對象，各工序具體能源單耗如表1所示。

表1" 漆包機能源單耗分析

由表1可知，漆包機的能耗主要分布在烘烤、退火、冷卻工序，其中烘烤占總能耗的55%、退火占總能耗的18%、冷卻占總能耗的12%，三道工序占總能源單耗的8５%。以下主要針對烘烤、退火工藝對漆包線能源影響規(guī)律，探討漆包機節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。

2" "烘烤工序節(jié)能工藝探討

2.1" 烘爐結(jié)構(gòu)及工作原理

烘烤是漆包線生產(chǎn)的重要工序之一。其中，烘爐是其關(guān)鍵設(shè)備。烘爐結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。

1.烘烤區(qū)；2.循環(huán)空氣加熱管；3.循環(huán)風機；

4.漆包機管口；5.蒸發(fā)區(qū)；6.催化劑；7.熱交換器；

8.回風隔間；9.混風區(qū)；10.排廢風管；11.排廢風機

圖1" 烘爐結(jié)構(gòu)示意

涂好漆的導(dǎo)線進入烘爐，在烘爐的高溫下，絕緣油漆中的有機溶劑蒸發(fā)，漆基樹脂交聯(lián)固化成膜。此階段，物理、化學反應(yīng)復(fù)雜，需要大量的熱來支撐上述反應(yīng)的完成。烘爐的加熱方式主要有電熱式烘爐、電熱催化燃燒熱風循環(huán)烘爐和燃氣加熱催化燃燒熱風循環(huán)烘爐3種。目前，烘爐主要選用帶電熱催化燃燒熱風循環(huán)。

2.2" 排廢和熱循環(huán)階段能量效率研究

絕緣漆主要包括成膜物質(zhì)和溶劑，溶劑包括甲酚和二甲酚，比例按照6：4混合，溶劑燃燒熱值及安全需求，見表２～表3。

從表2中可以看出，1 kg 混合溶劑的燃燒值相當10.5 kWh的電能。根據(jù)溶劑化學反應(yīng)式計算空氣需求量，同時補充空氣，稀釋溶劑蒸氣濃度（以溶劑蒸氣的體積分數(shù)表示），使其處于爆炸極限以下。

熱交換機參考“溶劑稀釋需求量”，每 1 kg混合溶劑需要新鮮空氣 24.9 kg?？紤]到溶劑分布不平均，取2倍空氣量，即為 49.8 kg。熱風循環(huán)的排廢量則應(yīng)參考“燃燒反應(yīng)需求量”的 2 倍，即補充 26.4 kg空氣即可。由于溶劑蒸汽濃度的稀釋可以依靠循環(huán)風量來實現(xiàn)。在最理想的情況下，排廢風量達到最低需求量最為節(jié)省能量。廢氣在排放前，通過補充空氣經(jīng)過熱交換，將熱量帶回爐膛進行再利用。因此，最大限度地提高熱交換效率，是最主要的節(jié)能措施。

2.3" 排廢、熱循環(huán)階段節(jié)能試驗

以上通過對烘烤階段的能量分析和研究，確定了漆包線節(jié)能技術(shù)要點。本節(jié)擬進一步通過試驗探討排廢量、爐內(nèi)氣流量、補充風量三者的關(guān)系，通過對相關(guān)工藝參數(shù)進行試驗研究，并通過調(diào)整烘爐不同部位的風門及風機轉(zhuǎn)速，提高蒸發(fā)區(qū)、進口區(qū)的溫度，降低排出廢氣的溫度，減少能源的損失，充分利用線表的余熱，達到在相同DV值時，降低固化區(qū)溫度及烘爐的加熱比。

為了研究方便，定義導(dǎo)線耗能為 Q線與耗電量Q電的比值為電熱比率η電熱，則：

η電熱 = Q線 / Q電×100% 。

電熱比率是漆包線自身耗能的參數(shù)，是電能有效利用的參考性指標。電熱比率越高，說明漆包機越節(jié)能。本次試驗排廢、熱循環(huán)階段試驗共進行6次，以第1輪試驗為基準，后面5輪試驗在第1輪試驗的基礎(chǔ)上分別調(diào)整排廢和循環(huán)風機的轉(zhuǎn)速。方案如表4所示。

表4" 排廢、熱循環(huán)階段不同條件對電單耗的影響

由表4可知，隨著進口溫度的提升，固化區(qū)溫度的降低，電熱比率在不斷降低。第5輪試驗當固化區(qū)溫度為600 ℃、進口溫度為245 ℃時，降低排廢和循環(huán)到極限水平，電熱比率為68%，但由于出現(xiàn)爐溫不穩(wěn)定、色澤不均勻現(xiàn)象，無法正常生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，重新調(diào)整了排廢風機和循環(huán)風機的轉(zhuǎn)速，在工藝固化區(qū)溫度為595 ℃，進口溫度為256 ℃的條件下，電熱比率為 64%，與方案5基本相當，可以實現(xiàn)正常生產(chǎn)。在此輪試驗的條件下，電單耗總體比原方案（第1輪試驗）的下降了48 kWh/t。

3" "退火工序節(jié)能探討

漆包線產(chǎn)品柔韌性直接影響到線纜的使用性能。漆包線生產(chǎn)過程中銅線經(jīng)過拉伸冷變形后，由于其內(nèi)部發(fā)生了晶粒碎化、晶格畸變，且還存在殘余內(nèi)應(yīng)力，因而銅線組織處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要通過在線退火進行軟化。漆包機通過將變硬的銅導(dǎo)線以電熱加熱的方式高溫退火，以消除其內(nèi)應(yīng)力，使銅導(dǎo)線的晶格重新排列，從而提高銅導(dǎo)線的塑性變形，提高伸長率，優(yōu)化回彈角和導(dǎo)電率，使其滿足漆包線生產(chǎn)的工藝要求。

為了滿足客戶需求，以生產(chǎn)■1.000 mmQ（ZY/XY）-2/200 200級漆包線為研究對象，在DV=112的條件下，研究退火溫度一區(qū)、二區(qū)溫度對產(chǎn)品的柔韌性影響機制。根據(jù)有關(guān)研究表明，銅線的延伸率與退火溫度的關(guān)系是隨著退火溫度的增加延伸不斷增加，但是當增加到一定程度的時候，延伸率隨著退火溫度的增加而降低，此時銅線已經(jīng)過燒。為此，結(jié)合漆包線的生產(chǎn)情況，制定了分6次逐步增加退火二段溫度（440 ℃、460 ℃、480 ℃、500 ℃、530 ℃、550 ℃）的試驗方案，研究退火二段溫度對能耗的影響。退火溫度對延伸、回彈角影響見圖2，退火溫度對電單耗影響見圖3。

由圖3可知，隨著退火溫度的升高，退火電單耗不斷增加，在確保電單耗低的情況下同時參考圖2數(shù)據(jù)，選擇能夠滿足延伸率和回彈角要求的溫度。由圖2可知，退火溫度在440 ℃和560 ℃時，延伸率和回彈角均不達標，最終確定退火二段溫度為460 ℃。

為了進一步研究退火一段溫度對電單耗的影響，選定退火二段溫度為460 ℃不變，研究一段溫度對電單耗的影響規(guī)律。根據(jù)生產(chǎn)實際情況，分析退火一段溫度480 ℃和530 ℃的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，退火一段溫度為480 ℃時，電單耗為151 kWh/t，產(chǎn)品的延伸率為34.66%，回彈角為39 °，均符合性能要求。綜上可知，一段退火溫度為480 ℃、二段溫度為460 ℃時，電單耗為151 kWh/t，比一段退火溫度為530 ℃、二段溫度為460 ℃的退火工藝的電單耗下降了65 kWh/t。

4" "排廢通道余熱利用

漆包線生產(chǎn)過程中，導(dǎo)體是采用通過式在線連續(xù)退火的方式進行。本文所采用的5/4-4/24F高速連拉連包漆包機通過12 kW的電加熱鍋爐作為蒸汽發(fā)生器獨立制取水蒸氣，防止導(dǎo)體退火過程中被氧化。經(jīng)核算，加熱爐耗電量為3 986.7 kWh/d。然而，蒸汽發(fā)生器工作不穩(wěn)定，冷設(shè)備啟動時需要等待蒸汽飽和后才能供應(yīng)水蒸氣，這使得加熱管出現(xiàn)斷水干燒損壞現(xiàn)象。蒸汽不足還易造成漆包線導(dǎo)體表面氧化，影響涂敷絕緣漆的效果，產(chǎn)生漆包線的漆膜附著性能，甚至出現(xiàn)漆膜脫落的質(zhì)量缺陷。

該漆包機在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生了大量的熱量，通過排廢通道排出，造成浪費。根據(jù)該漆包機的工藝技術(shù)特點，研究了烘爐熱量收集再利用技術(shù)，即將烘爐產(chǎn)生的余熱集中收集起來，替代電加熱鍋爐制備水蒸氣，經(jīng)統(tǒng)計，電單耗可節(jié)約58 kWh/t。改造后的余熱利用充物如圖5所示。

圖5" 余熱利用實物

5" "結(jié)論

1）高速連拉連包漆包機的電單耗高主要工序是烘烤、退火和冷卻（占總能耗８５％），其中烘烤占總電耗的55%。

2）通過研究烘烤的能源影響機制，研究排廢、循環(huán)電機轉(zhuǎn)速和溫度對電單耗的影響規(guī)律，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低排廢和循環(huán)溫度，可降低電單耗48 kWh/t。

3）揭示了退火一段和二段溫度對高速漆包機電單耗的影響規(guī)律，隨著退火溫度的升高電單耗不斷增加，研究了退火溫度的控制關(guān)鍵技術(shù)，在確保漆包線延伸率和回彈角的性能基礎(chǔ)上，可控降低退火溫度，即一段退火溫度480 ℃、二段溫度460 ℃，電單耗下降了65 kWh/t。

4）分析了退火保護性氣氛水蒸氣對漆包線生產(chǎn)的影響，研究了蒸汽發(fā)生器制取水蒸氣的機理和能耗，研究并實施了科學利用烘爐的余熱替代電加熱制水蒸氣的方法并，電單耗下降了58 kWh/t。

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收稿日期：2023-8-16

作者簡介：徐溯航（1993—），男，主要從事銅加工生產(chǎn)及技術(shù)管理工作。

通信作者：余琪（1984—），男，高級工程師，研究方向為高性能銅及銅合金制備及成形關(guān)鍵技術(shù)。