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高红外热辐射固化技术在铝型材喷涂中的应用

2018-11-08 11:29:28
红外线加热管

1 高红外技术原理

红外线的波长为0.75μm~1000μm,介于电磁波和可见光之间,以辐射的形式向外传播。红外线的主要作用是热作用。按照波长划分,红外线可分为远红外 (4μm以上,辐射温度<600℃)、中红外 (2.0~4μm,辐射温度800~900℃)及近红外(0.75~2.0μm,辐射温度>2000℃)。红外加热器的辐射体温度与波长的关系及特性值见表1。

表1  红外加热器的辐射体温度与波长的关系及特性

大多数有机物和水等的吸收光谱,在0.5μm~25μm范围内。当辐射源的波长与被加热物质的吸收波长一致时,该物质就易于吸收辐射能。由普朗克热辐射定律可知,红外辐射能量可用下式表示:

红外辐射能量计算公式

式中:Exb-辐射能量,W/cm2;

ελ-发热体元件光谱辐射系数;c1、c2—常数;

λ1,λ2-分别为工件表面红外吸收光谱范围(λ1=2.0μm, λ2=15μm )。

元件的辐射能量可表示为:

元件的辐射能量计算公式

由上式可知,辐射元件的辐射能与辐射器表面温度的四次方成正比。

光谱波长匹配率(Q)=工件吸收光谱特性/元件辐射光谱特性,即:

光谱波长匹配率(Q)=工件吸收光谱特性/元件辐射光谱特性

当工件吸收光谱在2.0~15μm波段,辐射元件表面温度T1=450℃(723K)时,带入上式得:Q1=96%;同理,T2=1000℃(1273K)时,Q2=69%;T3=2500℃时,Q3=24%。从波长匹配角度来看,辐射元件发射的可见光成分越少,匹配吸收愈好。但是,匹配吸收不仅要波长匹配,更重要的是能量匹配,设其匹配率为W,则:

W=元件辐射能量/元件输入能量

    红外匹配吸收则为:

   红外匹配吸收

当元件表面温度为450℃时,远红外匹配吸收Q?W=0.960×0.62=0.59;当元件表面温度为2500℃时,Q?W=0.24×0.88=0.21。由于远红外波段的辐射能量低,匹配效果就不太好。

工件吸收光谱在0.38~2.0μm波段时,辐射元件表面温度分别为T1=450℃、T2=1000℃、T3=2500℃,按波长匹配率,Q1=4%、Q2=31%、Q3=76%。

因此,在短波段范围内高温辐射元件,即使按波长匹配也是随温度不断提高,采用高温辐射元件将达到最高的热效率。此时辐射是全波段的,属高能量强力红外辐射,此类辐射加热也称之为高红外辐射加热。其辐射元件称为高能量全波段红外辐射加热器。因此,高红外实质是:高能量、高密度、高强度全波段瞬间起动的强力红外辐射技术。俗称高红外。

物质的分子在吸收红外能后,可使光子的能量完全转变成分子的振动即转动能量;也可使分子的转动能量发生改变。并且,振动光谱有一种加宽振动、转动的作用,能扩大以平衡位置为中心的振幅,加剧其内部的振动。由于电子的运动和分子的振动是处在极高的速度下,这种运动不断地使晶格、键团的振动在其相互间产生碰撞。这种运动状况的变化,犹如两种快速运转的物体加快了摩擦而发热升温,所以,其升温速度快。同时,红外辐射加热物品时,是按照红外辐射能穿透的部位,其温度往往比表面来得高。

2 高红外辐射在铝型材涂层快速固化

有机涂层固化工艺过程可分为两个阶段:即扩散阶段与固化阶段。扩散阶段是热辐射透入涂层的阶段,主要是基材与涂层的预热升温,挥发组分的扩散移出;固化阶段亦称动力学阶段,是辐射作用于化学键的固化阶段,这—阶段要求有较高的温度,在此阶段所发生的化学反应的速度制约着干燥过程的进程,而化学反应的速度根据化学动力学的规程,温度每升高10℃可提高化学反应速度1~3倍,因此,这—阶段最好采用3μm波段左右的高温辐射。

各类有机涂层的成分中大都含有羟基和羧基,其固有振荡频率相应的波长在2.8~3.0μm,因此当红外辐射源的发射波长与有机涂层的强吸收频带对应时,则该辐射能直接作用于化学键,形成谐振状态并引起键的断裂,以达到快速干燥与固化的目的。 

由于工件的质量、体积、表面积、导热系数的不同,工件在固化工艺温度下所经过的时间也有很大的不同,因而对铝型材而言,缩短固化时间是完全可能的。

实现快速固化要达到下面3个条件:

(1)保证工件在固化过程中上、中、下温度均匀;

(2)不论工件大小、质量如何,元件必须能瞬间提供大能量的热源;

(3)保证工件表面达到较高温度。

常规的设备(热风炉和远红外炉)都无法同时实现上述3点。

在一定温度范围内,固化效果通常与温度和时间的乘积成正比,因而提高温度可以缩短固化时间。不同的加热方式采取同一固化工艺则效果不同。实践和理论都证明快速固化是可以实现的。采用辐射传热可以缩短固化时间。经快速固化的铝型材表面丰满度、光洁度均比同样条件下传统工艺好。

3 高红外加热元件与设备技术分析

3.1 石英玻璃加热器技术分析

石英玻璃高红外辐射元件的热源为钨丝,温度高达2200~2400℃,辐射短波能量属近红外线;热源外罩石英管,由于衰减,外面温度约800℃,辐射中波红外线;背衬不锈钢,温度可达500~600℃,辐射低能量远红外线。各波段红外线成分占有比例不均等,使之被加热物的吸收有最佳的能量匹配,并伴随有快速热相应特征。使用寿命5000小时,从传热学分析,石英玻璃加热热效率在50~60%左右。

3.2 高能量全波段红外辐射加热器技术分析

根据传热学电磁波辐射与有机涂层的固化波长的匹配原理,可以由涂层的波长与加热源的辐射波长相匹配即可达到快速固化的目的,传热效率在85~90%。

4 高红外烘炉设计原理

工业炉的加热过程是依靠热的对流、传导和辐射来实现的。在高温下,热交换主要靠热辐射,热传导可忽略不计。

在高温下,热辐射成为热能传递的主要部分,它与温度的4次方之差成正比,也与热辐射系数(热辐射率)成正比。

采用现代高辐射率涂层技术,可以取得改变材料表面的热辐射率、提高热交换效率、缩短加热时间、提高生产效率、节约能源、延长炉体及热交换部件的使用寿命等效果。

高能量全波段红外辐射加热器产生的红外辐射以电磁波的形式将能量传递出去,具有瞬时加热、节能显著,且占地面积小的特点。由于它的波长覆盖了红外线的整个波段,有利于涂料中粒子的流平和交联反应迅速进行;并使涂层交联迅速挥发,加快固化、流平速度和减少涂装缺陷。实现涂膜快速固化,同时提高了涂层质量。

与传统加热源相比,有以下优点:

(1)比普通电热丝加热方式节电80%以上。

(2)与热风炉比较,生产效率可提高2~6倍。

(3)在现有热风炉基础上进行改造,投资费用可在0.5~2年内回收。

(4)与电热风炉相比可降低30~50%装机容量。

(5)占地面积为常规设备的1/6—1/2,节省设备投资。

加热器的电气控制,有直通式、恒温控制和恒功率控制多种不同形式的控制方式,以适应不同的加热环境。

5 高红外固化铝型材粉末喷涂和电泳涂层试验

5.1 福建南平铝业有限公司实验结果

(1)粉末静电喷涂固化试验。试验样分别采用200mm×100mm的铝板和长200mm的L8607 

1)前处理工艺:

除油:常温,5min,以实际除油效果表面不挂水珠为准。 

水洗:自来水冲洗后用纯水喷淋。

铬化:常温,5min,以颜色判断。

水洗:自来水冲洗后用纯水喷淋。

烘干:90℃,5min。

(2)固化试验:高红外固化炉总功率为27Kw。分别喷白色亮光粉、白色砂纹粉和木纹粉。试验结果见下表:

表2  RAL9016白色亮光粉 

RAL9016白色亮光粉试验结果表

表3  PJA2195A白色砂纹粉 

PJA2195A白色砂纹粉试验结果

表4  MW0502 砂纹粉 

 MW0502 砂纹粉试验结果

5.2 电泳涂层固化试验

首先:试验样采用长200mm的L8607。

(1)前处理工艺:

氧化处理:委托乐祥铝业在线氧化。

电泳:电泳电源为五源公司自制电源,电压100V,静置30s。

(2)固化试验:高红外固化炉总功率为27Kw。分别对乐祥铝业和华业铝业的电泳漆进行固化试验。试验结果见下表:

表5 乐祥铝业的电泳槽液 

乐祥铝业的电泳槽液

表6 华业铝业的电泳槽液 

华业铝业的电泳槽液

6 项目可行性分析

6.1 试验结果分析

(1)通过高红外固化的粉末喷涂涂层划格试验、铅笔硬度全部合格,耐冲击试验亮光粉全部合格,砂纹粉大部分合格,耐溶剂普遍偏差,这与生产线产品的检测结果相吻合。电泳涂层铅笔硬度、水煮试验全部合格,耐碱试验不理想,这与生产线产品的检测结果也吻合;

(2)从以上试验结果来看采用高红外固化粉末涂层和电泳涂层是可行的,无论是固化时间,还是能耗方面,都具有很大的优势;

(3)虽然粉末喷涂涂层比电泳涂层膜厚更高,但电泳涂层固化时间明显比粉末喷涂涂层固化时间长。分析其主要原因是:电泳漆膜是含水涂层,在固化前需要脱水;

(4)从试验过程中可以发现,功率匹配是固化合格的关键,必须确保烘烤过程中辐射器均在工作。停止辐射,只靠温度保温,则固化时间将相应延长;

(5)由于试验烘烤炉只有热风搅拌装置,而没有热风循环装置,辐射功率需人工调节,没有自动反馈调节系统,烘烤炉炉温控制需通过开启、关闭炉门控制等设备条件的限制,有待于设备改进后做进一步的试验。

6.2 高红外热辐射固化影响因素分析

从以上试验分析,高红外热辐射固化影响因素有以下几个方面:

(1)涂层材料:不同涂层材料的黑度(即吸收能力)不一样,黑度高的材料吸收能量强,热效率高。涂料的黑度多数在0.80~0.90之间。含水涂层固化时间需更长;

(2)介质:固化炉中的水分和溶剂蒸汽会吸收辐射能,并使辐射量衰减,不利于涂膜烘干,应及时排除;

(3)辐射距离:辐射距离对固化效果有很大的影响。为了使涂膜有效地获得辐射能量,辐射距离不能太远。一般平板为100mm,较复杂工件取250~300mm;

(4)温度均与性:由于辐射存在辐射阴影,炉温均匀性显得更为重要,因此在使用高红外辐射源的同时,必须同时进行热风循环;

(5)辐射器布置:由于辐射器表面温度很高,不能忽视热空气的自然对流导致室体上部温度较高。因此在高度方向,辐射器数量自下而上递减。

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