高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層技術(shù)在加熱爐的應(yīng)用與發(fā)展

董曉軍　王安龍　岳　祥

（山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司 軋鋼廠，泰安271612）

高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層技術(shù)在加熱爐的應(yīng)用與發(fā)展

董曉軍王安龍?jiān)老?/p>

（山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司 軋鋼廠，泰安271612）

介紹了新一代節(jié)能產(chǎn)品高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層在石橫特鋼加熱爐的推廣應(yīng)用；該技術(shù)應(yīng)用可以強(qiáng)化加熱爐爐內(nèi)輻射傳熱，提高加熱爐的熱效率，降低燃料消耗；改善爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布的均勻性，延長(zhǎng)加熱爐的使用壽命；降低鋼坯表面與芯部的溫度差，減輕軋機(jī)在軋鋼坯時(shí)的工作壓力，從而降低電耗。

節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)用輻射傳熱熱效率電耗

前言

20世紀(jì)70～80年代的兩次石油危機(jī)，推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的節(jié)能技術(shù)革命，降低能源消耗、建立環(huán)境友好的鋼鐵企業(yè)已經(jīng)成為鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。軋鋼工序的能源消耗約占鋼鐵廠整個(gè)工序能源消耗的10%左右，其中軋鋼加熱爐又占了75%至80%。中國(guó)冶金行業(yè)的軋鋼加熱爐在產(chǎn)量、爐型結(jié)構(gòu)、機(jī)械化、自動(dòng)化水平及理論操作上與國(guó)外還存在一定的差距，爐子噸鋼能耗高、效率低，造成了能源的極大浪費(fèi)，因此提高軋鋼加熱爐效率、搞好加熱爐節(jié)能工作，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效方法之一。

1　石橫特鋼加熱爐概況

山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱石橫特鋼）二棒加熱爐采用雙蓄熱步進(jìn)梁式結(jié)構(gòu)，燃料采用高、轉(zhuǎn)混合煤氣，熱值（800～1000）×4.187KJ/Nm3，主要加熱鋼種有普碳鋼、低合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等。

二棒加熱爐已投產(chǎn)運(yùn)行五年多，車間產(chǎn)量逐漸攀升，在實(shí)際生產(chǎn)過程中存在強(qiáng)化加熱，熱效率下降，煤氣消耗升高，鋼坯溫差增大，電耗升高等狀況，加熱爐熱效率降低直接造成加熱能力不足。高線加熱爐與一棒加熱爐情況相似，只是由于高線車間機(jī)時(shí)產(chǎn)量較低，加熱能力不足的矛盾不突出。

2　高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層應(yīng)用

2.1高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層簡(jiǎn)介

“凌耐”高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層是通過浸涂方式將納米節(jié)能材料涂覆于格子磚表面，通過高溫自燒結(jié)固化并與基體自成一體的納米涂層。它具有抗渣化、耐高溫、抗腐蝕、耐磨損、防結(jié)焦的特點(diǎn)。通過節(jié)能涂層的應(yīng)用，可以將硅磚表面的紅外發(fā)射率/吸收率從0.5提高到0.9以上，強(qiáng)化熱風(fēng)爐內(nèi)輻射傳熱，提高燃料燃燒的熱效率，改善爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布的均勻性，延長(zhǎng)熱風(fēng)爐的使用壽命。本公司產(chǎn)品有六個(gè)系列，可分別應(yīng)用在酸性、中性或堿性等多種環(huán)境，綜合節(jié)能效果達(dá)到5～15%以上。

2.2高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層節(jié)能原理

熱量的傳遞以三種方式進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，在低溫階段，熱交換以對(duì)流傳熱為主，而在高溫階段（800℃以上），則以輻射傳熱為主。隨著溫度的升高，輻射傳熱所起的作用越來越大。工業(yè)爐窯的高溫加熱，熱源主要以輻射傳熱為主，即燃料燃燒的熱量主要以電磁波輻射的形式傳遞，隨著溫度的升高，輻射傳熱所起的作用越來越大。而且，隨著溫度的升高，輻射峰值波長(zhǎng)會(huì)向短波段移動(dòng)，一般而言高溫輻射能量大多數(shù)集中在1～5μm波段，如1000℃和1300℃時(shí)，會(huì)分別有76%和85%的輻射能量集中在這一波段內(nèi)?！傲枘汀备邷丶t外輻射納米節(jié)能涂層在全波段范圍內(nèi)均有較高的吸收和輻射性能可以彌補(bǔ)這一不足。通過在加熱爐內(nèi)壁向火面涂覆“凌耐”高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層提高向火面的表面黑度來達(dá)到強(qiáng)化吸收和輻射傳熱的效率，從而起到節(jié)能效果。另外，爐內(nèi)煙氣只在某些特定的波段輻射和吸收輻射能。當(dāng)爐氣輻射的熱量投射到爐壁上時(shí)，小部分能量反射回爐膛，反射的熱量具有和爐氣相同的光譜特性，又重新被爐氣吸收而帶出爐膛；大部分能量經(jīng)過爐壁吸收轉(zhuǎn)化后再輻射后，其熱量具有固體輻射的特性，不易被煙氣吸收；最終的結(jié)果就是爐子的排煙溫度降低，從而達(dá)到節(jié)能效果。

2.3高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）產(chǎn)品發(fā)射率高（黑度高）?！傲枘汀备邷丶t外輻射納米節(jié)能涂層采用多元復(fù)合納米增黑劑，強(qiáng)化紅外輻射激發(fā)作用，使涂層在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段均有很高的發(fā)射率和吸收率，圖一為“凌耐”紅外輻射涂層產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)某大型廠家生產(chǎn)的紅外輻射材料發(fā)射率的對(duì)比圖，從圖中可看出，“凌耐”紅外發(fā)射率要高出市場(chǎng)上產(chǎn)品40%以上，特別是在中紅外區(qū)效果更佳，而高溫輻射換熱的主要波段則集中在中紅外區(qū)。

（2）抗衰老特性強(qiáng)，使用年限長(zhǎng)。目前市場(chǎng)上紅外輻射涂料內(nèi)的增黑劑以SiC為主，屬于第二代產(chǎn)品，而SiC高溫容易氧化，如果不對(duì)SiC進(jìn)行特殊抗氧化包覆處理，節(jié)能涂層使用一段時(shí)間后節(jié)能效果會(huì)大幅衰減。針對(duì)該問題我公司采用全新配方，增黑劑選用全氧化物材料為原料并配以稀土氧化物為添加劑，通過高溫固相反應(yīng)合成高溫穩(wěn)定的復(fù)合氧化物，隨使用溫度提高和使用時(shí)間的延長(zhǎng)，該增黑劑紅外輻射性能不但不會(huì)衰減，反而會(huì)越來越穩(wěn)定，輻射性能更佳，屬于最新一代的紅外輻射涂層材料。

圖1

（3）產(chǎn)品針對(duì)性強(qiáng)，適用面廣。目前國(guó)內(nèi)其他鋼鐵行業(yè)所選用的遠(yuǎn)紅外輻射涂料，不管使用溫度和使用環(huán)境，都用一種節(jié)能材料。由于在不同的溫度段所用的節(jié)能涂層材料在不同波段的紅外發(fā)射率差別很大，涂層對(duì)基體的覆蓋能力和對(duì)基體的滲透能力較差，涂料對(duì)爐膛輻射能力提高作用有限，后期高溫環(huán)境下涂料出現(xiàn)脫落情況，節(jié)能效果不明顯。“凌耐”高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層，可以使紅外輻射涂層發(fā)揮最大節(jié)能效率。特制高溫粘結(jié)劑的應(yīng)用和粉劑的納米化處理，保證涂層與基體結(jié)合牢固，涂層納米粒子通過高溫?cái)U(kuò)散和滲透，使涂層與基體達(dá)到一體化，保證涂層在高溫下不脫落。

（4）精選高輻射納米粒子，配以特制高溫粘結(jié)劑，保證涂層高溫不脫落?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的遠(yuǎn)紅外輻射涂料號(hào)稱納米材料，但實(shí)際上納米粒子含量非常少或者根本就不含有納米粒子，通過其生產(chǎn)工藝就不難發(fā)現(xiàn)，僅僅通過簡(jiǎn)單的球磨很難得到穩(wěn)定的納米粒子?！傲枘汀备邷丶t外輻射納米節(jié)能涂層，通過優(yōu)選顆粒級(jí)配，提高涂層對(duì)基體的覆蓋能力和對(duì)基體的滲透能力。另外，特制高溫粘結(jié)劑的應(yīng)用和粉劑的納米化處理，保證涂層與基體結(jié)合牢固，涂層納米粒子通過高溫?cái)U(kuò)散和滲透，使涂層與基體達(dá)到一體化，保證涂層在高溫下不脫落。

3　取得的效果

高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層技術(shù)在石橫特鋼二棒加熱爐上的成功應(yīng)用，使加熱爐的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)水平得到顯著提升，為石橫特鋼帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善見表1。

（1）提高向火吸熱面1～5μm波段的輻射率，其潛在吸收熱能的能力也相應(yīng)提高，降低排煙溫度，提高加熱爐的熱效率，降低燃料消耗；

（2）降低鋼坯表面與芯部的溫度差，減輕軋機(jī)在軋鋼坯時(shí)的工作壓力，從而降低軋機(jī)的電能消耗；

表1　二棒加熱爐改造前后技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

（3）加熱爐爐內(nèi)高溫輻射換熱能力提高，鋼坯的升溫時(shí)間降低，加熱能力大幅度提升，滿足了軋線產(chǎn)量進(jìn)一步提高的要求；

（4）大大改善爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)分布的均勻性，鋼坯加熱后黑印減少，鋼坯加熱質(zhì)量提高；

（5）改造后爐壓由100Pa降至30Pa以下，爐況良好，爐子周圍環(huán)境大為改善，爐膛內(nèi)壁抗腐蝕、耐高溫、耐磨損性提高，延長(zhǎng)耐火材料使用壽命。

4　結(jié)語

通過高溫紅外輻射納米節(jié)能涂層技術(shù)在石橫特鋼加熱爐上的應(yīng)用實(shí)踐，證明了該新型節(jié)能涂料節(jié)能效果顯著，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在同類型加熱爐上具有極大的推廣價(jià)值。

Development and Application of High Temperature Infrared Radiation Nano Energy Saving Coating Technology in Reheating Furnace

DONG Xiaojun，WANG Anlong，YUE Xiang
（Rolling Mill，ShandongShiheng SpecialSteelGroupCo.Ltd.，Taian 271612，China）

The paper introduced the popularization and application of a new generation of energy-saving products of high temperature infrared radiation nanometer energy-saving coating in Shiheng Special Steel reheating furnace application of the technology can strengthen radiation heat transfer in heating furnace，which can improve the thermal efficiency of heating furnace，reduce fuel consumption，improve the furnace temperature field distribution uniformity and prolong the service life of the heating furnace；reduce the difference of billet surface and core temperature，and rolling mill working pressure in rolling steel billet，thereby decrease power consumption.

energy-saving products，application，radiation heat transfer，thermal efficiency，power consumption