高輻射覆層材料對(duì)耐材性能的影響

　　高輻射覆層技術(shù)通過(guò)在蓄熱體表面涂覆一層高發(fā)射率材料提高蓄熱體的輻射傳熱速度和蓄熱能力。該技術(shù)已應(yīng)用于314 座高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t，在高爐熱風(fēng)爐上應(yīng)用達(dá)到了節(jié)能7%（或提高熱風(fēng)溫度10℃以上，或延遲送風(fēng)時(shí)間10%）；在焦?fàn)t應(yīng)用達(dá)到了節(jié)能5%。本文主要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究和日鋼應(yīng)用實(shí)例，研究覆層對(duì)耐火材料物理力學(xué)性能和使用壽命的影響。

　　高輻射覆層技術(shù)是將高輻射率材料涂覆于高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t的蓄熱體表面，提高高溫傳熱材料表面的輻射率，強(qiáng)化高溫環(huán)境下固體表面與非透明介質(zhì)（氣體）間的輻射傳熱量和速度，提高傳熱效率和傳熱質(zhì)量，提高傳熱溫差，降低外排煙氣的溫度，減少能量損失。在高爐熱風(fēng)爐上應(yīng)用達(dá)到了節(jié)能7%（或提高熱風(fēng)溫度10℃以上，或延遲送風(fēng)時(shí)間10%）；在焦?fàn)t應(yīng)用達(dá)到了節(jié)能5%。目前，該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外50 余家鋼鐵企業(yè)314 座高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t上應(yīng)用，共實(shí)現(xiàn)節(jié)焦94.9 萬(wàn)噸（折合標(biāo)準(zhǔn)煤93.8 萬(wàn)噸），節(jié)約資金29.7 億元，減少CO₂排放227.8 萬(wàn)噸。該覆層材料還可改善耐火材料的物理性能，提高耐火材料的使用壽命。

　　覆層對(duì)耐火材料物理性能的影響

　　耐材基體表面涂覆覆層后，致密的覆層以及納微米級(jí)的覆層材料對(duì)氣孔的充填，可改善耐材的力學(xué)性能，增強(qiáng)耐材熱震穩(wěn)定性，隔絕有害物對(duì)耐材基體的侵蝕，防止格子磚渣化，提高格子磚的使用壽命。

　　噴涂的方法共有四步，吹風(fēng)清灰、噴前處理、侵占涂料、晾干或烘爐時(shí)燒結(jié)固化。表層結(jié)構(gòu)致密，使煙氣不容易侵入到格子磚內(nèi)部從而防止了渣化。

　　耐材基體涂覆高效蓄熱體覆層材料后的組織致密度、均勻度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未涂覆的耐材基體。高效蓄熱體覆層材料涂覆后的耐材基體組織結(jié)構(gòu)致密均勻、顯氣孔率低，致密的膜層可以保護(hù)耐材基體免于受到煙氣的侵蝕，有效阻止了侵蝕物的滲透作用，起到了有效防止耐材渣化的作用，有利于提高耐材基體的抗化學(xué)侵蝕性。

　　我們對(duì)不同用戶采用的不同生產(chǎn)廠家的耐火材料進(jìn)行了269 組實(shí)驗(yàn)，取得了1179 個(gè)數(shù)據(jù)。

　　實(shí)驗(yàn)方法是：從同一塊耐火磚取相同兩組（塊）試樣，一組（塊）涂覆覆層，另一組（塊）不涂，在相同的條件下，分別測(cè)試不同試樣的體積密度、顯氣孔率、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性，高溫蠕變性等性能。

　　結(jié)果顯示：涂覆覆層的試樣在體積密度、氣孔率、抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、高溫蠕變與荷重軟化溫度等物理性能均明顯優(yōu)于未涂覆的試樣。

　　覆層材料的超細(xì)納米化可使其滲透到耐材基體中，填充開(kāi)口氣孔，從而使耐材的氣孔率降低、體積密度增大，有助于提高耐火材料的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。氣孔率的降低，提高了耐材在抵抗高溫荷重下變形的能力，使格子磚的高溫蠕變性能得到了極大的提高。這些物理性能的提高對(duì)延長(zhǎng)耐材使用壽命是非常有利的。致密的膜層可以降低有害氣體對(duì)基體的侵蝕，改善耐材的使用壽命。

　　工業(yè)應(yīng)用實(shí)例

　　日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司一煉鐵廠5#550m²高爐，2010 年5 月1#熱風(fēng)爐、2#熱風(fēng)爐相繼換球，2#熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，1#熱風(fēng)爐未采用該技術(shù)。經(jīng)熱診斷2#熱風(fēng)爐與1#熱風(fēng)爐相比節(jié)約煤氣6.91%。2012 年12 月，5#高爐的1#、2#熱風(fēng)爐已經(jīng)運(yùn)行兩年半的時(shí)間，因高爐擴(kuò)容而換球?；勖艨萍寂c日鋼技術(shù)人員共同對(duì)1#、2#熱風(fēng)爐高溫區(qū)使用了兩年半的60mm 蓄熱球分別進(jìn)行取樣，并對(duì)試樣進(jìn)行了外觀形貌的分析和物理性能的實(shí)驗(yàn)分析。

　　1.外觀分析

　　日照鋼鐵公司5#高爐1#、2#熱風(fēng)爐中使用了兩年半的蓄熱球，其中2#熱風(fēng)爐使用了高輻射覆層技術(shù)。蓄熱球表面涂覆了覆層的蓄熱球依然致密，表面平整，變形較小且粘連較少；未涂覆的蓄熱球明顯疏松、密度下降，表面粗糙、斑駁，裂痕、變形明顯，球與球粘連較多。由此說(shuō)明，蓄熱球雖然經(jīng)過(guò)兩年半的使用，覆層沒(méi)有脫落，對(duì)耐材的保護(hù)作用依然存在；耐材的表面致密的覆層能夠有效的防止煙氣中的有害物質(zhì)對(duì)蓄熱球的侵蝕，防止耐火材料的渣化。

　　2.耐壓強(qiáng)度測(cè)試

　　在取回的大批用后的試樣）中隨機(jī)抽取了5 組（每組涂覆與未涂的試樣各一個(gè)），在濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室按照GB/T7314-2005 對(duì)其耐壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：涂覆了覆層的蓄熱球最大耐壓強(qiáng)度平均值比未涂覆的蓄熱球高37.59%。這說(shuō)明覆層材料可持續(xù)改善蓄熱球的物理力學(xué)性能，對(duì)延長(zhǎng)其使用壽命具有至關(guān)重要的作用。

　　3.蓄熱量測(cè)試

　　從1#、2#熱風(fēng)爐所取蓄熱球樣品中，隨機(jī)抽取12個(gè)表面無(wú)裂紋的蓄熱球，按照山東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB37/T 2029-2011 所規(guī)定方法測(cè)試其蓄熱量。實(shí)驗(yàn)條件：測(cè)試溫度1200℃，加熱時(shí)間3min。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：?jiǎn)挝毁|(zhì)量蓄熱球的蓄熱量進(jìn)行比較，有覆層的蓄熱量比無(wú)覆層的蓄熱量平均高出6.25%。說(shuō)明覆層能夠長(zhǎng)效服役，可長(zhǎng)期起到提高蓄熱球蓄熱能力的作用。蓄熱球的蓄熱能力提高以后，可持續(xù)改善熱風(fēng)爐的整體蓄熱能力和傳熱效率，有利于長(zhǎng)期保持熱風(fēng)爐提供穩(wěn)定的高風(fēng)溫。

　　高輻射覆層技術(shù)在節(jié)能減排方面的優(yōu)異性能以及對(duì)耐材物理性能和使用壽命的顯著提升，得到了日鋼公司的充分肯定。截止2012 年10 月，日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司已在52 座高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，僅此一項(xiàng)每年可為其帶來(lái)7600 余萬(wàn)元的可觀經(jīng)濟(jì)效益。

　　涂覆覆層后有助于改善耐火材料的致密度、強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性和高溫蠕變性等，因?yàn)槲⒓{米級(jí)的覆層材料可充填耐材氣孔、提高材料致密度，進(jìn)而改善材料的力學(xué)性能，降低有害物質(zhì)對(duì)耐材基體的侵蝕，減緩格子磚渣化，提高耐材的使用壽命。高輻射覆層在實(shí)際應(yīng)用多年后，覆層與耐火材料結(jié)合仍很牢固，有覆層的蓄熱球耐壓強(qiáng)度比無(wú)涂覆的蓄熱球高37.59%，蓄熱量比未涂覆的蓄熱球高6.25%；且可防止蓄熱球渣化，有利于提高蓄熱球使用壽命。

　　高輻射覆層技術(shù)的節(jié)能減排效果以及對(duì)耐材的保護(hù)長(zhǎng)期持久有效；在鋼鐵行業(yè)處于微利甚至虧損的時(shí)期，高輻射覆層技術(shù)作為延長(zhǎng)耐火材料使用壽命、降低成本的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)引起鋼鐵企業(yè)更多的關(guān)注，并得到大力的推廣與應(yīng)用。