鋼管防腐生產線擠出機幾種加熱形式的對比與選擇

張毅杰

（新疆八一鋼鐵股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830022）

0 引言

近幾年我國油氣長輸管線發展迅速，而3PE防腐層又是目前最佳的埋地鋼管防腐形式。塑料擠出機是鋼管3PE防腐生產線上的核心設備之一，其主要由螺桿料筒系統、傳動系統、加熱冷卻系統、上料系統、模具成型系統及控制系統等部分組成。

擠出機加熱系統有三種加熱方法：電加熱、流體加熱和蒸汽加熱。在3PE生產線上所用擠出機中，流體加熱及蒸汽加熱很少見，電加熱是最常見的加熱形式。電加熱主要分為電阻加熱和電磁感應加熱兩種，其中電阻加熱又是目前應用最廣泛的加熱方法。而隨著當今社會節能理念的不斷凸顯，基于電磁感應加熱圈高效、節能的特點，越來越多的廠家開始使用電磁感應加熱圈。本文主要通過對擠出機電阻加熱圈和電磁感應加熱圈進行對比，闡述幾種加熱圈的利弊及選擇注意事項。

1 電阻加熱圈

電阻加熱圈是鋼管3PE生產線擠出機所使用的傳統加熱方式，電阻加熱圈是利用電流通過具有一定電阻的發熱體而發熱的原理制成的。現在應用最多的是不銹鋼云母加熱圈，陶瓷加熱圈和鑄鋁加熱圈。

1.1 不銹鋼云母加熱圈

不銹鋼云母加熱圈是利用云母板（云母片）良好的絕緣性能和其耐高溫性能，將電阻絲用云母片絕緣并封裝于柔性不銹鋼片套中。它以云母板為骨架和絕緣層，輔以不銹鋼板做支持保護，可做成板狀、片狀、圓柱狀、圓錐狀等各種形狀，因此其適用于被加熱體外形復雜（如擠出機法蘭和機頭等部位）的情況。云母加熱圈結構簡單，易于更換，升溫速度快。但是由于加熱圈外殼與機筒間必須緊密接觸，且云母本身散熱能力比較差，再加上云母層冷卻后吸收潮氣，易造成相鄰電熱絲起弧、熔斷因此其電熱絲易于燒斷，因此云母加熱圈的使用壽命比較短[1]。

1.2 陶瓷加熱圈

陶瓷加熱圈如圖1所示是由有較高絕緣耐火程度的陶瓷塊代替云母做絕緣物的電熱絲加熱器，其工作溫度高、升溫快、加熱均勻準確，高溫加熱方面可達到要求，通常其壽命比不銹鋼云母加熱圈更長，并能經受高達160KW/m2或以上的較高功率密度，而且區域溫度可達到750℃，在高溫下不易老化。加熱圈外面有不銹鋼保溫罩殼，可減少加熱圈向周圍散發熱量。陶瓷加熱圈絕緣性能好，安裝、維修方便，使用費用也低，即使內部發熱材料損壞，外部的陶瓷器件仍可回用。因其壽命長，價格便宜，易于更換和調整加熱器容量的優點，現階段在鋼管3PE生產線擠出機領域應用比較廣泛。

1.3 鑄鋁加熱圈

鑄鋁加熱圈如圖2所示是一種有效利用電熱棒的加熱方式，其結構是將電熱棒根據需要的形狀彎曲成形，鑄造在鋁合金之內，構成鑄鋁加熱器。除一般電阻加熱器的優點之外，鑄鋁加熱器能夠制成與機筒十分吻合的形體，其間空隙很小，有利于熱傳導。電熱棒緊緊地固定在鑄鋁殼體內，改善了熱傳導性能。增強了電熱絲的抗振、抗氧化和防潮、防爆特性。并且鑄鋁加熱圈比云母加熱圈成本低，壽命長，運行可靠，并有良好的使用壽命，最大功率密度可達55KW/m2，最高操作溫度可到約400℃，完全滿足現有3PE生產線擠出機的生產工藝要求，因此這種類型的加熱器獲得較廣泛的應用[2]。但是鑄鋁加熱圈內部電阻本身是發熱源，鑄鋁瓦吸收熱量后，將熱量同時向內外立體360°全方位傳導，所以其熱效率只有32%左右，其余68%左右的熱能損耗到空氣中，造成能量的浪費。

圖2 鑄鋁加熱圈

2 電磁感應加熱圈

變頻電磁加熱器如圖3所示是一種利用變頻電磁感應原理將電能轉換為熱能的裝置。其工作原理是變頻電磁控制器將220/380V，50/60Hz的交流電整流變成直流電，再將直流電轉換成頻率為16～20KHz的高頻高壓電[3]，高速變化的高頻高壓電流流過線圈會產生高速變化的交變磁場，當磁場內的磁力線通過導磁性金屬機筒螺桿時會在金屬體內產生無數的小渦流，使金屬材料本身自行高速發熱，從而達到加熱金屬金屬機筒螺桿的目的[4]。

電磁感應加熱圈加熱方式為內熱式，可以減少熱能損耗，同時外部包裹一層隔熱保溫棉和絕緣板，這樣就大大減少了熱量的散失，提高了熱能利用率。因此電磁感應加熱圈的節電效果十分顯著，與電阻加熱圈相比可節約30%～75%的能量。同時因為電磁感應加熱圈本身并不發熱，所以不存在電阻加熱圈的電阻絲在高溫狀態下氧化而縮短使用壽命的問題，所以其使用壽命比較長。另外電磁感應加熱圈加熱速度快，加熱均勻，縮短了擠出機預熱和升溫的時間，提高了生產率。

圖3 電磁感應加熱圈示意圖

表1 幾種加熱圈的區別

3 幾種加熱形式的對比選型

現階段鋼管3PE防腐生產線擠出機主要使用的加熱方式為電阻加熱。由于不銹鋼云母加熱圈可以制作成各種形狀，以適應多種具有特殊外形的部件的加熱，因此多用于模具、連接體等外形復雜的部分的加熱。而機身及部分形狀規則的連接體的加熱主要采用陶瓷加熱圈和鑄鋁加熱，其加熱穩定可靠，使用壽命長，成本低，拆裝方便。近年來國家大力推動發展綠色科技，實現節能減排和保護環境，已有很多企業響應國家政策，采用節能效果好，熱效率高的電磁感應加熱圈。表1中從安裝維護、使用、壽命等方面對比了幾種加熱圈的區別。

在實際生產使用中，成本投入的多少是多數用戶要考慮的情況，圖4中表示在主設備使用全過程中電阻加熱圈和電磁感應加熱圈成本投入的情況比較。電阻加熱圈在前期投入成本比較低，維護成本也比較低，但是其熱效率比較低，所以其運行成本比較高。而電磁感應加熱圈則在前期成本及維護成本上都比較高，但其運行成本比較低。從圖中可知，如果主設備的使用壽命在A點之前或在B點之后，使用電阻加熱圈的成本比較低。而如果主設備的使用壽命在A點和B點之間，則使用電磁感應加熱圈的成本比較低。

圖4 電阻加熱圈和電磁感應加熱圈總成本對比曲線圖

4 結論

在選擇擠出機加熱圈類型時，我們需要考慮前期資金投入情況、實際使用要求及經濟性等方面的因素。由于電阻加熱圈的前期投資比較小，所以對于前期資金壓力比較大的用戶，可以優先考慮使用電阻加熱圈。而對于電阻加熱圈中幾種類型的選擇，因其在成本方面相差不大，用戶可以根據幾種電阻加熱圈的優缺點及實際使用情況來進行選擇。如果在前期投資充足的情況下，我們可以在電阻加熱圈和電磁感應加熱圈之間進行選擇，通過對主機壽命和所選加熱圈的壽命進行綜合評估，并準確計算出圖5中A點和B點的位置，從而選擇成本較小、最經濟的方案。