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有效节约注塑成型过程中的能耗
作者:WOLFGANG ROTH
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尽管许多企业已经实施措施以提高能源效率,但仍然有很多地方有待改进。企业负责人往往在购买新设备的高投资成本 面前望而却步,或者怀疑新设备的实际节能潜力。这个想法不够长远。

如果希望有效节约注塑成型过程中的能耗,就必须首先通盘考虑所有相关因素。不但要考虑注塑机本身的能耗,还要考虑到从给料到成品的整个系统,当然厂房建筑和其他基建也不能忽视。惟有如此,方能采取一体化的节能措施,创造竞争力。

如果我们从整个液压机械的角度来考虑生产操作,就会发现45%-50%的能耗是在机械传动上,10%-15%是在料筒加热上,还有大约20%是用在模具的温控和冷却上。通常注塑所要求的空气压缩、材料运输、干燥和照明所占能耗是10%。

不考虑零部件和加工条件的情况下,注塑成型的能耗占比在3%(技术部分)到7%(包装)之间。由于数值较低,过去加工商并没有充分考虑这部分的节能问题。考虑到原材料和能源成本的飙升,降低生产过程中每个环节的能耗都有利于加工商提高盈利率。

过程控制的要求

节能要从操作人员调试好机器开始,也就是说,机器能够稳定运行,在保持零部件质量的前提下做到加工周期短、能耗低。节能的重点在于零部件的特性和加工过程。我们可以通过调整机器设定、了解参数变量的因果关系等来实现能耗的最优化。举个例子,功率表(外置或者内置)可以显示能耗情况。表的读数必须与生产周期(产能计划)和零部件质量等联系起来综合权衡。

下文将举例说明同样的原材料和成品,在不同机器设置情况下加工的能耗情况。

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不同设置条件下,加工时间几乎是一样的。上图显示,螺旋转速提高会导致能耗瞬间增加,但是整个生产周期的能耗比标准设置下的低。高背压设置有利于注塑原料的均匀融化,并且可以根据融化的同质性和融化过程的均匀性来进行调整。如果背压过高,可能会增加用电时间,导致能耗增加。

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动力成本的分配

今天,如果说到注塑成型的节能问题,就不能不提到全电动注塑机。与液压机械相比,这种机器的节能潜力一般在50%,个别情况下可以达到70%。虽然购机成本高,但是考虑到当下的高位电价,投资在短期内就可以收回。另外,标准模式的电机可以实现平行运动,这个是液压机械所不能及的。

就液压机械而言,伺服驱动技术与恒流泵正在取代电控泵驱动。也就是说,原本能耗取决于机械的尺寸,现在则可以降低30%。奥地利Wittmann Battenfeld公司的一项内部研究显示,与液压机械相比(HM 240/750 DFEE),伺服驱动(HM 240/750伺服动力)的应用将能耗降低了三分之一。如果是机电机(EcoPower 240/750)的话,能耗则减少了57%。

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尽管ServoPower 和EcoPower两个系列的购机成本较高,但是由于能耗较低,两个驱动的投资可以分别在使用35个月和28个月之后收回。下表的计算是基于机器运行10年来考虑的。本例中,采用伺服驱动的液压机械和全电动机械的边际收益分别可提高2.37万欧元和4.56万欧元。

螺旋滚筒和注塑模具的绝缘

螺旋滚筒的盖板降低了热量的散发和对流,同时也避免工人在与加热带直接接触时被烫伤。在加热和操作过程中,螺旋滚筒的相当一部分热量会释放到周围环境中,这也是能量的损失,而安装或者改装绝缘套管能够改善情形。这其中的优势包括:

节能40%;
增强工作环境的安全性;
缩短加热时间;
延长机械的使用寿命;
易于安装和改装。

温控模具通过单个模具板来将热量传递到模具固定板。针对这个,用户可以将绝热板安装在定模和动模上。总而言之,模具和机械安装板之间的绝热板可以在零下10°C到零下80°C,的之间的工况下实现节能。从节能的角度来看,应该实现全面绝热,也就是说像硅胶和橡胶的加工一样进行绝热。

模具的部分温控

注塑模具的加热需要相当大的热量。如果热量是传递给本体,实际吸收的热能(Q)与重量(m)和本体实际的温度增加值(△T)是关联的。假设材料常数是Cp, 以 J/(g ?K)计算, 则得出如下公式:

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如果我们考虑从模具加热到保持一定温度所需的热能,很快就会想到,主要的参数是模具的重量m。将1个4吨的注塑模具从室温加热到80 °C,需要的热量是110.4 MJ(如下图所示)。加热一个小时,所需的电量是30.7千瓦时。

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如果不是全部,而是部分加热模具,那么所需电量就会直线下降(如下图所示)。要想部分加热模具,可以在空腔区和模具成型区之间安装绝热板。在单班生产的情况下,节电效果尤为突出,因为在这种情况下,模具在工作日结束时冷却,第二天工作开始的时候又要重新加热。

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设置不求最高值

详细研究注塑成型的每一个细节是有价值的,这样可以在短期内减少过去认为不可避免的能源损失。从长远的角度来看,同样的重要的是,减少或者可能的话,取消能耗高的工艺流程。为了优化生产过程中的能耗,分析从投入粒料到塑料部件包装的整个物料流程是很有必要的。

注塑成型生产的能源消耗取决于生产系统的配置。采用节能型的驱动,尤其是用在直接驱动电子轴上,与传统液压系统相比,通常能够将能耗减半。这其中起到重要作用的因素是机器规格的选择。合模装置必须与注塑装置、驱动技术相配套,这样才能实现高效运行、工艺准确。在辅助设备方面,当然也要注意尺寸和能耗问题。

流程控制能够减少能耗。也就是说,机械优化必然受制于相应计量设备的设置。任何人只要仔细观察设置,都会经常发现锁模力和注射压力被调到了最大值。料筒温度设在最大值,模具运动速度也很高。总的来说,这样会大幅度增加能耗。这其中的关联显而易见:压力数值确定,比如说用液压泵,会要求一定量的能源。如果压力值调高,自然就会消耗较多的能源。如果要设在最高值,必须要先考虑,这样做是否合理。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/2/2013)
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