红外辐射涂料的研制与应用现状及其发展趋势

科研与生产

红外辐射涂料的研制与应用现状及其发展趋势

欧阳德刚

赵修建

胡铁山

　(武钢技术中心)　(武汉理工大学)　(武钢第三炼钢厂)

摘　要　对红外辐射涂料的起源、辐射粉体基料的组成、载体粘结剂的组成、涂料的应用与发展过程进行了综述,分析了影响红外辐射涂料推广应用的原因,探讨了其应用前景和发展趋势。

关键词　红外辐射涂料　载体粘结剂　粉体基料

CURRENTSTATEANDTRENDOFDEVELOPMENTFORRESEARCH&

APPLICATIONOFINFRAREDRADIANTCOATING

OuyangDegang　　　　　　　　　　Zhao(TechnologyCenterWISCO)　(Wuhan)

3oftheoriginoftheinfraredradiantcoating,thecon2stituentsofofpowderandthecarrieradhesive,aswellastheprocessofdevelop2mentandapplicationoftheinfraredradiantcoating,andanalyzesfactorsaffectinganextensiveuti2lizationofthematerialanddiscussestheapplicationprospectandtrendofdevelopment.

Keywords　infraredradiantcoating　carrieradhensive　matrixofpowdermaterial

1　前　言

红外辐射习惯上称为红外线或红外,也有称

为热辐射。早在1800年,英国天文学家威・赫谢开(W・Herschel)在研究太阳光不同色彩部分的热效应时,偶然发现了这种辐射热效应强的红外线。此后,经历了一百多年的时间认识红外辐射的本质和建立基本的辐射定律,使红外辐射的应用与

2]

研究得到迅速的发展[1、。由辐射传热基本定律和计算公式可知,提高辐射体表面辐射系数ελ,将有利于辐射传热的强化。对于以辐射传热为主的不同工业炉来说,提高炉内参与辐射传热的物体表面辐射系数ελ,将有效地改善炉内传热过程,达到节能、增产与提高产品质量的目的[3～5]。应工业炉实际生产应用的需要,红外辐射涂料应运而生,并得到不断的发展。为了更好地发挥红外辐射涂料在工业炉上应用的节能效果,本文系统地介绍红外辐射涂料研制与应用的发展过程,并分析其发展趋势与应用前景。

欧阳德刚,男,高级工程师

2　红外辐射涂料研制的发展概况

红外辐射涂料是由辐射粉体基料与载体粘结剂组成,其中,辐射粉体基料的作用是提供高辐射性能,载体粘结剂则使涂料牢固地粘结在基体表面。随着红外技术的不断发展,人们从大量的物质光谱中发现了许多物质的红外光谱发射率较高,并以这些物质为基料研制出多种红外辐射涂料,以改善物体表面的辐射特性,达到强化辐射传热的目的,因此,初期阶段的红外辐射涂料的辐射基料主要是单种物质或数种物质的简单机械混合物。应工业炉节能的需要,60年代末开始在工业生产的低温干燥炉中应用,并不断地取得优良的节能效果,红外辐射涂料作为工业炉的一种节能新材料逐步被人们所认识,70年代在低温干燥炉中得到推广应用。随着低温红外辐射涂料研制与应用的不断深入,中高温工业炉的红外辐射涂料的研制与应用问题逐渐被人们关注。众所周知,在实际生产中,中高温工业炉所消耗的能源远远

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欧阳德刚等　红外辐射涂料的研制与应用现状及其发展趋势

高于低温干燥炉窑,由于中高温红外辐射涂料的应用环境温度较高,给红外辐射涂料的选材带来

了一定的难度。长时间里人们研制与应用的高温红外辐射涂料都是以耐火性能优良的碳化硅或二氧化锆为辐射主成分、水玻璃为粘结剂的无机涂料,虽然在实际高温工业炉的生产应用中取得了一定的节能效果,但效果非常有限。对于碳化硅基红外辐射涂料来说,由于其高温易氧化,实际使用寿命较短,难以在工业炉上推广应用[6～7]。

随着材料研究技术的不断发展,材料设计及其复合技术给红外辐射涂料的研制与应用注入了新的活力,使红外辐射涂料的辐射主成分逐步从单种物质或化合物向复合材料发展,使红外辐射涂料的研制出现了空前多元化发展势头。近10年来,许多技术先进的国家投入大量的人力、,辐射涂料名品,、“性能的重大改进”“、技术发展的里程碑”,并被列

[8]

入“21世纪的新材料”。例如:英国CRC公司的ET-4型红外辐射涂料,美国CRC公司的C-10A、SBE涂料,英国HarbertBeven公司与欧澳多

论,虽然对其在低温电加热炉上应用的节能机理有不同的看法,但在低温干燥炉领域的应用却得

到推广,相应的低温红外辐射涂料的制备技术也得到发展。在此基础上,适用于中高温工业炉的红外辐射涂料的研制与应用问题自然被提出,并率先在南京市某厂被开发,一时其声势甚盛;从地方到中央,不少报刊均以头版头条特大篇幅宣传,接着是上海热处理学组的座谈会对该项加热技术在热处理炉中的应用提出了不同的看法,使其研究势头逐渐减弱。随着国外中高温红外辐射涂料研究热潮的蓬勃升起,我国近些年在该领域的研究工作也得到广泛开展,并在一些工业炉炉衬及取得了一些可喜[10～12]。

3　红外辐射涂料的组成及应用效果

随着材料研究技术的不断发展,红外辐射涂料的物质组成也得到了长足的进步,从单纯的物质或化合物发展为多种物质或化合物的复合材料。早期的红外辐射涂料主要是以碳化硅、氧化锆、锆英砂等单种物质或化合物为辐射成分、以简单无机盐为载体粘结剂;发展至今,红外辐射涂料的辐射成分则是由多种物质或化合物通过特殊的材料复合工艺制成,其载体粘结剂也是由原来的单种粘结剂物质载体发展为多种微粉、溶胶及化学粘结剂组成的复合溶体。以下介绍世界上几个著名的红外辐射涂料生产公司生产的品牌产品的组成及应用效果。

英国CRC公司声称其红外辐射涂料的辐射粉料部分有两类基本组成,即氧化锆和锆英砂,其中ET4的辐射粉料主要是由锆英砂、二氧化硅、三氧化铝组成。美国CRC公司的红外辐射涂料已系列化,其中用在金属表面上的涂料,其辐射粉料组成主要是二氧化硅和三氧化铝;用在耐火材料炉衬表面上的涂料,其辐射粉料主要是由氧化锆或氧化锆、二氧化硅、氧化铝组成。英国Har2bertBeven公司与欧澳多国联营推出的Encoat红外辐射涂料产品,其辐射粉料部分主要是由碳化硅加防老化剂组成。日本CRC公司推出的红外辐射涂料产品,如CRC1100、CRC1500,其辐射粉料主要是由CoO、Cr2O3、Fe2O3、Mo2O3、SiO2等组成[8],在日本新近推出的许多专利产品则以过渡

国联营推出了品名为Enecoat红外辐射涂料,日本

CRC公司推出了品名为CRC1100、CRC1500红外辐射涂料。值得注意的是,日本的高岛广夫和高田宏一等用过渡金属氧化物(如:Fe2O380%,MnO215%,CoO5%;MnO280%,CoO10%,CuO10%;MnO260%,Fe2O320%,CuO10%,CoO10%等),在1150℃反应烧结后,使其在2～5μm

波段范围内皆具有高的红外光谱辐射率;若掺加50%的堇青石后再烧结,其红外光谱辐射率基本不减(英、美等推出的红外辐射涂料商品,皆未报道其红外光谱辐射率及红外光谱分段辐射率);加入堇青石的目的在于克服过渡金属氧化物烧结料膨胀系数大的缺点;如加入金属、碳化硅、氮化物、硅化物、硼化物或半导体材料,即可制成具有一定电阻值的导电陶瓷,这是日本新近发布的大量的有关红外辐射涂料、陶瓷、导电陶瓷专利的基础,不少专利技术已在日常生活及工业炉领域中得到应用,使其成为当今世界上红外技术应用最广的国家[9]。

红外辐射加热技术于70年代末传入我国,其研制与应用工作呈螺旋式发展。首先是在低温电加热干燥炉上的应用效果问题进行了广泛的讨

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科研与生产

金属氧化物为主、添加其它添加剂构成。我国一些红外辐射涂料生产厂家生产的红外辐射涂料产品,其辐射粉料大多是由碳化硅、锆英砂、三氧化铬等单种化合物组成。此外,国外生产的红外辐射涂料大多要对辐射粉料进行预处理,例如:En2coat涂料便要通过烧结预处理,使碳化硅表面生成二氧化硅保护膜,以提高碳化硅的抗氧化能力,延长其使用寿命,而我国目前生产的单种化合物为辐射主成分的红外辐射涂料一般皆未经烧结预处理。自80年代末以来,我国一些学者通过参阅国外资料,研究红外全波段辐射性能优良的过渡金属氧化物基红外辐射涂料,并在实际工业生产中进行了尝试,取得了一定的应用效果[6～7]。

综合上述可见,红外辐射涂料的辐射粉料部分多用氧、氮、碳及硼的化合物,低廉,睐。,:A类氧化物为

堇青石常见的矿物原料,如锆英石(ZrO2・SiO2)、

(2MgO・5SiO2)等,其辐射率ε2Al2O3・λ在红外短波区较低,而在红外长波区辐射率ελ较高;B类为过渡金属氧化物,如Fe2O3、NiO、CoO、MnO2、Cr2O3等,其红外光谱辐射率ελ皆较高。图1为这两类氧化物的光谱辐射率曲线示意图。从红外辐射特性来看,B类氧化物较好,往往为了降低成本和调整热膨胀系数,在B类氧化物中加入A类氧化物,据报道,其加入量达50%也不致使其光谱辐射率ελ降低过多

。

类氧化物加B类氧化物组成。苏联专利介绍的成分为:Cr2O341%～44%、Fe2O318%～20%、

MnO27%～9%、NiO29%～32%。有关资料一致认为镍的氧化物在氧化物中辐射率是最高的,但材料稀缺价高,难以广泛应用。

在涂料载体粘结剂方面,各国皆保密。英国CRC公司声称其所用的载体粘结剂是一种超微粉的胶体悬浮液,说这是一种独特的底层,能与各种基体表面牢固结合。此外,日本东芝公司报道其采用一种超细粉胶体悬浮液作为涂料载体粘结剂,通过高温固化处理,可将红外辐射涂料牢固地结合在金属基体表面。一般是采用喷涂的方式在;,,[7]。我国研制的红外辐射涂料,所用的载体粘结剂主要是水玻璃或磷酸盐水溶液,且在涂覆后一般没有预烧结处理工序。不过目前已有专利报道采用溶胶溶液作为红外辐射涂料载体粘结剂。

据报道,英国、美国的CRC公司生产的红外辐射涂料已在工业炉上得到广泛应用,一般可节能10%～30%,同时涂料具有良好的保护基体材料的性能,对于耐火材料来说,可延长使用寿命100%～400%,对于电热元件等金属基体,可延长使用寿命50%～700%。此外,独特的载体粘结剂技术使涂料与基体粘结牢固,有效使用寿命可达10～15年。使用的经济效果显著,仅节能一项,一般3个月即可收回涂料投资,并声称此项技术已走过孩提时代。在日本,红外辐射涂料已在许多工矿企业的工业炉上得到应用,其中在石化行业中的石油加热炉上应用范围较广,节能效果明显,一般可提高加热炉热效率2%～4%。我国也有许多资料报道红外辐射涂料在各种工业炉上的应用情况。总体上来看,在低温干燥炉上应用较多,对于电热烘烤炉可节电约30%;在蒸汽散热铝排管上应用,可提高散热效率约17%。此外,在电阻式热处理炉上,有专利技术报道将原电阻丝改成电阻带,再在电阻带上涂覆红外辐射涂料进行应用,则可节能30%左右。在火焰炉上的应用实例相对较少,报道的使用效果也不一致。

图1　两类氧化物的红外光谱辐射率曲线

日本近期的相关专利中大多是以不同的A

其原因可能有多方面,一方面是红外辐射涂料在

火焰炉上应用的节能机理还不完善,机理认识也不一致,给其推广应用带来困难;另一方面,是涂

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欧阳德刚等　红外辐射涂料的研制与应用现状及其发展趋势

料使用技术还需提高,往往不合理的使用带来许多不利的结果,加大了涂料推广应用的阻力;再一

方面是涂料本身的性能问题,国内有些商品涂料的辐射性能不稳定,往往开始阶段节能效果较好,但随着使用时间的延长,性能逐步下降,甚至完全体现不出任何效果。总体上来说,我国红外辐射涂料的研制与应用还处于探索阶段,还需不断努力研究与开发[6～7]。

的复杂性,使红外辐射涂料在工业炉上应用的节能机理还不够完善,炉窑热工界学者的节能机理研究与探讨迄今还未能取得一致,给工矿企业领导的决策带来不便,影响了红外辐射涂料的推广应用进程;(3)有些红外辐射涂料的性能不稳定,在工业炉上的实际应用中,往往出现性能衰减、涂层脱落等问题,给工业炉的正常生产与维护带来麻烦,严重者还影响工业炉生产的产品质量,从而加大了其推广应用的难度;(4)由于红外辐射涂料研制者或生产者往往对涂料应用对象特性不了解,同时用户对涂料的性能不清楚,造成涂料的不合理应用现象,出现红外辐射涂料应用效果不明显、,,红外辐射涂料4,不断提高研制与应用理论水平,改善涂料性能,开拓应用市场。

总的来说,红外辐射涂料具有广阔的应用前景,但目前的研制与应用水平仍处于摸索提高阶段。可以想象,在相关专业学者们的不断努力下,红外辐射涂料将成为工业炉上一种不可缺少的节能材料。

参

考

文

献

4　红外辐射涂料的应用前景及发展趋势

红外辐射涂料作为工业炉上的一种节能新材料,在工业炉中应用可收到良好的节能效果,同时对基体材料具有良好的保护作用,可延长工业炉使用寿命、减轻炉窑维护工作量。此外,炉内辐射传热,,,的关注;下,有限的矿物能源资源的枯竭问题,时时都在威胁着整个世界的经济发展,大力开发与应用节能新技术、新材料已刻不容缓。因而,红外辐射涂料作为工业炉节能中的一种新材料,具有强大的生命力和广泛的应用前景。此外,红外辐射涂料作为工业炉中的一项节能新技术,与其它工业炉节能技术相比,具有投资少、见效快的优点,同时具有施工方便、快捷的特点。具体施工时,一般不需对工业炉基体进行特殊的改造与检修处理便可进行正常的涂料施工。红外辐射涂料在实际工业炉的应用中,除具有节能效果外,还可保护基体材料,延长工业炉使用寿命、降低工业炉生产成本。由此来看,红外辐射涂料应该较容易被人们所接受,并在工业炉中广泛推广应用。然而,事实并非全是这样,在一些技术先进的国家,其推广应用率可能高一点,但总体上来说,推广应用的范围还不够理想。究其原因,可能有以下几个方面:(1)由于受技术研究深度的限制,至今对红外辐射涂料的辐射机理还不完全清楚,增加了高性能红外辐射涂料研制的难度;(2)由于工业炉炉内传热过程

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(收稿日期:2000-11-21)

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