本發(fā)明涉及陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種用于金屬換熱器的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

換熱器是化工、煉油、食品、輕工、能源、制藥、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門中常見的提高能源利用率的主要設(shè)備之一，在實(shí)際使用過程中，由于換熱器所接觸的環(huán)境較為復(fù)雜，如高溫環(huán)境、酸性環(huán)境、含塵氣體環(huán)境等，因此在使用過程中不可避免的產(chǎn)生高溫氧化、酸蝕、磨損、穿孔、積灰等問題，嚴(yán)重影響了換熱器的使用效率和壽命。

針對上述問題，解決方法主要有兩種：一是采用耐高溫、耐腐蝕金屬材料，另外一種是對換熱器管材表面進(jìn)行保護(hù)處理。由于經(jīng)濟(jì)上的原因，一般企業(yè)難以接受價格昂貴的耐蝕材料，因此大多采用第二種方法，其中涂層防腐蝕是解決換熱器腐蝕問題的一種重要途徑，具有價格便宜、涂裝施工簡單、維修補(bǔ)涂方便、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。目前換熱器防腐蝕涂料研究主要集中在石油化工等領(lǐng)域的低溫?fù)Q熱器上(使用溫度低于350℃)使用的有機(jī)耐高溫防腐蝕涂料，對于軋鋼加熱爐、火電廠等使用的金屬換熱器用陶瓷涂層研究相對較少。已有報道的金屬基陶瓷涂層主要應(yīng)用于各種工業(yè)鍋爐的熱面，主要起到提高紅外輻射效率、減少沾污結(jié)渣、增強(qiáng)抗氧化和耐磨性能等作用，例如“一種抗沾污結(jié)渣陶瓷涂料及制備方法(專利申請?zhí)?01510666902.3)”、“一種耐高溫防氧化高輻射率涂料及其使用方(專利申請?zhí)?01510668003.7)”、“一種適用于金屬及非金屬基材的高發(fā)射率高(專利申請?zhí)?01310131435.5)”等，陶瓷涂層的形成溫度多高于1000℃，對于使用溫度650～900℃范圍的金屬換熱器而言，無法形成致密的陶瓷涂層，且由于導(dǎo)熱系數(shù)較小往往會對換熱器的換熱性能造成影響，因此需要開發(fā)一種金屬換熱器用高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于一種用于金屬換熱器的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料及其制備方法和應(yīng)用，該涂料涂覆在金屬換熱器表面，使金屬換熱器導(dǎo)熱系數(shù)和紅外發(fā)射率高、耐高溫腐蝕和硫酸腐蝕、耐磨損能力強(qiáng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種適用于金屬換熱器的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料，所述高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料的原料按重量百分比計(jì)包括20～30％的低溫釉料、5～15％的高發(fā)射率填料、3～8％高導(dǎo)熱填料、15～25％陶瓷填料、20～50％粘結(jié)劑和1～3％助劑，余量為水。

進(jìn)一步地，所述高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料的原料按重量百分比計(jì)包括25～28％的低溫釉料、8～10％的高發(fā)射率填料、6～8％高導(dǎo)熱填料、18～20％陶瓷填料、40～45％粘結(jié)劑和1～2％助劑，余量為水。

再進(jìn)一步地，所述低溫釉料的原料按質(zhì)量百分比計(jì)由10～20％的Na₂O、30～45％的B₂O₃、5～10％的CaO和30～45％的SiO₂組成。

再進(jìn)一步地，所述低溫釉料的制備方法，包括以下步驟：

1)按質(zhì)量百分比稱取Na₂O、B₂O₃、CaO和SiO₂，混合均勻得到混合物，備用；

2)將混合物在溫度為1200～1500℃件下加熱熔融，再將熔融產(chǎn)物水淬，即得到低溫釉料，其中，所述低溫釉料粒度為0.3～1μm。

再進(jìn)一步地，所述高發(fā)射率填料的原料按質(zhì)量百分比計(jì)由40～70％的Fe₂O₃、15～30％的MnO₂、5～15％的CuO和5～15％的CoO組成。

再進(jìn)一步地，所述高發(fā)射率填料的制備方法，包括以下步驟：

1)按質(zhì)量百分比稱取Fe₂O₃、MnO₂、CuO和CoO，混合均勻得到混合物，備用；

2)將混合物在溫度為1200～1350℃條件下燒結(jié)，得到燒結(jié)產(chǎn)物，即得到高發(fā)射率填料，其中，所述高發(fā)射率填料的粒度為0.3～1μm。

再進(jìn)一步地，所述高導(dǎo)熱填料為碳化硅和氮化硼組成，其中，碳化硅和氮化硼的重量比為1：1～9；所述的高導(dǎo)熱填料粒度為0.3～1μm。

所述的陶瓷填料由堇青石微粉和三氧化二鉻微粉組成，其中堇青石微粉和三氧化二鉻微粉的重量比為1：0.4～1.2，所述的陶瓷填料粒度為0.3～1μm。

再進(jìn)一步地，所述粘結(jié)劑是按質(zhì)量百分比計(jì)將85～95％的硅鋁溶膠和5～15％的鉻酐混合而成，所述的硅鋁溶膠固含量為25％，pH值8～10；

所述助劑為聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素和十二烷基苯磺酸鈉中的一種或二種。

本發(fā)明還提供了一種上述適用于金屬換熱器的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料的制備方法，包括以下步驟：

1)按質(zhì)量百分比稱取Na₂O、B₂O₃、CaO和SiO₂，混合均勻得到混合物；

2)將混合物在溫度為1200～1500℃件下加熱熔融，再將熔融產(chǎn)物水淬，即得到低溫釉料，備用；

3)按質(zhì)量百分比稱取Fe₂O₃、MnO₂、CuO和CoO，混合均勻得到混合物；

4)將混合物在溫度為1200～1350℃件下燒結(jié)，得到燒結(jié)產(chǎn)物，即得到高發(fā)射率填料，備用；

5)按照重量百分比稱取低溫釉料、高發(fā)射率填料、高導(dǎo)熱填料、陶瓷填料進(jìn)行球磨、混合均勻，然后加入粘結(jié)劑和助劑，混合成料漿，陳化，即得到高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料。

本發(fā)明還提供了一種上述適用于金屬換熱器的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料的應(yīng)用，包括以下步驟：

1)對金屬換熱器基體進(jìn)行打磨、清洗、去除基體表面的氧化物、油脂和灰塵；

2)將高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料均勻的涂敷在金屬基體表面，陰干；

3)將涂覆完畢的金屬換熱器置于煙道內(nèi)，利用煙氣余熱加熱20～90min，即金屬換熱器表面形成高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂層。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提供的金屬換熱器用高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料，具有良好的綜合性能：耐高溫、高導(dǎo)熱、耐腐蝕、耐磨損、高發(fā)射率等。作為陶瓷填料加入的熱膨脹系數(shù)低的堇青石微粉，可以緩解高發(fā)射率填料中過渡金屬氧化物粉體膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬基體的問題，降低涂層的收縮率和熱膨脹率，提高涂層的抗熱震穩(wěn)定性，使涂層與基體結(jié)合牢固，不易脫落和龜裂。作為陶瓷填料加入的高熔點(diǎn)三氧化二鉻微粉，燒結(jié)后可在涂層外壁形成一層致密的氧化膜，不僅提高了涂層的耐高溫性能，解決了常規(guī)涂層在高溫下長期工作易流淌的問題，還利用自身膨脹系數(shù)較大的特點(diǎn)，調(diào)整了涂層在低溫段的熱膨脹性能。作為高導(dǎo)熱填料加入的碳化硅和氮化硼微粉，可大幅提高涂層的導(dǎo)熱性能，解決了常規(guī)陶瓷涂層導(dǎo)熱系數(shù)較小引起金屬換熱器換熱效率下降的問題，同時碳化硅微粉的加入可以提高涂層的耐磨性能。作為高發(fā)射率填料加入的多種氧化物在高溫?zé)Y(jié)后，形成反尖晶石結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物，使得原有四氧化三鐵晶格出現(xiàn)大量缺陷，形成雜質(zhì)能級，從而大幅提高材料的紅外發(fā)射率。低溫釉料的加入使得涂料在較低的溫度下能夠燒結(jié)，提高涂層的致密性和封閉性，增加涂層與基體的粘結(jié)力，進(jìn)一步提高材料的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能。

本發(fā)明涂料中各種填料微粉的粒度為0.3～1μm，利用超微粉技術(shù)，有效降低了涂料的表面能，使涂層與金屬基體以機(jī)械、物理及化學(xué)的方式緊密結(jié)合。

本發(fā)明的涂料半球點(diǎn)溫度高于1500℃，可在650～900℃煙氣條件下長期使用，涂料在使用過程中性能穩(wěn)定，不易衰減、老化，2.5～20μm紅外波段發(fā)射率ε>0.90，能有效強(qiáng)化高溫下的輻射傳熱，降低能源消耗。

本發(fā)明的涂料原料易得、成本低，在高溫?zé)Y(jié)后，涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與換熱器金屬基體結(jié)合緊密，可對金屬換熱器有效地起到防高溫氧化、耐酸腐蝕和抗磨損的作用，同時陶瓷涂層表面比較光潔，可有效減少換熱器積灰結(jié)垢，起到延長金屬換熱器使用壽命、提高換熱效率的作用。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中涂層斷面的掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

為了更好地解釋本發(fā)明，以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的主要內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種金屬換熱器用高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料的制備方法：

將Na₂O、B₂O₃、CaO、SiO₂分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)16％、37％、8％和39％混合均勻，裝入氧化鋁坩堝，放入馬弗爐中加熱至1200℃保溫1小時，將熔融的釉料迅速倒入冷水中，過濾干燥后使用球磨機(jī)磨至粒度為0.3～1μm，得到低溫釉料。

將Fe₂O₃、MnO₂、CuO、CoO分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)60％、20％、10％和10％混合均勻，裝入氧化鋁坩堝，放入馬弗爐中加熱至1200℃保溫2小時，自然冷卻至室溫，將燒結(jié)產(chǎn)物取出后使用球磨機(jī)磨至粒度為0.3～1μm，得到高發(fā)射率填料。

將粒度為0.3～1μm的SiC和BN微粉按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)10％和90％混合均勻，得到高導(dǎo)熱填料。

將粒度為0.3～1μm的堇青石和Cr₂O₃微粉按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)45％和55％混合均勻，得到陶瓷填料。

將硅鋁溶膠(固含量25％，pH值8～10)和鉻酐按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)90％和10％的比例稱取，并將鉻酐溶入硅鋁溶膠，攪拌均勻后得到粘結(jié)劑。

最后，按照質(zhì)量百分比計(jì)，取低溫釉料25％、高發(fā)射率填料8％、高導(dǎo)熱填料5％、陶瓷填料20％、粘結(jié)劑40％、聚丙烯酸鈉1％、羧甲基纖維素1％，首先將聚丙烯酸鈉和羧甲基纖維素溶入粘結(jié)劑中，然后將各種填料混合均勻，并邊攪拌邊加入粘接劑，攪拌均勻、陳化后得到高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料。

具體使用方法：

1)對0Cr25Ni4N耐熱鋼進(jìn)行打磨、清洗、去除基體表面的氧化物、油脂和灰塵；

2)將上述制備的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料均勻的涂敷在金屬基體表面，陰干；

3)將涂覆完畢的金屬基體加熱至850℃，保溫20min后取出即可在金屬表面形成高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂層。涂層斷面掃描電鏡照片如圖1所示，涂層與基體結(jié)合緊密，厚度約為50μm。按照國家或行業(yè)內(nèi)通用檢測標(biāo)準(zhǔn)對涂層進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

實(shí)施例2

一種金屬換熱器用高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料的制備方法：

將Na₂O、B₂O₃、CaO、SiO₂分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)18％、42％、6％和34％混合均勻，裝入氧化鋁坩堝，放入馬弗爐中加熱至1200℃保溫1小時，將熔融的釉料迅速倒入冷水中，過濾干燥后使用球磨機(jī)磨至粒度為0.3～1μm，得到低溫釉料。

將Fe₂O₃、MnO₂、CuO、CoO分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)70％、10％、10％和10％混合均勻，裝入氧化鋁坩堝，放入馬弗爐中加熱至1200℃保溫2小時，自然冷卻至室溫，將燒結(jié)產(chǎn)物取出后使用球磨機(jī)磨至粒度為0.3～1μm，得到高發(fā)射率填料。

將粒度為0.3～1μm的SiC和BN微粉按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)50％和50％混合均勻，得到高導(dǎo)熱填料。

將粒度為0.3～1μm的堇青石和Cr₂O₃微粉按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)45％和55％混合均勻，得到陶瓷填料。

將硅鋁溶膠(固含量25％，pH值8～10)和鉻酐按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)90％和10％的比例稱取，并將鉻酐溶入硅鋁溶膠，攪拌均勻后得到粘結(jié)劑。

最后，按照質(zhì)量百分比計(jì)，取低溫釉料30％、高發(fā)射率填料5％、高導(dǎo)熱填料6％、陶瓷填料18％、粘結(jié)劑39％、聚丙烯酸鈉1％、羧甲基纖維素1％，首先將聚丙烯酸鈉和羧甲基纖維素溶入粘結(jié)劑中，然后將各種填料混合均勻，并邊攪拌邊加入粘接劑，攪拌均勻、陳化后得到高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料。

具體使用方法：

1)對0Cr25Ni4N耐熱鋼進(jìn)行打磨、清洗、去除基體表面的氧化物、油脂和灰塵；

2)將上述制備的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料均勻的涂敷在金屬基體表面，陰干；

3)將涂覆完畢的金屬基體加熱至800℃，保溫20min后取出即可在金屬表面形成高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂層。按照國家或行業(yè)內(nèi)通用檢測標(biāo)準(zhǔn)對涂層進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

實(shí)施例3

一種金屬換熱器用高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料的制備方法：

將Na₂O、B₂O₃、CaO、SiO₂分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)16％、37％、8％和39％混合均勻，裝入氧化鋁坩堝，放入馬弗爐中加熱至1300℃保溫1小時，將熔融的釉料迅速倒入冷水中，過濾干燥后使用球磨機(jī)磨至粒度為0.3～1μm，得到低溫釉料。

將Fe₂O₃、MnO₂、CuO、CoO分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)60％、20％、10％和10％混合均勻，裝入氧化鋁坩堝，放入馬弗爐中加熱至1350℃保溫2小時，自然冷卻至室溫，將燒結(jié)產(chǎn)物取出后使用球磨機(jī)磨至粒度為0.3～1μm，得到高發(fā)射率填料。

將粒度為0.3～1μm的SiC和BN微粉按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)70％和30％混合均勻，得到高導(dǎo)熱填料。

將粒度為0.3～1μm的堇青石和Cr₂O₃微粉按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)70％和30％混合均勻，得到陶瓷填料。

將硅鋁溶膠(固含量25％，pH值8～10)和鉻酐按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)90％和10％的比例稱取，并將鉻酐溶入硅鋁溶膠，攪拌均勻后得到粘結(jié)劑。

最后，按照質(zhì)量百分比計(jì)，取低溫釉料20％、高發(fā)射率填料10％、高導(dǎo)熱填料5％、陶瓷填料20％、粘結(jié)劑44％、羧甲基纖維素1％，首先將羧甲基纖維素溶入粘結(jié)劑中，然后將各種填料混合均勻，并邊攪拌邊加入粘接劑，攪拌均勻、陳化后得到高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料。

具體使用方法：

1)對0Cr25Ni20耐熱鋼進(jìn)行打磨、清洗、去除基體表面的氧化物、油脂和灰塵；

2)將上述制備的高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂料均勻的涂敷在金屬基體表面，陰干；

3)將涂覆完畢的金屬基體加熱至900℃，保溫20min后取出即可在金屬表面形成高導(dǎo)熱防腐蝕陶瓷涂層。按照國家或行業(yè)內(nèi)通用檢測標(biāo)準(zhǔn)對涂層進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明整體構(gòu)思前提下，還可以做出若干改變和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

表1實(shí)施例1～3陶瓷涂層性能參數(shù)數(shù)據(jù)表

其它未詳細(xì)說明的部分均為現(xiàn)有技術(shù)。盡管上述實(shí)施例對本發(fā)明做出了詳盡的描述，但它僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，人們還可以根據(jù)本實(shí)施例在不經(jīng)創(chuàng)造性前提下獲得其他實(shí)施例，這些實(shí)施例都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。