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從20世紀50年代，第一臺注射成型機（注塑機）開始，距今已經有了60多年的歷史，美國、德國、日本作為注射成型機的傳統(tǒng)技術強國，在市場上依然保持著領先的定位，中國作為制造業(yè)的后起之秀，據不完全統(tǒng)計已超過60家生產企業(yè)。中國注塑機的產量占據了全球注塑機產量的2/3。因此中國的注塑機配套企業(yè)得以高速發(fā)展，其中主要以鑄件、螺桿、電機、伺服驅動器、機械手、料斗干燥機等行業(yè)均誕生了行業(yè)龍頭企業(yè)，并發(fā)展成為全球的塑機配套供應商，其中以信易干燥機為代表。只有注塑機的加熱圈部分，目前在國內沒有形成優(yōu)勢的龍頭企業(yè)，形成了百家爭鳴，百花齊放的競爭態(tài)勢，就目前而言，加熱圈這個偏門行業(yè)正在因為紅外節(jié)能加熱圈的出現打破混亂的市場格局，逐步形成行業(yè)龍頭及優(yōu)勢企業(yè)。鑒于此，有著多年加熱圈從業(yè)經歷的筆者，就目前中國市場上的主流塑機加熱圈做一個橫向對比，以發(fā)展的眼光看待目前市場的發(fā)展方向。目前全球正在以巴黎氣候峰會為契機，國內正在組建統(tǒng)一的碳資產交易市場，因此中國產注塑機為了順應國家建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會發(fā)展的方向，大力實施綠色發(fā)展戰(zhàn)略，緊緊抓住節(jié)能環(huán)保產品成為市場熱點的機遇，注塑機加熱器商也加快傳統(tǒng)技術改造、升級換代的步伐，并不斷采用節(jié)能降耗新技術、新產品、新工藝、新材料，以滿足各類生產家的低能耗需求。本文主要論述了目前注塑機常用加熱圈的結構及工作原理，并將它們之間的性能與特點進行比較，提出了個人的見解，供有關人士參考。
1注塑機普通加熱圈的工作原理與結構
1 .1電阻式加熱圈
目前市場上的大部分注塑機仍然采用電阻式加熱圈，電阻式加熱圈是基于電流電阻熱效應來產生熱量，即當電流通過導體時，導體的電阻對電流有阻礙作用，而電流要克服導體的阻力要做功，將電能轉化成熱能，并通過接觸式傳導的方式進行傳遞，故需將加熱圈的內壁與料筒的外壁可靠且緊密接觸才能將熱能傳遞到料筒上。
其內部結構如圖1所示，主要山接線端子、緊固螺釘、外殼、絕緣體、電阻絲5部分組成。
圖1電阻式加熱圈結構圈
如圖1所示，電阻式加熱圈具有價格便宜，結構簡單，因結構簡單而帶來的故障率低等優(yōu)勢。但是電阻式加熱圈的缺點也同樣明顯，因為是接觸式傳熱，而注塑機在高速運作過程中的震動，會影響普通加熱圈的加熱效率，從而帶來耗能的增加。
1.2電磁感應加熱圈
電磁感應加熱圈是利用磁場感應渦流加熱原理進行工作。將輸入工頻50 Hz/220 V交流電通過整流電路變成315 V的直流電，再通過控制電路轉換成頻率為20-35 kHz的高頻電流，高頻電流通過線圈時會產生高速變化的磁場，當磁場內的磁力線通過金屬時，會在金屬體內產生無數的小渦流，使金屬本身自行高速發(fā)熱。用于注塑機料筒加熱的電磁感應裝置通常山隔熱保溫材料、電磁線圈、護罩、控制器等組成，如圖2所示。
圖2 電磁感應加熱圈結構圖
電磁感應技術，在2000年初期開始在塑機加熱圈領域應用，經過近10年的發(fā)展，電磁感應技術逐步成為節(jié)能加熱圈的代名詞，而這在紅外節(jié)能加熱圈出現之后發(fā)生了根本性的變化。
1.3紅外節(jié)能加熱圈
目前也有叫做納米紅外電熱圈、遠紅外加熱圈、納米加熱圈等，其本質就是紅外線加熱圈，其典型代表企業(yè)包含了VICHUN偉川紅外節(jié)能加熱圈、NEZOY納米紅外電熱圈、AIKSEN納米紅外電熱圈。當紅外節(jié)能加熱圈的電阻絲通上交流電后，其自身已變成遠紅外輻射熱源，具有高強度、高熱效、高穿透性、低能耗等特點，并且，利用紅外輻射加熱技術不論是對被加熱工件還是對環(huán)境都沒有污染。因此，高紅外輻射加熱管是一種真正意義上的“綠色產品”高紅外輻射加熱管的工作原理是：電流在通過以特殊材料制成的加熱管的加熱絲時，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，物體即被加熱。利用這一特性來加熱物體的技術就叫做紅外輻射加熱技術。由于不同材質的物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，通過改變加熱絲的材料成分和繞制方法，可以產生不同波長的紅外線輻射?，F在，用于工業(yè)用途的紅外輻射主要是波長0.76～1.6μm左右的短波、波長1.6～4μm左右的中波和波長大于4μm的長波。短波紅外輻射又叫近紅外輻射，中波和長波又叫遠紅外輻射。由于紅外輻射的熱慣性極小而熱效率很高，利用短波、中波紅外輻射技術，可以高密度、高能量、高強度地對工件（這里所指為炮筒又叫機筒）進行加熱，以達到提高加熱質量、縮短加熱時間、節(jié)約加熱能源。目前市場上知名度較高的偉川紅外節(jié)能加熱圈加熱溫度可達500---700度，其遠紅外發(fā)射率可達90%以上，同時偉川紅外節(jié)能加熱圈的紅外輻射源材質匹配了目前注塑機采用的鉻鉬合金鋼材質的物理特性，使得該品牌節(jié)能加熱圈相對其他同類產品具有更佳的節(jié)能效果。
圖3 以偉川紅外節(jié)能加熱圈結構圖為例
2 各種加熱圈的性能
以上介紹了在注塑機上廣泛運用的加熱圈結構與工作原理，下面從多角度對不同種類的加熱圈進行分析比較。
2.1節(jié)能
由于注塑機全電趨勢明顯，伺服系統(tǒng)的采用使得電加熱系統(tǒng)占整機能耗的30%以上，如果能合理的選用不同種類的加熱圈，就能降低能耗，從而降低生產成本。電阻式加熱圈是電阻絲發(fā)熱，通過接觸傳導方式將熱量傳遞到料筒上，且只有加熱圈內壁傳遞熱能，而其外壁的熱量大部分散失到空氣中，因為熱平衡的原因，外表面的溫度和工作設定溫度保持一致，在200~300℃以上，存在極大的熱損失。而電磁感應加熱圈本體并不發(fā)熱，且實際使用中會在料筒外部包裹一定厚度的保溫材料，電磁感應加熱圈的表面溫度在60攝氏度以下，料筒內部的熱量只有微量輻射到空氣中，這樣熱能損失會大大降低，提高了熱效率，因此節(jié)能效果顯著。紅外加熱圈采用高品質電阻加石英管的方式組成紅外發(fā)生器，其本身可高密度、高能量、高強度地對工件進行加熱，同時反射結構的采用，以及航天級保溫隔熱材料的應用，使得增加了紅外輻射效率，減少了熱能損失，節(jié)能效果明顯。綜合實驗數據，三種加熱圈的表面溫度與最高節(jié)能率如圖4所示。
圖4 三種加熱圈節(jié)能率比較
從圖示可以看到電磁加熱圈的表面溫度以及相對普通加熱圈節(jié)能率都有優(yōu)勢，但是為什么現在是紅外節(jié)能加熱圈占據了節(jié)能加熱圈市場的主導地位呢？接下來詳細分析。
2.2安全性
電阻式加熱圈山于采用電阻絲為發(fā)熱元件，對人體健康無不良影響。而電磁感應加熱圈是高頻電流通過線圈產生高速變化的交變磁場，當磁場強度到達一定量時會對人體的中樞神經系統(tǒng)構成危害。筆者參考互聯網的一個案例做分析，以一臺鎖模力為90 T的注塑機為測試樣機，該機配置三段電磁感應加熱圈，每段額定功率為2.25 kW，根據EN62233- 2008電磁場的測量方法，使用電磁場分析儀ELT- 400逐段通電進行測試，測試的數據如表1所示。
表1 某電磁感應加熱圈磁通量值
分析表1的檢測數據可知:當分別將各段電磁加熱圈逐個通電時，測出磁通量密度還較小，而如果同時對兩段以上的加熱圈通電后，我們發(fā)現磁通量密度會顯著增大，加權值W達到1.804，而根據歐盟EN62233標準中規(guī)定此值需小于1，故可認為是不符合此標準的。但目前國內僅對家用和類似用途電器的電磁設備作了具體的規(guī)定，并沒有適用于工業(yè)用途而設計的電磁設備的相關標準。電磁感應加熱圈的廠商也只根據歐盟標準，對單個加熱圈的四周進行EMF測試，沒有對多個加熱圈在實際工況下進行檢測，電磁加熱圈的電磁輻射強度仍然較大，存在不確定的危險性，特別是對注塑機這樣的精密機械，可能產生極為嚴重的干擾。而紅外加熱圈通電后只產生熱輻射，熱量通過紅外輻射傳導，不產生高頻輻射，且紅外線的波長是對人體健康有益的光波，有促進人體血液循環(huán)的功能，對人體有益而無害。
2.3熱慣性與溫控精度
注塑機的溫控精度對制品的質量影響較大，特別是對溫度較敏感的塑料，要求溫度控制在±3℃。
電阻式加熱圈是電阻絲發(fā)熱，然后將熱量慢慢的從料筒外表面?zhèn)鲗е亮贤驳闹行?，料筒外表面溫度與料筒的塑料溫度有較大的誤差，當溫度到達設定值后，雖然電阻絲已停比加熱，但因其熱慣性大，料筒表面仍然繼續(xù)向料筒內部傳導熱量，造成溫控精度降低，溫度容易過沖10℃以上。
電磁感應加熱圈是利用磁場感應渦流加熱原理，被加熱的料筒通過自身的內部分子碰撞發(fā)熱，加熱迅速，料筒的內外溫度基本一致，溫度控制實時準確。但如果在產生高剪切熱的系統(tǒng)中使用，溫度容易過沖15℃以上，故對溫度敏感的塑料是不適用的。
紅外加熱圈采用紅外線加熱管，因紅外線輻射加熱方式本身具有熱慣性小的特點，因此可以實現精準的溫度控制，從而避免溫度過沖等問題。
2.4對電網的影響
電阻式加熱圈與紅外節(jié)能加熱圈都屬于直熱型發(fā)熱圈，不產生諧波，對電網無不良影響。而電磁感應加熱圈山于采用了電子整流裝置與大功率的1GST，會產生高次諧波，對電網存在諧波污染，使電網的電壓與電流波形發(fā)生畸變，造成電網的功率損耗增加、設備壽命縮短和不安全運行。另外對周邊的精密儀器也會帶來不良影響，如測溫熱電偶、位移傳感器、注塑機控制器，則會出現溫度波動、位置跳動、控制器失控等現象。
2.5成本和經濟效益
筆者以一臺鎖模力為90T的注塑機為試驗機，同時參考偉川紅外節(jié)能加熱圈市場售價在400元/KW的報價進行計算，該機共有四段電加熱圈，電熱總功率為7.38 kW，分別配置不同類型的加熱圈，連續(xù)工作24 h后，測得相關數據如表2所示。
表2 三種加熱圈數據分析表
注:電費按1元/kW. h計算，1月按30天計算，1年按365天計算
上述數據表明，雖然電磁加熱圈與紅外加熱圈較電阻式加熱圈初期的投資成本很高，回收投資成本差額的周期約3個月左右，但節(jié)能的經濟效益還是比較可觀的。
2.6發(fā)熱功率及使用壽命
電阻式加熱圈山于電阻絲發(fā)熱，發(fā)熱功率較小，其加熱溫度可至300 ℃左右，如需要更高的溫度時，則需將表面功率密度加大，這樣就會使電阻絲在高溫下快速老化而燒斷，所以電阻式加熱圈需要不定期的更換，使用壽命大約為6個月。電磁感應加熱圈特點就是只在被感應的金屬內部才產生高溫，而加熱圈本體的溫度很低，自身的電損耗很小，所以即使發(fā)熱功率很大時也不會影響加熱圈的使用壽命，但注塑機的料筒都有多個加熱區(qū)，每個加熱區(qū)都分別配置加熱圈和電磁感應控制器，故料筒上纏繞著多個電磁線圈，當流過電磁線圈的電流發(fā)生變化時，變化的磁通量會使線圈產生感應電動勢，也就是自感電動勢，且相鄰的兩個電磁線圈之間也存在互感電動勢，自感電動勢與互感電動勢的存在，直接造成控制器的同步電路紊亂，電磁感應控制器經常燒壞，使用壽命一般在1年左右。紅外加熱圈發(fā)熱功率與電阻式相同，偉川紅外節(jié)能加熱圈因其新材質電熱元件，但其使用壽命為5000小時以上。
3小結
綜上所述，注塑機領域內常用的加熱圈各有其優(yōu)缺點，而節(jié)能減排、綠色發(fā)展又是當今世界的主旋律，注塑機的電加熱技術也迎來了一個發(fā)展的重大契機，紅外節(jié)能加熱圈必將憑借其高效、高密度等特點，逐步成為市場的主流產品，而加熱圈產業(yè)方向必將在紅外節(jié)能加熱圈廠家中間產生加熱圈方向的龍頭企業(yè)，建議重點關注偉川紅外節(jié)能加熱圈、艾克森納米紅外電熱圈。
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