摘要：中國(guó)的塑料加工行業(yè)已成為能耗的大戶，節(jié)能減排不僅是可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)更是我國(guó)的既定國(guó)策。主要介紹了電磁加熱技術(shù)的原理及其在擠出系統(tǒng)上應(yīng)用的方法,通過(guò)對(duì)比電阻加熱與電磁加熱方式的不同，論述了電磁加熱技術(shù)在料筒應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。借助有限元分析軟件ANSYS，對(duì)擠出系統(tǒng)的電磁耦合加熱過(guò)程進(jìn)行了分析研究。
塑料擠出機(jī)的擠出方法一般指的是在200℃左右的高溫下使塑料熔解，熔解的塑料再通過(guò)模具時(shí)形成所需要的形狀。擠出成型加工的方便性、塑料制品應(yīng)用的增多和人們對(duì)資源利用率的重視對(duì)擠出成型提出了更加高的要求，作為能源消耗大戶的中空吹塑設(shè)備在加熱方面的改進(jìn)以刻不容緩。熱加工工藝的發(fā)展使新型加熱技術(shù)在塑料擠出機(jī)上的應(yīng)用技術(shù)逐漸成熟，從而使開發(fā)出高效率、低能耗的塑料擠出機(jī)成為可能。尤其是近幾年來(lái)，隨著資源的日益緊張和企業(yè)對(duì)節(jié)能降耗的重視，新型擠出機(jī)的設(shè)計(jì)與研究又成為吹塑成型設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)。
1.擠出系統(tǒng)電磁加熱原理及應(yīng)用
目前市場(chǎng)上的中空吹塑成型機(jī)在加熱方式上還是以電阻式加熱為主，因?yàn)殡姶偶訜岬某杀据^高、技術(shù)不太成熟，所以應(yīng)用不是很多。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，采用電磁加熱節(jié)約了能量消耗，會(huì)使以后的運(yùn)行加工成本降低[1]。采用電磁加熱符合塑機(jī)節(jié)能的發(fā)展方向，尤其在大型中空吹塑設(shè)備上取得的綜合效益明顯提高。隨著資源的日益緊張和塑機(jī)節(jié)能要求的提高，未來(lái)在擠出系統(tǒng)的加熱方式上，電磁加熱會(huì)逐步取代電阻式加熱。
1.1擠出系統(tǒng)應(yīng)用電磁加熱的原理
電磁加熱技術(shù)是熱加工工藝的一種重要手段，在金屬熱處理方面的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。使用電磁加熱技術(shù)對(duì)大型中空吹塑設(shè)備的擠出系統(tǒng)進(jìn)行加熱的原理為：在擠出系統(tǒng)的料筒上包裹上絕緣的隔熱層，然后在隔熱層上在纏繞上線圈，將線圈連接到電磁控制器上[2]。利用電磁控制器將常用低頻的交流電（50/60kHz）整流變成直流電，再將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交變電流（20~50kHz）；高頻交變電流通過(guò)線圈會(huì)產(chǎn)生快速變化的交變磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通過(guò)導(dǎo)磁性料筒時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的小渦流，使金屬料筒本身自行發(fā)熱；爾后將熱量傳導(dǎo)到料筒內(nèi)的塑料，達(dá)到塑料熔融的目的。電磁加熱在中空吹塑擠出系統(tǒng)料筒上的加熱原理如圖1所示[3]。
圖1電磁加熱原理圖
1.2擠出系統(tǒng)電磁加熱技術(shù)的特點(diǎn)
電磁感應(yīng)加熱在表面熱處理和金屬熔化方面的技術(shù)已經(jīng)非常地成熟。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)節(jié)能降耗的日益重視[4]，有的中空吹塑設(shè)備生產(chǎn)廠家將電磁加熱技術(shù)在塑料擠出機(jī)的加熱方面進(jìn)行了嘗試。按照中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)改性塑料專業(yè)委員會(huì)的展望，改電阻絲傳導(dǎo)加熱為電磁感應(yīng)加熱，慢慢減少電阻絲加熱方式，塑機(jī)節(jié)能可達(dá)30％。
電阻加熱是通過(guò)接觸傳導(dǎo)方式把熱量傳到料筒上，只有緊靠表面內(nèi)側(cè)的熱量傳到料筒上，外側(cè)的熱量大部分散失在空氣中，存在熱傳導(dǎo)損失。電磁加熱是使金屬料筒自身發(fā)熱，并在料筒外部包裹一定的隔熱保溫材料，大大減少熱量的散失，提高熱效率，節(jié)電效果顯著[5-6]。所以，電磁加熱比電阻加熱更為節(jié)能、高效。擠出機(jī)上應(yīng)用電磁加熱技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)電阻加熱方式的主要優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）節(jié)能和獲得較低的環(huán)境溫度；
（2）快速加熱，精確、實(shí)時(shí)的溫度控制；
（3）使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單；
（4）功率大；
（5）安全可靠。
2.有限元分析及關(guān)鍵技術(shù)研究
電磁感應(yīng)加熱擠出機(jī)料筒主要是電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)相互作用，交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流產(chǎn)生熱量，將這個(gè)結(jié)果作為下一步熱分析的內(nèi)生熱源參數(shù)。Ansys分析采用的是能量守恒原理，可以進(jìn)行多物理場(chǎng)瞬時(shí)非線性耦合分析[7-8]。通過(guò)運(yùn)用Ansys有限元分析軟件模擬擠出系統(tǒng)的電磁加熱過(guò)程，得到擠出系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布。主要的分析過(guò)程流程如圖2。
圖2有限元分析流程圖
2.1材料特性及邊界條件約束
電磁加熱的對(duì)象需具有良好的導(dǎo)磁性，擠出系統(tǒng)的料筒和螺桿選用表面經(jīng)過(guò)氮化處理的高鉻合金會(huì)使取得非常好的效果。一般含鉻量大于10%的合金鋼會(huì)使該金屬的電阻率升高而磁導(dǎo)率會(huì)變得十分穩(wěn)定，同時(shí)產(chǎn)生的渦流散失和磁滯損耗會(huì)明顯降低。有研究表明：含鉻合金在一定范圍內(nèi)隨著含鉻量的增多，電阻率逐漸升高、渦流散失耗損量降低，熱能轉(zhuǎn)化率也會(huì)提高節(jié)能效果愈加明顯。
運(yùn)用有限元軟件對(duì)擠出系統(tǒng)料筒電磁加熱過(guò)程的分析是一個(gè)電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合的過(guò)程。為了得到可靠地分析結(jié)果，在進(jìn)行有限元分析之前需要對(duì)邊界條件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)募s束。在有限元軟件建立的分析模型遠(yuǎn)端磁勢(shì)為零，假設(shè)通過(guò)線圈的電流都是均勻分布的。在熱輻射邊界條件的設(shè)置上要綜合考慮材料的輻射系數(shù)和保溫層的作用取一個(gè)合理的參數(shù)，假設(shè)溫度分析過(guò)程中不考慮磁力線的逸散。
圖3有限元分析模型
2.2單元的選擇和網(wǎng)格劃分
在分析電磁場(chǎng)對(duì)料筒作用的情況時(shí)，對(duì)料筒、線圈與空氣選用PLANE13四邊形單元。分析溫度場(chǎng)對(duì)料筒的作用時(shí)，料筒選用PLANE55四邊形單元和SURF151表面輻射單元。在分析過(guò)程中忽略線圈發(fā)熱的現(xiàn)象，將線圈和空氣單元均設(shè)置為空。
由于電磁加熱的集膚效應(yīng)，在擠出系統(tǒng)料筒的表面熱量比較集中。料筒表面的網(wǎng)格需要分的密一些，這樣既能保證計(jì)算精度同時(shí)也減小運(yùn)算量。
圖4網(wǎng)格劃分
2.3有限元分析模擬結(jié)果
在圓環(huán)料筒中通入高頻交變電流的過(guò)程中，圓環(huán)內(nèi)會(huì)集中有交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通量而這些磁通量在圓環(huán)外則呈分散趨勢(shì)。在圓環(huán)的內(nèi)側(cè)將會(huì)產(chǎn)生最大的電流密度，這就是加熱圓環(huán)狀物體時(shí)產(chǎn)生的環(huán)狀效應(yīng)。
讀取加熱500s時(shí)擠出機(jī)料筒的溫度分布如圖5所示。從料筒的溫度分布圖可以看到料筒的內(nèi)外溫差非常的小，加熱效率非常高。分析結(jié)果表明，環(huán)狀效應(yīng)使電磁加熱技術(shù)在擠出機(jī)料筒加熱上具有非常高的效率、溫度上升也很高，這對(duì)擠出機(jī)系統(tǒng)的溫度控制非常有利。
圖5分析結(jié)果
3.結(jié)論
電磁加熱技術(shù)是金屬熱加工工藝的一種方式，隨著科技的發(fā)展其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地?cái)U(kuò)展。本文主要論述了電磁加熱技術(shù)在擠出機(jī)料筒加熱應(yīng)用上的原理，論述了電磁加熱的優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用ansys軟件對(duì)電磁加熱的擠出過(guò)程中料筒的溫度分布進(jìn)行了研究，直觀的展現(xiàn)了電磁加熱升溫速度快、加熱效率高、能耗小的特點(diǎn)。
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