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1、,高辐射覆层技术 山东慧敏科技开发有限公司 （济南）,0531- 88061276 ,发明人简介： 周惠敏，女，研究员，国务院政府津贴享受者；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。,高辐射覆层技术的研发意义,我国大型工业炉窑总数约为12万台,其
2、能源消耗占全国能耗总量的25%左右,其中燃料炉占工业炉窑总数的55%,能耗占全国能耗总量的23%. 目前我国工业炉窑的平均热效率只有32%左右, 发达国家达到50%左右, 工业炉窑排放大量的CO2, NOx, SOx等有害气体,是大气环境的主要污染源之一。,高辐射覆层技术 ( High Radiative Coating Tech） 是在物体表面涂覆一层具有高发射率的材料，使物体表面具有很强的热辐射吸收和辐射能力，使辐射传热的效率提高。,什么是高辐射覆层技术,高辐射覆层技术是一种表面处理技术,表面处理技术是通过表面涂覆、表面改性或复 合处理技术，改变固体表面的形态、化学成分、组 织结构和应力状
3、态，以改变表面性能的系统工程。 表面处理技术使用少量的表层材料或采用性价比 较高的手段,获取优良的表面性能，具有良好的经济 技术性。,传热有三种模式：对流、辐射、传导。 高温下以辐射传热为主。 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 E=0 C0（T 100 ）4 高辐射覆层材料采用具有高发射率的红外涂料。,高辐射覆层技术的原理,高辐射覆层技术的原理,根据基尔霍夫定律，材料的吸收率（又称黑度）与发射率相等。当物体表面的发射率提高后，它的吸收热量的能力也相应提高。,红外辐射的基础理论,一切物体在高于绝对零度时均会发射热辐射，红外线的波长从红色可见光的0.76-1000m，覆盖了波谱中间一段，红外辐射的电磁波本质。
4、 波动性和量子性双重特征，遵循同样形式的反射、折射、干涉、衍射和偏振定律，其在真空中的传播速度都等于光速。,表 1 不同研究领域中红外光谱区的划分,黑体单位表面积发射的总辐射功率与绝对温度的四次方成正比，温度只要有较小的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大变化。 任何物质的温度只要高于绝对温度，都会不断地辐射能量，同时也不断地吸收其他物质辐射出来的能量，并把吸收的能量转化成热辐射再辐射出去。,1.红外光谱的形成和产生条件 分子的总能量为E=Ee+E+Er，式中Ee电子运动能量；E振动能量；Er转动能量。 不是任何分子都能出现振动和转动状态的变化都会产生红外光谱。 双原子分子如果是同核分子，不产
5、生红外光谱；异核分子，无论分子的转动和伸缩都会导致辐射场的变化，因此可观察到红外光谱。因此，双原子分子产生红外光谱的必要条件是必须具有固有偶极矩阵。,对于多原子分子，不管有没有固有偶极矩，只要转动和振动能够引起偶极矩的变化，就能产生红外光谱。这是多原子分子产生红外光谱的必要条件。 2.固体介质中的光吸收过程 固体介质的吸收或发射原理除了物质的化学成分以外，与材料结构和能态有密切关系。通常有本征吸收和自由载流子吸收,3.晶格振动光吸收理论 固体的红外辐射，除了受电子的运动和能量状态影响以外，还与固体的晶格振动及其与辐射场的能量交换有关。 4.杂质及其它吸收理论 晶体中的杂质也会引起光的吸收。,综
6、上所述，影响红外辐射与吸收的主要机理有：晶格振动的共振吸收和多声子吸收、自由载流子吸收及杂质引起的不同机理的吸收。 晶格振动引起的辐射与吸收集中在远红外区；自由载流子引起的吸收则从近红外开始形成连续的吸收光谱；杂质或缺陷引起的吸收要视其引发机理的不同，可形成有限宽度的吸收带和红外连续吸收光谱。 物质对红外辐射的发射和吸收实质上是分子体系的跃迁偶极矩和光的振荡电场相互作用的结果。晶格中缺陷的存在和杂质的引入都可以改变晶格振动活性，使晶格振动增强，从而提高晶体在相应波段的红外辐射率。,1935年美国福特汽车公司首次将红外辐射应用于加热干燥汽车漆膜。 1970年前后，随着红外基础理论研究的深入和红外
7、测试手段的进步，红外加热技术除了供漆行业外，已扩大到许多行业。如:金属的淬火，退火、铸锭锻压前的加热和大型容器焊缝的应力消除等高温场合。此外，还用在医疗上面，如用红外加热代替“灸”刺激穴位，治疗多种疾病。,我国的红外加热技术从1958年开始，最早研究的是红外辐射加热源如红外线灯泡等，1966年开始应用到缝纫机、自行车表面的油漆层进行烘烤作业。 1976年国内进入了远红外加热应用产品和通用元件的工业设计和生产的新阶段，为在全国范围内普及应用远红外技术奠定了物质基础。,随着红外技术的发展，20世纪70年代，红外辐射涂料逐步被应用到炉窑，到20世纪80年代许多技术先进的国家为了达到节能的目的，投入了
8、大量的人力、财力进行辐射涂料在工业炉上的应用研究。,美国CRC公司生产的红外辐射涂料在工业炉上使用，可节能10%30%，同时涂料对炉衬基体还有保护作用，可延长耐火材料使用寿命14倍。 我国江苏、上海、湖南、北京的一些科研单位进行了辐射涂料的开发，在石化行业和钢铁行业的加热炉有些应用。但涂料存在高温粘结强度差，易脱落，全波段辐射性能较差等问题。,典型产品如英国CRC公司的ET-4型红外涂料、美国CRC公司的C-10A、SBE涂料、英欧澳多国联营的Encoat涂料以及日本CRC公司的CRC1100、CRC1500涂料。 我国上海硅酸盐研究所推出的HK-81和HT-1涂料、北京科技大学开发研制的BJ
9、-1和CTC型涂料、昆明物理研究所推出的HKP-84红外辐射涂料、武汉钢铁集团公司开发的WGC-1涂料以及济南慧敏科技有限公司推出的“杰能王”涂料等。,增加炉壁发射率，增强炉辐射传热，提高热效率,发射率与温度的关系,表2 炉内黑度与吸热后能量分布,改善耐火材料发射率的全波谱分布,发射率与波长的关系,高温辐射能量大多数集中在1-5m波段，如1000和1300时，会分别有76%和85%的辐射能量集中在这一波段内，而一般的耐火材料在这一波段的发射率很低，对高温辐射不利，红外辐射涂料可以弥补这一不足。,高辐射覆层技术的三种应用模式,应用模式一：利用高吸收、高发射率的特点 高辐射覆层用于轧钢加热炉、陶瓷
10、炉窑等工业炉的炉衬时，炉衬吸热量增加（被加热物体的受热量60%来源于炉衬的辐射），大量不能通过炉壁向外及时传递热量会改变为 15 m的波长的热量向炉膛内辐射。15m波长的热量是极易被钢坯等工件吸收，因此炉窑的热效率提高。,高辐射覆层技术的三种应用模式,应用模式二：利用高吸收的特点 高辐射覆层用于锅炉管外壁、焦炉炉立火道与炭化室隔墙时，由于吸热快，提高了锅炉管外壁、隔墙炉壁的吸热能力，提高了向水、炭化室传热的热动力。,高辐射覆层技术的三种应用模式,应用模式三： 利用高吸收、高蓄热；高发射、高放热的特点。 高辐射覆层用于蓄热体，如格子砖表面。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
11、蓄热体内外温度梯度，使蓄热体升温期吸热速度和吸热量增加，降温期放热速度和放热量也增加，从而提高热风温度。,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2m）。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。,覆层粉料的微观形貌,吹风清灰,喷前处理胶,喷涂高辐射覆层材料 “杰能王”微纳米高温红外涂料,烘炉时自烧结固化,高辐射覆层的施工工艺：,、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
12、体的吸附涂料的能力。,为提高覆层的附着力采用的技术：,、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！,渗透深度约 3 mm,覆层厚度约300m,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。,格子砖覆层截面的显微结构,涂料与基体形成了覆层过渡层基体结构，过渡层的形成保证了覆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。,硅质砖表面形态 (25) 硅质砖覆层表面形态 (25),致密覆层可以防止格子砖渣化。,高铝质砖表面形态 (25) 高铝质砖覆层表面形态 (25),致密覆层可以保护耐火材料，提高炉窑的使用寿命。,高辐射率覆层对耐火材料物理性能的影响,覆层对高铝砖物理性能的影响,覆层对硅砖物理性能的影响,硅砖涂覆覆层对荷软及高温蠕变性能的影响,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，使耐材的高温蠕变性能得到了很大的提高，这对提高炉窑的使用寿命非常有利。,谢谢,
