滚塑式沼气池罐体加工节能方法的研究

韩大明，王福全，罗竟明

(1.东北林业大学交通学院，哈尔滨150040;2.哈尔滨市三维滚塑能源研究所，哈尔滨150040)

能源是滚塑生产成本的重要组成部分，影响滚塑制品的市场竞争力。滚塑工艺在中国起步较晚，发展迟缓，其产量在整个塑料行业所占比重微乎其微。因此，滚塑工艺被业界忽略，节能概念建立较晚，是伴随着能源危机、燃料涨价、人民币升值而出口受阻、劳动力成本上升的不利因素出现的。节能可以从多个方面降低滚塑成本，提高滚塑制品竞争力，增加滚塑企业利润［1］。滚塑生产的主要成本是塑料原料、能源、劳动力，能源成本是最容易解决、最方便解决、最快解决的。劳动力成本的解决，需要自动化技术的提高、机器人技术的应用，是未来的发展课题。

对于滚塑机节能的研究，可以减少燃气消耗，减少废气排放，降低热源成本。只要控制适宜的加热温度，就可以保障塑料应有的强度，提高制品品质，减少塑料用量，降低原料成本。机械、电气结构简洁、耐用，可以减小电力、装机容量，降低设备造价。避免超温、超时加热，可以延长设备、模具使用寿命。塑料加热温度适宜，避免塑料分解，可以降低对于原料的温度耐久性要求，使得滚塑适应种类更多的原料。

1 滚塑工艺

塑料原料以粉末状颗粒，加入中空的模具中，模具旋转、滚动，对模具加热，使得塑料逐渐融化，涂敷在模具内表面上。塑料完全融化后，停止加热，冷却后，停止模具旋转。打开模具，卸下已经成形的塑料，就是所要加工的塑料产品。滚塑生产的塑料制品，无缝、强度高、弹性好［2］。塑料不经过高温挤压，不在高温区滞留 (没有料斗)，因此，只要不过度加热，塑料性能没有高温损失，具有更高的机械、物理、化学性能［3］。塑料滚塑，产品的一个表面是受模具控制而光滑的，一般是外表面，而另一面是自然形成的光面。塑料滚塑适合制造中空的制品 (中心是空的)。如图1所示。

图1 滚塑生产示意图Fig.1 Schematic diagram of rotational molding process

2 模具测温系统与控制

保持稳定而精确的模具温度区间，是为了保证正常的塑料塑化过程，避免塑料发生降解失效。温度测量与控制，分为保温箱温度测量与控制、模具温度测量与控制。保温箱温度测量与控制，采用常规温度测量与控制方法，容易实现，精度较高，成本较低，技术简单，可供选择的自动仪表种类繁多。模具处于三维自由运动、高温环境，无法直接进行接触测量。因此，模具温度测量、控制，技术复杂、难于实现，且实现的成本、技术难度很高［4］。

采用普遍使用的热辐射非接触测温，由于滚塑工艺的特殊性，高温扰动气流对于温度测量的结果影响非常大，数据可靠性不高，有待采用特殊技术剔除气流扰动误差，方可普遍用于生产实践。采用航天测控技术，可以准确、可靠的测量模具的内外温度。采用微波数据传输技术，可以实时连接地面计算机系统和运动测温系统［5］。如图2所示。

图2 模具温度测试工作原理Fig.2 Work theory of mould temperature measurement

生产、试验中，使用的模具测温系统有3种，分述如下。

第一种是电池供电，手动降温。滚塑开模时，人工手动打开测温设备的绝热外壳，使得内部电路散热。此种设备与国外的Rotolog控制系统相似，优点是结构简单，缺点是使用繁琐、容易损坏。

第二种是电池供电，自动降温。滚塑开模时，测温设备自动监测到空气温度低，自动启动降温风扇，使得测温设备的内部与外界空气循环，给内部电路散热。电池每天需要人工充电，电源线带来麻烦。而使用干电池既不经济，每天又有更换电池的麻烦，这是设备存在的缺点。

第三种是在线连续供电，自动降温。滚塑开模时，测温设备自动监测到空气温度低，自动启动降温风扇，测温设备的内部与外界空气循环，使得内部电路散热。供电是连续的，不需要人工充电，这使得使用变得方便。

3 滚塑机能耗实例与节能试验

3.1 摇摆滚塑机燃气节能试验

(1)试验环境。

环境气温:15℃。

试验设备:GSJ－3YB数控滚塑机改装摇摆机(如图3所示)，摇摆式工作 (如图4所示)。

图3 摇摆式滚塑机Fig.3 Swing rotational molding machine

图4 摇摆式滚塑机试验Fig.4 Experiment of swing rotational molding machine

塑料原料:大庆7042聚乙烯颗粒料，粉碎机粉碎，粒状物，粒度－30目。

热源:液化气，自制燃烧器，7支喷嘴。驱动功率:主轴1.5kW，副轴0.75kW。

消耗功率:主轴小于100VA(50V0，0.9A)，副轴156VA(100V0，0.9A)。

模具:200升水箱，4个铜质预埋件。

(2)模具测温系统。

Mwc－1型模具温度测试仪，MwcX－1型模具温度显示仪，MwcX1模具温度遥测通讯测试程序V1.02.exe。

3.2 普通摇摆机试验

不调节燃烧器流量，生产中不控制温度，塑料重量:7kg。

液化气重量消耗见表1。

表1 液化气重量消耗量的变化Tab.1 Changing of gas weight consumption

升温过程单位时间耗气量为:

(24.7－24.4)/11=0.027kg/min。

全部过程单位时间耗气量为:

(24.7－23.7)/35=0.029kg/min。

单位重量耗气量为:

(24.7－23.7)/7=0.14。

制品质量:桶身温度不够，没有成形，封头温度足够，成形很好。

3.3 保温罩式摇摆机试验

保温罩式摇摆机试验成品如图5所示。

图5 保温罩式摇摆滚塑机成品Fig.5 End product of swing rotational molding machine with insulation cover type

调节燃烧器流量，生产中控制温度，塑料重量:7.8kg。

液化气重量消耗见表2。

表2 液化气重量消耗的变化Tab.2 Changing of gas weight consumption

8.5min升温耗气量为:

(22.55－22.3)/8.5=0.029kg/min。

150～200℃塑化耗气量为:

(22.0－22.3)/(17－8.5)=0.035kg/min。

单位塑料重量耗气量为

(22.55－22.0)/7.8=0.07。

制品质量:正常。

3.4 节能效果对比分析

普通摇摆机与保温罩式摇摆机试验过程比较见表3。

表3 两种试验过程效果比较Tab.3 Results comparision of two experiment during process

实验表明，保温罩式摇摆机，相对普通开放式摇摆机，能耗降低50%，滚塑时间缩短50%。本次试验中，对普通开放式摇摆机进行了模具温度测量。为防止超温损坏塑料制品，人为调节、降低了燃气消耗［6］。实验中模具的支撑采用了100mm直径钢管，相对于滚塑件450mm的尺寸，其传导散热很严重，热损失很大。

滚塑工业化生产中，支撑轮相对于滚塑件尺寸很小，其传导散热较小。在实际滚塑生产中，由于生产中不能准确测量模具各个部位的真实温度，为防止塑化不良，多采用过度加热，因此存在更大的热损失［7］。因此，在实际滚塑生产中，采取适当措施，降低能耗75%是可以实现的。

4 滚塑机节能方法

根据试验内容，提出了滚塑机的节能方法［8－10］。

(1)降低气体对流散热。气体对流散热，热量被流动的空气带走。气体对流散热是最主要的散热方式，在保温箱式滚塑机中，影响不大。对于明火作业的摇摆式滚塑机，模具暴露于空气中，模具自由散热，不受限制，大部分热量流失于空气中。使用保温罩封闭摇摆式滚塑机中的模具，隔断模具与空间环境的气体对流接触，阻止气体对流散热。

(2)降低辐射散热。辐射散热，与物体温度呈现正相关，意即温度越高，辐射散热越快。降低保温箱温度，可以降低辐射散热。摇摆式滚塑机，高温模具暴露于空气中，模具自由辐射散热，不受限制。相当可观的热量经过辐射散热。使用保温罩封闭摇摆式滚塑机中的模具，隔断模具与空间环境的辐射接触，阻止辐射散热。

(3)降低固体传导散热。热量的传递，与介质密度、面积呈现正相关，意即密度越大、或者面积越大，传热越快。介质密度与材料有关，钢铁密度较大，是热的良导体。滚塑机的主要制造材料是钢铁，为了降低传导散热，可以通过增设保温层、减小钢铁面积实现。保温箱式滚塑机的主要传动轴、支承轴，一端在保温室的高温环境，另一端在外部大气常温环境，温度相差200余度，固体传导散热较大。减小轴径，可以降低固体传导散热。

主要传动轴、支承轴，受到模具重量、滚塑机结构的制约。模具厚度减小，有效的减小了模具重量。滚塑机结构，影响自身的重量、钢材尺寸。良好的结构，可以显著减少钢材重量、减小轴径。减少钢材重量、减小轴径，相应的动力需求降低，可以减少装机容量。

(4)防止超时加热。滚塑生产实践中，不能准确知道塑化的程度，只能依据肉眼观察、经验判断，确定滚塑结束的时机。因此，为了防止塑化不足，只能延长加热时间。延长时间因技术、经验不同而差异很大，往往造成超时加热。模具内部的温度，能够表示塑化的程度。采用仪表直接、准确的测量模具内部的温度，就可以防止超时加热。

(5)防止超温加热。滚塑生产实践中，对于温度的测量和控制比较差。明火作业的摇摆式滚塑机，基本上不测量温度，依据肉眼观察、经验控制加热，由此控制温度。粗放的生产方法，使得模具温度变化区间很大。近年来，有的采用了红外辐射测温方法，由于热气流的影响，温度偏差很大。由于被测量的模具与热气流紧密接触，影响更为突出。保温箱式滚塑机，测量和控制保温箱内的气体温度，温度精度很高，不易发生超温加热。

模具内部的空气温度，能够表示塑化的程度。直接接触测量模具的温度、模具内部的温度，控制生产过程，可以防止超温加热。直接、准确的测量和控制模具温度、模具的内部温度，可以有效防止超温加热。

5 结论

(1)对滚塑式沼气池罐体加工工艺的模具测温技术进行了设计，并对模具的测温系统进行了优化与控制。

(2)通过试验对普通摇摆滚塑机与保温罩式摇摆滚塑机进行了对比分析，并根据试验结果对单位塑料重量的耗气量进行了计算与比对。

(3)根据试验得出的结果提出了滚塑式沼气池罐体加工的节能方法。

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