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挤出机主机主要由挤出系统、传动系统、加热冷却系统和机身组成。挤出系统是挤出机的关键部分，由螺杆和料筒组成。塑料通过挤出系统塑化成均匀的熔体，并在压力下被螺杆连续定压、定量、定温挤出机头。传动系统的作用是驱动螺杆，保障螺杆在工作中所需的转速和扭矩。加热冷却系统保障塑料和挤出系统在成型过程中达到工艺要求。挤出机的节能包括挤出系统的节能、传动系统的节能和加热冷却系统的节能等。本文主要综述了塑料挤出机加热冷却系统节能领域的研究进展。
1.加热系统的改造
加热系统中，大多采用感应加热器的方式实现节能。传统的挤出机加热采用电阻方式，即将电阻丝直接包裹在料筒外或制成电阻板敷在料筒外壁，利用电阻丝通电产生热量，将热量传递到金属料筒，使桶内塑料熔融挤出成型。与电阻丝加热相比，感应加热器可直接作用于料桶且多了一层保温层，可减少热能损耗和加热时间，避免了因电阻丝长期处于高温氧化状态使用寿命短的问题。感应加热的加热速率可提高25%以上，可使电机满负荷，减少高功率低需求造成的电能损耗，节能率约是老式电阻圈的30%~70%。嘉兴德永纺织品有限公司开发出一种挤出机用电磁加热圈，包括一对内壁上有保温层和反射层的半圆形壳体，壳体腔内有电磁感应线圈，反射层壁有电加热带，半圆形壳体连接处有热电转换装置。使用电磁加热圈加热具有温升快、能耗低的优点，并且散失的热量可以通过热电转换装置转换为电能为电加热带供电辅助加热。感应加热通过在料筒外绕有均匀加热耐高温线圈产生的高频磁场使料筒自身快速加热。塑料加工温度波动一般要求控制在±2℃，需通过不断的加热和冷却来控制温度。张坤等开发了一种挤出机电磁感应加热温度自控装置，是在挤出机料筒和保温筒之间间隔设置六个环形支撑，在加料区、及时压缩区、熔融均化区、第二压缩区和搅拌混合区进行温度调控。在保温桶外包覆一层绝热布，绝热布外缠绕电磁导线对料筒进行加热，电磁导线外部再包覆第二绝热布；在加料区、及时压缩区、第二压缩区和搅拌混合区内分别设置进出风道对各调控区降温。通过电磁加热在提高热效率的同时，依靠空气换热可实现快速降温。常熟江辉纤维制品科技有限公司公开了一种挤出机感应加热恒温装置。该装置在感应加热料筒的加料段、压缩段和均化段分别通过感应进行温控加热。这三个恒温感应加热部件轴向长度不相同，分别控制感应加热温度，每段都有高温相变蓄热材料且各段混合比例不同，通过红外温度传感器进行反馈。在断电或线圈铜管水冷却时，可用定形高温复合相变材料相变产生的热量维持高分子材料的加工温度。高温相变蓄热材料使用的是无机盐类混合材料（如NaCl与MgCl混合物），材料的配比不同，相变温度、相变潜热和导热系数不同。实现高精度温度控制可以克服难互溶材料（如高分子材料与无机物）的融合分层以及大批量连续生产过程中感应线圈易烧毁等问题，提高了生产效率，降低了设备和使用成本。
2.冷却系统的改造
松德机械股份有限公司发明了一种挤出机的新型恒温控制结构，包括挤出机料筒底座、多个能够单独控制的料筒电磁感应加热器以及料筒保护罩。保护罩能够罩住整个料筒和电磁感应加热器。保护罩上有散热排风口，通过排风口连通通风管道，每个通风管道内分别有控制开关的风门，多个通风管道都连通于一根风管上，风管上连有抽风机以排出热量。装置采用大功率抽风机和多路管道及风门控制，可以对挤出机料筒各段集中风冷，将高温气流通过管道排出室外，使挤出机周边环境温度不受设备加热器工作的影响。常用的挤出机冷却方式有风冷、水冷和油冷。其中，水冷方式容易导致物料产生内应力，引起翘曲和冲击强度下降。汕头市正乾实业有限公司改进了双螺杆挤出机的加热冷却装置。该装置由加热和冷却两部分组成。加热装置是感应加热器，由螺杆机筒和电磁芯组成，每个电磁芯内部均设置两个励磁线圈，加热装置通过电磁感应在螺杆机筒内产生涡流加热筒中的物料，螺杆机筒外设有绝热层。冷却装置采用干湿混合式真空冷却方式，主要由定型套、过水板及水箱组成。定型套由及时、第二两个定型套组成，两个定型套之间连接过水板，第二定型套与水箱连接。经第二定型套真空降温的物料输送至水箱进一步冷却。这种干湿混合式真空冷却方式可以降低物料产生的内应力、降低牵引机的牵引力，以及由此引起的翘曲和冲击强度的下降。除了在挤出机内部设置冷却装置，还可以在挤出机设置可拆卸的应急冷却器。如双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜生产线中的共挤出机，其喂料段螺筒内部配置有冷却水通道，水通道环绕螺筒内部螺旋式走向。随着使用时间的推移，冷却水通道逐步被水垢堆积堵塞，最终堵塞不能通水。采用除垢剂泡浸、机械式通孔、高压水泵加压冲击等方法都不能对其疏通，使共挤出机喂料段温度过高无法控制，导致设备发生故障以及生产出废品。湛江包装材料企业有限公司开发了BOPP薄膜共挤出机应急冷却器，包括两个密封设置的半管状机体，机体内、外壁之间形成密封冷却水箱，内壁有导热填充层，其可以是氧化铝导热层、氧化镁导热层、氧化锌导热层、氮化铝导热层、氮化硼导热层或碳化硅导热层。两个机体的前端分别有连接嘴，通过带有螺纹连接嘴的U型管相连。两个机体的后端分别设有注水嘴和出水嘴，机体间活动安装锁紧装置。机体间有5~10mm的间隙。冷却器可牢固固定在共挤出机需冷却的部位，导热填充层可根据冷却部位形状的变化进行微调，U型连接管和锁紧装置拆装方便，在共挤出机温度急剧升高能及时降温冷却。
3.感应加热挤出机的进一步完善
为提高产品质量，对采用感应加热器的挤出机不断进行完善，如波纹管挤出机和使用熔融沉积工艺的3D打印挤出机。波纹管挤出机通常依靠螺杆旋转产生的压力及剪切力，使物料充分塑化均匀混合，并通过口模成型，最终生产出波纹管。制造过程中通常会出现波纹管成型困难，管材发脆，波纹管外壁毛糙、发泡，管壁不均匀等问题。杭州信宇塑业有限公司对波纹管挤出机进行了改进，改进后的其塑化装置含有电磁感应加热圈、机筒和螺杆。电磁感应加热圈安装于机筒上，机筒内有螺杆和真空除湿器，在距离进料口2/3位置处的侧壁上设有除湿孔，真空除湿器通过除湿孔与机筒相连。使用该挤出机生产波纹管时不仅易于成型，而且管壁均匀、光滑，同时波纹管结实耐用，抗折弯，耐断裂。使用熔融沉积工艺的3D打印机，是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机将材料挤出，在平面生成3D模型截面的形状，各截面再层层叠加，最终形成3D实体，是桌面级3D打印机主要采用的技术方案。使用熔融沉积工艺的3D打印机挤出机只能挤出低熔点的材料，无法打印非固定熔点的晶体和具有较高熔点金属。李乾勇研发了一种使用感应加热器的3D打印机挤出机，包括送料装置和感应加热器。送料装置在感应加热器上方，感应加热器主要由隔热罩、感应线圈、涡流感应加热块和打印机嘴组成。涡流感应加热块的内部设有贯通孔与打印机嘴相通，加热器中部有贯通孔的散热器，散热器的贯通孔与上底壁上的金属化孔相通。该3D打印机感应加热器的加热温度可以在几十度到上千度调控，既可以融化低熔点的材料，也可以融化高熔点的材料，并且材料丝的受热均匀，可完成对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、玻璃、金属的打印工作，满足多领域的应用。
4.电磁加热节能系统挤出机的改造实践
孔智勇根据挤出机加热分区实际状况，对电磁加热节能系统进行改造。该挤出机采用高密度聚乙烯为原料生产塑料管材。经改造，配备了3台电磁加热控制器，每台控制器分别加热3个分区，绕电感线圈加热。降温采用风冷方式，料筒外面包裹绝缘保温材料，风机采用专门支架支撑。改造后，预热3段升温，工艺温度可达185~220℃，总体预热时间较改造前缩短1/3。在预热阶段及生产阶段，各区温度波动都能控制在±2℃，温度精度明显提高。挤出机的产量约为330kg/h，每吨产品加热耗电经折算为16kW•h，较改造前节省64%；主机电流从改造前170A降低到150A，主电机的运行寿命延长。并且改造后料筒外壁温度由改造前的200℃降低到40~50℃，降低了环境温度。每年节约标煤30t，二氧化碳减排80t。某企业使用双锥螺杆挤塑机生产塑料管材，挤塑机螺筒全长约2200mm。改造前电阻加热，预热时间为3h，6个温区的温度为170~250℃，加热总功率为42.8kW。除1区外，其他5个温区采用风机降温。赵宗彬等采用两台15kW的电磁加热主机，加热总功率为30kW，安装在一台控制柜中。1区改造时在螺筒外包裹耐高温绝缘保温材料，并在保温材料上缠绕电感线圈；其他5个温区改造时在螺筒上安装绝缘板用作降温风道，并在绝缘板上缠绕电感线圈，绝缘板留有进风口和出风口并与风机连接。生产运行实践表明，挤塑机加热系统正常运行每小时耗电由改造前的电16.8kW•h下降到12.4kW•h，节能率26.2%。利用比例微积分调节器，实现温度波动控制在±1℃。
5.结语
塑料挤出机的节能可通过挤出系统、传动系统和加热冷却系统的节能来实现。在加热冷却系统中，通过电磁感应加热取代电阻加热是该系统节能的主要趋势。挤出机电磁感应加热改造后，系统耗电大幅下降，节能率超过20%。通过对加热冷却系统的进一步完善，塑料加工温度波动范围得以控制，使得塑料制品的质量进一步提高。