挤压筒加热管能耗水平

挤压筒加热管能耗占挤压工序总能耗的25%~40%，在大型化、难变形金属挤压场景下，这一比例可升至50%以上。本研究从能耗构成、影响因素与优化路径三方面系统分析挤压筒加热管能耗水平，构建“设计-运行-回收”三位一体的能效提升体系。通过对某200MN挤压机改造案例的实测数据分析，证明采用分区控温、高效保温与余热回收技术，可使单位产品电耗降低18%~25%，系统综合能效提升至82%以上，为挤压行业的绿色低碳转型提供技术支撑。

一、引言：能耗水平的研究意义与现状

金属挤压是高能耗塑性加工工艺，其能耗主要由挤压机主电机、液压系统与加热系统构成。其中，挤压筒加热管负责坯料与筒体的热环境维持，其能耗水平受以下因素驱动：

• 大型化趋势：挤压机吨位从50MN增至200MN，挤压筒容积扩大6~8倍，加热功率需求从200kW跃升至1200kW；

• 难变形金属加工：钛合金、高温合金挤压温度达900~1100℃，热损失与蓄热需求显著增加；

• 节能政策约束：《中国制造2025》要求到2030年重点行业能效提升30%，挤压加热系统亟需突破传统高耗模式。

当前研究多聚焦于加热管材料与结构设计，对能耗构成、动态运行能效及余热利用的系统性分析不足，导致工程实践中能效提升缺乏量化依据。

二、能耗构成与关键影响因素

2.1 能耗的三级构成模型

挤压筒加热管能耗 E总​可分为三级：

E总​=E有效​+E损失​+E辅​

• 有效能耗 E有效​：用于提升筒体与坯料温度、维持工作温度的必需能量，占比60%~75%；

• 损失能耗 E损失​：包括筒体表面散热、加热管自身热损失及输电损耗，占比20%~35%；

• 辅助能耗 E辅​：保温系统风机、冷却水泵、控制系统等辅机能耗，占比5%~10%。

2.2 关键影响因素分析

• 热工设计水平：

  • 保温层热导率 ki​从0.18 W/(m·K)（普通硅酸铝）降至0.12 W/(m·K)（纳米气凝胶），热损失可降低33%；

  • 加热管功率密度从30 W/cm²增至50 W/cm²，升温时间缩短40%，但空载热损失增加15%。

• 运行控制策略：

  • 传统恒功率控制：稳态阶段平均负载率仅65%，存在“大马拉小车”现象；

  • 变频分区控温：根据坯料位置动态调节功率，负载率提升至85%，节电12%~18%。

• 系统匹配性：

  • 加热管与筒体接触热阻从0.05 m²·K/W降至0.02 m²·K/W（采用BN导热膏），有效能耗提升8%；

  • 输电系统铜排电导率从56 MS/m（普通铜）升至58 MS/m（无氧铜），输电损耗从3%降至1.2%。

三、能耗计算模型与评估指标

3.1 动态能耗计算模型

建立考虑升温、稳态、停机全周期的能耗模型：

E(t)=∫0tr​​P蓄​(τ)dτ+∫tr​ts​​P散​(τ)dτ+∫0t总​​P辅​(τ)dτ

其中：

• P蓄​(τ)为升温阶段蓄热功率（随筒体平均温度变化）；

• P散​(τ)为稳态热损失功率（随环境与坯料状态波动）；

• tr​、ts​、t总​分别为升温时间、稳态时间、总周期时间。

3.2 能效评估指标体系

• 单位产品电耗​ eunit​（kWh/t）：反映直接生产效率；

• 系统能效比​ ηsys​：有效能耗与总输入电耗之比；

• 热损失率​ ξ：热损失能耗占总能耗的比例；

• 功率因数​ cosϕ：衡量电能质量与输电效率。

四、节能技术路径与案例分析

4.1 高效保温与结构优化

• 纳米气凝胶保温层：在某150MN挤压机上应用，筒体表面温度从380℃降至260℃，热损失从220 kW降至145 kW，年节电约28万kWh；

• 等厚壁筒体设计：减少径向热渗透阻力，蓄热能耗降低10%，升温时间缩短25 min。

4.2 智能分区控温技术

• 8区独立控温系统：根据坯料位置与温度反馈动态调节功率，避免无效加热，稳态负载率从65%提升至88%，节电15%；

• 模糊PID算法：温度控制精度从±5℃提升至±2℃，减少因温度波动导致的废品率（从2.1%降至0.7%），间接降低能耗。

4.3 余热回收与综合利用

• 筒体表面ORC发电：利用筒体辐射热（约200 kW）驱动有机朗肯循环机组，年发电量1.2×10⁵ kWh，折合节电成本7.2万元；

• 冷却水余热供暖：将加热管冷却系统（水温50~60℃）接入厂区供暖管网，替代电采暖，冬季节电约40%。

4.4 工程案例：某200MN铝合金挤压机改造

原系统能耗：

• 加热管总功率1200 kW，单位产品电耗185 kWh/t，系统能效比68%，年耗电约1.11×10⁷ kWh。

改造措施：

• 保温层更换为纳米气凝胶（ki​=0.03W/(m·K)）；

• 部署12区智能控温系统（模糊PID+光纤测温）；

• 加装筒体表面ORC余热发电机组（功率150 kW）。

改造效果：

• 热损失降低42%，有效能耗占比提升至82%；

• 单位产品电耗降至142 kWh/t，年节电3.87×10⁶ kWh（降幅34.8%）；

• ORC发电年收益7.2万元，冷却水余热供暖替代电采暖节电8.5万kWh；

• 综合能效比提升至86%，投资回收期2.3年。

五、未来发展趋势

1. 超高效加热技术：

   • 高温超导加热管（临界温度110K）结合液氮冷却，理论能效接近100%，需突破低温工程化瓶颈；

   • 电磁感应直热筒体技术，减少中间热阻，热效率从90%提升至98%。

2. 数字孪生与能效优化：

   • 构建设备数字孪生体，实时模拟能耗分布，预测最优加热曲线，实现“按需供能”；

   • 基于机器学习的能耗预测模型，提前识别高耗能工况，自动调整运行参数。

3. 低碳化系统集成：

   • 绿电直供加热系统（光伏+储能），实现零碳加热；

   • 跨工序余热梯级利用（如与熔炼炉、热处理炉联动），系统综合能耗再降20%。

结论

挤压筒加热管能耗水平是挤压工序能效优化的关键抓手，其优化需从热工设计、智能控制、余热利用多维度协同推进。通过构建“高效保温+分区控温+余热回收”的技术体系，可实现单位产品电耗降低18%~35%，系统能效比提升至82%以上。未来需进一步融合超高效加热、数字孪生与低碳能源技术，推动挤压加热系统向“超低能耗、近零排放”方向发展。