CN108752023A - 一种用于工业窑炉的远红外辐射元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于远红外辐射元件技术领域，提出了一种用于工业窑炉的远红外辐射元件及其制备方法，其配方由以下重量份的组分组成：钒钛尾渣60～70份，碳化铌3～5份，碳化钼1～2份，笼型聚倍半硅氧烷1～2份，填料20～30份，可再分散乳胶粉5～8份，聚结助剂3～7份，抗氧化剂5～7份，苯丙乳液30～50份，消泡剂1～2份。本发明解决了远红外辐射元件辐射率低、易形变或开裂的问题。

Description

一种用于工业窑炉的远红外辐射元件及其制备方法
技术领域
本发明属于辐射元件技术领域，涉及一种用于工业窑炉的远红外辐射元件及其制备方法。
背景技术
工业窑炉的供热方式大多以火焰炉(或称燃料炉)为主。其中有部分热量会排放浪费掉。通过保温、吸热、辐射技术，强化辐射传热，对改善工件加热质量、降低燃耗有较好的效果。传统工艺中，采用在己建好或己运行的炉膛内安装远红外辐射元件的做法来增加辐射传热面积。
远红外辐射材料作为一种节能新材料，广泛应用于航空与军事材料、新型建筑材料、各种工业窑炉及民用锅炉吸热表面等领域。远红外辐射材料可以明显提高工业窑炉的热效率并达到节能效果。
远红外辐射材料的主要成分为辐射率较高的过渡金属氧化物、氮化物、碳化物和硼化物的多元体系，但是一些较稀有金属元素价格昂贵，资源短缺。而钒钛尾渣是钢铁企业中经一系列工艺提钒后产生的尾渣，每年产量巨大，造成堆存，不仅资源浪费，而且对环境造成影响。钒钛尾渣中富含钒、铬、硅、铁、钛等成分，用于生产远红外辐射材料，对我国能源短缺的改善和低碳经济的发展具有重要的现实意义，也是我国产业政策、能源环境发展的需求。
目前的远红外辐射材料在温度较高的工业窑炉中持续工作2至3年后，高温会对远红外辐射材料的性能造成极大的影响，使得远红外辐射元件的热稳定性差，导致形变或开裂，从而影响远红外辐射元件的红外辐射率，甚至使远红外辐射元件报废，从而影响工业窑炉的生产及经济效益。
发明内容
本发明提出一种用于工业窑炉的远红外辐射元件及其制备方法，解决了上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种远红外辐射元件，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣60～70份，碳化铌3～5份，碳化钼1～2份，笼型聚倍半硅氧烷1～2份，填料20～30份，可再分散乳胶粉5～8份，聚结助剂3～7份，抗氧化剂5～7份，苯丙乳液30～50份，消泡剂1～2份。
进一步，一种远红外辐射元件，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣65份，碳化铌4份，碳化钼1.5份，笼型聚倍半硅氧烷1.5份，填料25份，可再分散乳胶粉7份，聚结助剂5份，抗氧化剂6份，苯丙乳液40份，消泡剂1.5份。
进一步，所述钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 35～40份，CaO 5～7份，MgO 15～20份，Fe2O3 30～40份，Al2O3 15～25份，TiO2 10～15份，MnO 3～5份，V2O3 0.12～0.2份，Cr2O3 0.08～0.13份。
进一步，所述钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 38份，CaO 6份，MgO 17份，Fe2O3 35份，Al2O3 20份，TiO2 13份，MnO 4份，V2O30.16份，Cr2O3 0.1份。
进一步，所述填料包括以下重量份的组分：
CaCo3 5～10份、CaF2 0.5～1.5份、B6Si 1～2份。
进一步，所述聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
一种远红外辐射元件的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照权利要求1～6任一项所述的一种远红外辐射元件的配方，称取各个组分备用；
S2：研磨，将S1中称取的钒钛尾渣、填料研磨至粉末状；
S3：混液，将可再分散乳胶粉加入至苯丙乳液中并混合并搅拌均匀，得到混合液，备用；
S4：混料，将S2中粉末状的钒钛尾渣、填料加入至S3中的混合液内，进行充分搅拌后，加入碳化铌、碳化钼、笼型聚倍半硅氧烷搅拌均匀，最后加入聚结助剂、抗氧化剂、消泡剂并搅拌均匀，得到混合物，备用；
S5：高温烧结，将S4中的混合物倒入模具中，再将模具放入烧结炉内进行高温烧制，烧结炉内温度为1200～1500℃，烧制时间为270～300min，保温时间为20分钟～30分钟；
S6：冷却脱模，将S5中烧制完成的远红外辐射元件冷却至室温，再进行脱模，即完成远红外辐射元件的制备。
进一步，所述远红外辐射元件为柱形、波浪形、多柱形或其它任意形状。
本发明使用原理及有益效果为：
1、本发明中，特定的组分以及组分之间的比例，制备出了耐火度高、热稳定性好、辐射效率高、使用寿命长的远红外辐射元件，解决了远红外辐射元件的热稳定性差，使用2～3年就会形变或开裂的问题，从而影响远红外辐射元件的红外辐射率，甚至使远红外辐射元件报废的问题。
本发明中的远红外辐射元件的使用寿命长达5年以上，在使用三年后，热稳定性、辐射率保持率依然保持良好，在使用五年后，热稳定性、辐射率保持率基本无变化，依然可以起到很好的辐射传热的功能，完全满足窑炉的使用需求。
2、本发明中，使用钒钛尾渣为原料，钒钛尾渣中含有Fe2O3、TiO2、V2O3、Cr2O3等金属化合物，TiO2、Cr2O3自身的热稳定就很好，而在高温烧制的过程中，随着温度增高，元素间的各种金属离子会高速运动，较难迁移的Ti4+、Cr3+、V3+会进入至Fe晶格内，形成强掺杂物质，结构更加复杂，结合物相较于各物质的初始状态，经过检测，热稳定性更好，且耐火度更高。
实施例1～5中的远红外辐射元件的耐火度可以达到2010℃～2200℃，而对比例1～3中的耐火度较低，仅为1650℃～1800℃。在进行热稳定性测试时，实施例1～5中的远红外辐射元件的热稳定性都很好，而对比例1～3中的远红外辐射元件的热稳定性一般或较差。实施例1～5中的远红外辐射元件在1600℃时的辐射率高达94％～97％，而对比例1～3中的辐射率仅为91％～92％。实施例1～5中的远红外辐射元件在1600℃的工况下使用两年，辐射率保持率依然为100％，而对比例1～3中的远红外辐射元件的辐射率保持率为80％～87％，使得辐射率更低。
3、本发明中，除了较为常规的过渡金属化合物之外，又加入了碳化铌、碳化钼、笼型聚倍半硅氧烷，碳化铌的熔点极高，且硬度较高，作为耐火材料，不易形变、弯折。碳化钼具有较高熔点和硬度、良好热稳定性和机械稳定性和很好抗腐蚀性，可以有效改善体系的热稳定性及抗腐蚀性。笼型聚倍半硅氧烷是一种纳米级无机填料，在本发明中与碳化铌、碳化钼等化合物结合，可以有效改善远红外辐射元件的强度、耐热性以及阻燃性能。
通过对实施例1～5与对比例1～3中的远红外辐射元件在工况温度为1600℃窑炉中进行长期测试发现，实施例1～5中的远红外辐射元件在使用五年之后，热稳定性、辐射率保持率仍然优良，远红外辐射元件没有开裂，辐射率与初始数据持平；而对比例1～3中的远红外辐射元件的使用寿命仅为2～3年，热稳定性、辐射率保持率在使用过程中持续降低。因此本发明的特定配方及工艺起到了意料不到的效果，制备出了高质量且使用寿命长的远红外辐射元件。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明中波浪形远红外辐射元件的结构示意图；
图2为本发明中柱形远红外辐射元件的结构示意图；
图3为本发明中多柱形远红外辐射元件的结构示意图；
图4为本发明中波浪形、柱形组合的远红外辐射元件结构示意图；
图中：1-波浪形远红外辐射元件，2-柱形远红外辐射元件，3-多柱形远红外辐射元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出的一种用于工业窑炉的远红外辐射元件及其制备方法，
实施例1：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣60份，碳化铌3份，碳化钼1份，笼型聚倍半硅氧烷1份，填料20份，可再分散乳胶粉5份，聚结助剂3份，抗氧化剂5份，苯丙乳液30份，消泡剂1份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 35份，CaO 5份，MgO 15份，Fe2O3 30份，Al2O3 15份，TiO2 10份，MnO 3份，V2O30.12份，Cr2O3 0.08份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 5份、CaF2 0.5份、B6Si 1份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法包括以下步骤：S1：按照一种远红外辐射元件的配方，称取各个组分备用；
S2：研磨，将S1中称取的钒钛尾渣、填料研磨至粉末状；
S3：混液，将可再分散乳胶粉加入至苯丙乳液中并混合并搅拌均匀，得到混合液，备用；
S4：混料，将S2中粉末状的钒钛尾渣、填料加入至S3中的混合液内，进行充分搅拌后，加入碳化铌、碳化钼、笼型聚倍半硅氧烷搅拌均匀，最后加入聚结助剂、抗氧化剂、消泡剂并搅拌均匀，得到混合物，备用；
S5：高温烧结，将S4中的混合物倒入模具中，再将模具放入烧结炉内进行高温烧制，烧结炉内温度为1350℃，烧制时间为285min，保温时间为25分钟；
S6：冷却脱模，将S5中烧制完成的远红外辐射元件冷却至室温，再进行脱模，即完成远红外辐射元件的制备。
实施例2：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣63份，碳化铌3.5份，碳化钼1.25份，笼型聚倍半硅氧烷1.25份，填料23份，可再分散乳胶粉6份，聚结助剂4份，抗氧化剂5.5份，苯丙乳液35份，消泡剂1.25份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 36.5份，CaO 5.5份，MgO 16份，Fe2O3 33份，Al2O3 17份，TiO2 12份，MnO 3.5份，V2O3 0.14份，Cr2O3 0.09份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 6份、CaF2 0.8份、B6Si 1.2份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法同实施例一。
实施例3：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣65份，碳化铌4份，碳化钼1.5份，笼型聚倍半硅氧烷1.5份，填料25份，可再分散乳胶粉7份，聚结助剂5份，抗氧化剂6份，苯丙乳液40份，消泡剂1.5份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 38份，CaO 6份，MgO 17份，Fe2O3 35份，Al2O3 20份，TiO2 13份，MnO 4份，V2O30.16份，Cr2O3 0.1份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 7份、CaF2 1份、B6Si 1.5份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法同实施例一。
实施例4：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣68份，碳化铌4.5份，碳化钼1.8份，笼型聚倍半硅氧烷1.8份，填料28份，可再分散乳胶粉7.5份，聚结助剂6份，抗氧化剂6.5份，苯丙乳液45份，消泡剂1.7份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 39份，CaO 6.5份，MgO 18.5份，Fe2O3 38份，Al2O3 23份，TiO2 14份，MnO 4.5份，V2O3 0.18份，Cr2O3 0.12份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 8.5份、CaF2 1.3份、B6Si 1.8份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法同实施例一。
实施例5：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣70份，碳化铌5份，碳化钼2份，笼型聚倍半硅氧烷2份，填料30份，可再分散乳胶粉8份，聚结助剂7份，抗氧化剂7份，苯丙乳液50份，消泡剂2份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 40份，CaO 7份，MgO 20份，Fe2O3 40份，Al2O3 25份，TiO2 15份，MnO 5份，V2O30.2份，Cr2O3 0.13份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 10份、CaF2 1.5份、B6Si 2份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法同实施例1。
如图1～图4所示，实施例1～5中的远红外辐射元件可以为波浪形，可以为柱形，可以为多柱形，或为两种或两种以上的组合形状，或为其它任意形状。
对比例1：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣65份，碳化钼1.5份，笼型聚倍半硅氧烷1.5份，填料25份，可再分散乳胶粉7份，聚结助剂5份，抗氧化剂6份，苯丙乳液40份，消泡剂1.5份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 38份，CaO 6份，MgO 17份，Fe2O3 35份，Al2O3 20份，TiO2 13份，MnO 4份，V2O30.16份，Cr2O3 0.1份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 7份、CaF2 1份、B6Si 1.5份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法同实施例一。
对比例2：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣65份，碳化铌4份，笼型聚倍半硅氧烷1.5份，填料25份，可再分散乳胶粉7份，聚结助剂5份，抗氧化剂6份，苯丙乳液40份，消泡剂1.5份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 38份，CaO 6份，MgO 17份，Fe2O3 35份，Al2O3 20份，TiO2 13份，MnO 4份，V2O30.16份，Cr2O3 0.1份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 7份、CaF2 1份、B6Si 1.5份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法同实施例一。
对比例3：
一种远红外辐射元件的配方，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣65份，碳化铌4份，碳化钼1.5份，填料25份，可再分散乳胶粉7份，聚结助剂5份，抗氧化剂6份，苯丙乳液40份，消泡剂1.5份，
其中钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO2 38份，CaO 6份，MgO 17份，Fe2O3 35份，Al2O3 20份，TiO2 13份，MnO 4份，V2O30.16份，Cr2O3 0.1份。
填料由以下重量份的组分组成：CaCo3 7份、CaF2 1份、B6Si 1.5份。
聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
其制备方法同实施例1。
实验数据如表1～2所示：
表1实施例1～5以及对比例1～3各组分重量份数
注：—为无此项
表2实施例1～5钒钛尾渣中各组分重量份数
将上述实施例1～5以及对比例1～3中的远红外辐射元件以波浪形为例进行了耐火度、热稳定性、耐用程度、辐射率、抗老化性、使用寿命进行测定，(实施例1～5及对比例1～3也采用远红外辐射元件的其它形状进行了测试，实验结果与本实验结果大致相同)测定方法、测定结果如下：
1、耐火度
按照GB/T 7322-2017进行，对实施例及对比例的远红外辐射元件测定耐火度。
2、热稳定性
将实施例及对比例的远红外辐射元件加热至1600℃，然后置于室温的水中急冷，如此反复N次，通过观察远红外辐射元件是否出现裂纹作为指标，来判定远红外辐射元件的热稳定性。
3、耐用程度
将实施例及对比例的远红外辐射元件置于工况温度为1600℃窑炉中，在使用三年后，观察远红外辐射元件是否开裂，通过是否开裂或开裂程度即可判定远红外辐射元件的耐用程度。
4、辐射率
按照ASTM C1371标准，对实施例及对比例的远红外辐射元件根据ASTM C1371程序使用辐射率测试仪器测得辐射率。
5、抗老化性
实施例及对比例的远红外辐射元件在工况温度为1600℃窑炉中使用2年后，依照上述辐射率测试方法对远红外辐射元件的辐射率进行测试。
6、使用寿命
实施例及对比例的远红外辐射元件在工况温度为1600℃窑炉中进行寿命测试，通过观察、测试判定远红外辐射元件是否能继续使用判定远红外辐射元件的使用寿命。
表3实施例1～5以及对比例1～3各项性能数据
由表3中的数据可以得出，本发明的特定配方及工艺起到了意料不到的效果，利用本发明的的配方及工艺制备的远红外辐射元件相较于对比例耐火度高、热稳定性优良，在使用三年后，对比例1～3中的远红外辐射元件均开裂，且对比例1～2中的远红外辐射元件的使用寿命并不能达到三年。而在使用两年之后，对比例1～3中的远红外辐射元件热稳定性、辐射率均降低，因此使用效率变低，已经不再适用于窑炉中工况使用。但是实施例1～5中的远红外辐射元件的使用寿命长达五年以上，在使用三年后，热稳定性、辐射率保持率依然保持良好，在使用五年后，热稳定性、辐射率保持率基本无变化，依然可以起到很好的辐射传热的功能，完全满足窑炉的使用需求。
实施例1～5中的远红外辐射元件在1600℃时的辐射率高达94％～97％，而对比例1～3中的辐射率仅为91％～92％。实施例1～5中的远红外辐射元件在1600℃的工况下使用两年，辐射率保持率依然为100％，而对比例1～3中的远红外辐射元件的辐射率保持率为80％～87％，使得辐射率更低。
通过对实施例1～5与对比例1～3中的远红外辐射元件在工况温度为1600℃窑炉中进行长期测试发现，实施例1～5中的远红外辐射元件在使用五年之后，热稳定性、辐射率保持率仍然优良，远红外辐射元件没有开裂，辐射率与初始数据持平；而对比例1～3中的远红外辐射元件的使用寿命仅为2～3年，热稳定性、辐射率保持率在使用过程中持续降低。因此本发明的特定配方及工艺起到了意料不到的效果，制备出了高质量且使用寿命长的远红外辐射元件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种远红外辐射元件，其特征在于，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣60～70份，碳化铌3～5份，碳化钼1～2份，笼型聚倍半硅氧烷1～2份，填料20～30份，可再分散乳胶粉5～8份，聚结助剂3～7份，抗氧化剂5～7份，苯丙乳液30～50份，消泡剂1～2份。
2.根据权利要求1所述的一种远红外辐射元件，其特征在于，由以下重量份的组分组成：
钒钛尾渣65份，碳化铌4份，碳化钼1.5份，笼型聚倍半硅氧烷1.5份，填料25份，可再分散乳胶粉7份，聚结助剂5份，抗氧化剂6份，苯丙乳液40份，消泡剂1.5份。
3.根据权利要求1所述的一种远红外辐射元件，其特征在于，所述钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO235～40份，CaO5～7份，MgO15～20份，Fe2O330～40份，Al2O315～25份，TiO210～15份，MnO3～5份，V2O30.12～0.2份，Cr2O30.08～0.13份。
4.根据权利要求3所述的一种远红外辐射元件，其特征在于，所述钒钛尾渣由以下重量份的组分组成：
SiO238份，CaO6份，MgO17份，Fe2O335份，Al2O320份，TiO213份，MnO4份，V2O30.16份，Cr2O30.1份。
5.根据权利要求1所述的一种远红外辐射元件，其特征在于，所述填料由以下重量份的组分组成：
CaCo35～10份、CaF20.5～1.5份、B6Si1～2份。
6.根据权利要求1所述的一种远红外辐射元件，其特征在于，所述聚结助剂为丙二醇丁醚、十二碳醇酯、丙二醇苯醚、丙烯酸乳液中的一种。
7.一种远红外辐射元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按照权利要求1～6任一项所述的一种远红外辐射元件的配方，称取各个组分备用；
S2：研磨，将S1中称取的钒钛尾渣、填料研磨至粉末状；
S3：混液，将可再分散乳胶粉加入至苯丙乳液中并混合并搅拌均匀，得到混合液，备用；
S4：混料，将S2中粉末状的钒钛尾渣、填料加入至S3中的混合液内，进行充分搅拌后，加入碳化铌、碳化钼、笼型聚倍半硅氧烷搅拌均匀，最后加入聚结助剂、抗氧化剂、消泡剂并搅拌均匀，得到混合物，备用；
S5：高温烧结，将S4中的混合物倒入模具中，再将模具放入烧结炉内进行高温烧制，烧结炉内温度为1200～1500℃，烧制时间为270～300min，保温时间为20分钟～30分钟；
S6：冷却脱模，将S5中烧制完成的远红外辐射元件冷却至室温，再进行脱模，即完成远红外辐射元件的制备。
8.根据权利要求7所述的一种远红外辐射元件的制备方法，其特征在于，所述远红外辐射元件为柱形、波浪形、多柱形或其它任意形状。
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