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1、1电容器高红外快速固化技术摘要： 电电容器喷涂固化技术在国内外均采用热风循环加热方式（热风炉）。热风炉的优点是炉内温度均匀，工件适应性强；缺点是间接加热能耗高，设备热效率普遍低于 30，且由于有流动空气，固化过程易造成灰尘二次污染。 关键词：高红外加热机理 涂装快速固化的可能性 1 前言电容器喷涂固化技术在国内外均采用热风循环加热方式（热风炉）。热风炉的优点是炉内温度均匀，工件适应性强；缺点是间接加热能耗高，设备热效率普遍低于 30，且由于有流动空气，固化过程易造成灰尘二次污染。炉子长占地面积大，锦州电力电容器有限责任公司烘干炉 108m 长。七十年代出现过远红外固化炉，然而由于炉内温度均匀性
2、欠佳，几乎没能在涂装行业单独应用过，因此，远红外加热突出的优点“明显的节能效果”表现不出来。十多年来，本所致力于寻找一种既能保证被烘烤物体的温度均匀，又能节约能源，提高效率的新型粉末涂装固化炉。这就是下文所介绍的高能量、高密度、高强度、全波段、瞬间启动强力红外辐射加热技术(简称或俗称为高红外技术)的加热炉。这种高红外炉一出世，即受到国内外的关注。固化效率可以提高 240 倍，占地面积可以减少 90，炉体长度可以缩短 90，综合节能超过 50，设备的造价均为传统固化炉的 75。目前在美国、拉美已建起 35m 的炉子，代替目前的近百米烘炉。更有甚者过去要 20min 才完成的固化，高红外 30s
3、即可完成。本文简要介绍2高红外技术原理、技术装备、应用领域与实际效果。 2 高红外加热机理 远红外加热已为世人所熟悉。在发热体（元件）的辐射光谱与被加热体（工件）吸收光谱相匹配时，热效率最高，从而实现节能。传统的匹配吸收主要是指光谱波长的匹配，匹配率 Q 等于工件吸收光谱和元件辐射光谱能量之比。由普朗克定律可知，物体表面单位面积辐射或吸收的光谱能量（能流密度）可用下式表示： 式中:E辐射（或吸收）的能流密度(W/cm 2); 发热体元件光谱辐射系数; T元件的表面温度(); 1、2辐射(或吸收)的光谱范围(m); c1、c2常数对远红外加热，发热元件的全辐射能为 1=0，2=，上述公式可改写为
4、斯蒂芬波尔茨曼热辐射定律：式中：斯蒂芬波尔茨曼常数 5.6710-12W/cm2K对于厚度为 10100m 的漆膜而言，其吸收光谱为 1=2.5m，2=15m，最佳匹配波段 2.515m，假如元件发射被工件 100吸收，工件吸收能流密度为： 3当元件的表面温度 T=450（723K）时，工件对其吸收能量假定为 100，即元件辐射多少匹配波段的能量，工件就吸收多少，此时 Q=96；当元件的表面温度T=1000（1273K）时，计算表明 Q=69。单从波长匹配而言，远红外加热可见光愈少，匹配吸收愈好。然而可见光愈少则元件表面温度必然要低一些。如果表面温度太低，虽然匹配，其加热效果往往不好。例如厚度
5、不同的两块 SiC（碳化硅）板远红外加热元件，辐射面积 S1=S2,辐射系数 a1=a2,输入电功率 P1=P，测试结果表明，厚度薄的加热元件 T大于厚的元件，则 QQ，这一结果与匹配吸收理论相矛盾。 后来人们发现所谓匹配吸收，不但要波长匹配，更重要的是能量匹配。 设发热元件的电能辐射能转换效率为 W： 测出元件表面温度 T 和输入功率 P，用普朗克函数表就可计算出 Q、W 值远小于薄 SiC 元件，这与实践结果相一致。 匹配吸收理论如图 1 所示。 然而，物质的红外吸收特性是由红外光谱仪测量出来的，标准的红外图谱被测物质的厚度均为 110m，换言之，当被加热物质厚度在 110m 时，应用匹配
6、是4正确的。然而实践中，大多数被加热物质的厚度均不在 110m 之间，造成了人们对远红外加热“节电”与“不节电”的争论。随着物质厚度及外观特性的改变，其吸收光谱发生明显的变化。例如 PVC 薄膜（聚氯乙烯）厚度 =50m，一为透明，另一为黑色，作为 PVC，在 2.515m 有匹配吸收峰，应用理论设计，加热效率是最高的，反之加热效率不高。此时用将钢板可以熔化穿孔的红宝石激光器来加热透明 PVC 薄膜，无济于事。而黑色 PVC 薄膜情况就不同了，因为它既有红外吸收，又有可见光和近红外光吸收，匹配在何波段，无所适从。 另一个实践的例子是乘坐小汽车，窗玻璃将太阳光中的远红外（2.515m）几乎全部吸
7、收而透进来的辐射光均为可见和近红外，车内人均有灼热感，这与远红外的基本理论相矛盾。 综上所述，由于被加热物的厚度和外观特性差异，匹配吸收理论有严重的偏差，这对于采用高能量短波红外辐射技术留下了很大的发展研究空间。 另外，从传热学分析更易了解高红外技术机理。 自古以来，谁都知道， “大风”、 “曝晒”条件下，物料中水分干得快。然而自工业革命以来，人们设计的干燥炉，加热炉，往往都是单打一，要么热风加热，要么远红外加热。至今尚未出现过同时采用两种方式即“大风”+“暴晒”式的干燥炉。究其原因，工业流水线上的烘干炉，目的是为被加热工件提供一个温度均匀的环境。加热有传导、对流、辐射三种方式，孰能设计出温度
8、均匀的炉，就优先选择该种方式。流水线采用传导传热方式不可能。采用自然对流传热方式温度难5以均匀，采用辐射传热方式实现温度均匀技术难度很大。自然而然，人们优先采用了强迫对流热风循环加热方式。 本所在研究远红外加热时，找到了影响炉内温度均匀性的主要因素：炉内对流场的存在导致上下温度不均匀。目前已经完成了辐射均匀性的研究，并提出保证工件上下辐照均匀性的设计。但是由于对流场的计算十分复杂，无法从理论上求出烘干炉内对流场温度分布规律，因而也无法设计出温度均匀的远红外炉。如果目前的经验数据是够多的话，亦可以通过经验曲线设计出温度均匀的烘干炉。这一切目前尚无法实现。 进一步研究发现：如果排除对流场的影响，辐
9、照均匀，温度自然均匀，岂不美哉！因此人们想到了提高元件温度（辐射能呈 4 次方递增关系），加快工件运动速度（缩短干燥时间），缩短烘干炉的长度。提出了一种全新的加热方式高红外技术。!endif所谓高红外实质是：高能量、高密度、高强度、全波段、瞬间启动强力红外辐射加热技术，它可以导致物料的快速加热、脱水、干燥实现“大风”和“暴晒”兼而有之，这一技术简称或俗称为高红外。3 涂装快速固化的可能性 传统的漆膜固化工艺，历经百年，完全成熟。如果它是最佳工艺,那么“快速固化”是不可能的。它涉及到漆膜的表面质量。 从理论上，漆膜的固化在一定范围内是温度与时间的乘积。提高温度，可以缩短固化时间。从实践中分析，不
10、同质量、体积、表面积的工件，所采用的固化工艺参数基本上是一致的，例如粉末涂装 20min、180，具体分析每一种工件，其受热时6间与温度显然是不一样的，这为“快速”找到缺口。 上述分析表明，目前流行的涂料固化工艺参数是加权平均值，对不同的工件，固化时间的缩短是完全可能的。!endif有些涂装线，烘干炉冗长，长达六七十米，这是因为被加热的工件质量极不均匀，只有加长“均热”时间，才能保证表面温度均匀性。若采用不同的辐射场来加热质量不均匀的工件，必然会缩短炉子长度，实现“快速”固化。实践还表明，同样是 20min、180加热，采用箱式炉加热，固化情况良好。采用强力红外辐射（表面温度 180）则固化过
11、度，只有缩短时间才可以达到固化质量要求。这一切表明了涂层“快速”固化的可能性。但是人们总在担心固化质量。石化部白广才博士作了快速固化的分子结构分析，表明其质量可靠，所有指标均能达到或超过传统固化质量。 4 高红外发热元件 热元件、炉体、控制系统构成高红外加热炉。本文着重介绍高红外元件的设计与应用。高红外与远红外元件不同之点：元件启动时间不同（即从通电到恒温）高红外为713s，远红外为 515min；元件表面功率不同，高红外为 1525W/cm2,远红外为 25W/cm2。!endif高红外元件的光谱辐射系数见图 2，对乳白石英玻璃而言(高红外元件的辐射材料)从 2.515m，0.92，对透明石
12、英玻璃而言， 是个变量，24m， 是一个低峰值;415m，0.92。光谱特性曲线见图 3，光谱辐射通量密度见图 4，高红外元件热惯性见图 5。高红外元件光谱辐射能量解析如下：通电后高红外发热丝 W-Al（钨-铝）材料表面温度高达 2500(T=2773K)根据普朗克定律，可以计算出可见光及近红外光辐射能流密度为：与辐射总能流密度的比例为： 上述结果适用于透明石英高红外元件，因为对其 0.382.5m 光谱透过率高达95，可近似视为 100。由上式可知，其远红外辐射仅占辐射能量的 24。 对乳白石英而言 0.3815m 透过率低于 8，可近似视为 0，此时 W-Al 丝辐射的可见光和近红外光将被
13、乳白石英吸收转换为乳白石英的二次辐射。测出乳白石英表面温度为 T=450(T=723K),计算出可见光和近红外光的辐射能流密度：8相同条件下，乳白石英远红外发射率高达 96，乳白石英与透明石英远红外辐射能量相差：当被加热工件的吸收光谱在 2.515m 时，乳白石英明显优于透明石英的加热效果，反之，当被加热工件在 0.382.5m 有强烈吸收时，则透明石英元件的加热效果远远高于乳白石英。从光量子能量分析，可见光、近红外光子能量远大于远红外光子能量。在某些情况下，采用全波长高红外加热的优点是极其明显的。!endif工业加热采用全波段还有一个十分有力的好处：全波段加热，其穿透物料的能力各不相同，有益
14、于实现“由内及外”的加热，可以顺利排除水分，可以避免干燥过快引起表面龟裂。 !endif5 高红外设计方法及温度控制 高红外加热炉温度测量不宜采用常规热电偶或热电阻测温元件，通常可采用812m 的红外测温仪非接触测量，也可用 0.9 的铂薄膜测温元件直接测温。目前工业上应用的技术是：调试过程用红外测温仪测量工件表面温度，电热阻（或电偶）测出参比空间温度，待工艺参数确定后，用电偶参比调温与控温。 高红外炉辐射均匀性设计方法在远红外技术中均有详尽的介绍，不再叙述。!endif辐射传热关键技术是聚焦方式。平板元件如何将辐射能量集中到工件一方?管状元件如何将 360辐射的能量集中到 7090角度内?通
15、常的作法是采用绝热技术，9使平板元件的背面热量减少，管状元件采用不锈钢反射罩或光亮铝板反射罩，按下述公式设计之，即呈抛物线 Y2=2PX 反射系统。由于聚焦的作用，辐射能量与距离的平方呈反比并不完全适用。!endif对高红外而言，由于能量大温度高，铝反射罩无法应用，不锈钢反射罩易黑化形成准黑体材料失去反射作用。为了解决聚焦，国际上采用下列三种方式：炉壁采用高温纤维毡；陶瓷反射材料；镀膜玻璃反射材料。实践证明这些措施无法实现“聚焦”效果。本人发明了一种新的“聚焦”原理来实现聚焦（专利号ZL97212283.4）将管状元件圆心角 180240埋入绝热纤维中，另一半露在大气中,元件达到恒温时，管状元
16、件的表面温度发生了变化，比空气中元件恒温温度提高了 7090。采用红外辐射测温仪测试表明，与铝反射罩相比，传递的工件表面的辐射能仅相差 8左右，既解决了“聚焦”技术，又避免了铝反射罩因灰尘积聚导致反射下降的弊端，实现了“免维护”。此系统又称免维护高温纤维反射系统。从理论上讲，管状元件的电能辐射能转换效率 T 4S/P 高达80%85，不采取反射系统仅有 25%的能量直接到达工件表面，采用反射罩后，到达工件表面的能量可以提高 70%78%。上述新方式“聚焦”成功解决了这一技术难题。 高红外技术另一难题是负载电阻在常温下几乎等于零，因此启动时冲击电流很大。采用逐渐升压或分段升温、自动方式或手动方式解决。 6 应用和效益 (1)华北铝厂亲水涂层固化烘道，采用了美国 BGK 公司的高红外技术，生产效率1
