高辐射覆层涂料

提高热风炉格子砖力学性能和热工性能的研究
1. 山东慧敏科技开发有限公司；2. 首钢技术研究院；3. 鞍钢技术中心
周惠敏1 曹勇2 袁留锁2 徐大勇3 刘常鹏3 孙传胜1 王家水1 翟延飞1 刘逸舟1

摘要：格子砖的力学性能和热工性能对于热风炉的风温和寿命起着决定作用，在格子砖表面涂覆高辐射覆层涂料可显著改善格子砖的力学性能和热工性能，从而达到提高风温和延长炉窑寿命的目的。
关键词：高辐射覆层技术、格子砖、力学性能、热工性能
       山东慧敏科技开发有限公司自主研发的用于高炉热风炉和焦炉的增效节能减排的新技术-高辐射覆层技术，已在国内外近40家钢铁企业的172座高炉热风炉和2座焦炉上应用。本技术应用于高炉热风炉，可提高蓄热量10%以上，提高热风温度10℃以上（降低焦比2kg/吨铁，增加喷吹煤粉4kg/吨铁，增产0.3%），降低煤气消耗7%以上，减少CO2排放2.4kg/t铁；应用于焦炉可降低煤气消耗3%以上，减少CO2排放，减少漏气率，提高焦炭质量。此外，本技术可显著改善耐材的各种物理性能，防止烟气对耐材的侵蚀，延长炉子使用寿命。
       高辐射覆层技术已取得国家发明专利4项、实用新型专利1项，俄罗斯发明专利1项。专利的核心内容：热交换器，包括蓄热体，其特征在于蓄热体表面的一面或多面涂有一层高辐射材料覆层，所述高辐射材料的发射率高于蓄热体基体材料的发射率。
       本文研究内容是热风炉格子砖涂覆高辐射覆层涂料后，检验覆层涂料与格子砖附着性能，对格子砖的力学性能和热工性能的影响。同时通过热震试验说明高辐射覆层涂料应用效果的长期有效性。
一、高辐射覆层涂料与耐火材料基体附着性能试验
       高辐射覆层涂料喷涂于耐火材料基体表面后，增强了耐火材料基体的吸热能力和蓄热能力，但能否牢固地附着，特别是在高温下或在高温气流冲击下能否牢固附着，决定着高辐射覆层涂料的使用寿命。
试验方法：格子砖试样除尘后，喷涂前处理液后晾15min，再涂覆一层高辐射覆层涂料，晾干后在电阻炉内加热到1200℃后迅速水冷，连续数次。
       试验结果及分析：覆层后格子砖试样（1200℃～水冷）连续数次骤冷骤热。试样表面的覆层涂料同试样结合牢固、附着性良好，没有产生裂纹和脱落现象。当耐火材料试样完全破碎时，高辐射材料覆层也不脱落（见图1）。

       观察试样显微结构，断面的颜色发生了变化（见图２），说明覆层涂料已渗到格子砖基体内。

       （1）渗入厚度大约3mm左右，涂层厚度为0.293mm。
       （2）沿基体与涂料层的交接处没有明显的白色裂纹，说明耐火材料基体与覆层涂料紧密结合。
       （3）没有覆层涂料的试样基体部分有大量的缝隙，在200倍数下显示为白色（见图3），而渗透到基体中的细小涂料颗粒为黑色，独立存在于试样基体的缝隙中，没有与基体发生化学反应，形成低熔点相。 
二、高辐射覆层涂料对格子砖力学性能的影响
       试验方法：从同一个耐火砖取相同两块试样，一块涂覆涂料，另一块不涂。在相同的条件下，分别做了体积密度、气孔率、耐压强度、抗折强度、高温蠕变、荷重软化等性能测试，测试结果如表1。

       从表1中可以看出，涂覆涂料后，试样的各项力学性能明显改善。高辐射覆层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基体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，延长了高炉热风炉的使用寿命。
三、高辐射覆层涂料对格子砖热工性能的影响
       格子砖涂覆覆层涂料后，其气孔率降低，导热系数升高，热工性能也得到改善。
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覆层涂料的发射率，根据斯蒂芬－玻尔兹曼定律E=ε0ｃ0 (Ｔ/100)4分析其节能效果；二是通过有覆层和无覆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覆层和无覆层试样蓄热量定量确定节能率。
3.1 涂料发射率的测定
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）。

       涂料经多次热震后的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。
3.2 涂料对耐火砖升、降温速率的影响
       试验目的：考察格子砖在涂覆覆层涂料前后的吸热、放热能力
       试验方法：取同一个格子砖相同的两块试样，一块涂覆覆层涂料，一块不涂。在试样中心部位钻取φ8×25mm的孔（如图4，注：沿着钻孔方向，孔的底部与试样的下表面留有15mm的距离），孔内置入φ7mm的热电偶，进行试验。把对比试样同时放入恒定炉温的炉内升温，炉外快速降温，记录升降温曲线（见图6）。

       从图6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，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涂料对耐火砖蓄热量提高率的影响
       实验目的：定量确定涂覆试样和非涂覆试样在中温（800℃）和高温（1200℃）状态的对耐火砖蓄热量提高率。
       实验方法：将涂与未涂的两个可比试样，放在800℃或1200℃高温炉或热震炉内，控制3min加热时间（未达到饱和），同时迅速取出两个可对比的试样，分别放入加入了等量冷水的两个量热器中，量热器内温度达到平衡时的冷水吸热量Q水与试样放热量Q样相同。因此，分别测得量热器内水温变化就能求出两个对比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高温炉或热震炉，试样并排对称放置以消除炉内温度不均的影响，采用保温桶作为量热器以消除热量的散失，实验过程中两人默契配合达到同时取放试样。
       试验过程如下：
a) 取两个检查制作合格的试样（一个涂覆覆层，一个未涂覆覆层）；
b）在两个量热器内分别加入1200ml的水，测出水的初始温度t初；
c）将热震炉的炉温升至800℃或1200℃；
d）将一组两块对比试样并行同时放入热震炉内，记录升温时间为3min；
e）同时取出试样分别放入盛水的量热器中，每隔1 min记录一次温度；
f）量热器内水温不再变化，一次试验结束；
g) 第二次试验时，应交换试样在热震炉中加热的置放位置。
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次热震后的蓄热量提高率，实验结果见表3。

       涂覆后格子砖在中温阶段蓄热量提高率小于高温阶段的蓄热量提高率，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一致。
四、结论
       1. 高辐射覆层涂料同砖体结合牢固，附着性良好，涂料渗透到耐火材料基体中独立存在，没有与基体发生化学反应，形成低熔点相。
       2. 格子砖涂覆高辐射覆层涂料后，力学性能改善，特别是体积密度、气孔率、耐压强度、抗折强度、高温蠕变等性能显著改善。
       3. 涂料覆层改善了格子砖的热工性能，增加热风炉格子砖在燃烧期的吸热量和送风期的放热量，提高了热风炉格子砖的蓄放热能力。
       4. 涂料经过多次热震，其发射率及蓄热量节能率没有明显变化，说明了高辐射覆层涂料应用的长期有效性。