1 高紅外技術(shù)原理

紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)為0．75μm～1000μm，介于電磁波和可見(jiàn)光之間,，以輻射的形式向外傳播。紅外線(xiàn)的主要作用是熱作用。按照波長(zhǎng)劃分,，紅外線(xiàn)可分為遠(yuǎn)紅外 (4μm以上，輻射溫度＜600℃),、中紅外 (2.0～4μm,，輻射溫度800～900℃)及近紅外(0.75～2.0μm，輻射溫度＞2000℃),。紅外加熱器的輻射體溫度與波長(zhǎng)的關(guān)系及特性值見(jiàn)表1,。

表1  紅外加熱器的輻射體溫度與波長(zhǎng)的關(guān)系及特性

大多數(shù)有機(jī)物和水等的吸收光譜，在0.5μm~25μm范圍內(nèi),。當(dāng)輻射源的波長(zhǎng)與被加熱物質(zhì)的吸收波長(zhǎng)一致時(shí),，該物質(zhì)就易于吸收輻射能。由普朗克熱輻射定律可知,，紅外輻射能量可用下式表示：

式中：Exb－輻射能量,，W／cm2；

ελ－發(fā)熱體元件光譜輻射系數(shù),；c1,、c2—常數(shù)；

λ1,，λ2－分別為工件表面紅外吸收光譜范圍（λ1=2.0μm,， λ2＝15μm )。

元件的輻射能量可表示為：

由上式可知,，輻射元件的輻射能與輻射器表面溫度的四次方成正比,。

光譜波長(zhǎng)匹配率(Q)＝工件吸收光譜特性／元件輻射光譜特性，即：

當(dāng)工件吸收光譜在2.0～15μm波段，輻射元件表面溫度T1＝450℃(723K)時(shí),，帶入上式得：Q1=96％,；同理，T2＝1000℃(1273K)時(shí),，Q2＝69％,；T3＝2500℃時(shí)，Q3＝24％,。從波長(zhǎng)匹配角度來(lái)看,，輻射元件發(fā)射的可見(jiàn)光成分越少，匹配吸收愈好,。但是,，匹配吸收不僅要波長(zhǎng)匹配，更重要的是能量匹配,，設(shè)其匹配率為W,，則：

W＝元件輻射能量／元件輸入能量

紅外匹配吸收則為：

當(dāng)元件表面溫度為450℃時(shí)，遠(yuǎn)紅外匹配吸收Q?W＝0.960×0.62＝0.59,；當(dāng)元件表面溫度為2500℃時(shí),，Q?W＝0.24×0.88＝0.21。由于遠(yuǎn)紅外波段的輻射能量低,，匹配效果就不太好,。

工件吸收光譜在0.38～2.0μm波段時(shí)，輻射元件表面溫度分別為T(mén)1=450℃,、T2＝1000℃,、T3＝2500℃，按波長(zhǎng)匹配率,，Q1=4％,、Q2＝31％、Q3=76％,。

因此,，在短波段范圍內(nèi)高溫輻射元件，即使按波長(zhǎng)匹配也是隨溫度不斷提高,，采用高溫輻射元件將達(dá)到更高的熱效率。此時(shí)輻射是全波段的,，屬高能量強(qiáng)力紅外輻射,，此類(lèi)輻射加熱也稱(chēng)之為高紅外輻射加熱。其輻射元件稱(chēng)為高能量全波段紅外輻射加熱器,。因此,，高紅外實(shí)質(zhì)是：高能量、高密度、高強(qiáng)度全波段瞬間起動(dòng)的強(qiáng)力紅外輻射技術(shù),。俗稱(chēng)高紅外,。

物質(zhì)的分子在吸收紅外能后，可使光子的能量完全轉(zhuǎn)變成分子的振動(dòng)即轉(zhuǎn)動(dòng)能量,；也可使分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量發(fā)生改變,。并且，振動(dòng)光譜有一種加寬振動(dòng),、轉(zhuǎn)動(dòng)的作用,，能擴(kuò)大以平衡位置為中心的振幅，加劇其內(nèi)部的振動(dòng),。由于電子的運(yùn)動(dòng)和分子的振動(dòng)是處在極高的速度下,，這種運(yùn)動(dòng)不斷地使晶格、鍵團(tuán)的振動(dòng)在其相互間產(chǎn)生碰撞,。這種運(yùn)動(dòng)狀況的變化,，猶如兩種快速運(yùn)轉(zhuǎn)的物體加快了摩擦而發(fā)熱升溫，所以,，其升溫速度快,。同時(shí)，紅外輻射加熱物品時(shí),，是按照紅外輻射能穿透的部位,，其溫度往往比表面來(lái)得高。

2 高紅外輻射在鋁型材涂層快速固化

有機(jī)涂層固化工藝過(guò)程可分為兩個(gè)階段：即擴(kuò)散階段與固化階段,。擴(kuò)散階段是熱輻射透入涂層的階段,，主要是基材與涂層的預(yù)熱升溫，揮發(fā)組分的擴(kuò)散移出,；固化階段亦稱(chēng)動(dòng)力學(xué)階段,，是輻射作用于化學(xué)鍵的固化階段，這—階段要求有較高的溫度,，在此階段所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的速度制約著干燥過(guò)程的進(jìn)程,，而化學(xué)反應(yīng)的速度根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的規(guī)程，溫度每升高10℃可提高化學(xué)反應(yīng)速度1～3倍,，因此,，這—階段最好采用3μm波段左右的高溫輻射。

各類(lèi)有機(jī)涂層的成分中大都含有羥基和羧基,，其固有振蕩頻率相應(yīng)的波長(zhǎng)在2.8～3.0μm,，因此當(dāng)紅外輻射源的發(fā)射波長(zhǎng)與有機(jī)涂層的強(qiáng)吸收頻帶對(duì)應(yīng)時(shí)，則該輻射能直接作用于化學(xué)鍵,，形成諧振狀態(tài)并引起鍵的斷裂,，以達(dá)到快速干燥與固化的目的。 

由于工件的質(zhì)量、體積,、表面積,、導(dǎo)熱系數(shù)的不同，工件在固化工藝溫度下所經(jīng)過(guò)的時(shí)間也有很大的不同,，因而對(duì)鋁型材而言,，縮短固化時(shí)間是完全可能的。

實(shí)現(xiàn)快速固化要達(dá)到下面3個(gè)條件：

(1)保證工件在固化過(guò)程中上,、中,、下溫度均勻；

(2)不論工件大小,、質(zhì)量如何,，元件必須能瞬間提供大能量的熱源；

(3)保證工件表面達(dá)到較高溫度,。

常規(guī)的設(shè)備(熱風(fēng)爐和遠(yuǎn)紅外爐)都無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述3點(diǎn),。

在一定溫度范圍內(nèi)，固化效果通常與溫度和時(shí)間的乘積成正比,，因而提高溫度可以縮短固化時(shí)間,。不同的加熱方式采取同一固化工藝則效果不同。實(shí)踐和理論都證明快速固化是可以實(shí)現(xiàn)的,。采用輻射傳熱可以縮短固化時(shí)間,。經(jīng)快速固化的鋁型材表面豐滿(mǎn)度、光潔度均比同樣條件下傳統(tǒng)工藝好,。

3 高紅外加熱元件與設(shè)備技術(shù)分析

3.1 石英玻璃加熱器技術(shù)分析

石英玻璃高紅外輻射元件的熱源為鎢絲,，溫度高達(dá)2200～2400℃，輻射短波能量屬近紅外線(xiàn),；熱源外罩石英管,，由于衰減，外面溫度約800℃,，輻射中波紅外線(xiàn),；背襯不銹鋼，溫度可達(dá)500～600℃,，輻射低能量遠(yuǎn)紅外線(xiàn),。各波段紅外線(xiàn)成分占有比例不均等，使之被加熱物的吸收有最佳的能量匹配,，并伴隨有快速熱相應(yīng)特征,。使用壽命5000小時(shí)，從傳熱學(xué)分析,，石英玻璃加熱熱效率在50~60%左右。

3.2 高能量全波段紅外輻射加熱器技術(shù)分析

根據(jù)傳熱學(xué)電磁波輻射與有機(jī)涂層的固化波長(zhǎng)的匹配原理，可以由涂層的波長(zhǎng)與加熱源的輻射波長(zhǎng)相匹配即可達(dá)到快速固化的目的,，傳熱效率在85~90%,。

4 高紅外烘爐設(shè)計(jì)原理

工業(yè)爐的加熱過(guò)程是依靠熱的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。在高溫下,，熱交換主要靠熱輻射，熱傳導(dǎo)可忽略不計(jì),。

在高溫下,，熱輻射成為熱能傳遞的主要部分，它與溫度的4次方之差成正比,，也與熱輻射系數(shù)（熱輻射率）成正比,。

采用現(xiàn)代高輻射率涂層技術(shù)，可以取得改變材料表面的熱輻射率,、提高熱交換效率,、縮短加熱時(shí)間、提高生產(chǎn)效率,、節(jié)約能源,、延長(zhǎng)爐體及熱交換部件的使用壽命等效果。

高能量全波段紅外輻射加熱器產(chǎn)生的紅外輻射以電磁波的形式將能量傳遞出去,，具有瞬時(shí)加熱,、節(jié)能顯著，且占地面積小的特點(diǎn),。由于它的波長(zhǎng)覆蓋了紅外線(xiàn)的整個(gè)波段,，有利于涂料中粒子的流平和交聯(lián)反應(yīng)迅速進(jìn)行；并使涂層交聯(lián)迅速揮發(fā),，加快固化,、流平速度和減少涂裝缺陷。實(shí)現(xiàn)涂膜快速固化,，同時(shí)提高了涂層質(zhì)量,。

與傳統(tǒng)加熱源相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）比普通電熱絲加熱方式節(jié)電80％以上,。

（2）與熱風(fēng)爐比較,，生產(chǎn)效率可提高2～6倍。

（3）在現(xiàn)有熱風(fēng)爐基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,，投資費(fèi)用可在0.5～2年內(nèi)回收,。

（4）與電熱風(fēng)爐相比可降低30～50％裝機(jī)容量。

（5）占地面積為常規(guī)設(shè)備的1/6—1/2,，節(jié)省設(shè)備投資,。

加熱器的電氣控制,，有直通式、恒溫控制和恒功率控制多種不同形式的控制方式,，以適應(yīng)不同的加熱環(huán)境,。

5 高紅外固化鋁型材粉末噴涂和電泳涂層試驗(yàn)

5.1 福建南平鋁業(yè)有限公司實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）粉末靜電噴涂固化試驗(yàn)。試驗(yàn)樣分別采用200mm×100mm的鋁板和長(zhǎng)200mm的L8607 

1）前處理工藝：

除油：常溫,，5min,，以實(shí)際除油效果表面不掛水珠為準(zhǔn)。 

水洗：自來(lái)水沖洗后用純水噴淋,。

鉻化：常溫,，5min，以顏色判斷,。

水洗：自來(lái)水沖洗后用純水噴淋,。

烘干：90℃，5min,。

（2）固化試驗(yàn)：高紅外固化爐總功率為27Kw,。分別噴白色亮光粉、白色砂紋粉和木紋粉,。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表：

表2  RAL9016白色亮光粉 

表3  PJA2195A白色砂紋粉 

表4  MW0502 砂紋粉 

5.2 電泳涂層固化試驗(yàn)

首先：試驗(yàn)樣采用長(zhǎng)200mm的L8607,。

（1）前處理工藝：

氧化處理：委托樂(lè)祥鋁業(yè)在線(xiàn)氧化。

電泳：電泳電源為五源公司自制電源,，電壓100V,靜置30s,。

（2）固化試驗(yàn)：高紅外固化爐總功率為27Kw。分別對(duì)樂(lè)祥鋁業(yè)和華業(yè)鋁業(yè)的電泳漆進(jìn)行固化試驗(yàn),。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表：

表5 樂(lè)祥鋁業(yè)的電泳槽液 

表6 華業(yè)鋁業(yè)的電泳槽液 

6 項(xiàng)目可行性分析

6.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）通過(guò)高紅外固化的粉末噴涂涂層劃格試驗(yàn),、鉛筆硬度全部合格，耐沖擊試驗(yàn)亮光粉全部合格,，砂紋粉大部分合格,，耐溶劑普遍偏差，這與生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果相吻合,。電泳涂層鉛筆硬度,、水煮試驗(yàn)全部合格，耐堿試驗(yàn)不理想,，這與生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果也吻合,；

（2）從以上試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看采用高紅外固化粉末涂層和電泳涂層是可行的，無(wú)論是固化時(shí)間,，還是能耗方面,，都具有很大的優(yōu)勢(shì)；

（3）雖然粉末噴涂涂層比電泳涂層膜厚更高,，但電泳涂層固化時(shí)間明顯比粉末噴涂涂層固化時(shí)間長(zhǎng),。分析其主要原因是：電泳漆膜是含水涂層,，在固化前需要脫水；

（4）從試驗(yàn)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn),，功率匹配是固化合格的關(guān)鍵,，必須確保烘烤過(guò)程中輻射器均在工作。停止輻射,，只靠溫度保溫，則固化時(shí)間將相應(yīng)延長(zhǎng),；

（5）由于試驗(yàn)烘烤爐只有熱風(fēng)攪拌裝置,，而沒(méi)有熱風(fēng)循環(huán)裝置，輻射功率需人工調(diào)節(jié),，沒(méi)有自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng),，烘烤爐爐溫控制需通過(guò)開(kāi)啟、關(guān)閉爐門(mén)控制等設(shè)備條件的限制,，有待于設(shè)備改進(jìn)后做進(jìn)一步的試驗(yàn),。

6.2 高紅外熱輻射固化影響因素分析

從以上試驗(yàn)分析，高紅外熱輻射固化影響因素有以下幾個(gè)方面：

（1）涂層材料：不同涂層材料的黑度（即吸收能力）不一樣,，黑度高的材料吸收能量強(qiáng),，熱效率高。涂料的黑度多數(shù)在0.80～0.90之間,。含水涂層固化時(shí)間需更長(zhǎng),；

（2）介質(zhì)：固化爐中的水分和溶劑蒸汽會(huì)吸收輻射能，并使輻射量衰減,，不利于涂膜烘干,，應(yīng)及時(shí)排除；

（3）輻射距離：輻射距離對(duì)固化效果有很大的影響,。為了使涂膜有效地獲得輻射能量,，輻射距離不能太遠(yuǎn)。一般平板為100mm,，較復(fù)雜工件取250～300mm,；

（4）溫度均與性：由于輻射存在輻射陰影，爐溫均勻性顯得更為重要,，因此在使用高紅外輻射源的同時(shí),，必須同時(shí)進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)；

（5）輻射器布置：由于輻射器表面溫度很高,，不能忽視熱空氣的自然對(duì)流導(dǎo)致室體上部溫度較高,。因此在高度方向，輻射器數(shù)量自下而上遞減,。