耐高溫納米黑體涂層及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種耐高溫納米黑體涂層及其制備工藝，其包括以下組分：黑體粉末顆粒；無(wú)機(jī)粘合劑；以及膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑。制備步驟如下：黑體粉末顆粒的制備，膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑的制備，無(wú)機(jī)粘合劑的合成，混合黑體粉末顆粒、無(wú)機(jī)粘合劑、膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑，將所得混合物經(jīng)過(guò)濾、研磨后，得到所述加熱爐用耐高溫納米輻射涂料。本發(fā)明的耐高溫納米輻射涂料這種材料具有提高輻射率和熱震穩(wěn)定性、節(jié)能環(huán)保、防腐蝕、延長(zhǎng)加熱爐使用壽命、提高溫度均勻性等特點(diǎn)對(duì)不同熱源（煤、氣、油、電等）都適用；技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到：耐溫2200℃，輻射率ε≥0.92，抗熱震性（1300℃）≥5次，涂料厚度0.1—0.2mm，使用壽命≥6年。
【專利說(shuō)明】耐高溫納米黑體涂層及其制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐高溫黑體涂層，更具體涉及應(yīng)用在工業(yè)加熱爐上通過(guò)增加爐內(nèi)被加熱工件表面輻射率來(lái)提高加熱爐熱效率的涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]在我國(guó)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展已進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，工業(yè)、民用能源需求快速增長(zhǎng)，能源的短缺，已開(kāi)始制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的騰飛。但我國(guó)能源利用率卻只有30%左右，產(chǎn)品單耗比國(guó)外先進(jìn)水平高30— 90%，按單位國(guó)民產(chǎn)值能耗比，我國(guó)比美國(guó)高3倍、比日本高7倍。顯然，節(jié)能降耗是解決我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)能源短缺的重要課題，尤其是中、高溫加熱爐及加熱設(shè)備是重點(diǎn)能耗裝置，它們的節(jié)能降耗是解決我國(guó)工業(yè)能源短缺的最佳途徑。
[0003]—般工業(yè)加熱設(shè)備的內(nèi)壁材料為普通耐火材料和陶瓷纖維模塊，對(duì)工件的加熱主要通過(guò)爐內(nèi)輻射熱進(jìn)行，然而，通過(guò)近年來(lái)的實(shí)踐以及核算表明，爐內(nèi)隔熱材料的熱輻射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到理論標(biāo)準(zhǔn)值，如莫來(lái)石在700°C時(shí)ε值為0.4，陶瓷纖維在11001:時(shí)ε值為
0.35，隔熱粘土磚1100°C時(shí)ε值為0.45，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論假定值0.7 — 0.8。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種具有高效節(jié)能、防腐蝕，延長(zhǎng)被加熱金屬工件使用壽命，縮短加熱時(shí)間，提高溫度均勻性的耐高溫黑體涂層及其制備方法。 [0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種耐高溫納米黑體涂層，適用于在工業(yè)加熱爐上通過(guò)增加爐內(nèi)被加熱工件表面輻射率來(lái)提高加熱爐熱效率的涂層，其包括以下組分:粒度為400目的黑體粉末顆粒，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑，黑體粉末顆粒，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑之間的重量比為7-8:0.85-1.15:1.2-1.7
其中:所述黑體粉末顆粒的各組分按照以下質(zhì)量百分比:氮化硼22-28%、碳化硅15-21%、氧化錯(cuò)7-13%、氧化鉻8-15%、氧化鎂3_10%、氧化鋪5_15%、氧化鑭4_8%、白云石15-22% ；
所述無(wú)機(jī)粘合劑包括鋁溶膠、磷酸二氫鋁和硅酸鈉，三者之間的摩爾比為8-9:1-1.5:0.2-0.5 ；
所述堇青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體的重量比為42-58:58-42。
[0006]進(jìn)一步，所述無(wú)機(jī)粘合劑中，鋁溶膠、磷酸二氫鋁和硅酸鈉的摩爾比為
8.2-8.8:1.0-1.4:0.25-0.4。
[0007]進(jìn)一步，所述膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑中堇青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體的重量比為47-53:53-47 ο
[0008]進(jìn)一步，所述黑體粉末顆粒、無(wú)機(jī)粘合劑、膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑的重量比為7.25-7.75:
0.9-1.1:1.3-1.65。
[0009]本發(fā)明的另一目的是提供上述耐高溫納米黑體涂料的制備方法，具體包括以下步驟:步驟1.黑體粉末顆粒的制備；
Ca)混合選自以下的組分:氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氧化鋯(Zr02)、氧化鉻(Cr203)、氧化鎂(MgO)、氧化鋪(Ce203)、氧化鑭(La2O3)和白云石(MgO *CaO),并添加適當(dāng)比例的水調(diào)制成漿；按照以下百分組成混合所述組分:氮化硼22-28%、碳化硅15-21%、氧化鋯7_13%、氧化鉻8-15%、氧化鎂3-10%、氧化鈰5-15%、氧化鑭4_8%、白云石15_22%，將混合組分與水按照1:1.2混合攪拌；
(b)將混合物均勻涂刷在模具上，厚度3_，自然干燥12小時(shí)，制成薄片，將制取的薄片放入煅燒爐，在1800-2800°C下煅燒2.5小時(shí)以上，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片；優(yōu)選地，煅燒在2000-2600°C下進(jìn)行3小時(shí)以上，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片；更優(yōu)選地，煅燒在2200-2400°C下進(jìn)行3.5小時(shí)以上，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片；最優(yōu)選地，煅燒在2300°C下進(jìn)行3.5小時(shí)，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片；
(c)把料片投入粉碎機(jī)中進(jìn)行初步粉碎，得到的初粉物料的粒度<5mm ；
(d)將初粉物料加入細(xì)磨粉碎機(jī)中進(jìn)行細(xì)磨粉碎，將細(xì)磨粉碎后的物料加入分篩機(jī)中進(jìn)行分篩，得到粒度400目以下的物料為黑體粉末顆粒，并將粒度400目以上的物料返回細(xì)磨操作單元重新粉碎；
步驟2.無(wú)機(jī)粘合劑的合成:鋁溶膠加入反應(yīng)釜中，用磷酸二氫鋁和硅酸鈉調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)其粘度和酸堿度，三者之間的摩爾比為8-9:1-1.5:0.2-0.5，
并混合攪拌2小時(shí)以上，得到無(wú)機(jī)粘合劑；
步驟3:膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑制備:
將青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體按照重量比為42-58:58-42，混合均勻得到膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑；
步驟4:上述步驟制備得到的黑體粉末顆粒、無(wú)機(jī)粘合劑、膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑按照重量比為7-8:0.85-1.15:1.2-1.7依次加入涂料合成釜中，攪拌4小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾后，形成涂料。
[0010]進(jìn)一步,黑體粉末顆粒的制備包括制備納米Zr02,其中制備納米Zr02采用水熱合成法，包括以下步驟:
(a)將Fe(NO3) 3溶于水中，通過(guò)攪拌器攪拌使其混合均勻；
(b)將NaOH緩慢地滴到Fe(NO3)3溶液中，將溶液的pH值調(diào)至7.0-8.5，優(yōu)選為7.5-8.0，最優(yōu)選為7.8 ;加熱至55°C -75°C持續(xù)20-40分鐘，優(yōu)選為加熱至60°C _70°C持續(xù)25-35分鐘，最優(yōu)選為加熱至65°C持續(xù)30分鐘，然后過(guò)濾分離，得到Fe(OH)3凝膠；
(c)將Fe(OH)3凝膠經(jīng)洗滌重新分散于水中，通過(guò)攪拌器攪拌使其混合均勻；
Cd)將NaOH緩慢地滴到Fe(OH)3溶液中，將溶液的pH值調(diào)至10.5-11.8，優(yōu)選為
11-11.5，最優(yōu)選為11.3 ;加入至反應(yīng)釜中，升溫至180°C _220°C持續(xù)18小時(shí)-22小時(shí)，優(yōu)選為加熱至190°C _210°C持續(xù)19小時(shí)-21小時(shí)，最優(yōu)選為加熱至200°C持續(xù)20小時(shí)；
(e)冷卻出釜后，進(jìn)行離心、干燥處理，放入加熱爐，加熱至500°C_700°C持續(xù)I小時(shí)_3小時(shí)，優(yōu)選為加熱至550°C _650°C持續(xù)1.5小時(shí)-2.5小時(shí)，最優(yōu)選為加熱至600°C持續(xù)2小時(shí)，得到粒徑30納米左右的立方和橢球形均勻a - Fe203膠體粒子。
[0011] 將本發(fā)明使用噴涂機(jī)噴涂在加熱爐內(nèi)被加熱金屬工件(爐管)表面后，自然干燥24小時(shí)，被加熱金屬工件(爐管)表面形成0.2_左右厚度的黑體涂層，其輻射率ε值可高達(dá)
0.92以上，抗熱震性(1300°C )≥5次，可吸收波長(zhǎng)為0.4-18 μ m之間的輻射熱，涂料表面光滑、硬度高，具有自潔性，能夠?qū)Ρ患訜峤饘俟ぜ?爐管)起到保護(hù)作用，起到表面防腐功能，延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)涂料自身的使用壽命> 6年。這種材料具有高效節(jié)能、防腐蝕，延長(zhǎng)被加熱金屬工件(爐管)使用壽命，縮短加熱時(shí)間，提高溫度均勻性等特點(diǎn)。
[0012]本產(chǎn)品是通過(guò)噴涂于窯爐內(nèi)被加熱金屬工件(爐管)表面，提高其熱輻射率ε，強(qiáng)化爐內(nèi)的輻射傳熱，而達(dá)到節(jié)能、防腐、提高溫度均勻性的目的。由于這種涂料具有高溫抗氧化性、抗熱震性，從而又可延長(zhǎng)窯爐使用壽命，延長(zhǎng)設(shè)備維修周期。所以說(shuō)，它是一種投資少、見(jiàn)效快，不需對(duì)工業(yè)加熱設(shè)備本身進(jìn)行重大改造的節(jié)能新產(chǎn)品、新技術(shù)。它推廣應(yīng)用簡(jiǎn)便易行，尤其是對(duì)使用溫度為300-220(TC、傳熱方式以輻射傳熱為主的高、中溫工業(yè)加熱設(shè)備，節(jié)能、防腐效果更加顯著。對(duì)不同熱源(煤、氣、油、電等)都適用；技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到:耐溫2200°C，輻射率ε≥0.92，抗熱震性(1300°C)≥5次，涂料厚度0.1—0.2mm，使用壽命≥6年。
[0013]【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015]實(shí)施例1 黑體粉末顆粒的制備:
Ca)混合選自以下的組分:按照以下百分組成混合所述組分:氮化硼24%、碳化硅18%、氧化錯(cuò)9%、氧化鉻10%、氧化鎂6%、氧化鋪9%、氧化鑭6%、白云石18%,將混合組分與水按照1:1.2混合攪拌；
(b)將混合物均勻涂刷在模具上，厚度3_，自然干燥12小時(shí)，制成薄片，將制取的薄片放入煅燒爐，煅燒在2300°C下進(jìn)行3.5小時(shí)，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片。
[0016](c)把料片投入粉碎機(jī)中進(jìn)行初步粉碎，得到的初粉物料的粒度≤5mm ；
(d)將初粉物料加入細(xì)磨粉碎機(jī)中進(jìn)行細(xì)磨粉碎，將細(xì)磨粉碎后的物料加入分篩機(jī)中進(jìn)行分篩，得到粒度400目以下的物料為黑體粉末顆粒，并將粒度400目以上的物料返回細(xì)磨操作單元重新粉碎；
無(wú)機(jī)粘合劑的合成:鋁溶膠加入反應(yīng)釜中，用磷酸二氫鋁和硅酸鈉調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)其粘度和酸堿度，三者之間的比例為8.5:1.2:0.3，并混合攪拌4小時(shí)得到無(wú)機(jī)粘合劑；
將青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體按照重量比為58: 42，混合均勻得到膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)
劑；
將上述步驟制備得到的黑體粉末顆粒、無(wú)機(jī)粘合劑、膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑按照重量比為7.5:1:1.5分別稱取，依次加入涂料合成釜中，攪拌4小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾后，形成涂料。
[0017]實(shí)施例2:
步驟1.黑體粉末顆粒的制備；
Ca)按照以下百分組成混合各個(gè)組分:氮化硼26%、碳化硅15%、氧化鋯7%、氧化鉻8%、氧化鎂3%、氧化鈰13%、氧化鑭8%、白云石20%，將混合組分與水按照1: 1.2混合攪拌；
(b)將混合物均勻涂刷在模具上，厚度3_，自然干燥12小時(shí)，制成薄片，將制取的薄片放入煅燒爐，在1800°C煅燒4小時(shí)，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片；得到料片；(C)把料片投入粉碎機(jī)中進(jìn)行初步粉碎，得到的初粉物料的粒度< 5mm ；
(d)將初粉物料加入細(xì)磨粉碎機(jī)中進(jìn)行細(xì)磨粉碎，將細(xì)磨粉碎后的物料加入分篩機(jī)中進(jìn)行分篩，得到粒度400目以下的物料為黑體粉末顆粒，并將粒度400目以上的物料返回細(xì)磨粉碎機(jī)中重新粉碎；
步驟2.無(wú)機(jī)粘合劑的合成:鋁溶膠加入反應(yīng)釜中，用磷酸二氫鋁和硅酸鈉調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)其粘度和酸堿度，并混合攪拌4小時(shí)，得到無(wú)機(jī)粘合劑，其中，鋁溶膠、磷酸二氫鋁和硅酸鈉之間的摩爾比為8:1: 0.5 ；
步驟3:膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑制備:
將青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體按照重量比為53:47，混合均勻得到膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)
劑；
步驟4:將步驟I制備得到的黑體粉末顆粒，步驟2制備得到的無(wú)機(jī)粘合劑和步驟3制備得到的膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑按照重量比為7:0.85:1.2分別稱取，依次加入涂料合成釜中，攪拌4小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾后，形成涂料。
[0018]實(shí)施例3:
步驟1.黑體粉末顆粒的制備；
(a)按照以下百分組成混合各個(gè)組分:氮化硼22%、碳化硅21%、氧化鋯13%、氧化鉻15%、氧化鎂5%、氧化鈰5%、氧 化鑭4%、白云石15%，將混合組分與水按照1:1.2混合攪拌；
(b)將混合物均勻涂刷在模具上，厚度3_，自然干燥12小時(shí)，制成薄片，將制取的薄片放入煅燒爐，在2800°C煅燒2.5小時(shí)，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片；得到料片；
(c)把料片投入粉碎機(jī)中進(jìn)行初步粉碎，得到的初粉物料的粒度<5mm ；
(d)將初粉物料加入細(xì)磨粉碎機(jī)中進(jìn)行細(xì)磨粉碎，將細(xì)磨粉碎后的物料加入分篩機(jī)中進(jìn)行分篩，得到粒度400目以下的物料為黑體粉末顆粒，并將粒度400目以上的物料返回細(xì)磨粉碎機(jī)中重新粉碎；
步驟2.無(wú)機(jī)粘合劑的合成:鋁溶膠加入反應(yīng)釜中，用磷酸二氫鋁和硅酸鈉調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)其粘度和酸堿度，并混合攪拌2小時(shí)以上，得到無(wú)機(jī)粘合劑，其中，鋁溶膠、磷酸二氫鋁和硅酸鈉之間的摩爾比為9: 1.5:0.2 ；
步驟3:膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑制備:
將青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體按照重量比為42:58，混合均勻得到膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)
劑；
步驟4:將步驟I制備得到的黑體粉末顆粒，步驟2制備得到的無(wú)機(jī)粘合劑和步驟3制備得到的膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑按照重量比為8:1.15: 1.7分別稱取依次加入涂料合成釜中，攪拌4小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾后，形成涂料。
[0019]在石油化工加熱爐上的應(yīng)用試驗(yàn):
本發(fā)明的加熱爐用高溫納米輻射涂料在石油化工加熱爐(乙烯裂解爐)上進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，應(yīng)用結(jié)果列于下表中。
[0020]表1高溫福射涂料節(jié)能效果
【權(quán)利要求】
1.一種耐高溫納米黑體涂層，適用于在工業(yè)加熱爐上通過(guò)增加爐內(nèi)被加熱工件表面輻射率來(lái)提高加熱爐熱效率的涂層，其特征在于，其包括以下組分:粒度為400目的黑體粉末顆粒，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑，黑體粉末顆粒，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑之間的重量比為 7-8:0.85-1.15:1.2-1.7 ； 其中:所述黑體粉末顆粒的各組分按照以下質(zhì)量百分比:氮化硼22-28%、碳化硅15-21%、氧化錯(cuò)7-13%、氧化鉻8-15%、氧化鎂3_10%、氧化鋪5_15%、氧化鑭4_8%、白云石15-22% ； 所述無(wú)機(jī)粘合劑包括鋁溶膠、磷酸二氫鋁和硅酸鈉，三者之間的摩爾比為8-9:1-1.5:0.2-0.5 ； 所述堇青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體的重量比為42-58:58-42。
2.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，述無(wú)機(jī)粘合劑中的鋁溶膠、磷酸二氫鋁和硅酸鈉的摩爾比為 8.2-8.8:1.0-1.4:0.25-0.4。
3.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，所述膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑中堇青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體的重量比為47-53:53-47。
4.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，所述黑體粉末顆粒、無(wú)機(jī)粘合劑、膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑的重量比為 7.25-7.75:0.9-1.1:1.3-1.65。
5.一種如權(quán)利要求1所述的耐高溫納米黑體涂料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟1.黑體粉末顆粒的制備； (a)按照以下百分組成混合各個(gè)組分:氮化硼22-28%、碳化硅15-21%、氧化鋯7_13%、氧化鉻8-15%、氧化鎂3-10%、氧化鈰5-15%、氧化鑭4_8%、白云石15_22%，將混合組分與水按照1:1.2混合攪拌； (b)將混合物均勻涂刷在模具上，厚度3_，自然干燥12小時(shí)，制成薄片，將制取的薄片放入煅燒爐，在1800-2800°C下煅燒2.5小時(shí)以上，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片；得到料片； (c)把料片投入粉碎機(jī)中進(jìn)行初步粉碎，得到的初粉物料的粒度<5mm ； (d)將初粉物料加入細(xì)磨粉碎機(jī)中進(jìn)行細(xì)磨粉碎，將細(xì)磨粉碎后的物料加入分篩機(jī)中進(jìn)行分篩，得到粒度400目以下的物料為黑體粉末顆粒，并將粒度400目以上的物料返回細(xì)磨粉碎機(jī)中重新粉碎； 步驟2.無(wú)機(jī)粘合劑的合成:鋁溶膠加入反應(yīng)釜中，用磷酸二氫鋁和硅酸鈉調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)其粘度和酸堿度，并混合攪拌2小時(shí)以上，得到無(wú)機(jī)粘合劑，其中，鋁溶膠、磷酸二氫鋁和硅酸鈉之間的摩爾比為8-9:1-1.5:0.2-0.5 ； 步驟3:膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑制備: 將青石粉體和鉻酸鈷尖晶石粉體按照重量比為42-58:58-42，混合均勻得到膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑； 步驟4:將步驟I制備得到的黑體粉末顆粒，步驟2制備得到的無(wú)機(jī)粘合劑和步驟3制備得到的膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)劑按照重量比為7-8:0.85-1.15:1.2-1.7依次加入涂料合成釜中，攪拌4小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾后，形成涂料。
6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟I中的煅燒在2000-2600°C下進(jìn)行3小時(shí)以上，取出后用3KPa壓縮空氣速冷，得到料片。
7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟I中的煅燒在2200-2400°C下進(jìn)行3.5小時(shí)以上 ，取出后用3KPa壓縮空氣速冷。
【文檔編號(hào)】C09D5/00GK104031439SQ201410304152
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】曾維芳, 張熙顯, 周大朋, 單忠軍 申請(qǐng)人:北斗啟明（北京）節(jié)能科技服務(wù)有限公司