1、高爐熱風(fēng)爐蓄熱體微納米節(jié)能涂料覆層技術(shù)的研究Development of micron-nanometer energy saving coating technology on heat retainer in hot blast stove周惠敏1 蒼大強(qiáng)2 宗燕兵2 但智鋼2 徐大勇3 劉常鵬3曹 勇4 袁留鎖4 時(shí)盛義1 王家水1 胡江寧1（ 1山東慧敏科技開發(fā)有限公司 2北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院3鞍鋼技術(shù)中心 4首鋼技術(shù)中心 ）摘要：采用超細(xì)化技術(shù)制備出微納米涂料，并在高爐熱風(fēng)爐蓄熱體表面成功制備出微納米節(jié)能涂層。分析和檢測(cè)結(jié)果表明，涂層的發(fā)射率達(dá)到0.93，涂層厚度約為270

2、m。涂層與基體間有3mm左右滲透區(qū)，這保證了涂層與基體間的良好的粘結(jié)性能和優(yōu)異的抗剝落能力。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，涂層能顯著提高格子磚蓄、放熱能力，并減小送風(fēng)混前溫度的波動(dòng)。涂層提高風(fēng)溫和節(jié)能的機(jī)理是高發(fā)射率微納米涂層大幅度提高強(qiáng)化了氣-固相間的輻射傳熱，提高了爐子的熱效率，從而縮短格子磚蓄熱時(shí)間、提高熱風(fēng)溫度和降低燃料消耗。涂層增強(qiáng)了耐火磚的物理性能和熱工性能，有利于熱風(fēng)爐的長(zhǎng)壽。關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐，格子磚，高發(fā)射率涂層，高風(fēng)溫，力學(xué)熱工性能。Keywords: hot blast stove; checker brick; high emissivity coating; high blast

3、temperature1 引言Introduction在高爐生產(chǎn)中，高風(fēng)溫操作是煉鐵工作者追求的目標(biāo)。國(guó)內(nèi)外在提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫的研究方面多集中在爐襯選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、蓄熱材料的材質(zhì)和幾何形狀和采用高熱值燃料等方面1,2。此外，也有通過改變格子磚的表面積，添加高效蓄、放熱填充料等方法，提高蓄熱材料的蓄熱和放熱效率的研究。但少有報(bào)道在熱風(fēng)爐蓄熱材料表面制備高輻射涂層，以提高蓄熱體的蓄、放熱效率，從而提高熱風(fēng)溫度，降低燃料消耗。高溫高發(fā)射率涂料問世以來，其節(jié)能效果引起了世界范圍的重視，典型產(chǎn)品有英國(guó)CRC公司的ET-4型紅外涂料3,4、美國(guó)CRC公司的C-10A、SBE涂料5、歐澳多國(guó)聯(lián)營(yíng)的Encoat

4、紅外輻射涂料6,7等。我國(guó)也有十幾家企業(yè)和單位對(duì)高溫節(jié)能涂料進(jìn)行研究和開發(fā)8,9。國(guó)內(nèi)研制的紅外節(jié)能涂料也有一些產(chǎn)品應(yīng)用于各種爐窯及加熱元件上，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文將微納米高發(fā)射率節(jié)能涂料應(yīng)用到高爐熱風(fēng)爐蓄熱體表面，采用超細(xì)化技術(shù)制備出微納米涂料，檢測(cè)并分析了涂料與涂層的主要性能和微觀結(jié)構(gòu)，給出了高爐熱風(fēng)爐蓄熱體表面制備高發(fā)射率微納米節(jié)能涂料覆層的技術(shù)。用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和鋼鐵廠熱風(fēng)爐上的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果分析了高爐熱風(fēng)爐蓄熱體微納米節(jié)能涂料覆層應(yīng)用效果。2 涂層的制備及實(shí)驗(yàn)方法Coatings and experimental procedures涂料由高發(fā)射率基料、懸浮劑和粘合劑等組成，

5、主要組分比例見表1。高發(fā)射率粉體基料主要成份為氧化鋯、氧化鉻、碳化硅、氧化鐵、棕剛玉、鈦白粉、耐火粘土和膨潤(rùn)土。將上述各組分按配比稱重、混合后，采用超細(xì)化處理工藝，使基料顆粒達(dá)到微納米級(jí)，獲得微納米涂料基料。表1 涂料主要組分比例組分耐火粉料增黑劑燒結(jié)劑粘合劑懸浮劑比例，%3040102023133050將涂料與已制備的無機(jī)樹脂混合，并加入熱塑性高聚合物及少量的表面活性劑，通過高速機(jī)械攪拌，制成粘稠的流體，即獲得高發(fā)射率節(jié)能涂料。熱風(fēng)爐蓄熱體表面涂層的制備流程如下：蓄熱體（格子磚或蓄熱球）吹風(fēng)清理噴前處理液浸泡涂料陰干高溫自燒結(jié)固化。本研究對(duì)熱風(fēng)爐格子磚所用的硅磚進(jìn)行涂覆，涂層厚度控制在250

6、m左右。將制備好的硅磚試樣（36×80mm）后分別在100、1000和1300下燒結(jié)1小時(shí)，用輻射率測(cè)試儀對(duì)燒結(jié)涂層進(jìn)行發(fā)射率檢測(cè)；用巖相顯微鏡對(duì)涂層的表面和界面進(jìn)行微觀分析，以反映涂料與磚體的結(jié)合情況和附著性性能。將試樣加熱至1000保溫20min，出爐水冷5min后，再放入爐內(nèi)加熱至1000保溫20min，如此循環(huán)，以涂層出現(xiàn)開裂或脫落時(shí)所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)來衡量試樣的耐急冷急熱性能。3 結(jié)果與討論3.1 涂層的主要性能Properties of coating表2是1#、2#、3#樣發(fā)射率的檢測(cè)結(jié)果和1#樣的其它相關(guān)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果。從表中可知，涂層經(jīng)100、1000和1300下燒結(jié)

7、1小時(shí)均有0.90以上的發(fā)射率，其中1300煅燒后的涂層達(dá)到0.92。這說明涂層能在高溫條件下保持良好的發(fā)射率。表2 涂層的主要性能指標(biāo)樣品發(fā)射率（）耐火度，熱膨脹系數(shù)，/線膨脹率，導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K1#樣（100×1h）0.9018109.7×10-61.1250.9772#樣（1000×1h）0.90-3#樣（1300×1h）0.92-3.2 微觀形貌Microstructure圖1是高發(fā)射率基料的透射電子顯微鏡（TEM）形貌圖，從圖1可看出，基料顆粒大小為80-120nm，這表明實(shí)驗(yàn)采用的超細(xì)化處理工藝，能使基料顆粒達(dá)到微納米級(jí)，獲得了

8、微納米涂料基料。顆粒的超細(xì)化使得涂料在涂覆到基材表面后，充分滲透到基體的內(nèi)部，并形成一定厚度的過渡層?；系某?xì)化對(duì)涂層獲得良好的粘結(jié)性能，是涂層保持與基材的牢固結(jié)合有至關(guān)重要的作用。圖2、3是格子磚涂層截面的實(shí)物照片和顯微結(jié)構(gòu)，從圖2可看出涂層與基體間有明顯的過渡區(qū)，這是由于涂料在涂覆后向基體內(nèi)部滲透，從而形成淺綠色的過渡區(qū)。圖3的微觀圖顯示涂層厚度約270m，涂層的微觀結(jié)構(gòu)與基體明顯不同，比基體結(jié)構(gòu)致密。涂層與基體間存在滲透區(qū)，圖2顯示滲透區(qū)的厚度約為3mm，滲透區(qū)的結(jié)構(gòu)與基體接近但有許多彌散的涂料顆粒，見圖3中滲透區(qū)內(nèi)的黑色顆粒。圖1 高發(fā)射率基料粉體的TEM圖圖2 格子磚涂層截面照片圖

9、3 涂層截面的顯微結(jié)構(gòu)圖圖2、3表明涂覆樣形成了涂層過渡層基體結(jié)構(gòu)，過渡層的形成保證了涂層與基體有良好粘結(jié)性能，而過渡層的形成是由于涂料中超細(xì)化顆粒的存在，微納米級(jí)顆粒為涂料充分滲透到基體提供了良好的滲透條件。3.3 涂料對(duì)熱風(fēng)爐格子磚物理性能和熱工性能試驗(yàn) 高輻射涂料對(duì)格子磚力學(xué)性能的影響試驗(yàn)方法：從同一塊耐火磚取相同兩塊試樣，一塊涂涂料，另一塊不涂，在相同的條件下，分別做了體積密度、氣孔率、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性，高溫蠕變性性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：性能測(cè)試結(jié)果如表1表1.1 高鋁質(zhì)格子磚涂刷涂料前后性能對(duì)比體積密度（g/cm3）氣孔率（%）耐壓強(qiáng)度（Mpa）抗折強(qiáng)度（Mpa）熱震

10、性（次）高溫蠕變（%）涂前2.4325495.816-1.424涂后2.4821646.316-0.623表1.2 硅磚涂刷涂料前后的物理性能對(duì)比常溫(100×10h)1300×3h抗折強(qiáng)度,MPa耐壓強(qiáng)度,MPa體密g/cm3氣孔率%抗折強(qiáng)度,MPa耐壓強(qiáng)度,MPa體密g/cm3氣孔率%線變化率,%涂前10.01211.7822.4412.23281.8019.88+0.51涂后11.26201.8417.8512.65311.8119.27+0.33從表1中可以看出涂涂料的試樣在體積密度、氣孔率、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度等性能比不涂的都有提高，兩者在熱震穩(wěn)定性上基本相當(dāng)，而格

11、子磚的高溫蠕變性涂涂料后有顯著的提高。說明涂料不僅不會(huì)對(duì)耐火基體有害，反而能提高爐體的使用性能。高輻射微納米涂料的超細(xì)納米化可以滲透到耐材基體中，從而使耐材的氣孔率降低、體積密度增大，涂料固化后形成的堅(jiān)硬釉層提高了耐火材料的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，氣孔率的降低及堅(jiān)硬的涂層提高了耐材在抵抗高溫荷重下變形的能力，使格子磚的高溫蠕變性能得到了極大的提高，這對(duì)提高高爐熱風(fēng)爐的使用壽命非常有利。 高輻射涂料對(duì)格子磚熱工性能的影響高輻射涂料覆層格子磚熱工性能的試驗(yàn)：高輻射涂料覆層格子磚后，滲透層的氣孔率降低，導(dǎo)熱系數(shù)升高，其熱工性能也發(fā)生變化。試驗(yàn)通過三種方法考察涂料節(jié)能效果，一是通過測(cè)定耐火磚及涂層的發(fā)射率

12、，根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律E=00（100）4分析其節(jié)能效果。二是通過有涂層和無涂層試樣升溫和降溫速率定性確定節(jié)能率。三是通過單位時(shí)間有涂層和無涂層試樣蓄熱量定量確定節(jié)能率。.1 涂料熱發(fā)射率的測(cè)定為了驗(yàn)證涂料發(fā)射率在使用過程中的穩(wěn)定性，是否有節(jié)能的長(zhǎng)期效果，對(duì)涂料進(jìn)行了熱震10次、15次、20次發(fā)射率的測(cè)定（見表2）表2 涂料在不同熱震次數(shù)的熱發(fā)射率熱震次數(shù)101520熱發(fā)射率0.930.900.940.92涂料經(jīng)多次熱震后的熱發(fā)射率同原始發(fā)射率相比基本沒有變化（測(cè)量誤差±0.02），始終處于較高的水平，這對(duì)涂料在使用過程中獲得穩(wěn)定的節(jié)能效果有利。.2 涂料對(duì)耐火磚升、降溫速率的影響

13、（1）格子磚涂涂料前后升、降溫試驗(yàn)高爐熱風(fēng)爐的格子磚是利用其自身的蓄熱能力和其內(nèi)表面格子孔形成的巨大受熱面積來完成將燃料的熱能置換給高爐鼓風(fēng)，在階段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生溫度穩(wěn)定的大流量高溫空氣即高爐的熱風(fēng)。在不改變格子磚的質(zhì)量和表面積的前提下，其表面涂抹“杰能王”涂料，能否提高格子磚的吸熱和放熱能力（熱風(fēng)爐的燃燒期和送風(fēng)期），增大其傳熱能力尤為重要。試驗(yàn)?zāi)康模嚎疾旄褡哟u在涂涂料前后的吸熱、放熱能力試驗(yàn)方法：取同一塊格子磚相同的兩塊試樣，一塊涂涂料，一塊不涂，在中心部位鉆取8×25mm的孔（如圖4），孔內(nèi)置入7mm的熱電偶，進(jìn)行以下試驗(yàn)：1.把兩塊試樣同時(shí)放入高溫爐中，升溫到1200，然后隨爐冷

14、卻，為消除爐內(nèi)溫度不均的影響，兩塊試樣變換位置后，重新升、降溫。2.把高溫爐溫度升到1200，把兩塊試樣同時(shí)放入爐中，保溫10min，然后取出試樣自然降溫，記錄升降溫曲線。圖4實(shí)驗(yàn)用試樣 圖5實(shí)驗(yàn)連接圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：如圖6、圖7為格子磚隨爐升降溫曲線，兩次試驗(yàn)曲線趨勢(shì)是相同的，在升溫過程中，涂料試樣的溫度始終高于未涂試樣，到達(dá)同一溫度的時(shí)間涂料試樣一直短于未涂試樣，在降溫過程中，試樣達(dá)到同一溫度的時(shí)間涂料試樣也一直短于未涂試樣，換句話來說就是在升溫過程中，涂料試樣的升溫速率要大于未涂試樣，在這可以增加熱風(fēng)爐格子磚在燃燒期的吸熱量和送風(fēng)期的放熱量，對(duì)提高熱風(fēng)爐的能力和熱風(fēng)溫度都有益處。 圖6

15、格子磚升降溫曲線 圖7 格子磚升降溫曲線（換位置）試驗(yàn)還考察了把試樣同時(shí)放入恒定爐溫的爐內(nèi)升溫，爐外快速降溫的升降溫曲線（見圖8）。從該圖就可以看到，涂料試樣升溫過程中溫度一直高于未涂試樣，最大溫差達(dá)283，13分鐘后涂料試樣溫度達(dá)到1142，而未涂試樣僅1067，說明涂料試樣吸熱能力強(qiáng)能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度，這對(duì)提高熱風(fēng)爐燃燒期的吸熱及縮短預(yù)熱時(shí)間有利。涂料試樣降溫起始溫度為1142，降到390用了6分鐘，未涂試樣起始溫度為1067，降到390卻用了11分鐘，圖8 格子磚升溫、降溫曲線說明涂料試樣放熱能力較強(qiáng)，這對(duì)提高熱風(fēng)爐送風(fēng)期放熱量有益。.3涂料對(duì)耐火磚蓄熱量和單位節(jié)能率的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

16、：定量確定涂料試樣和非涂料試樣在中溫（800）和高溫（1200、1350）狀態(tài)的對(duì)耐火磚蓄熱量和單位節(jié)能率。實(shí)驗(yàn)方法：將兩個(gè)可比試樣放在同一電爐內(nèi)進(jìn)行自然升溫或放在一定爐溫電爐中，控制其加熱時(shí)間使試樣在沒有達(dá)到溫度平衡時(shí)，分別取出試樣加入等量的冷水中，溫度達(dá)到平衡時(shí)的冷水吸熱量Q水應(yīng)該與試樣放熱量Q樣相同，只要測(cè)得水溫的變化就可以求出試樣在相同供熱量下的不同吸熱量。試驗(yàn)采用溫度梯度分布均勻的熱震爐（圖10），試樣對(duì)稱放置以消除爐內(nèi)不均的影響，采用保溫桶作為水和試樣熱交換的容器以消除熱量的散失（圖9），實(shí)驗(yàn)中兩人配合同時(shí)取放試樣。試驗(yàn)過程： 同一格子磚、加熱爐磚上切取相同的試樣兩塊，一塊涂節(jié)能涂

17、料，另一塊不涂涂料。圖9 水溫測(cè)量裝置 圖10 實(shí)驗(yàn)用熱震爐 兩塊試樣完全干燥后稱重。 兩只相同的特制容器，加一定量的水，測(cè)出水的初始溫度。 將試樣放入電阻爐內(nèi)，控制電阻爐的初始和終止溫度，并記錄升溫時(shí)間。 取出試樣，放入特制容器中，間隔1min記錄一次溫度。 重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算節(jié)能率。計(jì)算公式： 試樣放出熱量等于水吸收的熱量Q涂=Q水=m水（c終t終- c初 t初） q涂= Q涂/m涂 同理q未涂= Q未涂/m未涂 因此節(jié)能率=（ q涂 - q未涂 ）/ q未涂 ×100% 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定格子磚在800、1200以及5次、10次、15次熱震后的節(jié)能率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。表3

18、 涂料對(duì)耐火磚的不同狀態(tài)下節(jié)能率的影響熱震次數(shù)8001200格子磚格子磚18.218.457.816.7108.917.8157.515.4 節(jié)能涂料在中溫階段的節(jié)能率小于高溫階段的節(jié)能率，說明涂料改善耐火磚傳熱能力的機(jī)理是以改善磚表面的吸收和輻射能力為主。試樣經(jīng)過多次熱震試驗(yàn)，其蓄熱效率提高率沒有明顯變化，表明涂料的短期和長(zhǎng)期使用效果基本一致。3.4 涂層的節(jié)能機(jī)理Mechanism on energy saving of coating上面討論的涂料的應(yīng)用結(jié)果表明熱風(fēng)爐使用涂料后，煙氣分布均勻，蓄熱量增加，吸熱快，放熱快，有利于熱交換。主要效果表現(xiàn)為提高送風(fēng)溫度、縮短換爐周期、減少煤氣流量

19、、空氣流量、節(jié)約能耗。由于高溫區(qū)的格子磚涂覆涂料后發(fā)射出來的熱的波長(zhǎng)為15m，極易被未涂覆涂料的格子磚吸收。下部的格子磚的蓄熱速度和蓄熱量也大大增加，進(jìn)而提高了整座熱風(fēng)爐的蓄熱能力。4 本技術(shù)已獲國(guó)家專利授權(quán)圍繞高輻射材料覆層技術(shù)，發(fā)明人周惠敏已獲國(guó)家專利授權(quán)3項(xiàng)：“高效節(jié)能熱交換器”（實(shí)用新型專利號(hào)：ZL 2005 2 0084197.8）；“高溫遠(yuǎn)紅外涂料及其制備方法”（專 利 號(hào)：ZL 2003 1 0114615.9）；“一種高溫爐窯內(nèi)壁、水冷壁表面噴刷涂料的施工工藝”亦獲國(guó)家發(fā)明專利（專 利 號(hào)：ZL 2003 1 0114616.3）。國(guó)際PCT組織已于2005年11月25日將“用

20、于熱交換的帶覆層蓄熱體”發(fā)明受理，受理號(hào)為：PCT/CN2005/00210，正申報(bào)日本、俄羅斯、美國(guó)、韓國(guó)、印度和歐盟六國(guó)的專利。5 工業(yè)應(yīng)用 自2004年高輻射節(jié)能涂料覆層熱風(fēng)爐格子磚的專利發(fā)明以來，已在300m3、350m3、750m3、1080m3、1750m3、1880m3、2000m3、2680m3高爐近50座熱風(fēng)爐上應(yīng)用，均取得了提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫、延長(zhǎng)送風(fēng)時(shí)間、降低煤氣消耗、改善熱風(fēng)爐爐況的效果。經(jīng)濟(jì)鋼1750m3高爐熱風(fēng)爐使用效果的檢測(cè)，投產(chǎn)運(yùn)行三年后，其效果仍然比較穩(wěn)定，說明了高輻射覆層后格子磚的力學(xué)性能和熱工測(cè)試的增強(qiáng)是穩(wěn)定可靠的。6 結(jié)論1.高輻射節(jié)能涂料同磚體結(jié)合牢固，附

21、著性很好，涂料滲透到耐火材料基體中沒有產(chǎn)生裂紋和脫落現(xiàn)象，沒有與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成其他物質(zhì)，形成低熔點(diǎn)相。2.高輻射涂料覆層于格子磚后，使格子磚的力學(xué)性能大大提高，特別是體積密度、氣孔率、耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，高溫蠕變性能大大增強(qiáng)。3.涂料覆層改變了格子磚的熱工性能，能增加熱風(fēng)爐格子磚在燃燒期的吸熱量和送風(fēng)期的放熱量，對(duì)提高熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱能力很有益處4. 涂料經(jīng)過多次熱震，其熱發(fā)射率及蓄熱效率提高率沒有明顯變化，這對(duì)涂料在長(zhǎng)期使用過程中獲得穩(wěn)定的節(jié)能效果有利。5.熱風(fēng)爐蓄熱體表面微納米節(jié)能涂層技術(shù)為進(jìn)一步提高熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度提供了簡(jiǎn)單方便的新途徑，應(yīng)用前景非常廣泛。其提高風(fēng)溫和節(jié)能效果的深層

22、次機(jī)理有待更深入的研究。參考文獻(xiàn)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, 1986, (2): 23-255 B.