工業標準黑體的成型方法

2023-10-06 05:41:54 1

專利名稱：工業標準黑體的成型方法
技術領域：
本發明涉及一種工業用黑體，尤其涉及一種主要用於提高工業加熱爐窯輻射 能量到位率的工業標準黑體的成型方法。
背景技術：
截至目前，為了提高工業加熱爐窯的熱效率，採取了旨在減少蓄熱損失和散 熱損失的輕型築爐材料，亦或是用增大爐膛面積來強化傳熱，或是在爐膛內壁塗 以高發射率塗層、也有在爐膛內加裝改變傳熱方式的裝置等技術。築爐材料輕型 化，是以容重很小的耐火纖維作爐牆的表層或夾層，甚至建造成全纖維爐。全纖 維爐確實減少了爐窯的蓄熱損失和散熱損失，綜合節能率最高達11%。但這一技 術措施只是將熱量堵在爐膛內，但並沒有解決爐膛內熱射線呈漫反射分布的狀態， 熱射線的到位率低，且耐火纖維的發射率也不高，所以，節能率不高；英國《玻 璃》No. 10(1992)報導，Didier Fomital蜂窩狀耐火磚在玻璃池窯頂使用，磚與 爐氣接觸界面比標準磚大三倍，理論上可節能5%—8% 。但此磚不能調控熱射線， 熱射線不能直接射向被加熱物料，也未能提高發射率，故節能率不高；上海科學 技術出版社1993年4月第一版《實用節能技術》所述，日本川崎鋼鐵公司水島廠 在軋鋼加熱爐上設置"改變傳熱方式的裝置"，它將部分對流傳遞的熱量轉換為輻 射傳熱，以提高傳熱效率，使加熱爐的熱耗下降5%左右，但這種辦法的傳熱面 積增加甚微，不能調控熱射線，也未能提高發射率，故節能率也不高，而且其技 術實施難度較大，有的部位很難設置；專利號為ZL94236755.3的"強輻射傳熱節 能工業爐"，雖然解決了增大傳熱面積、提高發射率，使熱射線呈束並直接射向 工件，有效地強化了輻射傳熱，節能率達20%以上，但其實施方式為在已建成的 爐窯之上加裝強輻射元件，對那些不能夠或不便於安裝強輻射元件的爐型，例如 井式爐、滲碳爐、坩堝爐、玻璃池窯等，應用受到限制。為了解決上述問題，出現了申請號為"03117829.4"，名稱為"自帶黑體築 爐材料及其加熱爐窯"的專利申請。對燃料爐來講，焰流在不斷流動、循環的過 程中同爐壁和物料接觸，傳導、對流同時進行，且焰流不斷地輻射能量，可以說 焰流是以對流和輻射兩種方式向爐內提供熱量的。由於爐牆黑度和面積增加後， 強化了爐氣與爐襯間的輻射換熱，使爐襯內表面溫度增高，從而也就強化了爐襯 與被加熱工件的輻射換熱，於是工件的升溫時間縮短，出爐的廢氣溫度降低，燃 料消耗就將減少。提高爐牆發射率和增加爐牆傳熱面積，就能使爐內傳熱量增加，工件獲得的熱量增多。在傳統的工業爐窯設計中，當爐膛尺寸確定後，爐牆面積 亦隨之相應確定，若擬用增大爐培面積來強化傳熱，就勢必要加大爐膛尺寸，而 這樣將引起一系列設計參數變化，並導致增大爐子功率或增多燃料消耗；現今提 高爐牆發射率的通用方法，是在其表面塗復高發射率塗料，其根本性的缺陷是解 決不了塗層老化的問題。根據紅外物理的黑體理論，絕對黑體是能全部吸收投射 輻射能的物體，其發射率為l。黑體的性質代表了物體熱輻射規律的共性，它是實 際物體熱輻射性質的極限。根據基爾霍夫定律，在熱力學平衡狀態下，物體的吸 收率等於它的發射率，也就是說物體的吸收本領大，其發射本領一定強。又根據 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，向空間任一方向所發出的輻射能的多少與該方向同法線方向夾角的餘弦成正比。該申請中，在工業加熱爐爐牆特別是爐頂上，設置有工業標準黑體， 其法線方向正對工件，黑體在爐牆上可以是凸出的、部分凸出的，也可以是凹入 的，黑體是一個空腔錐臺，錐臺有確定的長徑比L/R;在空腔錐臺表面要保持一 定的粗糙度；空腔錐臺表面燒結有高發射率層；錐臺底部具有波浪式坑槽。黑體 可以先設置在建造爐牆的耐火磚上，還可以在用其它方法建造爐牆過程中同時設 置，在耐火磚或爐牆面向爐膛一側的表面，還燒結有高發射率層，這樣，爐膛就 形成了一個紅外加熱系統，眾多的黑體以0.96的比率不斷地吸收漫射的熱射線，同時又以同樣的比率連續不斷地發射出熱射線，因空腔錐臺幾何形狀的規範，使 這些再被發射出來的熱射線，完成了從無序到有序直接射向工件的調控過程。但申請號為"03117829.4"的專利申請也存在以下不足之處 一、該申請中， 並未涉及到怎樣成型工業標準黑體，黑體是指入射的電磁波全部被吸引，既沒有 反射，也沒有透射，顯然自然界並不存在真正的黑體，但在某些波段上，有許多 物體是較好的黑體近視，因此，怎樣得到工業標準黑體尤為重要；二、工業標準 黑體為空腔錐臺形，設置在工業加熱爐爐牆特別是爐頂上，其法線方向正對工件， 在實際安裝過程中，很難將工業標準黑體的法線方向與工件正對，造成達不到上 述技術效果；三、黑體是一個空腔錐臺，錐臺有確定的長徑比L/R，在空腔錐臺 表面要保持一定的粗糙度，空腔錐臺表面燒結有高發射率層，錐臺底部具有波浪 式坑槽，使黑體元件製造困難，不易生產出專利文件中所描述的工業標準黑體。 四、由於黑體在爐牆上可以是凸出的、部分凸出的，也可以是凹入的，安裝不便。發明內容本發明的目的在於克服現有工業加熱爐窯中的黑體存在的上述技術問題，提 供一種主要用於工業加熱爐窯中的工業標準黑體的成型方法。採用本發明成型的工業標準黑體能增大工業加熱爐窯爐膛傳熱面積，提高爐膛黑度，調控熱射線， 增加熱射線的到位率，增大輻射傳熱比例。為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下一種工業標準黑體的成型方法，其特徵在於所述工業標準黑體按以下步驟 製備-a、 將65—85%的耐火砂、1—10%的粘合劑、10—30%的木屑和1一5%的水 均勻混合後形成陶瓷坯體；b、 將陶瓷坯體製作成空腔錐臺狀或空腔球狀，在500—1200度下進行烘乾 0.5—2.5小時；c、 保溫2—5小時後，再焙燒1一5小時，形成多孔陶瓷；d、 用粘結劑將高發射率層粘接在多孔陶瓷的內外壁上，並在500—1200度下 燒結3—6小時得到成型的工業標準黑體。所述工業標準黑體上有開口。 所述粘合劑為粘土。所述高發射率層由黑化鋯系、鋯系、鐵系、碳化矽系或稀土系材料製成。所述粘結劑為矽酸酯。本發明的優點在於一、 採用本發明中的百分比得到的工業標準黑體硬度合適，結構牢固，適於 工業應用，能方便快捷的成型工業標準黑體，且成型的工業標準黑體結構簡單， 安裝方便。二、 採用本發明中的百分比得到的工業標準黑體，應用於工業加熱爐窯中， 增大了爐膛傳熱面積，按現有的爐窯設計規範，當爐膛尺寸確定後，爐膛內表面 積即已確定，這個面積當然就是參與爐內傳熱的面積。當在爐膛內設置工業標準 黑體後，大幅度地增加了爐膛的傳熱面積，其數值可以達到原爐膛面積的l倍以 上。三、 本發明用於工業加熱爐窯中，提高了爐膛黑度，傳統的提高爐膛黑度的 方法，是採用發射率高的紅外塗料對其進行塗裝，迄今能達到的水平為0.88— 0.92，但其老化現象難以從根本上解決，失效快，工業運用不能持久。工業標準 黑體其全發射率為0.96，具有高穩定性，基本不老化，工業標準黑體本身不是熱 源，工業實施方便可靠。四、 本發明用於工業加熱爐窯中，具有調控熱射線的功能，對爐膛內呈漫射 狀的熱射線，元件以其高吸收特性儘快吸收，當其再以高發射特性重新發射時， 借其自身的幾何結構和布置的位置，完成了熱射線從無序到有序的調控過程，使 熱射線直接射向工件，提高了對工件的輻照度，大大地增加了熱射線的到位率。五、 本發明用於工業加熱爐窯中，增大了輻射傳熱的比例，在燃料爐中，火 焰流流經強輻射元件時，元件吸收對流傳遞的熱量後，再以輻射的方式向工件傳 熱，實現了傳熱方式的轉換，即把爐內的一部分對流傳熱轉化成輻射傳熱，增大 了輻射傳熱的比例，提高了傳熱效率。六、 本發明適用於電、氣、油、煤等能源的加熱爐窯中，使用範圍廣。七、 本發明用於工業加熱爐窯中，電阻爐、燃氣爐節能率為20%—30%，燃油 爐、燃煤爐節能率為18%—25%，使工業加熱爐窯生產率提高10%--20%。
八、 本發明用於工業加熱爐窯中，加熱爐窯爐溫均勻性改善，與傳統築爐材 料相比，爐膛垂直溫差減少50%左右，且爐溫穩定，保溫時耗電少。
九、 本發明用於工業加熱爐窯中，減少與節能率相應的廢氣排放，尾氣溫度 下降7(TC左右，減少了大氣汙染。
十、本發明用於工業加熱爐窯中，縮短了加熱工件時的升溫時間，負載升溫 階段節電率大幅提高，且空爐升溫時，節電效果顯著。


圖1為本發明成型的空腔球狀的工業標準黑體結構示意圖 圖2為工業標準黑體設置在加熱爐窯上的結構示意圖
圖中標記為1、工業標準黑體，2、加熱爐窯，3、輻射孔，4、高發射率層。
具體實施例方式
實施例1
一種工業標準黑體的成型方法，所述工業標準黑體按以下步驟製備a、將 65%的耐火砂、10%的粘合劑、20%的木屑和5%的水均勻混合後形成陶瓷坯體； b、將陶瓷坯體製作成空腔錐臺狀，在500度下進行烘乾0.5小時；c、保溫2小 時後，再焙燒1小時，形成多孔陶瓷；d、用粘結劑將高發射率層4粘接在多孔陶 瓷的內外壁上，並在500度下燒結3小時得到成型的工業標準黑體1，且在工業 標準黑體l上有開口，即輻射孔3。其中，a步驟中的粘合劑為粘土， d步驟中的 高發射率層4由黑化鋯系材料製成，粘結劑為矽酸酯。
工業標準黑體1具有一定厚度，錐臺具有確定的長徑比L/R=3—6，為保證 每個工業標準黑體l輻射出足夠的能量，頂端為開口的空腔錐臺，以適應工業上 的需要，錐臺必須有必要的開口面積，錐臺表面要保持一定的粗糙度，錐臺底部 具有波浪式坑槽，以增大發射率。工業標準黑體l首先用機械及粘接的方法安裝 在加熱爐窯2的頂部及後牆上，其次配置在加熱爐窯2的其它部位，同時對爐膛 內壁全面塗裝，以取得更佳的使用效果。
本發明應用在加熱爐窯中時，工業標準黑體l的開口即輻射孔3與加熱爐窯 2內的工件位置相對。其中，工業標準黑體l內外表面為高發射率層4，工業標準 黑體l為空腔錐臺狀，設置在加熱爐窯2的耐火磚上，且輻射孔3為與工件位置 相對的一個，加熱爐窯2內也設置有高發射率層4。
黑體是輻射傳熱學中的一個名詞，是指能全部吸收所遇到的熱輻射能的物體。 當封閉在腔內的輻射與腔壁的原子達到平衡，即單位時間內原子發射的能量等於它們所吸收的能量，該腔內稱為黑體。自然界中沒有絕對的黑體，凡是物體表面 愈黑愈粗糙，就愈接近黑體。在工業應用中，產生了多種類型的工業標準黑體， 本發明中，在空腔錐臺狀的工業標準黑體1的球殼上開一輻射孔3，熱輻射線在 錐臺內部經過無數次反射後才有機會從輻射孔3射出來，所以輻射熱大部分留在 錐臺內。
為保證每個黑體輻射出足夠的能量，以適應工業上的需要，工業標準黑體1 必須有必要的開口面積，在工業標準黑體1表面燒結有高發射率層4，高發射率 層4的材料採用黑化鋯系、鋯系、鐵系、碳化矽系、稀土系，以粘結劑結合，並 在850度下完成燒結；工業標準黑體1表面要保持一定的粗糙度，工業標準黑體 1底部具有波浪式坑槽，以增大發射率。工業標準黑體1可以先設置在建造爐牆 的耐火磚上，還可以在用其它方法建造爐牆過程中同時設置，如直接設置在成型 的爐牆及其預製件上，同時在耐火磚或爐牆面向爐膛一側，還燒結有高發射率層 4，工業標準黑體1可以用粘土質、高鋁質、矽質、鎂鋁質、各種耐火纖維材質的 材料，成型方式包括燒結成型的、熔鑄成型的，適用範圍極其寬廣。
本發明應用在加熱爐窯中時，加熱工件的升溫時間大幅度縮短，負載升溫階 段節電率大幅度提高加熱工件的升溫時間是熱處理的一個重要環節，也是能源消 耗最大的工序。由於強輻射元件提高了對工件的輻照度，從而使工件升溫時間大幅 度縮短，負載升溫節電率大幅度提高，與現有的節能爐相比，採用本發明的加熱爐 窯節電率高達33. 33%—36.53%。現有加熱爐窯中應用本發明時，爐襯不作改動， 空爐升溫時節電效果顯著在爐襯不改動的情況下，安裝多個工業標準黑體，雖然增 加了爐體蓄熱，但升溫時間反而縮短，這是因為增加爐圍伸展度的同時，提高了爐 膛的發射率。在熱輻射範圍內， 一切物體的吸收率與同溫度下的黑度相等。由於爐 膛表面黑度增高，其吸收能力相應提高,爐膛溫度較未安裝工業標準黑體之前增高 了。爐膛對被加熱工件的輻射傳熱量相應增加，從而強化了爐內的熱交換，雖然與 此同時爐膛表面溫度的升高會使通過爐襯的散熱損失有所增加，但由於爐膛對工 件的輻射傳熱量與爐膛表面溫度成四次方的關係，而通過爐壁單位面積所傳遞的 熱量只與爐襯內外表面的溫差成一次方的關係，爐襯散熱損失增加的較少。在加裝 多個工業標準黑體後，明顯地增加了爐襯的蓄熱損失，按理應當出現空爐升溫時間 比原來延長、耗電量增加的現象，但實際情況相反，空爐升溫時間比原來縮短，耗電 減少。這是因為加裝工業標準黑體後，有效發射率提高，加快了傳熱速度且保溫性 能增強，故爐膛溫度升高得快所致。採用本發明的加熱爐窯爐溫穩定，保溫時耗電 少，本技術中爐圍伸展度的增加是在爐膛容積沒有擴展的情況下實現的，由此出現
的爐膛內壁熱容量的增長歸功於眾多的工業標準黑體。當爐膛加熱達到穩定態後， 爐牆雖以散熱為主，但絕大部分熱量留在爐膛內，更確切地說是留在工業標準黑體 內，使同樣溫度下爐內熱量增加，提高了爐溫穩定性，這個特點具有以下優越性裝 出料時溫度波動小，箱式爐出料後一般"溫度降低"減少60 80度；爐溫回升快，在相同條件下，當爐溫達到850度後斷電，24小時後，溫度降至200度，改造後，斷電 24小時後測量爐膛溫度為450度，因此周期作業爐空爐升溫時間明顯縮短，啟動快。 保溫階段減少了耗電，在現有的RX327529箱式爐上，保溫階段的通電時間減少一 半以上，90kW臺車式電阻爐一般通電lmin能維持保溫4min。有時lh內，後區(30 kW) 總共通電只有8min ，前區(60 kW)保持930度不耗電，爐溫穩定無疑將有利於接觸 器、繼電器使用壽命的延長。爐膛較多的熱容量有利於克服短期停電帶來的不利 影響，例如保溫後期遇上停電，基本上不影響工件加熱質量。技術實施方便，勿需對 爐體作任何改動，施工周期短， 一般4一6天即可完成，馬上投產運行。
燃料爐強輻射傳熱的實踐，工業標準黑體l也可應用於燃料爐。工業標準黑體 l在於調控熱射線的分布,提高加熱工件的有效熱，因此完全適用於燃料爐。採用工 業標準黑體改造了21:鋁熔煉反射爐(天然氣)，節氣率達20.8%，節時率達19.6%。工 業標準黑體同樣地可以應用於軋鋼加熱爐、鍛造加熱爐、陶瓷燒成爐窯、玻璃池 窯等。
工業標準黑體l的設置與安裝原則，爐膛面積的增加是通過設置眾多的工業標 準黑體l來實現的。工業標準黑體l的數量應以顯著提高傳熱速度為原則。當安裝 元件後的爐膛面積大於或等於2倍未安裝元件前的爐膛面積時，強化傳熱效果才能 顯著。工業標準黑體的輻孔應對著工件，這樣可以使元件輻射能量最多正對工件， 提高輻射到位率和對工件的輻照度，以強化輻射傳熱。在爐頂或側牆等處，可設 置工業標準黑體1。此外，如果爐牆保溫性能越好，則提高爐牆黑度越有利於提高爐 溫，故在爐頂以外的爐襯各部分應該用高發射率材料進行塗裝。同理，應對電熱體 面對爐膛部分進行塗裝。
工業標準黑體1調控爐溫均勻性的過程，工業標準黑體1在爐膛內成為熱射 線傳遞的二次媒介加熱工件時，工業標準黑體1元件首先以0.96的高比率吸收 特性，迅速吸收漫射狀的熱射線，自身逐漸積聚熱量，提高溫度，隨即它們便轉化成 一個個具有高發射功能的新"熱源"，按設定的方向向工作發射熱射，完成對漫射
狀的熱射線從無序到有序的調控過程，提高了熱射線的到位率。爐溫偏低的地方， 設置較大密度的工業標準黑體，多調動一些熱射線過來，提高該處的溫度。全部工 業標準黑體,在爐壁上形成許多新的"熱源"。於是，在原熱源提供一定供熱強度
熱能的同時，爐膛內又增加了多個"燒嘴"，它們將小流量的熱射線、均勻地、源 源不斷地射向工件。工業標準黑體的高吸收和高發射的性能，由其幾何參數和表面 特性獲得，具有高穩定性，不老化，不衰減，只要設置的工業標準黑體存在，其優異 性能就存在。故調控熱射線而獲得優良的溫度均勻性，就不會隨爐子運行時間而變 化。
實施例2
一種工業標準黑體的成型方法，所述工業標準黑體按以下歩驟製備a、將85%的耐火砂、2%的粘合劑、10%的木屑和3%的水均勻混合後形成陶瓷坯體；b、 將陶瓷坯體製作成空腔球狀，在1200度下進行烘乾2.5小時；c、保溫5小時後， 再焙燒5小時，形成多孔陶瓷；d、用粘結劑將高發射率層4粘接在多孔陶瓷的內 外壁上，並在1200度下燒結6小時得到成型的工業標準黑體1。其中，工業標準 黑體l上有開口，即輻射孔3，粘合劑為粘土，高發射率層4由鐵系材料製成， 粘結劑為矽酸酯。
實施例3
一種工業標準黑體的成型方法，所述工業標準黑體按以下步驟製備a、將 70%的耐火砂、1%的粘合劑、24%的木屑和5%的水均勻混合後形成陶瓷坯體；b、 將陶瓷坯體製作成空腔錐臺狀，在800度下進行烘乾1小時；c、保溫3小時後， 再焙燒2小時，形成多孔陶瓷；d、用粘結劑將高發射率層4粘接在多孔陶瓷的內 外壁上，並在800度下燒結5小時得到成型的工業標準黑體1，工業標準黑體l 上有開口，即輻射孔3。其中，粘合劑為粘土，高發射率層4由碳化矽系材料制 成，粘結劑為矽酸酯。
實施例4
一種工業標準黑體的成型方法，其特徵在於所述工業標準黑體按以下步驟 製備a、將80%的耐火砂、7%的粘合劑、10%的木屑和3%的水均勻混合後形成 陶瓷坯體；b、將陶瓷坯體製作成空腔球狀，在1000度下進行烘乾2小時；c、保 溫4小時後，再焙燒4小時，形成多孔陶瓷；d、用粘結劑將高發射率層4粘接在 多孔陶瓷的內外壁上，並在1000度下燒結5小時得到成型的工業標準黑體1，在 工業標準黑體l上有開口。其中，所述粘合劑為粘土，高發射率層4由稀土系材 料製成，粘結劑為矽酸酯。
權利要求
1、一種工業標準黑體的成型方法，其特徵在於所述工業標準黑體按以下步驟製備a、將65-85％的耐火砂、1-10％的粘合劑、10-30％的木屑和1-5％的水均勻混合後形成陶瓷坯體；b、將陶瓷坯體製作成空腔錐臺狀或空腔球狀，在500-1200度下進行烘乾0.5-2.5小時；c、保溫2-5小時後，再焙燒1-5小時，形成多孔陶瓷；d、用粘結劑將高發射率層粘接在多孔陶瓷的內外壁上，並在500-1200度下燒結3-6小時得到成型的工業標準黑體。
2、 根據權利要求l所述的工業標準黑體的成型方法，其特徵在於所述工業 標準黑體上有開口。
3、 根據權利要求1或2所述的工業標準黑體的成型方法，其特徵在於所述 粘合劑為粘土。
4、 根據權利要求1或2所述的工業標準黑體的成型方法，其特徵在於所述 高發射率層由黑化鋯系、鋯系、鐵系、碳化矽系或稀土系材料製成。
5、 根據權利要求1或2所述的工業標準黑體的成型方法，其特徵在於所述粘結劑為矽酸酯。
全文摘要
本發明公開了一種工業標準黑體的成型方法。本發明按以下步驟製備工業標準黑體a.將65-85％的耐火砂、1-10％的粘合劑、10-30％的木屑和1-5％的水均勻混合後形成陶瓷坯體；b.將陶瓷坯體製作成空腔錐臺狀或空腔球狀，在500-1200度下進行烘乾0.5-2.5小時；c.保溫2-5小時後，再焙燒1-5小時，形成多孔陶瓷；d.用粘結劑將高發射率層粘接在多孔陶瓷的內外壁上，並在500-1200度下燒結3-6小時得到成型的工業標準黑體。採用本發明成型的工業標準黑體能增大工業加熱爐窯爐膛傳熱面積，提高爐膛黑度，調控熱射線，增加熱射線的到位率，增大輻射傳熱比例。
文檔編號C04B38/00GK101293776SQ20071004896
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月27日 優先權日2007年4月27日
發明者勇 何 申請人:四川君立投資集團有限責任公司