涂装工艺的革命——高红外快速加热技术

其次，实验证明，所有粉末涂料均能强烈吸收红外线，并且其涂膜质量在一定范围内与温度和时间的乘积有关，固化时间随温度的变化而变化，温度越 高，固化时间越短，如图2所示：
固化时间和温度的关系取决于涂料，该关系决定温度上升时涂料流平的程度。每一种涂料都有一个最佳熔化温度，一个固定的上限，以及获得聚合物完全交联的最佳处理时间。
C.远红外测温技术不能应用，采用非接触式测温，计算机随机测量工件表面真实温度，实现了温度的测量与控制。
d.远红外炉的启动方式不能应用，高红外炉的装机在100-300kw，而其负载电路在常温下几乎为零，这一难题被高红外“软启动”圆满解决了。
2 漆膜快速固化的可能性
现在来介绍一下高红外快速固化的机理。传统的粉末固化工艺曲线实际上是统计平均值，例如：粉末涂料固化的标准固化工艺为180℃、20分钟，而实际 上，由于工件的质量、形状、导热性的不同，如薄板件、厚体件等，达到180℃的固化时间相差较大，因而对某些工件而言就提供了缩短固化时间的可能性。
高红外技术根据这一原理，使粉末涂料获得较大的加热速度，从而缩短了固化时间，并获得较高质量的涂膜。
漆膜快速固化的机理属于化工技术，这里就不一一介绍了。
传统涂装线的技术指针速度为1-4米/分、炉长20-80米、固化时间20-40分钟。采用高红外技术的流水线目前已经实现了18-20米/分、炉长由360-400米缩短到15-18米、固化时间20-40秒。无愧地称之为涂装工艺的革命。
要实现高红外必须满足下列四项技术要求：
A．远红外或红外组件不能应用，否则实现不了高红外，远红外组件最大功率密度为2-5w/c㎡，高红外要求15-30 w/c㎡，这就带来一系列的加工技术问题。例如1米长的石英管，中国仅能制造1.5-2kw的组件，而高红外需要3-5kw/㎡。解决灯管的接头问题这一技术过去只在军工技术应用。例如，长度仅250mm的管子被设计成7kw，用于反干扰系统，高红外借鉴了这一技术，实现了30 w/c㎡制造技术。
图1 均匀辐射
1.2.2 均匀温度场
连续式辐射炉中存在辐射场和温度场，温度场受到炉子大小尺寸、排风状态、散热状态的影响，其分布是复杂的。因此只有求出对流热引起的温度场，才能最终实现均匀温度场，对流热引起的温度场由上而下呈递减状态，辐射场呈现递增状态才能形成均匀温度场。获得均匀温度场最简单的办法是将组件制成立式“点燃”，且功率随高度不同而变化，即
高红外技术就是利用温度与时间的关系，选取最佳温度和固化时间，从而达到瞬间快速固化的目的。
粉末成膜的过程一般包括：熔融、流平、交联、固化，在粉末的烘烤过程中，决定涂膜的光泽、流平等性能的熔融粘度也发生了变化。如图3。
图3 粉末涂料烘烤时们之间的空气和反应中的各种挥发物逐步逸出，一旦达到固化临界点，表面逸出过程已完成，而固化反应迅速进行，直至形成涂膜。由此可见，涂膜的光泽度、流平性、遮盖率等质量指针完成取决于熔融和流动流平区域，而固化反应完全与否，决定涂膜的机械性能。
b.远红外辐射器不能应用，为了定向辐射，远红外用了铝或不锈钢反射罩。高红外组件可导致不反射的铝熔化变形，导致不锈钢迅速发黑成为吸收体。
美国人为解决这一难题，采用陶瓷反射罩，硅酸盐材料亮面（具有反射作用），但硅酸盐材质本身又是一个辐射吸收体，陶瓷作反射罩效率很低。上世纪八十年代为宇宙服务的军工技术成功完成了毡式隔热材料的成型技术。中国从法国引进了这项技术，在探讨高红外时换了一种设计思路，成功地解决了高红外组件的定向辐射问题。
1.2 要保证在受热过程中工件上中下温度均匀
辐射传热，炉内温度是极不均匀的。这里所讲的温度均匀是指连续式炉中吊挂工件上中下温度均匀。
1.2.1 均匀辐射场
辐射传热首先要保证辐射区无死区、暗区和过度重叠区。
影响均匀辐射场的参数有反射罩形状与开口大小、个数、间距、组件支数、组件在焦点位置以及组件与工件间距。采用光学均匀性设计原理，试验求出叠加量25%-30%，用坐标作图法可以求得一组参数（见图1）。
1.1.3 聚焦式定向辐射技术
管状元件，η=65%时，表明360℃辐射总能量占全部电能的65%，良好的情况下，到达工件表面的辐射能是65%-70%，此时，工件的升温难以保证来自辐射传 热，采用抛物线反射罩调整焦点可保证到达工件的能量集中90%以上的辐射能。
1.1.4 匹配吸收技术
被吸收的辐射能能迅速转化为热能，对大多数高分子化合物而言，远红外匹配吸收技术是一项高效率传热方法。通常匹配吸收率Kλ应大于90%-95%，在50-650℃低温区，远红外辐射效率最高。
1.1.5 加热炉功率设计要保证辐射传热
热风炉为缩短升温时间，装机功率往往偏大，恒温时关闭几组加热器。远红外炉功率设计任意性很 大，同样产量、同一品种洗衣机用的涂装固化炉，装机功率有的相差3-4倍。采用任何控温技术，也难以保证炉内以辐射传热为主。辐射炉功率设计要求：
p=1.3po-1.6po
式中，p为装机功率（KW），po为恒温时电功率 （KW）。
1.1.2 设计以辐射传热为主的组件
根据传热公式：
式中，F为组件表面积，K为位置系数，K=1.4-2.8kcal/（㎡hk），T1为组件表面温度（K），T2为工件表面温度（K）。按上述条件计算表明：组件T1300℃时，其辐射能仅占一半。设计组件时，必须力求T1＞500℃，远红外组件T1＜350℃，在开放式空间加热，对工件而言可称为远红外加热，在半开放和封闭空间，对流传热要大于辐射传热。
p=f（kh）
式中，p为组件功率（w），k为与空间对流场有关的系数，h为组件高度（cm）。配备反射罩后即形成均匀温度场。但是这样的组件无法制造。实践中只能采取近似的方法，即对流场与辐射场互补的方法，产生均匀温度场。
1.2.3 互补技术
当工件表面实现无辐照死区、暗区、过度重叠区后，需要按p=f（kh）关系式调节组件的辐射场，调节的方法有两种：①功率分布法，排列在烘道上部的组件功率低，下部组件的功率高，通常烘道侧面1/2部位之上排列1/3；②辐射密度分布法，组件功率相同，采用不同开口的反射罩，使工件表面呈现不同的辐照密度。
1.1.1 选择以辐射传热为主的组件
组件的电能辐射能转换效率η应大于65%，
式中，ελ为组件表面辐射系数，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，T为组件表面温度（K），S为组件辐射表面积（c㎡），p为组件输入电功率（W），例如SHQ乳白石英组件φ18mm×2000mm，T为组件表面温度(K)，S为组件辐射表面积(c㎡)，p为组件输入电功率(W)。T=510℃，P=3Kw，已知ελ=0.92，η=66.5%。
高红外快速加热可直接导致现在不易、不能采用连续作业的涂装流水线实现连续化生产，南通镀饰厂传统采用烘箱间歇生产，采用高红外固化时间仅需2-3分钟，只占烘箱体积的一半就可以实现悬挂输送的连续化生产，产品质量提高一个档次，产量大幅度提 高，能耗下降35%以上，产品成本大幅降低，在同行业有较强的竞争能力。
这里重点介绍高红外的几项尖端技术及其涂装快速固化机理。
目前，国内外较好的远红外组件辐射能仅占65%-70%，尚有30%-35%的对流热或更多一些（工件的对流热）参与热风循环，一举两得。
上述分析表明，一个致命的指针：温度均匀性无法从设计上来表现，只能靠现场调节。原因是人们至今找不到连续化加热炉内对流热形成温度场的计算机数据。因此无法确定补偿的定量关系，然而，温度均匀又是唯一重要指针。无怪乎至今未见国外那一个公司设计过以辐射传热为主的连续式加热炉（网带炉不在讨论之列）。
应用理论研究表明，只有满足下列三项技术指标，远红外技术设计的连续化加热炉才能取代现行的热风循环加热炉。
1.1 该加热炉以辐射传热为主
换言之被加热的工件接受的热量大部分是辐射传热，反之则称为热风炉，大多数是自然对流传热，前面已讲过，这是最不可取的。在50-650℃的低温下要求实现辐射传热为主，其技术条件是十分苛刻的。
高红外快速加热技术显著的特点是高效节能；同时它亦是近代机械制造工艺，诸如虚拟、柔性、快速成型、规模化、多品种先进制造技术发展的必然结果，誉为涂装工艺的革命。
与传统的加热干燥技术相比，高红外可实现三个90%，一是加热设备长度缩短90%，二是占地面积减少90%，三是加热时间缩短90%，综合节能高达70%，过去需20分钟完成的工艺过程，高红外仅需30-40秒，例如宝钢彩板涂复生产线，工艺速度为15米/分，加热炉长度47米，采用高红外仅需0.9-2米。
粉末涂料的熔融粘度与烘烤时的升温速度有关。一般来说，加热速度越大，则熔融粘度越低，涂膜流平性就越好。换言之，要想获得高质量的涂膜，就要使粉末在交联开始以前就已获得足够的流平。提高升温速度，也就是粉末由固态迅速熔化，这就缩短了粉末的熔融时间。此外提高了升温速度，降低熔融粘 度，使粉末涂料的流平性好，且相对地缩短了流平区域的时间，这样也就使涂料的固化时间得到了缩短。但是加热速度不能过快，否则会使粉末颗粒粘结恶 化，并出现表面针孔和裂痕。试验证明，最大加热速度是以秒来计算，而不是以分来计算的。
1.1.7 保温设计要以实现辐射传热为目的
为实现工件接受的热量以热辐射传热为主，一般采用反射铝板是。在侵蚀和温度较高时，采用渗铝钢板是可取的。
1.1.8 测温方法要考虑辐射传热
传统的烘道测温仪，不能用于辐射炉。传统的测温探头吸收系数很小，不能直接用于接受辐射能。目前市售辐射测温仪也难以用于工业现场连续式烘道 中。为此必须采用能够接受辐射能、接受强度与工作一致的测温组件，目前正在制定这方面的标准。
1.1.6 温度调节实现辐射传热
现行的远红外炉采用调压器、调功器或通断式。升温阶段尚能保证以辐射传热为主，但恒温阶段几乎全都呈现以对流传热为主，故升温时炉内温度场与恒温完全不同。辐射炉要求：温度要调节，辐射传热要保持，工件温度均匀性不被破坏。为此，锦州红外研究所实现了部分功率控制法或“三三制”控温法。一个300KW的加热炉，恒温时，调温功率仅为25-35KW。
1 红外、远红外、高红外技术差异
传统的加热与干燥均采用强迫对流、热风循环方式，它可实现炉内温度均匀，对被加热工件形状复杂适应性强，但能耗高（间接加热），易受灰尘的沾染 成为新的技术难题，从理论上讲采用对流加热行不通，这种方式不可能实现均匀温度场。在人类历史上，在涂装工艺连续化生产中从未用过此种方式；采用紫外、可见光、近红外、中红外、远红外哪种光线好呢？人们发现远红外“匹配吸收”效果最 好，同时它又能满足现行涂装工艺要求，这项技术被称为红外或远红外加热。