高速漆包機(jī)節(jié)能工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究

〔摘 要〕基于高速連拉連包漆包機(jī)的工作原理，分析了漆包機(jī)主要能耗的分布結(jié)構(gòu)，認(rèn)為高速連拉連包漆包機(jī)的電耗高的工序主要是烘烤、退火和冷卻工序。在此基礎(chǔ)上，分別揭示了烘烤和退火工藝對(duì)漆包線能耗的影響規(guī)律，探討了漆包機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。研究認(rèn)為，在確保漆包線表面質(zhì)量漆包線延伸率和回彈角等性能指標(biāo)的前提下，降低排廢、循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制出口的溫度，降低退火一段、二段的溫度，利用漆包機(jī)余熱替代電加熱來制備退火保護(hù)性氣氛水蒸氣等措施，能有效降低高速漆包機(jī)能耗。

〔關(guān)鍵詞〕漆包機(jī)；烘烤；退火溫度；排廢；能耗

中圖分類號(hào)：TM245；TM205" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）04-0028-05

Research on Energy-saving Process and Key Technologies of High Speed Enameling Machine

XU Suhang1， YU Qi1， HU Yanbo1， LE Shuncong1， LAI Deyong1， GUO Wei1， JIN Ping2

（1. Jiangxi Copper Corporation， Nanchang， Jiangxi 330096， China;

2. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" According to the working principle of high-speed sequence enameling machine， the paper analyzes the distribution structure of the main energy sources of the enameling machine. It is believed that the processes with high electricity unit consumption in high-speed sequence enameling machine are mainly roasting， annealing， and cooling. On this basis， the paper explains the influence of roasting and annealing processes on the energy consumption of enamelled wires respectively， and discusses the key technologies for energy-saving of enameling machine. The study concluded that the corresponding measures， such as reducing waste discharge and temperature at the outlet of circulating fan speed control on the premise of ensuring the surface quality of the enameled wire and related performance indicators， reducing the I and II annealing temperatures on the premise of ensuring enameled wire elongation and performance indicators of rebound angle， and scientifically utilizing the waste heat from enameling machine to replace electric heating annealing protective atmosphere， should be taken to effectively reduce the energy" consumption of high speed enameling machine.

Keywords" enameling machine; roasting; annealing temperature; waste discharge; energy consumption

漆包線是繞組線的一種，主要由導(dǎo)體和絕緣層組成，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備、家用電器、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域。漆包線的制備過程主要包括導(dǎo)體拉制和絕緣層涂覆兩個(gè)關(guān)鍵工序，具有生產(chǎn)流程長、連續(xù)性高等特點(diǎn)。近年來，我國漆包線的需求量不斷增大，產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，漆包機(jī)的制備技術(shù)快速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保型高速連拉連包漆包機(jī)不斷引入市場(chǎng)。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)漆包機(jī)的節(jié)能進(jìn)行了大量而深入地研究，特別是對(duì)其烘爐研究得較多。江西銅業(yè)崔宏偉等[1]研究了漆包機(jī)烘爐加熱失效的原因，并對(duì)加熱管、催化劑、排廢風(fēng)機(jī)提出了合理實(shí)用的技術(shù)措施。湯曉水等[2]研究了MAG高速漆包機(jī)其烘爐的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過優(yōu)化烘爐爐溫曲線、提高有機(jī)溶劑催化燃燒效率、優(yōu)化烘爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等技術(shù)創(chuàng)新手段降低漆包機(jī)烘爐能耗。廣東工業(yè)大學(xué)王俊影等[3]利用MATLAB的Simulink仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)PID控制與模糊控制的效果進(jìn)行了對(duì)比分析，建立了模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并編寫了熱平衡模糊控制軟件，實(shí)現(xiàn)了烘爐的熱能總量平衡控制和溫度控制。銅陵有色黃德路[4]研究了進(jìn)口立式漆包機(jī)烘爐能源激勵(lì)，進(jìn)行了保溫節(jié)能技術(shù)改造，降低了能耗。中南大學(xué)張家元[5]利用FLUENT 軟件為計(jì)算平臺(tái)，對(duì)高速漆包機(jī)烘爐中熱風(fēng)的流動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究了烘爐結(jié)構(gòu)對(duì)節(jié)能的影響機(jī)制。

本文以JSWM公司設(shè)計(jì)制造的5/4-4/24F四頭連拉連包漆包機(jī)為研究對(duì)象，分析漆包機(jī)的結(jié)構(gòu)，探究烘烤、退火工序?qū)Ω咚倨岚鼨C(jī)節(jié)能的影響規(guī)律，研究漆包機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。

1" "高速連拉連包工藝流程及能耗分析

1.1" 生產(chǎn)工藝流程

高速連拉連包工藝是指DV≥100（D是指漆包線的直徑，V是指漆包線的生產(chǎn)速度）、導(dǎo)線拉伸和絕緣漆涂覆聯(lián)合制備的一種工藝。隨著漆包線制造行業(yè)的高速、節(jié)能、環(huán)保趨勢(shì)的快速發(fā)展，高速連拉連包漆包機(jī)成為主流裝備。5/4-4/24F四頭高速漆包機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最普及的一種典型漆包機(jī)機(jī)型。其采用連拉連包連續(xù)生產(chǎn)和烘爐廢氣催化燃燒生產(chǎn)工藝，目前市場(chǎng)應(yīng)用的綠色環(huán)保機(jī)型都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)而設(shè)計(jì)制造。其生產(chǎn)工藝流程主要包括在線拉絲、清洗、退火、絕緣漆涂敷、烘烤、冷卻吹干、在線檢測(cè)、潤滑、成卷收線等階段[6-8]。具體流程：導(dǎo)體經(jīng)拉絲機(jī)進(jìn)行多模連續(xù)拉拔，經(jīng)過高溫水清洗導(dǎo)體表面的銅泥、乳化液等污漬，進(jìn)入退火工段進(jìn)行軟化，軟化后的導(dǎo)體通過涂漆模涂敷絕緣漆后，進(jìn)入烘爐進(jìn)行絕緣層烘烤，烘烤后，熱態(tài)涂有絕緣層的漆包線進(jìn)入冷卻段冷卻，再經(jīng)過在線檢測(cè)儀檢測(cè)漆包線的連續(xù)性以及漆瘤后，進(jìn)行表面噴涂，最后纏繞成卷。按漆包線的性能要求，流程中絕緣漆涂敷、烘烤、冷卻吹干的過程中是反復(fù)進(jìn)行。

1.2" 能耗分析

根據(jù)高速連拉連包漆包機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)5/4-4/24F機(jī)型的漆包機(jī)烘爐、退火、冷卻、拉絲、收線等各主要能耗工序分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，以生產(chǎn)■1.000 mm Q（ZY/XY）-2/200 200級(jí)漆包線為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，各工序具體能源單耗如表1所示。

表1" 漆包機(jī)能源單耗分析

由表1可知，漆包機(jī)的能耗主要分布在烘烤、退火、冷卻工序，其中烘烤占總能耗的55%、退火占總能耗的18%、冷卻占總能耗的12%，三道工序占總能源單耗的8５%。以下主要針對(duì)烘烤、退火工藝對(duì)漆包線能源影響規(guī)律，探討漆包機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。

2" "烘烤工序節(jié)能工藝探討

2.1" 烘爐結(jié)構(gòu)及工作原理

烘烤是漆包線生產(chǎn)的重要工序之一。其中，烘爐是其關(guān)鍵設(shè)備。烘爐結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。

1.烘烤區(qū)；2.循環(huán)空氣加熱管；3.循環(huán)風(fēng)機(jī)；

4.漆包機(jī)管口；5.蒸發(fā)區(qū)；6.催化劑；7.熱交換器；

8.回風(fēng)隔間；9.混風(fēng)區(qū)；10.排廢風(fēng)管；11.排廢風(fēng)機(jī)

圖1" 烘爐結(jié)構(gòu)示意

涂好漆的導(dǎo)線進(jìn)入烘爐，在烘爐的高溫下，絕緣油漆中的有機(jī)溶劑蒸發(fā)，漆基樹脂交聯(lián)固化成膜。此階段，物理、化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，需要大量的熱來支撐上述反應(yīng)的完成。烘爐的加熱方式主要有電熱式烘爐、電熱催化燃燒熱風(fēng)循環(huán)烘爐和燃?xì)饧訜岽呋紵裏犸L(fēng)循環(huán)烘爐3種。目前，烘爐主要選用帶電熱催化燃燒熱風(fēng)循環(huán)。

2.2" 排廢和熱循環(huán)階段能量效率研究

絕緣漆主要包括成膜物質(zhì)和溶劑，溶劑包括甲酚和二甲酚，比例按照6：4混合，溶劑燃燒熱值及安全需求，見表２～表3。

從表2中可以看出，1 kg 混合溶劑的燃燒值相當(dāng)10.5 kWh的電能。根據(jù)溶劑化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算空氣需求量，同時(shí)補(bǔ)充空氣，稀釋溶劑蒸氣濃度（以溶劑蒸氣的體積分?jǐn)?shù)表示），使其處于爆炸極限以下。

熱交換機(jī)參考“溶劑稀釋需求量”，每 1 kg混合溶劑需要新鮮空氣 24.9 kg。考慮到溶劑分布不平均，取2倍空氣量，即為 49.8 kg。熱風(fēng)循環(huán)的排廢量則應(yīng)參考“燃燒反應(yīng)需求量”的 2 倍，即補(bǔ)充 26.4 kg空氣即可。由于溶劑蒸汽濃度的稀釋可以依靠循環(huán)風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)。在最理想的情況下，排廢風(fēng)量達(dá)到最低需求量最為節(jié)省能量。廢氣在排放前，通過補(bǔ)充空氣經(jīng)過熱交換，將熱量帶回爐膛進(jìn)行再利用。因此，最大限度地提高熱交換效率，是最主要的節(jié)能措施。

2.3" 排廢、熱循環(huán)階段節(jié)能試驗(yàn)

以上通過對(duì)烘烤階段的能量分析和研究，確定了漆包線節(jié)能技術(shù)要點(diǎn)。本節(jié)擬進(jìn)一步通過試驗(yàn)探討排廢量、爐內(nèi)氣流量、補(bǔ)充風(fēng)量三者的關(guān)系，通過對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過調(diào)整烘爐不同部位的風(fēng)門及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高蒸發(fā)區(qū)、進(jìn)口區(qū)的溫度，降低排出廢氣的溫度，減少能源的損失，充分利用線表的余熱，達(dá)到在相同DV值時(shí)，降低固化區(qū)溫度及烘爐的加熱比。

為了研究方便，定義導(dǎo)線耗能為 Q線與耗電量Q電的比值為電熱比率η電熱，則：

η電熱 = Q線 / Q電×100% 。

電熱比率是漆包線自身耗能的參數(shù)，是電能有效利用的參考性指標(biāo)。電熱比率越高，說明漆包機(jī)越節(jié)能。本次試驗(yàn)排廢、熱循環(huán)階段試驗(yàn)共進(jìn)行6次，以第1輪試驗(yàn)為基準(zhǔn)，后面5輪試驗(yàn)在第1輪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分別調(diào)整排廢和循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。方案如表4所示。

表4" 排廢、熱循環(huán)階段不同條件對(duì)電單耗的影響

由表4可知，隨著進(jìn)口溫度的提升，固化區(qū)溫度的降低，電熱比率在不斷降低。第5輪試驗(yàn)當(dāng)固化區(qū)溫度為600 ℃、進(jìn)口溫度為245 ℃時(shí)，降低排廢和循環(huán)到極限水平，電熱比率為68%，但由于出現(xiàn)爐溫不穩(wěn)定、色澤不均勻現(xiàn)象，無法正常生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，重新調(diào)整了排廢風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在工藝固化區(qū)溫度為595 ℃，進(jìn)口溫度為256 ℃的條件下，電熱比率為 64%，與方案5基本相當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。在此輪試驗(yàn)的條件下，電單耗總體比原方案（第1輪試驗(yàn)）的下降了48 kWh/t。

3" "退火工序節(jié)能探討

漆包線產(chǎn)品柔韌性直接影響到線纜的使用性能。漆包線生產(chǎn)過程中銅線經(jīng)過拉伸冷變形后，由于其內(nèi)部發(fā)生了晶粒碎化、晶格畸變，且還存在殘余內(nèi)應(yīng)力，因而銅線組織處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要通過在線退火進(jìn)行軟化。漆包機(jī)通過將變硬的銅導(dǎo)線以電熱加熱的方式高溫退火，以消除其內(nèi)應(yīng)力，使銅導(dǎo)線的晶格重新排列，從而提高銅導(dǎo)線的塑性變形，提高伸長率，優(yōu)化回彈角和導(dǎo)電率，使其滿足漆包線生產(chǎn)的工藝要求。

為了滿足客戶需求，以生產(chǎn)■1.000 mmQ（ZY/XY）-2/200 200級(jí)漆包線為研究對(duì)象，在DV=112的條件下，研究退火溫度一區(qū)、二區(qū)溫度對(duì)產(chǎn)品的柔韌性影響機(jī)制。根據(jù)有關(guān)研究表明，銅線的延伸率與退火溫度的關(guān)系是隨著退火溫度的增加延伸不斷增加，但是當(dāng)增加到一定程度的時(shí)候，延伸率隨著退火溫度的增加而降低，此時(shí)銅線已經(jīng)過燒。為此，結(jié)合漆包線的生產(chǎn)情況，制定了分6次逐步增加退火二段溫度（440 ℃、460 ℃、480 ℃、500 ℃、530 ℃、550 ℃）的試驗(yàn)方案，研究退火二段溫度對(duì)能耗的影響。退火溫度對(duì)延伸、回彈角影響見圖2，退火溫度對(duì)電單耗影響見圖3。

由圖3可知，隨著退火溫度的升高，退火電單耗不斷增加，在確保電單耗低的情況下同時(shí)參考圖2數(shù)據(jù)，選擇能夠滿足延伸率和回彈角要求的溫度。由圖2可知，退火溫度在440 ℃和560 ℃時(shí)，延伸率和回彈角均不達(dá)標(biāo)，最終確定退火二段溫度為460 ℃。

為了進(jìn)一步研究退火一段溫度對(duì)電單耗的影響，選定退火二段溫度為460 ℃不變，研究一段溫度對(duì)電單耗的影響規(guī)律。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，分析退火一段溫度480 ℃和530 ℃的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，退火一段溫度為480 ℃時(shí)，電單耗為151 kWh/t，產(chǎn)品的延伸率為34.66%，回彈角為39 °，均符合性能要求。綜上可知，一段退火溫度為480 ℃、二段溫度為460 ℃時(shí)，電單耗為151 kWh/t，比一段退火溫度為530 ℃、二段溫度為460 ℃的退火工藝的電單耗下降了65 kWh/t。

4" "排廢通道余熱利用

漆包線生產(chǎn)過程中，導(dǎo)體是采用通過式在線連續(xù)退火的方式進(jìn)行。本文所采用的5/4-4/24F高速連拉連包漆包機(jī)通過12 kW的電加熱鍋爐作為蒸汽發(fā)生器獨(dú)立制取水蒸氣，防止導(dǎo)體退火過程中被氧化。經(jīng)核算，加熱爐耗電量為3 986.7 kWh/d。然而，蒸汽發(fā)生器工作不穩(wěn)定，冷設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要等待蒸汽飽和后才能供應(yīng)水蒸氣，這使得加熱管出現(xiàn)斷水干燒損壞現(xiàn)象。蒸汽不足還易造成漆包線導(dǎo)體表面氧化，影響涂敷絕緣漆的效果，產(chǎn)生漆包線的漆膜附著性能，甚至出現(xiàn)漆膜脫落的質(zhì)量缺陷。

該漆包機(jī)在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生了大量的熱量，通過排廢通道排出，造成浪費(fèi)。根據(jù)該漆包機(jī)的工藝技術(shù)特點(diǎn)，研究了烘爐熱量收集再利用技術(shù)，即將烘爐產(chǎn)生的余熱集中收集起來，替代電加熱鍋爐制備水蒸氣，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，電單耗可節(jié)約58 kWh/t。改造后的余熱利用充物如圖5所示。

圖5" 余熱利用實(shí)物

5" "結(jié)論

1）高速連拉連包漆包機(jī)的電單耗高主要工序是烘烤、退火和冷卻（占總能耗８５％），其中烘烤占總電耗的55%。

2）通過研究烘烤的能源影響機(jī)制，研究排廢、循環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度對(duì)電單耗的影響規(guī)律，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低排廢和循環(huán)溫度，可降低電單耗48 kWh/t。

3）揭示了退火一段和二段溫度對(duì)高速漆包機(jī)電單耗的影響規(guī)律，隨著退火溫度的升高電單耗不斷增加，研究了退火溫度的控制關(guān)鍵技術(shù)，在確保漆包線延伸率和回彈角的性能基礎(chǔ)上，可控降低退火溫度，即一段退火溫度480 ℃、二段溫度460 ℃，電單耗下降了65 kWh/t。

4）分析了退火保護(hù)性氣氛水蒸氣對(duì)漆包線生產(chǎn)的影響，研究了蒸汽發(fā)生器制取水蒸氣的機(jī)理和能耗，研究并實(shí)施了科學(xué)利用烘爐的余熱替代電加熱制水蒸氣的方法并，電單耗下降了58 kWh/t。

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收稿日期：2023-8-16

作者簡(jiǎn)介：徐溯航（1993—），男，主要從事銅加工生產(chǎn)及技術(shù)管理工作。

通信作者：余琪（1984—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦咝阅茔~及銅合金制備及成形關(guān)鍵技術(shù)。