微纳米高辐射率节能材料研究 - 热风炉蓄热体表面高辐射率涂层的开发.doc

微纳米高辐射率节能材料研究高炉热风炉蓄热体上的应用研究周惠敏1 时盛义1 王家水1 胡江宁1苍大强2 但智钢2 宗燕兵2 白皓2徐大勇3 刘常鹏3曹 勇4 袁留锁4（ 1山东慧敏科技开发有限公司 2北京科技大学冶金与生态工程学院3鞍钢技术中心 4首钢技术研究院）摘要：为了开发深层次的节能新材料，本研究采用超细材料技术制备出了新的节能微纳米涂料，并开发了特殊的涂层与基体镶嵌技术，以达到强化辐射-传导传热和提高涂层寿命的目的。在试验室完成了大量的应用基础研究基础上，先后在高炉热风炉、轧钢加热炉、锅炉等耗能设备上应用了本技术，取得了明显的节能效果。本文介绍了节能涂料在高炉热风炉的研究和应用情况，在成功制备出理想的微纳米节能涂层后（涂层的发射率达到了0.93，涂层厚度约为270m，涂层与基体间有3mm左右渗透镶嵌区，保证了涂层与基体间的良好的粘结性能和优异的抗剥落能力和寿命），先后在49座热风炉和实验室做进行了应用研究，结果表明，节能新涂层显著提高了涂层的表面温度、强化了传热，提高格子砖蓄、放热能力，缩短格子砖蓄热时间，并减小送风混温度的波动，降低了排烟温度，提高了热效率，提高了热风温度和降低了燃料消耗。新涂层还增强了耐火砖的物理性能和热工性能，有利于热风炉的长寿。本技术还可以推广到其他类似的高温传热场合。关键词：高发射率涂层，高炉，热风炉，格子砖，高风温，节能Study on micron-nanometer high emissivity coating for energy saving-Application of coating on checker brick in hot stove of BFZhou Huimin1 Shi Shengyi1 Wang Jiashui1 Hu Jiangning1Cang Daqiang2 Dan Zhigang2 Zong Yanbin2 Bai Hao2Xu Dayong3 Liu Changpeng3Cao Yong4 Yuan Liusuo4( 1 Shangdong Huimin Technology Development Company 2 University of Science and Technology Beijing 3 Technical Centre of Angang Group 4 Shougang Technical Research Institute )Abstract: A new micron-nanometer high emissivity coating for energy saving has been fabricated by ultra fining treatment and interfacial infiltration technology. Practical application of the coating technology in the field of hot stove in BF, heating furnace in rolling mill and boiler furnace show good performance in energy saving based on fundamental experimental results. Detailed results of coating employed on checker brick in 49 hot stove of different BF were discussed in this paper. Results showed that the emissivity of coating is 0.93; the thickness is about 270 m. There is an infiltration area of 3 mm approximately which endow with the coating high cohesion and good performance of anti-stripping between the coating and the substrate. Obvious improvement on capabilities of heating and releasing of checker brick was confirmed by laboratory experiment. The application of coating on the checker brick in a blast furnace of 1750m3 indicated that the coating makes the blast heating temperature an average increase of 28 and reduces the fluctuation of blast temperature before the blowing-in. As a result, the heat efficiency of the hot blast stove and the blast temperature are increased, the consumption of fuel is reduced. The new coating is good to improve physical and thermal properties of refractory bricks, prolong life of hot stoves. Such coating technology will spread other heat transfer field under high temperature with its excellent characteristic.Keywords: High emissivity coating; Blast furnace, Hot stove; Checker brick; High blast temperature, Energy saving引言在高炉生产中，高风温操作是炼铁工作者追求的目标。国内外在提高热风炉风温的研究方面多集中在炉衬选材和结构设计、蓄热材料的材质、几何形状和采用高热值燃料等方面1,2。此外，也有通过改变格子砖的表面积，添加高效蓄、放热填充料等方法，提高蓄热材料的蓄热和放热效率的研究。但未见报道在热风炉蓄热材料表面制备高辐射涂层，以提高蓄热体的蓄、放热效率，从而提高热风温度，降低燃料消耗的作法。高温高发射率涂料问世以来，其节能效果引起了世界范围的重视，典型产品有英国CRC公司的ET-4型红外涂料3,4、美国CRC公司的C-10A、SBE涂料5、欧澳多国联营的Encoat红外辐射涂料6,7等。我国也有十几家企业和单位对高温节能涂料进行研究和开发8,9。国内研制的红外节能涂料也有一些产品应用于各种炉窑及加热元件上，并取得了一定的经济和社会效益。本文将微纳米高发射率节能涂料应用到高炉热风炉蓄热体表面，采用超细材料技术制备出微纳米涂料，检测并分析了涂料与涂层的主要性能和微观结构，给出了高炉热风炉蓄热体表面制备高发射率微纳米节能涂料覆层的技术。用实验室实验和钢铁厂热风炉上的实际应用结果分析了高炉热风炉蓄热体微纳米节能涂料覆层应用效果。1 涂层的制备涂料由高发射率基料、悬浮剂和粘合剂等组成，主要组分比例见表1。将上述各组分按配比称重、混合后，采用超细化处理工艺，使基料颗粒达到微纳米级，获得微纳米涂料基料。表1 涂料主要组分比例组分耐火粉料增黑剂烧结剂粘合剂悬浮剂比例，%3040102023133050将涂料与已制备的无机树脂混合，并加入热塑性高聚合物及少量的表面活性剂，通过高速机械搅拌，制成粘稠的流体，即获得高发射率节能涂料。热风炉蓄热体表面涂层的制备流程如下：蓄热体（格子砖或蓄热球）吹风清理喷前处理液浸泡涂料阴干高温自烧结固化。本研究对热风炉格子砖所用的硅砖进行涂覆，涂层厚度控制在250m左右。2 结果与讨论2.1 涂层的主要性能表2是1#、2#、3#样的发射率和1#样的热性能指标。从表中可知，经100、1000和1300烧结1h后，涂层的发射率均达到0.90，1300烧结后的涂层高达0.92，最高达0.93。从1#样的热性能指标可看出，涂层保持与普通硅砖相当的热性能参数。三个试样抗热震实验循环次数均达到12次，优于普通涂料的3-8次10。表2 涂层的主要性能指标性能试样1#（1001h）2#（10001h）3#（13001h）发射率（）0.900.900.92耐火度, 1810-热膨胀系数, /9.710-6-线膨胀率，1.125-导热系数, W/m0.977-抗热震性, 次1212122.2 涂层的微观形貌图1是高发射率基料的透射电子显微镜（TEM）形貌图，从图1可看出，基料颗粒大小为80-120nm，这表明实验采用的超细化处理工艺，能使基料颗粒达到微纳米尺度。颗粒的超细化使得涂料在涂覆到基材表面后，能渗透到基体的内部，并形成一定厚度的过渡层。基料的超细化对涂层获得良好的粘结性能。图2、3是格子砖涂层截面的实物照片和显微结构，从图2可看出涂层与基体间有明显的过渡区，这是由于涂料在涂覆后向基体内部渗透，从而形成浅绿色的过渡区。图3的微观图显示涂层厚度约270m，涂层的微观结构与基体明显不同，比基体结构致密。涂层与基体间存在渗透区，图2显示渗透区的厚度约为3mm，渗透区的结构与基体接近，但有许多弥散的涂料颗粒，见图3中渗透区内的黑色颗粒。图1 高发射率基料粉体的TEM图图2 格子砖涂层截面照片图3 涂层截面的显微结构图图2、3表明涂覆样形成了涂层过渡层基体结构，过渡层的形成保证了涂层与基体有良好粘结性能，而过渡层的形成是由于涂料中超细化颗粒的存在，微纳米级颗粒为涂料充分渗透到基体提供了良好的镶嵌条件。2.3 涂层对基材性能的影响（1）高辐射率涂层对耐火材料物理性能的影响涂料多用在高温工业炉内壁耐火材料表面，其对耐火材料基体物理性能的影响直接决定涂料能否使用的重要指标。实验从高铝质耐火砖上取相同形状的两块试样，一块涂覆涂料，另一块作为对比样，将两者在烘箱进行10010h处理后，进行性能检测，分别测试试样的体积密度、气孔率、抗折强度、耐压强度、抗热震性和高温蠕变性能，表3是试样的性能测试结果。与高铝砖实验方法相同，表4是涂料对硅砖物理性能的影响，其中圆括号内为试样经过13003h处理后的检测值。表3 涂料对高铝砖物理性能的影响试样体积密度（g/cm3）气孔率（%）耐压强度（MPa）抗折强度（MPa）抗热震性（次）高温蠕变（%）未涂2.4325495.816-1.42涂覆2.4821646.316-0.62表4 涂料对硅砖物理性能的影响试样体积密度（g/cm3）气孔率（%）耐压强度（MPa）抗折强度（MPa）未涂1.78（1.80）22.4（19.9）21（28）10.0（12.2）涂覆1.84（1.81）17.9（19.3）20（31）11.3（12.7）注：圆括号内为13003h处理后试样的值从表3、表4中可以看出涂刷涂料的试样在上述性能与不涂涂料的试样相当或略有提高，两者在热震稳定性上基本相当，而高铝砖质子砖涂刷涂料后的高温蠕变性却有显著的提高。说明涂料不仅不会对耐火基体有害，反而能提高炉体的使用性能。微纳米涂料的超细颗粒可以渗透到耐材基体中，填充空隙，从而使耐材的气孔率降低、体积密度增大，表面致密，涂料固化后形成的坚硬釉层有助于提高耐火材料的耐压强度和抗折强度，气孔率的降低及坚硬的涂层提高了耐材在抵抗高温荷重下变形的能力，使格子砖的高温蠕变性能得到了极大的提高，这对提高高炉热风炉的使用寿命非常有利。（2）涂层对格子砖升、降温速率的影响在不改变格子砖的质量和表面积的前提下，涂层能否提高格子砖的吸热和放热能力，与格子砖升、降温速率关系密切。图4是涂和未涂涂层的格子砖放入恒定温度（1200）炉膛内的升、降温曲线。从图可看出，涂覆样升温过程中温度一直高于未涂试样，最大温差达283，13分钟后涂料试样温度达到1142，而未涂试样仅1067，说明涂料试样吸热能力强能在短时间内达到设定温度，这对提高热风炉燃烧期的吸热及缩短预热时间很有利。涂料试样降温起始温度为1142，降到390用了6分钟，未涂试样起始温度为1067，降到390却用了11分钟，说明涂料试样放热能力较强，这对提高热风炉送风期放热量有益。图4 格子砖放入升降温曲线（3）涂层对格子砖蓄热量和单位节能率的影响采用量热器法测定了涂层在中温（800）和高温（1200）下对格子砖蓄热量和单位节能率的影响。量热器法是指用量热器测量水的吸热量（Q水），试样的放热量Q样与Q水相同。单位节能率=m未涂（Q涂覆/m涂覆Q未涂/m未涂）/Q未涂100%反映涂料对基材蓄热量的提高情况。表5是涂覆格子砖在800和1200温度下，分别经过1次、5次、10次和15次热震实验后的节能率。从表5可看出，涂层在中温阶段的节能率小于高温阶段的节能率，说明涂料改善耐火砖传热能力的机理是以改善砖表面的吸收和辐射能力为主。试样经过多次热震试验，其蓄热效率提高率没有明显变化，表明涂料的短期和长期使用效果基本一致。表5 不同状态下的格子砖表面涂层的节能效果热震次数节能率，%800120018.218.457.816.7108.917.8157.515.43工业应用及前景本技术在涂料的制备方法、施工工艺和覆层蓄热体方面已获得国家专利授权3项，自2004年高辐射节能涂料覆层热风炉格子砖的专利发明以来，已在3002680m3等49座不同型号高炉热风炉上应用，均取得了提高热风炉风温、延长送风时间、降低煤气消耗、改善热风炉炉况的效果。图5是济钢1750m3高炉三座热风炉的送风温度曲线，经检测，济钢1750m3高炉热风炉投产运行三年后，风温平均提高28，煤气消耗减少10.1%。其效果仍然比较稳定，说明了高辐射覆层后格子砖的力学性能和热工测试的增强是稳定可靠的。热风炉蓄热体表面微纳米节能涂层技术为进一步提高热风炉热风温度提供了简单方便的新途径，应用前景广泛。图6 济钢1#、3# 1750m3高炉三座热风炉的送风温度曲线4 结论（1）高辐射率节能新涂料同砖体结合牢固，附着性好，涂料渗透到耐火材料基体中没有产生裂纹和脱落现象，未与基体发生化学反应形成低熔点物质。（2）高辐射涂料覆层于高炉热风炉格子砖后，使格子砖的力学性能提高，特别是体积密度、气孔率、耐压强度、抗折强度，高温蠕变性能大大增强了。（3）涂料覆层改变了格子砖的热工性能，能增加热风炉格子砖在燃烧期的吸热量和送风期的放热量，对提高热风炉格子砖的蓄热能力很有益处。（4）涂料经过多次热震，其热发射率及蓄热效率提高率没有明显变化，这对涂料在长期使用过程中获得稳定的节能效果有利。（5）高辐射率节能新涂料可以提高高炉风温20左右，节能10%左右。热风炉蓄热体表面微纳米节能涂层技术为进一步提高热风炉热风温度提供了简单方便的新途径，应用前景广泛。参考文献1 Niemeije F T. 21世纪热风炉. 钢铁, 2005, 40(7): 84-86.2 吴启常, 张建梁, 苍大强. 我国热风炉的现状及提高风温的对策. 炼铁, 2002, 21(5): 1-4.3 J. 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