高辐射覆层材料对耐材性能的影响

　　高辐射覆层技术通过在蓄热体表面涂覆一层高发射率材料提高蓄热体的辐射传热速度和蓄热能力。该技术已应用于314 座高炉热风炉和焦炉，在高炉热风炉上应用达到了节能7%（或提高热风温度10℃以上，或延迟送风时间10%）；在焦炉应用达到了节能5%。本文主要结合实验室试验研究和日钢应用实例，研究覆层对耐火材料物理力学性能和使用寿命的影响。

　　高辐射覆层技术是将高辐射率材料涂覆于高炉热风炉和焦炉的蓄热体表面，提高高温传热材料表面的辐射率，强化高温环境下固体表面与非透明介质（气体）间的辐射传热量和速度，提高传热效率和传热质量，提高传热温差，降低外排烟气的温度，减少能量损失。在高炉热风炉上应用达到了节能7%（或提高热风温度10℃以上，或延迟送风时间10%）；在焦炉应用达到了节能5%。目前，该技术已在国内外50 余家钢铁企业314 座高炉热风炉和焦炉上应用，共实现节焦94.9 万吨（折合标准煤93.8 万吨），节约资金29.7 亿元，减少CO₂排放227.8 万吨。该覆层材料还可改善耐火材料的物理性能，提高耐火材料的使用寿命。

　　覆层对耐火材料物理性能的影响

　　耐材基体表面涂覆覆层后，致密的覆层以及纳微米级的覆层材料对气孔的充填，可改善耐材的力学性能，增强耐材热震稳定性，隔绝有害物对耐材基体的侵蚀，防止格子砖渣化，提高格子砖的使用寿命。

　　喷涂的方法共有四步，吹风清灰、喷前处理、侵占涂料、晾干或烘炉时烧结固化。表层结构致密，使烟气不容易侵入到格子砖内部从而防止了渣化。

　　耐材基体涂覆高效蓄热体覆层材料后的组织致密度、均匀度远远大于未涂覆的耐材基体。高效蓄热体覆层材料涂覆后的耐材基体组织结构致密均匀、显气孔率低，致密的膜层可以保护耐材基体免于受到烟气的侵蚀，有效阻止了侵蚀物的渗透作用，起到了有效防止耐材渣化的作用，有利于提高耐材基体的抗化学侵蚀性。

　　我们对不同用户采用的不同生产厂家的耐火材料进行了269 组实验，取得了1179 个数据。

　　实验方法是：从同一块耐火砖取相同两组（块）试样，一组（块）涂覆覆层，另一组（块）不涂，在相同的条件下，分别测试不同试样的体积密度、显气孔率、抗折强度、耐压强度、热震稳定性，高温蠕变性等性能。

　　结果显示：涂覆覆层的试样在体积密度、气孔率、抗折强度、耐压强度、高温蠕变与荷重软化温度等物理性能均明显优于未涂覆的试样。

　　覆层材料的超细纳米化可使其渗透到耐材基体中，填充开口气孔，从而使耐材的气孔率降低、体积密度增大，有助于提高耐火材料的耐压强度和抗折强度。气孔率的降低，提高了耐材在抵抗高温荷重下变形的能力，使格子砖的高温蠕变性能得到了极大的提高。这些物理性能的提高对延长耐材使用寿命是非常有利的。致密的膜层可以降低有害气体对基体的侵蚀，改善耐材的使用寿命。

　　工业应用实例

　　日照钢铁控股集团有限公司一炼铁厂5#550m²高炉，2010 年5 月1#热风炉、2#热风炉相继换球，2#热风炉应用了高辐射覆层技术，1#热风炉未采用该技术。经热诊断2#热风炉与1#热风炉相比节约煤气6.91%。2012 年12 月，5#高炉的1#、2#热风炉已经运行两年半的时间，因高炉扩容而换球。慧敏科技与日钢技术人员共同对1#、2#热风炉高温区使用了两年半的60mm 蓄热球分别进行取样，并对试样进行了外观形貌的分析和物理性能的实验分析。

　　1.外观分析

　　日照钢铁公司5#高炉1#、2#热风炉中使用了两年半的蓄热球，其中2#热风炉使用了高辐射覆层技术。蓄热球表面涂覆了覆层的蓄热球依然致密，表面平整，变形较小且粘连较少；未涂覆的蓄热球明显疏松、密度下降，表面粗糙、斑驳，裂痕、变形明显，球与球粘连较多。由此说明，蓄热球虽然经过两年半的使用，覆层没有脱落，对耐材的保护作用依然存在；耐材的表面致密的覆层能够有效的防止烟气中的有害物质对蓄热球的侵蚀，防止耐火材料的渣化。

　　2.耐压强度测试

　　在取回的大批用后的试样）中随机抽取了5 组（每组涂覆与未涂的试样各一个），在济南大学材料科学与工程学院实验室按照GB/T7314-2005 对其耐压强度进行测试。

　　实验结果显示：涂覆了覆层的蓄热球最大耐压强度平均值比未涂覆的蓄热球高37.59%。这说明覆层材料可持续改善蓄热球的物理力学性能，对延长其使用寿命具有至关重要的作用。

　　3.蓄热量测试

　　从1#、2#热风炉所取蓄热球样品中，随机抽取12个表面无裂纹的蓄热球，按照山东省地方标准DB37/T 2029-2011 所规定方法测试其蓄热量。实验条件：测试温度1200℃，加热时间3min。

　　实验结果显示：单位质量蓄热球的蓄热量进行比较，有覆层的蓄热量比无覆层的蓄热量平均高出6.25%。说明覆层能够长效服役，可长期起到提高蓄热球蓄热能力的作用。蓄热球的蓄热能力提高以后，可持续改善热风炉的整体蓄热能力和传热效率，有利于长期保持热风炉提供稳定的高风温。

　　高辐射覆层技术在节能减排方面的优异性能以及对耐材物理性能和使用寿命的显著提升，得到了日钢公司的充分肯定。截止2012 年10 月，日照钢铁控股集团有限公司已在52 座高炉热风炉应用了高辐射覆层技术，仅此一项每年可为其带来7600 余万元的可观经济效益。

　　涂覆覆层后有助于改善耐火材料的致密度、强度、热震稳定性和高温蠕变性等，因为微纳米级的覆层材料可充填耐材气孔、提高材料致密度，进而改善材料的力学性能，降低有害物质对耐材基体的侵蚀，减缓格子砖渣化，提高耐材的使用寿命。高辐射覆层在实际应用多年后，覆层与耐火材料结合仍很牢固，有覆层的蓄热球耐压强度比无涂覆的蓄热球高37.59%，蓄热量比未涂覆的蓄热球高6.25%；且可防止蓄热球渣化，有利于提高蓄热球使用寿命。

　　高辐射覆层技术的节能减排效果以及对耐材的保护长期持久有效；在钢铁行业处于微利甚至亏损的时期，高辐射覆层技术作为延长耐火材料使用寿命、降低成本的关键技术，应引起钢铁企业更多的关注，并得到大力的推广与应用。