涂層短波強輻射固化設備的設計

于喜年，劉軍，趙月紅

（大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028）

涂層短波強輻射固化設備的設計

于喜年*，劉軍，趙月紅

（大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028）

在表面涂裝領域，工件表面涂層固化系統采用短波強輻射固化技術可以縮短涂層固化時間，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量。本文介紹了強輻射加熱技術的原理，分析了短波強輻射加熱與對流–傳導加熱的本質區別以及固化設備室體內溫度的控制規律，論述了涂層短波強輻射固化設備的主要組成部分和設計要點，研究了室體骨架、強輻射加熱器和微風逆循環系統的結構。

涂層；固化設備；短波輻射；設計

1 前言

現代工業產品的表面涂裝質量與過去相比要求越來越高，不但對涂料與涂裝工藝提出了高的要求，而且對涂裝設備，尤其是涂裝工藝中的固化設備，也提出了高要求。這些要求面臨著沖破傳統技術的挑戰。隨著量子物理學，輻射加熱、輻射傳輸等理論、技術在本世紀的快速發展，涂裝固化設備的關鍵技術也有所變化。涂層短波強輻射固化設備綜合應用了短波輻射固化、輻射換熱等技術，能夠滿足現代工業產品的表面涂層質量標準要求。此種設備具備節約能源，經濟環保，控溫準確，操作靈活可靠和占地小等優勢[1]。

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

2 短波強輻射加熱原理

短波強輻射固化實質是輻射體和工件涂層之間輻射能與熱能的轉換以及輻射波長的匹配吸收，即輻射元件通過石英玻璃載體將輻射能直接轉換為熱能，被工件涂層所吸收。由于傳導對流加熱、能量傳遞需有介質參與，故溫度隨著傳遞距離的增加而逐漸降低。而短波強輻射固化則具有無需傳熱介質即可實現能量傳遞，在輻射體與工件的有效距離內能量衰減最小的優點。但輻射傳熱具有方向性，輻射能的高低受波長影響較大，故輻射溫度按波長(λ)分布。在輻射加熱過程中，因工件涂層本身對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射的光譜[2]。為了有效增強輻射能和熱能的轉換與利用，輻射元件所發射光譜的波長不但要與工件涂層所吸收光譜的波長匹配，而且工件涂層所吸收輻射能的峰值區域應在輻射元件所發射輻射能區域之內。

3 短波強輻射固化設備設計

3. 1 短波強輻射固化設備的組成

短波強輻射固化設備主要由室體骨架、強輻射固化系統、循環風系統、保溫壁板與控溫系統組成。強輻射固化設備局部如圖1所示。

圖1 強輻射固化設備局部示意圖Figure 1 Partial schematic diagram of intense radiation curing equipment

3. 2 短波強輻射固化設備設計

短波強輻射固化設備包括輻射加熱系統、循環風系統、溫度控制系統等，其技術要求相對較高，結合以往設計經驗，需要對輻射元件、溫度場、輻射場進行設計，并考慮固化設備內升溫段、恒溫段、降溫段等溫度變化的高低以及保溫壁板熱量損失，壁板強度、厚度等因素。

固化設備室體按工件最大外形尺寸設計，采用直通式結構。為防止熱量外泄，提高熱能利用率，固化設備出入口采用程控式折疊仿形門設計。固化設備室體采用雙層骨架結構，使內外層骨架斷開，減少熱量傳導，并通過螺栓把合將雙層骨架連接成自由伸縮狀態，以利于熱脹冷縮。為避免固化設備外壁溫升過高，保溫隔熱材料一般選用熱容較小、導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。

循環風系統采用微風逆循環技術[2]，主要由蝶閥、吸風管路、送風管路和調速風機組成。其主要作用是保證被加熱工件內外表面固化溫度均勻一致，其次是保證涂層內揮發的可燃性溶劑等氣體迅速被排出并進行催化燃燒。設計循環風系統時，須考慮適當的風速、風壓和流量，選取型號適合的循環風機，并采取減震降噪措施。

固化設備采用短波強輻射加熱元件。一般情況下，依據固化設備有效空間、工件尺寸、傳輸速度以及涂層固化溫度等條件，布置短波強輻射元件功率及數量；根據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]，進而確定強輻射元件的規格。忽略環境溫度影響時，單支強輻射加熱器輻射能量轉換率的計算公式為：

式中，η為輻射能量轉換率；電熱元件相對輻射率ελ≤0.92；普朗克常數h = 6.626 176 × 10?34J·s；λ為波長，μm；第一輻射常數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σ = 5.670 38 × 10?8W/(m2·K4)；T為絕對溫度，K。

輻射能量轉換率公式表明，增加輻射面積將有效提高輻射效率，所以在設計加熱系統過程中，將強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合透明石英玻璃雙拋管，并在拋物面狀管壁外側鍍鉻或鍍金處理，以滿足定向輻射的需要。

由普朗克定律直接推導的維恩位移定律簡單表達式[4]為：

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

依工件尺寸及其表面質量要求，按輻照密度和功率密度原理，將雙拋管狀強輻射加熱器安裝在反射板上。根據文獻[5]的論述，反射板需呈拋物面狀，且兩組反射板開口相對，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)，借助微風逆循環系統的作用，使工件表面涂層所吸收的輻射能和固化溫度更加均勻，固化設備內仿形區域的溫差可達±3 °C，輻射元件與工件間的距離控制在0.25 ～ 0.45 m。

圖2 強輻射固化設備的室體結構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

固化設備室體內溫度應根據工件表面涂料性能指標進行設置。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，在強輻射加熱器輻射波長基本不變的條件下，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。在工件進入固化設備室體內的升溫段，涂層底部溶劑揮發最快。由實驗獲得溶劑揮發與固化溫度、時間關系曲線如圖4所示。

圖4 固化溫度與時間的關系Figure 4 Relationship between curing temperature and time

根據固化溫度與時間關系曲線和“匹配吸收”原理，采用微機自動控制方式調整加熱功率的輸出。在控制固化溫度時，把固化設備的裝機總功率分配為常通回路、自動控制回路和升溫加熱回路，并進行程序調整。升溫階段全功率運行至涂層固化所需溫度后自動關停升溫回路，進入控溫保溫狀態；在保溫階段，由常通回路和自動控制回路運行，保證強輻射加熱器在額定狀態下工作，實現全波段強輻射加熱。合理分配各控溫段的加熱功率，盡量減少控溫過程對電網壓降的影響以及熱慣性對控溫精度的沖擊，保證控溫精度的準確和控溫過程的穩定。

4 結語

表面涂層固化設備應用了短波強輻射加熱技術和微風逆循環技術，具有加熱迅速、深層輻射、節約能源、維修方便等特點，是對傳統固化設備的突破。固化涂層由里及表加熱，底層溶劑迅速揮發，有效避免了溶劑滯留涂層底部而產生的氣泡、針孔乃至龜裂現象。采用短波強輻射加熱技術，結合溫度控制手段和保溫措施，可以很好地發揮新型固化設備的優點并應用到實際生產中。

[1] 于喜年, 楊紅梅. 輻射加熱技術在電機表面涂裝上的應用[J]. 遼寧工學院學報, 2005, 25 (2): 121-122.

[2] 于喜年. 超短波輻射與表面涂裝[J]. 表面技術, 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的數值計算——計算熱輻射學[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2006.

[4] 余其錚. 輻射換熱原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 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]. 北京印刷學院學報, 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

遼寧省教育廳科學研究計劃資助項目（2009A123）。

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

作者聯系方式：(E-mail) xny1960@163.com。

[ 編輯：韋鳳仙 ]