電磁加熱模壓輥在激光防偽印刷的應(yīng)用

背景

鐳射模壓機是激光防偽印刷領(lǐng)域最重要的設(shè)備，其工作原理是：在高溫、高壓的條件下，將版輥上的鐳射模壓版上的信息轉(zhuǎn)移到薄膜基材或?qū)Ｓ猛苛仙?，形成高低不平、大小不一的光折射點，光照后不同波長的漫反射會使鐳射膜呈現(xiàn)彩虹光芒。壓鐳射圖文時，要掌握好溫度、速度、張力三個要素。如果這三個要素控制不夠精確，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的色差、黑斑、白斑、水紋、褶皺、云彩花、麻點鐳射圖文和光柱變形以及張力不穩(wěn)定等質(zhì)量缺陷。這些缺陷會給后續(xù)的印刷帶來麻煩，甚至?xí)硅D射膜無法投入到下道工序的生產(chǎn)。

上海綠新包裝材料科技股份有限公司是國內(nèi)鐳射模壓行業(yè)的龍頭企業(yè)之一，公司的單版鐳射模壓機為CZ-RY系列，均由北京一家設(shè)備公司提供，用于生產(chǎn)PET鐳射轉(zhuǎn)移膜以及BOPP鐳射復(fù)合膜。該模壓機由放卷段、預(yù)熱段、牽引段和收卷段四部分組成。在生產(chǎn)過程中溫度、速度、張力三個要素中，速度和張力調(diào)整好了以后相對比較穩(wěn)定。預(yù)熱輥和版輥采用導(dǎo)熱油循環(huán)加熱的方式，這種加熱方式原理簡單，制造成本較低，但是存在旋轉(zhuǎn)接頭容易泄漏、導(dǎo)熱油易于結(jié)焦、電加熱管更換頻繁等缺點，在長期使用后輥表面溫度不均勻，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來較大影響。同時，由于導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)管路損失大，能耗高企，造成生產(chǎn)成本高。為此，公司考慮采用更為先進(jìn)的電磁加熱輥來替代原有導(dǎo)熱油加熱輥。

現(xiàn)有技術(shù)缺陷：

1.導(dǎo)熱油加熱版輥存在的缺陷和弊端

目前，國內(nèi)鐳射模壓機中普遍采用的版輥（包括預(yù)熱輥）基本采用導(dǎo)熱油加熱方式，由一臺外置油溫機將導(dǎo)熱油加熱到200℃左右，然后由高溫油泵經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭輸送到旋轉(zhuǎn)的版輥中，再通過管道回流到油溫機內(nèi)。這樣一套系統(tǒng)存在著諸多缺陷和弊端：

1) 污染嚴(yán)重：導(dǎo)熱油在加熱過程中，會持續(xù)向空氣中揮發(fā)，同時旋轉(zhuǎn)接頭在使用一段時間后，會出現(xiàn)導(dǎo)熱油泄漏的問題，不但污染車間空氣和地面環(huán)境，而且也會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時易燃的導(dǎo)熱油介質(zhì)流出也容易引發(fā)火災(zāi)等不安全因素。

2) 溫控精度低：導(dǎo)熱油在長期使用后容易氧化結(jié)焦，導(dǎo)致輥體受熱不均勻，輥面溫差大，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)。

3) 耗能高企：導(dǎo)熱油的加熱需由電熱管來完成，在加熱后進(jìn)入輥體內(nèi)部循環(huán)，期間需要經(jīng)過一段輸油管路，熱量在此過程中向空氣中散發(fā)造成大量散失，同時，為保證導(dǎo)熱油的循環(huán)，需要使用2~3kW的油泵不間斷工作，其能耗也相當(dāng)可觀。

4) 維修、維護工作量大：導(dǎo)熱油在長期的高溫工作下，極易產(chǎn)生積碳并在輥壁、油芯、電熱管、油箱等處產(chǎn)生結(jié)垢，這就需要定期對導(dǎo)熱油進(jìn)行更換并清洗輥壁和油路、油芯、電熱管和油箱。此外，旋轉(zhuǎn)接頭、密封件、高溫油泵、加熱器、高溫閥門等配件亦需定期檢修和更換，由此產(chǎn)生的維修、維護費用不菲，同時造成巨大的停工損失和人力損失。

解決方案：

采用電磁感應(yīng)加熱模壓輥來替代現(xiàn)有導(dǎo)熱油加熱輥。

1.電磁感應(yīng)加熱的基本原理

電磁感應(yīng)加熱的基本原理圖如下：

由上圖可見，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化為金屬內(nèi)部的熱能。感應(yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。另外需要指出的是，感應(yīng)加熱的原理與與一般電氣設(shè)備中產(chǎn)生渦流以及渦流引起發(fā)熱的原理是相同的，不同的是在一般電氣設(shè)備中渦流是有害的，而感應(yīng)加熱卻正是利用渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱的。

這樣，感應(yīng)電動勢在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，使金屬加熱。其熱量與電流電阻的關(guān)系為:

Q＝∑I²Rt

式中，Q為電流通過電阻產(chǎn)生的熱量(J)；I為電流有效值(A)；R為工件的等效電阻()；t為工件通電的時間(s)。

由上面兩式可以看出，感應(yīng)電動勢和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場強弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，因此提高感應(yīng)線圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大；同樣提高工作頻率也會使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使金屬升溫更快。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。

感應(yīng)加熱的整個過程歸納描述成這樣：首先通過感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化成磁能，交變的磁場產(chǎn)生同頻率交變的電動勢交變電動勢 作用于金屬物體后，形成閉合回路，在金屬表面產(chǎn)生電流---渦流，實現(xiàn)了從磁能到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過導(dǎo)磁性金屬材料時會在金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使金屬材料本身自行高速發(fā)熱，從而達(dá)到直接加熱金屬物體的目的。

電磁感應(yīng)加熱輥技術(shù)簡介

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)具有能耗低、熱效率高、溫度提升快、溫度控制精度高等諸多優(yōu)點，因此在許多行業(yè)被廣泛應(yīng)用。在歐、美、日等發(fā)達(dá)國家“電磁感應(yīng)加熱技術(shù)”被稱為綠色能源，由政府大力推廣而得到了長足的發(fā)展。上海市政府也曾將大功率電磁加熱技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用作為政府鼓勵的節(jié)能項目加以推廣?，F(xiàn)在，電磁加熱技術(shù)在注塑機、擠出機、吹膜機、造粒機等領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，并已經(jīng)得到了較為廣泛的認(rèn)可，但電磁感應(yīng)加熱輥的制造技術(shù)由于涉及多個學(xué)科，存在諸多的技術(shù)難關(guān)，到目前為止，全世界只有為數(shù)不多的幾家公司掌握了該項技術(shù)。

電磁感應(yīng)加熱輥主要應(yīng)用于醫(yī)藥、包裝、印刷、紡織、非織造等領(lǐng)域。這種技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)導(dǎo)熱油加熱方式，取消了導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)所需的油溫機、油泵、循環(huán)管路、旋轉(zhuǎn)接頭等部件，只需要一個設(shè)計合理的電路將工頻交流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，并傳輸?shù)捷侒w內(nèi)部預(yù)先鋪設(shè)好的高頻感應(yīng)線圈上，在線圈附近產(chǎn)生高頻交變磁場，將輥體內(nèi)表面感應(yīng)發(fā)熱，從而達(dá)到加熱輥體的目的。大量實踐證明，以無紡布加工所用的直徑Ф400*1800熱壓輥為例，每小時實際用電量大約只有8kW.h左右，遠(yuǎn)低于導(dǎo)熱油系統(tǒng)每小時20kW.h以上的用電量，節(jié)能效果明顯。綜合來看，和導(dǎo)熱油加熱輥相比，電磁感應(yīng)加熱輥有著無可比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 輥面溫度均勻：由于采用即時加熱方式以及高端的溫控手段，電磁感應(yīng)加熱輥整個輥體表面溫度能控制在±1.0~2.0℃之內(nèi)，在要求高的場所能控制在±0.5℃之內(nèi)，可以從根本上改變因?qū)嵊脱趸Y(jié)焦造成的輥面溫差大、溫度滯后的問題，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

2) 清潔環(huán)保：電磁感應(yīng)加熱輥不再使用導(dǎo)熱油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，從根本上杜絕了導(dǎo)熱油揮發(fā)和泄漏造成的環(huán)境污染與安全隱患，生產(chǎn)環(huán)境更清潔，也避免了產(chǎn)品表面被油蒸氣污染的可能。

3) 高效節(jié)能：正常情況下，電磁感應(yīng)加熱輥的裝配功率較傳統(tǒng)導(dǎo)熱油加熱器相比要降低30%以上，同時，其熱利用效率更高，可在最大程度上減少熱量散失，能耗通?？山档?0%-50%以上。而熱油循環(huán)泵產(chǎn)生的所有能耗也將全部節(jié)省下來，綜合節(jié)能率往往高達(dá)50%以上。

4) 操作和維護簡單：電磁感應(yīng)加熱輥不再需要外置加熱器、復(fù)雜的油路管路、接頭、油泵等一系列配件，故障點大大減少。運行狀況完全通過人機操作界面查看和調(diào)整，同時，可節(jié)省不菲的更換維護費用。多個行業(yè)的實踐證明，電磁感應(yīng)加熱輥平均無故障時間大于10000小時。

電磁感應(yīng)加熱版輥的實際應(yīng)用

模壓機是上海綠新公司能耗最大的設(shè)備，一臺單版模壓機的總裝機功率約40kW，而一臺無版縫的模壓機總裝機功率更是達(dá)到80kW左右。經(jīng)統(tǒng)計分析，模壓機大部分的用電量都消耗在版輥的油加熱器上。與此同時，由于導(dǎo)熱油的跑、冒、滴、漏、積碳等造成的維修、維護費用高昂，由此也造成了巨大的停工損失、產(chǎn)品質(zhì)量損失和大量的人工損失。

在經(jīng)過詳細(xì)的市場調(diào)研后，上海綠新公司找到了目前國內(nèi)唯一一家能制造電磁感應(yīng)加熱輥的上海聯(lián)凈電子科技有限公司。雙方對綠新公司現(xiàn)有模壓機進(jìn)行認(rèn)真分析后，決定對3#單版模壓機進(jìn)行改裝實驗，同時以與之完全一樣的8#模壓機在同樣的工況下進(jìn)行對比測試。兩臺模壓機同時安裝三相電度表和計時器（有斷電累計計時功能），同時采集用電數(shù)據(jù)。

2011年4月28日，國內(nèi)首支電磁感應(yīng)版輥在上海綠新公司成功安裝并投入運行。經(jīng)現(xiàn)場測試，電磁感應(yīng)加熱版輥工作時整個輥面溫度控制在±1.5℃，其中工作區(qū)的溫差范圍為±1.0℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原有導(dǎo)熱油加熱輥±5℃的溫差。電磁感應(yīng)加熱版輥的升溫速度也很快，從常溫升至180℃僅需約20分鐘，而原有導(dǎo)熱油加熱版輥則需要1個多小時。

經(jīng)品質(zhì)部檢驗，產(chǎn)品完全達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求，連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量十分穩(wěn)定。由于輥面溫度均勻，完全杜絕了原有加熱方式因輥面溫差大而導(dǎo)致的膜兩側(cè)拉伸不一致的質(zhì)量問題。

2011年6月，3#和8#模壓機在完全一致的工況下，上海綠新公司技術(shù)人員對兩臺機器版輥的用電情況進(jìn)行了統(tǒng)計，數(shù)據(jù)如下：

注：本次數(shù)據(jù)采集，用到1、電子式三相四線電能表，（型號：DTS156;上海凱達(dá)利儀表有限公司，2個）；2、電流互感器（150／5六個，上海人民電器廠）；3、計時器2個（福建紅潤智能儀表廠，型號：XC80，具有斷電自動累加記憶功能）。

數(shù)據(jù)采集全部來自上海綠新模壓車間，時間截止到2011年6月27日。

從上述數(shù)據(jù)中可以計算出：

8#模壓機每小時的平均用電量：

（300+2030+900+1,560+420）/（20+107+62+102+30）=16.23kW.h

3#模壓機每小時的平均用電量：

（90+360+240+210+210）/（19+70+47+42+42）=5.05kW.h

每小時的節(jié)電量：

16.23-5.05＝11.18kW.h

平均節(jié)電率：

11.18÷16.23＝68.88%

由此可見，上海綠新在模壓機上使用電磁感應(yīng)加熱版輥比導(dǎo)熱油加熱版輥每小時節(jié)電11.18kW.h，節(jié)電量高達(dá)68.88%。

以每臺模壓機每年工作6,000小時計算，則全年節(jié)電量可達(dá)到67,080kW.h。此外，由于能量利用率提高，往環(huán)境中排放的熱量大大減少，模壓機所在廠房空調(diào)系統(tǒng)的能耗也大為降低——理論上，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)電量至少與模壓機版輥的節(jié)電量相當(dāng)。也就是說，按每年工作6,000小時計算，一根電磁感應(yīng)加熱版輥年綜合節(jié)電量可高達(dá)13.4萬kW.h以上。如果再算上降低的維修費用，有效工作時間延長帶來的收益等，電磁感應(yīng)加熱輥的經(jīng)濟效益和社會效益都十分可觀。

產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)概要：

1.單版電磁模壓輥：

2.無版電磁縫模壓輥一般參數(shù)：

3.硬壓電磁版輥參數(shù)：