一种高温辐射涂层及其制备方法与流程

本发明涉及耐火材料
技术领域：
，尤其涉及一种高温辐射涂层及其制备方法。
背景技术：
：我国热窑炉的能耗占全国总能耗的21％；按照2010年全国能耗统计数据约31吨标准煤来计算，热工窑炉用能当量为6.5亿吨标煤。统计表明，我国热工窑炉这一传统产业的节能潜力巨大，而窑炉的平均热效率仅为30％左右；主要是由于窑炉内壁发射率较低，使得热量不能有效的辐射到炉膛中，加热效率低，在涂覆上高发射率红外辐射材料后，通过辐射热效率提高，可见该领域的节能有潜力可挖。国内外的实践证明，在工业炉内壁上涂刷红外辐射涂料，是节能降耗的简单易行的方法之一。近年来，耐火纤维及窑炉的耐火砖、莫来石等保温材料的应用对减少工业窑炉的散热损失起到一个显著的作用，但随着温度的升高，其发射率ε迅速的下降，1100℃时降到0.35左右，不利于高温辐射传热，而高发射率涂料随温度的升高而略有上升，有利于高温节能。炉内涂覆高温辐射涂料不仅能降低炉体温度，减少水电消耗，提高安全性，而且可以把热反射给炉膛，减少热能损耗。申请号为93117046.X的中国专利中公开了一种耐高温节能无机涂层料及制备方法，该专利以Cr2O3和Al2O3为基料，以磷酸铝或磷酸作为粘结剂，用软质粘土，三聚磷酸钠等优选组合的配方，制成具有高辐射率，又能保护高温炉窑内墙的涂料，用于高温炉窑内节约能源15％，使用寿命可达3年以上。申请号为201010550307.0的中国专利公开了氧化硅系高温红外辐射涂料及其制备方法，其包括以下组分；Fe2O35～15，Al20310～20，MgO5～10，Cr2O35～10，余量为微硅粉。该氧化系红外辐射涂料可应用于1200℃以上的高温环境，其辐射率超过0.9，且抗热震性能好，与炉窑内衬材料的热匹配性能良好。申请号为201010502730.3的中国专利中公开了一种加热炉用陶瓷层，其中包括以下组分：陶瓷微粉、无机结合剂以及线性热膨胀系数调节剂。该发明的陶瓷涂层具有改进辐射率和抗热震性，高效节能、延长炉衬炉管使用寿命、提高温度均匀性等特点。上述专利所提到的涂层均采用传统的成型方法：一是整体压制烧结成型；二是添加一定量的粘结剂，制成涂料的方式附着于基体的表面。但上述两种方法在应用中均存在不足之处，如压制烧结成型技术，受尺寸的限制无法制取不规则大面积整体制品，而涂刷的涂料中的氧化锆或锆英石粉、氧化铬等材料的发射率均随温度的升高而下降，当温度超过1200℃时，发射率降至0.85以下，因此单独使用这些红外辐射材料并不能有效增加其高温下的辐射能力。技术实现要素：本发明解决的技术问题在于提供一种高温辐射涂层，本申请提供的高温辐射涂层具有在高温下性能稳定且在全波段具有较好的红外辐射性能。有鉴于此，本申请提供了一种高温辐射涂层，由红外辐射粉体、粘结剂、悬浮剂与散凝剂制备得到；所述红外辐射粉体包括：优选的，所述红外辐射粉体的质量与所述粘结剂、悬浮剂与散凝剂的总质量的比例为(6～8)：(2～4)。优选的，所述粘结剂、悬浮剂与散凝剂的质量比为(5～8)：(0.5～3)：(1～3)。优选的，所述粘结剂为无机粘结剂，所述无机粘结剂包括铝溶胶、硅酸钠和磷酸二氢铝，所述铝溶胶、硅酸钠与磷酸二氢铝的质量比为(5～8)：(0.5～2)：(1～2)。优选的，所述悬浮剂为羧甲基纤维素钠和聚乙烯中的一种或两种；所述散凝剂选自三聚磷酸钠和硅酸钠中的一种或两种。优选的，所述高温辐射涂层的厚度为0.3～2mm。本申请还提供了上述方案所述的高温辐射涂层的制备方法，包括以下步骤：A)，将FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3分别球磨后混合，得到粉末颗粒；B)，将所述粉末颗粒煅烧后冷却，再依次进行粉碎、细磨与筛分，得到红外辐射粉末；C)，将所述红外辐射粉末与混合剂混合，得到涂料；所述混合剂包括粘结剂、悬浮剂与散凝剂；D)，将所述涂料喷涂于非金属保温材料表面，得到高温辐射涂层。优选的，所述球磨后的物料的粒度为400目以下，所述粉碎后的物料的粒度≤4mm。优选的，所述红外辐射粉末的粒度为400目以下，其中300目～400目的为70％，100目～300目的粒度为30％。优选的，所述非金属保温材料为莫来石砖、耐火砖或氧化铝。本申请提供了了一种高温辐射涂层，其由红外辐射粉末、粘结剂、悬浮剂与散凝剂制备得到，其中红外辐射粉体包括：FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3，其中，FeTiO3高温分解为Fe2O3和Ti02，以Fe2O3、MnO2、Co2O3等过渡金属氧化物经高温固相反应制备了CoMn2O4尖晶石结构的红外辐射粉料，使得到的高温辐射涂层在法向全波段辐射率超过0.87，在8～14μm各窄带内的辐射率均在0.89以上；同时，红外辐射粉体与粘结剂配成涂料得到的涂层全波段发射率达到0.9以上，而且涂层与基材具有良好的附着力和耐热震稳定性。实验结果表明，本发明制备的涂层可耐温1800℃，辐射率≥0.87，抗震性1300℃≥6次，涂料厚度0.3～2mm，使用寿命≥6年。附图说明图1为本发明高温辐射涂层制备的工艺流程图。具体实施方式为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明实施例公开了一种高温辐射涂层，由红外辐射粉体、粘结剂、悬浮剂与散凝剂制备得到；所述红外辐射粉体包括：本申请提供了一种高温辐射涂层，其由红外辐射粉体、粘结剂、悬浮剂与散凝剂制备得到，其中的红外辐射粉体包括：FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3，上述红外辐射粉体中的组分经过高温烧结后发生组织转变生成尖晶石结构，使得到的高温辐射涂层在高温下性能稳定且在全波段具有良好的红外辐射性能。本发明中，所述高温涂层中由红外辐射粉体、悬浮剂、粘结剂与散凝剂制备得到，其中红外辐射粉体包括FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3。其中，FeTiO3可高温分解为Fe2O3与TiO2；MnO2的熔点为535℃，其能分解生成Mn2O3，释放出O2，Mn2O3在940℃～1000℃时逐渐转变成Mn3O4同时产生O2，Mn3O4具有一尖晶石结构，其结构有利于与其它金属离子产生掺杂效应，有利于提高涂料的红外辐射性能；MnO2同Co2O3高温反应形成CoMn2O4尖晶石结构的红外辐射粉料；HfO2本身可提高辐射率；Cr2O3和Fe203、TiO2主要辐射波段在2.5～12μm的范围内具有高辐射率，故化学掺杂是改善材料红外短波区辐射性能的有效途径；Nb2O3其有提高涂层红外辐射的能力。因此，FeTiO3、MnO2和Co2O3三种组分主要形成尖晶石结构；Cr2O3、HfO2和Nb2O3主要增强提高发射率；SiO2是各组分的高温助熔剂。本申请中FeTiO3的含量为20～40wt％，在某些实施例中，所述FeTiO3的含量为25～35wt％，在某些实施例中，所述FeTiO3的含量为28～32wt％；示例的，所述FeTiO3的含量为25wt％、28wt％、30wt％、32wt％、33wt％、35wt％或38wt％。所述Cr2O3的含量为10～30wt％，在某些实施例中，所述Cr2O3的含量为15～25wt％，具体的，所述Cr2O3的含量为18wt％、20wt％、23wt％、25wt％或28wt％。所述SiO2的含量为5～10wt％，在实施例中，所述SiO2的含量为5wt％、8wt％或10wt％。所述MnO2的含量为1～5wt％，在实施例中，所述MnO2的含量为1wt％、3wt％或5wt％。所述Co2O3的含量为10wt％～20wt％，在实施例中，所述Co2O3的含量为12～18wt％，具体的，所述Co2O3的含量优选为12wt％、14wt％、15wt％、16wt％或18wt％。所述HfO2的含量为1～5wt％，在某些实施例中，所述HfO2的含量为1wt％、3wt％、4wt％或5wt％。所述Nb2O3的含量为5～10wt％，在某些实施例中，所述Nb2O3的含量为5wt％、6wt％、8wt％、9wt％或10wt％。本申请中FeTiO3、MnO2和Co2O3三种组分用量在上述范围内，才能形成尖晶石结构，尖晶石结构中八面体空隙配比又是一定的，因此Cr2O3、HfO2和Nb2O3也是一定的，而助熔剂SiO2为5～10％，其用量过大会对基材有影响。在所述高温辐射涂层中，所述粘结剂、悬浮剂与散凝剂为本领域技术人员熟知的材料；示例的，所述粘结剂优选为无极粘结剂，其为铝溶胶、硅酸钠和磷酸二氢铝，所述铝溶胶、硅酸钠和磷酸二氢铝的质量比为(5～8)：(0.5～2)：(1～2)，在实施例中，所述铝溶胶、硅酸钠与磷酸二氢铝的质量比为(6～7.5)：(1～1.5)：(1～1.5)。在实施例中，所述悬浮剂为羧甲基纤维素钠与聚乙烯中的一种或两种，更具体的，所述悬浮剂为羧甲基纤维素钠。在实施例中，所述散凝剂为三聚磷酸钠和硅酸钠中的一种或两种，更具体的，所述散凝剂优选为三聚磷酸钠。所述粘结剂、悬浮剂与散凝剂的质量比优选为(5～8)：(0.5～3)：(1～3)；更具体的，所述粘结剂、悬浮剂与散凝剂的质量比优选为(6～8)：(1～2)：(1～2)。本申请还提供了上述高温辐射涂层的制备方法，包括以下步骤：A)，将FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3分别球磨后混合，得到黑色粉末颗粒；B)，将所述黑色粉末颗粒煅烧后冷却，再依次进行粉碎、细磨与筛分，得到红外辐射粉末；C)，将所述红外辐射粉末与混合剂混合，得到涂料；所述混合剂包括粘合剂、悬浮剂与散凝剂；D)，将所述涂料喷涂于非金属保温材料表面，得到高温辐射涂层。如图1所示，图1为本发明高温辐射涂层制备的流程图，具体的，所述高温涂层的制备过程包括：配料-过筛-球磨-焙烧-冷却-粉碎-细磨-合成粘结剂-合成混合机-粉料与混合剂混合-搅拌-涂料-喷涂。按照本发明，首先进行原料的混合，具体的，将FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3分别球磨后混合，得到黑色粉末颗粒；上述过程中，所述球磨为本领域技术人员熟知的球磨，对此本申请没有特别的限制；所述球磨后的粉末优选经过分筛，得到粒度400目以下的物料，再将所述物料按照上述原料的比例进行混合，得到粉末颗粒。本申请然后将上述得到的粉末颗粒煅烧后冷却，再依次进行粉碎、细磨与筛分，得到红外辐射粉末；所述煅烧的温度优选为1000～1500℃，时间为1～3h。所述粉碎的时间优选为2～5h，经过粉碎后得到的物料的粒度≤4mm。筛分后得到的红外辐射粉末的粒度优选为400目以下，其中300目～400目的含量为70wt％，100目～300目的含量为30wt％。所述煅烧、粉碎、细磨与筛分均为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不进行特别的限制。然后将所述红外辐射粉末与混合剂混合，得到涂料；所述混合剂包括粘结剂、悬浮剂与散凝剂；其中粘结剂、悬浮剂与散凝剂与具体已在上述内容中进行了详细说明，此处不再进行赘述。为了保证原料充分混合，优选分别制备了粘结剂，再进行原料的混合，具体如下所述：在铝溶胶中加入磷酸钠和磷酸二氢铝，得到粘结剂；将所述粘结剂与悬浮剂、散凝剂混合，得到混合剂；将所述混合剂与红外辐射粉体混合，得到涂料。在上述制备粘结剂的过程中，所述铝溶胶、磷酸钠与磷酸二氢铝混合后搅拌的时间优选为2h；所述粘结剂、悬浮剂与散凝剂混合后搅拌的时间优选为2h；所述红外辐射粉末与混合剂混合后的搅拌时间优选为3h。本申请最后将所述涂料喷涂于非金属保温材料表面，得到高温辐射涂层。所述喷涂的手段为本领域技术人员熟知的，此处不进行特别的限制。本申请所述涂料可对各种中高温加热炉、石化加热炉及加热设备都进行节能改造，适用于涂在加热炉内衬表面，包括耐火砖、耐火材料、纤维模块、含锆陶纤维毡等非金属基体表面。本发明制备的红外辐射粉体经高温焙烧、研磨后生成了稳定的钛酸铁尖晶石结构，该结构材料制备的喷涂性能稳定，克服了传统的涂层在高温下性能不稳定的缺点；钛酸铁尖晶石型红外辐射粉末经喷涂制备的涂层在全波段都具有良好的红外辐射性能；涂层与高温炉的表面粘结强度高，使用过程中不易起皮和脱落；另外，经喷涂枪喷涂工艺比传统的手工涂刷得到的涂层更加均匀，涂层厚度控制精确，适合大面积的喷涂。本发明制备的高温辐射涂层耐温高，弥补了传统的刷涂涂层耐温温度低的特点；涂层具有良好的红外辐射性能；与高温炉体结合强度高，热震性能良好，使用的过程中不易开裂和起皮的，使用寿命长。炉内涂覆辐射涂料不仅能降低炉体温度，减少水电消耗，提高安全性，而且可以把热反射给炉膛的坩埚，减少热能损耗；辐射率高达0.87，节能量达到4％～20％，提高加热炉的热效率；与基体结合力强，耐机械冲击和热冲击，最高耐温1800℃，不会出现脱落粉化现象；辐射涂层的喷涂，降低了加热炉外壁温度10％～15％，提高了加热炉内温度均匀性45％～55％，使被加热工件受热均匀，提高产品质量，对加热炉衬里起保护作用，延长其使用寿命一倍以上，具有很好的耐磨、耐腐蚀性，自身寿命长达6年以上。为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的高温辐射涂层及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。实施例1(a)将原料FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3分别放入球磨机进行球磨，将球磨粉碎后的物料进行分筛，得到粒度400目以下的物料；(b)将400目以下的物料按照FeTiO335％、Cr2O320％、SiO210％、MnO25％、Co2O315％、HfO25％、Nb2O310％进行混合，得到黑色粉末颗粒；(c)将得到的黑色粉末颗粒放入托盘中，送入煅烧炉中于1200℃煅烧1h后取出，自然冷却；(d)将步骤c)得到的粉末放入粉碎机中粉碎4小时，得到初始粒度≤4mm的大颗粒物料；(e)将上述大颗粒物料加入细磨粉碎机中进行细磨，将细磨后的物料放入分筛机中进行筛分，得到粒度400目以下的黑色粉末物料，其中300目～400目颗粒为70％，100目～300目颗粒为30％，最终得到红外辐射黑色粉末；(f)合成无机粘结剂：反应釜中加入铝溶胶，用磷酸钠和磷酸二氢铝调节铝溶胶的酸碱度和粘度，三者的重量比为7.5:1.5:1，并搅拌2小时，得到无机粘结剂；(g)合成混合剂：将无机粘结剂加入反应釜中，后加入悬浮剂羧甲基纤维素钠，散凝剂三聚磷酸钠，三者重量比为6:2:2，并搅拌2小时，得到无机粘结剂、悬浮剂和散凝剂的混合剂；(h)将上述步骤制备得到的红外辐射黑色粉末与混合剂按照重量比8:2分别加入反应釜中，搅拌3小时，形成红外辐射涂料；(i)将红外辐射涂料放入喷枪中，在耐火砖蓄热体涂覆上述红外辐射涂料A1，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.93，在1300℃时蓄热能力提高29％。实施例2(a)将原料FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3分别放入球磨机进行球磨，将球磨粉碎后的物料进行分筛，得到粒度400目以下的物料；(b)将400目以下的物料按照FeTiO328％、Cr2O330％、SiO210％、MnO25％、Co2O315％、HfO23％与Nb2O39％进行混合，得到黑色粉末颗粒；(c)将黑色粉末颗粒放入托盘中，送入煅烧炉中于1200℃煅烧1h后取出，自然冷却；(d)将步骤c)得到的粉末放入粉碎机中粉碎4小时，得到初始粒度≤4mm的大颗粒物料；(e)将大颗粒物料加入细磨粉碎机中进行细磨粉碎，将细磨粉碎后的物料放入分筛机中进行筛分，得到粒度400目以下的黑色粉末物料，其中300目到400目颗粒为70％，100目到300目颗粒为30％，最终得到红外辐射黑色粉末；(f)合成无机粘结剂：在反应釜中加入铝溶胶，采用磷酸钠和磷酸二氢铝调节其酸碱度和粘度，三者的重量比为7.5:1.5:1，并搅拌2h，得到无机粘结剂；(g)将无机粘结剂加入反应釜中后加入悬浮羧甲基纤维素钠，散凝剂三聚磷酸钠，三者重量比为8:1:1，并搅拌2小时，得到机粘结剂、悬浮剂和散凝剂的混合剂；(h)将上述步骤制备得到的红外辐射黑色粉末颗粒与混合剂按照重量比7：3分别加入反应釜中，搅拌3小时，形成红外辐射粉体涂料；(i)将红外辐射粉体涂料放入等离子喷枪中，在耐火砖蓄热体涂覆上述红外辐射涂料A2，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.92，在800℃时蓄热能力提高8％。实施例3(a)将原料FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3分别放入球磨机进行球磨，将球磨粉碎后的物料进行分筛，得到粒度400目以下的物料；(b)将400目以下的物料按照FeTiO332％、Cr2O325％、SiO25％、MnO23％、Co2O320％、HfO25％、Nb2O310％进行混合，得到黑色粉末颗粒；(c)将得到黑色粉末颗粒放入托盘中，送入煅烧炉中于1200℃煅烧1h后取出，自然冷却；(d)将步骤c)得到的粉末放入粉碎机中粉碎4h，得到初始粒度≤4mm的大颗粒物料；(e)将大颗粒物料加入细磨粉碎机中进行细磨粉碎，将细磨粉碎后的物料放入分筛机中进行筛分，得到粒度400目以下的黑色粉末物料，其中300目到400目颗粒为70％，100目到300目颗粒为30％，最终得到红外辐射黑色粉末；(f)合成无机粘结剂：在反应釜中加入铝溶胶，采用磷酸钠和磷酸二氢铝调节铝溶胶的酸碱度和粘度，三者的重量比为7.5:1.5:1,并搅拌2小时，得到无机粘结剂；(g)将无机粘结剂加入反应釜中，后加入悬浮羧甲基纤维素钠，散凝剂三聚磷酸钠，三者重量比为8:1:1，并搅拌2小时，得到机粘结剂、悬浮剂和散凝剂的混合剂；(h)将上述步骤制备得到的红外辐射黑色粉末颗粒与混合剂按照重量比6:4分别加入反应釜中，搅拌3小时，形成红外辐射粉体涂料；(i)将红外辐射粉体涂料放入喷枪中，在耐火硅砖蓄热体涂覆上述红外辐射涂料A3，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.92，在1400℃时蓄热能力提高26％。实施例4(a)将原料FeTiO3、Cr2O3、SiO2、MnO2、Co2O3、HfO2与Nb2O3分别放入球磨机进行球磨，将细磨粉碎后的物料进行分筛，得到粒度400目以下的物料；(b)将400目以下的物料按照FeTiO338％、Cr2O318％、SiO28％、MnO25％、Co2O318％、HfO25％、Nb2O38％进行混合，得到黑色粉末颗粒；(c)将得到黑色粉末颗粒放入托盘中，送入煅烧炉中与1200℃煅烧1h后取出，自然冷却；(d)将步骤c)得到的粉末放入粉碎机中粉碎4小时，得到初始粒度≤4mm大颗粒物料；(e)将大颗粒物料加入细磨粉碎机中进行细磨粉碎，将细磨粉碎后的物料放入分筛机中进行筛分，得到粒度400目以下的黑色粉末物料，其中300目到400目颗粒为70％，100目到300目颗粒为30％，最终得到红外辐射黑色粉末；(f)合成无机粘结剂：反应釜中加入铝溶胶，采用磷酸钠和磷酸二氢铝调节其酸碱度和粘度，三者的重量比为7.5:1.5:1,并搅拌2小时,得到无机粘合剂；(g)将无机粘结剂加入反应釜中，后加入悬浮羧甲基纤维素钠，散凝剂三聚磷酸钠，三者重量比为8:1:1，并搅拌2小时，得到机粘结剂、悬浮剂和散凝剂的混合剂；(h)将上述步骤制备得到的红外辐射黑色粉末与混合剂按照重量比8：2分别加入反应釜中，搅拌3小时，形成红外辐射粉体涂料；(i)将红外辐射粉体涂料放入喷枪中，在耐火硅砖蓄热体涂覆上述红外辐射涂料A4，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.93，在1350℃时蓄热能力提高27％。性能测试耐热震稳定性：在60mm×100mm×20mm的耐火砖或莫来石保温材料表面分别涂覆实施例1～4的红外辐射涂料A1～A4，涂覆厚度为0.3～2mm，涂层干燥后在室温下放置于加热炉中升至1300℃保持30min，然后迅速取出冷却至室温。以上操作连续循环6次以上，涂层脱落面积均＜5％，由此说明，本发明制备的红外辐射涂料形成的涂层具有良好的抗热震性。高温抗氧化性能测试：在60mm×100mm×20mm的耐火砖或莫来石保温材料表面分别涂覆实施例1～4的红外辐射涂料A1～A4，涂覆厚度为0.3～2mm，涂层干燥后在室温下放置于加热炉中升至1800℃保持30min，取出后自然冷却，涂层表面无龟裂纹，表面完好，颜色均匀，涂层脱落面积均＜5％，说明本发明制备的红外辐射涂料形成的涂层具有好的高温抗氧化性能。以上实施例中的设备采用如表1所示的设备，表1实施例中的设备清单序号设备名称型号厂家1轻型滚筒球磨机QM-25L长沙天创滚筒球磨机2煅烧炉DC-B北京独创科技3细磨机GQM-25长沙天创滚筒球磨机4喷枪YC-90台湾元麟以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页1 2 3