新型红外线加热设备的研制

收稿日期：2003-10-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目（59995440）· 作者简介：边 军（1970 - ），男，河南安阳人，东北大学博士研究生；刘相华（1953 - ），男，黑龙江双鸭山人，东北大学教授，博士生 导师；王国栋（1942 - ），男，辽宁大连人，东北大学教授，博士生导师· 第25 卷第4 期 2004 年 4 月 东 北 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） Journal of Nort heastern university（Natural science） Vol. 25，No .4 Ap !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! r . 2 0 0 4 文章编号：1005-3026（2004）04-0367-03 新型红外线加热设备的研制 边 军，刘相华，王国栋 （东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110004） 摘 要：开发了一种新型低热惯性金属试样快速加热炉 红外线快速加热炉，该系统采用 红外线加热管为发热源，通过水平和立式布置来实现对板状和棒状金属试样的快速加热和冷却· 经实际应用证明，利用红外线可实现对金属试样的高温高速加热和冷却，使红外线应用的领域进 一步扩大，同时为金属热处理行业和科研开发提供了一种新的手段和途径· 关 键 词：红外线；辐射；快速加热；冷却；设备研制 中图分类号：TF 3 文献标识码：A 目前在实验室对试样加热可分为两种方式： 非接触式与接触式·非接触式如电阻加热、感应加 热、红外线加热等，接触式如电阻电流加热、燃烧 加热等·在这些加热方式中，热的传播依靠的是传 导、对流和辐射等·要充分利用这些传热方式，提 高热能利用率，达到节能和增效的目的· 如果要求快速加热，则主要是采用非接触式 加热如感应加热和红外线加热·感应加热能够进 行急速加热，工作环境良好，并且温度易于调节， 但存在加热区域不均匀，耗电量大，投资高，附属 控制装置复杂等缺点·而红外线加热已成功应用 于红外测温系统、红外成像系统、红外分析系统等 方面，尤其在红外线加热与干燥领域如油漆涂饰、 塑料加工、纺织印染、造纸印刷、医药卫生等部门 中，都有很多红外线加热应用的实例［1!8］·它的 特点是加热速度快、效率高、耗能低、工件受热均 匀和炉温稳定度高· 红外线应用于金属加热，目前国内报道不 多［9!11］，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重 点实验室通过精心对比、科学论证，利用红外线成 功地开发出金属试样低热惯性快速加热装置· 1 加热原理 任何物体都会以电磁波的形式向外发射出能 量，这种能量叫做辐射能·通常按电磁波的波长或 频率来说明这些辐射· 波长在0. 1!40"m 范围内的电磁波（包括可 见光和红外线的短波部分）热效应最显著，所以称 为热射线或热辐射·红外线范围内的电磁波可按 波长的不同划分为近红外、中红外和远红外三部 分· 2 加热方式 辐射器是红外线加热工艺中最重要、最基本的 元器件·它的作用是把热源的热能转换成红外线辐 射能·辐射器一般由三部分组成：发热体或热源、基 体、附件·通常辐射器按照规格、形状、材质、发热方 式、工作温度及使用涂料的种类来分类［12］· 经多方面参考借鉴，本文所设计的加热炉采 用灯管式辐射器形式，它使用钨丝作为发射源，钨 丝封装在用熔凝法制成的石英灯管内·同时采用 反射罩，使从被加热物质面反射出去的红外线 再反射回去，使其再次或多次被吸收，以提高热能 的利用率·该反射罩采用不锈钢抛光镀金工艺，充 分利用金的反射率高（达0. 98）的优异特性·具体 设备结构叙述如下· 在炉体内装配有镀金反射罩，加热器选用红 外线电加热器，安装在镀金反射罩的焦点上，炉体 内的试样气氛保护罩内部环壁四周装有4 个冷却 气管，见图1· 上述的炉体可对折打开，镀金反射罩可分为 抛物面镀金反射罩和椭圆面镀金反射罩，当反射 面选用抛物面镀金反射罩时数量可选取为12 ! 20 个，并均匀对称地横向排布于炉体两侧内壁 上，如图1，此炉型适用于加热板状试样·当镀金 反射罩选为椭圆面时，其数量可选取为6!12 个， 并竖向均匀排布于试样保护罩的圆周外面，如图 2，此炉型适用于加热柱状试样·装配于镀金反射 罩上的加热器选用管状红外电加热器·其发热体 选用钨丝，封装在透明石英玻璃管内，管内充满卤 族元素气体· 图1 适用于板状试样的加热炉 Fi 9 .1 l nf r ar ed heati n9 f ur nace f or Panel samPl e 1—炉体；2—加热器；3—反射罩； 4—保护罩；5—冷却气管· 图2 适用于柱状试样的加热炉 Fi 9 .2 l nf r ar ed heati n9 f ur nace f or bar samPl e 1—炉体；2—加热器；3—反射罩； 4—保护罩；5—冷却气管· 红外线加热炉最为突出的特点是：在炉体内 排布了数个镀金反射罩，红外线加热器又安装在 镀金反射罩的焦点上，从而使红外线电加热器与 镀金反射罩构成热辐射源· 3 应用效果 红外线加热炉加热对象为矩形200 mm> 100 mm（厚度0. 25!2. 5 mm）冷轧薄板试样，主要进 行连续退火、淬火等热处理试验·其配有热电偶测 温系统，热电偶丝焊接于试样上端，通过可控硅来 调整电压以完成加热、保温、冷却的过程·图3，图 4 即为厚度0. 7 mm 的薄板在两种典型电压下的 温度变化值· 图3 红外线加热炉温升曲线1（单只灯管电压65 V） Fi 9 .3 Heati n9 cur ve 1 of i nf r ar ed heati n9 f ur nace 图4 红外线加热炉温升曲线2（单只灯管电压133 V） Fi 9 .4 Heati n9 cur ve 2 of i nf r ar ed heati n9 f ur nace 通过图3 和图4 可看出，利用红外线可实现 对金属试样的高温高速加热和冷却，为金属热处 理行业和科研开发提供了一种新的手段和途径· 4 结 论 （1）红外线加热炉对于金属试样加热而言， 具有热惯性小、升温时间短、控制灵活的特点· （2）使用透明石英罩构成加热腔，可方便控 制加热气氛· （3）反射罩采用反射系数最大的镀金面，确 保加热过程中红外线的最佳汇集状态· 参考文献： ［1 ］ 黄荣华·红外技术及其在工业生产中的应用［M］·北京： 水利电力出版社，1987 .1 -14· （~uang R ~. I nfrared technology and its a11lication to industrial 1roduction［M］. Beiji ng：Water Conservancy and Electric Power Publishing ~ouse，1987 .1 -14 .） ［2 ］ Rainieri S，Pagliari ni G. Data filteri ng applied to infrared ther mographic measurements i ntended f or t he esti mation of local heat transf er coefficient［J ］. Eo1eri mental ther mal and fl uid science ，2002，26（2）：109 -114 . ［3 ］ Al-Sibai F，Leef ken A，Ulrich R . Local and instantaneous distri bution of heat transf er rates through wavy fil ms［J ］. I nternational Journal of ther mal sciences ，2002，41（7 ）： 658 -663 . ［4 ］ Meinders E R，Vander meer T ~，~anj alic K，et al . Application of i nfrared ther mography to the evaluation of 863 东北大学学报（自然科学版） 第25 卷 local convective heat transf er on arrays of cubical protrusions ［J］. I nternational Journal of ~eat and fl uid floz，1997， 18（1）：152 -159 . ［5 ］ Datta A，Ni H. Infrared and hot-air-assisted microwave heati ng of f oods f or control of surf ace moisture［J］. Journal of food engineer ，2002，51：355 -364 . ［6 ］ Sandu C. Infrared radiative drying in f ood engineeri ng：a process analysis［J ］. Biotechnology Progress ，1986，2（3 ）： 109 -119 . ［7 ］ Sakai N，Hanzawa T. Applications and advances in f ar- i nfrared heati ng in Japan［J ］. Trends in food science and Technology ，1994，5：357 -362 . ［8 ］ Lui kov A V. System of diff erential eCuations of heat and mass transf er i n capillary- porous bodies［J ］. I nternational Journal of ~eat and Mass Transfer ，1975，18（1 - A）：1 - 13 . ［9 ］ 刘金祥·铝合金活塞红外线加热热疲劳实验台架研究［J］· 河北科技大学学报，2000，21（3）：37 -40· （Liu J X. Design of t her mal f atigue test- bed by using infrared heat f or t he aluminum-alloy piston［J ］. Journal of ~ebei Unioersity of science and Technology ，2000，21（3 ）：37 - 40 .） ［10］ 李光民·非接触式远红外线加热技术在大型热风炉拱顶消 除应力退火中的应用［J］·冶金设备，1995，（6）：41 -44· （Li G M. Apply the technology of t he infrared-ray to heati ng the top of t he big size hot- blast stove f or reduce tensions［J］. Metall urgical eCuiPment ，1995，（6）：41 -44 .） ［11］ 全世平·红外线管材真空光亮退火炉的研制［J ］·钛工业 进展，1999，（3）：38 -40· （Guan S P . Research on infrared tube vacuum bright anneali ng stove［J ］. DeoeloPment of Titanium Industry ， 1999，（3）：38 -40 .） ［12］ 王月云·远红外加热技术应用问答［M］·上海：上海科学 技术文献出版社，1988 .19 -29· （Wang Y Y. Guestion-ans zering of aPPlication of far- infrared heating technology ［M］. Shanghai ：Shanghai Science and Technology Document Publishing House，1988 . 19 -29 .） Develop ment of One New- St yle I nf rared Heati ng ECui p ment BI AN Jun ，LI U xiang- hua ，WANG Guo- dong （State Key Laboratory of Rolli ng & Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，China . Correspondent ：BI AN Jun，E- mail ：bj 2608 !21cn .com） Abstract：The new-style low heat-i nertia f ast- heati ng f urnace f or metal sample is developed based on its special need . The systemadopts i nfrared lamps as heati ng radiation source，and achieves f ast- heati ng and fast-cooli ng of sample i n panel shape and bar shape by layi ng the lamps vertically and horizontally . This system has been proved to be eff ective by experi ment to heat t he metal sample on high-temperature and high-speed and Cuick cool t hrough usi ng i nfrared . It enlarges t he usi ng field of i nfrared and provides one new means for heat treat ment of metals and science development . Key words：i nfrared；radiation；f ast- heati ng；cooli ng；eCuipment developi ng （Receioed october 24，2003 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! """"""" " " """"""" " " # ## # ） 待发表文章 摘 要 预 报 含硼添加剂改善烧结矿质量的实验研究 周东辉，孙 挺，白丽群 含铁原料在高炉上部的物理粉化对高炉稳定性有显著影响·烧结矿还原时，在400"600 C的温度范围内粉化明显· 为了提高烧结矿质量，抑制热烧结矿在降温过程中因为相变引起的粉化现象，对烧结配料进行了添加硼酸的实验研究， 同时通过转鼓实验、粒度分布及X 射线衍射实验对实验结果进行了分析·结果表明，在烧结原料中添加硼酸可以改变烧 结矿中的物质组成，当每1 t 原料添加600"1 200 g 硼酸时，烧结矿粉化现象得到了抑制，强度得到了提高，而且对烧结 工艺无影响· 球团竖炉内气流运动规律的实验研究 董 辉，蔡九菊，王国胜，田 红 根据相似原理建立“导风墙- 烘干床”式球团竖炉冷态模型实验台·根据实验数据绘制流网图，从而判断竖炉内气流 分布状况，得到竖炉操作对炉内气流运动的影响规律：竖炉结构参数一定，流入风量比k 决定着气流分布 当流 入风量比等于临界风量比时，焙烧风和冷却风分别全部流入焙烧带和导风墙内，此时，竖炉处于临界工况；由临界工况开 始增加焙烧风或减小冷却风，则开始有焙烧风下行进入导风墙，且k 愈大，下行的焙烧风量愈大；由临界工况开始减小焙 烧风或增加冷却风，则开始有冷却风上行进入焙烧带，且k 愈小，上行的冷却风量愈大；上行冷却风和下行焙烧风中只有 一种情况发生或均不发生· 963第4 期 边 军等：新型红外线加热设备的研制 新型红外线加热设备的研制 作者： 边军， 刘相华， 王国栋 作者单位： 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳,110004 刊名： 东北大学学报(自然科学版) 英文刊名： JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)： 2004,25(4) 被引用次数： 5次 参考文献(12条) 1.刘金祥 铝合金活塞红外线加热热疲劳实验台架研究[期刊]-河北科技大学学报 2000(03) 2.王月云 远红外加热技术应用问答 1988 3.全世平 红外线管材真空光亮退火炉的研制 1999(03) 4.李光民 非接触式远红外线加热技术在大型热风炉拱顶消除应力退火中的应用 1995(06) 5.Luikov A V System of differential equations of heat and mass transfer in capillary-porous bodies[外文期刊] 1975(18) 6.Sakai N;Hanzawa T Applications and advances in far-infrared heating in Japan 1994 7.Sandu C Infrared radiative drying in food engineering: a process analysis 1986(03) 8.Datta A;Ni H Infrared and hot-air-assisted microwave heating of foods for control of surface moisture[外文期刊] 2002 9.Meinders E R;Vandermeer T H;Hanjalic K Application of infrared thermography to the evaluation of local convective heat transfer on arrays of cubical protrusions 1997(01) 10.Al-Sibai F;Leefken A;Ulrich R Local and instantaneous distribution of heat transfer rates through wavy films[外文期刊] 2002(07) 11.Rainieri S;Pagliarini G Data filtering applied to infrared thermographic measurements intended for the estimation of local heat transfer coefficient 2002(02) 12.黄荣华 红外技术及其在工业生产中的应用 1987 本文读者也读过(5条) 1. 彭华乔.夏祖西.苏正良.李文艳.PENG Hua-qiao.XIA Zu-xi.SU Zhang-liang.LI Wen-yan 红外线加热技术 在飞机除冰中的应用[期刊论文]-红外技术2008,30(6) 2. 张志梅.强亮生 红外加热器的研制[期刊论文]-实验技术与管理2000,17(3) 3. Al Tellier(阿泰利尔) 红外线模具加热炉[会议论文]-2004 4. 宫克勤.张大英.刘晓燕.李浩洁.GONG Ke-qin.ZHANG Da-ying.LIU Xiao-yan.LI Hao-jie 燃气红外线辐射 供暖技术应用研究进展[期刊论文]-煤气与热力2009,29(8) 5. 刘力锐.韩志峰.刘炬炜 燃气红外线辐射供暖在汽车制造车间的应用实例[期刊论文]-暖通空调2010,40(4) 引证文献(5条) 1.王艳.单连中.杨洪帅.陈立新.巴德纯 自动真空熔压设备的研制[期刊论文]-真空 2006(4) 2.王艳.孟祥志.宋锦春.巴德纯 光学纤维面板熔压设备的研究与开发[期刊论文]-东北大学学报（自然科学版 ） 2006(9) 3.张福波.王国栋.张殿华.刘相华 获取炉温类受控对象特征参数的新方法[期刊论文]-金属热处理 2005(9) 4.边军 多功能热浸镀模拟试验机的开发[学位论文]博士 2005 5.边军.张福波.刘相华.王国栋 红外线加热炉温度PID控制及优化[期刊论文]-东北大学学报(自然科学版) 2004(8) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dbdxxb200404017.aspx