1 高紅外技術原(yuan)理(li)

紅(hong)(hong)(hong)外線(xian)的(de)波長為0．75μm～1000μm，介于電磁波和可見光之間，以輻(fu)(fu)射(she)的(de)形式向外傳(chuan)播。紅(hong)(hong)(hong)外線(xian)的(de)主要作用是(shi)熱作用。按照波長劃分(fen)，紅(hong)(hong)(hong)外線(xian)可分(fen)為遠(yuan)紅(hong)(hong)(hong)外 (4μm以上(shang)，輻(fu)(fu)射(she)溫度＜600℃)、中紅(hong)(hong)(hong)外 (2.0～4μm，輻(fu)(fu)射(she)溫度800～900℃)及(ji)(ji)近紅(hong)(hong)(hong)外(0.75～2.0μm，輻(fu)(fu)射(she)溫度＞2000℃)。紅(hong)(hong)(hong)外加熱器的(de)輻(fu)(fu)射(she)體溫度與波長的(de)關系(xi)及(ji)(ji)特性值見表(biao)1。

表1  紅外(wai)加熱器的(de)輻射體溫度與波長的(de)關(guan)系(xi)及特性

大多數有機物和水等的(de)吸(xi)收光(guang)譜，在(zai)0.5μm~25μm范圍內(nei)。當輻(fu)(fu)射源的(de)波長與被(bei)加(jia)熱物質的(de)吸(xi)收波長一(yi)致時，該物質就易于吸(xi)收輻(fu)(fu)射能(neng)(neng)。由普朗克熱輻(fu)(fu)射定(ding)律可知，紅外輻(fu)(fu)射能(neng)(neng)量可用下式(shi)表示：

式中(zhong)：Exb－輻射能量，W／cm2；

ελ－發熱體元件光譜(pu)輻(fu)射系數(shu)；c1、c2—常數(shu)；

λ1，λ2－分別為工件(jian)表面紅外吸收光(guang)譜范(fan)圍(wei)（λ1=2.0μm， λ2＝15μm )。

元件的輻射能(neng)量(liang)可表示為：

由上(shang)式可知，輻射元件的輻射能與(yu)輻射器(qi)表面溫度(du)的四次(ci)方成正比。

光譜波長匹配率(Q)＝工件吸(xi)收(shou)光譜特性／元件輻(fu)射(she)光譜特性，即：

當工(gong)件(jian)吸收(shou)光(guang)譜在2.0～15μm波(bo)段(duan)，輻射元(yuan)件(jian)表面溫度(du)T1＝450℃(723K)時，帶入上(shang)式(shi)得(de)：Q1=96％；同理，T2＝1000℃(1273K)時，Q2＝69％；T3＝2500℃時，Q3＝24％。從波(bo)長匹(pi)(pi)配角(jiao)度(du)來看，輻射元(yuan)件(jian)發(fa)射的可(ke)見(jian)光(guang)成分越(yue)少，匹(pi)(pi)配吸收(shou)愈好。但是(shi)，匹(pi)(pi)配吸收(shou)不僅要波(bo)長匹(pi)(pi)配，更重要的是(shi)能量(liang)匹(pi)(pi)配，設其匹(pi)(pi)配率為W，則：

W＝元(yuan)件(jian)輻射能量／元(yuan)件(jian)輸(shu)入(ru)能量

紅外(wai)匹配吸收則為：

當元(yuan)件(jian)表面溫度為450℃時(shi)(shi)，遠紅外匹(pi)配吸收Q?W＝0.960×0.62＝0.59；當元(yuan)件(jian)表面溫度為2500℃時(shi)(shi)，Q?W＝0.24×0.88＝0.21。由(you)于遠紅外波段(duan)的輻射能量低，匹(pi)配效果就不太(tai)好(hao)。

工(gong)件(jian)(jian)吸收光(guang)譜(pu)在0.38～2.0μm波段時，輻射元(yuan)件(jian)(jian)表面(mian)溫度分(fen)別為T1=450℃、T2＝1000℃、T3＝2500℃，按波長(chang)匹配率(lv)，Q1=4％、Q2＝31％、Q3=76％。

因此(ci)(ci)，在短(duan)波(bo)段(duan)范圍(wei)內(nei)高(gao)(gao)(gao)溫輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)元件(jian)，即使按(an)波(bo)長匹配也是(shi)隨(sui)溫度(du)不斷提高(gao)(gao)(gao)，采用(yong)高(gao)(gao)(gao)溫輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)元件(jian)將達(da)到更高(gao)(gao)(gao)的(de)熱效率。此(ci)(ci)時輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)是(shi)全波(bo)段(duan)的(de)，屬高(gao)(gao)(gao)能(neng)量(liang)強力紅(hong)(hong)外(wai)(wai)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)，此(ci)(ci)類(lei)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)加(jia)熱也稱之為高(gao)(gao)(gao)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)加(jia)熱。其輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)元件(jian)稱為高(gao)(gao)(gao)能(neng)量(liang)全波(bo)段(duan)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)加(jia)熱器。因此(ci)(ci)，高(gao)(gao)(gao)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)實質是(shi)：高(gao)(gao)(gao)能(neng)量(liang)、高(gao)(gao)(gao)密度(du)、高(gao)(gao)(gao)強度(du)全波(bo)段(duan)瞬間起動的(de)強力紅(hong)(hong)外(wai)(wai)輻(fu)(fu)射(she)(she)(she)(she)技(ji)術。俗(su)稱高(gao)(gao)(gao)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)。

物(wu)質的(de)分子(zi)(zi)在吸(xi)收紅外能(neng)后，可使光子(zi)(zi)的(de)能(neng)量(liang)完全轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)變(bian)成分子(zi)(zi)的(de)振(zhen)動(dong)即轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)能(neng)量(liang)；也可使分子(zi)(zi)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)能(neng)量(liang)發生改變(bian)。并且，振(zhen)動(dong)光譜有(you)一種加(jia)寬振(zhen)動(dong)、轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)的(de)作用，能(neng)擴大以平衡位置為中心的(de)振(zhen)幅，加(jia)劇其(qi)內(nei)部的(de)振(zhen)動(dong)。由于電子(zi)(zi)的(de)運(yun)(yun)動(dong)和分子(zi)(zi)的(de)振(zhen)動(dong)是處在極高的(de)速度下，這種運(yun)(yun)動(dong)不斷地使晶格、鍵團的(de)振(zhen)動(dong)在其(qi)相互間產生碰撞。這種運(yun)(yun)動(dong)狀況(kuang)的(de)變(bian)化，猶如兩種快(kuai)速運(yun)(yun)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)的(de)物(wu)體加(jia)快(kuai)了摩擦(ca)而發熱(re)升溫，所以，其(qi)升溫速度快(kuai)。同時(shi)，紅外輻射(she)加(jia)熱(re)物(wu)品時(shi)，是按照紅外輻射(she)能(neng)穿(chuan)透的(de)部位，其(qi)溫度往往比(bi)表面來得高。

2 高紅外輻射在鋁型(xing)材涂層快(kuai)速固(gu)化

有機涂(tu)層(ceng)固化(hua)工藝(yi)過程(cheng)可分為兩個階(jie)(jie)段(duan)(duan)：即擴散階(jie)(jie)段(duan)(duan)與固化(hua)階(jie)(jie)段(duan)(duan)。擴散階(jie)(jie)段(duan)(duan)是熱輻射透入涂(tu)層(ceng)的(de)(de)階(jie)(jie)段(duan)(duan)，主要是基(ji)材與涂(tu)層(ceng)的(de)(de)預(yu)熱升(sheng)溫，揮(hui)發組分的(de)(de)擴散移出；固化(hua)階(jie)(jie)段(duan)(duan)亦(yi)稱動力(li)學(xue)(xue)(xue)階(jie)(jie)段(duan)(duan)，是輻射作用(yong)于化(hua)學(xue)(xue)(xue)鍵(jian)的(de)(de)固化(hua)階(jie)(jie)段(duan)(duan)，這(zhe)—階(jie)(jie)段(duan)(duan)要求有較高(gao)的(de)(de)溫度(du)，在此(ci)階(jie)(jie)段(duan)(duan)所發生的(de)(de)化(hua)學(xue)(xue)(xue)反(fan)(fan)應的(de)(de)速度(du)制約著干燥過程(cheng)的(de)(de)進程(cheng)，而(er)化(hua)學(xue)(xue)(xue)反(fan)(fan)應的(de)(de)速度(du)根據(ju)化(hua)學(xue)(xue)(xue)動力(li)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)規程(cheng)，溫度(du)每升(sheng)高(gao)10℃可提高(gao)化(hua)學(xue)(xue)(xue)反(fan)(fan)應速度(du)1～3倍，因此(ci)，這(zhe)—階(jie)(jie)段(duan)(duan)最好(hao)采用(yong)3μm波段(duan)(duan)左(zuo)右(you)的(de)(de)高(gao)溫輻射。

各類有機涂層的(de)(de)成(cheng)分中(zhong)大都含有羥基(ji)和(he)羧基(ji)，其固(gu)有振(zhen)蕩頻率相應的(de)(de)波(bo)長(chang)在2.8～3.0μm，因此當紅(hong)外輻射源的(de)(de)發(fa)射波(bo)長(chang)與有機涂層的(de)(de)強吸收(shou)頻帶(dai)對應時，則(ze)該(gai)輻射能直接作用于化(hua)學鍵，形成(cheng)諧振(zhen)狀態并(bing)引(yin)起鍵的(de)(de)斷裂(lie)，以達(da)到快速(su)干燥與固(gu)化(hua)的(de)(de)目的(de)(de)。 

由于工(gong)(gong)件的(de)(de)質量、體積(ji)、表面(mian)積(ji)、導(dao)熱系數的(de)(de)不(bu)同，工(gong)(gong)件在固(gu)化(hua)(hua)工(gong)(gong)藝溫度下所經過(guo)的(de)(de)時間(jian)也有很大的(de)(de)不(bu)同，因而對鋁型材而言，縮短(duan)固(gu)化(hua)(hua)時間(jian)是完(wan)全(quan)可能的(de)(de)。

實現快速(su)固化要(yao)達到下(xia)面3個條件：

(1)保證(zheng)工件在固化過程中上、中、下溫度均勻；

(2)不論工(gong)件大小、質量(liang)如何(he)，元件必須能瞬(shun)間提供大能量(liang)的熱源；

(3)保證工件表(biao)面(mian)達(da)到較高溫度。

常(chang)規的(de)設備(bei)(熱風爐和遠紅外爐)都無法同時實現上述3點。

在一(yi)定(ding)溫度(du)范圍內，固(gu)(gu)化(hua)(hua)效果通常與溫度(du)和時間的(de)乘(cheng)積成正比，因而提高溫度(du)可以縮短固(gu)(gu)化(hua)(hua)時間。不同(tong)(tong)的(de)加熱(re)方式采(cai)取同(tong)(tong)一(yi)固(gu)(gu)化(hua)(hua)工藝(yi)則效果不同(tong)(tong)。實(shi)踐(jian)和理論都證明快速固(gu)(gu)化(hua)(hua)是可以實(shi)現的(de)。采(cai)用輻射傳(chuan)熱(re)可以縮短固(gu)(gu)化(hua)(hua)時間。經快速固(gu)(gu)化(hua)(hua)的(de)鋁(lv)型材表面豐(feng)滿度(du)、光(guang)潔(jie)度(du)均比同(tong)(tong)樣條件(jian)下傳(chuan)統(tong)工藝(yi)好。

3 高(gao)紅外加熱元件與設備技術分析

3.1 石英(ying)玻璃(li)加熱(re)器技術(shu)分析(xi)

石英(ying)(ying)玻璃高(gao)紅(hong)外(wai)(wai)輻射(she)(she)元件的熱(re)(re)源為(wei)鎢(wu)絲(si)，溫度(du)高(gao)達(da)2200～2400℃，輻射(she)(she)短波能量屬(shu)近紅(hong)外(wai)(wai)線(xian)；熱(re)(re)源外(wai)(wai)罩石英(ying)(ying)管(guan)，由于(yu)衰減，外(wai)(wai)面(mian)溫度(du)約800℃，輻射(she)(she)中波紅(hong)外(wai)(wai)線(xian)；背襯不(bu)銹鋼，溫度(du)可達(da)500～600℃，輻射(she)(she)低能量遠紅(hong)外(wai)(wai)線(xian)。各波段紅(hong)外(wai)(wai)線(xian)成分(fen)占(zhan)有比例不(bu)均(jun)等，使之(zhi)被加熱(re)(re)物的吸(xi)收(shou)有最佳的能量匹配，并伴隨有快(kuai)速熱(re)(re)相應特征。使用壽命5000小時，從傳熱(re)(re)學分(fen)析，石英(ying)(ying)玻璃加熱(re)(re)熱(re)(re)效率(lv)在50~60%左右。

3.2 高能量全波段(duan)紅外輻(fu)射(she)加熱器技術分析

根據傳熱(re)學(xue)電磁波(bo)(bo)輻射與有機涂層的(de)固(gu)化(hua)波(bo)(bo)長的(de)匹(pi)配原理，可以由涂層的(de)波(bo)(bo)長與加熱(re)源(yuan)的(de)輻射波(bo)(bo)長相匹(pi)配即可達到快速(su)固(gu)化(hua)的(de)目的(de)，傳熱(re)效率在(zai)85~90%。

4 高紅外烘(hong)爐設計原理

工(gong)業爐的加熱過(guo)程是依靠熱的對流、傳導和輻射(she)來(lai)實現的。在高溫下，熱交換主要(yao)靠熱輻射(she)，熱傳導可忽(hu)略不(bu)計。

在高溫(wen)下(xia)，熱輻射成(cheng)為熱能傳遞(di)的主要(yao)部分，它與(yu)溫(wen)度(du)的4次方(fang)之差成(cheng)正比，也與(yu)熱輻射系數（熱輻射率）成(cheng)正比。

采用現代(dai)高(gao)(gao)輻(fu)射(she)率涂層技術，可以取得(de)改變材料表(biao)面的熱(re)(re)輻(fu)射(she)率、提(ti)高(gao)(gao)熱(re)(re)交換效(xiao)率、縮短加熱(re)(re)時間、提(ti)高(gao)(gao)生產效(xiao)率、節約能源、延長爐(lu)體(ti)及熱(re)(re)交換部件的使(shi)用壽(shou)命等效(xiao)果。

高(gao)能(neng)量(liang)(liang)全(quan)波(bo)段紅外(wai)輻(fu)射(she)加熱(re)器產生的(de)紅外(wai)輻(fu)射(she)以電磁(ci)波(bo)的(de)形式將能(neng)量(liang)(liang)傳遞出去，具有瞬時加熱(re)、節能(neng)顯著，且占地面積小的(de)特點。由于它的(de)波(bo)長覆蓋了(le)(le)紅外(wai)線的(de)整(zheng)個波(bo)段，有利(li)于涂(tu)料中(zhong)粒子的(de)流(liu)平(ping)和交(jiao)聯反應迅(xun)速(su)(su)進行；并(bing)使涂(tu)層交(jiao)聯迅(xun)速(su)(su)揮發，加快固化、流(liu)平(ping)速(su)(su)度(du)和減少涂(tu)裝缺陷。實現(xian)涂(tu)膜快速(su)(su)固化，同時提高(gao)了(le)(le)涂(tu)層質量(liang)(liang)。

與傳統加熱源(yuan)相比，有以下(xia)優點(dian)：

（1）比普通電熱絲加熱方式(shi)節(jie)電80％以上。

（2）與熱風爐比較，生(sheng)產(chan)效率可提高2～6倍。

（3）在現有熱風爐基礎(chu)上進行改造(zao)，投資費用(yong)可在0.5～2年內回收(shou)。

（4）與電(dian)熱風爐相比可降低30～50％裝機(ji)容量。

（5）占地面(mian)積為常(chang)規設備的(de)1/6—1/2，節省設備投資。

加(jia)熱器的電氣控(kong)(kong)制，有直通式(shi)、恒溫(wen)控(kong)(kong)制和(he)恒功率控(kong)(kong)制多種不同(tong)(tong)形式(shi)的控(kong)(kong)制方式(shi)，以適應不同(tong)(tong)的加(jia)熱環境。

5 高紅外(wai)固化鋁型材粉末噴涂(tu)(tu)和電泳涂(tu)(tu)層試驗

5.1 福(fu)建(jian)南(nan)平鋁業(ye)有限公司(si)實驗結果

（1）粉(fen)末靜電噴涂固(gu)化試(shi)驗。試(shi)驗樣分別采用(yong)200mm×100mm的鋁(lv)板和長200mm的L8607 

1）前處(chu)理工藝(yi)：

除油：常溫，5min，以實際除油效果表(biao)面(mian)不掛水珠為(wei)準。 

水(shui)洗：自來水(shui)沖洗后(hou)用純水(shui)噴淋(lin)。

鉻化：常溫(wen)，5min，以顏色(se)判斷。

水(shui)洗：自來(lai)水(shui)沖洗后用純(chun)水(shui)噴淋。

烘干：90℃，5min。

（2）固(gu)化(hua)試驗(yan)：高紅外固(gu)化(hua)爐總功率為27Kw。分(fen)別噴白色(se)亮光粉、白色(se)砂紋粉和木紋粉。試驗(yan)結果見(jian)下表：

表2  RAL9016白色亮光(guang)粉 

表(biao)3  PJA2195A白色(se)砂(sha)紋粉 

表(biao)4  MW0502 砂紋粉 

5.2 電泳(yong)涂層固(gu)化試驗

首先(xian)：試(shi)驗樣采用長200mm的L8607。

（1）前處理工藝：

氧(yang)化處理(li)：委托樂祥鋁業在(zai)線氧(yang)化。

電泳(yong)：電泳(yong)電源為五源公司自制電源，電壓100V,靜置(zhi)30s。

（2）固化試驗：高紅外固化爐總功率為27Kw。分別(bie)對樂祥鋁業和華業鋁業的電泳漆進(jin)行固化試驗。試驗結果見(jian)下表：

表5 樂祥鋁業的電泳槽(cao)液 

表6 華業鋁業的電泳槽液 

6 項目可行性分析

6.1 試(shi)驗(yan)結(jie)果分析(xi)

（1）通過(guo)高紅外固化的(de)粉(fen)末(mo)噴涂(tu)涂(tu)層(ceng)(ceng)劃格試驗(yan)(yan)、鉛(qian)筆(bi)(bi)硬度全部(bu)合(he)格，耐沖(chong)擊(ji)試驗(yan)(yan)亮光(guang)粉(fen)全部(bu)合(he)格，砂(sha)紋粉(fen)大(da)部(bu)分(fen)合(he)格，耐溶劑普(pu)遍偏差，這(zhe)與生產線(xian)產品的(de)檢測(ce)結果(guo)相(xiang)吻合(he)。電(dian)泳涂(tu)層(ceng)(ceng)鉛(qian)筆(bi)(bi)硬度、水煮試驗(yan)(yan)全部(bu)合(he)格，耐堿試驗(yan)(yan)不理想，這(zhe)與生產線(xian)產品的(de)檢測(ce)結果(guo)也(ye)吻合(he)；

（2）從以(yi)上試驗(yan)結果來看采用(yong)高紅外固化粉(fen)末(mo)涂層和電泳涂層是可行的，無論是固化時間(jian)，還是能耗方面(mian)，都具有很大的優(you)勢(shi)；

（3）雖然粉末噴(pen)涂(tu)涂(tu)層比(bi)電泳涂(tu)層膜厚更高，但電泳涂(tu)層固化時(shi)(shi)間明(ming)顯比(bi)粉末噴(pen)涂(tu)涂(tu)層固化時(shi)(shi)間長。分(fen)析(xi)其主要原因是(shi)：電泳漆(qi)膜是(shi)含水(shui)涂(tu)層，在固化前需要脫(tuo)水(shui)；

（4）從試(shi)驗過(guo)(guo)程中可以發(fa)現，功率匹配是(shi)固化合(he)格的關鍵(jian)，必須確保烘烤(kao)過(guo)(guo)程中輻射器均在工作。停止輻射，只靠溫(wen)度保溫(wen)，則固化時(shi)間將相應延長(chang)；

（5）由于(yu)試(shi)驗烘烤(kao)爐只(zhi)有熱風攪拌裝置(zhi)，而沒有熱風循(xun)環裝置(zhi)，輻射功率需人工調節，沒有自(zi)動反(fan)饋調節系統(tong)，烘烤(kao)爐爐溫控制需通(tong)過開啟、關閉爐門控制等設(she)備條件的限制，有待(dai)于(yu)設(she)備改進后做進一步的試(shi)驗。

6.2 高(gao)紅(hong)外(wai)熱(re)輻射固化(hua)影響因素分析

從以(yi)上試(shi)驗(yan)分(fen)析，高(gao)紅外熱輻射固化影響因(yin)素(su)有以(yi)下(xia)幾個方面：

（1）涂(tu)層材料(liao)(liao)：不同涂(tu)層材料(liao)(liao)的黑度(du)（即吸(xi)收能(neng)力）不一樣，黑度(du)高的材料(liao)(liao)吸(xi)收能(neng)量(liang)強，熱效率高。涂(tu)料(liao)(liao)的黑度(du)多數(shu)在(zai)0.80～0.90之(zhi)間(jian)。含水涂(tu)層固(gu)化時間(jian)需更長；

（2）介質：固化爐(lu)中(zhong)的水分和溶劑蒸汽會吸收輻射(she)能，并使(shi)輻射(she)量衰減，不利于涂(tu)膜烘干，應及時排除；

（3）輻射距離(li)：輻射距離(li)對固化效(xiao)果有很大(da)的(de)影響(xiang)。為了使涂膜有效(xiao)地獲得輻射能(neng)量，輻射距離(li)不能(neng)太遠。一般平板為100mm，較復雜工件取250～300mm；

（4）溫(wen)度(du)均與性：由(you)于輻(fu)射存在輻(fu)射陰影，爐溫(wen)均勻性顯(xian)得更為重要(yao)，因(yin)此在使用(yong)高紅(hong)外輻(fu)射源的同(tong)時，必須同(tong)時進行(xing)熱風循環；

（5）輻射(she)器布置：由于輻射(she)器表面溫度(du)很高，不(bu)能(neng)忽視熱(re)空氣的(de)自(zi)然對流(liu)導致室(shi)體上(shang)部溫度(du)較高。因此(ci)在高度(du)方向，輻射(she)器數量自(zi)下而上(shang)遞減(jian)。