一種熱輻射材料及其應用熱輻射材料的耐火材料的製作方法

2023-09-21 20:16:05

專利名稱：一種熱輻射材料及其應用熱輻射材料的耐火材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱能技術，具體說，涉及一種熱輻射材料及其應用熱輻射材料的 耐火材料。
背景技術：
從目前使用的工業加熱爐可以看出，要使工件獲得的熱量增多，就必需使爐內傳 熱量增加，那就必需提高爐牆發射率和增加爐膛內傳熱面積。現有的工業加熱爐爐壁多數 是耐火磚、澆注料或者耐火纖維，它們發射率都很低，且能耗大、加熱效率低。傳熱學基本理論包括以下幾點A)熱能傳遞的形式輻射、傳導、對流。B)史蒂芬_玻耳茲曼定律E= ￡qCq(T/100)4，輻射強度E與溫度的四次方成正 比。工業加熱爐中，爐膛溫度一般為1000°C以上，熱輻射能在高溫下主要(大約90%) 是以輻射的形式傳遞，所以工業加熱爐，主要以熱輻射加熱為主。C)根據基爾霍夫定律物體的吸收率(又稱黑度)等於它的發射率。D)熱輻射能的吸收能力與受熱物體的表面黑度成正比。E)受熱物體的熱能傳導強度與該物體表面和內部的溫度梯度成正比，與熱阻成反 比。F)不同特性的物體發射的紅外線特性(波長)不同，不同特性的紅外線易被其特 性相同的物體所接收，即固體物質發射的紅外線易為固體吸收，而不易為氣體所吸收。G)根據蘭貝特定律空間各方向發射的輻射能中，法線方向的能量最多，切線方 向的能量等於零。全纖維工業加熱爐，採用築爐材料輕型化，是以容重很小的耐火纖維作為爐體材 料，旨在減少蓄熱損失和散熱損失，降低能耗，但耐火纖維的發射率很低，這一技術措施只 是將熱量堵在爐膛內部，卻不能解決熱輻射能的熱射線射到被加熱工件上，故節能率不高。 全纖維工業加熱爐結構採用全纖維，耐火纖維的熱發射率更低(ε = 0. 35)。將熱量堵在爐 膛內，熱射線在爐體內呈漫射狀態，確實減少了爐窯的蓄熱損失和散熱損失，但是，纖維在 高溫下發生較大收縮並易粉化。蓄熱式工業加熱爐採用高溫空氣燃燒技術(HTAC)，蓄熱式工業加熱爐自身設置有 套蓄熱式煙氣餘熱回收裝置，爐體加入的餘熱回收裝置使得整個爐體結構比較複雜，對加 熱爐排放的尾氣餘熱進行回收，它充分利用加熱爐的餘熱，故節能效果較好。蓄熱式工業加 熱爐採用蓄熱式煙氣餘熱回收，而熱量在爐膛內並沒有充分利用，只是利用熱流下遊。但 是，給爐體加入餘熱回收裝置使得整個爐體結構複雜、投資大、蓄熱體壽命短，因此維護和 運行成本較高，也不適用於小型的工業加熱爐。黑體技術是將爐膛和黑體元件共同組成一個紅外加熱系統，在高溫下，僅黑體元 件的發射率保持在原來的水平。但現有的黑體元件在高溫下，經過一段時間的使用就開始粉化、脫落和缺損，同時，對爐膛進行全面的強化紅外塗裝(採用的是一般塗料)，塗層易老 化，難以從根本上解決難題，並且壽命短(僅幾個月塗層就會不起作用)，從而使整個爐膛 的輻射強化加熱減弱。

發明內容
本發明所解決的技術問題是採用一種熱輻射綜合強化傳熱節能技術，提供一種熱 輻射材料，從而提高了整個爐膛內的高發射率，並且熱輻材料根本不老化，壽命長。

技術方案如下
一種熱輻射材料，包括輻射材料、填充料和粘接劑，其中， 輻射材料包括 矽系材料 鐵系材料 錳系材料 碳材料 鉻系材料 銅系材料 鈷系材料 鈦系材料 釩系材料 稀土材料 填充料 鋯系材料 鋁系材料 石英材料 燒結劑 耐火粘土 膨潤土 蘇州土 粘接劑 無機粘接劑
20 『-35份30 『 50份25 『 35份10 『 13份10 『 15份10 『 12份7 『10 份；10 『一 14 份;5 『10 份；15 『 20份;40 『 50份40 『 50份30 『 40份
5 10 -10 -
400
10份；
-15份 -15份
500 份。
其中，份代表單位重量或者質量。
進一步所述無機粘接劑選用水玻璃、矽溶膠或者PA-80膠。 本發明所解決的另一個技術問題是提供一種應用熱輻射材料的耐火材料，能夠減 少工業加熱爐窯的熱損失，提高熱效率。一種應用熱輻射材料的耐火材料，包括耐火材料本體，所述耐火材料本體上設置 有爐膛熱輻射元件；所述耐火材料本體和所述爐膛熱輻射元件的外表面塗覆有熱輻射材 料。優選的所述爐膛熱輻射元件為空心結構。優選的所述爐膛熱輻射元件採用八面錐臺、六面錐臺、圓錐臺、圓錐體或者圓柱體。優選的所述爐膛熱輻射元件設置在所述耐火材料本體內部，所述爐膛熱輻射元 件在所述耐火材料本體的外表面設置有開口。優選的所述爐膛熱輻射元件採用八面錐臺、六面錐臺、圓錐臺、圓錐體或者圓柱 體。優選的所述爐膛熱輻射元件的底面到錐體頂點的高和底面直徑的比值範圍在 25 100之間。技術效果包括1、本發明針對現有的各種工業加熱爐的缺點，通過在爐膛內壁噴塗及設置熱輻材 料來減少工業加熱爐窯的熱損失，提高了熱效率，達到節能減排的目的；2、熱輻射材料提高了整個爐膛內的高發射率，具有很高的熱穩定性，並且熱輻射 材料根本不老化；3、在其爐膛內壁表面噴塗熱輻射材料後，熱輻射材料除了吸收和發射熱射線，從 而提高爐膛內壁的黑度，增加輻射傳熱效果，強化爐膛內熱交換，並且將散失的熱能轉換成 以電磁波形式輻射回爐膛，將熱能留在爐膛內；不僅降低了排煙溫度，又使爐膛內溫度升 高，增強被加熱物體的熱能吸收速度，減少熱能損失，又會促使一部分對流傳熱轉換為輻射 熱能，導致爐牆壁傳熱損失的減少。


圖1是本發明中熱輻射材料的使用狀態圖；圖2是本發明優選實施例一的縱剖面示意圖；圖3是本發明優選實施例一的俯視圖；圖4是本發明優選實施例二的縱剖面示意圖；圖5是本發明優選實施例二的俯視圖。
具體實施例方式本發明通過對現有工業加熱爐進行節能改造，採用高發射率的熱輻射材料，在爐 膛內形成一個熱輻射能的強化加熱系統，從而提高爐膛整體發射率(ε =0.95，1473Κ測 試)，在高溫下，高發射率不衰減，根本不老化，始終保持在高發射率狀態。如圖1所示，是本發明中熱輻射材料的使用狀態圖。熱輻射材料12噴塗及設置在 爐膛內壁11的表面；爐膛內壁11表面噴塗的熱輻射材料12其發射率為0. 95，並且熱輻射 材料12在使用後不老化。整個爐膛內的吸收率大於0.90以上，故能吸收大量輻射熱能，並 轉換成物體易吸收的遠紅外熱能，形成紅外加熱(即強化加熱)。爐膛內壁11設置有高發射率的熱輻射材料12，目的之一是強化爐襯，之二是提高 爐襯的發射率，當爐內熱射線碰到熱輻射材料12，那麼輻射能中將有一部分被發射。熱輻射 材料12將散失的熱能轉換成遠紅外熱能，並以電磁波的形式輻射回爐膛，為爐膛內的被加 熱物體所吸收。由於爐膛內主要氣氛為煙氣，煙氣的主要成分為氧氣和氮氣，煙氣對輻射傳 熱不敏感，熱損耗少，從而將熱能留在爐膛內；不僅降低了排煙溫度，而且使爐膛溫度升高， 使燃料和煙氣中的可燃成分得到充分燃燒。在傳熱過程中，熱輻射材料12不僅將吸收的輻射熱能轉換成遠紅外熱能傳遞，其自身變成遠紅外輻射熱源，而且隨著熱輻射材料12表面溫度的提高導致溫度梯度增大，使 被加熱物體的熱能傳導強度加強，吸熱能力大大提高。 熱輻射材料12通過配方和配比，以及燒結工藝和加工成超細化粉末來保證熱輻 射材料在高溫工作時，不老化，保持高反射率0. 95。採用納米超細化處理，使粒度達20-100nm，得納米級熱輻射材料，發射率為0. 95， 耐火度1800°C，使用壽命達5年。熱輻射材料的節能工作原理熱輻射材料12為超細化粉體(納米級)。從愛因斯坦輻射理論可以看出，用納米 粉體製成的熱輻射材料，它的反射率與吸收率都接近於1，可以認為是黑體模型。黑體是指 能夠吸收全部投射輻射的物體，它是一個輻射體。熱輻射材料的平均顆粒越小，發射率就越 大，本熱輻射材料為納米級，其發射率為0. 95。
根據基爾霍夫定律物體的吸收率(又稱黑度)等於它的發射率。由於熱輻射材料 的吸收率高，故能吸收大量的輻射熱能，又因其發射率高，能連續不斷向外發送熱射線(以 電磁波的形式傳遞)。熱輻射材料經過高溫燒結後，晶格結構及性能發生變化，達到高發射率。又由於燒 結溫度高於使用溫度，晶格結構及性能很穩定，在使用中不衰減，也不老化，始終保持高反 射率的良好狀態。熱輻射材料12製成的產品用於工業加熱爐爐膛內的爐壁，爐壁可以是耐火材料 (磚)或澆注料，在爐壁表面設置熱輻射材料12，熱輻射材料12的塗層厚、熱阻大、反射率 高，熱輻射材料12除了吸收和發射熱射線，還將散失的熱能轉換成以電磁波形式輻射回爐 膛，將熱能留在爐膛內，不僅降低了排煙溫度，又使爐膛內溫度升高，增強爐膛內的被加熱 物體的熱能吸收速度，減少了熱能損失，達到了節能目的。熱輻射材料12應用於工作溫度800°C 1800°C的高溫工業爐窯。適用於軋鋼加 熱爐、鍛造加熱爐、熱處理爐、工業電爐、熱風爐、焦化爐、電站鍋爐、工業及民用鍋爐(供熱 鍋爐及蒸汽鍋爐)、陶瓷窯爐等，煤、氣、油、電等燃料均適用。使用熱輻射材料12的工業爐窯節能效果明顯，經測算綜合節能10- 20%，並且可 以提高爐溫均勻性，延長爐窯的使用壽命，降低排煙溫度，提高熱效率。下面是採用熱輻射材料12的兩個優選實施例，即熱輻射材料12和爐膛熱輻射元 件配合使用的實施例。優選實施例一為了進一步有效地強化了輻射加熱，本發明在不改變現有爐膛結構的情況下，在 爐膛內設置爐膛熱輻射元件21，通過爐膛熱輻射元件21來增大爐膛內的傳熱面積，從而使 得輻射加熱速度加快，爐膛對被加熱工件的輻射傳熱量增加，提高了整個爐膛內的發射率， 具有很高的熱穩定性，並且不老化。爐膛熱輻射元件21可以設置到爐膛內的耐火材料上，例如耐火磚上，爐膛熱輻射 元件的形狀可以採用八面錐臺、六面錐臺、圓錐臺、圓錐體或者圓柱體。或者，爐膛熱輻射元 件的結構採用空腔形式，即在耐火磚的本體內部設置八面錐體、六面錐體、圓錐體或者圓柱 體空腔。如圖2和3所示，爐膛熱輻射元件21採用空心六面錐斜柱體結構，爐膛熱輻射元 件21設置在耐火磚20的上平面。爐膛熱輻射元件21由六個側壁圍成，也可以在爐膛熱輻 射元件21的底部設置底面。爐膛熱輻射元件11有內壁和外壁，這樣可以有效增大傳熱面 積。耐火磚20可以設置於工業加熱爐的爐膛內壁各處，從而爐膛熱輻射元件21隨著 分布於爐膛各個地方，增大了爐膛內部平面，爐膛熱輻射元件21熱發射率為0. 95。爐膛熱 輻射元件21採用高溫陶瓷材料，經過一系列的高溫燒結成型。熱輻射材料12塗覆在爐膛熱輻射元件21外表面，該熱輻射材料12的熱發射率為 0. 95，熱輻射材料12通過特殊的粘接技術固定於爐膛內壁或者爐膛熱輻射元件21的內、外 壁各處，可以在整個爐膛內壁噴塗多層熱輻射材料12。優選實施例二如圖4和5所示，爐膛熱輻射元件41採用六面錐斜柱體空腔，爐膛熱輻射元件41設置在耐火磚20的內部，爐膛熱輻射元件41的開口在耐火磚20的上平面。爐膛熱輻射元 件41具有六個側面和一個底面，耐火磚20可以設置於工業加熱爐的爐膛內壁各處，爐膛熱 輻射元件41隨著分布於爐膛各個地方，增大了爐膛內部平面，爐膛熱輻射元件41熱發射率 為 0. 95。熱輻射材料12塗覆在爐膛熱輻射元件31內表面，該熱輻射材料12的熱發射率為 0. 95，熱輻射材料12通過特殊的粘接技術固定於爐膛內壁或者爐膛熱輻射元件31內壁各 處，熱輻射材料12可以在整個爐膛內壁和爐膛熱輻射元件31內壁噴塗多層。對於優選實施例一和優選實施例二這種爐膛熱輻射元件21和爐膛熱輻射元件41 的結構形式，在法線方向上具有高熱發射率，爐膛熱輻射元件21和41的內壁吸收爐膛內漫 射的熱射線，同時又以同樣高的發射率連續不斷地發射出熱射線，直接射向被加熱物體，這 樣，就在爐膛內壁形成許許多多的輻射熱源，以電磁波的形式傳遞，強化了輻射傳熱。在爐膛和爐膛熱輻射元件31內壁表面噴塗高發射率熱輻射的材料12，會促使一 部分對流傳熱轉化為輻射傳熱，導致爐牆壁傳熱損失減少，引起熱平衡的重新分配，結果也 加強輻射傳熱。將許許多多爐膛熱輻射元件31設置在爐膛內壁各處，增加的傳熱面積比原 來爐膛內壁面積大一倍以上，強化了爐氣與爐襯間的輻射傳熱，使爐襯內表面溫度升高，這 樣就強化爐襯與被加熱工件的輻射傳熱。在優選實施例一和優選實施例二中，爐膛熱輻射元件21和爐膛熱輻射元件41底 面到錐體頂點的高H和底面直徑L的比值範圍是25 100，即100 > H/L > 25。爐膛熱輻射元件21和爐膛熱輻射元件41能夠吸收全部投射的熱輻射，同時它還 是一個輻射體。當爐膛內的熱輻射能或爐膛內漫射的熱輻射能(即熱輻射線)投射到爐膛 熱輻射元件21或者爐膛熱輻射元件41的側面上時，經多次反射而逐漸被牆壁所吸收，熱發 射率可達0. 95。
權利要求
一種熱輻射材料，包括輻射材料、填充料和粘接劑，其中，輻射材料包括矽系材料20～35份；鐵系材料30～50份；錳系材料25～35份；碳材料 10～13份；鉻系材料10～15份；銅系材料10～12份；鈷系材料7～10份；鈦系材料10～14份；釩系材料5～10份；稀土材料15～20份；填充料鋯系材料40～50份；鋁系材料40～50份；石英材料30～40份；燒結劑耐火粘土5～10份；膨潤土 10～15份；蘇州土 10～15份；粘接劑無機粘接劑 400～500份。其中，份代表單位重量或者質量。
2.如權利要求1所述的熱輻射材料，其特徵在於所述無機粘接劑選用水玻璃、矽溶膠 或者PA-80膠。
3.一種應用熱輻射材料的耐火材料，包括耐火材料本體，其特徵在於所述耐火材料 本體上設置有爐膛熱輻射元件；所述耐火材料本體和所述爐膛熱輻射元件的外表面塗覆有 熱輻射材料。
4.如權利要求3所述的應用熱輻射材料的耐火材料，其特徵在於所述爐膛熱輻射元 件為空心結構。
5.如權利要求4所述的應用熱輻射材料的耐火材料，其特徵在於所述爐膛熱輻射元 件採用八面錐臺、六面錐臺、圓錐臺、圓錐體或者圓柱體。
6.如權利要求4所述的應用熱輻射材料的耐火材料，其特徵在於所述爐膛熱輻射元 件設置在所述耐火材料本體內部，所述爐膛熱輻射元件在所述耐火材料本體的外表面設置有開口。
7.如權利要求6所述的設置有爐膛熱輻射元件的耐火材料，其特徵在於所述爐膛熱 輻射元件採用八面錐臺、六面錐臺、圓錐臺、圓錐體或者圓柱體。
8.如權利要求5或者7所述的設置有爐膛熱輻射元件的耐火材料，其特徵在於所述 爐膛熱輻射元件的底面到錐體頂點的高和底面直徑的比值範圍在25 100之間。
全文摘要
本發明公開了一種應用熱輻射材料的耐火材料，包括耐火材料本體，所述耐火材料本體上設置有爐膛熱輻射元件；所述耐火材料本體和所述爐膛熱輻射元件的外表面塗覆有熱輻射材料。本發明還公開了一種熱輻射材料。本發明針對現有的各種工業加熱爐的缺點，通過在爐膛內壁噴塗及設置熱輻材料來減少工業加熱爐窯的熱損失，提高了熱效率，達到節能減排的目的。
文檔編號C09K5/14GK101973768SQ20101027042
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者李餘慶 申請人:北京恩吉節能科技有限公司