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擠出機主機主要由擠出系統、傳動系統、加熱冷卻系統和機身組成。擠出系統是擠出機的關鍵部分，由螺桿和料筒組成。塑料通過擠出系統塑化成均勻的熔體，并在壓力下被螺桿連續定壓、定量、定溫擠出機頭。傳動系統的作用是驅動螺桿，保障螺桿在工作中所需的轉速和扭矩。加熱冷卻系統保障塑料和擠出系統在成型過程中達到工藝要求。擠出機的節能包括擠出系統的節能、傳動系統的節能和加熱冷卻系統的節能等。本文主要綜述了塑料擠出機加熱冷卻系統節能領域的研究進展。
1.加熱系統的改造
加熱系統中，大多采用感應加熱器的方式實現節能。傳統的擠出機加熱采用電阻方式，即將電阻絲直接包裹在料筒外或制成電阻板敷在料筒外壁，利用電阻絲通電產生熱量，將熱量傳遞到金屬料筒，使桶內塑料熔融擠出成型。與電阻絲加熱相比，感應加熱器可直接作用于料桶且多了一層保溫層，可減少熱能損耗和加熱時間，避免了因電阻絲長期處于高溫氧化狀態使用壽命短的問題。感應加熱的加熱速率可提高25%以上，可使電機滿負荷，減少高功率低需求造成的電能損耗，節能率約是老式電阻圈的30%~70%。嘉興德永紡織品有限公司開發出一種擠出機用電磁加熱圈，包括一對內壁上有保溫層和反射層的半圓形殼體，殼體腔內有電磁感應線圈，反射層壁有電加熱帶，半圓形殼體連接處有熱電轉換裝置。使用電磁加熱圈加熱具有溫升快、能耗低的優點，并且散失的熱量可以通過熱電轉換裝置轉換為電能為電加熱帶供電輔助加熱。感應加熱通過在料筒外繞有均勻加熱耐高溫線圈產生的高頻磁場使料筒自身快速加熱。塑料加工溫度波動一般要求控制在±2℃，需通過不斷的加熱和冷卻來控制溫度。張坤等開發了一種擠出機電磁感應加熱溫度自控裝置，是在擠出機料筒和保溫筒之間間隔設置六個環形支撐，在加料區、及時壓縮區、熔融均化區、第二壓縮區和攪拌混合區進行溫度調控。在保溫桶外包覆一層絕熱布，絕熱布外纏繞電磁導線對料筒進行加熱，電磁導線外部再包覆第二絕熱布；在加料區、及時壓縮區、第二壓縮區和攪拌混合區內分別設置進出風道對各調控區降溫。通過電磁加熱在提高熱效率的同時，依靠空氣換熱可實現快速降溫。常熟江輝纖維制品科技有限公司公開了一種擠出機感應加熱恒溫裝置。該裝置在感應加熱料筒的加料段、壓縮段和均化段分別通過感應進行溫控加熱。這三個恒溫感應加熱部件軸向長度不相同，分別控制感應加熱溫度，每段都有高溫相變蓄熱材料且各段混合比例不同，通過紅外溫度傳感器進行反饋。在斷電或線圈銅管水冷卻時，可用定形高溫復合相變材料相變產生的熱量維持高分子材料的加工溫度。高溫相變蓄熱材料使用的是無機鹽類混合材料（如NaCl與MgCl混合物），材料的配比不同，相變溫度、相變潛熱和導熱系數不同。實現高精度溫度控制可以克服難互溶材料（如高分子材料與無機物）的融合分層以及大批量連續生產過程中感應線圈易燒毀等問題，提高了生產效率，降低了設備和使用成本。
2.冷卻系統的改造
松德機械股份有限公司發明了一種擠出機的新型恒溫控制結構，包括擠出機料筒底座、多個能夠單獨控制的料筒電磁感應加熱器以及料筒保護罩。保護罩能夠罩住整個料筒和電磁感應加熱器。保護罩上有散熱排風口，通過排風口連通通風管道，每個通風管道內分別有控制開關的風門，多個通風管道都連通于一根風管上，風管上連有抽風機以排出熱量。裝置采用大功率抽風機和多路管道及風門控制，可以對擠出機料筒各段集中風冷，將高溫氣流通過管道排出室外，使擠出機周邊環境溫度不受設備加熱器工作的影響。常用的擠出機冷卻方式有風冷、水冷和油冷。其中，水冷方式容易導致物料產生內應力，引起翹曲和沖擊強度下降。汕頭市正乾實業有限公司改進了雙螺桿擠出機的加熱冷卻裝置。該裝置由加熱和冷卻兩部分組成。加熱裝置是感應加熱器，由螺桿機筒和電磁芯組成，每個電磁芯內部均設置兩個勵磁線圈，加熱裝置通過電磁感應在螺桿機筒內產生渦流加熱筒中的物料，螺桿機筒外設有絕熱層。冷卻裝置采用干濕混合式真空冷卻方式，主要由定型套、過水板及水箱組成。定型套由及時、第二兩個定型套組成，兩個定型套之間連接過水板，第二定型套與水箱連接。經第二定型套真空降溫的物料輸送至水箱進一步冷卻。這種干濕混合式真空冷卻方式可以降低物料產生的內應力、降低牽引機的牽引力，以及由此引起的翹曲和沖擊強度的下降。除了在擠出機內部設置冷卻裝置，還可以在擠出機設置可拆卸的應急冷卻器。如雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜生產線中的共擠出機，其喂料段螺筒內部配置有冷卻水通道，水通道環繞螺筒內部螺旋式走向。隨著使用時間的推移，冷卻水通道逐步被水垢堆積堵塞，最終堵塞不能通水。采用除垢劑泡浸、機械式通孔、高壓水泵加壓沖擊等方法都不能對其疏通，使共擠出機喂料段溫度過高無法控制，導致設備發生故障以及生產出廢品。湛江包裝材料企業有限公司開發了BOPP薄膜共擠出機應急冷卻器，包括兩個密封設置的半管狀機體，機體內、外壁之間形成密封冷卻水箱，內壁有導熱填充層，其可以是氧化鋁導熱層、氧化鎂導熱層、氧化鋅導熱層、氮化鋁導熱層、氮化硼導熱層或碳化硅導熱層。兩個機體的前端分別有連接嘴，通過帶有螺紋連接嘴的U型管相連。兩個機體的后端分別設有注水嘴和出水嘴，機體間活動安裝鎖緊裝置。機體間有5~10mm的間隙。冷卻器可牢固固定在共擠出機需冷卻的部位，導熱填充層可根據冷卻部位形狀的變化進行微調，U型連接管和鎖緊裝置拆裝方便，在共擠出機溫度急劇升高能及時降溫冷卻。
3.感應加熱擠出機的進一步完善
為提高產品質量，對采用感應加熱器的擠出機不斷進行完善，如波紋管擠出機和使用熔融沉積工藝的3D打印擠出機。波紋管擠出機通常依靠螺桿旋轉產生的壓力及剪切力，使物料充分塑化均勻混合，并通過口模成型，最終生產出波紋管。制造過程中通常會出現波紋管成型困難，管材發脆，波紋管外壁毛糙、發泡，管壁不均勻等問題。杭州信宇塑業有限公司對波紋管擠出機進行了改進，改進后的其塑化裝置含有電磁感應加熱圈、機筒和螺桿。電磁感應加熱圈安裝于機筒上，機筒內有螺桿和真空除濕器，在距離進料口2/3位置處的側壁上設有除濕孔，真空除濕器通過除濕孔與機筒相連。使用該擠出機生產波紋管時不僅易于成型，而且管壁均勻、光滑，同時波紋管結實耐用，抗折彎，耐斷裂。使用熔融沉積工藝的3D打印機，是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有微細噴嘴的擠出機將材料擠出，在平面生成3D模型截面的形狀，各截面再層層疊加，最終形成3D實體，是桌面級3D打印機主要采用的技術方案。使用熔融沉積工藝的3D打印機擠出機只能擠出低熔點的材料，無法打印非固定熔點的晶體和具有較高熔點金屬。李乾勇研發了一種使用感應加熱器的3D打印機擠出機，包括送料裝置和感應加熱器。送料裝置在感應加熱器上方，感應加熱器主要由隔熱罩、感應線圈、渦流感應加熱塊和打印機嘴組成。渦流感應加熱塊的內部設有貫通孔與打印機嘴相通，加熱器中部有貫通孔的散熱器，散熱器的貫通孔與上底壁上的金屬化孔相通。該3D打印機感應加熱器的加熱溫度可以在幾十度到上千度調控，既可以融化低熔點的材料，也可以融化高熔點的材料，并且材料絲的受熱均勻，可完成對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、玻璃、金屬的打印工作，滿足多領域的應用。
4.電磁加熱節能系統擠出機的改造實踐
孔智勇根據擠出機加熱分區實際狀況，對電磁加熱節能系統進行改造。該擠出機采用高密度聚乙烯為原料生產塑料管材。經改造，配備了3臺電磁加熱控制器，每臺控制器分別加熱3個分區，繞電感線圈加熱。降溫采用風冷方式，料筒外面包裹絕緣保溫材料，風機采用專門支架支撐。改造后，預熱3段升溫，工藝溫度可達185~220℃，總體預熱時間較改造前縮短1/3。在預熱階段及生產階段，各區溫度波動都能控制在±2℃，溫度精度明顯提高。擠出機的產量約為330kg/h，每噸產品加熱耗電經折算為16kW?h，較改造前節省64%；主機電流從改造前170A降低到150A，主電機的運行壽命延長。并且改造后料筒外壁溫度由改造前的200℃降低到40~50℃，降低了環境溫度。每年節約標煤30t，二氧化碳減排80t。某企業使用雙錐螺桿擠塑機生產塑料管材，擠塑機螺筒全長約2200mm。改造前電阻加熱，預熱時間為3h，6個溫區的溫度為170~250℃，加熱總功率為42.8kW。除1區外，其他5個溫區采用風機降溫。趙宗彬等采用兩臺15kW的電磁加熱主機，加熱總功率為30kW，安裝在一臺控制柜中。1區改造時在螺筒外包裹耐高溫絕緣保溫材料，并在保溫材料上纏繞電感線圈；其他5個溫區改造時在螺筒上安裝絕緣板用作降溫風道，并在絕緣板上纏繞電感線圈，絕緣板留有進風口和出風口并與風機連接。生產運行實踐表明，擠塑機加熱系統正常運行每小時耗電由改造前的電16.8kW?h下降到12.4kW?h，節能率26.2%。利用比例微積分調節器，實現溫度波動控制在±1℃。
5.結語
塑料擠出機的節能可通過擠出系統、傳動系統和加熱冷卻系統的節能來實現。在加熱冷卻系統中，通過電磁感應加熱取代電阻加熱是該系統節能的主要趨勢。擠出機電磁感應加熱改造后，系統耗電大幅下降，節能率超過20%。通過對加熱冷卻系統的進一步完善，塑料加工溫度波動范圍得以控制，使得塑料制品的質量進一步提高。