中國壓鑄雜志
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三肖中特期期准一肖中特:如何提高模溫機的傳熱效率

作者:admin 來源:原創 發表時間:2018-04-25
文:德寶壓鑄技術公司  黃奇德
 
引言
壓鑄過程中,為了保證產品質量和模具壽命,模具溫度必須適當控制。模具在生產前需要預熱,以減少開機的廢品和模具過早龜裂;生產過程需要把模具溫度保持在180-280 °C,以保證產品質量;因此熱油模溫機受到廣泛使用。特別對大型汽車壓鑄件和薄壁件的生產,是必不可少的周邊設備。

 

 
在壓鑄模具的加熱過程里,循環系統中的導熱油被熱源(模溫機的加熱器)加熱,熱油透過強制對流把熱量傳遞至模具內部管道,模具鋼再把熱傳導至模具表面。在冷卻過程里,熱源(進入模具的鋁液)從模具表面把熱傳遞至冷卻管道表面,管道內的油透過對流方式把熱傳遞至模溫機冷卻器,利用水冷把熱量帶走。整個過程牽涉模溫機的熱交換,油的熱傳遞,還有模具的熱傳導。
由于模溫機耗電量大,一臺2500T壓鑄生產線或需要200千瓦以上的模溫機加熱功率,這對生產車間的電容負荷是很大的需求。因此選擇高效的模溫機對提高生產效率和節省能耗有很大的意義。同時,要提高整個過程的熱傳遞效率,模溫機的設計和使用,導熱油的性能,模具管道的設計都至關重要。本文將扼要介紹這些因素對熱傳遞的影響,并如何達至最佳的效果。
 
熱傳遞的基礎知識
熱傳遞通過三種分式進行:熱傳導(conduction)、熱輻射(radiation)和熱對流(convection)。在導熱油循環系統里,熱對流是主要的傳熱方式。熱傳遞的基本公式如下:傳遞熱量=熱交換面積*熱交換系數*固體表面和周圍流體的溫差
熱交換系數和流體的流動速度呈線性關系。要從強制對流過程,達到有效的熱傳遞,導熱油需要在紊流狀態。導熱油能否在模溫機發熱管表面產生紊流,對導熱油的傳熱效率很重要,模溫機加熱系統的設計對此影響很大。如果是在模具管徑內的流動,速度最少需要在2-3m/s以上,來產生理想的紊流。以2m/s的流速計算,假設油管直徑為10毫米,流量應在9.4升/分鐘以上。如果管徑為12毫米,流量需達到13.6升/分鐘。
   

 
除了流量和管徑外,熱交換系數也和導熱油的溫度、密度、粘度、導熱性和比熱有關。在特定的使用溫度下,不同導熱油的熱交換效率可以相差30%。
 
模溫機的設計
熱油模溫機主要由泵、加熱器、冷卻器、管道、擴展油缸組成。模溫機的加熱器是模具預熱的主要熱源。要把熱量迅速帶到模具,首先模溫機加熱器要把熱量快速傳給導熱油。這需要能提供大流量的高壓泵。在模溫機的加熱過程中,熱量從加熱器傳到循環流動的導熱油。一般模溫機的加熱設計,是由管狀加熱器直接加熱流過的油,熱交換面積就是加熱管表面。至于熱交換系數,就要看整個加熱管表面導熱油的流動效果,是否能產生紊流效果,加熱區有沒有流動盲區。
  

 
如果用加熱管直接把油加熱,表面積受到很大局限。特別是大模具的預熱,客戶需要提高預熱的加熱功率。如果只是用Y-Δ三角星形接線變換來提高功率,或者多放幾根發熱管放在一起,只是增加了加熱量,但熱交換面積沒有改變(或很少)。等于用大量柴枝來燒個小鍋,效益不高。
奧百美模溫機使用非直接加熱方式。管式加熱器鑄入鋁體,鋁體的表面加工成螺紋狀,加熱的鋁體再傳熱給表面的導熱油。這樣的設計和管式直接加熱比較,鋁鑄體和導熱油的接觸面積會大很多。而且加熱器是??榛杓?,每個的加熱功率為10千瓦,加大發熱功率同時成倍增加熱交換面積,充份發揮大功率的效益。
奧百美的另一設計特點,是在加熱器的表面螺紋加工。除了提高接觸面積外,更重要是規劃了導熱油的流動路徑,油在加熱器表面的流動速度更高,保證了熱交換效率。
模溫機加熱部分必須有良好的隔熱效果,才能降低熱流失。奧百美使用定制的陶瓷纖維塊,相對于只用纖維氈包裹的加熱器,整體隔熱性更好,而且更耐用,加熱器保養后也無需更換隔熱纖維。
 

 
導熱油性能
導熱油大致分兩類:礦物油和合成油??笪鎘褪侵繃詞教記饣銜?,碳素間會因受熱或氧化而斷裂,容易造成劣質化??笪鎘褪屎嫌糜?50 °C以下的使用溫度。合成油是苯的衍生物,熱穩定性很高,不容易分解。適合用于250 °C以上的油使用溫度。選用導熱油最重要是了解它的使用溫度(operating temperature)范圍,和最高膜層溫度(film temperature)。如果是寒冷地區,還要留意最低的流動溫度。使用溫度是指油的平均溫度,即測量所得的溫度,而膜層溫度是指和熱源接觸的溫度,很難測量。在正常情況-即高流動速度下,使用溫度比膜層溫度低10-30C。如果表層流動速度越低,膜層溫度和使用溫度差別越高。合成油價格比礦物油貴,但不容易劣質化,使用壽命較長。因此,如果生產情況需要較高的油溫,如薄壁件,最好選用合成油。
導熱油的膜層溫度是評估熱裂變的重要考慮。由于大部分的熱裂變發生在加熱器表面,如果油的使用溫度不變,而油的流量降低,膜層溫度就偏高,油容易劣化。因此,油在加熱器表面的流動速度對油的壽命影響很大。

劣質化的導熱油
 
導熱油會隨著使用時間而劣質化。劣化的速度與模溫機設計和使用程序、操作溫度、油的質量等有很大關系。導熱油劣化有三個主要原因:熱裂變(thermal cracking)、氧化(oxidation)和受污染(contamination)。導熱油溫度過高會產生熱裂變;當油被加熱至沸點,會產生高分子,高分子會聚合為泥渣狀,高分子又分解成低分子和焦炭。低分子的沸點低,很快氧化。油泥和焦炭提高了油的粘度和密度,而且還會粘附在加熱器、模具管壁或角落上。劣化油的粘度高了令流動速度降低,不利傳熱效率?;墼詡尤繞骱凸艿辣礱嫻惱掣轎?,傳熱性比金屬差很多,變成隔離層,不單大幅降低傳熱效率,更會持續啟動加熱,令熱裂變惡化。因此導熱油的純潔度和熱穩定性非常重要。
如果模溫機使用直接加熱方式,導熱油最容易在加熱器表面產生熱裂變。特別有些模溫機設計,加熱器表面流動速度不高,使用溫度和膜層溫度的差別大。如果使用溫度偏高,導熱油的表膜溫度會更高,更容易熱裂變。
油接觸空氣會氧化成有機酸。溫度越高,氧化越快,特別是在90 °C以上,氧化速度非???。氧化生成的有機酸會進行聚合,增加了流體粘度,使傳熱效率降低,也會沉淀在管壁上,情況和熱裂變相似,令傳熱效率大幅下降。氧化主要發生在擴充油缸,如果發現油缸結垢或腐蝕,那有可能是氧化的征象。要避免氧化,擴充油缸內的覆蓋油要保持在60 °C以下。
使用新模具或新設備,如果沒有清洗干凈,可能會殘留金屬削、焊渣等硬質污染物,其次是焊劑、?;て?、?;び偷任廴疚?,在高溫操作下很快變質。
水也是外來污染物,在高溫循環中會氣化,造成氣穴,危害泵浦。如果發現循環系統內有水分,必須盡快去除。如果有較多的水殘留在系統內,可以讓設備靜止過夜,由于水比油密度高,讓水分留至低位,然后打開低點的排出閥,排出水分。再把導熱油緩慢加熱至105 °C,同時打開擴展油缸的排氣閥,讓蒸汽逃逸。
導熱油的劣化直接影響傳熱效率,最好能定期檢測。最簡單的檢測方式:是在沒有加熱的狀態下,開機運行約10分鐘,從低位釋出閥倒出小量導熱油到透明杯,允許數分鐘靜止。如果發現有分離液相,那可能是有水滲進油內。如果發現有沉淀物,那可能是分解出的焦炭或其他雜質。再輕輕搖晃燒杯,如果比起新液變稠了,那就要考慮更換或找導熱油供應商進一步化驗。
高溫的導熱油有點燃的風險,是設備的安全隱患。導熱油的閃點一般稍高于200°C,油會從管道接口泄露,或不良操作濺散在設備內和周圍。小量的油泄露,遇空氣迅速氧化,形成淺灰色煙氣,問題不大。如果油泄露在隔熱材料如石棉、纖維板等多孔結構物料,會滲入聚集。變質的導熱油閃點降低,遇上油的溫度不正常升高,就容易引起火災。因此模溫機要定時保養清理。
如果導熱油變質了,應該盡快更換。更換前在導熱油內添加3-5%的專用除垢剤,運行8-24小時,把油泥和氧化物帶出來。此外,還要定期清洗模溫機,包括加熱器和冷卻器表面,去除沉積的焦炭層和氧化物。
模具管道同樣會沉積油垢或水垢,需要定期清洗模具。奧百美生產的模具管道清洗機,配合不同的洗潔液,有效洗去管道上的油垢或水垢。
 
改善模溫機的使用方式
要提高導熱油的壽命,正確的模溫機操作方式很重要。首先要把管道內的水和氣排除。管道內的空氣不單會造成氣穴,而且會把油氧化。
導熱油的粘度對傳熱性能影響很大,粘度越低,流動性越好,熱傳遞越快。導熱油在50 °C以下時粘度偏高,流動性不好。在設備啟動時,高粘度的導熱油不能從加熱器表面有效帶走熱量。如果在開機初期就啟動加熱,流動性不好的導熱油接觸高溫的加熱器表面,容易產生熱裂變。油劣化得很快。因此,啟動模溫機升溫必須按部就班,不能貪快。同樣在關機時,應先關掉加熱,然后繼續循環讓導熱油降溫,油溫降到50 °C以下才停止泵運行,這樣才能保障油回到油缸時不會因高溫而過度氧化。在奧百美控制系統內,有內置的開機排氣程序,冷啟動時的階段性加熱程序,和關機時的油降溫程序,?;ど璞負偷既扔?。
 

 
模溫機安裝過濾器能夠延長導熱油和泵的使用壽命。好處是把外來的污染物,還有沉淀的焦炭過濾,保持導熱油的潔凈度。奧百美使用不銹鋼體在線過濾器,能承受400 °C高溫。濾芯特點是過濾面積大,達1500平方厘米,可以重復清洗使用。即使有一半面積堵塞了也只產生0.5巴的壓力降。
 

 
模具管道設計
導熱油要把熱傳遞到模具型腔表面,可以分為兩個過程,首先油把熱量傳到模具界面,再從管道表面傳導至型腔表面。要提高傳熱效率,越長的管道布置和加大管徑,都能增加熱交換面積。
管道和模面的距離和傳熱效率有直接的關系。H13模具鋼的導熱系數不高(~28 W/m °[email protected]°C),要改善模具的導熱,就要選用導熱性高的模具材料(30-40 W/m °C),或選用熱韌性更高的模具鋼,這樣能縮短管道的加工距離,提高傳熱效率。最新也有用特殊的隨型冷卻加工方式。雖然加工和材料成本貴很多,但提高傳熱效果可以縮短生產周期。
 
 

 
模溫機冷卻
要提高模溫機的冷卻效率,同樣需要有大的熱交換面積和熱交換系數。奧百美模溫機的冷卻器和加熱器的設計一樣,是把整個水冷的不銹鋼管路鑄入鋁體,鋁體表面加工成螺紋狀,提高了熱交換面積,而且油在螺紋上導向性高速流動,提高傳熱效率。大口徑流量的水管把熱量迅速帶走。
 

 
熱水模溫機
壓鑄生產過程中,除了冷啟動和重啟時模具需要加熱外,其實大部分時間是在冷卻模具。因此歐洲壓鑄廠在生產大型壓鑄件如發動機缸體或變速箱體等,現在都改用熱水模溫機。熱水機利用高壓封閉循環系統,令水的沸點提高至160-180°C。雖然相對于熱油,水的使用溫度較低,但水的傳熱效率更高,而且用電量低,無需耗油,大幅縮短了生產周期。對很多鋁鑄件生產還是適合的。使用熱水機時,要留意熱水在設備上的結垢,還有高溫水氣化所造成的設備問題。由于系統壓力高(高溫時10-15巴),對模具管道的密封性高求也提高了。
奧百美的熱水模溫機在歐洲有很多壓鑄用戶。主要因為設備的可靠性高。它的系統壓力隨著使用溫度降低而調低,無需長期處于最高壓力狀態,令設備更耐用。在設計上也能抑制溫度升高時的氣化問題。同時設備對結水垢的寬容性較大。歐洲用戶包括皮爾博格、喬治費歇爾、寶馬汽車、奧迪汽車、標致汽車、麥格納等。
除了熱水模溫機外,奧百美還生產多回路熱水點冷機。以熱水對型芯進行預熱和冷卻,提高型芯的壽命和鑄件質量。
 
總結
油的熱裂和氧化會在界面沉積出隔熱層,降低了模溫機和模具的傳熱效率。因此要維持模溫機和模具在良好的傳熱效果,保持熱交換界面的清潔很重要。同時要盡量提高導熱油在界面的流動速度,和避免導熱油太快劣化。良好的模溫機設計和適當操作,能保持導熱油的性能和延長其壽命。
大部分模溫機都使用直接加熱方式,設計不當會影響傳熱效果。特別是經過長時間使用后,導熱油快速劣化,致使整體傳熱效率大幅下降。奧百美模溫機獨特的設計,不單能提高整體加熱效率和導熱油的壽命,更能提高機器使用率、節省能耗、減少油耗和廢油處理成本。使用過奧百美模溫機的用戶都有類似的經驗,特別是使用時間長了,加熱速度比其他模溫機快,而且無需更換導熱油(只需添加)。單油路使用20KW加熱功率就能達到理想的效果,無需購買太大的加熱功率。
 
 
 
 
 
 
 
 
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