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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
2、均匀性欠佳，几乎没能在涂装行业单独过，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。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即可完成。
3、本文简要介绍高红外技术原理、技 术装备、应用领域与实际效果。?2 高高红红外加外加热热机理机理? 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
4、1=0，2=，上述公式可改写为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2.515 m，假如元件发射被工件100吸收，工件吸收能流密度为：?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，表明Q=6 9。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
5、不好。例如厚度不同的两块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11 0m，换言之，当被加热物质厚度在110m时，应用匹配是正确的。然而实践中
6、，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）几乎全部吸收而透进 来的辐射光均为可见和近红外
7、，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空间。?另外，从传热学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，孰能设计出温度均匀的炉，就优先选择该种方式。流水线采用传导传
8、热方式 不可能。采用对流传热方式温度难以均匀，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，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，辐照均匀，温度自然均匀，岂不美哉！因此人们想到了
9、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。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涂装快速固化的可能性?传统传统的漆膜固化工的漆膜固化工艺艺，历经历经百年，完全成熟。如果它是最佳工百年，完全成熟。如果它是最佳工艺艺,那么那么“快速固化快速固化”是不可能的。它是不可能的。它 涉及到漆膜的表面涉及到漆膜的表面质质量。量。?从上，漆膜的固化在一定范从上
10、，漆膜的固化在一定范围围内是温度与内是温度与时间时间的乘的乘积积。提高温度，可以。提高温度，可以缩缩短固化短固化时间时间。从。从实实践中，践中， 不同不同质质量、体量、体积积、表面、表面积积的工件，所采用的固化工的工件，所采用的固化工艺艺参数基本上是一致的，例如粉末涂装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，具体分析每一种工件，其受热时间热时间与温度与温度显显然是不一然是不一样样的，的，这为这为“快速快速”找到缺口。找到缺口。?上述分析表明，流行的涂料固化工上述分析表明，流行的涂料固化工艺艺参数是加参数是加权权平均平均值值，对对不同的工件，固化不同的工件
11、，固化时间时间的的缩缩短是完全可短是完全可 能的。能的。有些涂装有些涂装线线，烘干炉冗，烘干炉冗长长，长长达六七十米，达六七十米，这这是因是因为为被加被加热热的工件的工件质质量极不均匀，只有加量极不均匀，只有加长长“均均热热 ”时间时间，才能保，才能保证证表面温度均匀性。若采用不同的表面温度均匀性。若采用不同的辐辐射射场场来加来加热质热质量不均匀的工件，必然会量不均匀的工件，必然会缩缩短炉短炉 子子长长度，度，实现实现“快速快速”固化。固化。实实践践还还表明，同表明，同样样是是20min20min、180180加加热热，采用箱式炉加，采用箱式炉加热热，固化情况良好。采用，固化情况良好。采用强强
12、力力红红外外辐辐射（表射（表 面温度面温度180180）则则固化固化过过度，只有度，只有缩缩短短时间时间才可以达到固化才可以达到固化质质量要求。量要求。这这一切表明了涂一切表明了涂层层“快速快速”固化的可能性。但是人固化的可能性。但是人们总们总在担心固化在担心固化质质量。石化部白广才博士作了快量。石化部白广才博士作了快 速固化的分子速固化的分子结结构分析，表明其构分析，表明其质质量可靠，所有指量可靠，所有指标标均能达到或超均能达到或超过传统过传统固化固化质质量。量。? ? 4 高高红红外外发热发热元件元件?热热元件、炉体、控制系元件、炉体、控制系统统构成高构成高红红外加外加热热炉。本文着重介炉
13、。本文着重介绍绍高高红红外元件的外元件的设计设计与。与。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13s，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。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，
14、可以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：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
15、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。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。? 5 高高红红外外设计设计及温度控制及温度控制?高高红红外加外加热热炉温度炉温度测测量不宜采用常量不宜采用常规热电规热电偶或偶或热电热电阻阻测测温元件，通常可采用温元件，通常可采用812m的的红红外外测测温温仪仪 非接触非接触测测
16、量，也可用量，也可用0.9的的铂铂薄膜薄膜测测温元件直接温元件直接测测温。目前工温。目前工业业上上应应用的技用的技术术是：是：调试过调试过程用程用 红红外外测测温温仪测仪测量工件表面温度，量工件表面温度，电热电热阻（或阻（或电电偶）偶）测测出参比空出参比空间间温度，待工温度，待工艺艺参数确定后，用参数确定后，用电电偶偶 参比参比调调温与控温。温与控温。?高高红红外炉外炉辐辐射均匀性射均匀性设计设计方法在方法在远红远红外技外技术术中均有中均有详详尽的介尽的介绍绍，不再叙述。，不再叙述。辐辐射射传热传热关关键键技技术术是聚焦方式。平板元件如何将是聚焦方式。平板元件如何将辐辐射能量集中到工件一方射能量集中到工件一方?管状元件如何将管状元件如何将360辐辐 射的能量集中到射的能量集中到7090
