高辐射覆层技术及其应用研究

0531-88061276高炉热风炉蓄热体高辐射覆层技术及其应用研究山东慧敏科技开发有限公司（济南）0531-88061276高炉热风炉蓄热体高辐射覆层技术及其应用研究山东慧敏科技开发有限公司（济南）发明人简介：周惠敏,女,研究员,1982年1月毕业于北京钢铁学院，获学士学位；2007年3月毕业于澳大利亚南十字星大学，获工商管理硕士学位。全国“五一”劳动奖章，全国“十大杰出职工”，全国先进工作者，“全国十大创新能力民营女企业家”，全国“巾帼建功”标兵等荣誉获得者。多年来一直从事材料及材料表面技术研究，共取得科技成果20多项，获得国家专利11项。曾两次作为中国南极考察队队员赴南极考察。目前致力于高辐射覆层技术的研究。1钢铁工业是耗能大户，而高炉炼铁的能耗又占全钢铁流程总能耗的60%。1828年美国开始在高炉炼铁中使用热风。实践和理论均证明，热风不仅是降焦、增产和提高生铁质量的重要措施，而且还能提高所喷吹燃料的燃烧率，为改善喷吹效果和加大喷吹量提供有利条件。也就是说，炼铁的风温越高，耗能越小，铁产量越高。因此，高炉工作者均致力于提高风温。2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。3高炉热风炉蓄热体表面高辐射覆层技术是一种可以提高炼铁高炉热风炉热风温度，降低燃料消耗的新技术。4一般而言，当炉体温度在900℃以上时，热量传递以辐射为主，热辐射是对流的15倍，占90%以上。高温辐射能量大多数集中在1～5μm波段，比如1000℃和1300℃时，分别有76%和85%的辐射能量集中在这一波段内，一般的耐火材料在这一波段的发射率很低（图1），而高发射率涂料在1～15μm波谱范围却具有很高的发射率。5～0.8，随着炉温的升高，会大幅度下降，而高发射率涂料能一直保持较高的发射率0.9。众所周知，材料的吸收率与发射率相等，当格子砖的发射率提高后，它的吸收热量的能力也相应提高。热风炉蓄热材料的发射率一般为0.6～0.8，高温下只有0.4～0.5,辐射传热效果较差，大量的热量来不及被蓄热体吸收随烟气带走。因此，提高蓄热材料的辐射率，将显著提高热风炉蓄热材料的辐射吸收和放热效率。高发射率涂层可使蓄热体高温时的发射率由0.4～0.5提高到0.9以上。6高辐射覆层通过强化辐射换热，提高了蓄热体表面温度，增加了蓄热体内外温度梯度，加强了蓄热体内部－表面－气体间的热传导，使蓄热体燃烧期吸热速度和吸热量增加，送风期放热速度和放热量也增加，从而提高热风温度，降低燃料消耗。7涂层材料的制备将超细化处理后的粉料与已制备的无机树脂混合加入少量的表面活性剂通过高速机械搅拌制成粘稠的流体——高发射率节能涂料8热风炉蓄热体（格子砖）表面覆层的制备流程：吹风清灰喷前处理胶浸蘸涂料晾干或高温自烧结固化9左图是高发射率基料的透射电子显微镜（TEM）形貌图，图中粉料颗粒大小为25-120nm，经超细化处理工艺，能使基料颗粒达到微纳米尺度（最大1.4μm）。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，可提高覆层的附着力。涂层粉料的微观形貌10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。渗透区的厚度约3mm，11涂料与基体形成了涂层－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填充到基体的开口气孔中，形成涂料渗透区。12涂料填充到基体的开口气孔中，形成涂料聚集区，并在显微结构图中呈现为黑色颗粒。未与基体发生化学反应，形成低熔点相。13为形成渗透层采用的技术：１、界面理论，在表面覆层制备过程中采用了前处理技术，前处理胶改变了基体的表面张力，使表面张力减小，提高了基体的吸附涂料的能力。２、超细粉技术，涂料的微纳米级颗粒使涂料渗透到基体的开口气孔中，形成了涂料与砖体的渗态结合。保证覆层不脱落！14硅质格子砖表面形态(×25)硅质格子砖覆层表面形态(×25)致密覆层可以防止格子砖渣化。15致密覆层可以防止格子砖渣化。高铝质格子砖表面形态(×25)高铝质格子砖覆层表面形态(×25)高辐射率涂层对耐火材料物理性能的影响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2.4821646.316-0.6217℃×3h抗折强度MPa耐压强度MPa体密g/cm３气孔率%线变化率%涂前12.23281.8019.88+0.51涂后12.65311.8119.27+0.3318硅砖涂刷涂料前后的荷软及高温蠕变荷软（0.2MPa，0.6%），℃高温蠕变（1430℃×50h），%涂前1550+0.405涂后1650-0.07419高辐射微纳米涂料的超细颗粒渗透到耐材基体中填充了空隙，从而使耐材的气孔率降低、体积密度增大，提高了耐火材料的耐压强度和抗折强度，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很大的提高，这对提高高炉热风炉的使用寿命非常有利。200200400600800100012000369121518212427时间（min）温度（℃）涂未涂覆层对耐火砖升、降温速率和蓄热能力的影响有覆层——顶点温度高，残留的热量少;无覆层——顶点温度低，残留的热量多。兰色阴影——有覆层耐火砖在升降温过程中放出的热量；红色阴影——无覆层耐火砖在升降温过程中放出的热量。21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。覆层对格子砖蓄热量和单位节能率的影响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，%800℃1200℃18.218.457.816.7108.917.8157.515.4单位节能率τ=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22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。23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300～3200m3等64座不同型号高炉热风炉上应用，平均提高热风炉风温15℃以上、或延长送风时间10%、或降低煤气消耗7%以上、或兼有之，改善了热风炉炉况。工业应用24济钢1750高炉过渡区格子砖的温度曲线无覆层的热风炉格子砖温度曲线——起伏小，吞吐的热量少。有覆层的热风炉格子砖温度曲线——起伏大，吞吐的热量多。25长钢六高炉３＃热风炉格子砖涂覆高辐射覆层后送风温度高，时间长。3#炉废气温度低（峰窄）26高炉热风炉两座热风炉格子砖有覆层风溫高，送风时间长一座热风炉格子砖无覆层风溫低，送风时间短无覆层的热风炉废气温度高（峰宽）有覆层的热风炉废气温度低（峰窄）274'64'11QQQQQ24.21200.219931.5824.21229.17684'64'11QQQQQ24.21253.219567.5424.21257.166510044'12QQQQ24.21200.219924.21229.176810044'12QQQQ24.21253.219524.21257.1665热效率提高①热风炉本体热效率1#炉：=3#炉：=②热风炉热效率1#炉：=3#炉：==73.28%=81.26%=76.03%=78.32%石横特钢1080m3高炉热风炉28℃，平均烟气温度低13℃。能耗降低3%。2有高辐射覆层的热风炉煤气燃烧更充分，烟气成分中的可燃成分大大降低，化学不完全燃烧带来的热损失从1.7%下降到0.12%。3有高辐射覆层的热风炉的热效率比无覆层的热风炉的热效率高5%，节能效果明显稳定。石横特钢1080m3高炉热风炉29热风炉工业应用一览表（64座）序号施工日期应用单位炉型12004.03莱芜钢铁公司2#1880M3高炉2#热风炉22005.02济南钢铁有限公司2#1750M3高炉2#热风炉及2#、3#热风炉拱顶32005.04山东球墨铸管有限公司2#350M3高炉3座热风炉42005.05济南钢铁有限公司3#1750M3高炉3座热风炉52005.07莱芜钢铁公司1#1080M3高炉2#、3#热风炉62005.09莱芜钢铁公司2#1080M3高炉3座热风炉72005.10青岛钢铁公司2#380M3高炉3座热风炉(大修)82005.11莱钢永峰钢铁有限公司1#、2#450M3高炉6座热风炉球顶92005.12邯郸钢铁股份有限公司3#300M3高炉3#热风炉(大修)102006.04莱芜钢铁公司2#750M3高炉3#热风炉(大修)112006.04济南钢铁有限公司1#350M3高炉2#、3#热风炉(大修)122006.05青钢股份银钢公司1#380M3高炉3座热风炉132006.07永锋钢铁公司新建1080M3高炉2#热风炉142006.08邯郸钢铁股份有限公司3#300M3高炉2#热风炉152006.08邯郸钢铁股份有限公司5#2000M3高炉2#热风炉162006.08通化钢铁公司5#350M3高炉3#热风炉30高炉2#热风炉182006.12通化钢铁公司3#350M3高炉8#热风炉192007.01长治钢铁公司6#350M3高炉3#热风炉202007.05济南钢铁有限公司2#350M3高炉2#、3#热风炉212007.05邯郸钢铁股份有限公司2#380M3高炉7#热风炉222007.05石横钢铁公司1080M3高炉1#、2#热风炉232007.05潍坊钢铁公司4#1300M3高炉3座热风炉242007.06通化钢铁公司2680M3高炉3座热风炉252007.07邯郸钢铁股份有限公司6#380M3高炉1#热风炉262007.08邯郸钢铁股份有限公司新区3200M3高炉3座热风炉272007.09宣化钢铁集团2500M3高炉1座热风炉282007.09通化钢铁集团1#、2#350M3高炉4座热风炉292007.10安阳钢铁集团6#350M3高炉4#热风炉302007.10长治钢铁公司6#350M3高炉2#热风炉312008.03山东富伦钢铁有限公司1#1350M3高炉1#、2#热风炉322008.03邯郸钢铁股份有限公司新区3200M3高炉3座热风炉31