自20世紀50年代第一臺注塑機(注模機)問世至今已有60多年。美國、德國和日本作為注塑機的傳統(tǒng)技術強國，在市場上仍然保持著技術地位。中國作為制造業(yè)的后起之秀，據(jù)不完全統(tǒng)計有60多家生產(chǎn)企業(yè)。中國注塑機產(chǎn)量占全球注塑機產(chǎn)量的三分之二。因此，我國注塑機配套企業(yè)發(fā)展迅速，其中鑄造、螺桿、電機、伺服驅(qū)動器、機械手、料斗干燥機等行業(yè)已誕生龍頭企業(yè)，并已發(fā)展成為塑料機械的全球配套供應商，其中以新怡干燥機為代表。只有注塑機的加熱圈，國內(nèi)沒有有優(yōu)勢的龍頭企業(yè)，形成了百家爭鳴，百花齊放的競爭局面。目前，作為偏門行業(yè)的采暖圈，正因為紅外節(jié)能采暖圈的出現(xiàn)，打破混亂的市場格局，逐漸形成行業(yè)龍頭和優(yōu)勢企業(yè)。鑒于此，筆者以多年的加熱線圈經(jīng)驗，對中國市場主流塑機的加熱線圈進行橫向?qū)Ρ?，從發(fā)展的角度看當前市場的發(fā)展方向。目前，世界正以巴黎氣候峰會為契機，中國正在建立統(tǒng)一的碳資產(chǎn)交易市場。因此，為了順應我國建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的發(fā)展方向，中國注塑機大力實施綠色發(fā)展戰(zhàn)略，抓住節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品成為市場熱點的機遇。注塑機加熱器也加快了傳統(tǒng)技術改造升級的步伐，不斷采用新技術、新產(chǎn)品、新工藝、新材料進行節(jié)能降耗，滿足各廠商的低能耗需求。摘要:本文主要論述了目前注塑機常用加熱環(huán)的結(jié)構(gòu)和工作原理，比較了它們的性能和特點，并提出了個人見解，供相關人員參考。

1注塑機普通加熱圈的工作原理和結(jié)構(gòu)

1 .1電阻加熱環(huán)

目前市場上的大多數(shù)注塑機仍然使用電阻加熱線圈，它是基于電流電阻的熱效應產(chǎn)生熱量，即當電流通過導體時，導體的電阻對電流有阻擋作用，電流需要做功來克服導體的電阻，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過接觸傳導傳遞出去， 因此，在將熱能傳遞到裝料桶之前，必須使加熱線圈的內(nèi)壁與裝料桶的外壁可靠而緊密地接觸。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)未在圖1中示出，主要由山端子、緊固螺釘、外殼、絕緣體、電阻絲五部分組成。

圖1電阻加熱環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)

如圖1所示，電阻加熱線圈具有價格低、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單導致的故障率低的優(yōu)點。但電阻加熱環(huán)的缺點也很明顯，因為是接觸傳熱，高速運轉(zhuǎn)時注塑機的振動會影響普通加熱環(huán)的加熱效率，從而帶來能耗的增加。

1.2電磁感應加熱線圈

電磁感應加熱線圈是基于磁場感應的渦流加熱原理。50 Hz/220 V的交流電源由整流電路轉(zhuǎn)換成315 V的DC電源，再由控制電路轉(zhuǎn)換成頻率為20-35 kHz的高頻電流。當高頻電流通過線圈時，會產(chǎn)生高速磁場。當磁場中的磁力線穿過金屬時，金屬體內(nèi)會產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，導致金屬本身高速升溫。注塑機料筒加熱的電磁感應裝置通常由保溫材料、電磁線圈、防護罩和控制器組成，如圖2所示。

圖2電磁感應加熱線圈結(jié)構(gòu)圖

電磁感應技術于2000年初開始應用于塑機加熱環(huán)領域。經(jīng)過近10年的發(fā)展，電磁感應技術逐漸成為節(jié)能加熱圈的代名詞，自紅外節(jié)能加熱圈出現(xiàn)以來發(fā)生了根本性的變化。

1.3紅外節(jié)能加熱圈

目前也有納米紅外加熱線圈、遠紅外加熱線圈、納米加熱線圈等。，其本質(zhì)是紅外加熱線圈。典型代表企業(yè)有“熊老師”紅外節(jié)能加熱線圈、NEZOY納米紅外加熱線圈、AIKSEN納米紅外加熱線圈。紅外節(jié)能加熱線圈的電阻絲通電交流后，成為遠紅外輻射熱源，具有強度高、熱效率高、穿透性強、能耗低的特點。而且，紅外輻射加熱技術對被加熱工件或環(huán)境無污染。因此，高紅外輻射加熱管是真正的“綠色產(chǎn)品”。高紅外輻射加熱管的工作原理是:當電流通過特殊材料制成的加熱管的電熱絲時，加熱管會輻射出一定波長的紅外線，當紅外線被物體吸收時，物體就會被加熱。利用這一特性加熱物體的技術稱為紅外輻射加熱技術。由于不同的材料對不同波長的紅外線的吸收程度不同，為了適應不同的加熱對象，可以通過改變電熱絲的材料成分和纏繞方式來產(chǎn)生不同波長的紅外輻射。目前工業(yè)上使用的紅外輻射主要是波長約為0.76 ~ 1.6μ m的短波、波長約為1.6 ~ 4μm的中波和波長大于4μm的長波，短波紅外輻射也叫近紅外輻射，中波和長波也叫遠紅外輻射。由于紅外輻射的熱慣性很小，熱效率很高，所以利用短波和中波紅外輻射技術，可以對工件(這里也叫筒體)進行高密度、高能量、高強度的加熱，從而提高加熱質(zhì)量，縮短加熱時間，節(jié)約加熱能量。目前市場上知名的衛(wèi)川紅外節(jié)能加熱線圈，加熱溫度500-700度，遠紅外發(fā)射率可達90%以上。同時，偉川紅外節(jié)能加熱線圈的紅外輻射源材料與目前注塑機使用的鉻鉬鋼材料的物理特性相匹配，使得該品牌節(jié)能加熱線圈比其他同類產(chǎn)品具有更好的節(jié)能效果。

圖3以“熊先生”紅外節(jié)能加熱圈結(jié)構(gòu)圖為例

2各種加熱線圈的性能

以上介紹了注塑機中廣泛使用的加熱環(huán)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并從不同角度對不同類型的加熱環(huán)進行了分析和比較。

2.1節(jié)能

由于全電動注塑機趨勢明顯，伺服系統(tǒng)的使用使得電加熱系統(tǒng)占整機能耗的30%以上。如果能合理選擇不同種類的加熱線圈，可以降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本。電阻加熱線圈通過電阻絲產(chǎn)生熱量，電阻絲通過接觸傳導將熱量傳遞給料筒，加熱線圈只有內(nèi)壁傳遞熱能，而其外壁大部分熱量散失到空氣體中。由于熱平衡，外表面溫度與工作設定溫度一致，在200~300℃以上有較大的熱損失。但電磁感應加熱圈的本體并不發(fā)熱，實際使用時，充電桶外會包裹一定厚度的絕緣材料。電磁感應加熱圈表面溫度在60攝氏度以下，料筒內(nèi)部的熱量只是輕微輻射到空氣體，熱量損失會大大降低，熱效率提高，節(jié)能效果顯著。紅外加熱環(huán)采用優(yōu)質(zhì)電阻和石英管組成紅外發(fā)生器，可以對工件進行高密度、高能量、高強度的加熱。同時，反射結(jié)構(gòu)的采用和空間級隔熱材料的應用提高了紅外輻射效率，減少了熱量損失，節(jié)能效果明顯。綜合實驗數(shù)據(jù)，三種加熱線圈的表面溫度和最高節(jié)能率如圖4所示。

圖4三種加熱線圈的節(jié)能率比較

從圖中可以看出，電磁加熱線圈的表面溫度和節(jié)能率都優(yōu)于普通加熱線圈，但為什么現(xiàn)在紅外節(jié)能加熱線圈在節(jié)能加熱線圈市場上占據(jù)主導地位？然后詳細分析。

2.2安全性

電阻加熱線圈采用電阻絲作為加熱元件，對人體健康沒有不良影響。電磁感應加熱線圈是高頻電流通過線圈產(chǎn)生的高速交變磁場，當磁場強度達到一定量時，會對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成傷害。參考網(wǎng)上的一個案例，作者以一臺合模力為90 T的注塑機為測試樣機，該注塑機配有三段電磁感應加熱線圈，每段線圈的額定功率為2.25 kW。根據(jù)EN62233- 2008電磁場測量方法，采用ELT- 400電磁場分析儀進行測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1的測試數(shù)據(jù)分析可以看出，當每個電磁加熱線圈逐個通電時，測得的磁通密度仍然很小，但是如果兩個以上的加熱線圈同時通電，我們發(fā)現(xiàn)磁通密度會顯著增加，加權(quán)值W會達到1.804，但是根據(jù)歐盟EN62233標準，這個值需要小于1，因此可以認為與這個標準不一致。但目前國內(nèi)對于家用和類似電器的電磁設備只有具體的規(guī)定，對于工業(yè)用設計的電磁設備沒有相關的標準。電磁感應加熱線圈的生產(chǎn)廠家只按歐盟標準測試單個加熱線圈周圍的電動勢，實際工況下不測試多個加熱線圈。電磁加熱線圈的電磁輻射強度仍然很大，存在不確定的危險，特別是對于注塑機等精密機械，可能會造成極其嚴重的干擾。而紅外加熱線圈通電時，只產(chǎn)生熱輻射，熱量由紅外輻射傳導，不產(chǎn)生高頻輻射。而且紅外線的波長是對人體健康有益的光波，具有促進人體血液循環(huán)的作用，對人體有益無害。

2.3熱慣性和溫度控制精度

注塑機的溫度控制精度對產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，尤其是對溫度敏感的塑料，要求溫度控制在3℃。

電阻加熱環(huán)通過電阻絲產(chǎn)生熱量，然后熱量從料筒的外表面緩慢傳導到料筒的中心。料筒的外表面溫度與料筒的塑料溫度誤差較大。當溫度達到設定值時，雖然電阻絲停止加熱，但料筒表面由于其較大的熱慣性，繼續(xù)向料筒內(nèi)部導熱，導致控溫精度下降，溫度容易超調(diào)10℃以上。

電磁感應加熱環(huán)是基于磁場感應的渦流加熱原理。被加熱的桶通過自身內(nèi)部分子碰撞產(chǎn)生熱量，加熱迅速，桶內(nèi)外溫度基本一致，溫控實時準確。但是如果用在產(chǎn)生高剪切熱的系統(tǒng)中，溫度很容易超調(diào)15℃以上，所以溫敏塑料不適合。

紅外加熱環(huán)采用紅外加熱管，由于紅外輻射加熱方式本身具有熱慣性小的特點，因此可以實現(xiàn)精確的溫度控制，從而避免溫度超調(diào)等問題。

2.4對電網(wǎng)的影響

電阻加熱線圈和紅外節(jié)能加熱線圈都是直接加熱線圈，不產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)沒有不利影響。而采用電子整流器和大功率1GST的電磁感應加熱線圈，會產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)造成諧波污染，使電網(wǎng)的電壓和電流波形失真，導致功率損耗增加，設備壽命縮短，電網(wǎng)運行不安全。此外，還會對周圍的精密儀器如溫度熱電偶、位移傳感器、注塑機控制器等帶來不利影響，造成溫度波動、位置跳變、控制器失控等。

2.5成本和經(jīng)濟效益

筆者以一臺合模力為90T的注塑機為試驗機，參照市場價格*00元/KW的“熊老師”紅外節(jié)能加熱線圈報價進行計算。該機有四個電加熱線圈，總電功率為7.38千瓦，并分別配有不同類型的加熱線圈。連續(xù)工作24小時后，測量數(shù)據(jù)見表2。

表2三個加熱圈的數(shù)據(jù)分析表

注:電費按1元/千瓦計算。一月30天，一年365天

上述數(shù)據(jù)表明，雖然電磁加熱線圈和紅外加熱線圈的初始投資成本高于電阻加熱線圈，且投資成本差額的回收周期約為3個月，但節(jié)能的經(jīng)濟效益是可觀的。

2.6加熱功率和使用壽命

電阻加熱線圈由電阻絲加熱，加熱功率小，加熱溫度可達300℃左右。如果需要更高的溫度，需要增加表面功率密度，會使電阻絲在高溫下快速老化而燒壞，因此電阻加熱線圈需要不定期更換，使用壽命在6個月左右。電磁感應加熱線圈的特點是只在感應金屬中產(chǎn)生高溫，加熱線圈體的溫度很低，即使加熱功率很大也不會影響加熱線圈的使用壽命。然而，注射成型機的料筒具有多個加熱區(qū)，每個加熱區(qū)配備有加熱線圈和電磁感應控制器，因此多個電磁線圈纏繞在料筒上。當流經(jīng)電磁線圈的電流發(fā)生變化時，改變磁通量會使線圈產(chǎn)生感應電動勢，這就是自感電動勢，相鄰兩個電磁線圈之間存在互感電動勢。自感電動勢和互感電動勢的存在直接導致控制器同步電路紊亂，電磁感應控制器經(jīng)常燒壞，使用壽命一般在一年左右。紅外加熱環(huán)的加熱功率與電阻式相同?！靶芾蠋煛奔t外節(jié)能加熱圈由于采用了新的電熱元件，使用壽命達5000小時以上。

3摘要

綜上所述，注塑機領域常用的加熱線圈各有利弊，而節(jié)能減排、綠色發(fā)展是當今世界的主旋律。注塑機電加熱技術也迎來了巨大的發(fā)展機遇。紅外節(jié)能加熱線圈以其高效率、高密度將逐漸成為市場熱點產(chǎn)品，加熱線圈的產(chǎn)業(yè)化方向必將引領紅外節(jié)能加熱線圈廠商中加熱線圈方向的龍頭企業(yè)。

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