摘要：
本文较为详细的介绍了近十年来高效节能挤出技术在片板材生产线中的实际使用情况，并比较了各项技术的优缺点，对该类生产线的生产企业或使用企业有一定的参考借鉴意义。
关键词：高效节能挤出技术 板片材挤出生产线
挤出技术自1935年开始应用于热塑性塑料至今已有80多的历史，伴随着化工行业的突飞猛进和新型热塑性材料的不断涌现，挤出技术也经历了多次的技术迭代，其制品更是广泛的应用于日常生活、国防军工、航空航天等多个领域，应用面越来越广，产量也越来越大。伴随着塑料工业的大规模兴起，其能耗的使用效率就越发受到关注，高效节能、大产量、自动化是当今塑料挤出加工行业关注的三大重点，尤其是高效节能，契合于国家的节能减排政策，尤为塑料加工行业关注，本文重点讲一下高效节能挤出技术在片板生产线的实际应用，并比较一下各项技术的优缺点，对该类生产线的生产企业或使用企业有一定的参考借鉴意义。
一．挤出机驱动系统
在挤出机的挤出塑化过程中，10%-25%的能量来自于外部加热圈（或导热油）加热，其余能量主要来自于挤出机的驱动系统，也就是由电机的机械能转化成了塑化用的热能（可能是摩擦生热，也可能是剪切生热）。目前主流的结构是由交（直）流电机驱动减速箱，通过减速箱减速后驱动螺杆转动。在这个子系统中，电机和减速箱的传动效率是我们关注的重点，但我们往往只关注速比选择是否合适，而忽略了电机的效率和减速箱的效率。国内一般的中小型交流电机（三相异步）的效率为87%，而变频电机一般可以到90%，国外先进电机的效率可以到92%。减速箱的传动效率一般被人忽略，忽略的主要原因是大多数人的印象中好像没有其他更好的替换部件来取代减速箱。不同的传动比传动效率略有差异，一般的传动效率可达95%以上。看了上面的数据，我们马上意识到，很多司空见惯的零部件其实是有很大的效率提升空间的，但效率的提升，意味着采购成本的提高，但更大的问题是设备供应商有可能为了设备的竞争力并不会把这些知识介绍给客户或采用昂贵但节能的零部件。直驱电机的出现改变了这个子系统的替换问题，除了价格高，直驱电机在效率上有了大幅的提升，达到95%左右。但如果是常规的三相异步电机配减速箱，其传动效率为87% X 95%≈82.6%，和直驱系统相比差距就非常大了。很多使用者对这个差异没有直观的了解，我们举一条常规的双机共挤PP PS吸塑类生产线来说明一下，就非常形象了。国内一般的此类生产线，采用φ120的单螺杆挤出主机和φ65单螺杆挤出辅机，其电机功率分别为132KW和55KW，按生产时70%的平均负载计算，直驱系统和传统系统之间每小时的能耗差异为（132KW+55KW）X 70% X （95%-82.6%）=16.23KW。由于挤出生产线都是24小时不停生产的，这已经是一个非常大的节能数据了，这意味着，通过改变驱动系统，该生产线一年的节电数为16.23KW X 24 X300=116867KW（一年按300个工作日计算），一年节能的费用超过10万元。虽然改直驱要增加约20万的成本，但这个改造显然是划算的，关键是设备制造商怎么和客户来沟通这个问题，从而最终获得客户的认同。
图1. 传统的电机+减速箱系统 图2. 挤出用直驱电机
二．挤出机加热系统
相对于上面驱动系统节能技术的少有人识，挤出机加热系统的节能技术却广泛被使用者熟知（供应商推广力度较大，总体成本增幅不大），目前主流的两个技术是电磁加热技术和红外加热技术。电磁加热原理类似于家里的电磁炉，通过线圈中的高频交变电流给挤出机机筒加热，从而起到升温的作用。电磁加热的最大优点是节能、加热快、单位面积加热功率大。其缺点是硬件成本高（在这三种加热方式中，硬件成本价格从高到低依次为：电磁加热>红外加热>传统云母或铸铝加热），保温能力差。电磁加热一般适合于物料从固态到半塑化态的加热，不适合熔融态加热。红外加热是通过红外辐照的方式把热能传递到机筒上，从而使机筒升温。红外加热的特点是节能、保温和隔热性能好，缺点是硬件成本高、红外加热管易碎、某些加热区不能很好散热。在目前的应用实践中，电磁加热的成本约为传统加热的5倍，红外加热的成本约为传统加热2~3倍，节能效果大体较传统加热节电20%-40%。但要澄清的是，加热圈的节电仅限于加热系统的对比，由于整个挤出机加热系统只占挤出机耗能的10%-25%，比重较小，加热系统的节能效果从总体来看并没有宣传的那么明显。
图4. 红外加热图 3. 电磁加热
三．挤出保温系统
相对于挤出机的加热系统，整个保温系统实现起来较为简单，但效果却非常明显。我们知道，在片板材生产线中，尤其是多挤出机共挤系统中，流道非常多也非常长，在设备生产过程中，整个流道基本处于空气的直接冷却中，为了防止流道温度过低，流道的加热圈要不断的加热，来维持流道温度的平衡，在这个过程中需要浪费不少的电能。保温系统的初衷就是保持热量，使不易丧失，同时也能大幅降低挤出机周边的温度，使操作人员的环境舒适度大幅提高。该类产品类似于北方建筑中的保温层，起到隔热和保温的作用。对于长流道有着较好节能效果且硬件成本提升不多，值得广泛推广。
图5. 流道保温套
四．高效螺杆及多螺杆技术
上面所述的三点，除了成本会有所提高，节能的效果比较明确，使用者在权衡利弊后都可以通过改造来取得较为明显的节能效果。但在挤出生产中，塑化和产量的核心还是体现在螺杆设计上，其节能效果往往要通过比较后才能确切的得出，而国内与国外挤出系统的差距往往体现在这上面。以单螺杆片材挤出生产线为例，为了提高产能（从单机产量400KG/H提升到800KG/H甚至更高），国内外走了两条截然不同的道路。国内走的是传统路线，为了提高产量，最简单的方法是提高挤出机的直径，挤出机直径由传统的φ120增大到φ150，甚至φ180。挤出机直径的增加，固然提高了产量，但挤出机的成本和体积都大幅增加，单位能耗（单位能耗指的是熔融塑化1KG热塑性材料需要的耗电）并没有降低，如果涉及到维护和更换配件，困难更是大幅增加；在更换原料或切换颜色时，大螺杆挤出产生的废料也会大幅增加。国外走的路线与我们不同，他们不但没有增加螺杆直径，反而减小了螺杆直径，但大幅提高了螺杆转速（最高螺杆转速可达700-1000转/分），同样达到了高产的效果，同时大螺杆挤出存在的缺点，这些高速小挤出机往往都可以避免，其单位能耗也有大幅的降低，综合能耗降幅到30%，这个效果还是很惊人的。
既然高速小螺杆优势这么大，为什么国内没人跟进？调查发现这个看似简单的问题其实有着深层次的问题，并非表面看的这么简单。首先，国内挤出机用的高速减速箱普遍不过关，超过120转/分的减速箱，振动、漏油和长期使用稳定性都不过关；其次，螺杆设计不过关。挤出行业并非一个高附加值的行业，无法吸引高端人才的长期坚守，国内的螺杆设计，大多凭借的是经验而非物料流动的流变参数或者还是大量的实验结果，对于这类颠覆性的螺杆设计，往往无从下手； 再次，螺杆加工和材料不过关。固然国内可以通过逆向工程测绘一下国外的螺杆，但做出来之后发现，效果完全不一样，易断、不耐磨似乎是常态，最终结论是我们的材料和热处理都达不到要求。
那是否我们就无路可走呢？也不尽然！国外高速小螺杆的成功给了我们很大的启迪：换条路走走或许就能走出传统的误区。首先，新型的螺杆结构对我们改进现有螺杆设计很有帮助，虽然无法达到和国外完全一致的效果，但很多原理是想通的，比如螺旋喂料套、高效BM结构螺杆的应用，极大的提升了现有的螺杆技术，产量和能效比都有了大幅的提升。其次，在单螺杆领域或许国内在短期内无法达到国外的高度，但没有任何一家客户强制要求我们一定要用单螺杆来生产，他们的要求只是高产、高效、品质达标。我们知道，对于挤出机，内置螺杆的数量越多，其剪切效果和脱灰效果越好，综合能耗越低，这对某些塑料制品的加工是及其有利的。基于这个原理，近几年双螺杆和多螺杆挤出机被大量应用到了片板材生产线。以PET片材加工为例，采用双螺杆挤出机替代单螺杆挤出机后，在原料适应性、喂料稳定性、物料排气脱水上都可以获得非常优异的性能，尤其在喂料稳定上，几乎可以涵盖所有厚度的PET瓶片料和回收料，使设备的适应性大幅提升。另外，由于双螺杆的排气脱水性能要远比单螺杆优异，在塑化过程中可以很好的控制PET的粘度降，从而获得较高品质的片材产品。目前业界普遍认为，双螺杆免结晶设备生产的部分规格的PET产品(0.2mm-0.8mm)，已经达到或超过了传统单螺杆挤出生产线（带结晶干燥系统）生产的片材品质，加之其优异的单位能耗和原料适用范围，该类设备获得了广泛的应用。同样的，在PVC压延行业，行星多螺杆挤出机早已大量使用，其综合效能是传统的单螺杆和双螺杆所无法比拟的。
五．通过排气系统简化原料处理系统
在塑料加工的过程中，水分和挥发分对最终制品的品质有着极大的影响。一般来说，水分越少，挥发分脱离（脱灰）越充分，制品的品质越好。为了达到这个效果，往往在进入挤出机之前，原料要做烘干除湿的处理，但这个工艺的耗能却非常大。以PET为例，每处理一吨PET，传统的结晶除湿机要耗能100-150度电，能耗占比非常大。 而挤出机的排气技术，可以大幅简化原料的处理系统，降低原料干燥（或除湿）的能耗。单螺杆和多螺杆都可以实现排气，从结构原理上说，内置螺杆数量越多，脱灰和排气效果越好。双螺杆是最典型的脱灰类挤出机，在某些特殊的反应挤出中，可实现多次脱灰的功能。 从节能的角度说，排气脱灰能力越强，原料前道处理的要求就越低，从而就越节能。
六．一步法代替多步法成型
某些片材，用传统工艺需要多个步骤才能加工完成，比如在挤片前需要多配方造粒、原料处理（例如：干燥、除湿），在片材挤出后还需要有多层复合、涂胶、印刷等多道工艺，工艺成本高。如能简化工艺步骤，局部采用一步法成型，可以大幅降低生产成本，增加产品竞争力。在片材领域，采用双螺杆生产PET片材、PET片材成型和吸塑一体化、PVC桌边条成型、涂胶一体化等都是典型案例，取得了不错的经济效益和节能效果。
目前在国内，传统片板材市场已经趋于饱和，利润率逐年降低，经营风险越来越大。随着国内劳动力成本的不断提升，已经成为各个行业都必须面对的难题，而在塑料片材行业又尤其重要。片材机械95%以上的加热及驱动都要靠电力，在行业里有“买得起设备用不起电”的戏言，是典型的耗电大户，提高产量、降低单位能耗，对提高产品竞争力具有积极意义，是我们“挤出人”孜孜以求的目标。
（撰稿人： 苏州金韦尔机械有限公司 孙锋林）
