于喜年，劉軍，趙月紅

（大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

涂層短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備的設(shè)計(jì)

于喜年*，劉軍，趙月紅

（大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

在表面涂裝領(lǐng)域，工件表面涂層固化系統(tǒng)采用短波強(qiáng)輻射固化技術(shù)可以縮短涂層固化時(shí)間，有效提高熱能利用效率，減少能量消耗，提高工件表面涂裝質(zhì)量。本文介紹了強(qiáng)輻射加熱技術(shù)的原理，分析了短波強(qiáng)輻射加熱與對(duì)流–傳導(dǎo)加熱的本質(zhì)區(qū)別以及固化設(shè)備室體內(nèi)溫度的控制規(guī)律，論述了涂層短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備的主要組成部分和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，研究了室體骨架、強(qiáng)輻射加熱器和微風(fēng)逆循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

涂層；固化設(shè)備；短波輻射；設(shè)計(jì)

1 前言

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的表面涂裝質(zhì)量與過去相比要求越來越高，不但對(duì)涂料與涂裝工藝提出了高的要求，而且對(duì)涂裝設(shè)備，尤其是涂裝工藝中的固化設(shè)備，也提出了高要求。這些要求面臨著沖破傳統(tǒng)技術(shù)的挑戰(zhàn)。隨著量子物理學(xué)，輻射加熱、輻射傳輸?shù)壤碚?、技術(shù)在本世紀(jì)的快速發(fā)展，涂裝固化設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)也有所變化。涂層短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備綜合應(yīng)用了短波輻射固化、輻射換熱等技術(shù)，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的表面涂層質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。此種設(shè)備具備節(jié)約能源，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，控溫準(zhǔn)確，操作靈活可靠和占地小等優(yōu)勢(shì)[1]。

工件表面涂裝工藝一般經(jīng)過前處理(包括水洗、脫脂和磷化等)以及烘干預(yù)熱、噴涂漆層、固化等工序。主要設(shè)備有工件傳輸、前處理、漆膜噴涂、涂層固化等設(shè)備以及循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。涂層短波輻射固化設(shè)備與其他固化設(shè)備不同，其加熱系統(tǒng)采用了短波強(qiáng)輻射固化技術(shù)。

2 短波強(qiáng)輻射加熱原理

短波強(qiáng)輻射固化實(shí)質(zhì)是輻射體和工件涂層之間輻射能與熱能的轉(zhuǎn)換以及輻射波長(zhǎng)的匹配吸收，即輻射元件通過石英玻璃載體將輻射能直接轉(zhuǎn)換為熱能，被工件涂層所吸收。由于傳導(dǎo)對(duì)流加熱、能量傳遞需有介質(zhì)參與，故溫度隨著傳遞距離的增加而逐漸降低。而短波強(qiáng)輻射固化則具有無需傳熱介質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)能量傳遞，在輻射體與工件的有效距離內(nèi)能量衰減最小的優(yōu)點(diǎn)。但輻射傳熱具有方向性，輻射能的高低受波長(zhǎng)影響較大，故輻射溫度按波長(zhǎng)(λ)分布。在輻射加熱過程中，因工件涂層本身對(duì)輻射光譜具有選擇性，故工件吸收的光譜不完全等于輻射元件發(fā)射的光譜[2]。為了有效增強(qiáng)輻射能和熱能的轉(zhuǎn)換與利用，輻射元件所發(fā)射光譜的波長(zhǎng)不但要與工件涂層所吸收光譜的波長(zhǎng)匹配，而且工件涂層所吸收輻射能的峰值區(qū)域應(yīng)在輻射元件所發(fā)射輻射能區(qū)域之內(nèi)。

3 短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備設(shè)計(jì)

3. 1 短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備的組成

短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備主要由室體骨架、強(qiáng)輻射固化系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、保溫壁板與控溫系統(tǒng)組成。強(qiáng)輻射固化設(shè)備局部如圖1所示。

圖1 強(qiáng)輻射固化設(shè)備局部示意圖Figure 1 Partial schematic diagram of intense radiation curing equipment

3. 2 短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備設(shè)計(jì)

短波強(qiáng)輻射固化設(shè)備包括輻射加熱系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等，其技術(shù)要求相對(duì)較高，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需要對(duì)輻射元件、溫度場(chǎng)、輻射場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮固化設(shè)備內(nèi)升溫段、恒溫段、降溫段等溫度變化的高低以及保溫壁板熱量損失，壁板強(qiáng)度、厚度等因素。

固化設(shè)備室體按工件最大外形尺寸設(shè)計(jì)，采用直通式結(jié)構(gòu)。為防止熱量外泄，提高熱能利用率，固化設(shè)備出入口采用程控式折疊仿形門設(shè)計(jì)。固化設(shè)備室體采用雙層骨架結(jié)構(gòu)，使內(nèi)外層骨架斷開，減少熱量傳導(dǎo)，并通過螺栓把合將雙層骨架連接成自由伸縮狀態(tài)，以利于熱脹冷縮。為避免固化設(shè)備外壁溫升過高，保溫隔熱材料一般選用熱容較小、導(dǎo)熱性能較差和耐高溫性能好的絕熱材料，如硅酸鋁纖維氈或巖棉板。

循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)采用微風(fēng)逆循環(huán)技術(shù)[2]，主要由蝶閥、吸風(fēng)管路、送風(fēng)管路和調(diào)速風(fēng)機(jī)組成。其主要作用是保證被加熱工件內(nèi)外表面固化溫度均勻一致，其次是保證涂層內(nèi)揮發(fā)的可燃性溶劑等氣體迅速被排出并進(jìn)行催化燃燒。設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，須考慮適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速、風(fēng)壓和流量，選取型號(hào)適合的循環(huán)風(fēng)機(jī)，并采取減震降噪措施。

固化設(shè)備采用短波強(qiáng)輻射加熱元件。一般情況下，依據(jù)固化設(shè)備有效空間、工件尺寸、傳輸速度以及涂層固化溫度等條件，布置短波強(qiáng)輻射元件功率及數(shù)量；根據(jù)工件表面涂層成分及其吸收光譜的范圍，確定輻射元件的光譜范圍[3]，進(jìn)而確定強(qiáng)輻射元件的規(guī)格。忽略環(huán)境溫度影響時(shí)，單支強(qiáng)輻射加熱器輻射能量轉(zhuǎn)換率的計(jì)算公式為：

式中，η為輻射能量轉(zhuǎn)換率；電熱元件相對(duì)輻射率ελ≤0.92；普朗克常數(shù)h = 6.626 176 × 10?34J·s；λ為波長(zhǎng)，μm；第一輻射常數(shù)c1= 3.741 8 × 10?16W/m2；P為加熱元件輸入的總功率，W；A為輻射面積；黑體輻射常數(shù)σ = 5.670 38 × 10?8W/(m2·K4)；T為絕對(duì)溫度，K。

輻射能量轉(zhuǎn)換率公式表明，增加輻射面積將有效提高輻射效率，所以在設(shè)計(jì)加熱系統(tǒng)過程中，將強(qiáng)輻射加熱器的熱源體外壁支撐由原來管狀石英玻璃改為拋物面狀與橢圓狀復(fù)合透明石英玻璃雙拋管，并在拋物面狀管壁外側(cè)鍍鉻或鍍金處理，以滿足定向輻射的需要。

由普朗克定律直接推導(dǎo)的維恩位移定律簡(jiǎn)單表達(dá)式[4]為：

式中λmax為輻射波長(zhǎng)峰值，維恩位移常數(shù)b = 2.897 768 5 × 10?3m·K。波長(zhǎng)λ與溫度T成反比，波長(zhǎng)越短，輻射溫度越高。

依工件尺寸及其表面質(zhì)量要求，按輻照密度和功率密度原理，將雙拋管狀強(qiáng)輻射加熱器安裝在反射板上。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的論述，反射板需呈拋物面狀，且兩組反射板開口相對(duì)，與雙拋加熱器配合安裝，如圖 2所示。這種排布的好處是輻射能量可以有效疊加(輻射能量的疊加可用圖3表示)，借助微風(fēng)逆循環(huán)系統(tǒng)的作用，使工件表面涂層所吸收的輻射能和固化溫度更加均勻，固化設(shè)備內(nèi)仿形區(qū)域的溫差可達(dá)±3 °C，輻射元件與工件間的距離控制在0.25 ～ 0.45 m。

圖2 強(qiáng)輻射固化設(shè)備的室體結(jié)構(gòu)Figure 2 Chamber structure of intense radiation curing equipment

圖3 輻射能量的疊加效果Figure 3 Superposition effect of radiation energy

固化設(shè)備室體內(nèi)溫度應(yīng)根據(jù)工件表面涂料性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。由斯忒藩–波爾茲曼定律公式 Ebλ=σT4可知，利用透明石英玻璃的高透射率，在強(qiáng)輻射加熱器輻射波長(zhǎng)基本不變的條件下，輻射力與工件表面溫度的 4次方成正比，所以在溫度控制過程中，輻射熱源體的輻射力大小將直接影響工件表面涂層固化溫度。在工件進(jìn)入固化設(shè)備室體內(nèi)的升溫段，涂層底部溶劑揮發(fā)最快。由實(shí)驗(yàn)獲得溶劑揮發(fā)與固化溫度、時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 固化溫度與時(shí)間的關(guān)系Figure 4 Relationship between curing temperature and time

根據(jù)固化溫度與時(shí)間關(guān)系曲線和“匹配吸收”原理，采用微機(jī)自動(dòng)控制方式調(diào)整加熱功率的輸出。在控制固化溫度時(shí)，把固化設(shè)備的裝機(jī)總功率分配為常通回路、自動(dòng)控制回路和升溫加熱回路，并進(jìn)行程序調(diào)整。升溫階段全功率運(yùn)行至涂層固化所需溫度后自動(dòng)關(guān)停升溫回路，進(jìn)入控溫保溫狀態(tài)；在保溫階段，由常通回路和自動(dòng)控制回路運(yùn)行，保證強(qiáng)輻射加熱器在額定狀態(tài)下工作，實(shí)現(xiàn)全波段強(qiáng)輻射加熱。合理分配各控溫段的加熱功率，盡量減少控溫過程對(duì)電網(wǎng)壓降的影響以及熱慣性對(duì)控溫精度的沖擊，保證控溫精度的準(zhǔn)確和控溫過程的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

表面涂層固化設(shè)備應(yīng)用了短波強(qiáng)輻射加熱技術(shù)和微風(fēng)逆循環(huán)技術(shù)，具有加熱迅速、深層輻射、節(jié)約能源、維修方便等特點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)固化設(shè)備的突破。固化涂層由里及表加熱，底層溶劑迅速揮發(fā)，有效避免了溶劑滯留涂層底部而產(chǎn)生的氣泡、針孔乃至龜裂現(xiàn)象。采用短波強(qiáng)輻射加熱技術(shù)，結(jié)合溫度控制手段和保溫措施，可以很好地發(fā)揮新型固化設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

[1] 于喜年, 楊紅梅. 輻射加熱技術(shù)在電機(jī)表面涂裝上的應(yīng)用[J]. 遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 25 (2): 121-122.

[2] 于喜年. 超短波輻射與表面涂裝[J]. 表面技術(shù), 2005, 34 (2): 11-14.

[3] 談和平, 夏新林, 劉林華, 等. 紅外輻射特性與傳輸?shù)臄?shù)值計(jì)算——計(jì)算熱輻射學(xué)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2006.

[4] 余其錚. 輻射換熱原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2000.

[5] 程曉錦, 徐秀華. 提高紅外烘干器反射罩輻照均勻性的探討[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 8 (4). 29-34.

Design for coating curing equipment based on short-wave radiation heating //

YU Xi-nian*, LIU Jun, ZHAO Yue-hong

In the surface painting industry, the application of shortwave radiation heating technology to workpiece surface coating curing system can shorten curing time, enhance energy use efficiency, reduce energy consumption, and improve the coating quality on workpiece surface. In this article, the principle of radiation heating technology is introduced. The essential difference between shortwave radiation heating and convection–conduction heating, as well as the rule for temperature control in the chamber of curing equipment were analyzed. The main components of coating shortwave radiation curing equipment and the design essentials were discussed. The chamber skeleton, radiation heater, and the structure of wind-reversed cycle system were studied.

coating; curing equipment; shortwave radiation; design

College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China

TM924.76

A

1004 – 227X (2012) 01 – 0073 – 03

2011–07–25

2011–09–18

遼寧省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2009A123）。

于喜年（1958–），男，遼寧大連人，教授，主要從事表面涂裝與工業(yè)加熱以及材料防腐等研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) xny1960@163.com。

[ 編輯：韋鳳仙 ]