纸浆模塑湿压工艺热压定型热能能耗分析

王建民

（山东智沃机械设备有限公司，山东 滨州 256800）

摘要：在纸浆模塑湿压餐具生产过程中，热能消耗不仅是构成成本的三驾马车之一，也是生产成本要素构成中最为关键的一部分。一直以来，纸浆模塑湿压生产热压定型工序热能能耗高居不下，热能损耗大是纸浆模塑行业发展中亟需解决的重要课题，本文从热能损耗最大的热压干燥工序着手，重点分析热能损耗的原因及解决方案，通过减小和降低热能损耗达到节能降耗，最终达到降低生产成本，提高企业生产的竞争力的目的。

关键词：纸浆模塑 热压定型 热能能耗

随着全球环境保护意识的日益加强，能源的高效利用与可持续发展已成为各行各业关注的焦点。纸浆模塑生产作为传统制造业的一部分，其能源消耗大的痛点尤为突出。纸浆模塑生产普遍存在的高耗能、低产出、综合效率低等问题，不仅增加了企业的运营成本，同时制约了企业生产规模的扩张及市场竞争力的提升。因此，深入研究和探讨解决这些问题的办法，对于纸浆模塑行业健康稳定的发展有着重要的意义。

1 纸浆模塑湿压生产过程中热能损耗实验

1.1 热压定型设备类型及其特点

纸浆模塑热压定型设备根据台面尺寸、产品腔体结构、产品深度、原料类型要求等主要分为三类：气压型、液压型、伺服电机型。

1.1.1气压型。是指以使用压缩空气为主要动能的气缸带动活动板上下移动的机型，一般根据气缸材质的不同，所需求的压力在0.04~0.07MPa之间，该类设备多使用调压阀进行压力调节，以适应不同原料的生产需要。该类机型具有压力调节简单、使用干净卫生、便于维修等特点。

1.1.2液压型。是指使用液压油为主要动能的油压缸带动活动板上下移动的机型，该类液压缸需要液压站进行液压油的循环输送，也可根据需要调节压力和任意位置的行程。该类机型具有压力大、维修复杂等特点。

1.1.3伺服电机型。是采用偏心齿轮带动滑块曲柄上下往返运动的机型，该机型运行速度快，行程定位准确，可在行程的任意阶段实现任意方式的冲压生产，压力曲线可任意编程，湿胚水量较高。

1.2 压力与热能关系实验

1.2.1压力与热能关系实验条件

（1）产品类型：160纸浆餐刀，壁厚1mm；

（2）浆种及配比：80%漂白甘蔗浆+20%木浆，浆液浓度0.4%，指标如表1所示；

（3）湿胚含水量：45%和70%；

（4）助剂：0.8%大金防油剂+2.1%沧州恒瑞防水剂；

（5）加热方式：燃气油炉加热导热油，导热油通过加热板加热模具进行产品干燥；

（6）热压增压类型：40t气缸增压方式；

（7）压缩空气压力：分别设置为0.5MPa、0.6 MPa、0.7 MPa；

（7）设备台面：有效尺寸930×930mm；

（8）导热油温度：出油口260°C，回油口245°C；

（9）加热板温度：180~190°C。

表1 浆料指标要求

1.2.2实验步骤与结果

1.2.2.1实验一

第一步，将混合碎浆后的浆液浓度调成0.4%，注入到成型模具中，形成湿胚，湿胚含水量在70%±1%；

第二步，将湿胚转移到热压定型模具中进行热压干燥，将热压时间设置为40s，导热油温度设置为260℃。

第三步，将设备压力分别调至0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa依次重复第一步、第二步步骤后，分别测试含水量。

实验一数据见表2。

表2 实验一数据

实验结果表明，当热压定型干燥时间和导热油温度不变时，气压压力以0.1MPa依次增大，每增加0.1MPa对设备增加6~8kg压力，含水量依次降低，压力增大至0.7MPa时，水分含量降低比例明显，实验说明设备压力增大时可明显缩短热压时间减少热能的消耗。

1.2.2.2实验二

第一步，将混合碎浆后的浆液浓度调成0.4%，注入到成型模具中，形成湿胚，湿胚含水量在70%±1%；

第二步，将湿胚进行冷挤压，把多余水分进行二次挤压，降低至45%左右；

第三步，将湿胚转移到热压定型模具中进行热压干燥，将热压时间设置为40s；

第四步，将设备压力分别调至0.5MPa、0.6 MPa、0.7 MPa依次重复第二步、第三步步骤后，分别测试含水量。

实验二数据见表3。

表3 实验二数据

实验结果表明，当热压定型干燥时间和导热油温度不变时，气压压力以0.1MPa依次增大，含水量依次降低，每增加0.1MPa对设备增加6~8kg压力，压力增大至0.7MPa时，水分含量降低比例不再明显。当湿胚含水量较低时，设备压力增大到常压最大化时，水分降低比例不再明显，湿胚水分含量越大，变化越明显。实验表明，增加压力仍然可以缩短热压时间，减少热能的消耗。

1.2.2.3实验三

第一步，将混合碎浆后的浆液浓度调成0.4%，注入到成型模具中，形成湿胚，湿胚含水量在70%±1%；

第二步，将湿胚转移到热压定型模具中进行热压干燥，将热压时间设置为40s。

第三步，将设备压力调至0.7MPa不变。

第四步，将导热油出油温度分别设置为：180℃、200℃、220℃、240℃、260℃，依次重复第一步、第二步步骤，完成后分别测试含水量。

实验三数据见表4。

表4 实验三数据

实验结果表明，当热压干燥时间、湿胚含水量和压力不变，温度每提高20℃，湿胚含水率依次下降23%~57%不等，温度越高，水分下降越明显，热压干燥时间越短，热能消耗越小。

1.2.2.4实验四

第一步，将混合碎浆后的浆液浓度调成0.4%，注入到成型模具中，形成湿胚，湿胚含水量在70%±1%；

第二步，将湿胚转移到热压定型模具中进行热压干燥，将热压时间设置为40s；

第三步，将设备压力调至0.7MPa不变；

第四步，将导热油出油温度设置为260℃；

第五步，分别将160纸浆餐刀的厚度调整为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm进行热压干燥，分别测试含水量。

实验四数据见表5。

表5 实验四数据

综上实验说明，当热压时间不变、压力不变、导热油温度不变的情况下，产品厚度每增加0.1mm，产品含水量增加9.48%；产品壁厚值越高，含水量越高，干燥后水分含量下降比例越低。因此产品厚度也是影响热能损耗的重要因素。

2 热压定型生产过程热能损耗的原因分析

2.1隔热效果差损耗热能

纸浆模塑湿压餐具设备热压定型主要是将湿胚转移即时加热干燥的过程，制造设备的隔热效果将直接影响热能的损耗。目前纸浆模塑湿压餐具设备的隔热板材主要是岩棉板、树脂板、玻璃纤维、石英棉、硅酸盐等类型，在使用过程中对隔热板材的承压和耐温都有十分严格的要求。如果加热板上的热能传到模具以外的设备上，并长时间使用，不仅会造成设备的变形还会影响设备的生产效率，更会增加热能损失，从而造成生产成本增加。

2.2水汽排气不畅

当湿胚转移到热压定型模具中进行干燥时，模具上下合模后，部分水分被挤压后会通过模具底部的水孔、气孔排到加热板与设备上的水孔排出，另外一部分水分被高温气化后转化成水蒸气通过模具侧面的气孔、水孔排出。当设备运行时间较长时（因水质、温度不同，大约15~30天）浆液中残留的麦芽糖会经过高温后碳化，从而对气孔水孔产生堵塞，导致水汽排泄不通畅，增加了干燥时对热能的需求和损耗。

2.3加热导热效果差

加热板的加热形式一般分为电加热、导热油加热、蒸汽加热等三种。电加热是指使用电加热管进行加热的方式，该加热方式具有灵活性强、成本高、稳定性差的特点。导热油加热是通过电、高压蒸汽、燃气锅炉或生物质锅炉对密闭的导热油进行加热并持续循环使用的加热方式，目前使用导热油加热最为广泛，更适合规模化量产。蒸汽加热是指使用高压蒸汽直接接入加热进行加热的方式，该加热方式要求蒸汽压力大、温度高，高压管线安装费用高，使用过程容易出现爆管现象，但蒸汽的使用成本较低。

本文重点讨论使用最为广泛的导热油加热方式，该加热方式又分为：盘管式和深孔式两种。盘管式是指在铸铝的加热板内进行盘管铸埋，导热油通过盘管依次循环加热。盘管式密封性好，使用过程不易渗漏，但在长期使用过程中容易出现导热油结焦，从而影响了加热效果；通过数据统计表明，在导热油正常使用无明显结焦的情况下，自使用伊始前五年每年导热效果依次降低，分别为：4.6%、5.8%、6.1%、8.2%、9.7%。深孔式是指在铝板进行深孔连接，直接通过孔洞进行导热油循环，导热油直接作用于加热板，减少了盘管的阻隔，加热效果明显，使用过程容易出现油质渗漏。

2.4机台台面与模具变形导致受热不均匀。

纸浆模塑湿压餐具模具间隙在设计中误差大约为±0.1mm，如果因设备台面或模具平度误差超过0.5mm，在干燥模压过程中受力点会先后接触到模具中的产品，造成产品表面受力不均匀，从而造成部分产品在受压大小、温度高低、干燥快慢，干燥时间长短等有较大的差别。

3  减少和降低热能能耗的措施

3.1 降低湿胚含水量

3.1.1使用滤水性较好的原料

在湿压餐具生产过程中纤维原料的滤水性影响了生产效率和热能损耗，因此在原料选择上要尽量选择滤水性好的原料，这样就能在同等时间内降低湿胚含水量，降低干燥时间。

3.1.2型腔超过5cm以上的产品要采用冷挤工艺

对于型腔较深的产品，成型时抽吸时间长，吸滤较慢，干燥时热能的损耗较大，因此超过5cm型腔的产品可以采用冷模挤压工艺，在转移到热压干燥之前通过冷模的挤压再次降低湿胚含水量，将湿胚含水量降低至45~55%之间，这样可有效地提高干燥效率，降低热能消耗。

3.1.3合理碎浆和磨浆

在纸浆模塑湿压餐具生产过程中，会采用多浆种浆料混合制成，但各类浆料的叩解度不同，因此碎浆或磨浆的时间也应分类计时、分类碎浆，避免出现过度碎浆或磨浆后浆料堵网造成湿胚含水量高的问题，尤其是针对多次反复使用的边料，应控制在20%以内的添加量。

3.2 提高设备压力

实验证明，提高设备压力也可以降低热压时间和导热油温度，因此在生产过程中可根据产品型腔结构、模具间隙的大小、膨胀温度的需求情况，通过安装调压阀来调节设备的压力。在选型设备工作台面和压力时要根据产品类型的不同进行区别设置，对于超过1.2m的工作台面要使用双缸（或双曲臂）工作，可使压力作用更加均匀分布。

3.3 使用恒温加热干燥

温度不稳定也是消耗热能的重要因素，当热压干燥消耗热能较大时，模具回温往往受到影响，温度不稳定会造成热压时间延长，热能损耗增加。鉴于此情况，不管是导热油加热还是电加热都应该设置恒温阀，利用恒温阀控制导热油流量或电加热功率达到温度平稳的效果，以此来减少因温度波动较大造成的热能损失。

3.4 提高热阻隔，减少热能浪费

在纸浆模塑湿压餐具生产过程中，经常会出现由于模具隔热板材料不匹配，不适用高温湿热水汽环境的现象。设备运行6个月后，隔热板就起毛挤出、碳化分层、疏松破裂，更换模具时大幅变形等，导致模具压合失准，产品成型不精准，合格率大幅度降低。隔热材料在纸浆模塑设备中，作为模具的隔热保温之用必不可少，对节约能源起到15%~20%的关键作用，因此要做到选材准确、型号适合。通过多年生产过程中的经验积累，建议使用的隔热板指标数值如表6所示。

表6 建议使用的隔热板指标数值

4 结语

综上所述，纸浆模塑生产设备的能耗问题不仅关系到企业的经济效益，更影响着行业的可持续发展能力。为了降低能耗、提高产出效率和综合效率，相关行业企业需要联动加大技术研发投入，更新节能型生产设备，优化生产工艺流程，推动纸浆模塑行业向更加绿色、高效的方向发展。

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通讯作者：

姓名：王建民

单位：山东智沃机械设备有限公司

职务/职称：技术总工 制浆工程师

联系电话：18706601122

通讯地址：山东省滨州市沾化区经济开发区恒业二路78号

主要研究方向：纸浆模塑制浆和成定型生产工艺及纸浆模塑设备制造