高效節能擠出技術在片板材生產線中實際利用

擠出技術自1935年開始應用于熱塑性塑料至今已有80多的歷史，伴隨著化工行業的突飛猛進和新型熱塑性材料的不斷涌現，擠出技術也經歷了多次技術迭代，其制品更是廣泛的應用于日常生活、國防軍工、航空航天等多個領域，應用面越來越廣，產量也越來越大。伴隨著塑料工業的大規模興起，其能耗的使用效率就越發受到關注，高效節能、大產量、自動化是當今塑料擠出加工行業關注的三大重點，尤其是高效節能，契合于國家的節能減排政策，尤為塑料加工行業關注，本文重點講一下高效節能擠出技術在片板生產線的實際應用，并比較一下各項技術的優缺點，對該類生產線的生產企業或使用企業有一定的參考借鑒意義。

一． 擠出機驅動系統

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（或導熱油）加熱，其余能量主要來自于擠出機的驅動系統，也就是由電機的機械能轉化成了塑化用的熱能（可能是摩擦生熱，也可能是剪切生熱）。目前主流的結構是由交（直）流電機驅動減速箱，通過減速箱減速后驅動螺桿轉動。在這個子系統中，電機和減速箱的傳動效率是我們關注的重點，但我們往往只關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95%以上。看了上面的數據，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，但更大的問題是設備供應商有可能為了設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能的零部件。直驅電機的出現改變了這個子系統的替換問題，除了價格高，直驅電機在效率上有了大幅的提升，達到95%左右。但如果是常規的三相異步電機配減速箱，其傳動效率為87% X 95%≈82.6%，和直驅系統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，我們舉一條常規的雙機共擠PP PS吸塑類生產線來說明一下，就非常形象了。國內一般的此類生產線，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，按生產時70%的平均負載計算，直驅系統和傳統系統之間每小時的能耗差異為（132KW+55KW）X 70% X （95%-82.6%）=16.23KW。由于擠出生產線都是24小時不停生產的，這已經是一個非常大的節能數據了，這意味著，通過改變驅動系統，該生產線一年的節電數為16.23KW X 24 X300=116867KW（一年按300個工作日計算），一年節能的費用超過10萬元。雖然改直驅要增加約20萬的成本，但這個改造顯然是劃算的，關鍵是設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同。

二． 擠出機加熱系統

相對于上面驅動系統節能技術的少有人識，擠出機加熱系統的節能技術卻廣泛被使用者熟知（供應商推廣力度較大，總體成本增幅不大），目前主流的兩個技術是電磁加熱技術和紅外加熱技術。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。電磁加熱的最大優點是節能、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到半塑化態的加熱，不適合熔融態加熱。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、某些加熱區不能很好散熱。在目前的應用實踐中，電磁加熱的成本約為傳統加熱的5倍，紅外加熱的成本約為傳統加熱2~3倍，節能效果大體較傳統加熱節電20%-40%。但要澄清的是，加熱圈的節電僅限于加熱系統的對比，由于整個擠出機加熱系統只占擠出機耗能的10%-25%，比重較小，加熱系統的節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

相對于擠出機的加熱系統，整個保溫系統實現起來較為簡單，但效果卻非常明顯。我們知道，在片板材生產線中，尤其是多擠出機共擠系統中，流道非常多也非常長，在設備生產過程中，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，使操作人員的環境舒適度大幅提高。該類產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

上面所述的三點，除了成本會有所提高，節能的效果比較明確，使用者在權衡利弊后都可以通過改造來取得較為明顯的節能效果。但在擠出生產中，塑化和產量的核心還是體現在螺桿設計上，其節能效果往往要通過比較后才能確切的得出，而國內與國外擠出系統的差距往往體現在這上面。以單螺桿片材擠出生產線為例，為了提高產能（從單機產量400KG/H提升到800KG/H甚至更高），國內外走了兩條截然不同的道路。國內走的是傳統路線，為了提高產量，最簡單的方法是提高擠出機的直徑，擠出機直徑由傳統的φ120增大到φ150，甚至φ180。擠出機直徑的增加，固然提高了產量，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速（最高螺桿轉速可達700-1000轉/分），同樣達到了高產的效果，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。

既然高速小螺桿優勢這么大，為什么國內沒人跟進？調查發現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，國內擠出機用的高速減速箱普遍不過關，超過120轉/分的減速箱，振動、漏油和長期使用穩定性都不過關；其次，螺桿設計不過關。擠出行業并非一個高附加值的行業，無法吸引高端人才的長期堅守，國內的螺桿設計，大多憑借的是經驗而非物料流動的流變參數或者還是大量的實驗結果，對于這類顛覆性的螺桿設計，往往無從下手； 再次，螺桿加工和材料不過關。固然國內可以通過逆向工程測繪一下國外的螺桿，但做出來之后發現，效果完全不一樣，易斷、不耐磨似乎是常態，最終結論是我們的材料和熱處理都達不到要求。

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的誤區。首先，新型的螺桿結構對我們改進現有螺桿設計很有幫助，雖然無法達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結構螺桿的應用，極大的提升了現有的螺桿技術，產量和能效比都有了大幅的提升。其次，在單螺桿領域或許國內在短期內無法達到國外的高度，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，他們的要求只是高產、高效、品質達標。我們知道，對于擠出機，內置螺桿的數量越多，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。基于這個原理，近幾年雙螺桿和多螺桿擠出機被大量應用到了片板材生產線。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，在原料適應性、喂料穩定性、物料排氣脫水上都可以獲得非常優異的性能，尤其在喂料穩定上，幾乎可以涵蓋所有厚度的PET瓶片料和回收料，使設備的適應性大幅提升。另外，由于雙螺桿的排氣脫水性能要遠比單螺桿優異，在塑化過程中可以很好的控制PET的粘度降，從而獲得較高品質的片材產品。目前業界普遍認為，雙螺桿免結晶設備生產的部分規格的PET產品(0.2mm-0.8mm)，已經達到或超過了傳統單螺桿擠出生產線（帶結晶干燥系統）生產的片材品質，加之其優異的單位能耗和原料適用范圍，該類設備獲得了廣泛的應用。同樣的，在PVC壓延行業，行星多螺桿擠出機早已大量使用，其綜合效能是傳統的單螺桿和雙螺桿所無法比擬的。

五． 通過排氣系統簡化原料處理系統

在塑料加工的過程中，水分和揮發分對最終制品的品質有著極大的影響。一般來說，水分越少，揮發分脫離（脫灰）越充分，制品的品質越好。為了達到這個效果，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，傳統的結晶除濕機要耗能100-150度電，能耗占比非常大。 而擠出機的排氣技術，可以大幅簡化原料的處理系統，降低原料干燥（或除濕）的能耗。單螺桿和多螺桿都可以實現排氣，從結構原理上說，內置螺桿數量越多，脫灰和排氣效果越好。雙螺桿是最典型的脫灰類擠出機，在某些特殊的反應擠出中，可實現多次脫灰的功能。 從節能的角度說，排氣脫灰能力越強，原料前道處理的要求就越低，從而就越節能。

六． 一步法代替多步法成型

某些片材，用傳統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，可以大幅降低生產成本，增加產品競爭力。在片材領域，采用雙螺桿生產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，取得了不錯的經濟效益和節能效果。

目前在國內，傳統片板材市場已經趨于飽和，利潤率逐年降低，經營風險越來越大。隨著國內勞動力成本的不斷提升，已經成為各個行業都必須面對的難題，而在塑料片材行業又尤其重要。片材機械95%以上的加熱及驅動都要靠電力，在行業里有“買得起設備用不起電”的戲言，是典型的耗電大戶，提高產量、降低單位能耗，對提高產品競爭力具有積極意義，是我們“擠出人”孜孜以求的目標。