一种轻量高温红外辐射元件及其制备方法

本发明属于高温红外辐射元件。尤其是涉及一种轻量高温红外辐射元件及其制备方法。

背景技术：

1、近年，随着钢铁、有色冶金等高温行业的飞速发展，能耗在持续增长，碳排放量的问题也越来越显著，钢铁行业能源消耗占工业能源消耗总量的14％，工业炉窑的能源消耗占全装置综合能耗的60％以上，而在大于800℃的高温工业环境中，辐射传热占三种传热方式的80％以上，且当温度大于1000℃时，超过80％的热辐射能量集中在1～8μm波段。因此，强化工业炉窑内1～8μm波段的辐射换热是提高加热炉效率、实现炉窑节能最有效的方式。目前，工业炉窑炉壁的耐火材料本身发射率普遍不高；现存红外辐射元件密度大，悬挂在炉膛内壁容易掉落；部分红外辐射元件在1～8μm波段无法高效率加热工件。因此，在工业炉窑炉膛内壁安装轻量高温红外辐射元件能减轻炉膛壁负荷、加强窑炉对工件的辐射能力，明显提高节能效率，故该技术近年来得到了越来越多研究者的关注：

2、“红外线辐射元件”(cn104272086a)专利技术，该技术采用了氮化钽作为红外线辐射元件材料，虽获得了较高的红外线发射率，但该元件不仅价格昂贵，且密度极大(达13.4g/cm3)，安装于炉窑顶部对炉膛负荷太大，易掉落。

3、“一种远红外辐射加热装置导热元件的制备方法”专利技术，该技术以94～95.2％的al2o3为主要原料，添加了少量sio2、mgo、cao、fe2o3等，虽制得导热性能好、能将热能转化为较强远红外光线光谱辐射的红外辐射元件，但在温度大于1000℃的工业炉窑中，热辐射能量主要集中在1～8μm的近红外和中红外波段，远红外波段的红外辐射能量较少，因此，在大于1000℃的高温环境下无法取得良好的节能效果。

4、“一种红外辐射浆料及基于其的红外辐射加热元件”(cn114621609 a)专利技术，通过将主要含有石墨烯的高红外辐射率材料、导电材料和基底粘接剂均匀混合涂覆在石英玻璃管上进行炭化，虽制得性能优异的红外辐射加热元件，但工业炉窑一般都处于1000℃以上的高温空气环境中，其红外辐射浆料中石墨材料很容易发生氧化燃烧反应，造成材料表面气孔率增加和结构疏松，材料热稳定性也大大降低。

5、另外，在工业废弃物的再利用和资源化过程中，尤其是硅切割废料细粉、生产重铬酸钠产生的残渣细粉等的资源化再利用，技术人员作了做了大量的工作：

6、单晶硅和多晶硅切割过程中产生的废液主要为聚乙二醇、硅切削粉、碳化硅磨料及少量表面活性剂、乳化剂等，尽管有专利技术如“由单晶硅和多晶硅切割废料中回收硅和碳化硅的方法”(cn101941699 b)通过萃取分离富集可以提取其中价值较高的硅和碳化硅，但该方法较为复杂，且分离过程中引入的盐酸会腐蚀设备以及带来废液处理问题。

7、铬化工行业制备重铬酸钠产生的残渣由于含有一定量cr6+，必须解毒后才能加以利用；否则残渣中cr6+会随雨水溶渗、流失、渗入地表，从而污染地下水，也污染了江河、湖泊，甚至危害农田、水产和人体健康。虽然“一种铬渣无害化与资源化的处理方法”(cn114288604a)专利技术，通过预处理、还原、酸洗和硫化对铬渣进行湿法解毒，但解毒工艺繁琐，且湿法解毒法还原得到的cr3+容易再次被氧化为cr6+，解毒不够彻底，同时，解毒过程会产生酸、碱废液和废气，易造成二次污染。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单、工业废弃物的资源化利用率高和环境污染小的高发射率轻量高温红外辐射元件的制备方法，用该方法制备的轻量高温红外辐射元件密度小、热震稳定性好、在1～8μm波段具有高红外发射率。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案中：

3、所述轻量高温红外辐射元件的原料及其含量是：

4、

5、所述轻量高温红外辐射元件的制备方法是：

6、步骤一、按所述轻量高温红外辐射元件的原料及其含量，先将所述硅切割废料细粉、所述生产重铬酸钠产生的残渣细粉和所述磷酸二氢铝溶液球磨5～10min，得到混合料a；向所述混合料a中加入所述煤矸石细粉和菱镁矿细粉，球磨15～20min，得到混合料b。

7、步骤二、将所述混合料b困料12～24小时，于20～50mpa条件下压制成型，得到素坯；将所述素坯置于鼓风干燥箱内，在80～100℃条件下干燥12～24h，得到干燥后的素坯。

8、步骤三、将所述干燥后的素坯置于中温炉中，先以4～6℃/min的速率升温至950～1050℃，再以1.5～2.5℃/min的速率升温至1200℃～1400℃，保温3～5h；随炉冷却后取出，切磨，制得轻量高温红外辐射元件。

9、所述硅切割废料细粉是将单晶硅或多晶硅的切割废液经干燥后磨细得到的细粉，所述硅切割废料细粉的平均粒径小于74μm；所述硅切割废料细粉：si含量≥30wt％，sic含量≥30wt％。

10、所述生产重铬酸钠产生的残渣细粉：fe2o3含量≥40wt％，al2o3+cr2o3含量≥10wt％；所述生产重铬酸钠产生的残渣细粉的平均粒径小于45μm。

11、所述煤矸石细粉：al2o3含量≥30wt％，sio2含量≥40wt％；所述煤矸石细粉的平均粒径小于74μm。

12、所述菱镁矿细粉的mgo含量≥43wt％；菱镁矿细粉的平均粒径小于74μm。

13、所述磷酸二氢铝溶液的al(h2po4)3含量≥50wt％。

14、由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

15、本发明采用的主要原料为硅切割废料、生产重铬酸钠产生的残渣细粉和煤矸石细粉，都属于工业废弃物，且所述工业废弃物的资源化利用率高，再利用率为86～92％；不仅能显著降低生产成本，充分发挥了工业废弃物的潜在价值。为这些工业废弃物的高附加值利用提供了新的途径，且减少了个废弃物的污染，提高了工业废弃物的资源化利用率，具有显著的环保价值和经济价值。

16、本发明采用的硅切割废料细粉中含有的聚乙二醇、表面活性剂和乳化剂等有机残留物，在高温下会裂解并留下气孔；另外，本发明采用的煤矸石细粉中含有约10～15％的碳，碳在高温下燃烧会留下气孔，且煤矸石中主要矿相为高岭石，高岭石在高温下失去结构水，从而使轻量高温红外辐射元件内形成大量微孔；本发明采用的菱镁矿细粉主要成分为mgco3，mgco3在高温下会分解产生co2并留下气孔。故上述原料经过高温烧成后留下大量的微气孔，使得轻量高温红外辐射元件具备低的密度；加之本发明选取20～50mpa的成型压力，使所制备的高温红外辐射元件素坯密度相降低；因此不仅悬挂在工业炉窑顶部时不易脱落。尤为重要的是，大量微孔的存在也非常有利于高温红外辐射元件的红外辐射吸收，这些微孔能增加散射面积和投影深度，保证高温下经过微孔反射的能量进一步被吸收，最终使得轻量高温红外辐射元件在1～8μm波段具有高的发射率。

17、本发明采用的原料中：硅切割废料细粉的主要成分为高发射率的单质si和sic；生产重铬酸钠产生的残渣中最主要物相fe3o4也是高发射率组分，所述生产重铬酸钠产生的残渣的存在有利于所制备的轻量高温红外辐射元件能获得高的红外发射率；硅切割废料细粉中含有的聚乙二醇、表面活性剂和乳化剂等有机残留物的裂解、煤矸石细粉中碳的燃烧会导致材料内部形成co还原性气氛，硅切割废料细粉中单质si会与co反应生成sic，少量单质si与煤矸石中的碳直接接触也会反应生成sic；生产重铬酸钠产生的残渣中含有mgo、al2o3和cr2o3，再加上煤矸石细粉中al2o3和sio2与菱镁矿细粉中mgo会反应先后生成mgal2o4、mgfe2o4和mgcr2o4等尖晶石及堇青石(mg2al4si5o18)相，并且高温下部分离子半径相近的离子会相互取代形成掺杂尖晶石，部分离子也进入堇青石晶体结构的孔隙中形成掺杂堇青石。高温下原位反应生成的sic、掺杂尖晶石及掺杂堇青石均会进一步提升红外辐射元件的发射率。

18、本发明采用的原料经高温烧结反应后得到的sic、单质si和堇青石的膨胀系数均较低，三者形成复合材料有利于提高制得的轻量高温红外辐射元件整体的热震稳定性；同时大量微孔的存在能有效地降低热应力，防止裂纹的扩展，从而提高了元件的抗热震性能。

19、本发明采用生产重铬酸钠产生的残渣细粉中通常会含有部分六价铬(如以重铬酸钠等形式存在)，依然存在六价铬的污染问题。硅切割废料细粉中含有的聚乙二醇、表面活性剂和乳化剂等有机残留物的裂解、煤矸石细粉中碳的燃烧会导致材料内部形成co还原性气氛，在高温还原气氛下六价铬很容易还原成三价铬，可以彻底消除六价铬污染。故本发明采用的生产重铬酸钠产生的残渣无需解毒便能直接使用，避免了六价铬的污染问题，工艺简单，尤其是不存在其他二次污染，环境友好。

20、本发明制备的轻量高温红外辐射元件经检测：密度为1.1～1.5g/cm3；在1100℃条件下保温20min，水冷反复12～20次不发生开裂现象；使用傅里叶光谱发射率测量系统测试该元件在1～8μm波段平均发射率为0.85～0.93。

21、因此，本发明具有工艺简单、工业废弃物的资源化利用率高和环境污染小的特点，所制备的高温红外辐射元件密度小、热震稳定性好、在1～8μm波段具有高红外发射率。