CN101293775A - 工业标准黑体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业标准黑体。本发明包括65－85％的耐火砂、1－10％的粘合剂、10－30％的木屑，在工业标准黑体的内壁和外壁上设置有高发射率层。本发明用于工业加热炉窑中，增大了炉膛传热面积，其数值可以达到原炉膛面积的1倍以上；提高了炉膛黑度，具有高稳定性，基本不老化，工业标准黑体本身不是热源，工业实施方便可靠；具有调控热射线的功能，对炉膛内呈漫射状的热射线，元件以其高吸收特性尽快吸收，当其再以高发射特性重新发射时，借其自身的几何结构和布置的位置，完成了热射线从无序到有序的调控过程，使热射线直接射向工件，提高了对工件的辐照度，大大地增加了热射线的到位率，且增大了辐射传热的比例。

Description

工业标准黑体

技术领域

本发明涉及一种工业用黑体，尤其涉及一种主要用于提高工业加热炉窑辐射能量到位率的工业标准黑体。

背景技术

截至目前，为了提高工业加热炉窑的热效率，采取了旨在减少蓄热损失和散热损失的轻型筑炉材料，亦或是用增大炉膛面积来强化传热，或是在炉膛内壁涂以高发射率涂层、也有在炉膛内加装改变传热方式的装置等技术。筑炉材料轻型化，是以容重很小的耐火纤维作炉墙的表层或夹层，甚至建造成全纤维炉。全纤维炉确实减少了炉窑的蓄热损失和散热损失，综合节能率最高达11％。但这一技术措施只是将热量堵在炉膛内，但并没有解决炉膛内热射线呈漫反射分布的状态，热射线的到位率低，且耐火纤维的发射率也不高，所以，节能率不高；英国《玻璃》No.10(1992)报导，DidierFomital蜂窝状耐火砖在玻璃池窑顶使用，砖与炉气接触界面比标准砖大三倍，理论上可节能5％-8％。但此砖不能调控热射线，热射线不能直接射向被加热物料，也未能提高发射率，故节能率不高；上海科学技术出版社1993年4月第一版《实用节能技术》所述，日本川崎钢铁公司水岛厂在轧钢加热炉上设置“改变传热方式的装置”，它将部分对流传递的热量转换为辐射传热，以提高传热效率，使加热炉的热耗下降5％左右，但这种办法的传热面积增加甚微，不能调控热射线，也未能提高发射率，故节能率也不高，而且其技术实施难度较大，有的部位很难设置；专利号为ZL94236755.3的“强辐射传热节能工业炉”，虽然解决了增大传热面积、提高发射率，使热射线呈束并直接射向工件，有效地强化了辐射传热，节能率达20％以上，但其实施方式为在已建成的炉窑之上加装强辐射元件，对那些不能够或不便于安装强辐射元件的炉型，例如井式炉、渗碳炉、坩埚炉、玻璃池窑等，应用受到限制。

为了解决上述问题，出现了申请号为“03117829.4”，名称为“自带黑体筑炉材料及其加热炉窑”的专利申请。对燃料炉来讲，焰流在不断流动、循环的过程中同炉壁和物料接触，传导、对流同时进行，且焰流不断地辐射能量，可以说焰流是以对流和辐射两种方式向炉内提供热量的。由于炉墙黑度和面积增加后，强化了炉气与炉衬间的辐射换热，使炉衬内表面温度增高，从而也就强化了炉衬与被加热工件的辐射换热，于是工件的升温时间缩短，出炉的废气温度降低，燃料消耗就将减少。提高炉墙发射率和增加炉墙传热面积，就能使炉内传热量增加，工件获得的热量增多。在传统的工业炉窑设计中，当炉膛尺寸确定后，炉墙面积亦随之相应确定，若拟用增大炉培面积来强化传热，就势必要加大炉膛尺寸，而这样将引起一系列设计参数变化，并导致增大炉子功率或增多燃料消耗；现今提高炉墙发射率的通用方法，是在其表面涂复高发射率涂料，其根本性的缺陷是解决不了涂层老化的问题。根据红外物理的黑体理论，绝对黑体是能全部吸收投射辐射能的物体，其发射率为1。黑体的性质代表了物体热辐射规律的共性，它是实际物体热辐射性质的极限。根据基尔霍夫定律，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等于它的发射率，也就是说物体的吸收本领大，其发射本领一定强。又根据兰贝特定律，空间各方向发射的辐射能中，法线方向的能量最多，切线方向的能量等于零，向空间任一方向所发出的辐射能的多少与该方向同法线方向夹角的余弦成正比。该申请中，在工业加热炉炉墙特别是炉顶上，设置有工业标准黑体，其法线方向正对工件，黑体在炉墙上可以是凸出的、部分凸出的，也可以是凹入的，黑体是一个空腔锥台，锥台有确定的长径比L/R；在空腔锥台表面要保持一定的粗糙度；空腔锥台表面烧结有高发射率层；锥台底部具有波浪式坑槽。黑体可以先设置在建造炉墙的耐火砖上，还可以在用其它方法建造炉墙过程中同时设置，在耐火砖或炉墙面向炉膛一侧的表面，还烧结有高发射率层，这样，炉膛就形成了一个红外加热系统，众多的黑体以0.96的比率不断地吸收漫射的热射线，同时又以同样的比率连续不断地发射出热射线，因空腔锥台几何形状的规范，使这些再被发射出来的热射线，完成了从无序到有序直接射向工件的调控过程。

但申请号为“03117829.4”的专利申请也存在以下不足之处：一、该申请中，并未涉及到怎样成型工业标准黑体，黑体是指入射的电磁波全部被吸引，既没有反射，也没有透射，显然自然界并不存在真正的黑体，但在某些波段上，有许多物体是较好的黑体近视，因此，怎样得到工业标准黑体尤为重要；二、工业标准黑体为空腔锥台形，设置在工业加热炉炉墙特别是炉顶上，其法线方向正对工件，在实际安装过程中，很难将工业标准黑体的法线方向与工件正对，造成达不到上述技术效果；三、黑体是一个空腔锥台，锥台有确定的长径比L/R，在空腔锥台表面要保持一定的粗糙度，空腔锥台表面烧结有高发射率层，锥台底部具有波浪式坑槽，使黑体元件制造困难，不易生产出专利文件中所描述的工业标准黑体。四、由于黑体在炉墙上可以是凸出的、部分凸出的，也可以是凹入的，安装不便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有工业加热炉窑中的黑体存在的上述技术问题，提供一种主要用于工业加热炉窑中的工业标准黑体。本发明能增大工业加热炉窑炉膛传热面积，提高炉膛黑度，调控热射线，增加热射线的到位率，增大辐射传热比例。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种工业标准黑体，其特征在于：包括65-85％的耐火砂、1-10％的粘合剂、10-30％的木屑，在工业标准黑体的内壁和外壁上设置有高发射率层。

所述工业标准黑体为空腔球形、空腔锥台形或空腔圆柱形，其上开有辐射孔。

所述辐射孔为一个或多个。

所述粘合剂为粘土。

所述高发射率层由黑化锆系、锆系、铁系、碳化硅系或稀土系材料制成。

本发明的优点在于：

一、采用本发明中的百分比得到的工业标准黑体硬度合适，结构牢固，适于工业应用，能方便快捷的成型工业标准黑体，且成型的工业标准黑体结构简单，安装方便。

二、采用本发明中的百分比得到的工业标准黑体，应用于工业加热炉窑中，增大了炉膛传热面积，按现有的炉窑设计规范，当炉膛尺寸确定后，炉膛内表面积即已确定，这个面积当然就是参与炉内传热的面积。当在炉膛内设置工业标准黑体后，大幅度地增加了炉膛的传热面积，其数值可以达到原炉膛面积的1倍以上。

三、本发明用于工业加热炉窑中，提高了炉膛黑度，传统的提高炉膛黑度的方法，是采用发射率高的红外涂料对其进行涂装，迄今能达到的水平为0.88-0.92，但其老化现象难以从根本上解决，失效快，工业运用不能持久。工业标准黑体其全发射率为0.96，具有高稳定性，基本不老化，工业标准黑体本身不是热源，工业实施方便可靠。

四、本发明用于工业加热炉窑中，具有调控热射线的功能，对炉膛内呈漫射状的热射线，元件以其高吸收特性尽快吸收，当其再以高发射特性重新发射时，借其自身的几何结构和布置的位置，完成了热射线从无序到有序的调控过程，使热射线直接射向工件，提高了对工件的辐照度，大大地增加了热射线的到位率。

五、本发明用于工业加热炉窑中，增大了辐射传热的比例，在燃料炉中，火焰流流经强辐射元件时，元件吸收对流传递的热量后，再以辐射的方式向工件传热，实现了传热方式的转换，即把炉内的一部分对流传热转化成辐射传热，增大了辐射传热的比例，提高了传热效率。

六、本发明适用于电、气、油、煤等能源的加热炉窑中，使用范围广。

七、本发明用于工业加热炉窑中，电阻炉、燃气炉节能率为20％-30％，燃油炉、燃煤炉节能率为18％-25％，使工业加热炉窑生产率提高10％--20％。

八、本发明用于工业加热炉窑中，加热炉窑炉温均匀性改善，与传统筑炉材料相比，炉膛垂直温差减少50％左右，且炉温稳定，保温时耗电少。

九、本发明用于工业加热炉窑中，减少与节能率相应的废气排放，尾气温度下降70℃左右，减少了大气污染。

十、本发明用于工业加热炉窑中，缩短了加热工件时的升温时间，负载升温阶段节电率大幅提高，且空炉升温时，节电效果显著。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明安装在加热炉窑上的结构示意图

图中标记为：1、工业标准黑体，2、加热炉窑，3、辐射孔，4、高发射率层。

具体实施方式

实施例1

一种工业标准黑体1，包括65％的耐火砂、10％的粘合剂、25％的木屑，在工业标准黑体1的内壁和外壁上设置有高发射率层4。其中，工业标准黑体1呈空腔状，其上开有辐射孔3，粘合剂为粘土，高发射率层4由黑化锆系，工业标准黑体1为空腔球形，辐射孔3为一个。

本发明按如下步骤制得：a、将65％的耐火砂、5％的粘合剂、25％的木屑和5％的水均匀混合后形成陶瓷坯体；b、将陶瓷坯体制作成空腔锥台状或空腔球状，在800度下进行烘干1小时；c、保温5小时后，再焙烧5小时，形成多孔陶瓷；d、用粘结剂将高发射率层粘接在多孔陶瓷的内外壁上，并在1000度下烧结4小时得到成型的工业标准黑体，其中，粘结剂为硅酸酯，。

本发明中，还可以加入1-5％的表面活化剂，从而增强耐火砂和木屑之间的亲合力。

本发明应用在加热炉窑中时，工业标准黑体1的辐射孔3与加热炉窑2内的工件位置相对。其中，工业标准黑体1内外表面为高发射率层4，工业标准黑体1为空腔球形，设置在加热炉窑2的耐火砖上，且辐射孔3为与工件位置相对的一个，加热炉窑2内也设置有高发射率层4。

黑体是辐射传热学中的一个名词，是指能全部吸收所遇到的热辐射能的物体。当封闭在腔内的辐射与腔壁的原子达到平衡，即单位时间内原子发射的能量等于它们所吸收的能量，该腔内称为黑体。自然界中没有绝对的黑体，凡是物体表面愈黑愈粗糙，就愈接近黑体。在工业应用中，产生了多种类型的工业标准黑体，本发明中，在空腔球形的工业标准黑体1的球壳上开一辐射孔3，热辐射线在球内部经过无数次反射后才有机会从辐射孔3射出来，所以辐射热大部分留在球体内。

为保证每个黑体辐射出足够的能量，以适应工业上的需要，工业标准黑体1必须有必要的开口面积，在工业标准黑体1表面烧结有高发射率层4，高发射率层4的材料采用黑化锆系、锆系、铁系、碳化硅系、稀土系，以粘结剂结合，并在850度下完成烧结；工业标准黑体1表面要保持一定的粗糙度，工业标准黑体1底部具有波浪式坑槽，以增大发射率。工业标准黑体1可以先设置在建造炉墙的耐火砖上，还可以在用其它方法建造炉墙过程中同时设置，如直接设置在成型的炉墙及其预制件上，同时在耐火砖或炉墙面向炉膛一侧，还烧结有高发射率层，工业标准黑体1可以用粘土质、高铝质、硅质、镁铝质、各种耐火纤维材质的材料，成型方式包括烧结成型的、熔铸成型的，适用范围极其宽广。

本发明应用在加热炉窑中时，加热工件的升温时间大幅度缩短，负载升温阶段节电率大幅度提高加热工件的升温时间是热处理的一个重要环节，也是能源消耗最大的工序。由于强辐射元件提高了对工件的辐照度，从而使工件升温时间大幅度缩短，负载升温节电率大幅度提高，与现有的节能炉相比，采用本发明的加热炉窑节电率高达33.33％-36.53％。现有加热炉窑中应用本发明时，炉衬不作改动，空炉升温时节电效果显著在炉衬不改动的情况下，安装多个工业标准黑体，虽然增加了炉体蓄热，但升温时间反而缩短，这是因为增加炉围伸展度的同时，提高了炉膛的发射率。在热辐射范围内，一切物体的吸收率与同温度下的黑度相等。由于炉膛表面黑度增高，其吸收能力相应提高，炉膛温度较未安装工业标准黑体之前增高了。炉膛对被加热工件的辐射传热量相应增加，从而强化了炉内的热交换，虽然与此同时炉膛表面温度的升高会使通过炉衬的散热损失有所增加，但由于炉膛对工件的辐射传热量与炉膛表面温度成四次方的关系，而通过炉壁单位面积所传递的热量只与炉衬内外表面的温差成一次方的关系，炉衬散热损失增加的较少。在加装多个工业标准黑体后，明显地增加了炉衬的蓄热损失，按理应当出现空炉升温时间比原来延长、耗电量增加的现象，但实际情况相反，空炉升温时间比原来缩短，耗电减少。这是因为加装工业标准黑体后，有效发射率提高，加快了传热速度且保温性能增强，故炉膛温度升高得快所致。采用本发明的加热炉窑炉温稳定，保温时耗电少，本技术中炉围伸展度的增加是在炉膛容积没有扩展的情况下实现的，由此出现的炉膛内壁热容量的增长归功于众多的工业标准黑体。当炉膛加热达到稳定态后，炉墙虽以散热为主，但绝大部分热量留在炉膛内，更确切地说是留在工业标准黑体内，使同样温度下炉内热量增加，提高了炉温稳定性，这个特点具有以下优越性：装出料时温度波动小，箱式炉出料后一般“温度降低”减少60～80度；炉温回升快，在相同条件下，当炉温达到850度后断电，24小时后，温度降至200度，改造后，断电24小时后测量炉膛温度为450度，因此周期作业炉空炉升温时间明显缩短，启动快。保温阶段减少了耗电，在现有的RX327529箱式炉上，保温阶段的通电时间减少一半以上，90kW台车式电阻炉一般通电1min能维持保温4min。有时1h内，后区(30kW)总共通电只有8min，前区(60kW)保持930度不耗电，炉温稳定无疑将有利于接触器、继电器使用寿命的延长。炉膛较多的热容量有利于克服短期停电带来的不利影响，例如保温后期遇上停电，基本上不影响工件加热质量。技术实施方便，勿需对炉体作任何改动，施工周期短，一般4-6天即可完成，马上投产运行。

燃料炉强辐射传热的实践，工业标准黑体1也可应用于燃料炉。工业标准黑体1在于调控热射线的分布，提高加热工件的有效热，因此完全适用于燃料炉。采用工业标准黑体改造了2t铝熔炼反射炉(天然气)，节气率达20.8％，节时率达19.6％。工业标准黑体同样地可以应用于轧钢加热炉、锻造加热炉、陶瓷烧成炉窑、玻璃池窑等。

工业标准黑体1的设置与安装原则，炉膛面积的增加是通过设置众多的工业标准黑体来实现的。工业标准黑体的数量应以显著提高传热速度为原则。当安装元件后的炉膛面积大于或等于2倍未安装元件前的炉膛面积时，强化传热效果才能显著。工业标准黑体的辐孔应对着工件，这样可以使元件辐射能量最多正对工件，提高辐射到位率和对工件的辐照度，以强化辐射传热。在炉顶或侧墙等处，可设置工业标准黑体。此外，如果炉墙保温性能越好，则提高炉墙黑度越有利于提高炉温，故在炉顶以外的炉衬各部分应该用高发射率材料进行涂装。同理，应对电热体面对炉膛部分进行涂装。

工业标准黑体1调控炉温均匀性的过程，工业标准黑体1在炉膛内成为热射线传递的二次媒介加热工件时，工业标准黑体1元件首先以0.96的高比率吸收特性，迅速吸收漫射状的热射线，自身逐渐积聚热量，提高温度，随即它们便转化成一个个具有高发射功能的新“热源”，按设定的方向向工作发射热射，完成对漫射状的热射线从无序到有序的调控过程，提高了热射线的到位率。炉温偏低的地方，设置较大密度的工业标准黑体，多调动一些热射线过来，提高该处的温度。全部工业标准黑体，在炉壁上形成许多新的“热源”。于是，在原热源提供一定供热强度热能的同时，炉膛内又增加了多个“烧嘴”，它们将小流量的热射线、均匀地、源源不断地射向工件。工业标准黑体的高吸收和高发射的性能，由其几何参数和表面特性获得，具有高稳定性，不老化，不衰减，只要设置的工业标准黑体存在，其优异性能就存在。故调控热射线而获得优良的温度均匀性，就不会随炉子运行时间而变化。

实施例2

一种工业标准黑体，包括85％的耐火砂、5％的粘合剂、10％的木屑，在工业标准黑体1的内壁和外壁上设置有高发射率层4。工业标准黑体1呈空腔状，其上开有辐射孔3。其中，粘合剂为粘土，高发射率层4由铁系制成，工业标准黑体1为空腔锥台形，工业标准黑体1上的辐射孔3为均匀分布的多个。

实施例3

一种工业标准黑体，包括70％的耐火砂、5％的粘合剂、25％的木屑，在工业标准黑体1的内壁和外壁上设置有高发射率层4，工业标准黑体1呈空腔状，其上开有辐射孔3，粘合剂为粘土，高发射率层4由碳化硅系制成，工业标准黑体1为空腔圆柱形，工业标准黑体1上的辐射孔3为均匀分布的多个。

实施例4

一种工业标准黑体，包括75％的耐火砂、10％的粘合剂、15％的木屑，在工业标准黑体1的内壁和外壁上设置有高发射率层4，工业标准黑体1呈空腔状，其上开有辐射孔3，粘合剂为粘土。其中，高发射率层4由稀土系材料制成，工业标准黑体1为空腔球形，工业标准黑体1上的辐射孔3为一个。

显然，本领域的普通技术人员根据所掌握的技术知识和惯用手段，根据以上所述内容，还可以作出不脱离本发明基本技术思想的多种形式，这些形式上的变换均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种工业标准黑体，其特征在于：包括65-85％的耐火砂、1-10％的粘合剂、10-30％的木屑，在工业标准黑体(1)的内壁和外壁上设置有高发射率层(4)。

2、根据权利要求1所述的工业标准黑体，其特征在于：所述工业标准黑体(1)为空腔球形、空腔锥台形或空腔圆柱形，其上开有辐射孔(3)。

3、根据权利要求2所述的工业标准黑体，其特征在于：所述辐射孔(3)为一个或多个。

4、根据权利要求1、2或3所述的工业标准黑体，其特征在于：所述粘合剂为粘土。

5、根据权利要求4所述的工业标准黑体，其特征在于：所述高发射率层(4)由黑化锆系、锆系、铁系、碳化硅系或稀土系材料制成。

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