專利名稱：涂布工業(yè)爐內(nèi)表面的熱輻射涂料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及涂布工業(yè)爐內(nèi)表面的熱輻射涂料，例如熱裂解爐、熱處理爐、退火爐和加熱爐，以改進(jìn)熱效率，特別是涉及具有高輻射系數(shù)的陶瓷涂料，主要由具有高黑度在高溫氧化氣氛下穩(wěn)定的鈦鐵礦組成。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的，在各種工業(yè)爐例如石油化工中使用的熱裂解爐、陶瓷工業(yè)中使用的焙燒爐或加熱爐及鋼鐵工業(yè)中使用的熱處理爐和退火爐中用作熱源的由燃料產(chǎn)生的總能量可分為三種形式的能量傳輸給工業(yè)爐中加熱體的能量，傳輸給工業(yè)爐中耐熱材料的能量和一些其他的能量例如預(yù)熱能量和散逸的能量。特別是，燃料產(chǎn)生的能量大部分被耐熱材料所吸收。
構(gòu)成工業(yè)爐的耐熱材料吸收能量并根據(jù)Kirchihoff定律再將能量以輻射熱的形式輻射到加熱體。根據(jù)Kirchihoff定律，如果吸收能量體是理想的黑體，輻射系數(shù)ε等于吸收系數(shù)α，即，ε＝α。
但是真實(shí)理想的黑體實(shí)際上并不存在，因此一種的材料的輻射系數(shù)表示為相對(duì)理想黑體的比例，而且所有材料具有固有的輻射系數(shù)。
同時(shí)，工業(yè)爐中一定比例的輻射隨爐中的溫度增加迅速增加，特別是在高溫下通過(guò)輻射能實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)的熱傳導(dǎo)。例如，當(dāng)工業(yè)爐中的溫度達(dá)到約800℃時(shí)，在工業(yè)爐中近紅外線與遠(yuǎn)紅外線的比例相等。另一方面，當(dāng)溫度增加到1000～1300℃時(shí)，近紅外線(0.8～4μm)的比例增加到90％或更高，產(chǎn)生約5％的可見(jiàn)光。因此，如果一種材料不能吸收近紅外線，那么很難預(yù)期這種材料以輻射熱的形式輻射已經(jīng)吸收到自身中的近紅外線，因此改進(jìn)燃料的效率。
但是，能充分吸收近紅外線的材料在地球上極其稀有，而且一些吸收近紅外線的材料容易被熱所氧化，因此不能耐受長(zhǎng)時(shí)間的熱應(yīng)力。
耐火磚和陶瓷纖維已經(jīng)被廣泛地用作常規(guī)的耐熱材料用于工業(yè)爐的內(nèi)表面，但這些材料不吸收近紅外線，因此它們不能充分輻射需要的輻射熱。
在相對(duì)低的溫度下，耐火磚的吸收率為75～80％，即，耐火磚的輻射系數(shù)為0.75～0.80，但當(dāng)爐溫度大于1000℃時(shí)，耐火磚的吸收率迅速下降。另外，耐火磚在高溫下迅速劣化。
另外，陶瓷纖維的缺點(diǎn)在于它們的表面被熱所玻璃化。當(dāng)陶瓷纖維的表面被玻璃化時(shí)，表面形成結(jié)塊使陶瓷纖維的吸收率減少到約30％，因此，不能預(yù)期從玻璃化陶瓷纖維得到輻射熱。
如上所述，用作工業(yè)爐常規(guī)耐熱材料的耐火磚和陶瓷纖維的輻射系數(shù)在相對(duì)低的溫度下為0.75～0.80，因此在這樣的溫度下可保證改進(jìn)的燃料效率。但是，當(dāng)工業(yè)爐在高溫下操作時(shí)，輻射系數(shù)迅速降低，而且由于耐火磚或陶瓷纖維的玻璃固化和劣化其黑度逐漸下降，因此必然降低燃料效率。
因此，需要開(kāi)發(fā)一種技術(shù)，其中具有高輻射系數(shù)的熱輻射涂料涂布在工業(yè)爐的內(nèi)表面以改進(jìn)能量效率并延長(zhǎng)耐熱材料預(yù)期的使用壽命。
考慮顏色和輻射系數(shù)，用作本發(fā)明的熱輻射涂料是石墨和碳化硅。石墨具有最高的輻射系數(shù)但容易與大氣中的氧反應(yīng)而被碳化，因此其不是優(yōu)選的用作本發(fā)明的熱輻射涂料。
同時(shí)，用于涂布工業(yè)爐內(nèi)表面的主要由碳化硅(SiC)組成的熱輻射涂料是工業(yè)化的產(chǎn)品，而且可選擇的用于一些工業(yè)爐中。
碳化硅基涂料包括一種由細(xì)度為200目或更小的烴粉末作為主要組分和少量的粘合劑和添加劑組成的組合物，以組合物和水的混合淤漿形式使用。同時(shí)，使用噴霧槍將混合淤漿涂布在工業(yè)爐內(nèi)表面上到厚度為0.5～1.0mm。
如上所述，涂布有碳化硅基熱輻射涂料的工業(yè)爐有利的是縮短了將工業(yè)爐加熱到希望的溫度所需要的時(shí)間，輻射到加熱體上的能量如所希望的增加了，而散逸到工業(yè)爐外部的能量減少了，因此改進(jìn)了燃料效率。
此時(shí)，取決于工業(yè)爐類型和操作條件的燃料效率改進(jìn)約2～20％。
為什么碳化硅基的熱輻射涂料可提供改進(jìn)燃料效率的主要原因在于工業(yè)爐內(nèi)表面的熱輻射系數(shù)如所希望的提高了。
但是，碳化硅容易在800℃或更高的溫度下氧化氣氛中被氧化。如果被氧化，碳化硅(SiC)轉(zhuǎn)化為硅石酸(SiO2)而且碳化硅基涂料顏色發(fā)白減少了涂料的黑度(輻射系數(shù))，因此燃料效率變差。因此，不希望將碳化硅基熱輻射涂料施加到在800℃或更高溫度下操作的工業(yè)爐中。
例如，當(dāng)碳化硅基涂料施加到鋼鐵工業(yè)中使用的在1200℃～1250℃操作的間歇型鍛爐中，碳化硅被完全氧化，其在72小時(shí)操作后顏色發(fā)白，因此不能提高燃料效率。
發(fā)明公開(kāi)因此，在牢記上述涂布工業(yè)爐內(nèi)表面常規(guī)熱輻射涂料中存在的缺點(diǎn)的情況下，提出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異耐久性的熱輻射涂料，所述的涂料比工業(yè)爐內(nèi)表面的耐熱材料具有更高的輻射系數(shù)，在高溫氧化氣氛下物理化學(xué)穩(wěn)定，并牢固地結(jié)合在工業(yè)爐內(nèi)表面上。
本發(fā)明的涂布工業(yè)爐內(nèi)表面的熱輻射涂料包括一種組合物，所述的組合物含有作為主組分的鈦鐵礦、作為粘合劑少量的粘土和作為分散劑少量的磷酸鈉。
實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選模式根據(jù)本發(fā)明，提供一種涂布工業(yè)爐內(nèi)表面的熱輻射涂料，包括由細(xì)度為150目或更小的96～98.9wt％鈦鐵礦、1～4wt％粘土和0.1wt％磷酸鈉組成的組合物。熱輻射涂料以基于混合淤漿重量40～60wt％的組合物和40～60wt％的水的混合淤漿的形式使用。
以下詳細(xì)描述為什么特別限定熱輻射涂料組分的理由。
本發(fā)明涂料中含有的作為主組分的鈦鐵礦(FeTiO2)是一種天然礦石不需要分離處理，盡管鈦鐵礦組成根據(jù)礦的不同有微小的變化，但通常包括相似量的TiO2和Fe2O3作為主組分，少量的無(wú)機(jī)材料。
由于含有Fe2O3作為主組分，鈦鐵礦在高溫下呈黑色，比常規(guī)的耐熱材料具有更高的輻射系數(shù)，在1000℃或更高的溫度下物理化學(xué)穩(wěn)定，因此可用作涂布高溫操作的工業(yè)爐內(nèi)表面的材料。
同時(shí)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種熱輻射涂料，其主要由通過(guò)化學(xué)熔煉鈦鐵礦或精制鈦爐渣提取得到的二氧化鈦(TiO2)組成，但是由于該二氧化鈦基熱輻射涂料在高溫下化學(xué)不穩(wěn)定，涂料發(fā)白，產(chǎn)生了不希望的新化合物，在高溫下金屬組分沉淀迅速降低了二氧化鈦基涂料的輻射系數(shù)。因此，二氧化鈦基涂料沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
由于在化學(xué)熔煉為從鈦鐵礦得到二氧化鈦過(guò)程中發(fā)生了各種的化學(xué)反應(yīng)，構(gòu)成二氧化鈦組分之間的結(jié)合力被削弱，使二氧化鈦基涂料物理化學(xué)變得不穩(wěn)定，這是被認(rèn)為為什么在高溫下二氧化鈦基涂料化學(xué)不穩(wěn)定的原因。
但是，在本發(fā)明熱輻射涂料中包含的作為主組分的鈦鐵礦沒(méi)有經(jīng)任何的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程處理，而是從天然礦石中得到的僅僅是物理破碎，因此物理化學(xué)穩(wěn)定從而在高溫氣氛下具有連續(xù)的高輻射系數(shù)。
另外，鈦鐵礦被破碎為細(xì)度為150目或更低的粉末以均一地分散在含有粘合劑、分散劑和水的混合淤漿中，如希望地結(jié)合在工業(yè)爐內(nèi)表面上。
同時(shí)，作為粘合劑使用的粘土其作用可增加混合淤漿的粘合強(qiáng)度以穩(wěn)定地在工業(yè)爐內(nèi)表面上涂布混合淤漿，而所述淤漿不流下來(lái)，也可作為分散劑。當(dāng)熱輻射涂料中粘土的含量小于1％時(shí)，不可能如希望地將混合淤漿結(jié)合到工業(yè)爐的內(nèi)表面上。另一方面，當(dāng)其含量大于4％時(shí)，鈦鐵礦相對(duì)地減少?gòu)亩捎谠黾恿斯I(yè)爐內(nèi)表面的輻射系數(shù)減少了燃料節(jié)約效應(yīng)。因此，優(yōu)選粘土的含量為1～4％。
作為分散劑使用的磷酸鈉其作用是均一地將鈦鐵礦粉末和粘土分散在混合淤漿中。在各種分散劑中，磷酸鈉對(duì)本發(fā)明的涂料是最適用的，其具有理想的可分散性，當(dāng)其含量在混合淤漿中為0.1％時(shí)，從經(jīng)濟(jì)效益上看是優(yōu)選的。
當(dāng)本發(fā)明的熱輻射涂料的組合物與水混合生成混合淤漿時(shí)，優(yōu)選基于混合淤漿總重量40～60wt％的組合物與40～60wt％的水混合，以使用噴霧槍將混合淤漿平滑地噴霧到工業(yè)爐內(nèi)表面上，干燥混合淤漿而沒(méi)有淤漿沿工業(yè)爐內(nèi)表面向下流。
進(jìn)一步，優(yōu)選本發(fā)明的熱輻射涂料涂布在工業(yè)爐內(nèi)表面上厚度為1～2mm。
根據(jù)本發(fā)明，熱輻射涂料的輻射系數(shù)為0.85～0.95，遠(yuǎn)比常規(guī)的耐熱材料的輻射系數(shù)要高。
如上所述，由于其高輻射系數(shù)，涂布在工業(yè)爐內(nèi)表面上的本發(fā)明的熱輻射涂料可使涂布的內(nèi)表面比沒(méi)有用熱輻射涂料涂布的內(nèi)表面輻射更多的能量，從而如希望地增加了施加到加熱體上的能量，從而減少了燃料的使用。
根據(jù)如下要描述說(shuō)明的實(shí)施例可對(duì)本發(fā)明有更好地理解，但不應(yīng)解釋為是對(duì)本發(fā)明的限制。
實(shí)施例細(xì)度為150目或更小的鈦鐵礦粉末、粘土和磷酸鈉以如下表1描述的混合比進(jìn)行混合，以得到構(gòu)成本發(fā)明熱輻射涂料的組合物，組合物與水以相同的比例(組合物∶水＝1∶1)混合得到實(shí)施例和對(duì)比實(shí)施例使用的混合淤漿。
此刻，使用粘土，由Kentucky-Tennessee Clay Co.，制造，含有作為主組分的SiO2和Al2O3，和少量的TiO2、Fe2O3、CuO和MgO。
表1

根據(jù)實(shí)施例和對(duì)比實(shí)施例的混合淤漿，和常規(guī)的烴基熱輻射涂料(常規(guī)實(shí)施例)，將每一種置于具有坎薩爾斯鉻鋁電熱絲加熱體作為熱源的高溫箱型爐中，加熱預(yù)定的時(shí)間，然后測(cè)量不同溫度的輻射系數(shù)。
用另外的話來(lái)說(shuō)，在淤漿涂布到體積為65mm×50mm×10mm(t)的樣品磚上后，以10℃/min的速度加熱到600℃，在600℃下保持30min，然后測(cè)量其輻射系數(shù)。這樣的樣品磚然后以這樣的方式加熱到1200℃，即樣品加熱另外的100℃，然后在增加的溫度下保持30min，反復(fù)這樣的步驟。
使用位于距磚樣品表面水平距離2m處的輻射熱電偶測(cè)量爐內(nèi)的溫度。另外，在爐內(nèi)溫度穩(wěn)定后，通過(guò)位于爐前面的窗口用AmericanMicron Co.制造的Pyrometer(MQ1310C-3B)測(cè)量每一個(gè)溫度下的輻射系數(shù)(ε％)。得到的結(jié)果列于表2中。
表2

從表2的結(jié)果可見(jiàn)，在將樣品置于1200℃50小時(shí)后的輻射系數(shù)的情況下，本發(fā)明樣品的輻射系數(shù)僅有微小的變化，但涂布烴基涂料(常規(guī)實(shí)施例)樣品的輻射系數(shù)與1200℃起始時(shí)測(cè)量的輻射系數(shù)相比減少了。這種現(xiàn)象似乎是由這樣的事實(shí)引起的，即在置于高溫氧化氣氛的表面上碳化硅被氧化從而減少了黑度(輻射系數(shù))。
而且，在爐的操作停止而且爐內(nèi)足夠冷卻后，通過(guò)物流管觀察每一個(gè)樣品的表面，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的樣品保持其起始的黑色，但涂布有烴基涂料(常規(guī)實(shí)施例)的樣品失去其起始的黑色，表面被剝離化。
工業(yè)應(yīng)用性如上所述，由鈦鐵礦組成的熱輻射涂料比常規(guī)的耐熱材料具有更高輻射系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。特別是，當(dāng)施加在氧化氣氛、1000℃或更高溫度下操作的爐中時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間后熱輻射涂料的輻射系數(shù)沒(méi)有減少，將加熱體加熱到希望溫度所需要的時(shí)間縮短了，如希望地增加了輻射到加熱體上的能量，因此減少了爐的燃料消耗。
例如，由于使用本發(fā)明的熱輻射涂料而導(dǎo)致減少燃料的效應(yīng)，在鋼鐵和有色金屬工業(yè)中使用的加熱爐的情況下，如希望地可增加約8～10％，在石油精制和石油化工中使用的加熱爐的情況下，增加約2～3％。
進(jìn)一步，本發(fā)明的熱輻射涂料的優(yōu)點(diǎn)在于涂層可在工業(yè)爐耐熱材料的表面上形成，以防止耐熱材料被腐蝕而且可保證熱屏蔽效應(yīng)，因此延長(zhǎng)耐熱材料的使用壽命并改進(jìn)其耐久性。
而且，本發(fā)明的熱輻射涂料容易地利用噴霧槍以理想粘度淤漿形式涂布在工業(yè)爐的整個(gè)表面上，由于作為粘合劑加入到淤漿中的粘土的焙燒，噴霧的淤漿被牢固地結(jié)合到爐內(nèi)表面上，因此保證在用熱輻射涂料涂布爐內(nèi)表面期間優(yōu)異的可加工性。
本發(fā)明以說(shuō)明的方式進(jìn)行了描述，應(yīng)理解本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)意欲是描述的性質(zhì)而不是限制。根據(jù)上述的教導(dǎo)本發(fā)明可有許多的修飾和變化。因此，應(yīng)理解在本發(fā)明在所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)，本發(fā)明也可以不同于具體描述的其他方式使用。
權(quán)利要求
1.一種涂布工業(yè)爐內(nèi)表面的熱輻射涂料，包括由細(xì)度為150目或更小的96～98.9wt％鈦鐵礦、1～4wt％粘土和0.1wt％磷酸鈉組成的組合物，所述的熱輻射涂料以基于混合淤漿重量40～60wt％的組合物和40～60wt％的水的混合淤漿的形式使用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種涂布在工業(yè)爐內(nèi)表面上的熱輻射涂料，例如熱裂解爐、熱處理爐、退火爐和加熱爐，以改進(jìn)熱效率。所述的熱輻射涂料包括由細(xì)度為150目或更小的作為主組分的96～98.9wt％的鈦鐵礦、1～4wt％作為粘合劑的粘土和0.1wt％作為分散劑的磷酸鈉組成的組合物，以40～60wt％的組合物和40～60wt％的水的混合淤漿的形式使用。主要包括鈦鐵礦的熱輻射涂料比常規(guī)耐熱材料具有更高輻射系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。特別是當(dāng)施加在氧化氣氛、1000℃或更高溫度下操作的爐中時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間后熱輻射涂料的輻射系數(shù)沒(méi)有減少，因此減少了爐的燃料消耗。
文檔編號(hào)C09D1/00GK1617910SQ02827722
公開(kāi)日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2002年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月1日
發(fā)明者姜東善 申請(qǐng)人:姜東善