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。
