红外高辐射节能涂料的研究与应用

我国对于红外辐射节能涂料的研究始于 1974 年， 由中科院上海硅酸盐研究所率先开始了红外辐射涂料的 研究和推广工作。该研究所先后研制成功了 HS，HY， HE，HK，SK，HT 型等 6 种型号的红外辐射节能涂料， 这些涂料可以涂覆在金属以及陶瓷窑炉内衬或耐火材料 表面上，使用温度范围在 60 ～ 1800 ℃。这些涂料已经 相继应用到了首钢、宝钢、鞍钢、扬子石化、武钢等几 百家单位的 6000 余台加热炉、热风炉、锻造炉上，平均 节能能达到 5％左右。
1999 年，胡昌盛等人通过研究高辐射节能涂料对窑 炉的火焰空间系统传热的影响，并且对高辐射节能涂料 的应用环境进行了分析研究。但是由于作者没有考虑对 流传热以及窑体热阻的影响，所以得出了连续型窑炉内 表面涂覆高辐射节能涂料不能节能的结论。但是，后来 作者又发现，当考虑窑体内表面的对流传热时，却又有 节能作用 。 [13]
英国 CRC 公司生产的 ET-4 型红外辐射涂料的基 料的主要组成成分是锆英砂、SiO2 和 Al2O3。ET-4 涂料 在 800 ℃时的发射率为 0.85，1000 ℃时仍然可以达到 0.84，但应用在金属表面时温度不能高于 1100 ℃，否则 涂层会出现脱落现象。ET-4 涂料在工业窑炉上已经得到 了较为广泛的应用，一般可以实现节能 10 ～ 30%。同时 ET-4 涂料对于基体材料可以起到很好的保护作用，从而 有效的增加了耐火材料的使用寿命。
2009 年，陈武等人以 NiO，Cr2O3 和 TiO2 为原料， 通过喷雾干燥制得团聚颗粒粉体，该涂料在 600 ℃时的
中国陶瓷│ CHINA CERAMICS │ 2013(49) 第 12 期│ 7
1 红外辐射节能涂料的节能机理
热工设备内热量传递主要是通过对流、辐射和热传 导。随着炉内温度的升高，窑炉内的辐射能力快速升高， 因此在高温条件下辐射传热是主要的传热方式 [1]。
在炼钢炉中红外辐射节能涂料主要应用于热风炉中， 并将其涂覆在蓄热体，如格子砖的表面上，由于高辐射涂
收稿日期 ：2013-7-8 作者简介：李贤扬 (1989-), 男。研究方向：红外辐射涂料。 E-mail: lixianyang989@163.com
2001 年， 欧 阳 德 刚 等 人 选 用 MnO2、CuO、Fe2O3、 Co2O3 等过渡金属氧化物作为粉体基料的原材料。另外根 据国内外研究人员近些年的研究成果表明 , 在红外辐射涂 料中使用粘土、堇青石、莫来石、锂霞石等热膨胀系数较 小的原材料时可以有效降低红外辐射节能涂层的热膨胀系 数 [12]。因此，他们通过加入不同数量的莫来石、堇青石、 锂辉石、钛酸铝，得到了一种抗热震性能良好的涂料，它 在经过 50 次水冷后依然可以保持不开裂，不脱落 。 [14]
2005 年，山东慧敏科技开发有限公司创新性的开发 出了一种纳微米高辐射覆层技术。通过将红外辐射涂体 颗粒经超细化处理至纳微米级水平，使得将涂料涂覆到 基体表面以后，能够充分渗透到基体的内部，并在基体表 层形成一定厚度的过渡层，从而使涂覆样具有涂层 - 过 渡层 - 基体的结构。过渡层的形成使涂层基体表面拥有 良好的粘结性能，能够有效地减少涂层的脱落现象，从 而提高了涂料的抗热震性。该公司研制的红外辐射涂料 的粉体基料的主要成分为氧化锆、氧化铬、氧化铁、钛 白粉、棕刚玉、耐火粘土和膨润土等，涂料的发射率可 以达到 0.90 ～ 0.94。
1999 年，甘肃工业大学的郝远等人对影响 Fe2O3 基 红外辐射节能涂料发射率的因素进行了研究。他们通过 分析 Fe2O3 基红外辐射节能涂料在不同温度条件下的发射 率曲线来研究影响红外辐射节能涂料发射率的重要因素， 并且通过 x 射线衍射光谱分析对它们的影响机理进行了 初步探讨。最终发现，在涂料中加入 SiC 可以有效提高 涂料的发射率 ；另外通过合理控制预处理工艺也可以提高 涂料的发射率。并且发现涂层的最佳是厚度 0.1 mm[11]。
当应用于陶瓷窑炉时，一般涂覆在匣钵的表面。在 陶瓷窑炉中，辐射到匣钵表面的热量一部分被匣钵吸收 另一部分被反射回去，匣钵吸收热量的能力取决于匣钵 的表面黑度的大小，黑度越高所吸收的热量就越多。由 于红外辐射涂料可以提高匣钵的表面黑度，当辐射到匣 钵表面的热量一定时，涂覆有红外辐射涂料的匣钵由于 表面的黑度的提高，可以使其吸收更多的热量。匣钵表 面吸收的热量通过匣钵传递到匣钵内部，通过辐射传热 的作用来加热陶瓷制品。当在使用涂覆涂料的匣钵时， 由于所吸收的热量增加，要想维持陶瓷制品的烧成温度 不变，就需要改变窑炉的烧成制度，其中减少燃料的消 耗成为了必然结果，从而起到了节能的作用。
摘 要 ：将高辐射涂料涂覆在炉衬或耐火材料表面，提高了非稳态辐射传热速度，在炼钢行业的蓄热式热风炉等设备中
取得了良好的节能效果。需要对涂料的微观结构、中间层性质、附着能力、辐射性能及使用条件等方面进行深入研究，
以扩大应用领域。
关键词 ：红外辐射涂料 ；黑度 ；辐射传热 ；工业窑炉 ；节能
中图分类号 ：TQ174.75+8.16
中Vol.国49 陶No.1瓷2 Dec.2013
综述与评述
中国陶瓷
第2200214003971年3年卷年第第第121112月2期期期
红外高辐射节能涂料的研究与应用
李贤扬 1,2，王世峰 1,2
（1. 齐鲁工业大学 材料学院，济南 250353 ；
2. 玻璃与功能陶瓷加工与测试技术山东省重点实验室，济南 250353）
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层可以使蓄热体表面的发射率由 0.6 ～ 0.8 提升到 0.9 以 上，辐射涂层通过强化辐射换热作用，提高了蓄热体表面 温度以及蓄热体的升温和降温速率，加强了蓄热体内部 表面 - 气体三者之间的热传导能力，使蓄热体在燃烧期的 吸热速度和吸热量增加，在送风期的放热速度和放热量也 增加，从而提高了热风温度，降低了燃料消耗 [2]。
Abstract:By putting the high radiation coating coating on theLeabharlann Baidufurnace lining and on the surface of refractory material,
can improve the non-steady-state radiation heat transfer rate, and it have achieved good energy saving effect on the hot stove of heat accumulating type and other equipment in the steel industry. Future, we have to continue to conduct further studies on the microstructure of the coating required, the nature of the intermediate layer,adhesion, radiation properties and conditions of the use and other aspects to expend the application fields.
2003 年 武 钢 技 术 中 心 的 张 奇 光 等 人 开 发 出 一 种 WGC-1 型红外辐射涂料。WGC-1 型红外辐射涂料在 800 ℃时的全辐射率为 0.89，略低于日本日上公司研制 的 HRC 涂料的 0.90。通过采用 1100 ℃高温→水冷试验 测试其抗急冷急热性能，发现经 25 次急冷急热后，涂层 仅有少量剥落，说明涂层的附着性能良好，抗剥落性能好。 将 WGC-1 型涂料放入高温炉中 , 随炉升温到 1350 ℃并 保温 60 min，然后取出观察，发现没有熔化、软化现象， 证明 WGC-1 型涂料的高温性能良好 [8]。
文献标识码 ：A
文章编号 1001-9642（2013）12-0006-4
Research and Application of Infrared
Radiation Energy-saving Coating
LI Xianyang1,2，WANG Shifeng1,2
（1.Qilu University of Technology,School of material science and engineering，Jianan 250353，China; 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Processing and Testing Technogy of Glass and Functional Ceramics，Jinan 250353，China）
随后，我国又有数十家企事业单位和研究所对红外 辐射节能涂料进行了研究与开发，并取得了重要的成就。
1986 年，中国科学院上海硅酸盐研究所的夏继余等
中国陶瓷
人研制成功了 HK-81 型耐热辐射涂料 [10]。HK-81 涂层 在 400 ～ 1200 ℃温度范围内的发射率高达 0.90 ～ 0.97。 在经过 20 次急冷急热后涂层依然可以保持不脱落，因此 该涂料具有良好的抗热震性。
Key words:infrared radiation coatings ；blackness ；Radiation heat transfer ；industry furnace ；energy saving
红外高辐射节能涂料是应用在工业窑炉上的一种新 型节能材料，不仅可以通过节能来降低生产成本，而且对 窑炉炉衬起到良好的保护作用，从而延长工业窑炉的使用 寿命，减少工业窑炉的维护费用。此外，红外辐射涂料能 够强化窑炉内的辐射传热，提高加热的均匀性，从而提高 窑炉的热效率以及产品的热质量，因此，受到相关企业的 普遍欢迎。与其它节能技术相比，该涂料还具有投资少、 见效快，施工方便、快捷，不影响生产等优点。
2013 年 第 12 期
2 国内外红外高辐射涂料的研究及应用现状
今天，国外已经开发出了很多性能优异的红外高辐 射节能涂料，而且这些涂料已经得到了广泛的应用。这 其中比较有代表性的有美国 CRC 公司研制的红外辐射涂 料 ；英国 CRC 公司研制的 ET-4 型红外辐射涂料 ；英 国 Harbert Beven 公 司 与 欧 澳 多 国 联 合 研 制 的 Encoat 型 红 外 辐 射 涂 料 ；日 本 CRC 公 司 推 出 的 CRC1100， CRC1500 型红外辐射涂料 ；日本日上公司生产的 HRC 型辐射涂料等 [3]。
美国 CRC 公司生产的红外辐射涂料，其中应用在 金属表面上的涂料的组成成分主要是 Al2O3 和 SiO2，对 于电热元件等金属基体，可以延长使用寿命 50 ～ 70% ； 而应用在耐火材料以及炉衬表面上的涂料，其辐射粉料 的主要组成是 ZrO2 或 ZrO2，Al2O3，SiO2[4-6]。将该涂料 应用于工业窑炉中可以节能 10 ～ 30%，与此同时涂层对 炉衬基体还起到保护作用，可使耐火材料的使用寿命延 长 1 ～ 4 倍。此外，使用该涂料的经济效果显著，一般 3 个月以内即可收回投资。
日本 CRC 公司推出的 CRC1100，CRC1500 型红外 辐射涂料，辐射粉料的主要组成为 CoO，Fe2O3，Cr2O3， SiO2，Mo2O3 等。该涂料已经应用到了石化工业加热炉上， 一般可以提高 2 ～ 4% 的热效率。
日本日上公司生产的 HRC 型辐射涂料主要是由铬、 铁、铝的尖晶石组成。800 ℃时其发射率可达 95% 左右， 并且还具有结构稳定、使用寿命较长等优点，在窑炉炉 衬无破损的情况下，HRC 涂料的使用寿命可以长达 5 年 左右。如今，在建陶行业的窑炉当中已经应用了该涂料， 可以实现节能 3 ～ 20%[7-9]。