一种用于高炉冷却系统的纳米流体及其制备方法

专利名称：一种用于高炉冷却系统的纳米流体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米流体及其制备方法，尤其是在高炉冷却系统中作为 冷却介质的纳米流体及其制备方法。
背景技术：
目前高炉冷却介质一般是纯净水、工业水、工业水通过药物处理形成软 水或除盐水。由于纯净水成本太高，工业水冷却效果不好，目前高炉使用的 冷却介质都是工业水加药物处理后形成的软水或除盐水。
随着高炉冶炼强度、煤比不断提高，炉内温度波动由5(TC/min增大到150 'C/min，在炉身下部、炉腰和炉腹区域热流强度平均在30 60kw/n^范围内， 高时达到160kw/m2,炉况异常时最高达到240kw/m2。由于软水或除盐水导热 系数低，为保证高炉寿命达到15 20年，满足热流强度要求，其工作参数必 须达到以下指标流速大于2m/s、冷却水流量大于3800mS/h、压力大于0.7MPa、 使用强制换热器确保入口温度小于36°C。由此带来的是动力和新水消耗大， 达到0.547mVt,日消耗新水4376m3，水资源浪费大。
近年来，对纳米流体基础性研究和应用取得很大进展，纳米氧化物选择 和纳米流体制备方法已经有应用事例。常用的纳米流体制备方法有两种，即 "一步法"和"两步法"， 一步法是利用物理气相方法，需要高真空、高温且 密闭环境下，该方法制备速度漫，不适用于工业生产；两步法是把纳米粒子 按一定体积百分数加到水或油溶液中，再加入一定比例分散剂、活性剂，并 将混合液用超声振动获得纳米流体，当纳米粒子体积百分数为4% 5%，纳 米流体导热系数可以提高60%，能够满足30kw/r^热流强度要求。目前使用 分散剂、活性剂和超声振动方法制备纳米流体存在不足是制备量小， 一般用 作特殊散热装置的冷却介质，不适合大工业生产。
专利申请号200410098793.1发明使用旋转填充床反应器制备纳米流体， 属于一步法，需要经过吸收、汽提和蒸馏分离过程，在工业应用中存在速度 慢缺点。专利申请号02261796.5发明纳米封闭式自然循环传热装置，能够实 现纳米与液体直接混合，该发明属于典型二步法，但需要添加分散剂、活性 剂以及超声波震动制备纳米流体，该发明适用于小型特殊用途工业设备冷却 介质，如作为油浸式电力变压器和其他设备的散热装置冷却剂。

发明内容
针对上述现有技术所存在的不足，本发明提供一种用于高炉冷却系统的 纳米流体及其制备方法，通过使用纳米流体作为高炉冷却介质，强化冷却介 质导热能力，减少冷却水消耗，同时避免高炉出现大于160kw/n^极端热流强 度时热量传导不及时问题；通过改变母液PH值和高压方法制备纳米流体，解 决目前使用添加活性剂、分散剂和超声波震动方法不能在大型高炉上应用等 问题。
本发明一种用于高炉冷却系统的纳米流体包括溶剂和溶质组成，溶剂为 软水或除盐水母液，溶质为Al203或CllO纳米级氧化物。软水或除盐水母液 PH=8.5 9.5，八1203或CuO纳米氧化物的粒度为50 100nm，加入量为软水 或除盐水母液体积百分数0.5% 1.0%。
本发明一种用于高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，步骤如下
1) 在原有高炉闭路冷却系统的基础上增加一个纳米流体制备容池，其大 小根据需要而定。
2) 将所需容量的软水或除盐水母液注入容池内，并且加入PH调节药剂， 加入量是软水或除盐水母液体积百分数2.0% 2.3%。目的是除去水中阴离子， 改变软水或除盐软水PH值，同时减弱加入Al203或CuO纳米级氧化物颗粒
后颗粒表面活化能，减弱纳米颗粒布朗运动，防止纳米颗粒团聚。
3) 向处理后的软水或除盐水母液中加入粒度在50 100nm范围内的 八1203或CuO纳米氧化物，加入量是软水或除盐水母液体积百分数0.5% 1.0%。在1.0 2.0小时内，按等间距2 4点取样，在实验室内使用热线装置 测试纳米流体的导热系数，保证导热系数在原水导热系数0.604W(m. K)—1基础 上提高20°/。 25%。
4) 控制高炉闭路冷却系统水泵总压力在0.9 l.lMPa范围内，对流体进 行搅拌，保证纳米粒子混合均匀，保证纳米流体在铜冷却壁水管内流速达到 1.6 2.0m/s，同时消除纳米粒子团聚现象，保证悬浮液内纳米颗粒不沉降， 形成稳定的悬浮液。按等间距2 4点取样，在实验室内用电子显微镜，检测 纳米流体是否有团聚现象。
本发明有以下特点和有益效果
1) 与目前常用软水或除盐水作为高炉冷却水相比较，在软水或除盐水中 加入0.5% 1.0% (体积百分数)粒度为50 100nm的八1203或CuO纳米氧化 物，形成稳定悬浮液。利用纳米材料粒度小(接近于水分子)不产生磨损或 堵塞等不良现象，与水形成均匀混合的纳米流体，提高导热系数20% 25%， 相应同比例减少软水或除盐水用量20% 25%，降低新水消耗0.15 0.19mVt。
2) 与目前所使用纳米流体制备方法相比较，本发明不使用亲水剂、分散 剂和超声波震动方法，通过改变母液PH值和高压方法制备纳米流体，更适合 作为高炉冷却介质这样大工业生产的应用。
具体实施方式
实施例一
纳米流体的制备方法1)选用软水作为母液注入容池，容量为40m、 2) 加入PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为体积百分数2.0%，母液 PH=8.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的
Ab03纳米氧化物，使用量为母液体积百分数0.5%; 4)水泵工作压力选择， 根据铜冷却壁结构参数(水管直径小-50mm)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s 为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P-0.9MPa。
制备的纳米流体包括软水母液PH-8.5， Al203纳米氧化物的粒度为50 100nm，加入量为软水母液体积百分数0.5%。
实施例二
纳米流体的制备方法l)选用软水作为母液，容量为40m 2)加入PH 调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3%，母液PH-9.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的Al2O3纳 米氧化物，使用量为母液体积百分数1.0%; 4)水泵工作压力选择，根据铜冷 却壁结构参数(水管直径4^50mm)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s为基础条 件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P-l.lMPa。
制备的纳米流体包括软水母液PH-9.5，八1203纳米氧化物的粒度为50 100nm，加入量为软水母液体积百分数1.0%。
实施例三
纳米流体的制备方法l)选用软水作为母液，容量为40m、 2)加入PH 调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3%，母液PH-9.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的CuO纳 米氧化物，使用量为母液体积百分数0.5%; 4)水泵工作压力选择，根据铜冷 却壁结构参数(水管直径小=50咖)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s为基础条 件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P-0.9MPa。
制备的纳米流体包括软水母液PH-9.5， CuO纳米氧化物的粒度为50 100nm，加入量为软水母液体积百分数0.5%。
实施例四
纳米流体的制备方法1)选用软水作为母液，容量为40m、 2)加入PH
调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3%，母液PH-9.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的CuO纳 米氧化物，使用量为母液体积百分数1.0%; 4)水泵工作压力选择，根据铜冷 却壁结构参数(水管直径4>=50腿)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s为基础条 件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态'，即P-l.lMPa。
制备的纳米流体包括软水母液PH-9.5， CuO纳米氧化物的粒度为50 100nm，加入量为软水母液体积百分数1.0%。
实施例五
纳米流体的制备方法1)选用除盐水作为母液，容量为40m、 2)加入 PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.0n/。，母液PJ^8.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的Al2O3纳 米氧化物，使用量为^:液体积百分数0.5%; 4)水泵工作压力选择，根据铜冷 却壁结构参数(水管直径4=50咖)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s为基础条 件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P:0.9MPa。
制备的纳米流体包括除盐水母液PH=8.5， A1203纳米氧化物的粒度为 50 100nm，加入量为除盐水母液体积百分数0.5%。
实施例六
纳米流体的制备方法1)选用除盐水作为母液，容量为40m、 2)加入 PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3。/。，母液Pt^9.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的Al2O3纳 米氧化物，使用量为母液体积百分数1.0%; 4)水泵工作压力选择，根据铜冷 却壁结构参数(水管直径.4):50mni)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s为基础条 件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P4.1MPa。
制备的纳米流体包括除盐水母液PH=9.5， A1203纳米氧化物的粒度为 50 100nm，加入量为除盐水母液体积百分数1.0°/。。
实施例七
纳米流体的制备方法1)选用除盐水作为母液，容量为40m、 2)加入 PH调节药剂为三聚磷酸钠药物，加入量为母液体积百分数2.3。/。，母液PH-9.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的CuO纳 米氧化物，使用量为母液体积百分数0.5%; 4)水泵工作压力选择，根据铜冷 却壁结构参数(水管直径小-50mm)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s为基础条 件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P-0.9MPa。
制备的纳米流体包括:除盐水母液PH-9.5，CuO纳米氧化物的粒度为50 100nm，加入量为除盐水母液体积百分数0.5%。
实施例八
纳米流体的制备方法1)选用除盐水作为母液，容量为40m、 2)加入 PH调节药剂为十二烷基苯磺酸钠，加入量为母液体积百分数2.0%，母液 PH=8.5; 3)纳米氧化物体积份数选择，在母液中直加入粒度为50 100nm的 CuO纳米氧化物，使用量为母液体积百分数0.7%; 4)水泵工作压力选择， 根据铜冷却壁结构参数(水管直径4>=50咖)、纳米流体目标流速1.6 2.0m/s 为基础条件，保证纳米流体在冷却水管内呈层流状态，即P-l.lMPa。
制备的纳米流体包括除盐水母液PH-8.5， CuO纳米氧化物的粒度为50 100nm，加入量为除盐水母液体积百分数0.7%。
权利要求
1. 一种用于高炉冷却系统的纳米流体，包括溶剂和溶质组成，其特征在于溶剂为软水或除盐水母液，溶质为Al2O3或CuO纳米级氧化物。
2. 根据权利要求1所述的一种用于高炉冷却系统的纳米流体，其特征在 于软水或除盐水母液PH=8.5 9.5，八1203或CuO纳米氧化物的粒度为50 lOOnm，加入量为软水或除盐水母液体积百分数0.5% 1.0%。
3. —种用于权利要求1所述的高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，其 特征在于l)在原有高炉闭路冷却系统的基础上增加一个纳米流体制备容池； 2)将所需容量的软水或除盐水母液注入容池内，并且加入PH调节药剂，加 入量是软水或除盐水母液体积百分数2.0% 2.3%; 3)向处理后的软水或除 盐水母液中加入粒度在50 100nm范围内的A1203或CuO纳米氧化物，加入 量是软水或除盐水母液体积百分数0.5% 1.0%; 4)控制高炉闭路冷却系统 水泵总压力在0.9 1.1MPa范围内，对流体进行搅拌，消除纳米粒子团聚现象， 形成稳定的悬浮液。
4. 根据权利要求3所述的高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，其特征 在于所述的PH调节药剂为三聚磷酸钠。
5. 根据权利要求3所述的高炉冷却系统的纳米流体的制备方法，其特征 在于所述的PH调节药剂为十二烷基苯磺酸钠。
全文摘要
本发明公开了一种用于高炉冷却系统的纳米流体及其制备方法，该流体包括软水或除盐水溶剂，Al₂O₃或CuO纳米级氧化物溶质。其中软水或除盐水溶剂pH＝8.5～9.5，Al₂O₃或CuO纳米氧化物的粒度为50～100nm，占溶剂体积百分数0.5％～1.0％。其制备方法是在软水或除盐水中加入体积百分数为2.0％～2.3％的pH调节药剂，改变软水pH值，同时提高高炉闭路冷却系统水泵总压力，形成稳定悬浮溶液，提高传热效果，减少20％～25％冷却水用量，降低冷却水消耗，解决了目前制备纳米流体方法不能在大型高炉上应用的问题。
文档编号C21B7/00GK101392171SQ20071001295
公开日2009年3月25日 申请日期2007年9月22日 优先权日2007年9月22日
发明者波 孙, 鹏 孙, 策 尚, 朱建伟, 李连成, 杨金山, 汤清华, 王志君, 车玉满, 郭天永 申请人:鞍钢股份有限公司