杰能王微纳米涂料对加热炉、热风炉适用性研究

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1、“杰能王”微纳米涂料对加热炉、热风炉 适用性研究 首都钢铁集团公司技术中心 2006年 9月2 “杰能王”微纳米涂料对加热炉、热风炉适用性研究 一 前言 开发能源、合理利用和节约能源是我国发展国民经济的一项重 要国策，而节能是实现这一国策最简便、最有效的措施之一。随着 工业产品市场竞争日益激烈，节能降耗已经成为钢铁企业的一项迫 切而艰巨的任务。 热风炉格子砖、加热炉内衬用耐火砖常温下，黑度一般在 0.70.8，温度达到 8001000时，黑度只有 0.5，而温度到 1300时，黑度就降到 0.4左右，由斯蒂芬玻尔兹曼定律 E= 0 0 （100）4可知这显然对热辐射不利，当温度一定时， 提高热

2、发射率 0 是增强热交换的有效途径。由于远红外辐射涂料 在中高温稳定地高热辐射率 0 ，从 20世纪 60年代开始远红外辐射 涂料研究并被人们所认识，近十年来我国投入大量的人力物力进行 远红外涂料的研制与应用技术研究，推出了一些在工业炉应用中效 果优良的产品，并被称为“二一世纪的新材料” 。 山东慧敏科技开发有限公司开发的专利产品“杰能王”微纳米 高温远红外节能涂料可以增加热风炉格子砖在燃烧期的吸热量和在 送风期的放热量，强化了炉内的热交换，有利于提高热风炉的能力 和热风温度。对于一般轧钢加热炉来讲，由于炉内气流速度较小， 炉温较高，炉内钢坯吸收的热量 90%95%来自辐射，喷涂“杰能王” 节

3、能涂料可使辐射能力增强，可加快钢坯的加热速度，提高生产效3 率，节约燃料，减少钢坯氧化烧损，保护炉子内壁。因此该涂料的 使用有利于我公司节能降耗，但若要在公司热风炉或其它窑炉开展 “杰能王”涂料的应用，尚需针对首钢热风炉格子砖及加热炉的情 况，考察“杰能王”涂料的节能效果以及涂料对耐火材料的性能是 否有不利的影响，为公司决策提供依据。 二 涂料与耐材基体粘附性 2.1涂料的施工性能试验目的:考察涂料在不同条件下的施工性试验方法:在不同湿度条件下，考察涂料不粘手的时间，并把刚 涂完涂料的试样及完全不粘手的试样同时放入 200的烘箱中烘烤 24小时，观察涂层的表面情况。 实验结果及分析：耐材基体用

4、处理剂处理后，表面瞬间就能干 燥，因此马上可以进行涂料施工。在空气湿度小于 40的情况下， 涂料涂抹后一个小时涂层不粘手，空气湿度在 4070时，不粘 手的时间一般需要一天，当空气湿度大于 70，达到不粘手甚至需 要 3天。因此，对于热风炉格子砖应该在砌炉前三天进行涂料施工。 刚涂抹的试样及完全不粘手的试样通过 24烘烤后，其涂层都不 开裂、起泡，因此无论对热风炉还是轧钢加热炉，耐材基体涂抹涂 料后，不需要时间干燥，可以直接进行烘炉，基本不影响工期。 2.2涂层与耐材基体粘附性 在加热和冷却过程中涂料能否牢固的与机体表面接合，将决定4 涂料的使用寿命，一旦在使用中涂料产生脱落，可能会堵塞格子砖

5、 格孔，影响格子砖的换热面积，涂料脱落后节能也就无从谈起。 试验目的：考察节能涂料在高温状态对耐火砖机体表面附着性 试验方法：把涂有涂料的格子砖和加热炉砖加热到 1100进行 水冷，在砖体发生断裂的情况下观察涂层的情况，并用岩相分析考 察涂层和耐火砖机体的结合情况。 实验结果及分析：在砖体加热到 1100后进行多次水冷，发现 其表面的节能涂料同砖体结合牢固，附着性很好，没有产生裂纹和 脱落现象。当砖体完全破碎时，涂层也不脱落（见图） 。 图热震后试样涂层情况 图 涂层渗入砖体的情况 肉眼观察试样机体断面的颜色发生了变化（见图） ，说明涂料5 图 3 烧后试样涂料在机体表面结合情况 已渗入格子砖

6、机体内，渗入厚度大约 3mm 左右。为分析涂料与格子 砖机体的结合是否会发生化学反应而形成低熔点物质，对试样进行 岩 相分析。结果如下： 图 4 200 倍下涂料组织结构 图 5 200 倍下机体组织结构 从图 3 图 4可以看出： （1）涂料层的刷涂厚度为 0.293mm，渗透到机体中的深度为 2.96mm。 （2）渗透到砖机体中的涂料依然以独立结构存在，并没有与机 体发生化学反应形成其他物质，形成低熔点相。 三 涂料对耐材性能的影响 试验目的：考察涂料对耐材基体性能的影响 试验方法：涂料是否对耐材基体寿命有影响直接关系到涂料能 否使用，为此我们从同一块耐火砖取相同两块试样，一块涂涂料， 另

7、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 2、表 3 涂料涂层 渗透层6 表 2 格子砖涂涂料前后性能比较 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 2.43 25 49 5.8 16 -1.424 涂后 2.48 21 64 6.3 16 -0.623 表 3 加热炉耐火砖涂涂料前后性能比较 体积密度 （g/cm3） 气孔率 （%） 耐压强度 （Mpa） 抗折强度 （Mpa） 热震性 （次） 涂前 2.47 2

8、2 72 14 19 涂后 2.49 20 74 16.7 19 从表 2、表 3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略有提高，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却有显著的提高。说 明涂料不仅不会对耐火基体有害，反而能提高炉体的使用性能。 “杰能王”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

9、有利。7 四 节能效果试验 试验设计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= 0 0 （100） 4 分 析其节能效果。二是通过有涂层和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。 3.1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 4） 表 4 涂料在不同热震次数的热发射率 热震次数 10 15 20 热发射率 0.93 0.90 0.94 0.92 涂料经多次热震后的热发射率同原始发

10、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 3.2.1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8 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 35 75 145 215 280 355 时间（ min ） 温度（） 涂 未涂 否提高格子砖的吸

11、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 6） ，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 6 实验用试样 图 7 实验连接图 实验结果及分析：如图 8、图 9为格子砖随

12、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 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 35 105 175 245 300 时间（ min ） 温度（） 涂 未涂9 图 8 格子砖升降温曲线 图 9 格子砖升降温曲线（换位置） 降温过程中，涂料试样的降温速率要大于未涂试样。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

13、 能力和热风温度都有益处。 试验还考察了把试样同时放入恒定炉温的炉内升温，炉外快速 降温的升降温曲线（见图 10） 。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 0 200 400 600 800 1000 1200 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 时间（ min ） 温度（） 涂 未涂 图 10 格子砖升温、降温曲 线 热时间有利。涂料试样降温起始温度为 1142，降到 390用了 6

14、 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。 3.2.2加热炉砖涂涂料前后升、降温试验 试验方法同格子砖相同，试验结果见图 11，从图 11可以看出： 涂有涂料的试样升温较快，说 明在相同条件下，涂料试样吸 0 300 600 900 1200 1500 0 60 120 180 240 300 360 时间（ min ） 温度（） 涂 未涂10 热较快。在火焰炉内，当火焰 热射线射向炉 壁后，一部分被壁吸收， 一部分被 图 11 加热炉砖升降温曲线 反射，其余散失到炉外，如炉体 保温较好，被吸收的绝大部分以固

15、体辐射的连续光谱形式向炉膛辐 射，而反射的部分仍以不连续的光谱反射回炉膛，当反射、辐射光 谱共同通过火焰时，反射的那部分热射线大部分被火焰吸收而透过 的则很少，该部分热能被炉气吸收后增加了被排出炉外的烟气的温 度，而反射的热射线大部分可以通过火焰和烟气，达到钢坯被吸收， 壁 提高后，由于对辐射吸收量的增加，其自身辐射也以同样数量增 加，而反射同样数量减少，因此单位时间内钢坯得到的数量便越多， 被废气带走的热量就越少。 3.3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、1350）状态的对耐火砖蓄热量和单位节能率。 实验方法：将两

16、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 13） ，试样对称放置11 以 图 12 水温测量装置 图 13 实验用热震炉 消除炉内温度不均的影响，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 12） ，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。 两块试样完全干燥后称重。 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