1、電容器高紅外快速固化    摘要： 電電容器噴涂固化技術在國內外均采用熱風循環加熱方式（熱風爐）。熱風爐的優點是爐內溫度均勻，工件適應性強；缺點是間接加熱能耗高，設備熱效率普遍低于30，且由于有流動空氣，固化過程易造成灰塵二次污染。 關鍵詞：高紅外加熱機理 涂裝快速固化的可能性   1  前言電容器噴涂固化技術在國內外均采用熱風循環加熱方式（熱風爐）。熱風爐的優點是爐內溫度均勻，工件適應性強；缺點是間接加熱能耗高，設備熱效率普遍低于30，且由于有流動空氣，固化過程易造成灰塵二次污染。爐子長占地面積大，錦州電力電容器有限責任公司烘干爐1

2、08m長。七十年代出現過遠紅外固化爐，然而由于爐內溫度均勻性欠佳，幾乎沒能在涂裝行業單獨應用過，因此，遠紅外加熱突出的優點“明顯的節能效果”表現不出來。?十多年來，本所致力于尋找一種既能保證被烘烤物體的溫度均勻，又能節約能源，提高效率的新型粉末涂裝固化爐。這就是下文所介紹的高能量、高密度、高強度、全波段、瞬間啟動強力紅外輻射加熱技術(簡稱或俗稱為高紅外技術)的加熱爐。這種高紅外爐一出世，即受到國內外的關注。固化效率可以提高240倍，占地面積可以減少90，爐體長度可以縮短90，綜合節能超過50，設備的造價均為傳統固化爐的75。目前在美國、拉美已建起35m的爐子，代替目前的近百米烘爐。更有甚者過去

3、要20min才完成的固化，高紅外30s即可完成。本文簡要介紹高紅外技術原理、技術裝備、應用領域與實際效果。?2  高紅外加熱機理?遠紅外加熱已為世人所熟悉。在發熱體（元件）的輻射光譜與被加熱體（工件）吸收光譜相匹配時，熱效率最高，從而實現節能。傳統的匹配吸收主要是指光譜波長的匹配，匹配率q等于工件吸收光譜和元件輻射光譜能量之比。由普朗克定律可知，物體表面單位面積輻射或吸收的光譜能量（能流密度）可用下式表示：    式中:e輻射（或吸收）的能流密度(w/cm?2);? ?  發熱體元件光譜輻射系數;? ?  t元件的表面溫度(

4、);? ?  1、2輻射(或吸收)的光譜范圍(m);? ?  c1、c2常數對遠紅外加熱，發熱元件的全輻射能為1=0，2=，上述公式可改寫為斯蒂芬波爾茨曼熱輻射定律：    式中：斯蒂芬波爾茨曼常數5.67×10-12w/cm2·k     對于厚度為10100m的漆膜而言，其吸收光譜為1=2.5m，2=15m，最佳匹配波段2.515m，假如元件發射被工件100吸收，工件吸收能流密度為：?    當元件的表面溫度t=450（723k）時，工件對其

5、吸收能量假定為100，即元件輻射多少匹配波段的能量，工件就吸收多少，此時q=96；當元件的表面溫度t=1000（1273k）時，計算表明q=69。單從波長匹配而言，遠紅外加熱可見光愈少，匹配吸收愈好。然而可見光愈少則元件表面溫度必然要低一些。如果表面溫度太低，雖然匹配，其加熱效果往往不好。例如厚度不同的兩塊sic（碳化硅）板遠紅外加熱元件，輻射面積s1=s2,輻射系數a1=a2,輸入電功率p1=p，測試結果表明，厚度薄的加熱元件t大于厚的元件，則qq，這一結果與匹配吸收理論相矛盾。?     后來人們發現所謂匹配吸收，不但要波長匹配，更重要的是能量匹配。?

6、60;   設發熱元件的電能輻射能轉換效率為w：?        測出元件表面溫度t和輸入功率p，用普朗克函數表就可計算出q、w值遠小于薄sic元件，這與實踐結果相一致。?     匹配吸收理論如圖1所示。? ?         然而，物質的紅外吸收特性是由紅外光譜儀測量出來的，標準的紅外圖譜被測物質的厚度均為110m，換言之，當被加熱物質厚度在110m時，應用匹配是正確的。然而實踐中，大多數被加熱物質的厚

7、度均不在110m之間，造成了人們對遠紅外加熱“節電”與“不節電”的爭論。     隨著物質厚度及外觀特性的改變，其吸收光譜發生明顯的變化。例如pvc薄膜（聚氯乙烯）厚度=50m，一為透明，另一為黑色，作為pvc，在2.515m有匹配吸收峰，應用理論設計，加熱效率是最高的，反之加熱效率不高。此時用將鋼板可以熔化穿孔的紅寶石激光器來加熱透明pvc薄膜，無濟于事。而黑色pvc薄膜情況就不同了，因為它既有紅外吸收，又有可見光和近紅外光吸收，匹配在何波段，無所適從。?     另一個實踐的例子是乘坐小汽車，窗玻璃將太陽光中的遠紅外（2.515m

8、）幾乎全部吸收而透進來的輻射光均為可見和近紅外，車內人均有灼熱感，這與遠紅外的基本理論相矛盾。? 綜上所述，由于被加熱物的厚度和外觀特性差異，匹配吸收理論有嚴重的偏差，這對于采用高能量短波紅外輻射技術留下了很大的發展研究空間。? 另外，從傳熱學分析更易了解高紅外技術機理。?     自古以來，誰都知道，“大風”、“曝曬”條件下，物料中水分干得快。然而自工業革命以來，人們設計的干燥爐，加熱爐，往往都是單打一，要么熱風加熱，要么遠紅外加熱。至今尚未出現過同時采用兩種方式即“大風”+“暴曬”式的干燥爐。      究其原因，工業流

9、水線上的烘干爐，目的是為被加熱工件提供一個溫度均勻的環境。加熱有傳導、對流、輻射三種方式，孰能設計出溫度均勻的爐，就優先選擇該種方式。流水線采用傳導傳熱方式不可能。采用自然對流傳熱方式溫度難以均勻，采用輻射傳熱方式實現溫度均勻技術難度很大。自然而然，人們優先采用了強迫對流熱風循環加熱方式。? 本所在研究遠紅外加熱時，找到了影響爐內溫度均勻性的主要因素：爐內對流場的存在導致上下溫度不均勻。目前已經完成了輻射均勻性的研究，并提出保證工件上下輻照均勻性的設計。但是由于對流場的計算十分復雜，無法從理論上求出烘干爐內對流場溫度分布規律，因而也無法設計出溫度均勻的遠紅外爐。如果目前的經驗數據是夠多的話，亦

10、可以通過經驗曲線設計出溫度均勻的烘干爐。這一切目前尚無法實現。? 進一步研究發現：如果排除對流場的影響，輻照均勻，溫度自然均勻，豈不美哉！因此人們想到了提高元件溫度（輻射能呈4次方遞增關系），加快工件運動速度（縮短干燥時間），縮短烘干爐的長度。提出了一種全新的加熱方式高紅外技術。<!endif>     所謂高紅外實質是：高能量、高密度、高強度、全波段、瞬間啟動強力紅外輻射加熱技術，它可以導致物料的快速加熱、脫水、干燥實現“大風”和“暴曬”兼而有之，這一技術簡稱或俗稱為高紅外。3  涂裝快速固化的可能性? 傳統的漆膜固化工藝，歷經百年，完全成

11、熟。如果它是最佳工藝,那么“快速固化”是不可能的。它涉及到漆膜的表面質量。?     從理論上，漆膜的固化在一定范圍內是溫度與時間的乘積。提高溫度，可以縮短固化時間。從實踐中分析，不同質量、體積、表面積的工件，所采用的固化工藝參數基本上是一致的，例如粉末涂裝20min、180，具體分析每一種工件，其受熱時間與溫度顯然是不一樣的，這為“快速”找到缺口。?     上述分析表明，目前流行的涂料固化工藝參數是加權平均值，對不同的工件，固化時間的縮短是完全可能的。<!endif>     有些涂裝線，

12、烘干爐冗長，長達六七十米，這是因為被加熱的工件質量極不均勻，只有加長“均熱”時間，才能保證表面溫度均勻性。若采用不同的輻射場來加熱質量不均勻的工件，必然會縮短爐子長度，實現“快速”固化。     實踐還表明，同樣是20min、180加熱，采用箱式爐加熱，固化情況良好。采用強力紅外輻射（表面溫度180）則固化過度，只有縮短時間才可以達到固化質量要求。     這一切表明了涂層“快速”固化的可能性。但是人們總在擔心固化質量。石化部白廣才博士作了快速固化的分子結構分析，表明其質量可靠，所有指標均能達到或超過傳統固化質量。? 4 

13、高紅外發熱元件?     熱元件、爐體、控制系統構成高紅外加熱爐。本文著重介紹高紅外元件的設計與應用。         高紅外與遠紅外元件不同之點：元件啟動時間不同（即從通電到恒溫）高紅外為13s，遠紅外為515min；元件表面功率不同，高紅外為1525w/cm2,遠紅外為25w/cm2。<!endif>     高紅外元件的光譜輻射系數見圖2，對乳白石英玻璃而言(高紅外元件的輻射材料)從2.515m，0.92，對透明石英玻璃而言，是個變量，24m，是一

14、個低峰值;415m，0.92。光譜特性曲線見圖3，光譜輻射通量密度見圖4，高紅外元件熱慣性見圖5。 ?        高紅外元件光譜輻射能量解析如下：通電后高紅外發熱絲w-al（鎢-鋁）材料表面溫度高達2500(t=2773k)根據普朗克定律，可以計算出可見光及近紅外光輻射能流密度為： ? 與輻射總能流密度的比例為：?        上述結果適用于透明石英高紅外元件，因為對其0.382.5m光譜透過率高達95，可近似視為100。由上式可知，其遠紅外輻射僅占

15、輻射能量的24。?     對乳白石英而言0.3815m透過率低于8，可近似視為0，此時w-al絲輻射的可見光和近紅外光將被乳白石英吸收轉換為乳白石英的二次輻射。測出乳白石英表面溫度為t=450(t=723k),計算出可見光和近紅外光的輻射能流密度：        相同條件下，乳白石英遠紅外發射率高達96，乳白石英與透明石英遠紅外輻射能量相差：        當被加熱工件的吸收光譜在2.515m時，乳白石英明顯優于透明石英的加

16、熱效果，反之，當被加熱工件在0.382.5m有強烈吸收時，則透明石英元件的加熱效果遠遠高于乳白石英。從光量子能量分析，可見光、近紅外光子能量遠大于遠紅外光子能量。在某些情況下，采用全波長高紅外加熱的優點是極其明顯的。<!endif>     工業加熱采用全波段還有一個十分有力的好處：全波段加熱，其穿透物料的能力各不相同，有益于實現“由內及外”的加熱，可以順利排除水分，可以避免干燥過快引起表面龜裂。?<!endif> 5  高紅外設計方法及溫度控制?     高紅外加熱爐溫度測量不宜采用常規熱電偶或熱電

17、阻測溫元件，通常可采用812m的紅外測溫儀非接觸測量，也可用0.9的鉑薄膜測溫元件直接測溫。目前工業上應用的技術是：調試過程用紅外測溫儀測量工件表面溫度，電熱阻（或電偶）測出參比空間溫度，待工藝參數確定后，用電偶參比調溫與控溫。?     高紅外爐輻射均勻性設計方法在遠紅外技術中均有詳盡的介紹，不再敘述。<!endif>     輻射傳熱關鍵技術是聚焦方式。平板元件如何將輻射能量集中到工件一方?管狀元件如何將360°輻射的能量集中到7090°角度內?通常的作法是采用絕熱技術，使平板元件的背面熱量減少，管

18、狀元件采用不銹鋼反射罩或光亮鋁板反射罩，按下述公式設計之，即呈拋物線y2=2px反射系統。由于聚焦的作用，輻射能量與距離的平方呈反比并不完全適用。<!endif>     對高紅外而言，由于能量大溫度高，鋁反射罩無法應用，不銹鋼反射罩易黑化形成準黑體材料失去反射作用。為了解決聚焦，國際上采用下列三種方式：爐壁采用高溫纖維氈；陶瓷反射材料；鍍膜玻璃反射材料。實踐證明這些措施無法實現“聚焦”效果。本人發明了一種新的“聚焦”原理來實現聚焦（專利號zl97212283.4）將管狀元件圓心角180°240°埋入絕熱纖維中，另一半露在大氣中,元

19、件達到恒溫時，管狀元件的表面溫度發生了變化，比空氣中元件恒溫溫度提高了7090。采用紅外輻射測溫儀測試表明，與鋁反射罩相比，傳遞的工件表面的輻射能僅相差8左右，既解決了“聚焦”技術，又避免了鋁反射罩因灰塵積聚導致反射下降的弊端，實現了“免維護”。此系統又稱免維護高溫纖維反射系統。     從理論上講，管狀元件的電能輻射能轉換效率··t?4·s/p高達80%85，不采取反射系統僅有25%的能量直接到達工件表面，采用反射罩后，到達工件表面的能量可以提高70%78%。上述新方式“聚焦”成功解決了這一技術難題。?     高紅外技術另一難題是負載電阻在常溫下幾乎等于零，因此啟動時沖擊電