中国压铸杂志

如何提高模温机的传热效率

作者:admin 来源:原创 发表时间:2018-04-25
文:德宝压铸技术公司  黄奇德
 
引言
压铸过程中,为了保证产品质量和模具寿命,模具温度必须适当控制。模具在生产前需要预热,以减少开机的废品和模具过早龟裂;生产过程需要把模具温度保持在180-280 °C,以保证产品质量;因此热油模温机受到广泛使用。特别对大型汽车压铸件和薄壁件的生产,是必不可少的周边设备。

 

 
在压铸模具的加热过程里,循环系统中的导热油被热源(模温机的加热器)加热,热油透过强制对流把热量传递至模具内部管道,模具钢再把热传导至模具表面。在冷却过程里,热源(进入模具的铝液)从模具表面把热传递至冷却管道表面,管道内的油透过对流方式把热传递至模温机冷却器,利用水冷把热量带走。整个过程牵涉模温机的热交换,油的热传递,还有模具的热传导。
由于模温机耗电量大,一台2500T压铸生产线或需要200千瓦以上的模温机加热功率,这对生产车间的电容负荷是很大的需求。因此选择高效的模温机对提高生产效率和节省能耗有很大的意义。同时,要提高整个过程的热传递效率,模温机的设计和使用,导热油的性能,模具管道的设计都至关重要。本文将扼要介绍这些因素对热传递的影响,并如何达至最佳的效果。
 
热传递的基础知识
热传递通过三种分式进行:热传导(conduction)、热辐射(radiation)和热对流(convection)。在导热油循环系统里,热对流是主要的传热方式。热传递的基本公式如下:传递热量=热交换面积*热交换系数*固体表面和周围流体的温差
热交换系数和流体的流动速度呈线性关系。要从强制对流过程,达到有效的热传递,导热油需要在紊流状态。导热油能否在模温机发热管表面产生紊流,对导热油的传热效率很重要,模温机加热系统的设计对此影响很大。如果是在模具管径内的流动,速度最少需要在2-3m/s以上,来产生理想的紊流。以2m/s的流速计算,假设油管直径为10毫米,流量应在9.4升/分钟以上。如果管径为12毫米,流量需达到13.6升/分钟。
   

 
除了流量和管径外,热交换系数也和导热油的温度、密度、粘度、导热性和比热有关。在特定的使用温度下,不同导热油的热交换效率可以相差30%。
 
模温机的设计
热油模温机主要由泵、加热器、冷却器、管道、扩展油缸组成。模温机的加热器是模具预热的主要热源。要把热量迅速带到模具,首先模温机加热器要把热量快速传给导热油。这需要能提供大流量的高压泵。在模温机的加热过程中,热量从加热器传到循环流动的导热油。一般模温机的加热设计,是由管状加热器直接加热流过的油,热交换面积就是加热管表面。至于热交换系数,就要看整个加热管表面导热油的流动效果,是否能产生紊流效果,加热区有没有流动盲区。
  

 
如果用加热管直接把油加热,表面积受到很大局限。特别是大模具的预热,客户需要提高预热的加热功率。如果只是用Y-Δ三角星形接線變換来提高功率,或者多放几根发热管放在一起,只是增加了加热量,但热交换面积没有改变(或很少)。等于用大量柴枝来烧个小锅,效益不高。
奥百美模温机使用非直接加热方式。管式加热器铸入铝体,铝体的表面加工成螺纹状,加热的铝体再传热给表面的导热油。这样的设计和管式直接加热比较,铝铸体和导热油的接触面积会大很多。而且加热器是模块化设计,每个的加热功率为10千瓦,加大发热功率同时成倍增加热交换面积,充份发挥大功率的效益。
奥百美的另一设计特点,是在加热器的表面螺纹加工。除了提高接触面积外,更重要是规划了导热油的流动路径,油在加热器表面的流动速度更高,保证了热交换效率。
模温机加热部分必须有良好的隔热效果,才能降低热流失。奥百美使用定制的陶瓷纤维块,相对于只用纤维毡包裹的加热器,整体隔热性更好,而且更耐用,加热器保养后也无需更换隔热纤维。
 

 
导热油性能
导热油大致分两类:矿物油和合成油。矿物油是直链式碳氢化合物,碳素间会因受热或氧化而断裂,容易造成劣质化。矿物油适合用于250 °C以下的使用温度。合成油是苯的衍生物,热稳定性很高,不容易分解。适合用于250 °C以上的油使用温度。选用导热油最重要是了解它的使用温度(operating temperature)范围,和最高膜层温度(film temperature)。如果是寒冷地区,还要留意最低的流动温度。使用温度是指油的平均温度,即测量所得的温度,而膜层温度是指和热源接触的温度,很难测量。在正常情况-即高流动速度下,使用温度比膜层温度低10-30C。如果表层流动速度越低,膜层温度和使用温度差别越高。合成油价格比矿物油贵,但不容易劣质化,使用寿命较长。因此,如果生产情况需要较高的油温,如薄壁件,最好选用合成油。
导热油的膜层温度是评估热裂变的重要考虑。由于大部分的热裂变发生在加热器表面,如果油的使用温度不变,而油的流量降低,膜层温度就偏高,油容易劣化。因此,油在加热器表面的流动速度对油的寿命影响很大。

劣质化的导热油
 
导热油会随着使用时间而劣质化。劣化的速度与模温机设计和使用程序、操作温度、油的质量等有很大关系。导热油劣化有三个主要原因:热裂变(thermal cracking)、氧化(oxidation)和受污染(contamination)。导热油温度过高会产生热裂变;当油被加热至沸点,会产生高分子,高分子会聚合为泥渣状,高分子又分解成低分子和焦炭。低分子的沸点低,很快氧化。油泥和焦炭提高了油的粘度和密度,而且还会粘附在加热器、模具管壁或角落上。劣化油的粘度高了令流动速度降低,不利传热效率。积聚在加热器和管道表面的粘附物,传热性比金属差很多,变成隔离层,不单大幅降低传热效率,更会持续启动加热,令热裂变恶化。因此导热油的纯洁度和热稳定性非常重要。
如果模温机使用直接加热方式,导热油最容易在加热器表面产生热裂变。特别有些模温机设计,加热器表面流动速度不高,使用温度和膜层温度的差别大。如果使用温度偏高,导热油的表膜温度会更高,更容易热裂变。
油接触空气会氧化成有机酸。温度越高,氧化越快,特别是在90 °C以上,氧化速度非常快。氧化生成的有机酸会进行聚合,增加了流体粘度,使传热效率降低,也会沉淀在管壁上,情况和热裂变相似,令传热效率大幅下降。氧化主要发生在扩充油缸,如果发现油缸结垢或腐蚀,那有可能是氧化的征象。要避免氧化,扩充油缸内的覆盖油要保持在60 °C以下。
使用新模具或新设备,如果没有清洗干净,可能会残留金属削、焊渣等硬质污染物,其次是焊剂、保护漆、保护油等污染物,在高温操作下很快变质。
水也是外来污染物,在高温循环中会气化,造成气穴,危害泵浦。如果发现循环系统内有水分,必须尽快去除。如果有较多的水残留在系统内,可以让设备静止过夜,由于水比油密度高,让水分留至低位,然后打开低点的排出阀,排出水分。再把导热油缓慢加热至105 °C,同时打开扩展油缸的排气阀,让蒸汽逃逸。
导热油的劣化直接影响传热效率,最好能定期检测。最简单的检测方式:是在没有加热的状态下,开机运行约10分钟,从低位释出阀倒出小量导热油到透明杯,允许数分钟静止。如果发现有分离液相,那可能是有水渗进油内。如果发现有沉淀物,那可能是分解出的焦炭或其他杂质。再轻轻摇晃烧杯,如果比起新液变稠了,那就要考虑更换或找导热油供应商进一步化验。
高温的导热油有点燃的风险,是设备的安全隐患。导热油的闪点一般稍高于200°C,油会从管道接口泄露,或不良操作溅散在设备内和周围。小量的油泄露,遇空气迅速氧化,形成浅灰色烟气,问题不大。如果油泄露在隔热材料如石棉、纤维板等多孔结构物料,会渗入聚集。变质的导热油闪点降低,遇上油的温度不正常升高,就容易引起火灾。因此模温机要定时保养清理。
如果导热油变质了,应该尽快更换。更换前在导热油内添加3-5%的专用除垢剤,运行8-24小时,把油泥和氧化物带出来。此外,还要定期清洗模温机,包括加热器和冷却器表面,去除沉积的焦炭层和氧化物。
模具管道同样会沉积油垢或水垢,需要定期清洗模具。奥百美生产的模具管道清洗机,配合不同的洗洁液,有效洗去管道上的油垢或水垢。
 
改善模温机的使用方式
要提高导热油的寿命,正确的模温机操作方式很重要。首先要把管道内的水和气排除。管道内的空气不单会造成气穴,而且会把油氧化。
导热油的粘度对传热性能影响很大,粘度越低,流动性越好,热传递越快。导热油在50 °C以下时粘度偏高,流动性不好。在设备启动时,高粘度的导热油不能从加热器表面有效带走热量。如果在开机初期就启动加热,流动性不好的导热油接触高温的加热器表面,容易产生热裂变。油劣化得很快。因此,启动模温机升温必须按部就班,不能贪快。同样在关机时,应先关掉加热,然后继续循环让导热油降温,油温降到50 °C以下才停止泵运行,这样才能保障油回到油缸时不会因高温而过度氧化。在奥百美控制系统内,有内置的开机排气程序,冷启动时的阶段性加热程序,和关机时的油降温程序,保护设备和导热油。
 

 
模温机安装过滤器能够延长导热油和泵的使用寿命。好处是把外来的污染物,还有沉淀的焦炭过滤,保持导热油的洁净度。奥百美使用不锈钢体在线过滤器,能承受400 °C高温。滤芯特点是过滤面积大,达1500平方厘米,可以重复清洗使用。即使有一半面积堵塞了也只产生0.5巴的压力降。
 

 
模具管道设计
导热油要把热传递到模具型腔表面,可以分为两个过程,首先油把热量传到模具界面,再从管道表面传导至型腔表面。要提高传热效率,越长的管道布置和加大管径,都能增加热交换面积。
管道和模面的距离和传热效率有直接的关系。H13模具钢的导热系数不高(~28 W/m °C@200°C),要改善模具的导热,就要选用导热性高的模具材料(30-40 W/m °C),或选用热韌性更高的模具钢,这样能缩短管道的加工距离,提高传热效率。最新也有用特殊的随型冷却加工方式。虽然加工和材料成本贵很多,但提高传热效果可以缩短生产周期。
 
 

 
模温机冷却
要提高模温机的冷却效率,同样需要有大的热交换面积和热交换系数。奥百美模温机的冷却器和加热器的设计一样,是把整个水冷的不锈钢管路铸入铝体,铝体表面加工成螺纹状,提高了热交换面积,而且油在螺纹上导向性高速流动,提高传热效率。大口径流量的水管把热量迅速带走。
 

 
热水模温机
压铸生产过程中,除了冷启动和重启时模具需要加热外,其实大部分时间是在冷却模具。因此欧洲压铸厂在生产大型压铸件如发动机缸体或变速箱体等,现在都改用热水模温机。热水机利用高压封闭循环系统,令水的沸点提高至160-180°C。虽然相对于热油,水的使用温度较低,但水的传热效率更高,而且用电量低,无需耗油,大幅缩短了生产周期。对很多铝铸件生产还是适合的。使用热水机时,要留意热水在设备上的结垢,还有高温水气化所造成的设备问题。由于系统压力高(高温时10-15巴),对模具管道的密封性高求也提高了。
奥百美的热水模温机在欧洲有很多压铸用户。主要因为设备的可靠性高。它的系统压力随着使用温度降低而调低,无需长期处于最高压力状态,令设备更耐用。在设计上也能抑制温度升高时的气化问题。同时设备对结水垢的宽容性较大。欧洲用户包括皮尔博格、乔治费歇尔、宝马汽车、奥迪汽车、标致汽车、麦格纳等。
除了热水模温机外,奥百美还生产多回路热水点冷机。以热水对型芯进行预热和冷却,提高型芯的寿命和铸件质量。
 
总结
油的热裂和氧化会在界面沉积出隔热层,降低了模温机和模具的传热效率。因此要维持模温机和模具在良好的传热效果,保持热交换界面的清洁很重要。同时要尽量提高导热油在界面的流动速度,和避免导热油太快劣化。良好的模温机设计和适当操作,能保持导热油的性能和延长其寿命。
大部分模温机都使用直接加热方式,设计不当会影响传热效果。特别是经过长时间使用后,导热油快速劣化,致使整体传热效率大幅下降。奥百美模温机独特的设计,不单能提高整体加热效率和导热油的寿命,更能提高机器使用率、节省能耗、减少油耗和废油处理成本。使用过奥百美模温机的用户都有类似的经验,特别是使用时间长了,加热速度比其他模温机快,而且无需更换导热油(只需添加)。单油路使用20KW加热功率就能达到理想的效果,无需购买太大的加热功率。
 
 
 
 
 
 
 
 
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