滾塑式沼氣池罐體加工節能方法的研究

韓大明，王福全，羅竟明

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

能源是滾塑生產成本的重要組成部分，影響滾塑制品的市場競爭力。滾塑工藝在中國起步較晚，發展遲緩，其產量在整個塑料行業所占比重微乎其微。因此，滾塑工藝被業界忽略，節能概念建立較晚，是伴隨著能源危機、燃料漲價、人民幣升值而出口受阻、勞動力成本上升的不利因素出現的。節能可以從多個方面降低滾塑成本，提高滾塑制品競爭力，增加滾塑企業利潤［1］。滾塑生產的主要成本是塑料原料、能源、勞動力，能源成本是最容易解決、最方便解決、最快解決的。勞動力成本的解決，需要自動化技術的提高、機器人技術的應用，是未來的發展課題。

對于滾塑機節能的研究，可以減少燃氣消耗，減少廢氣排放，降低熱源成本。只要控制適宜的加熱溫度，就可以保障塑料應有的強度，提高制品品質，減少塑料用量，降低原料成本。機械、電氣結構簡潔、耐用，可以減小電力、裝機容量，降低設備造價。避免超溫、超時加熱，可以延長設備、模具使用壽命。塑料加熱溫度適宜，避免塑料分解，可以降低對于原料的溫度耐久性要求，使得滾塑適應種類更多的原料。

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、滾動，對模具加熱，使得塑料逐漸融化，涂敷在模具內表面上。塑料完全融化后，停止加熱，冷卻后，停止模具旋轉。打開模具，卸下已經成形的塑料，就是所要加工的塑料產品。滾塑生產的塑料制品，無縫、強度高、彈性好［2］。塑料不經過高溫擠壓，不在高溫區滯留 (沒有料斗)，因此，只要不過度加熱，塑料性能沒有高溫損失，具有更高的機械、物理、化學性能［3］。塑料滾塑，產品的一個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 滾塑生產示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotational molding process

2 模具測溫系統與控制

保持穩定而精確的模具溫度區間，是為了保證正常的塑料塑化過程，避免塑料發生降解失效。溫度測量與控制，分為保溫箱溫度測量與控制、模具溫度測量與控制。保溫箱溫度測量與控制，采用常規溫度測量與控制方法，容易實現，精度較高，成本較低，技術簡單，可供選擇的自動儀表種類繁多。模具處于三維自由運動、高溫環境，無法直接進行接觸測量。因此，模具溫度測量、控制，技術復雜、難于實現，且實現的成本、技術難度很高［4］。

采用普遍使用的熱輻射非接觸測溫，由于滾塑工藝的特殊性，高溫擾動氣流對于溫度測量的結果影響非常大，數據可靠性不高，有待采用特殊技術剔除氣流擾動誤差，方可普遍用于生產實踐。采用航天測控技術，可以準確、可靠的測量模具的內外溫度。采用微波數據傳輸技術，可以實時連接地面計算機系統和運動測溫系統［5］。如圖2所示。

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

生產、試驗中，使用的模具測溫系統有3種，分述如下。

第一種是電池供電，手動降溫。滾塑開模時，人工手動打開測溫設備的絕熱外殼，使得內部電路散熱。此種設備與國外的Rotolog控制系統相似，優點是結構簡單，缺點是使用繁瑣、容易損壞。

第二種是電池供電，自動降溫。滾塑開模時，測溫設備自動監測到空氣溫度低，自動啟動降溫風扇，使得測溫設備的內部與外界空氣循環，給內部電路散熱。電池每天需要人工充電，電源線帶來麻煩。而使用干電池既不經濟，每天又有更換電池的麻煩，這是設備存在的缺點。

第三種是在線連續供電，自動降溫。滾塑開模時，測溫設備自動監測到空氣溫度低，自動啟動降溫風扇，測溫設備的內部與外界空氣循環，使得內部電路散熱。供電是連續的，不需要人工充電，這使得使用變得方便。

3 滾塑機能耗實例與節能試驗

3.1 搖擺滾塑機燃氣節能試驗

(1)試驗環境。

環境氣溫:15℃。

試驗設備:GSJ－3YB數控滾塑機改裝搖擺機(如圖3所示)，搖擺式工作 (如圖4所示)。

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

圖4 搖擺式滾塑機試驗Fig.4 Experiment of swing rotational molding machine

塑料原料:大慶7042聚乙烯顆粒料，粉碎機粉碎，粒狀物，粒度－30目。

熱源:液化氣，自制燃燒器，7支噴嘴。驅動功率: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個銅質預埋件。

(2)模具測溫系統。

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

3.2 普通搖擺機試驗

不調節燃燒器流量，生產中不控制溫度，塑料重量:7kg。

液化氣重量消耗見表1。

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

升溫過程單位時間耗氣量為:

(24.7－24.4)/11=0.027kg/min。

全部過程單位時間耗氣量為:

(24.7－23.7)/35=0.029kg/min。

單位重量耗氣量為:

(24.7－23.7)/7=0.14。

制品質量:桶身溫度不夠，沒有成形，封頭溫度足夠，成形很好。

3.3 保溫罩式搖擺機試驗

保溫罩式搖擺機試驗成品如圖5所示。

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

調節燃燒器流量，生產中控制溫度，塑料重量:7.8kg。

液化氣重量消耗見表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。

制品質量:正常。

3.4 節能效果對比分析

普通搖擺機與保溫罩式搖擺機試驗過程比較見表3。

表3 兩種試驗過程效果比較Tab.3 Results comparision of two experiment during process

實驗表明，保溫罩式搖擺機，相對普通開放式搖擺機，能耗降低50%，滾塑時間縮短50%。本次試驗中，對普通開放式搖擺機進行了模具溫度測量。為防止超溫損壞塑料制品，人為調節、降低了燃氣消耗［6］。實驗中模具的支撐采用了100mm直徑鋼管，相對于滾塑件450mm的尺寸，其傳導散熱很嚴重，熱損失很大。

滾塑工業化生產中，支撐輪相對于滾塑件尺寸很小，其傳導散熱較小。在實際滾塑生產中，由于生產中不能準確測量模具各個部位的真實溫度，為防止塑化不良，多采用過度加熱，因此存在更大的熱損失［7］。因此，在實際滾塑生產中，采取適當措施，降低能耗75%是可以實現的。

4 滾塑機節能方法

根據試驗內容，提出了滾塑機的節能方法［8－10］。

(1)降低氣體對流散熱。氣體對流散熱，熱量被流動的空氣帶走。氣體對流散熱是最主要的散熱方式，在保溫箱式滾塑機中，影響不大。對于明火作業的搖擺式滾塑機，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中的模具，隔斷模具與空間環境的氣體對流接觸，阻止氣體對流散熱。

(2)降低輻射散熱。輻射散熱，與物體溫度呈現正相關，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，高溫模具暴露于空氣中，模具自由輻射散熱，不受限制。相當可觀的熱量經過輻射散熱。使用保溫罩封閉搖擺式滾塑機中的模具，隔斷模具與空間環境的輻射接觸，阻止輻射散熱。

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

主要傳動軸、支承軸，受到模具重量、滾塑機結構的制約。模具厚度減小，有效的減小了模具重量。滾塑機結構，影響自身的重量、鋼材尺寸。良好的結構，可以顯著減少鋼材重量、減小軸徑。減少鋼材重量、減小軸徑，相應的動力需求降低，可以減少裝機容量。

(4)防止超時加熱。滾塑生產實踐中，不能準確知道塑化的程度，只能依據肉眼觀察、經驗判斷，確定滾塑結束的時機。因此，為了防止塑化不足，只能延長加熱時間。延長時間因技術、經驗不同而差異很大，往往造成超時加熱。模具內部的溫度，能夠表示塑化的程度。采用儀表直接、準確的測量模具內部的溫度，就可以防止超時加熱。

(5)防止超溫加熱。滾塑生產實踐中，對于溫度的測量和控制比較差。明火作業的搖擺式滾塑機，基本上不測量溫度，依據肉眼觀察、經驗控制加熱，由此控制溫度。粗放的生產方法，使得模具溫度變化區間很大。近年來，有的采用了紅外輻射測溫方法，由于熱氣流的影響，溫度偏差很大。由于被測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，測量和控制保溫箱內的氣體溫度，溫度精度很高，不易發生超溫加熱。

模具內部的空氣溫度，能夠表示塑化的程度。直接接觸測量模具的溫度、模具內部的溫度，控制生產過程，可以防止超溫加熱。直接、準確的測量和控制模具溫度、模具的內部溫度，可以有效防止超溫加熱。

5 結論

(1)對滾塑式沼氣池罐體加工工藝的模具測溫技術進行了設計，并對模具的測溫系統進行了優化與控制。

(2)通過試驗對普通搖擺滾塑機與保溫罩式搖擺滾塑機進行了對比分析，并根據試驗結果對單位塑料重量的耗氣量進行了計算與比對。

(3)根據試驗得出的結果提出了滾塑式沼氣池罐體加工的節能方法。

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