高炉热风炉蓄热体微纳米节能涂料覆层技术的研究

1、高炉热风炉蓄热体微纳米节能涂料覆层技术的研究Development of micron-nanometer energy saving coating technology on heat retainer in hot blast stove周惠敏1 苍大强2 宗燕兵2 但智钢2 徐大勇3 刘常鹏3曹 勇4 袁留锁4 时盛义1 王家水1 胡江宁1（ 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首钢技术中心 ）摘要：采用超细化技术制备出微纳米涂料，并在高炉热风炉蓄热体表面成功制备出微纳米节能涂层。分析和检测结果表明，涂层的发射率达到0.93，涂层厚度约为270

2、m。涂层与基体间有3mm左右渗透区，这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。实验室实验结果表明，涂层能显著提高格子砖蓄、放热能力，并减小送风混前温度的波动。涂层提高风温和节能的机理是高发射率微纳米涂层大幅度提高强化了气-固相间的辐射传热，提高了炉子的热效率，从而缩短格子砖蓄热时间、提高热风温度和降低燃料消耗。涂层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。关键词：热风炉，格子砖，高发射率涂层，高风温，力学热工性能。Keywords: hot blast stove; checker brick; high emissivity coating; high blast

3、temperature1 引言Introduction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、蓄热材料的材质和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。但少有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。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

4、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，采用超细化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。2 涂层的制备及实验方法Coatings and experimental procedures涂料由高发射率基料、悬浮剂和粘合剂等组成，

5、主要组分比例见表1。高发射率粉体基料主要成份为氧化锆、氧化铬、碳化硅、氧化铁、棕刚玉、钛白粉、耐火粘土和膨润土。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250

6、m左右。将制备好的硅砖试样（3680mm）后分别在100、1000和1300下烧结1小时，用辐射率测试仪对烧结涂层进行发射率检测；用岩相显微镜对涂层的表面和界面进行微观分析，以反映涂料与砖体的结合情况和附着性性能。将试样加热至1000保温20min，出炉水冷5min后，再放入炉内加热至1000保温20min，如此循环，以涂层出现开裂或脱落时所经历的循环次数来衡量试样的耐急冷急热性能。3 结果与讨论3.1 涂层的主要性能Properties of coating表2是1#、2#、3#样发射率的检测结果和1#样的其它相关指标的检测结果。从表中可知，涂层经100、1000和1300下烧结1小时均有0

7、.90以上的发射率，其中1300煅烧后的涂层达到0.92。这说明涂层能在高温条件下保持良好的发射率。表2 涂层的主要性能指标样品发射率（）耐火度，热膨胀系数，/线膨胀率，导热系数，W/mK1#样（1001h）0.9018109.710-61.1250.9772#样（10001h）0.90-3#样（13001h）0.92-3.2 微观形貌Microstructure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级，获得了微纳米涂料基料。颗粒的超细化使得涂料在涂覆到基材表面后，充分渗透到基体的

8、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，是涂层保持与基材的牢固结合有至关重要的作用。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

9、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渗透条件。3.3 涂料对热风炉格子砖物理性能和热工性能试验3.3.1 高辐射涂料对格子砖力学性能的影响试验方法：从同一块耐火砖取相同两块试样，一块涂涂料，另一块不涂，在相同的条件下，分别做了体积密度、气孔率、抗折强度、耐压强度、热震稳定性，高温蠕变性性能测试。实验结果及分析：性能测试结果如表1表1.1 高铝质格子砖涂刷涂料前后性能对比体积密度（g/cm3）气孔率（%）耐压强度（Mpa）抗折强度（Mpa）热震性（次）高温蠕变（%）涂前2.4325495.816-1.42

10、4涂后2.4821646.316-0.623表1.2 硅砖涂刷涂料前后的物理性能对比常温(10010h)13003h抗折强度,MPa耐压强度,MPa体密g/cm3气孔率%抗折强度,MPa耐压强度,MPa体密g/cm3气孔率%线变化率,%涂前10.01211.7822.4412.23281.8019.88+0.51涂后11.26201.8417.8512.65311.8119.27+0.33从表1中可以看出涂涂料的试样在体积密度、气孔率、抗折强度、耐压强度等性能比不涂的都有提高，两者在热震稳定性上基本相当，而格子砖的高温蠕变性涂涂料后有显著的提高。说明涂料不仅不会对耐火基体有害，反而能提高炉体的

11、使用性能。高辐射微纳米涂料的超细纳米化可以渗透到耐材基体中，从而使耐材的气孔率降低、体积密度增大，涂料固化后形成的坚硬釉层提高了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。3.3.2 高辐射涂料对格子砖热工性能的影响高辐射涂料覆层格子砖热工性能的试验：高辐射涂料覆层格子砖后，渗透层的气孔率降低，导热系数升高，其热工性能也发生变化。试验通过三种方法考察涂料节能效果，一是通过测定耐火砖及涂层的发射率，根据斯蒂芬玻尔兹曼定律E=00（100）4分析其节能效果。二是通过有涂层和

12、无涂层试样升温和降温速率定性确定节能率。三是通过单位时间有涂层和无涂层试样蓄热量定量确定节能率。3.3.2.1 涂料热发射率的测定为了验证涂料发射率在使用过程中的稳定性，是否有节能的长期效果，对涂料进行了热震10次、15次、20次发射率的测定（见表2）表2 涂料在不同热震次数的热发射率热震次数101520热发射率0.930.900.940.92涂料经多次热震后的热发射率同原始发射率相比基本没有变化（测量误差0.02），始终处于较高的水平，这对涂料在使用过程中获得稳定的节能效果有利。3.3.2.2 涂料对耐火砖升、降温速率的影响（1）格子砖涂涂料前后升、降温试验高炉热风炉的格子砖是利用其自身的蓄

13、热能力和其内表面格子孔形成的巨大受热面积来完成将燃料的热能置换给高炉鼓风，在阶段时间内产生温度稳定的大流量高温空气即高炉的热风。在不改变格子砖的质量和表面积的前提下，其表面涂抹“杰能王”涂料，能否提高格子砖的吸热和放热能力（热风炉的燃烧期和送风期），增大其传热能力尤为重要。试验目的：考察格子砖在涂涂料前后的吸热、放热能力试验方法：取同一块格子砖相同的两块试样，一块涂涂料，一块不涂，在中心部位钻取825mm的孔（如图4），孔内置入7mm的热电偶，进行以下试验：1.把两块试样同时放入高温炉中，升温到1200，然后随炉冷却，为消除炉内温度不均的影响，两块试样变换位置后，重新升、降温。2.把高温炉温度

14、升到1200，把两块试样同时放入炉中，保温10min，然后取出试样自然降温，记录升降温曲线。图4实验用试样 图5实验连接图实验结果及分析：如图6、图7为格子砖随炉升降温曲线，两次试验曲线趋势是相同的，在升温过程中，涂料试样的温度始终高于未涂试样，到达同一温度的时间涂料试样一直短于未涂试样，在降温过程中，试样达到同一温度的时间涂料试样也一直短于未涂试样，换句话来说就是在升温过程中，涂料试样的升温速率要大于未涂试样，在这可以增加热风炉格子砖在燃烧期的吸热量和送风期的放热量，对提高热风炉的能力和热风温度都有益处。 图6 格子砖升降温曲线 图7 格子砖升降温曲线（换位置）试验还考察了把试样同时放入恒定

15、炉温的炉内升温，炉外快速降温的升降温曲线（见图8）。从该图就可以看到，涂料试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，图8 格子砖升温、降温曲线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。3.3.2.3涂料对耐火砖蓄热量和单位节能率的影响实验目的：定量确定涂料试样和非涂料试样在中温（800）和高温（1200、135

16、0）状态的对耐火砖蓄热量和单位节能率。实验方法：将两个可比试样放在同一电炉内进行自然升温或放在一定炉温电炉中，控制其加热时间使试样在没有达到温度平衡时，分别取出试样加入等量的冷水中，温度达到平衡时的冷水吸热量Q水应该与试样放热量Q样相同，只要测得水温的变化就可以求出试样在相同供热量下的不同吸热量。试验采用温度梯度分布均匀的热震炉（图10），试样对称放置以消除炉内不均的影响，采用保温桶作为水和试样热交换的容器以消除热量的散失（图9），实验中两人配合同时取放试样。试验过程： 同一格子砖、加热炉砖上切取相同的试样两块，一块涂节能涂料，另一块不涂涂料。图9 水温测量装置 图10 实验用热震炉 两块试样

17、完全干燥后称重。 两只相同的特制容器，加一定量的水，测出水的初始温度。 将试样放入电阻炉内，控制电阻炉的初始和终止温度，并记录升温时间。 取出试样，放入特制容器中，间隔1min记录一次温度。 重复试验，计算节能率。计算公式： 试样放出热量等于水吸收的热量Q涂=Q水=m水（c终t终- c初 t初） q涂= Q涂/m涂 同理q未涂= Q未涂/m未涂 因此节能率=（ q涂 - q未涂 ）/ q未涂 100% 实验结果及分析：实验分别测定格子砖在800、1200以及5次、10次、15次热震后的节能率，实验结果见表3。表3 涂料对耐火砖的不同状态下节能率的影响热震次数8001200格子砖格子砖18.21

18、8.457.816.7108.917.8157.515.4 节能涂料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。3.4 涂层的节能机理Mechanism on energy saving of coating上面讨论的涂料的应用结果表明热风炉使用涂料后，烟气分布均匀，蓄热量增加，吸热快，放热快，有利于热交换。主要效果表现为提高送风温度、缩短换炉周期、减少煤气流量、空气流量、节约能耗。微纳米节能涂料是由优质的抗氧化物质经超细化处理制得，其发射率

19、达0.9以上，涂料涂覆于格子砖表面后，格子砖的发射率由0.60.8提高到0.9以上，发射率可提高16.25%以上。格子砖表面微纳米涂层发射率的大幅度提高强化了气-固相间的辐射传热，格子砖表面的温度显著升高加大了格子砖内外的温度梯度，加大了传热的动力，从而缩短了格子砖蓄热时间和提高了热风温度。由于高温区的格子砖涂覆涂料后发射出来的热的波长为15m，极易被未涂覆涂料的格子砖吸收。下部的格子砖的蓄热速度和蓄热量也大大增加，进而提高了整座热风炉的蓄热能力。4 本技术已获国家专利授权围绕高辐射材料覆层技术，发明人周惠敏已获国家专利授权3项：“高效节能热交换器”（实用新型专利号：ZL 2005 2 008

20、4197.8）；“高温远红外涂料及其制备方法”（专 利 号：ZL 2003 1 0114615.9）；“一种高温炉窑内壁、水冷壁表面喷刷涂料的施工工艺”亦获国家发明专利（专 利 号：ZL 2003 1 0114616.3）。国际PCT组织已于2005年11月25日将“用于热交换的带覆层蓄热体”发明受理，受理号为：PCT/CN2005/00210，正申报日本、俄罗斯、美国、韩国、印度和欧盟六国的专利。5 工业应用 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300m3、350m3、750m3、1080m3、1750m3、1880m3、2000m3、2680m3高炉近50座热风炉

21、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。经济钢1750m3高炉热风炉使用效果的检测，投产运行三年后，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。6 结论1.高辐射节能涂料同砖体结合牢固，附着性很好，涂料渗透到耐火材料基体中没有产生裂纹和脱落现象，没有与基体发生化学反应形成其他物质，形成低熔点相。2.高辐射涂料覆层于格子砖后，使格子砖的力学性能大大提高，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。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

22、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.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，应用前景非常广泛。其提高风温和节能效果的深层次机理有待更深入的研究。参考文献1 F.T. Niemeije. Hot blast stoves for the 21st century. Iron and Steel, 2005, 40(7): 84-86 (in Chinese)2 Q.C. Wu, J.L. Zhang, D.Q. Cang. Situation of hot stove in China and ways to enhance blast temperature. Iron Making, 2002, 21(5): 1-4 (in Chinese)3 J. Hellander. Ceramic coatings: reheat furnace application. Iron & Steel Engineer, 1987, (6): 40-434 R. Creal. Coatings big energy savings is just the icing on the cake. Heating Treating, 19