CN104031439B

CN104031439B - 耐高温纳米黑体涂层及其制备工艺

Info

Publication number: CN104031439B
Application number: CN201410304152.0A
Authority: CN
Inventors: 曾维芳; 张熙显; 周大朋; 单忠军
Original assignee: Compass Qiming (beijing) Energy Science And Technology Service Co Ltd
Current assignee: Compass Qiming (beijing) Energy Science And Technology Service Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN104031439A

Abstract

本发明提供了一种耐高温纳米黑体涂层及其制备工艺，其包括以下组分：黑体粉末颗粒；无机粘合剂；以及膨胀系数调节剂。制备步骤如下：黑体粉末颗粒的制备，膨胀系数调节剂的制备，无机粘合剂的合成，混合黑体粉末颗粒、无机粘合剂、膨胀系数调节剂，将所得混合物经过滤、研磨后，得到所述加热炉用耐高温纳米辐射涂料。本发明的耐高温纳米辐射涂料这种材料具有提高辐射率和热震稳定性、节能环保、防腐蚀、延长加热炉使用寿命、提高温度均匀性等特点对不同热源（煤、气、油、电等）都适用；技术指标已达到：耐温2200℃，辐射率ε≥0.92，抗热震性（1300℃）≥5次，涂料厚度0.1—0.2mm，使用寿命≥6年。

Description

耐高温纳米黑体涂层及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种耐高温黑体涂层，更具体涉及应用在工业加热炉上通过增加炉内被加热工件表面辐射率来提高加热炉热效率的涂层。

背景技术

在我国，国民经济发展已进入高速增长期，工业、民用能源需求快速增长，能源的短缺，已开始制约国民经济发展的腾飞。但我国能源利用率却只有30%左右，产品单耗比国外先进水平高30—90%，按单位国民产值能耗比，我国比美国高3倍、比日本高7倍。显然，节能降耗是解决我国工业生产能源短缺的重要课题，尤其是中、高温加热炉及加热设备是重点能耗装置，它们的节能降耗是解决我国工业能源短缺的最佳途径。

一般工业加热设备的内壁材料为普通耐火材料和陶瓷纤维模块，对工件的加热主要通过炉内辐射热进行，然而，通过近年来的实践以及核算表明，炉内隔热材料的热辐射率远远无法达到理论标准值，如莫来石在700℃时ε值为0.4，陶瓷纤维在1100℃时ε值为0.35，隔热粘土砖1100℃时ε值为0.45，远远低于理论假定值0.7—0.8。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有高效节能、防腐蚀，延长被加热金属工件使用寿命，缩短加热时间，提高温度均匀性的耐高温黑体涂层及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种耐高温纳米黑体涂层，适用于在工业加热炉上通过增加炉内被加热工件表面辐射率来提高加热炉热效率的涂层，其包括以下组分：粒度为400目的黑体粉末颗粒，无机粘结剂和膨胀系数调节剂，黑体粉末颗粒，无机粘结剂和膨胀系数调节剂之间的重量比为7-8：0.85-1.15：1.2-1.7

其中：所述黑体粉末颗粒的各组分按照以下质量百分比：氮化硼22-28%、碳化硅15-21%、氧化锆7-13%、氧化铬8-15%、氧化镁3-10%、氧化铈5-15%、氧化镧4-8%、白云石15-22%；

所述无机粘合剂包括铝溶胶、磷酸二氢铝和硅酸钠，三者之间的摩尔比为8-9:1-1.5:0.2-0.5；

所述堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体的重量比为42-58:58-42。

进一步，所述无机粘合剂中，铝溶胶、磷酸二氢铝和硅酸钠的摩尔比为8.2-8.8:1.0-1.4:0.25-0.4。

进一步，所述膨胀系数调节剂中堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体的重量比为47-53:53-47。

进一步，所述黑体粉末颗粒、无机粘合剂、膨胀系数调节剂的重量比为7.25-7.75：0.9-1.1：1.3-1.65。

本发明的另一目的是提供上述耐高温纳米黑体涂料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1.黑体粉末颗粒的制备；

（a）混合选自以下的组分：氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）、氧化锆（ZrO₂）、氧化铬（Cr₂O₃）、氧化镁（MgO）、氧化铈（Ce₂O₃）、氧化镧(La₂O₃)和白云石（MgO·CaO），并添加适当比例的水调制成浆；按照以下百分组成混合所述组分：氮化硼22-28%、碳化硅15-21%、氧化锆7-13%、氧化铬8-15%、氧化镁3-10%、氧化铈5-15%、氧化镧4-8%、白云石15-22%，将混合组分与水按照1:1.2比例混合搅拌；

（b）将混合物均匀涂刷在模具上，厚度3mm，自然干燥12小时，制成薄片，将制取的薄片放入煅烧炉，在1800-2800℃下煅烧2.5小时以上，取出后用3KPa压缩空气速冷，得到料片；优选地，煅烧在2000-2600℃下进行3小时以上，取出后用3KPa压缩空气速冷，得到料片；更优选地，煅烧在2200-2400℃下进行3.5小时以上，取出后用3KPa压缩空气速冷，得到料片；最优选地，煅烧在2300℃下进行3.5小时，取出后用3KPa压缩空气速冷，得到料片;

（c）把料片投入粉碎机中进行初步粉碎，得到的初粉物料的粒度≤5mm；

（d）将初粉物料加入细磨粉碎机中进行细磨粉碎，将细磨粉碎后的物料加入分筛机中进行分筛，得到粒度400目以下的物料为黑体粉末颗粒，并将粒度400目以上的物料返回细磨操作单元重新粉碎；

步骤2.无机粘合剂的合成：铝溶胶加入反应釜中，用磷酸二氢铝和硅酸钠调节，以调节其粘度和酸碱度，三者之间的摩尔比为8-9:1-1.5:0.2-0.5，并混合搅拌2小时以上，得到无机粘合剂；

步骤3：膨胀系数调节剂制备：

将青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体按照重量比为42-58:58-42，混合均匀得到膨胀系数调节剂；

步骤4：上述步骤制备得到的黑体粉末颗粒、无机粘合剂、膨胀系数调节剂按照重量比为7-8：0.85-1.15：1.2-1.7依次加入涂料合成釜中，搅拌4小时，经过滤后，形成涂料。

将本发明使用喷涂机喷涂在加热炉内被加热金属工件（炉管）表面后，自然干燥24小时，被加热金属工件（炉管）表面形成0.2mm左右厚度的黑体涂层，其辐射率ε值可高达0.92以上，抗热震性（1300℃）≥5次，可吸收波长为0.4-18μm之间的辐射热，涂料表面光滑、硬度高，具有自洁性，能够对被加热金属工件（炉管）起到保护作用，起到表面防腐功能，延长其使用寿命，同时涂料自身的使用寿命≥6年。这种材料具有高效节能、防腐蚀，延长被加热金属工件（炉管）使用寿命，缩短加热时间，提高温度均匀性等特点。

本产品是通过喷涂于窑炉内被加热金属工件（炉管）表面，提高其热辐射率ε，强化炉内的辐射传热，而达到节能、防腐、提高温度均匀性的目的。由于这种涂料具有高温抗氧化性、抗热震性，从而又可延长窑炉使用寿命，延长设备维修周期。所以说，它是一种投资少、见效快，不需对工业加热设备本身进行重大改造的节能新产品、新技术。它推广应用简便易行，尤其是对使用温度为300--2200℃、传热方式以辐射传热为主的高、中温工业加热设备，节能、防腐效果更加显著。对不同热源（煤、气、油、电等）都适用；技术指标已达到：耐温2200℃，辐射率ε≥0.92，抗热震性（1300℃）≥5次，涂料厚度0.1—0.2mm，使用寿命≥6年。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

黑体粉末颗粒的制备：

（a）混合选自以下的组分：按照以下百分组成混合所述组分：氮化硼24%、碳化硅18%、氧化锆9%、氧化铬10%、氧化镁6%、氧化铈9%、氧化镧6%、白云石18%，将混合组分与水按照1:1.2混合搅拌；

（b）将混合物均匀涂刷在模具上，厚度3mm，自然干燥12小时，制成薄片，将制取的薄片放入煅烧炉，煅烧在2300℃下进行3.5小时，取出后用3KPa压缩空气速冷，得到料片。

无机粘合剂的合成：铝溶胶加入反应釜中，用磷酸二氢铝和硅酸钠调节，以调节其粘度和酸碱度，三者之间的比例为8.5:1.2:0.3，并混合搅拌4小时得到无机粘合剂；

将堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体按照重量比为58:42，混合均匀得到膨胀系数调节剂；

将上述步骤制备得到的黑体粉末颗粒、无机粘合剂、膨胀系数调节剂

按照重量比为7.5：1：1.5分别称取，依次加入涂料合成釜中，搅拌4小时，经过滤后，形成涂料。

实施例2：

步骤1.黑体粉末颗粒的制备；

（a）按照以下百分组成混合各个组分：氮化硼26%、碳化硅15%、氧化锆7%、氧化铬8%、氧化镁3%、氧化铈13%、氧化镧8%、白云石20%，将混合组分与水按照1:1.2混合搅拌；

（b）将混合物均匀涂刷在模具上，厚度3mm，自然干燥12小时，制成薄片，将制取的薄片放入煅烧炉，在1800℃煅烧4小时，取出后用3KPa压缩空气速冷，得到料片；得到料片；

（d）将初粉物料加入细磨粉碎机中进行细磨粉碎，将细磨粉碎后的物料加入分筛机中进行分筛，得到粒度400目以下的物料为黑体粉末颗粒，并将粒度400目以上的物料返回细磨粉碎机中重新粉碎；

步骤2.无机粘合剂的合成：铝溶胶加入反应釜中，用磷酸二氢铝和硅酸钠调节，以调节其粘度和酸碱度，并混合搅拌4小时，得到无机粘合剂，其中，铝溶胶、磷酸二氢铝和硅酸钠之间的摩尔比为8:1:0.5；

步骤3：膨胀系数调节剂制备：

将堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体按照重量比为53:47，混合均匀得到膨胀系数调节剂；

步骤4：将步骤1制备得到的黑体粉末颗粒，步骤2制备得到的无机粘合剂和步骤3制备得到的膨胀系数调节剂按照重量比为7：0.85：1.2分别称取，依次加入涂料合成釜中，搅拌4小时，经过滤后，形成涂料。

实施例3：

步骤1.黑体粉末颗粒的制备；

（a）按照以下百分组成混合各个组分：氮化硼22%、碳化硅21%、氧化锆13%、氧化铬15%、氧化镁5%、氧化铈5%、氧化镧4%、白云石15%，将混合组分与水按照1:1.2混合搅拌；

（b）将混合物均匀涂刷在模具上，厚度3mm，自然干燥12小时，制成薄片，将制取的薄片放入煅烧炉，在2800℃煅烧2.5小时，取出后用3KPa压缩空气速冷，得到料片；得到料片；

步骤2.无机粘合剂的合成：铝溶胶加入反应釜中，用磷酸二氢铝和硅酸钠调节，以调节其粘度和酸碱度，并混合搅拌2小时以上，得到无机粘合剂，其中，铝溶胶、磷酸二氢铝和硅酸钠之间的摩尔比为9:1.5:0.2；

步骤3：膨胀系数调节剂制备：

将堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体按照重量比为42:58，混合均匀得到膨胀系数调节剂；

步骤4：将步骤1制备得到的黑体粉末颗粒，步骤2制备得到的无机粘合剂和步骤3制备得到的膨胀系数调节剂按照重量比为8：1.15：1.7分别称取依次加入涂料合成釜中，搅拌4小时，经过滤后，形成涂料。

在石油化工加热炉上的应用试验：

本发明的加热炉用高温纳米辐射涂料在石油化工加热炉（乙烯裂解炉）上进行了应用试验，应用结果列于下表中。

表1高温辐射涂料节能效果

*扣除其它因素的影响

表2高温纳米辐射涂料对提高温度均匀性排烟温度的影响

表3高温纳米辐射涂料对加热炉外壁温度的影响

本发明在石化行业加热炉上的应用表明，该技术具有非常显著的经济效益和社会效益，从根本上改变了现今国内加热炉能耗过高的不利现状，具体优势如下：

（1）、辐射率高达0.92，节能量达到4%-20%，提高了加热炉的热效率；

（2）、与基体结合力强，耐机械冲击和热冲击，最高耐温1800℃，不会出现粉化脱落现象；

（3）、辐射涂层的喷涂，降低加热炉外壁温度10%-15%；

（4）、提高加热炉内温度均匀性45%--55%，使被加热工件受热均匀，提高产品质量；

（5）、能够抑制加热炉内衬或被加热工件结焦，具有自洁功能；

（6）、对加热炉衬里起到了保护作用，延长其使用寿命一倍以上；

（7）、具有很好的耐磨、耐腐蚀性，自身寿命长达6年以上；

各种中高温加热炉、石油化工加热炉及加热设备都可用本发明的高温纳米辐射涂料进行节能改造。本发明涂料适用于涂在加热炉内衬表面迎火面以及被加热金属工件表面，包括耐火砖（轻、重质）、耐火材料、纤维模块、含锆陶纤毡、裂解炉炉管、金属管材等基体表面。

Claims

1.一种耐高温纳米黑体涂料的制备方法，该涂料的涂层为适用于在工业加热炉上通过增加炉内被加热工件表面辐射率来提高加热炉热效率的涂层，其特征在于，所述的制备方法具体包括以下步骤：

步骤1：黑体粉末颗粒的制备

（a）按照以下质量百分比混合各个组分：氮化硼BN22-28%、碳化硅SiC15-21%、氧化锆ZrO₂7-13%、氧化铬Cr₂O₃8-15%、氧化镁MgO3-10%、氧化铈Ce₂O₃5-15%、氧化镧La₂O₃4-8%、白云石15-22%，将混合组分与水按照1:1.2的比例混合搅拌；

（b）将混合物均匀涂刷在模具上，厚度3mm，自然干燥12小时，制成薄片，将制取的薄片放入煅烧炉，在1800-2800℃下煅烧2.5小时以上，取出后用3kPa压缩空气速冷，得到料片；

步骤2：无机粘合剂的合成

铝溶胶加入反应釜中，用磷酸二氢铝和硅酸钠调节其粘度和酸碱度，并混合搅拌2小时以上，得到无机粘合剂，其中，铝溶胶、磷酸二氢铝和硅酸钠之间的摩尔比为8.2-8.8：1.0-1.4：0.25-0.4；

步骤3：膨胀系数调节剂的制备

将堇青石粉体和铬酸钴尖晶石粉体按照重量比为47-53：53-47，混合均匀得到膨胀系数调节剂；

步骤4：将步骤1制备得到的黑体粉末颗粒、步骤2制备得到的无机粘合剂和步骤3制备得到的膨胀系数调节剂按照重量比为7.25-7.75：0.9-1.1：1.3-1.65依次加入涂料合成釜中，搅拌4小时，经过滤后，形成涂料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的煅烧在2000-2600℃下进行3小时以上，取出后用3kPa压缩空气速冷，得到料片。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的煅烧在2200-2400℃下进行3.5小时以上，取出后用3kPa压缩空气速冷。