摘要：中國的塑料加工行業(yè)已成為能耗的大戶，節(jié)能減排不僅是可持續(xù)發(fā)展的基礎更是我國的既定國策。主要介紹了電磁加熱技術的原理及其在擠出系統(tǒng)上應用的方法,通過對比電阻加熱與電磁加熱方式的不同，論述了電磁加熱技術在料筒應用上的優(yōu)勢。借助有限元分析軟件ANSYS，對擠出系統(tǒng)的電磁耦合加熱過程進行了分析研究。
塑料擠出機的擠出方法一般指的是在200℃左右的高溫下使塑料熔解，熔解的塑料再通過模具時形成所需要的形狀。擠出成型加工的方便性、塑料制品應用的增多和人們對資源利用率的重視對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備在加熱方面的改進以刻不容緩。熱加工工藝的發(fā)展使新型加熱技術在塑料擠出機上的應用技術逐漸成熟，從而使開發(fā)出高效率、低能耗的塑料擠出機成為可能。尤其是近幾年來，隨著資源的日益緊張和企業(yè)對節(jié)能降耗的重視，新型擠出機的設計與研究又成為吹塑成型設備生產(chǎn)企業(yè)的關注熱點。
1.擠出系統(tǒng)電磁加熱原理及應用
目前市場上的中空吹塑成型機在加熱方式上還是以電阻式加熱為主，因為電磁加熱的成本較高、技術不太成熟，所以應用不是很多。長遠來看，采用電磁加熱節(jié)約了能量消耗，會使以后的運行加工成本降低[1]。采用電磁加熱符合塑機節(jié)能的發(fā)展方向，尤其在大型中空吹塑設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節(jié)能要求的提高，未來在擠出系統(tǒng)的加熱方式上，電磁加熱會逐步取代電阻式加熱。
1.1擠出系統(tǒng)應用電磁加熱的原理
電磁加熱技術是熱加工工藝的一種重要手段，在金屬熱處理方面的應用已經(jīng)非常成熟。使用電磁加熱技術對大型中空吹塑設備的擠出系統(tǒng)進行加熱的原理為：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，再將直流電轉換成高頻交變電流（20~50kHz）；高頻交變電流通過線圈會產(chǎn)生快速變化的交變磁場，當磁場內(nèi)的磁力線通過導磁性料筒時會產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使金屬料筒本身自行發(fā)熱；爾后將熱量傳導到料筒內(nèi)的塑料，達到塑料熔融的目的。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)電磁加熱技術的特點
電磁感應加熱在表面熱處理和金屬熔化方面的技術已經(jīng)非常地成熟。近年來，隨著技術的發(fā)展和人們對節(jié)能降耗的日益重視[4]，有的中空吹塑設備生產(chǎn)廠家將電磁加熱技術在塑料擠出機的加熱方面進行了嘗試。按照中國塑料加工工業(yè)協(xié)會改性塑料專業(yè)委員會的展望，改電阻絲傳導加熱為電磁感應加熱，慢慢減少電阻絲加熱方式，塑機節(jié)能可達30％。
電阻加熱是通過接觸傳導方式把熱量傳到料筒上，只有緊靠表面內(nèi)側的熱量傳到料筒上，外側的熱量大部分散失在空氣中，存在熱傳導損失。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。擠出機上應用電磁加熱技術相對于傳統(tǒng)電阻加熱方式的主要優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）節(jié)能和獲得較低的環(huán)境溫度；
（2）快速加熱，精確、實時的溫度控制；
（3）使用壽命長，維護簡單；
（4）功率大；
（5）安全可靠。
2.有限元分析及關鍵技術研究
電磁感應加熱擠出機料筒主要是電磁場與溫度場相互作用，交變電磁場產(chǎn)生的渦流產(chǎn)生熱量，將這個結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，可以進行多物理場瞬時非線性耦合分析[7-8]。通過運用Ansys有限元分析軟件模擬擠出系統(tǒng)的電磁加熱過程，得到擠出系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布。主要的分析過程流程如圖2。
圖2有限元分析流程圖
2.1材料特性及邊界條件約束
電磁加熱的對象需具有良好的導磁性，擠出系統(tǒng)的料筒和螺桿選用表面經(jīng)過氮化處理的高鉻合金會使取得非常好的效果。一般含鉻量大于10%的合金鋼會使該金屬的電阻率升高而磁導率會變得十分穩(wěn)定，同時產(chǎn)生的渦流散失和磁滯損耗會明顯降低。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，熱能轉化率也會提高節(jié)能效果愈加明顯。
運用有限元軟件對擠出系統(tǒng)料筒電磁加熱過程的分析是一個電磁場與溫度場耦合的過程。為了得到可靠地分析結果，在進行有限元分析之前需要對邊界條件進行恰當?shù)募s束。在有限元軟件建立的分析模型遠端磁勢為零，假設通過線圈的電流都是均勻分布的。在熱輻射邊界條件的設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合理的參數(shù)，假設溫度分析過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
在分析電磁場對料筒作用的情況時，對料筒、線圈與空氣選用PLANE13四邊形單元。分析溫度場對料筒的作用時，料筒選用PLANE55四邊形單元和SURF151表面輻射單元。在分析過程中忽略線圈發(fā)熱的現(xiàn)象，將線圈和空氣單元均設置為空。
由于電磁加熱的集膚效應，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，這樣既能保證計算精度同時也減小運算量。
圖4網(wǎng)格劃分
2.3有限元分析模擬結果
在圓環(huán)料筒中通入高頻交變電流的過程中，圓環(huán)內(nèi)會集中有交變磁場產(chǎn)生的磁通量而這些磁通量在圓環(huán)外則呈分散趨勢。在圓環(huán)的內(nèi)側將會產(chǎn)生最大的電流密度，這就是加熱圓環(huán)狀物體時產(chǎn)生的環(huán)狀效應。
讀取加熱500s時擠出機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。分析結果表明，環(huán)狀效應使電磁加熱技術在擠出機料筒加熱上具有非常高的效率、溫度上升也很高，這對擠出機系統(tǒng)的溫度控制非常有利。
圖5分析結果
3.結論
電磁加熱技術是金屬熱加工工藝的一種方式，隨著科技的發(fā)展其應用領域在不斷地擴展。本文主要論述了電磁加熱技術在擠出機料筒加熱應用上的原理，論述了電磁加熱的優(yōu)勢。運用ansys軟件對電磁加熱的擠出過程中料筒的溫度分布進行了研究，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。
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