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          電磁加熱模壓輥在激光防偽印刷的應用

          2020-07-31 16:27:41 上海聯凈

          背景

          鐳射模壓機是激光防偽印刷領域最重要的設備,其工作原理是:在高溫、高壓的條件下,將版輥上的鐳射模壓版上的信息轉移到薄膜基材或專用涂料上,形成高低不平、大小不一的光折射點,光照后不同波長的漫反射會使鐳射膜呈現彩虹光芒。壓鐳射圖文時,要掌握好溫度、速度、張力三個要素。如果這三個要素控制不夠精確,就會產生嚴重的色差、黑斑、白斑、水紋、褶皺、云彩花、麻點鐳射圖文和光柱變形以及張力不穩定等質量缺陷。這些缺陷會給后續的印刷帶來麻煩,甚至會使鐳射膜無法投入到下道工序的生產。

          上海綠新包裝材料科技股份有限公司是國內鐳射模壓行業的龍頭企業之一,公司的單版鐳射模壓機為CZ-RY系列,均由北京一家設備公司提供,用于生產PET鐳射轉移膜以及BOPP鐳射復合膜。該模壓機由放卷段、預熱段、牽引段和收卷段四部分組成。在生產過程中溫度、速度、張力三個要素中,速度和張力調整好了以后相對比較穩定。預熱輥和版輥采用導熱油循環加熱的方式,這種加熱方式原理簡單,制造成本較低,但是存在旋轉接頭容易泄漏、導熱油易于結焦、電加熱管更換頻繁等缺點,在長期使用后輥表面溫度不均勻,給產品質量帶來較大影響。同時,由于導熱油加熱系統管路損失大,能耗高企,造成生產成本高。為此,公司考慮采用更為先進的電磁加熱輥來替代原有導熱油加熱輥。

          現有技術缺陷:

          1.導熱油加熱版輥存在的缺陷和弊端

          目前,國內鐳射模壓機中普遍采用的版輥(包括預熱輥)基本采用導熱油加熱方式,由一臺外置油溫機將導熱油加熱到200℃左右,然后由高溫油泵經旋轉接頭輸送到旋轉的版輥中,再通過管道回流到油溫機內。這樣一套系統存在著諸多缺陷和弊端:

          1) 污染嚴重:導熱油在加熱過程中,會持續向空氣中揮發,同時旋轉接頭在使用一段時間后,會出現導熱油泄漏的問題,不但污染車間空氣和地面環境,而且也會對產品質量產生影響,同時易燃的導熱油介質流出也容易引發火災等不安全因素。

          2) 溫控精度低:導熱油在長期使用后容易氧化結焦,導致輥體受熱不均勻,輥面溫差大,進而影響產品品質。

          3) 耗能高企:導熱油的加熱需由電熱管來完成,在加熱后進入輥體內部循環,期間需要經過一段輸油管路,熱量在此過程中向空氣中散發造成大量散失,同時,為保證導熱油的循環,需要使用2~3kW的油泵不間斷工作,其能耗也相當可觀。

          4) 維修、維護工作量大:導熱油在長期的高溫工作下,極易產生積碳并在輥壁、油芯、電熱管、油箱等處產生結垢,這就需要定期對導熱油進行更換并清洗輥壁和油路、油芯、電熱管和油箱。此外,旋轉接頭、密封件、高溫油泵、加熱器、高溫閥門等配件亦需定期檢修和更換,由此產生的維修、維護費用不菲,同時造成巨大的停工損失和人力損失。

          解決方案:

          采用電磁感應加熱模壓輥來替代現有導熱油加熱輥。

          1.電磁感應加熱的基本原理

          電磁感應加熱的基本原理圖如下:

          電磁感應加熱的基本原理圖


          由上圖可見,感應加熱是靠感應線圈把電能轉化為金屬內部的熱能。感應線圈與被加熱金屬并不直接接觸,能量是通過電磁感應傳遞的。另外需要指出的是,感應加熱的原理與與一般電氣設備中產生渦流以及渦流引起發熱的原理是相同的,不同的是在一般電氣設備中渦流是有害的,而感應加熱卻正是利用渦流的熱效應進行加熱的。

          這樣,感應電動勢在工件中產生感應電流(渦流),使金屬加熱。其熱量與電流電阻的關系為:

          Q=∑I2Rt

          式中,Q為電流通過電阻產生的熱量(J);I為電流有效值(A);R為工件的等效電阻();t為工件通電的時間(s)。

          由上面兩式可以看出,感應電動勢和發熱功率與頻率高低和磁場強弱有關。感應線圈中流過的電流越大,其產生的磁通也就越大,因此提高感應線圈中的電流可以使工件中產生的渦流加大;同樣提高工作頻率也會使工件中的感應電流加大,從而增加發熱效果,使金屬升溫更快。另外,渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導電率、導磁率以及透入深度有關。

          感應加熱的整個過程歸納描述成這樣:首先通過感應線圈把電能轉化成磁能,交變的磁場產生同頻率交變的電動勢交變電動勢 作用于金屬物體后,形成閉合回路,在金屬表面產生電流---渦流,實現了從磁能到電能的轉換。當磁場內的磁力線通過導磁性金屬材料時會在金屬體內產生無數的小渦流,使金屬材料本身自行高速發熱,從而達到直接加熱金屬物體的目的。

          電磁感應加熱輥技術簡介

          電磁感應加熱技術具有能耗低、熱效率高、溫度提升快、溫度控制精度高等諸多優點,因此在許多行業被廣泛應用。在歐、美、日等發達國家“電磁感應加熱技術”被稱為綠色能源,由政府大力推廣而得到了長足的發展。上海市政府也曾將大功率電磁加熱技術在工業領域的應用作為政府鼓勵的節能項目加以推廣?,F在,電磁加熱技術在注塑機、擠出機、吹膜機、造粒機等領域的應用比較成熟,并已經得到了較為廣泛的認可,但電磁感應加熱輥的制造技術由于涉及多個學科,存在諸多的技術難關,到目前為止,全世界只有為數不多的幾家公司掌握了該項技術。

          電磁感應加熱輥主要應用于醫藥、包裝、印刷、紡織、非織造等領域。這種技術徹底顛覆了傳統導熱油加熱方式,取消了導熱油加熱系統所需的油溫機、油泵、循環管路、旋轉接頭等部件,只需要一個設計合理的電路將工頻交流電轉換成高頻交流電,并傳輸到輥體內部預先鋪設好的高頻感應線圈上,在線圈附近產生高頻交變磁場,將輥體內表面感應發熱,從而達到加熱輥體的目的。大量實踐證明,以無紡布加工所用的直徑Ф400*1800熱壓輥為例,每小時實際用電量大約只有8kW.h左右,遠低于導熱油系統每小時20kW.h以上的用電量,節能效果明顯。綜合來看,和導熱油加熱輥相比,電磁感應加熱輥有著無可比擬的優勢,主要體現在以下幾個方面:

          1) 輥面溫度均勻:由于采用即時加熱方式以及高端的溫控手段,電磁感應加熱輥整個輥體表面溫度能控制在±1.0~2.0℃之內,在要求高的場所能控制在±0.5℃之內,可以從根本上改變因導熱油氧化結焦造成的輥面溫差大、溫度滯后的問題,確保產品質量的穩定。

          2) 清潔環保:電磁感應加熱輥不再使用導熱油作為導熱介質,從根本上杜絕了導熱油揮發和泄漏造成的環境污染與安全隱患,生產環境更清潔,也避免了產品表面被油蒸氣污染的可能。

          3) 高效節能:正常情況下,電磁感應加熱輥的裝配功率較傳統導熱油加熱器相比要降低30%以上,同時,其熱利用效率更高,可在最大程度上減少熱量散失,能耗通??山档?0%-50%以上。而熱油循環泵產生的所有能耗也將全部節省下來,綜合節能率往往高達50%以上。

          4) 操作和維護簡單:電磁感應加熱輥不再需要外置加熱器、復雜的油路管路、接頭、油泵等一系列配件,故障點大大減少。運行狀況完全通過人機操作界面查看和調整,同時,可節省不菲的更換維護費用。多個行業的實踐證明,電磁感應加熱輥平均無故障時間大于10000小時。

          電磁感應加熱版輥的實際應用

          模壓機是上海綠新公司能耗最大的設備,一臺單版模壓機的總裝機功率約40kW,而一臺無版縫的模壓機總裝機功率更是達到80kW左右。經統計分析,模壓機大部分的用電量都消耗在版輥的油加熱器上。與此同時,由于導熱油的跑、冒、滴、漏、積碳等造成的維修、維護費用高昂,由此也造成了巨大的停工損失、產品質量損失和大量的人工損失。

          在經過詳細的市場調研后,上海綠新公司找到了目前國內唯一一家能制造電磁感應加熱輥的上海聯凈電子科技有限公司。雙方對綠新公司現有模壓機進行認真分析后,決定對3#單版模壓機進行改裝實驗,同時以與之完全一樣的8#模壓機在同樣的工況下進行對比測試。兩臺模壓機同時安裝三相電度表和計時器(有斷電累計計時功能),同時采集用電數據。

          2011年4月28日,國內首支電磁感應版輥在上海綠新公司成功安裝并投入運行。經現場測試,電磁感應加熱版輥工作時整個輥面溫度控制在±1.5℃,其中工作區的溫差范圍為±1.0℃,遠遠優于原有導熱油加熱輥±5℃的溫差。電磁感應加熱版輥的升溫速度也很快,從常溫升至180℃僅需約20分鐘,而原有導熱油加熱版輥則需要1個多小時。

          經品質部檢驗,產品完全達到技術規范要求,連續生產質量十分穩定。由于輥面溫度均勻,完全杜絕了原有加熱方式因輥面溫差大而導致的膜兩側拉伸不一致的質量問題。

          2011年6月,3#和8#模壓機在完全一致的工況下,上海綠新公司技術人員對兩臺機器版輥的用電情況進行了統計,數據如下:

          機臺號加熱裝機功率油泵功率總裝機功率加熱運行時間(hr)總耗電量(kW.h)每小時耗電量(kW.h)
          8#模壓機3kW*6=18kW2.2kW20.2kW2030015
          1072,03018.9
          6290014.5
          1021,56015.3
          3042014
          3#模壓機6kW*2=12kW12kW19904.7
          703605.14
          472405.11
          422105.0
          422105.0

          注:本次數據采集,用到1、電子式三相四線電能表,(型號:DTS156;上海凱達利儀表有限公司,2個);2、電流互感器(150/5六個,上海人民電器廠);3、計時器2個(福建紅潤智能儀表廠,型號:XC80,具有斷電自動累加記憶功能)。

          數據采集全部來自上海綠新模壓車間,時間截止到2011年6月27日。

           

          從上述數據中可以計算出:

          8#模壓機每小時的平均用電量:

          (300+2030+900+1,560+420)/(20+107+62+102+30)=16.23kW.h

          3#模壓機每小時的平均用電量:

          (90+360+240+210+210)/(19+70+47+42+42)=5.05kW.h

          每小時的節電量:

          16.23-5.05=11.18kW.h

          平均節電率:

          11.18÷16.23=68.88%

          由此可見,上海綠新在模壓機上使用電磁感應加熱版輥比導熱油加熱版輥每小時節電11.18kW.h,節電量高達68.88%。

          以每臺模壓機每年工作6,000小時計算,則全年節電量可達到67,080kW.h。此外,由于能量利用率提高,往環境中排放的熱量大大減少,模壓機所在廠房空調系統的能耗也大為降低——理論上,空調系統的節電量至少與模壓機版輥的節電量相當。也就是說,按每年工作6,000小時計算,一根電磁感應加熱版輥年綜合節電量可高達13.4萬kW.h以上。如果再算上降低的維修費用,有效工作時間延長帶來的收益等,電磁感應加熱輥的經濟效益和社會效益都十分可觀。

           電磁感應加熱輥,電磁加熱輥

          產品相關參數概要:

          1.單版電磁模壓輥:了解更多

          輥體規格Φ150~250mm×800~1600mm
          輥體材質45#鋼
          表面處理鉻、鏡面
          線速度150m/min  Max.
          線壓力200~300psi
          跳動≤0.01mm
          工作區溫度梯度±1.5℃
          加熱功率容量12~40kVA

           

          2.無版電磁縫模壓輥一般參數:

          輥體規格Φ150~250mm×800~1600mm
          輥體材質合金鋼
          表面處理鉻、鏡面
          線速度150m/min  Max.
          線壓力400~500psi
          跳動≤0.02mm
          工作區溫度梯度±2℃
          加熱功率容量12~40kVA

           

          3.硬壓電磁版輥參數:

          輥體規格Φ150~250mm×800~1600mm
          輥體材質合金鋼
          表面處理鉻、鏡面
          線速度150m/min  Max.
          線壓力800~1000psi
          跳動≤0.01mm
          工作區溫度梯度±1.5℃
          加熱功率容量12~40kVA

           


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