Лако-красочные материалы — производство

В терморадиационных сушильных установках в отличие от кон­вективных нагрев изделий осуществляется за счет лучистого потока, испускаемого нагретыми телами — источниками инфракрасных (ИК) лучей. Участие воздуха в конвективном переносе теплоты незначи­тельное.

Продолжительность отверждения покрытий в терморадиационных сушильных установках зависит от их конструкции, при этом важное значение имеет тип и мощность излучателей, температура их нагрева (и, соответственно, длина волны излучения), расстояние от излучаемой поверхности до изделия, равномерность распределения лучистого по­тока в объеме сушильного пространства и другие факторы.

Терморадиационные сушильные установки широко распростра­нены в промышленности, чему способствуют высокая эффективность их работы (время отверждения покрытий в 2-10 раз меньше, чем в конвективных установках), простота конструкции, малая тепловая инерционность, легкость регулирования тепловых режимов. Недос­татками этих установок являются: невозможность обеспечения рав­номерного нагрева поверхности сложнопрофильных изделий; сильное влияние экранирования на нагрев, что ограничивает плотность раз­мещения изделий на конвейере; возможность изменения оттенка по­крытий на наиболее облучаемых участках поверхности вследствие перегрева.

Различают терморадиационные сушильные установки камерные и бескамерные (щитовые). Они могут быть непрерывного и периодиче­ского действия, электрические и газовые. В зависимости от приме­няемого источника ИК-лучей установки подразделяют на устройства со светлыми (обычно ламповыми) и темными (трубчатыми, панель­ными и др.) излучателями. Тип излучателя и конструкция отражателя имеют важное значение в эксплуатационной характеристике сушиль­ных установок. От них зависит скорость отверждения покрытия, на­дежность и экономичность работы установки.

21.2.1. Установки со светлыми излучателями. Светлым услов­но называют коротковолновое ИК-излучение, лежащее в области спектра, близкой к видимой, и частично захватывающее ее. Такое излучение достигается обычно с помощью ламп, где излучатель для обеспечения длительной работы находится в стеклянной оболочке под вакуумом или в инертной среде. Излучатели этого типа называют по аналогии с излучением светлыми, а сушильные установки — уста­новками со светлыми или ламповыми излучателями.

Установки со светлыми излучателями первыми были применены для терморадиационного отверждения лакокрасочных покрытий. В настоящее время они заметно утратили свое значение, уступив место установкам с темными излучателями.

Характеристика светлых излучателей. Наибольшее примене­ние из светлых излучателей получили зеркальные лампы накаливания и галогенные лампы.

Зеркальные лампы накаливания представляет собой стеклянную колбу параболической (реже сферической или двухпараболоидной) формы с помещенной в нее вольфрамовой спиралью. Внутренняя по­верхность колбы покрыта тонким слоем алюминия или серебра, слу­жащим зеркальным отражателем.

Инфракрасные лампы накаливания (типа ИКЗ, ИКЗК) выпуска­ются как с прозрачным, так и с матированным куполом стеклянной оболочки, а также с куполом, окрашенным в красный цвет. Их номи­нальные значения мощности 250 и 500 Вт.

Температура тела накала (спирали) у ламповых ИК-излучателей обычно составляет 1900-2200°С. Лампы рассчитаны на продолжи­тельность горения до 5000 ч. Основная часть энергии генерируется ими на участке спектра от 800 до 3500 нм, а максимум излучения приходится на длины волн 1050-1300 нм.

Излучение с длиной волны более 3500 нм (7-8% всего потока) по­глощается стеклом баллона лампы. Энергетический КПД зеркальных ламп в среднем составляет 0,7. В процессе эксплуатации ламп он снижа­ется вследствие образования налета вольфрама на колбе, приводящего к повышению коэффициента поглощения колбы. Повышение КПД дости­гается уменьшением доли потока в видимой области спектра, чему спо­собствует применение ламп с танталовым телом накала вместо вольфра­мового, а также ламп с пониженной температурой нагрева спирали (до 1900°С). Перспективным является применение зеркальных ламп с двумя спиралями, рассчитанными на различную потребляемую мощность. Та­кие лампы со специальными трехконтактными цоколями позволяют по­лучать три ступени мощности в одной лампе и тем самым варьировать в широких пределах тепловой поток по заданной программе.

Галогенные лампы накаливания, известные также под названием ламп с йодным циклом, отличаются от зеркальных ламп по устройству и техническим характеристикам. Галогенная лампа представляет собой цилиндрическую трубку из кварцевого или специального термостойкого стекла, строго по оси которой монтируется моноспиральное тело накала из вольфрамовой проволоки. Внутри колбы содержится инертный газ, обычно аргон, при давлении 0,9 МПа и йод. Благодаря находящемуся в лампе йоду в ней уже при 250-300°С возникает так называемый вольфра — мойодный цикл, состоящий во взаимодействии вольфрама, испаряющего­ся с тела накала, с парообразным йодом. В результате этого предотвраща­ется оседание вольфрама на стенках колбы и, соответственно, ее прежде­временный выход из строя.

Галогенные лампы компактны, поскольку имеют небольшой за­зор между телом накала и оболочкой (кварцевым стеклом). Их диа­метр колеблется от 10 до 36 мм, длина — от 190 до 840 мм. Спек­тральный состав излучения галогенных ламп накаливания определя­ется температурами тела накала и кварцевой трубки. Основная часть лучистого потока тела накала лежит в области спектра от видимого излучения до длин волн примерно 3000 нм, а кварцевой трубки — в области длин волн 3000-4000 нм; максимум излучения приходится на область 1100-1200 нм.

Отечественная промышленность выпускает галогенные лампы на­каливания типа НИК, КИ, КИО, КҐ. Они рассчитаны на напряжение в сети 127,220 и 380 В и потребляемую мощность от 0,5 до 20 кВт. Гало­генные лампы накаливания имеют номинальный срок службы от 2000 до 5000 ч. Они позволяют получать высокую поверхностную плотность излучения (до 0,1 МВт/м2) и характеризуются стабильностью потока излучения. В отличие от зеркальных ламп накаливания галогенные лампы характеризуются большей механической прочностью и лучше выдерживают перепады температур; они имеют КПД до 0,9 вследствие большей пропускательной способности оболочки (кварцевое стекло прозрачно в области длин волн 180-4500 нм).

Широкое применение галогенных ламп накаливания в сушильных установках, однако, сдерживается их высокой стоимостью, связанной с использованием для их изготовления высококачественного кварца.

Излучатели с кварцевой оболочкой могут быть не только гало­генного типа. Находят применение также лампы с кварцевой трубкой ‘ и нихромовой спиралью, работающие в атмосфере инертного газа при нормальном давлении. Температура тела накала в них не превышает 1100°С, а максимум спектральной плотности излучения приходится на интервал длин волн 2200-2700 нм.

Устройство и работа установок. Установки со светлыми излуча­телями — какерные и бескамерные (щитовые или панельные) — отли­чаются легкостью конструкций, несложностью монтажа излучателей, малой тепловой инерционностью.

Щитовые установки используют для быстрого местного нагрева поверхности при ремонтных работах, исправлении дефектов окраски, а также при отверждении покрытий на изделиях, исключающих об­щий нагрев.

Камерные установки — проходные и тупиковые — применяют в тех случаях, когда по условиям формирования покрытия предпочти­тельным является светлое излучение, например при получении по­крытий из некоторых видов порошковых красок на нетермостойких подложках.

Установка непрерывного действия для формирования покрытий из порошковых лакокрасочных материалов (рис. 157) состоит из кор­пуса 7, защитного кожуха 5, излучателей б. Конструкция установки разъемная; крепление осуществляется на подвесках 4 с роликовыми опорами 3. В верхней части имеется продольная щель шириной 40-50 мм для прохода подвесок с деталями и удаления загрязненного воздуха из камеры. Торцовые стороны закрыты стенками 2 с проема­ми для прохода изделий и снабжены экранами (отражателями) из по­лированного алюминия для уменьшения потерь лучистой энергии. Корпус и защитный кожух, имеющие форму правильного восьми­гранника, выполнены из алюминиевого листа толщиной 4 и 1,5 мм соответственно. По промежутку между корпусом и защитными кожу­хом естественным или принудительным путем циркулирует воздух, вызывая охлаждение стенок камеры. Внутренняя поверхность корпу­са отполирована по 9-му классу чистоты. Температура наружной по­верхности (кожуха) не превышает 40°С, поэтому теплоизоляция не применяется.

Излучателями в установке служат лампы с кварцевой оболочкой и нихромовой спиралью или галогенные лампы накаливания. Равно­мерность лучистого потока достигается соответствующим их распо­ложением. Обычно излучатели устанавливают по длине туннеля по­следовательно в 4 ряда на равном расстоянии Друг — от друга. Отличи­тельная особенность установок этого типа — исключительно низкая инерционность, легкость конструкций, высокая экономичность. Так, мощность установки длиной 1,5 м составляет 6 кВт, длиной 5м — 25 кВт. Аналогичные конструкции установок с теплоизоляцией по­требляют энергии 16 и 80 кВт соответственно.

21.2.2. Установки с темными излучателями. Темное, или длин­новолновое, излучение генерируется телами, температура нагрева которых обычно не превышает 700°С. Источниками такого излучения могут быть нагретые металлы, керамика, стекло, ИК-лучи с длиной волны 2000-8000 нм, характерные для темных излучателей, обладают высокой проникающей способностью для многих видов лакокрасоч­ных материалов, вызывают быстрый нагрев подложки и эффективное отверждение покрытий.

Сушильные установки с темными излучателями получили исклю­чительно широкое распространение при получении покрытий, благо­даря относительно невысоким температурам нагрева излучателей, стабильности и долговечности их работы.

Характеристика темных излучателей. В промышленности применяют темные излучатели разных типов: трубчатые, плоские, или панельные, ленточные и др. Особенно распространены трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы) вследствие простоты конструк­ции, легкости монтажа, надежности в работе, высокого коэффициента (0,85-0,90) превращения электрической энергии в энергию ИК — излучения.

ТЭН (рис. 158) состоит из тонкостенной металлической оболочки 2, выполненной в виде трубы, внутри которой размещена спираль 3 из проволоки высокого удельного электрического сопротивления диа­метром 0,2-1,6 мм. Концы спирали соединены с контактными стерж­нями 7, снабженными с внешней стороны контактным устройством 7. Между концом трубки и контактным устройством установлен изоля­тор 6. В свободном пространстве внутри металлической оболочки помещен наполнитель 4, которым обычно служит плавленая окись магния (периклаз), а торцы электронагревателя — влагозащитным термостойким герметиком 5. Нагревательная спираль изготовлена из проволоки сплавов Х20Н80 и Х15К60, а металлическая оболочка — из нержавеющей стали (для излучателей с температурой 450-700°С) или из углеродистой стали (для ТЭНов с температурой до 450°С).

Основным параметром, характеризующим работоспособность ТЭНа, является удельная мощность — отношение номинальной мощ­ности к площади активной части наружной поверхности оболочки нагревателя. От удельной мощности зависит температура поверхно­сти металлической оболочки и, соответственно, поток излучения, КПД и срок службы ТЭНа. При температуре нагрева 450-500°С ос­новная часть энергии ИК-излучения генерируется ТЭНами в области длин волн от 2000 до 8000 нм с максимумом излучения при 4000 нм. С повышением температуры поверхности оболочки максимум спек­трального распределения излучения ТЭНов смещается в более корот­коволновую область и при 700°С соответствует 3000 нм. Спектраль­ный состав и коэффициент излучения несколько изменяются в про­цессе работы ТЭНов в результате окисления их поверхности.

Плоские электрические ИК-излучатели, называемые также па­нельными или панельно-плиточными, в отличие от ТЭНов представ­ляют собой металлическую или керамическую плиту прямоугольной или квадратной формы, в которую вмонтированы электрические на­греватели с таким расчетом, чтобы обеспечить ее равномерный на­грев. Нагреватель (ТЭН или нихромовую спираль диаметром 0,5 мм) укладывают в специальные канавки, хорошо изолируя от плиты пе — риклазом. Дня облегчения ремонта плиты нередко делают разъемны­ми по плоскости расположения нагревателей или делают в плите сквозные каналы для закладки в них трубчатых нагревателей. Пло­ские излучатели изготавливают преимущественно из серого чугуна с необработанной поверхностью. Это обеспечивает ей высокую (близ­кую к единице) степень черноты и интенсивное тепловое излучение. Рабочая температура поверхности плоских излучателей обычно 380-420°С. При этих температурах максимум излучения приходится на длины волн 4000-5000 нм. Размеры излучателей и их мощность могут быть различными. Плоские электрические ИК-излучатели обеспечивают хорошую равномерность распределения лучистого по­тока по поверхности покрытий при достаточно высоких плотностях потока излучения. Они механически прочны и* отличаются большим сроком службы. Главные их недостатки — относительно низкий КПД, обычно не превышающий 40% (много энергии теряется обратной стороной), большая тепловая инерция, высокая материалоемкость. По этой причине плоские излучатели в последнее время находят ограни­ченное применение в сушильных установках.

Эффективность работы сушильных установок во многом зависит от концентрации и направленности испускаемого излучателями пото­ка излучения. Это достигается применением отражателей. В сушиль­ных установках с плоскими излучателями функции отражателя вы­полняют стенки камеры, в установках с ТЭНами используют специ­альные отражатели-рефлекторы. Они могут быть параболической, эллиптической, цилиндрической формы или иметь вид плоского лис­та в зависимости от того, комплектуются они одиночными излучате­лями или группой излучателей. Отражатели обычно выполняются из листового полированного алюминия (толщина листа до 2 мм) или стали (толщина до 1 мм) с гальваническим хромовым или никелевым покрытием.

Алюминиевые отражатели практичны в работе. В исходном со­стоянии они имеют высокий коэффициент отражения, достигающий 0,95, который, однако, в процессе эксплуатации уменьшается. Повы­шение стойкости алюминия к действию тепла и влаги и соответствен­но стабилизация отражательных свойств достигаются его анодирова­нием. У отражателей с анодированной поверхностью, в противопо­ложность отражателям с полированной поверхностью, коэффициент отражения с ростом температуры тела накала излучателя не уменьша­ется, а возрастает. Поэтому такие отражатели применяют в первую очередь с излучателями, имеющими высокую температуру тела нака­ла. Отражатели с полированной поверхностью во избежание потери отражательных свойств рекомендуется охлаждать с таким расчетом, чтобы температура их поверхности не превышала 150°С. Стальные отражатели с хромированной поверхностью имеют более высокий коэффициент отражения, чем алюминиевые, однако они дороже и имеют меньший срок службы вследствие более быстрого температур — но-коррозионного разрушения.

В процессе эксплуатации следует удалять с поверхности отража­телей пыль и другие загрязнения; алюминиевые отражатели рекомен­дуется 2-3 раза в течение года подвергать полировке.

Устройство и работа установок. Установка периодического действия представляет собой туннель с открытыми торцовыми про­емами, через которые проходит конвейер с изделиями. Корпус ка­меры собирается из секций, каждая секция выполнена в виде карка­са, обшитого листовой сталью с теплоизоляцией (шлаковатой) тол­щиной 100 мм. ТЭНы с отражателями монтируются в камере по секциям, расстояние до поверхности изделий составляет 150-300 мм. Один конец ТЭНа закрепляется при этом неподвижно, а другой имеет скользящее крепление, так как при нагревании длина ТЭНа увеличивается. Число секций может быть различным в зависимости от габаритов сушильной установки. На входе и выходе изделий из туннеля расположены секции без нагревателей, что позволяет пре­дотвратить тепловой удар и снизить тепловые потери в окружаю­щую среду. Режим нагрева изделий регулируется включением и от­ключением отдельных секций или нагревателей по секциям; темпе­ратура нагрева контролируется термопарами с электронным потен­циометром.

Загрязненный растворителями воздух удаляется из туннеля вы­тяжной вентиляцией через зонты, установленные над открытыми проемами камеры.

Установки с плоскими электрическими нагревателями имеют аналогичное устройство. Нагревательные панели устанавливаются внутри корпуса по периметру с таким расчетом, чтобы обеспечить равномерный нагрев изделий. Для повышения отражательной спо­собности камеру изнутри выкладывают алюминиевыми листами.

Размеры и мощность установок могут быть самыми различными; длина их определяется временем формирования покрытий и скоро­стью движения конвейера. Примером может служить конвейерная установка с габаритными размерами 8000x1200x2300 мм для отвер­ждения покрытий на изделиях средних размеров. Камера имеет 36 излучающих панелей общей мощностью 72 кВт. Продолжительность отверждения в ней мочевиноформальдегидных эмалей составляет 5 мин, температура нагрева изделий — около 120°С.

В случае крупногабаритных изделий (железнодорожные вагоны, тепловозы, вагоны метро и т. д.) применяют установки в виде порта­ла, передвижные или стационарные. Для отверждения покрытий наи­более часто, особенно для изделий сложной формы, имеющих экра­нированные участки поверхности, применяют электротерморадиаци — онно-конвективные установки, в которых передача теплоты осущест­вляется одновременно за счет конвекции и терморадиации. Это обес­печивает быстрый подъем температуры и более равномерный по сравнению с терморадиационными установками обогрев изделий. Рециркуляция и выброс загрязненного растворителем воздуха при этом осуществляется вентиляционными агрегатами.

Нагрев холодного воздуха во время запуска установки и поддер­жание его необходимой температуры во время работы осуществляет­ся в электрокалориферах. Для уменьшения тепловых потерь тамбуры оборудуются воздушными завесами. Устройство и принцип работы систем рециркуляции и воздушных завес аналогичны их устройству и работе в конвективных установках.

21.2.3. Газовые сушильные установки. Сушильные установки с обогревом продуктами сгорания газа отличаются надежностью рабо­ты и экономичностью, поэтому достаточно распространены в цехах покрытий. Источником ИК-излучения в них служат металлические панели, нагреваемые обычно до 350-400°С. Применяют установки двух типов: со сжиганием газа в панелях и в выносных-топках.

Панель ИК-излучения (рис. 159) представляет собой пустотелый короб 4 обычно С-образной формы, выполненный из стали толщиной 4 мм. Внизу с внутренней стороны панели устанавливается экран 5, предохраняющий панель от быстрого перегорания, а в средней и верхней части имеются ребра 2, способствующие более равномерно­му нагреву панели по высоте. В верхней части панели расположены патрубки 3 для отвода продуктов сгорания газа. Они оборудованы регулирующими задвижками (шиберами) и соединяются со сборными газоходами. Если газ сжигается в панели, то в нижней ее части уста­навливается горелочная камера, в которой размещается инжекцион — ная горелка и устройство для зажигания газа и контроля наличия пламени.

Д

К А

Рис. 159. Панель сушильной установки с газовым обогревом: 1 — горелка; 2 — ребра; 3 — патрубок; 4 — короб; 5 — экран

Сушильная установка со сжиганием газа в панелях представляет собой туннель, внутренние стенки которого образованы излучающи­ми панелями. Снаружи панели имеют теплоизоляцию — перлитовые плиты или пенодиатомитовый кирпич с минераловатными матами и асбоцементной штукатуркой. Корпус камеры обшит металлическим листом. Продукты сгорания газа с температурой 800-900°С, проходя через панель, нагревают ее до 350-400°С и поступают в сборный га­зоход с температурой 500-600°С, смешиваются с воздухом, а затем выбрасываются в атмосферу или подаются в нагревательные воздухо­воды в рабочую зону сушильной камеры для конвекции (в случае терморадиационно-конвективных сушилок).

Необходимая теплопроизводительность сушилки и температура теплоносителя достигаются регулированием объемов сжигаемого газа и подсасываемого для смешения воздуха. Последний поступает в па­нель через окно горелочной камеры, оборудованное заслонкой для регулирования его объема.

Воздух в камере, насыщенный парами растворителя, освежается за счет подсоса чистого воздуха из цеха через транспортные проемы. Загрязненная газовоздушная смесь выбрасывается в атмосферу вен­тилятором воздушных завес.

В сушилках с выносной топкой сжигание газа осуществляется в топках, размещаемых обычно под тамбурами. Продукты сгорания газа в этом случае направляются в излучающие панели через распре­делительный боров, отходящий от топки. Корпус камеры при этом устанавливается на кирпичной кладке топки и распределительного борова.

Все газовые сушильные установки для более полного использо­вания тепловой энергии оборудуются системами рециркуляция отра­ботанных газов. Часть отработанных газов выбрасывается в атмосфе­ру, а другая часть с помощью рециркуляционного вентилятора на­правляется в смесительную камеру, где газы смешиваются со свежи­ми продуктами сгорания газа и подсасываемым из цеха свежим воз­духом.

Комбинирование лучистого нагрева с конвективным повышает КПД сушильных установок и делает нагрев окрашенных изделий бо­лее равномерным. По стоимости энергии газовые сушильные уста­новки, особенно терморадиационно-конвективные, считаются наибо­лее выгодными; в эксплуатации они обходятся в 2-3 раза дешевле электрических.

21.2.3. Индукционные сушильные установки. В индукционных сушильных установках нагрев окрашенных изделий осуществляется вихревыми токами, возникающими в изделиях при помещении их в Переменное высокочастотное электромагнитное поле. При этом теп­лота передается слою лакокрасочного материала от поверхности из­делия, как и при терморадиационном нагреве, что создает благопри­ятные условия для улетучивания растворителей из пленки и способ­ствует интенсификации процесса отверждения покрытий.

В индукционных сушильных установках используются токи вы­сокой (0,5-300 кГц) и промышленной (50 Гц) частоты. В комплект ус­тановок для отверждения покрытий токами высокой частоты входят высокочастотный генератор, индуктор, конденсаторная батарея, вы­сокочастотный понижающий трансформатор, экран и пульт управле­ния. Установки, кроме того, оборудуются системой вытяжной венти­ляции. Источником токов высокой частоты служат машинные или ламповые генераторы.

Индукторы, являющиеся одним из основных элементов устано­вок, выполнены в виде спирали (соленоида) или желоба. Активной частью индукторов являются медные трубки диаметром 10 мм с тол­щиной стенки 1 мм. Трубки в индукторе располагаются на расстоя­нии примерно 50 мм друг от друга и охлаждаются водой. Габаритные размеры индуктора обычно превышают размеры обрабатываемых изделий на 150-200 мм, что обеспечивает более равномерный их на­грев. Индукторы закрепляют на основании из диэлектрика с таким расчетом, чтобы расстояние до металлических частей было не менее 0,2 м. Для устранения радиопомех, возникающих при работе индук­торов, установки оборудуют экранами из листовой стали или метал­лической сетки.

Установки высокочастотного нагрева могут быть периодического и непрерывного действия, камерными и бескамерными, щитовыми или панельными. Они удобны при получении покрытий на изделиях простой формы (проволока, листовой металл и др.), обеспечивают быстрый на­грев, причем до достаточно высокой температуры. Основной их недоста­ток — высокая стоимость и относительная сложность оборудования.

В отличие от высокочастотных индукционных сушильных уста­новок установки с использованием токов промышленной частоты питаются непосредственно от сети переменного тока напряжением 220 или 380 В. Индуктор этих установок, обычно плоской формы, состоит из обмотки и магнитопровода.

Продолжительность отверждения покрытий в индукционных су­шильных установках обычно такая же, как и в терморадиационных, однако их обслуживание из-за частого выхода из строя индукторов и повышенного расхода электроэнергии обходится дороже. Ограничени­ем является и невозможность отверждения покрытий на изделиях сложной формы. Эти установки особенно оправдали себя при получе­нии покрытий на плоских толстостенных изделиях (металлические па­нели, щиты, обшивка железнодорожных вагонов, листовая сталь и др.).