漆包线刮漆器(MAG漆包机的设计细节（三）降低能耗)

Posted 2023-06-01

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漆包线刮漆器(MAG漆包机的设计细节（三）降低能耗)

漆包线工厂一直是能耗大户，而漆包机的烘炉部分又是耗电的“主力军”。降低漆包过程的能耗，主要从烘炉能耗入手。

01、传统漆包线生产能耗模型

以一个典型的漆包线的生产流程为例：

能耗分布：

工序	大拉	连拉	退火	烘炉
电单耗（度/吨）	100	200	150	1400

（基于某具体案例，非行业平均值）

从上表可以看出，漆包线生产过程的主要能耗来自烘炉。

02、烘炉能耗模型

一、能量变化模型

将烘炉视为一个封闭系统进行能量分析，主要的能量变化如图所示。

二、物质变化模型

涂覆漆液的铜线进入烘炉，溶剂挥发，进入催化床，在高温下与氧气燃烧结合，生成CO2和水等气体，成为废气排出。其他气体只是受温度影响，体积发生变化，质量可以视为不变。而出烘炉的铜线质量也没有发生变化，漆液中的固体分交联固化形成漆膜附着在铜线上。

三、耗能过程分析

漆包线涂覆的是有溶剂清漆，在烘炉里面溶剂挥发需要大量的蒸发热，而漆膜高分子的交联固化过程是放热反应，只要在初始阶段需要吸热到反应温度，需要的能量极少。所以漆包线生产过程中，真正需要吸收热量的过程是溶剂蒸发过程，溶剂量越大，需要的能量越高，但是溶剂量越大，催化燃烧后产生的热量也越多。通过计算可以发现，有机溶剂完全燃烧产生的热量大于溶剂蒸发所需要的热量，所以理论上，在连续生产过程中，只要控制好能量损失，烘炉是不需要进行额外的加热。

而排废主要有两个目的，一是有足够的氧气保证溶剂充分燃烧，二是保持炉口负压，防止炉口冒烟。

四、能量损失分析

进入烘炉的冷空气量，从室温被加热到排废温度，所需要的能量为外部因素导致的主要能量损失之一；其次是烘炉炉壁向外部散热的损失；而铜线从烘炉出口的高温进入冷却段，被冷却到硬化温度之间损失的能量，则占比较小。

03、节能分析

从上述分析可以看出，要降低漆包线烘炉的能耗，可以从以下几方面入手：

1、改善催化燃烧效果；

2、减小排废量；

3、降低排废温度和能量回收；

4、增加保温效果；

5、控制铜线冷却温度。

04、MAG的措施

1、改善催化效果

1）上世纪90年代，MAG设备就用金属催化剂代替了陶瓷蜂窝催化剂，并逐步增加催化床的体积；

2）增大催化燃烧室体积，使混合气体的流速降低，反应时间增加；

3）提高催化前温度。

2、减小排废量

通过计算，MAG高速漆包机，排废风机转速在300rpm的时候，新鲜空气的携氧量就可以满足催化燃烧要求（固含量提高到35%以上，耗氧量还可以下降）。所以排废的最小控制量主要是为了满足炉口负压的要求。降低排废风机转速存在2个问题，一是风机在低转速区的效率很低，容易发热造成寿命下降，二是炉口容易冒烟。

1）早期的措施是在排废管上增加阀门，通过控制阀门来控制排出量，但会增加控制难度，并且长期使用后，阀门处易集聚烟油。新的设备通过缩小排废管径，增大了排出阻力，从而可以维持电机在高效区间运行。另外一方面，管径减小，同样的排出量流速增大，可以减少烟油在管壁上析出。

2）假设烘炉内部气体循环处于理想状态，两个炉口需要吸入相同体积的气体，由于进口炉温低，出口炉温高，气体在高温下体积大幅度膨胀，所以进口的风速要大于出口的风速。一般在初始调节的时候，进口的风速约为出口风速的3~4倍（比如进口测风3m/s，出口要控制在1m/s）。在实际生产过程中，催化燃烧后的气体温度更高，体积膨胀更严重，如果不对进口采取控制措施，则进口的风速可以达到10m/s，而出口处则风速接近于0。可见仅增加排出量来控制炉口负压，进口的负压必然大于出口。

3）增大进口进气阻力

在早期的漆包机上，涂漆漆是开放式的，只能调整炉口挡板来调节炉口进气量。这种调节方式最大的问题是炉口挡板容易集聚烟油，粘到线上形成烟油漆瘤，另外调节麻烦，如果位置调节不当，线在抖动时容易碰到挡板，形成实心漆瘤。实际上挡板比较薄，对空气产生的阻尼有限，调整的效果并不理想。

上世纪90年，MAG漆包机增加了漆槽盖板，一方面可以减少溶剂挥发到生产车间，另外一方面可以增大进风阻力。

传统漆槽盖板缺陷：

1、盖板覆盖的面积较小，由光滑的不锈钢板制成，并且涂漆器的高度较低，腔体间隙大。对炉外冷气的阻挡效果差，冷风进入的速度最高能达到10米/s。

2、腔体的宽度较窄，导致进入的冷空气流速更快，预热不足，进入烘炉的位置更深。

3、盖板与炉体的连接不充分，盖板温度低，漆槽溶剂易在盖板上集聚冷凝，滴到线上影响表面质量。

在90年代后期，MAG对漆槽进行了全面改进，使漆槽和漆槽盖板均完全连接到炉体上，在盖上盖板后近乎密闭。

改进型漆槽盖板：

1、盖板高度下降，漆槽位置和涂漆器位置提升，盖板进口开口减小，减小了气流间隙，使进入的冷风量大幅度下降，气体流速也大幅度降低。

2、上下均与炉口紧密结合，通过传导接收烘炉的热量，整体温度较高，可以对冷空气进行预热。冷空气温度越高，体积膨胀，同样流速进入烘炉的空气质量越小。

3、盖板温度上升，防止溶剂冷凝。

90年代后期改进的漆槽，涂漆道次根据实用性原则，采取底涂层满道次，中层和面层逐次减少道次的方式分布涂漆模架。而在最新的“零能耗”设备上，3个涂层的漆槽均做到满道次（20道），这样三层模架就会对进口冷空气产生更大的阻尼。

3、降低排废温度和能量回收

上世纪80年代末期，MAG尝试将排废余热用于立式机的退火。这种设备会出现铜线柔软度不稳定的情况，所以并没有得到大规模应用。

为了降低排废浪费的能量，MAG改变了排废风道走向，让排废管道先回到烘炉进口对新鲜空气进行余热。在2000年左右，MAG又将退火余热用于制造退火保护蒸汽，通过计量泵向套管供水，让水滴在高温的管壁直接气化。但是水在金属表面直接气化产生的“空泡”效应，导致管壁快速腐蚀破裂，需要经常更换排废管。

改变回收装置的结构，让水滴在液面气化，则可以防止这个问题。

废气在这里进行热交换后，排出的温度已经大幅度降低。

4、增加保温效果

石棉一直是漆包机的主要保温材料，MAG一直在增加石棉厚度和密度，单纯使用石棉有个缺陷，就是在进行加热管等维护的时候，需要拆除，重新填充就无法达到初始的密度，从而造成热量散失。

在新一代的设备在外部增加保温板，烘炉的表面温度可以低于50℃，大大减少了能量损失。

5、控制铜线冷却温度

从烘炉出来的铜线，漆膜如果不能降低到合适的温度，软化的漆膜会粘附在过桥导轮上，或者在牵引轮上换向时，受挤压而变形。所以必须对出烘炉的铜线进行强制冷却。在连续生产过程中，铜线相对静止，相当于在烘炉中牵引十几二十根铜线向外导热，如果过度冷却则会损失额外的热量。新设备增加了对线温的控制，通过检测线温，反馈到冷却风机进行转速控制，从而节约能量。

以上大致介绍了MAG在降低漆包机能耗过程中所做的部分尝试，国产的“零能耗”漆包机大体沿用了类似的思路。我相信随着我国对设备研究的更加深入，制造能力的提高，更好的方案更低的能耗更少的排放，会有不断超越MAG的设备产生。