红外辐射加热过程分析

D0I:10.13374/j.issnl001053x.1997.03.020 第19卷第3期 北京科技大学学报 Vol.19 No.3 1997年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1997 红外辐射加热过程分析 蔡家敏 林实 北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要根据物体对辐射的吸收理论，阐明当光辐射波长与金属氧化物共振吸收波长匹配时，辐射 能量将全部被吸收.由一定成分的金属氧化物组成的红外涂料，将产生特定波段的红外辐射，在 金属加热过程中红外辐射传递将起着快速加热的作用. 关键词红外辐射，金属氧化物，共振吸收 中图分类号TB39 通过测定金属氧化物光谱发射率响应曲线及分析，从理论上说明了，金属氧化物吸收的 人射辐射比，由于氧化层的出现及粗糙度等影响而增大，并证明了相应实验结果的正确性 根据物体对辐射的吸收理论，阐明了只要辐射波长和金属氧化物的共振吸收波长匹配 时，辐射将全部被吸收.如果选择适当的涂料，使得在加热器上产生特定波段的远红外辐射， 而可见光及近红外辐射受到抑制，就可以达到节能的目的 1 红外辐射在金属中的传播 红外辐射是一种长波电磁波，它服从电磁波传播规律.由于金属中存在自由电子，确定红 外辐射在金属中传播的方程中，应考虑传导电流，使麦克斯韦方程中出现J=σ项，其中σ是 金属电导率.由于σ的作用，使红外辐射出现衰减和阻尼.如辐射波在金属中沿X方向传播，其 振动矢量E满足如下关系式： E=E.e“.eu-刘 这是一个波长为1的平面波，其中k为消光系数，它体现出媒质对光的吸收 当辐射经过x=1/2πk距离后，电磁波将被衰减.其振幅将衰减为初始值的1/.也就 是说，经过1个波长的距离，辐射通量密度只是原来的1/3×10.因此纯金属对红外辐射的 吸收很困难可以计算金属红外线的吸收率α=2√无其中a是电导率.因此，金属对辐射的 反射率R为： R=1-a=1-2 当吸收率α很小时，R+1,因此金属对辐射吸收是很少的. 1995-09-23收稿 第一作者女57岁副教授

第 l , 卷 第 3期 1 9 9 7年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n i v e r s i t y o f 反 i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V 0 1 . 1 9 J U n e N 0 . 3 1 9 9 7 红外辐射加热过程分析 蔡 家敏 林 实 北京科技大学应用 科学 学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘要 根据物体对辐射 的吸收理 论 , 阐明当光 辐射波长与金属氧化物共振 吸收波长匹 配时 , 辐射 能量 将全部被 吸收 . 由一定成分 的金 属 氧化 物组成 的红外涂料 , 将产生特 定波段的红外辐 射 , 在 金属加热过程 中红外辐射传递将起着快速加热的作用 . 关键词 红外辐射 , 金属氧化物 , 共振吸收 中图分类号 T B 3 9 通 过测 定 金属 氧 化物 光谱 发射 率 响应 曲线 及分析 , 从理 论上说 明了 , 金 属氧 化物吸 收的 人 射辐射 比 , 由于 氧化层 的 出现及 粗糙 度等影响而增 大 , 并 证 明了相 应实 验结果 的正确性 . 根 据物 体对辐 射 的 吸收理 论 , 阐 明 了只要 辐 射波 长和 金 属氧 化 物的共 振 吸收 波长匹 配 时 , 辐射将全部 被 吸 收 . 如 果 选择 适 当的 涂料 , 使 得 在加 热 器上 产生 特定 波段 的远 红外 辐射 , 而 可 见光 及近 红外 辐射 受到 抑制 , 就 可 以 达到节 能 的 目的 . 1 红外辐射在金属 中的传播 红 外辐 射是 一种 长波 电磁 波 , 它服 从 电磁 波传播规律 . 由于金 属 中存在 自由电子 , 确定红 外 辐射在金 属 中传播 的方 程 中 , 应考 虑传导电流 , 使麦克斯韦方程 中出现7 = 口 京页 , 其中 a 是 金 属 电导率 . 由于 a 的 作用 , 使红 外辐射 出现 衰减和 阻尼 . 如辐 射波在 金属 中沿 X 方 向传播 , 其 振 动矢 量 E 满足 如 下 关系式 : 云 一 劳 . e 一 粤kx . e 四(t 一 警x) 这 是 一个 波长 为 又的平面 波 , 其 中 k 为 消光系 数 , 它体现 出媒 质 对光的吸 收 . 当辐射 经过 x = 又 / 2 7T k 距离 后 , 电磁 波将 被 衰减 . 其振 幅将衰减 为初 始值 的 1 / e . 也 就 是 说 , 经 过 1 个波 长 的距 离 , 辐射 通量 密度 只是 原 来的 l / 3 x 10 5 . 因此 纯金 属对红 外辐射的 吸 收很困难 . 可 以 计算 金 属红外 线 的吸 收率 。 一 2福 , 其中 · 是 电导率 . 因此 , 金属对辐 射的 反射率 R 为 : * 一 , 一 。 一 卜 2孺 当吸收 率 a 很小 时 , 尺斗 1 , 因此金 属 对辐射吸收 是很 少 的 . 19 9 5 一 0 9 一 2 3 收稿 第一 作者 女 57 岁 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 03. 020

Vol.19 No.3 蔡家敏等：红外辐射加热过程分析 ·313· 2金属氧化物的光谱反射率实验结果 实际金属并不是纯金属，它的表面被氧化，而内部含有杂质，存在缺陷和位错 由于金属被氧化后生成的氧化物会使表面粗糙化，使辐射与物质相互作用不是出现在二 维界面上，而且在凹凸不平的表面上发生多次反射，大大增加了表面粒子的吸收机会.曾有人 对垂直人射情况，金属表面粗糙度对反射比影响可用下述议程表示，2： 品-en-(]+32r= 其中，p和P,分别为粗糙表面和光滑表面的同样的半角△a的接收立体角时的反射比，y为均 方根粗糙度，m为表面的均方根斜率，1为波长.我们对几种金属材料：铝、45#钢、不锈钢分别 在325~600℃不同温度下进行了氧化处理.并用激光衍射法对氧化和没有氧化的材料表面 进行了粗糙度测定，同时在此温度下进行了法向光谱发射率测量.铝的2种表面的粗糙度分别 为0.076μm和2.9μm.在326℃温度下，测量法向光谱发射比的结果如图1所示. 中粗糙度小的发射率e,随1的增大而变小；当粗糙度增加时，则表面发射的e,值随波长 的增加在远红外处出现峰值.同时对45号钢在600℃时进行氧化处理保温3h,分别对2个样 品进行500及600℃下的测量，其光谱比辐射率e,随1的变化曲线见图2.从图2看出，在600 ℃发射率ε，在11μm附近出现峰值，并且温度愈高愈明显.金属氧化物在远红外处发射率有 突变 0.31 粗造度为2.9μm 0.2 600℃ 500℃ 0.1h 粗造度为0.076μm 0.0 3.0 11.0 13.0 1/4m 2/μm 图1铝的光谱辐射曲线 图245钢的光谱发射 根据基尔霍夫定律可知，在一定温度下物体的比辐射率ε，在数值上等于该温度下物体的 吸收率α，所以金属氧化物在远红外处的吸收率α也特别大. 3 结果分析 下面通过辐射通量密度在氧化层表面的变化来讨论金属氧化物对辐射的吸收 设：人射辐射通量密度为W。,无氧化层的光滑金属表面的反射率为R,入辐射在光滑金 属表面的反射辐射通量密度为： 华W。 (1)

V o l . 19 N 6 . 3 蔡家敏等 : 红外辐射加热过程分析 2 金属氧化物 的光谱反射率 实验结 果 实 际金 属并 不是 纯金 属 , 它 的表面被 氧 化 , 而 内部 含有 杂质 , 存在 缺 陷和位 错 . 由于金 属被 氧化 后 生成 的氧 化物 会使表 面粗糙 化 , 使辐射 与物 质相 互作用不是 出现 在二 维界 面上 , 而且 在 凹 凸 不平 的表 面 上发 生多 次反 射 , 大大 增加 了表 面粒 子 的吸 收机 会 . 曾有人 对垂直 人射情 况 , 金 属 表面粗 糙度 对反 射 比影响 可用 下述 议程 表示〔’ :,z] 念一 p } 一 ( ` · 釜) ’ 1 · , 2一 (凳) ` (鲁丫 其中 , p 和 p 。 分别 为粗 糙表 面和 光滑 表面 的 同样 的半角 △a 的接 收立体 角 时的反 射 比 , 下为均 方根 粗糙 度 , m 为表 面 的均 方 根斜 率 , 又 为波 长 . 我 们对几 种金 属材 料 : 铝 、 4 5 “ 钢 、 不 锈钢 分 别 在 3 25 一 60 0 ℃ 不 同温 度 下进 行 了 氧 化处理 . 并 用 激光 衍射 法 对氧 化 和没 有氧 化 的材 料表 面 进 行 了粗糙度 测定 , 同时在 此温 度下 进行 了法 向光 谱发射率测量 . 铝 的2 种表 面的粗 糙度分 别 为 .0 0 7 6 协m 和 .2 9 林m . 在 3 26 ℃ 温度下 , 测 量法 向光 谱发射 比的结果 如 图 1 所 示 . 中粗糙度 小 的发 射率 。 : 随 又的增大 而 变小 ; 当粗糙度增 加 时 , 则 表 面发 射 的 ￡, 值 随波 长 的增 加在 远 红外处 出现峰 值 . 同 时对 45 号钢在 6 0 ℃ 时进行 氧化处理保温 3 h , 分 别对 2 个样 品进行 5 0 及 6 0 ℃ 下 的测量 , 其光 谱 比辐射率 ￡; 随 又的变化 曲线见 图 2 . 从图 2 看 出 , 在 6 0 ℃ 发射 率 ￡* 在 1 1 卜m 附 近 出现 峰值 , 并且 温 度 愈高 愈 明显 · 金 属氧 化 物在 远 红外 处发射 率有 突 变 . 0 · 3 } 粗造度为2 乡 p m 50 0 ℃ 60 0 ℃ 粗造度为0 . 0 76 卜m 11 . 0 13 . 0 又/ 卜m 图 1 铝 的光谱辐射 曲线 又/ 卜m 图2 4 5 井钢 的光谱发射 根据基 尔 霍夫定 律可 知 , 在一 定温 度下 物体的 比辐射率 。 ; 在数 值上 等于 该温度 下物 体的 吸 收率 a , 所 以 金属 氧化 物在 远红外 处的吸 收率 a 也特 别大 . 3 结果分析 下 面通 过辐 射通量 密 度在 氧化层 表 面的变 化来讨论 金属 氧化物 对辐 射的吸收 . 设: 人 射辐射通 量 密度 为 叽 , 无 氧 化层 的光 滑金 属 表面 的反射率 为 凡 人 辐 射 在光 滑金 属 表面 的反 射辐 射通 量密 度 为: 肚 叱 (l )

·314· 北京科技大学学报 1997年第3期 被吸收的辐射比例为：W=(W。-RW)/W。=1-R,当R1时W很小 当金属的氧化层厚度为x,透过氧化层的辐射为： W'=·er (2) 式中，k为衰减系数， 当辐射进入氧化层后，在金属内表面的反射为： W'=RW=RW·e-x (3) 从氧化层的辐射为： W'=RWe·et-R%·e2 (4) 因此，被吸收的辐射所占的比例数： Wo-W'Wo-RWie-2k W、=一 W W =1-e-2北 (5) 由于k值很大，因此ε2很小.所以材料经氧化层后被吸收的辐射，比没有氧化层被吸收的辐 射大，并且随着x厚度的增加而增大.同时氧化层厚度是随时间t的增大而增加，因此，处理时 间越长，金属氧化物越厚，吸收的辐射通量密度也越大 从分子光谱理论得到：分子的转动和振动光谱是在2-25μm间，即红外波段.因此要使 辐射能量被物质分子吸收，它的吸收波长应与辐射波长相适应.也就是说，要求加热器所能辐 射的最强辐射波段和被加热的物体的分子吸收带相一致，即产生共振吸收.这种共振吸收只 能发生在样品的薄层内，把分子从一个能级激发到另一个能级上去，并不能把能量转移给晶 格，产生晶格振动，因而它起不到加热作用.它只有和本征吸收、自由电子吸收、晶格吸收等方 式结合起来才能完成辐射在物质中的能量传递 当辐射波长与介质或金属的共振吸收波长匹配时，它将全部被吸收波段不同，吸收的程 度也不同.特征吸收不需要其他媒质，加热速度快，并且能深人到物质内部.辐射的穿透介质 的深度与波长有关.辐射的穿透深度为 d=2 (6) 4πVuo 其中，4为介质的磁导率；y为入射波颗率；σ为电导 率；入为截止波长.可由下式计算： mc Ae 27 \4n Ne -my" 0.9 其中，m为电子的质量；e为电子的电量；N为单位体积 0Z3 0.7 的电荷数；y为R/m,R为阻尼因子.当辐射经过d以后 强度衰减为原来的1/e.一般A射波长比1。小则材料 0.5 透明，入射波长比1大则逐渐变为全反射 要使加热器产生的红外辐射提高金属氧化物在 远红外处的强吸收，一般将涂敷材料涂在加热器的表 0.2 面.由于氧化物的比辐射率ε，随波长变化（如图3），要 使某个波段上发射强辐射，只要选取适合的涂料. 1.55.610.0 1 涂上氧化物后，加热器表面的辐射通量密度分布 图3涂料的光谱发射率曲线

北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7年 第 3期 被 吸 收的辐 射 比 例 为 : 叫 一 (叽 一 R叽)/ 叽 二 1 一 R , 当小 l 时 城很 小 · 当金属 的氧 化层 厚度 为 x , 透过氧 化层 的辐 射 为: W , = 叽 · e 一 “ ` 式 中 , k 为 衰减 系数 . 当辐 射进 人氧 化层 后 , 在金 属 内表 面 的反射 为 : 甲 ’ 二 R 甲 = R叱 ’ “ 一 “ ` 从氧 化层 的辐射 为 : W “ ` 一 R岭 一七 · 。 一 ` 仁 R晰 · 。 一 2” 因此 , 被 吸 收的辐 射所 占的 比例 数 : ( 2 ) (3 ) ( 4 ) 议 一 才 ’ ` 议 一 R 议e 一 Zkx 议 = 一 二二一 = 一上一二 二 一 = 1 一 几 一 “ kx 代 叽 ( 5) 由于 k 值 很 大 , 因此 e 一 2kx 很 小 . 所 以 材料 经 氧化层 后 被 吸收 的辐射 , 比没 有 氧化层 被 吸收 的辐 射大 , 并 且 随着 x 厚度 的增 加而 增大 . 同时氧化 层 厚度是 随时 间 t 的增 大而增加 , 因此 , 处理 时 间越 长 , 金 属 氧化物 越 厚 , 吸收 的辐射通 量密 度也 越大 . 从分 子光 谱理 论得 到 : 分 子 的转 动和振 动光 谱是 在 2 一 25 林m 间 , 即红外波 段 . 因此要使 辐射 能量 被 物质 分子 吸 收 , 它 的 吸收波 长应 与辐 射波 长相 适应 . 也 就是说 , 要求 加热器 所能 辐 射 的最 强 辐 射波 段 和 被加 热 的物 体的分 子 吸 收带相 一 致 , 即产生 共 振吸 收 . 这种 共振 吸收 只 能 发 生在 样 品 的薄层 内 , 把 分 子从 一个 能级 激 发到 另 一个 能级上 去 , 并不 能把能 量转 移给 晶 格 , 产生 晶格振 动 , 因而 它起 不到 加 热作 用 . 它 只有和 本征 吸收 、 自由电子吸 收 、 晶格 吸 收等方 式 结合起 来 才能 完成 辐射 在物 质 中的能 量传递 . 当辐 射波 长 与介 质或 金属 的共 振 吸收波 长 匹 配 时 , 它将 全部被 吸收 . 波段 不 同 , 吸收 的程 度 也 不 同 . 特 征 吸 收不 需 要其他 媒 质 , 加热 速 度快 , 并 且 能深 入到 物 质内部 . 辐射 的 穿透 介 质 的 深度与 波长 有关 . 辐 射 的穿透 深度 为 又 。 d = 几二 、 了厅一` - 4 兀 V拜a ( 6 ) 其 中 , 群 为介 质 的磁 导率 ; 下 为人 射 波 频 率; a 为 电导 率 ; 几 。 为 截止波 长 . 凡可 由下式计 算 : ; c 一 2 · 其 中 , m 为 电子 的质 量 ; e击 为 需 电子 孺 的 电量 ; N 为单位 体积 的 电荷 数; 下为 刀 m , R 为阻 尼 因子 . 当辐射经过 d 以后 强度 衰减 为 原来 的 1 / e一般 又射波 长 比 又 c 小 则材料 透 明 , 人射 波 长 比 人大 则 逐渐 变为全 反射 . 要 使加 热 器 产 生 的 红 外 辐 射提 高 金 属 氧 化 物 在 远 红外 处的 强 吸收 , 一般 将 涂 敷 材料 涂在 加 热 器 的表 面 . 由于 氧化物 的 比辐射 率 ￡ , 随波 长变 化 (如 图 3 ) , 要 使某 个 波段 上 发射强 辐射 , 只要 选取 适合的涂料 . 涂 上 氧化 物后 , 加热 器 表面 的 辐射 通量 密 度 分布 1 . 5 5 . 6 10 . 0 又 图3 涂料的光谱发射率 曲线

Vol.19 No.3 蔡家敏等：红外辐射加热过程分析 ·315 已不是原来选择性辐射体所发射的曲线，而是比原来曲线大大改善，使得这种涂敷表面所发 射的辐射通量密度曲线非常接近黑体曲线 4结论 (1)采用红外辐射进行金属热处理是可能的，氧化表面是粗糙的对吸收更为有利. (2)加热时间长，如退火、回火，氧化层厚度较厚，这时辐射的吸收效果更高 (3)采用适当涂料，涂在加热器表面，可达到节能的目的 参考文献 1张幼文编著.红外光学工程，上海：上海科技出版社，1981.1~2 2葛绍岩编.金属及其他物质的热辐射性质表.上海：上海科技出版社，1958 Analysis of Infrared Selective Radiation in Heating Process Cai Jiamin Lin Shi Applied Science School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACTS The oxides formed on the surface of metals have the influence on the radi- ation absorption.Increase of the roughness and thickness of the oxides on the metal are favourable to the thermal radiation absorption.When the wavelength of the light radiation is coupled with the wavelength of resonance absorption of the oxides,the energy of radia- tion may be absorbed throughout.The infrared coating materials consisting of certain oxides can make higher selective emission within a certain broad wavelength band.The infrared rediation transport increase the absorption of heat on the sarface of the metal in the heating metal process. KEY WORDS infrared radiation,oxides of metals,resonance absorption

V o l . 19 N O 3 蔡 家敏等 : 红外辐射加热过程分析 已不 是 原来 选 择性 辐 射体所 发 射 的曲 线 , 而 是 比原 来 曲线 大大 改 善 , 使 得这 种 涂敷表 面所 发 射 的辐射 通量 密度 曲线非 常接 近黑体 曲线 . 4 结论 ( l) 采 用红外 辐射 进 行金 属热处理是 可能 的 , 氧化表 面是粗 糙 的对吸收更 为有利 . ( 2) 加 热时 间长 , 如退 火 、 回 火 , 氧化层 厚度 较厚 , 这 时辐射 的吸 收效果 更高 . ( 3) 采 用适 当涂料 , 涂 在加 热器 表面 , 可达到 节 能的 目的 . 参 考 文 献 1 张幼文编著 . 红外光 学工程 . 上海 : 上海科技 出 版社 , 19 8 1 . 1 一 2 2 葛绍岩编 . 金属及其 他物质的热 辐射性质表 . 上 海: 上 海科技 出版社 , 19 5 8 A n a l y s i s o f I n fr ar e d S e l e c t i v e R a di a ti o n i n H e at i n g P r o c e s s 〔远1 iJ a m in 月n 及i A 即li e d S e i e n e e S e h o o l , US T B e ij ign , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C ih n a A B S T R A C T S T七e o x ide s of r n l e d o n t h e s u ir 谧e e o f m e atl s h va e ht e i n fl ue n c e o n ht e ar d i - iat o n ab s o rp it o n . I n e re as e o f ht e or u g h n e s s a n d 面 e k n e s s o f ht e o x id e s o n ht e m e at l a re 几v o u ar b l e ot hte hte rm al ar d i a it o n a b s o rp it o n . W h e n ht e w va e l e n g th o f hte li g h t ar d i iat o n 1 5 e o uP l e d w i ht ht e w va e l e n g ht o f re s o n acn e a b s o rp it o n o f ht e o x i d e s , ht e e n e gr y o f r a d i a￾it o n m a y be a b s o r be d ht or u g h o u t . hT e i n if 书 er d e o a it n g m a et ir a l s c o n s i s it n g o f c e r t a i n o x i d e s e a n m ak e ih g h e r s e l e e it v e e 而 s s i o n w iiht n a e e iart n b or ad w va e l e n g ht b an d . T七e i n fr a er d er d i a it o n atr n s P o rt i n c er as e ht e a be o pr it o n o f h e a t o n ht e s a r af e e o f ht e m e at l i n ht e h e a it n g m e at l P cor e s s . K E Y W O R D S i n f r a er d r a d i a it o n , o x id e s o f m e alt s , er s o n a n e e a b s o rp it o n