钢管防腐生产线挤出机几种加热形式的对比与选择

张毅杰

（新疆八一钢铁股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830022）

0 引言

近几年我国油气长输管线发展迅速，而3PE防腐层又是目前最佳的埋地钢管防腐形式。塑料挤出机是钢管3PE防腐生产线上的核心设备之一，其主要由螺杆料筒系统、传动系统、加热冷却系统、上料系统、模具成型系统及控制系统等部分组成。

挤出机加热系统有三种加热方法：电加热、流体加热和蒸汽加热。在3PE生产线上所用挤出机中，流体加热及蒸汽加热很少见，电加热是最常见的加热形式。电加热主要分为电阻加热和电磁感应加热两种，其中电阻加热又是目前应用最广泛的加热方法。而随着当今社会节能理念的不断凸显，基于电磁感应加热圈高效、节能的特点，越来越多的厂家开始使用电磁感应加热圈。本文主要通过对挤出机电阻加热圈和电磁感应加热圈进行对比，阐述几种加热圈的利弊及选择注意事项。

1 电阻加热圈

电阻加热圈是钢管3PE生产线挤出机所使用的传统加热方式，电阻加热圈是利用电流通过具有一定电阻的发热体而发热的原理制成的。现在应用最多的是不锈钢云母加热圈，陶瓷加热圈和铸铝加热圈。

1.1 不锈钢云母加热圈

不锈钢云母加热圈是利用云母板（云母片）良好的绝缘性能和其耐高温性能，将电阻丝用云母片绝缘并封装于柔性不锈钢片套中。它以云母板为骨架和绝缘层，辅以不锈钢板做支持保护，可做成板状、片状、圆柱状、圆锥状等各种形状，因此其适用于被加热体外形复杂（如挤出机法兰和机头等部位）的情况。云母加热圈结构简单，易于更换，升温速度快。但是由于加热圈外壳与机筒间必须紧密接触，且云母本身散热能力比较差，再加上云母层冷却后吸收潮气，易造成相邻电热丝起弧、熔断因此其电热丝易于烧断，因此云母加热圈的使用寿命比较短[1]。

1.2 陶瓷加热圈

陶瓷加热圈如图1所示是由有较高绝缘耐火程度的陶瓷块代替云母做绝缘物的电热丝加热器，其工作温度高、升温快、加热均匀准确，高温加热方面可达到要求，通常其寿命比不锈钢云母加热圈更长，并能经受高达160KW/m2或以上的较高功率密度，而且区域温度可达到750℃，在高温下不易老化。加热圈外面有不锈钢保温罩壳，可减少加热圈向周围散发热量。陶瓷加热圈绝缘性能好，安装、维修方便，使用费用也低，即使内部发热材料损坏，外部的陶瓷器件仍可回用。因其寿命长，价格便宜，易于更换和调整加热器容量的优点，现阶段在钢管3PE生产线挤出机领域应用比较广泛。

1.3 铸铝加热圈

铸铝加热圈如图2所示是一种有效利用电热棒的加热方式，其结构是将电热棒根据需要的形状弯曲成形，铸造在铝合金之内，构成铸铝加热器。除一般电阻加热器的优点之外，铸铝加热器能够制成与机筒十分吻合的形体，其间空隙很小，有利于热传导。电热棒紧紧地固定在铸铝壳体内，改善了热传导性能。增强了电热丝的抗振、抗氧化和防潮、防爆特性。并且铸铝加热圈比云母加热圈成本低，寿命长，运行可靠，并有良好的使用寿命，最大功率密度可达55KW/m2，最高操作温度可到约400℃，完全满足现有3PE生产线挤出机的生产工艺要求，因此这种类型的加热器获得较广泛的应用[2]。但是铸铝加热圈内部电阻本身是发热源，铸铝瓦吸收热量后，将热量同时向内外立体360°全方位传导，所以其热效率只有32%左右，其余68%左右的热能损耗到空气中，造成能量的浪费。

图2 铸铝加热圈

2 电磁感应加热圈

变频电磁加热器如图3所示是一种利用变频电磁感应原理将电能转换为热能的装置。其工作原理是变频电磁控制器将220/380V，50/60Hz的交流电整流变成直流电，再将直流电转换成频率为16～20KHz的高频高压电[3]，高速变化的高频高压电流流过线圈会产生高速变化的交变磁场，当磁场内的磁力线通过导磁性金属机筒螺杆时会在金属体内产生无数的小涡流，使金属材料本身自行高速发热，从而达到加热金属金属机筒螺杆的目的[4]。

电磁感应加热圈加热方式为内热式，可以减少热能损耗，同时外部包裹一层隔热保温棉和绝缘板，这样就大大减少了热量的散失，提高了热能利用率。因此电磁感应加热圈的节电效果十分显著，与电阻加热圈相比可节约30%～75%的能量。同时因为电磁感应加热圈本身并不发热，所以不存在电阻加热圈的电阻丝在高温状态下氧化而缩短使用寿命的问题，所以其使用寿命比较长。另外电磁感应加热圈加热速度快，加热均匀，缩短了挤出机预热和升温的时间，提高了生产率。

图3 电磁感应加热圈示意图

表1 几种加热圈的区别

3 几种加热形式的对比选型

现阶段钢管3PE防腐生产线挤出机主要使用的加热方式为电阻加热。由于不锈钢云母加热圈可以制作成各种形状，以适应多种具有特殊外形的部件的加热，因此多用于模具、连接体等外形复杂的部分的加热。而机身及部分形状规则的连接体的加热主要采用陶瓷加热圈和铸铝加热，其加热稳定可靠，使用寿命长，成本低，拆装方便。近年来国家大力推动发展绿色科技，实现节能减排和保护环境，已有很多企业响应国家政策，采用节能效果好，热效率高的电磁感应加热圈。表1中从安装维护、使用、寿命等方面对比了几种加热圈的区别。

在实际生产使用中，成本投入的多少是多数用户要考虑的情况，图4中表示在主设备使用全过程中电阻加热圈和电磁感应加热圈成本投入的情况比较。电阻加热圈在前期投入成本比较低，维护成本也比较低，但是其热效率比较低，所以其运行成本比较高。而电磁感应加热圈则在前期成本及维护成本上都比较高，但其运行成本比较低。从图中可知，如果主设备的使用寿命在A点之前或在B点之后，使用电阻加热圈的成本比较低。而如果主设备的使用寿命在A点和B点之间，则使用电磁感应加热圈的成本比较低。

图4 电阻加热圈和电磁感应加热圈总成本对比曲线图

4 结论

在选择挤出机加热圈类型时，我们需要考虑前期资金投入情况、实际使用要求及经济性等方面的因素。由于电阻加热圈的前期投资比较小，所以对于前期资金压力比较大的用户，可以优先考虑使用电阻加热圈。而对于电阻加热圈中几种类型的选择，因其在成本方面相差不大，用户可以根据几种电阻加热圈的优缺点及实际使用情况来进行选择。如果在前期投资充足的情况下，我们可以在电阻加热圈和电磁感应加热圈之间进行选择，通过对主机寿命和所选加热圈的寿命进行综合评估，并准确计算出图5中A点和B点的位置，从而选择成本较小、最经济的方案。