高溫紅外輻射納米節能涂層技術在加熱爐的應用與發展

董曉軍　王安龍　岳　祥

（山東石橫特鋼集團有限公司 軋鋼廠，泰安271612）

高溫紅外輻射納米節能涂層技術在加熱爐的應用與發展

董曉軍王安龍岳祥

（山東石橫特鋼集團有限公司 軋鋼廠，泰安271612）

介紹了新一代節能產品高溫紅外輻射納米節能涂層在石橫特鋼加熱爐的推廣應用；該技術應用可以強化加熱爐爐內輻射傳熱，提高加熱爐的熱效率，降低燃料消耗；改善爐內溫度場分布的均勻性，延長加熱爐的使用壽命；降低鋼坯表面與芯部的溫度差，減輕軋機在軋鋼坯時的工作壓力，從而降低電耗。

節能產品應用輻射傳熱熱效率電耗

前言

20世紀70～80年代的兩次石油危機，推動了全球范圍內的節能技術革命，降低能源消耗、建立環境友好的鋼鐵企業已經成為鋼鐵工業可持續發展的一個重要方面。軋鋼工序的能源消耗約占鋼鐵廠整個工序能源消耗的10%左右，其中軋鋼加熱爐又占了75%至80%。中國冶金行業的軋鋼加熱爐在產量、爐型結構、機械化、自動化水平及理論操作上與國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，因此提高軋鋼加熱爐效率、搞好加熱爐節能工作，是實現鋼鐵企業可持續發展的有效方法之一。

1　石橫特鋼加熱爐概況

山東石橫特鋼集團有限公司（簡稱石橫特鋼）二棒加熱爐采用雙蓄熱步進梁式結構，燃料采用高、轉混合煤氣，熱值（800～1000）×4.187KJ/Nm3，主要加熱鋼種有普碳鋼、低合金鋼、優質碳素鋼、合金結構鋼等。

二棒加熱爐已投產運行五年多，車間產量逐漸攀升，在實際生產過程中存在強化加熱，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時產量較低，加熱能力不足的矛盾不突出。

2　高溫紅外輻射納米節能涂層應用

2.1高溫紅外輻射納米節能涂層簡介

“凌耐”高溫紅外輻射納米節能涂層是通過浸涂方式將納米節能材料涂覆于格子磚表面，通過高溫自燒結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、防結焦的特點。通過節能涂層的應用，可以將硅磚表面的紅外發射率/吸收率從0.5提高到0.9以上，強化熱風爐內輻射傳熱，提高燃料燃燒的熱效率，改善爐內溫度場分布的均勻性，延長熱風爐的使用壽命。本公司產品有六個系列，可分別應用在酸性、中性或堿性等多種環境，綜合節能效果達到5～15%以上。

2.2高溫紅外輻射納米節能涂層節能原理

熱量的傳遞以三種方式進行，即熱傳導、熱對流和熱輻射，在低溫階段，熱交換以對流傳熱為主，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，輻射峰值波長會向短波段移動，一般而言高溫輻射能量大多數集中在1～5μm波段，如1000℃和1300℃時，會分別有76%和85%的輻射能量集中在這一波段內。“凌耐”高溫紅外輻射納米節能涂層在全波段范圍內均有較高的吸收和輻射性能可以彌補這一不足。通過在加熱爐內壁向火面涂覆“凌耐”高溫紅外輻射納米節能涂層提高向火面的表面黑度來達到強化吸收和輻射傳熱的效率，從而起到節能效果。另外，爐內煙氣只在某些特定的波段輻射和吸收輻射能。當爐氣輻射的熱量投射到爐壁上時，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；大部分能量經過爐壁吸收轉化后再輻射后，其熱量具有固體輻射的特性，不易被煙氣吸收；最終的結果就是爐子的排煙溫度降低，從而達到節能效果。

2.3高溫紅外輻射納米節能涂層技術優勢

（1）產品發射率高（黑度高）。“凌耐”高溫紅外輻射納米節能涂層采用多元復合納米增黑劑，強化紅外輻射激發作用，使涂層在中紅外和遠紅外波段均有很高的發射率和吸收率，圖一為“凌耐”紅外輻射涂層產品與國內某大型廠家生產的紅外輻射材料發射率的對比圖，從圖中可看出，“凌耐”紅外發射率要高出市場上產品40%以上，特別是在中紅外區效果更佳，而高溫輻射換熱的主要波段則集中在中紅外區。

（2）抗衰老特性強，使用年限長。目前市場上紅外輻射涂料內的增黑劑以SiC為主，屬于第二代產品，而SiC高溫容易氧化，如果不對SiC進行特殊抗氧化包覆處理，節能涂層使用一段時間后節能效果會大幅衰減。針對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，通過高溫固相反應合成高溫穩定的復合氧化物，隨使用溫度提高和使用時間的延長，該增黑劑紅外輻射性能不但不會衰減，反而會越來越穩定，輻射性能更佳，屬于最新一代的紅外輻射涂層材料。

圖1

（3）產品針對性強，適用面廣。目前國內其他鋼鐵行業所選用的遠紅外輻射涂料，不管使用溫度和使用環境，都用一種節能材料。由于在不同的溫度段所用的節能涂層材料在不同波段的紅外發射率差別很大，涂層對基體的覆蓋能力和對基體的滲透能力較差，涂料對爐膛輻射能力提高作用有限，后期高溫環境下涂料出現脫落情況，節能效果不明顯?！傲枘汀备邷丶t外輻射納米節能涂層，可以使紅外輻射涂層發揮最大節能效率。特制高溫粘結劑的應用和粉劑的納米化處理，保證涂層與基體結合牢固，涂層納米粒子通過高溫擴散和滲透，使涂層與基體達到一體化，保證涂層在高溫下不脫落。

（4）精選高輻射納米粒子，配以特制高溫粘結劑，保證涂層高溫不脫落?，F有市場上的遠紅外輻射涂料號稱納米材料，但實際上納米粒子含量非常少或者根本就不含有納米粒子，通過其生產工藝就不難發現，僅僅通過簡單的球磨很難得到穩定的納米粒子。“凌耐”高溫紅外輻射納米節能涂層，通過優選顆粒級配，提高涂層對基體的覆蓋能力和對基體的滲透能力。另外，特制高溫粘結劑的應用和粉劑的納米化處理，保證涂層與基體結合牢固，涂層納米粒子通過高溫擴散和滲透，使涂層與基體達到一體化，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能涂層技術在石橫特鋼二棒加熱爐上的成功應用，使加熱爐的主要技術經濟指標水平得到顯著提升，為石橫特鋼帶來了較大的經濟效益。主要技術經濟指標的改善見表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，減輕軋機在軋鋼坯時的工作壓力，從而降低軋機的電能消耗；

表1　二棒加熱爐改造前后技術經濟指標對比表

（3）加熱爐爐內高溫輻射換熱能力提高，鋼坯的升溫時間降低，加熱能力大幅度提升，滿足了軋線產量進一步提高的要求；

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

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

4　結語

通過高溫紅外輻射納米節能涂層技術在石橫特鋼加熱爐上的應用實踐，證明了該新型節能涂料節能效果顯著，給企業帶來了巨大的經濟效益，在同類型加熱爐上具有極大的推廣價值。

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