電容器高紅外快速固化技術(shù)

1、電容器高紅外快速固化技術(shù)摘要： 電電容器噴涂固化技術(shù)在國內(nèi)外均采用熱風(fēng)循環(huán)加熱方式（熱風(fēng)爐）。熱風(fēng)爐的優(yōu)點(diǎn)是爐內(nèi)溫度均勻，工件適應(yīng)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是間接加熱能耗高，設(shè)備熱效率普遍低于30，且由于有流動(dòng)空氣，固化過程易造成灰塵二次污染。 關(guān)鍵詞：高紅外加熱機(jī)理 涂裝快速固化的可能性 1 前言電容器噴涂固化技術(shù)在國內(nèi)外均采用熱風(fēng)循環(huán)加熱方式（熱風(fēng)爐）。熱風(fēng)爐的優(yōu)點(diǎn)是爐內(nèi)溫度均勻，工件適應(yīng)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是間接加熱能耗高，設(shè)備熱效率普遍低于30，且由于有流動(dòng)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(zé)任公司烘干爐108m長。七十年代出現(xiàn)過遠(yuǎn)紅外固化爐，然而由于爐內(nèi)溫度均勻性欠佳，幾乎

2、沒能在涂裝行業(yè)單獨(dú)應(yīng)用過，因此，遠(yuǎn)紅外加熱突出的優(yōu)點(diǎn)“明顯的節(jié)能效果”表現(xiàn)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(jié)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(qiáng)度、全波段、瞬間啟動(dòng)強(qiáng)力紅外輻射加熱技術(shù)(簡稱或俗稱為高紅外技術(shù))的加熱爐。這種高紅外爐一出世，即受到國內(nèi)外的關(guān)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(jié)能超過50，設(shè)備的造價(jià)均為傳統(tǒng)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(shù)原

3、理、技術(shù)裝備、應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)際效果。2 高紅外加熱機(jī)理遠(yuǎn)紅外加熱已為世人所熟悉。在發(fā)熱體（元件）的輻射光譜與被加熱體（工件）吸收光譜相匹配時(shí)，熱效率最高，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。傳統(tǒng)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/cm2); 發(fā)熱體元件光譜輻射系數(shù); T元件的表面溫度(); 1、2輻射(或吸收)的光譜范圍(m); c1、c2常數(shù)對遠(yuǎn)紅外加熱，發(fā)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

4、數(shù)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(fā)射被工件100吸收，工件吸收能流密度為：當(dāng)元件的表面溫度T=450（723K）時(shí)，工件對其吸收能量假定為100，即元件輻射多少匹配波段的能量，工件就吸收多少，此時(shí)Q=96；當(dāng)元件的表面溫度T=1000（1273K）時(shí)，計(jì)算表明Q=69。單從波長匹配而言，遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外加熱元件，輻

5、射面積S1=S2,輻射系數(shù)a1=a2,輸入電功率P1=P，測試結(jié)果表明，厚度薄的加熱元件T大于厚的元件，則QQ，這一結(jié)果與匹配吸收理論相矛盾。 后來人們發(fā)現(xiàn)所謂匹配吸收，不但要波長匹配，更重要的是能量匹配。 設(shè)發(fā)熱元件的電能輻射能轉(zhuǎn)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(shù)表就可計(jì)算出Q、W值遠(yuǎn)小于薄SiC元件，這與實(shí)踐結(jié)果相一致。 匹配吸收理論如圖1所示。 然而，物質(zhì)的紅外吸收特性是由紅外光譜儀測量出來的，標(biāo)準(zhǔn)的紅外圖譜被測物質(zhì)的厚度均為110m，換言之，當(dāng)被加熱物質(zhì)厚度在110m時(shí)，應(yīng)用匹配是正確的。然而實(shí)踐中，大多數(shù)被加熱物質(zhì)的厚度均不在110m之間，造成了人們對遠(yuǎn)紅外加

6、熱“節(jié)電”與“不節(jié)電”的爭論。 隨著物質(zhì)厚度及外觀特性的改變，其吸收光譜發(fā)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(yīng)用理論設(shè)計(jì)，加熱效率是最高的，反之加熱效率不高。此時(shí)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(jì)于事。而黑色PVC薄膜情況就不同了，因?yàn)樗扔屑t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(gè)實(shí)踐的例子是乘坐小汽車，窗玻璃將太陽光中的遠(yuǎn)紅外（2.515m）幾乎全部吸收而透進(jìn)來的輻射光均為可見和近紅外，車內(nèi)人均有灼熱感，這與遠(yuǎn)紅外的基本理論相矛盾。綜上所述，由于被加熱物的厚

7、度和外觀特性差異，匹配吸收理論有嚴(yán)重的偏差，這對于采用高能量短波紅外輻射技術(shù)留下了很大的發(fā)展研究空間。另外，從傳熱學(xué)分析更易了解高紅外技術(shù)機(jī)理。 自古以來，誰都知道，“大風(fēng)”、“曝曬”條件下，物料中水分干得快。然而自工業(yè)革命以來，人們設(shè)計(jì)的干燥爐，加熱爐，往往都是單打一，要么熱風(fēng)加熱，要么遠(yuǎn)紅外加熱。至今尚未出現(xiàn)過同時(shí)采用兩種方式即“大風(fēng)”+“暴曬”式的干燥爐。 究其原因，工業(yè)流水線上的烘干爐，目的是為被加熱工件提供一個(gè)溫度均勻的環(huán)境。加熱有傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式，孰能設(shè)計(jì)出溫度均勻的爐，就優(yōu)先選擇該種方式。流水線采用傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)

8、溫度均勻技術(shù)難度很大。自然而然，人們優(yōu)先采用了強(qiáng)迫對流熱風(fēng)循環(huán)加熱方式。本所在研究遠(yuǎn)紅外加熱時(shí)，找到了影響爐內(nèi)溫度均勻性的主要因素：爐內(nèi)對流場的存在導(dǎo)致上下溫度不均勻。目前已經(jīng)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(shè)計(jì)。但是由于對流場的計(jì)算十分復(fù)雜，無法從理論上求出烘干爐內(nèi)對流場溫度分布規(guī)律，因而也無法設(shè)計(jì)出溫度均勻的遠(yuǎn)紅外爐。如果目前的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是夠多的話，亦可以通過經(jīng)驗(yàn)曲線設(shè)計(jì)出溫度均勻的烘干爐。這一切目前尚無法實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：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(guān)系），加快工件運(yùn)動(dòng)速度（縮短干燥時(shí)間），

9、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(shù)。<!endif> 所謂高紅外實(shí)質(zhì)是：高能量、高密度、高強(qiáng)度、全波段、瞬間啟動(dòng)強(qiáng)力紅外輻射加熱技術(shù)，它可以導(dǎo)致物料的快速加熱、脫水、干燥實(shí)現(xiàn)“大風(fēng)”和“暴曬”兼而有之，這一技術(shù)簡稱或俗稱為高紅外。3 涂裝快速固化的可能性傳統(tǒng)的漆膜固化工藝，歷經(jīng)百年，完全成熟。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(zhì)量。 從理論上，漆膜的固化在一定范圍內(nèi)是溫度與時(shí)間的乘積。提高溫度，可以縮短固化時(shí)間。從實(shí)踐中分析，不同質(zhì)量、體積、表面積的工件，所采用的固化工藝參數(shù)基本上是一致的，例如粉末涂裝20min、18

10、0，具體分析每一種工件，其受熱時(shí)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(shù)是加權(quán)平均值，對不同的工件，固化時(shí)間的縮短是完全可能的。<!endif> 有些涂裝線，烘干爐冗長，長達(dá)六七十米，這是因?yàn)楸患訜岬墓ぜ|(zhì)量極不均勻，只有加長“均熱”時(shí)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(zhì)量不均勻的工件，必然會(huì)縮短爐子長度，實(shí)現(xiàn)“快速”固化。 實(shí)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(qiáng)力紅外輻射（表面溫度180）則固化過度，只有縮短時(shí)間才可以達(dá)到固化質(zhì)量要求。 這一切表明了涂層“快速

11、”固化的可能性。但是人們總在擔(dān)心固化質(zhì)量。石化部白廣才博士作了快速固化的分子結(jié)構(gòu)分析，表明其質(zhì)量可靠，所有指標(biāo)均能達(dá)到或超過傳統(tǒng)固化質(zhì)量。4 高紅外發(fā)熱元件 熱元件、爐體、控制系統(tǒng)構(gòu)成高紅外加熱爐。本文著重介紹高紅外元件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。 高紅外與遠(yuǎn)紅外元件不同之點(diǎn)：元件啟動(dòng)時(shí)間不同（即從通電到恒溫）高紅外為13s，遠(yuǎn)紅外為515min；元件表面功率不同，高紅外為1525W/cm2,遠(yuǎn)紅外為25W/cm2。<!endif> 高紅外元件的光譜輻射系數(shù)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(gè)變量，24m，是一個(gè)低峰

12、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(fā)熱絲W-Al（鎢-鋁）材料表面溫度高達(dá)2500(T=2773K)根據(jù)普朗克定律，可以計(jì)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(jié)果適用于透明石英高紅外元件，因?yàn)閷ζ?.382.5m光譜透過率高達(dá)95，可近似視為100。由上式可知，其遠(yuǎn)紅外輻射僅占輻射能量的24。 對乳白石英而言0.3815m透過率低于8，可近似視為0，此時(shí)W-Al絲輻射的可見光和近紅外光將被乳白石英吸收轉(zhuǎn)換為乳白石英的二次輻射。測出乳白石英表面溫度為T=450(

13、T=723K),計(jì)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(yuǎn)紅外發(fā)射率高達(dá)96，乳白石英與透明石英遠(yuǎn)紅外輻射能量相差： 當(dāng)被加熱工件的吸收光譜在2.515m時(shí)，乳白石英明顯優(yōu)于透明石英的加熱效果，反之，當(dāng)被加熱工件在0.382.5m有強(qiáng)烈吸收時(shí)，則透明石英元件的加熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)大于遠(yuǎn)紅外光子能量。在某些情況下，采用全波長高紅外加熱的優(yōu)點(diǎn)是極其明顯的。<!endif> 工業(yè)加熱采用全波段還有一個(gè)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(shí)現(xiàn)“由內(nèi)及外”的加熱，可以順利排除水分，可以

14、避免干燥過快引起表面龜裂。<!endif>5 高紅外設(shè)計(jì)方法及溫度控制 高紅外加熱爐溫度測量不宜采用常規(guī)熱電偶或熱電阻測溫元件，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(yè)上應(yīng)用的技術(shù)是：調(diào)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(shù)確定后，用電偶參比調(diào)溫與控溫。 高紅外爐輻射均勻性設(shè)計(jì)方法在遠(yuǎn)紅外技術(shù)中均有詳盡的介紹，不再敘述。<!endif> 輻射傳熱關(guān)鍵技術(shù)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

15、7090°角度內(nèi)?通常的作法是采用絕熱技術(shù)，使平板元件的背面熱量減少，管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(shè)計(jì)之，即呈拋物線Y2=2PX反射系統(tǒng)。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(yīng)用，不銹鋼反射罩易黑化形成準(zhǔn)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(shí)踐證明這些措施無法實(shí)現(xiàn)“聚焦”效果。本人發(fā)明了一種新的“聚焦”原理來實(shí)現(xiàn)聚焦（專利號ZL97212283.4）將管狀元件圓心角180

16、76;240°埋入絕熱纖維中，另一半露在大氣中,元件達(dá)到恒溫時(shí)，管狀元件的表面溫度發(fā)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(shù)，又避免了鋁反射罩因灰塵積聚導(dǎo)致反射下降的弊端，實(shí)現(xiàn)了“免維護(hù)”。此系統(tǒng)又稱免維護(hù)高溫纖維反射系統(tǒng)。 從理論上講，管狀元件的電能輻射能轉(zhuǎn)換效率··T4·S/P高達(dá)80%85，不采取反射系統(tǒng)僅有25%的能量直接到達(dá)工件表面，采用反射罩后，到達(dá)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(shù)難題。 高紅外技術(shù)另一難題是負(fù)載電阻在常溫下幾乎等于零，因此啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大。采用逐漸升壓或分段升溫、自動(dòng)方式或手動(dòng)方式解決。6 應(yīng)用和效益 (1)華北鋁廠親水涂層固化烘道，采用了美國BGK公司的高紅外技術(shù)，生產(chǎn)效率為40m/min，裝機(jī)功率600kW，2000年竣工的我所（公司）設(shè)計(jì)的烘干爐，爐長9m，裝機(jī)600kW，實(shí)現(xiàn)了80100m/min生產(chǎn)速度。與傳統(tǒng)的金屬材板涂層相比，高紅外裝機(jī)1100kW，而熱風(fēng)爐高達(dá)2900kW，才能達(dá)到生產(chǎn)速度的一致。 (2)遼寧鋁材有限公司及錦州紅外公司多次實(shí)踐，對于目前國內(nèi)要20min180固化的粉末涂料，采用高紅外僅需3min即可完成。對于電泳漆通常25mi