CN103954131A - 一种工业炉窑内衬材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业炉窑内衬材料，包括基体与高发射率涂层，所述基体是在高温耐火材料中加入10%的防爆纤维，并经过充分搅拌，烧结或熔铸成具有半封闭腔体的预制件，防爆纤维随着预制件在烧结过程中达到一定温度时，即开始软化，收缩融化，最后形成无数个不规则的微孔，在预制件的半封闭腔体的内壁刷涂防氧化剂和烧结剂，再涂覆粘接剂，然后喷涂0.2～2ｍｍ厚的高发射率涂层，在室温下自然阴干，最后高温加热固化，加热速率为10℃/min，在1300℃保温5小时完成烧结，形成黑体源；本发明储热功能强，辐射率高，既能大幅度提高炉膛传热面积，又能提高炉衬内壁黑度和增强辐照度，改善炉膛温度均匀性，延长炉龄。
Description
技术领域
本发明涉及一种内衬材料，特别涉及一种工业炉窑内衬材料。
背景技术
鉴于战略性新兴产业处于快速变化的时期，作为能源消耗大户工业炉窑的节能改造工作也迫在眉睫。目前也有些节能技术在应用中：用耐火纤维粘贴在炉内衬上，减少散热损失。但这种技术只是把热量堵在炉膛内。不能解决热射线的到位率，又因耐火纤维的发射率不高，且随炉内温度的升高而降低。因此节能率不高；在炉膛内壁喷涂来节能。这种方法能增加一定的辐射强度，但不能增加传热面积，也不能调控热射线，且使用寿命一般在6-12个月，节能率在6%左右；在炉内衬材料上设置黑体节能锥，此技术能够增加一些传热面积，调控部分热射线。由于节能锥材料配置及生产工艺的限制，在实际运行中容易爆裂和脱落，使用寿命短。再由于节能锥整体涂有高温高辐射率涂料，使之部分热射线从节能锥的外表面向外发射，造成新的部分不能作功辐射热，只有小部分辐射热直接射向被加热工件，因此节能率也不高。总之，目前在工业炉窑节能改造技术中，无非采用两种方式；一或是增大炉膛面积来强化传热。这种方式会改变炉子结构，工程量大，进而会因增大炉子功率，不但不节能反而使燃料消耗更多。一种是提高炉内衬材料的发射率；这种方式在一定程度能够提高炉衬材料的黑度，但技术单一，不能增加传热面积，也不能调控热射线，所以节能率也不高。
黑体是指能够吸收全部投射辐射的物体，它是一个理想的辐射体.绝对黑体是能全部吸收投射辐射能的物理，物体的发射率能够达到最大值1,即为黑体。传统黑体模型是一个由等温壁面所围成的圆柱形空腔，并在腔壁上开一个小孔.若小孔相对整个空腔的尺寸足够小，外界辐射能投射进入小孔内，经过腔壁的多次反射而逐渐被墙壁所吸收，精确的绝对黑体模型的发射率可达0.999以上。尽管传统的黑体模型在工程实际中并不能直接和方便地应用。但应用此原理，可以推理:只要提高了物理对热辐射的吸收率，其辐射能力也相应提高。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种工业炉窑内衬材料,该内衬材料储热功能强，辐射率高，施工周期短，防爆裂和脱落，使用寿命高，节能率高，既能大幅度提高炉膛传热面积，又能提高炉衬内壁黑度和增强辐照度，改善炉膛温度均匀性，延长炉龄。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种工业炉窑内衬材料，包括基体与高发射率涂层，所述基体是在莫来石粉中加入10%的防爆纤维，并经过搅拌机充分搅拌，通过连续式微波高温烧结推板窑炉烧结成具有半封闭腔体的预制件，该预制件为高温耐火预制件，防爆纤维随着预制件在烧结过程中达到80℃～150℃时，即开始软化，收缩融化，最后形成无数个不规则的微孔，以增加蓄热功能；在预制件的半封闭腔体的内壁刷涂防氧化剂和烧结剂，所述防氧化剂为Si-B_4C复合抗氧化剂，所述烧结剂为JBX烧结增效剂，再涂覆粘接剂，然后喷涂0.2～2ｍｍ厚的高发射率涂层，用以增加炉衬内壁的黑度，根据红外物理的黑体理论，使腔体内形成的热射线束有效地，集中地直接射向被加热工件；充分利用防爆纤维的特性，使之在正常运行中不爆裂、不脱落、不龟裂，抗拉伸、耐冲击、提高整体强度；疏水排气性能好、使用寿命达5年以上；并在室温下自然阴干，最后高温加热固化，加热速率为10℃/min，在1300℃保温5小时完成烧结，形成黑体源，近似黑体；所述高发射率涂层由质量百分比为14～16%的硅溶胶、9～11%的硅酸锆、24～26%的三氧化二铬、19～21%的二氧化锰、14～16%的三氧化二铁、9～11%的氧化镁以及4～6%的稀土制备得到。
制备该高发射率涂层的方法是：将质量百分比为14～16%的硅溶胶、9～11%的硅酸锆、24～26%的三氧化二铬、19～21%的二氧化锰、14～16%的三氧化二铁、9～11%的氧化镁以及4～6%的稀土混合均匀研磨后置于箱式高温炉中在1200～1400℃时保温2h，再倒入冷水中水淬出料，然后在行星球磨机湿法球磨6h，加蒸馏水调整浆料粘度适中，搅拌3h混合均匀，陈化24h，即制得高发射率涂层。
进一步地，所述粘接剂为苯乙烯——丙烯酸共聚。
进一步地，所述预制件在烧结前涂覆一层硅溶胶，使预制件外表面相对光滑，在一定程度可以阻止吸收在预制件内部及微孔内的热射线向外发射，迫使预制件内部及微孔内吸收的热射线连续不断地反射到半封闭腔体内，其传热机理是：热射线通过开口进入半封闭空腔后在预制件内部及微孔内经过多次反射而被吸收，再从开口再次辐射到炉膛内。
进一步地，所述预制件的外形为碗状或圆柱形。
进一步地，碗状的所述预制件的后端有5mm厚的底座，便于施工时与炉内衬材料烧结，底座的前端直至开口处为圆弧形，底座的后端为平底。
进一步地，所述预制件内的半封闭腔体设有坑槽。
进一步地，所述坑槽宽为6mm，深为3mm，坑槽与半封闭腔体等长。
进一步地，所述坑槽沿半封闭腔体的内壁依次分布，以增大半封闭腔体内壁的总面积。
进一步地，所述半封闭腔体的后端为密封结构，半封闭腔体的前端开口朝向加热炉内部，其发线方向正对被加热工件。
采用上述技术方案的工业炉窑内衬材料，在高温耐火材料中加10%的防爆纤维造孔，以增加蓄热功能，并充分利用防爆纤维的特性，使之在正常运行中不爆裂、不脱落、不龟裂，抗拉申、耐冲击、提高整体强度；疏水排气性能好，使用寿命达5年以上；增大了腔体内壁的总面积，提高了炉围伸展度，使腔体内的面积比开口面积大数倍；在预制件腔体内壁涂有高发射率涂层，用以增加炉衬内壁的黑度，在一定程度阻止吸收在预制件内部及微孔内的热射线向外发射，迫使预制件内部及微孔内吸收的热射线连续不断地反射到空腔内。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为碗状预制件的主视剖视图；
图2为碗状预制件的俯视图；
图3为圆柱形预制件的主视剖视图；
图4为圆柱形预制件的俯视图。
图中，1、碗状预制件基体；2、碗状预制件开口外表面；3、碗状预制件外表面；4、碗状预制件的坑槽；11、圆柱形预制件基体；12、圆柱形预制件开口外表面；13、圆柱形预制件的坑槽。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图4所示，一种工业炉窑内衬材料，包括基体与高发射率涂层，所述基体是在莫来石粉中加入10%的防爆纤维，并经过搅拌机充分搅拌，通过连续式微波高温烧结推板窑炉烧结成具有半封闭腔体的预制件，该预制件为高温耐火预制件，防爆纤维随着预制件在烧结过程中达到80℃～150℃时，即开始软化，收缩融化，最后形成无数个不规则的微孔，以增加蓄热功能；在预制件的半封闭腔体的内壁刷涂防氧化剂和烧结剂，所述防氧化剂为Si-B_4C复合抗氧化剂，所述烧结剂为JBX烧结增效剂，再涂覆粘接剂，然后喷涂0.2～2ｍｍ厚的高发射率涂层，用以增加炉衬内壁的黑度，根据红外物理的黑体理论，使腔体内形成的热射线束有效地，集中地直接射向被加热工件；充分利用防爆纤维的特性，使之在正常运行中不爆裂、不脱落、不龟裂，抗拉伸、耐冲击、提高整体强度；疏水排气性能好、使用寿命达5年以上；并在室温下自然阴干，最后高温加热固化，加热速率为10℃/min，在1300℃保温5小时完成烧结，形成黑体源，近似黑体；所述高发射率涂层由质量百分比为14～16%的硅溶胶、9～11%的硅酸锆、24～26%的三氧化二铬、19～21%的二氧化锰、14～16%的三氧化二铁、9～11%的氧化镁以及4～6%的稀土制备得到；所述粘接剂为苯乙烯——丙烯酸共聚；所述预制件在烧结前涂覆一层硅溶胶，使预制件外表面相对光滑，在一定程度可以阻止吸收在预制件内部及微孔内的热射线向外发射，迫使预制件内部及微孔内吸收的热射线连续不断地反射到半封闭腔体内，其传热机理是：热射线通过开口进入半封闭空腔后在预制件内部及微孔内经过多次反射而被吸收，再从开口再次辐射到炉膛内；所述预制件的外形为碗状或圆柱形；碗状的所述预制件的后端有5mm厚的底座，便于施工时与炉内衬材料烧结，底座的前端直至开口处为圆弧形，底座的后端为平底；所述预制件内的半封闭腔体设有坑槽；所述坑槽宽为6mm，深为3mm，坑槽与半封闭腔体等长；所述坑槽沿半封闭腔体的内壁依次分布，以增大半封闭腔体内壁的总面积；所述半封闭腔体的后端为密封结构，半封闭腔体的前端开口朝向加热炉内部，其发线方向正对被加热工件。
实施例1
制备该高发射率涂层的方法是：将质量百分比为15%的硅溶胶、10%的硅酸锆、25%的三氧化二铬、20%的二氧化锰、15%的三氧化二铁、10%的氧化镁以及5%的稀土混合均匀研磨后置于箱式高温炉中在1200℃时保温2h，再倒入冷水中水淬出料，然后在行星球磨机湿法球磨6h，加蒸馏水调整浆料粘度适中，搅拌3h混合均匀，陈化24h，即制得高发射率涂层。
实施例2
制备该高发射率涂层的方法是：将质量百分比为14%的硅溶胶、9%的硅酸锆、24%的三氧化二铬、21%的二氧化锰、16%的三氧化二铁、11%的氧化镁以及5%的稀土混合均匀研磨后置于箱式高温炉中在1200℃时保温2h，再倒入冷水中水淬出料，然后在行星球磨机湿法球磨6h，加蒸馏水调整浆料粘度适中，搅拌3h混合均匀，陈化24h，即制得高发射率涂层。
实施例3
制备该高发射率涂层的方法是：将质量百分比为16%的硅溶胶、11%的硅酸锆、26%的三氧化二铬、19%的二氧化锰、14%的三氧化二铁、9%的氧化镁以及5%的稀土混合均匀研磨后置于箱式高温炉中在1300℃时保温2h，再倒入冷水中水淬出料，然后在行星球磨机湿法球磨6h，加蒸馏水调整浆料粘度适中，搅拌3h混合均匀，陈化24h，即制得高发射率涂层。
众多的高效节能预制件设置在工业炉窑的炉顶、炉墙上；大幅度提高了炉围伸展度，增大传热面积一倍以上；再加上空腔内壁涂有高发射率层，使之发射率在0.92～0.96之间；实现了红外线的定向发射，使受热体得到更多的热量；从热量守恒定律出发，受热体得到的热量多了，其尾气排放温度必然会相应下降；在同样的热辐射环境下，使炉内衬具有更强的热辐射吸收能力，根据基尔霍夫定律，在热力学平衡状态下，物理的吸收率等于它的发射率。又根据兰贝特定律；空间各方向发射的辐射能中，发线方向的能量最多，切线方向的能量等于零；当炉窑内墙设置高效节能腔体预制件后，在高温状态下，与原耐火材料相比，黑度从0.6～0.80上升到0.92～0.96，最高可达到0.97，接近绝对黑体；在常规条件下：黑度越高吸热量越强，高效节能预制件能强化炉内热交换；高温下辐射传热大约占综合传热的90～95左右，最终辐射热流和两个物体的热力学绝对温度的4次方差成正比例；炉内表面热辐射能力即以4次方差的数值剧增，使炉膛的热效率显著提高；由于辐射能的大小与绝对温度的4次方差成正比，且耐火预制件腔体的辐射能是以远红外波的形式向炉内传递，当远红外波辐射到被加热物体上时就被加热物体所吸收；这些远红外波的穿透能力极强；能穿透被加热物体里层，使被加热物体里、表层同时导热，加热时间缩短，受热均匀；其综合热效率提高12%左右，燃料节能率为15～20%。
本发明采用微孔加高发射率涂层的腔体预制件设置在炉内衬材料上，前端开口朝向加热炉内部，其发线方向正对被加热工件；以增强炉内辐射传热，使形成的热射线有效地，集中地传递给工件；使辐射场及温度场均匀，改变了红外加热波谱；增强了1～5um波段的红外发射率，促进燃料的完全燃烧，大大提高了热效率。
高效节能腔体预制件在特定的温度(如相变温度)下发生物相变化，并伴随着吸收或放出热量，可用来控制周围环境的温度，或用以储存热能。它把热量储存起来，在需要时再把它释放出来，从而提高了能源的利用率。扩展温度区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界。缩小了炉内衬与火焰中心温度的差距，从而使得炉膛内温度分布均匀，不易形成局部高温，相应减少通过炉衬材料向外的散热损失，使炉外表面温度降低5～200℃。排烟温度降低1000℃左右，提高了被加热物体的加热质量；加热速度快，在炉时间短。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种工业炉窑内衬材料，包括基体与高发射率涂层，其特征在于：所述基体是在莫来石粉中加入10%的防爆纤维，并经过搅拌机充分搅拌，通过连续式微波高温烧结推板窑炉烧结成具有半封闭腔体的预制件，防爆纤维随着预制件在烧结过程中达到80℃～150℃时，即开始软化，收缩融化，最后形成无数个不规则的微孔，在预制件的半封闭腔体的内壁刷涂防氧化剂和烧结剂，再涂覆粘接剂，然后喷涂0.2～2ｍｍ厚的高发射率涂层；并在室温下自然阴干，最后高温加热固化，加热速率为10℃/min，在1300℃保温5小时完成烧结，形成黑体源；所述高发射率涂层由质量百分比为14～16%的硅溶胶、9～11%的硅酸锆、24～26%的三氧化二铬、19～21%的二氧化锰、14～16%的三氧化二铁、9～11%的氧化镁以及4～6%的稀土制备得到。
2.根据权利要求1所述的工业炉窑内衬材料，其特征在于：所述预制件在烧结前涂覆一层硅溶胶。
3.根据权利要求1所述的工业炉窑内衬材料，其特征在于：所述预制件的外形为碗状或圆柱形。
4.根据权利要求3所述的工业炉窑内衬材料，其特征在于：碗状的所述预制件的后端有5mm厚的底座，底座的前端直至开口处为圆弧形，底座的后端为平底。
5.根据权利要求1所述的工业炉窑内衬材料，其特征在于：所述预制件内的半封闭腔体设有坑槽。
6.根据权利要求5所述的工业炉窑内衬材料，其特征在于：所述坑槽宽为6mm，深为3mm，坑槽与半封闭腔体等长。
7.根据权利要求5所述的工业炉窑内衬材料，其特征在于：所述坑槽沿半封闭腔体的内壁依次分布。
8.根据权利要求5所述的工业炉窑内衬材料，其特征在于：所述半封闭腔体的后端为密封结构，半封闭腔体的前端开口朝向加热炉内部。
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