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注塑机 |
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使用不同注塑工艺的螺筒加热技术提高效率并改善控制性能 |
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作者：Xaloy公司 来源：PT现代塑料 |
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本文将加热圈与通过插入绝热层直接加热螺筒的非接触感应加热新技术的能量效率和控制响应情况进行了比较，并对试验室注塑成型机操作和台架试验的定量结果进行了讨论。同时，本文考虑了螺筒直径、表面条件和加热圈类型对效率和控制响应的影响，最后还考虑了热电偶深度这一影响因素。
概述
电动注塑机在过去的20年里显著改善了注塑机的能量效率。随着这项技术被广泛接受并日益成熟，面对不断升高的能源成本，注塑行业面临着必须探索节约能源的新方法来降低生产成本，以保持市场竞争力。
融体料流的加热，尤其是螺筒加热的出现给注塑行业带来了很大的转机。显然，传统的筒式加热技术效率十分低下。在加热圈消耗的能量中，通常有30%～70%是通过辐射和与周围环境的对流浪费掉的。消除能量损失将会降低能量的利用率（即kW/kg），并使设备在使用同一能量传输设备时更快地预热，从而缩短了停工时间，进一步提高了生产能力。
加热圈的固有特性也阻碍了对温度控制的响应，从而限制了对部件与部件之间质量一致性和使转换时间最小化的改进。在加热螺筒之前必须首先将加热圈的温度升至螺筒温度之上，相应地，在冷却螺筒之前也必须首先将加热圈的温度降至螺筒温度以下。因此，加热圈的蓄热（质量×热容）和加热器与螺筒之间的接触热阻显著提高了融体料流的热惯性。
最近，通过使用质量更低的辐射加热元件来替代加热圈进行加热，让注塑行业中越来越多的人重新认识到了改进设备的重要性。
非接触感应加热是另一项具有显著优势的新技术。人们在数十年前就开始考虑使用带有螺旋感应线圈的螺筒进行加热，但应用情况欠佳。通常，人们都是使用效率低下的低频电源，并将线圈直接与螺筒接触，这样反而破坏了应用感应加热的优势。螺筒中生成的热量仍会向周围环境扩散，而且线圈的蓄热也没能通过散热被排除，与热螺筒的接触也增加了线圈的电阻，进一步破坏了效率的提高。
新型螺筒感应加热技术
INDXTM螺筒加热法（专利申请中）通过使用优化的高频电源，并在螺筒与线圈之间插入一个绝热层，很好地解决了上述问题，而且充分利用了感应加热的全部潜力。全部热量均是在螺筒内直接生成的，而且一直保留在工艺过程中，很好地消除了线圈的蓄热。线圈的电阻损失也可以忽略不计，此时设备的外表面可直接用手触摸。在此过程中，螺筒的加热效率几乎达到100%，对温度控制的响应也得到了显著改善。
试验概况
通过将台架试验装置与实验室注塑机的生产过程相结合的方法，对提高能量效率和改进工艺控制效果进行了各种定量测试，并获得了相应的实验结果取样。其他的实验室测试正在进行和设计中，并与系列生产型机器一样受到监控。
用两种方法对加热系统的效率进行了评估：首先，分别对实验注塑机的两种加热系统，即加热圈和感应加热进行加热，比较它们加热同样材料和产量所必需的能量。接下来，使用两种不同的螺杆类型，采用多种材料以恒定的速度生产出相同的零件。分别将加热圈和感应加热的台式螺筒部分的瞬时热量输入率（用放置在螺筒壁内的系列热电偶进行测量）与瞬时电源消耗量进行了比较，两种测试均观察了控制响应的特点。在注塑机测试的过程中，通过使用相同的自动控制器来控制加热圈和感应加热，使产生的控制间隔时间和融流的温度变化具有可比性。在台式螺筒的分段测试中，比较了加热圈和感应加热在启动和关闭时热量的输入和排除以及输入和输出测试螺筒的滞后效应。
注塑机的测试步骤
测试是在东芝注塑机上进行的，该成型机的螺筒内径（ID）为36mm，外径（OD）为90mm，并带有3个250mm长的温度控制区。每个带式加热区包括4个MICA 型加热圈，其消耗的功率约为3200W/区。每个感应区含有一个螺旋形线圈，该线圈靠一个可提供2000W电源的专用反向变流机进行供电。线圈缠绕在一个带槽的塑料盘绕套管上，套管外包围着一层介于套管与螺筒之间19mm厚的矿棉管隔热层（如图1所示）。
图1 试验室注塑成型机
将11个沿螺筒长度排列的裸露热电偶安装于20mm深的导热水泥中，其中3个集中于3个加热区，并在3个常用的自动调谐PID控制器中装置了普通的开关以便于控制。
由多种不同材料（ABS、聚丙烯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯）为原料，通过使用两种不同的螺杆类型（通用型和FusionTM），以循环周期为30s的生产效率生产出了一个40g的零件。加热圈和感应的测试过程均使用了相同的加热区温度调节点，而且每次测试都用人工方式检查出口的融流温度，以确保质量的一致性。
通过监测单相（加热圈）和3相（感应加热）电流引出可实时跟踪加热系统的电流消耗情况，并间歇性地测量电源的供电电压和功率因数（感应加热）。采用福禄克（Fluke）数据采集系统，每隔1s对温度和安培数测量一次。
通过比较在稳态生产条件下加热圈和感应加热的耗电量，可评估出加热系统的相对效率。保持背压恒定，并同时假定融流的粘性热和从螺筒到机器外壳的传导热损失保持恒定，通过计算11个螺筒温度的时域标准差可评估工艺的可变性。
螺筒分段测试的步骤
将12个热电偶沿螺筒的中心线安装于每个螺筒上，旨在完成对两个螺筒尺寸的分段测试。6对热电偶从外表面到内腔依次安装，安装的深度依次递增。
在每个螺筒尺寸上都对MICA型和陶瓷型加热圈进行了测试，试验过程如下：
● 89mm/（外径）×38mm/（内径）×368mm/（长度）(3.5"×1.5×14.5)
4个直径为50mm、功率为650W的MICA型加热圈
4个直径为50mm、功率为1500W的陶瓷型加热圈
● 203mm/（外径）×89mm/（内径）×622mm/（长度）(8"×3.5×24.5)
8个直径为50mm、功率为650W的MICA型加热圈
6个直径为50mm、功率为2000W的陶瓷型加热圈
螺筒段的内腔和端部都是绝热的，以防止圆柱形外筒表面或加热圈自身的热量损失。通过监测单相和3相电流消耗来跟踪加热系统的耗电情况，并间歇性地测量电源的供电电压和功率因数，并采用福禄克数据采集系统，每隔0.1s对温度和安培数测量一次。
作为操作温度的函数，加热圈的效率可通过计算每个时间增量内螺筒段的内能变化进行评估（使用6个环形元件的简单有限差分分析法）。在螺筒和加热器都是新的时候（此时产生的热辐射损失最少），首先对MICA型加热圈进行试验，一旦螺筒和加热器表面完全脱色并发生颜色变深（使用了约6h之后），约6h后再重复试验, 最后在螺筒和加热器表面涂成哑光黑色，使热辐射损失达到最大。
在感应加热试验方案中，使用了一个由真空成形且带有螺旋槽的绝热套管，且套管的螺旋槽内还插入了专门的低电阻电感电缆。使用高频变频器为感应加热线圈提供电能，并在感应加热试验期间将其输出功率调节至与加热圈提供给螺筒的热量传递速率相等，这样在加热圈和感应加热之间所观察到的温度响应时间差异就主要是由于供给热量的方式不同导致的（而并非是供给热量的多少所致，因为两者的热量值基本上恒定不变）。
注塑机的试验结果
如图2所示，在生产过程中，感应的功耗平均是加热圈的31%，各区平均配电（功率分布）的情况可从图3中看出。
图2 螺筒加热功率消耗（W/Fusion型螺杆）
图3 螺筒加热功率消耗（W/通用型螺杆）
图4所示为感应加热和加热圈在采用多个不同控制间隔稳定自动调谐PID控制器时的情形。当使用感应加热时，由于进入材料内冷却的影响，每个循环周期的温度控制都能够迅速平衡。这是因为相比于引入冷材料，在测量深度上的螺筒温度更易受到感应加热的影响。相比之下，加热圈在如此短的周期间隙之内无法显著地影响螺筒的温度，因此PID控制只能以较长的间隔时间进行循环，从而生成一个较大、较缓慢且可区分的反馈温度变化。
图4 螺杆温度与时间曲线（采用Fusion型螺杆）
从图5可以看出，螺筒温度的一致性随位置的变化而变化。通过对图4和图5的对比分析可以得到，螺筒温度的一致性与功率大小成正比，而与加入材料的接近度相近。通过对图5两条感应曲线（通用型螺杆和FusionTM螺杆）进行对比可以看出，通过螺杆设计可以进一步优化融流的一致性。
图5 螺筒温度差异与位置的关系
螺筒段试验结果
由实验台得到的试验结果也加强并补充说明了注塑机试验的结果。从图6可以看出，在200℃～300℃这一加工范围内，加热圈的加热效率相对于MICA型加热器下降了40%～60%，却比陶瓷型加热器高10%～15%。此外，随着加工温度的升高，由环境辐射和对流导致的热损失也随之增加，从而进一步降低了加热效率。从曲线图上还可以得到，加热圈的效率随时间而下降，这是由于它们和螺筒在使用过程中会发生颜色变深和氧化现象，使得其表面发射系数不断上升，从而导致了辐射损失的增加。
图6 加热圈效率与螺筒温度关系图
螺筒分段试验解释了为何在注塑机试验期间使用感应加热得到的控制效果最好。由图7所示，在使用感应加热时，将能量输入外径为89mm的螺筒几乎是即时完成的，而且关闭电源时输入螺筒的热量也同时立即停止供应，同时由于环境因素导致的热量损失是可以忽略的，因此功率输入不可能为负。
图7 热量流入/流出螺筒（采用外径为89mm的螺筒）
相比之下，在使用MICA型加热器进行加热时，需要超过2min才能使其热量输入速率达到最大值，而陶瓷型加热器则需要约5min。同样地，在关闭电源时，MICA型加热器需要费时超过1min才能完全停止对螺筒的加热，而陶瓷型加热器则需要大约3min。产生这一滞后现象的原因是由于加热圈在加热螺筒之前自身也必须加热，而且在螺筒冷却之前它们必须首先冷却。
由于整个螺筒壁还会出现热滞后的差异，使用加热圈进行加热时反而会使控制挑战变得更复杂。在打开和关闭电源时，温度在螺筒壁的某个深度上会上升，而在另一个深度上可能会下降。这些现象也可以从图8中看出，在时点“A”时电源呈关闭状态，但整个螺筒壁直到在时点“B”处才开始冷却。正如预测，陶瓷型加热圈由“B～A”的时滞最大，且向系统加入的蓄热物质最多，而感应加热的时滞最小，基本上没有添加任何蓄热物质（实际上，螺筒自身就是绝热元件）。
图8 螺筒温度响应（采用外径为89mm的螺筒）
值得注意的是，使用感应加热时螺筒壁的温差极小，因此与加热圈相比，感应加热的控制性能对热电偶深度也更不敏感。
结论
与加热圈40%～60%的加热效率相比，使用带有绝热层的感应螺筒进行加热可将螺筒的加热效率提高至接近100%。
由于消除了蓄热物质对加热系统的影响，感应加热可加速温度的响应时间（使用秒进行计数，而加热圈则用分钟进行计数），从而改善了控制的可预测性，降低了控制性能对热电偶深度的敏感性。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/22/2009) |
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