高辐射覆层技术应用研究进展

田凤军  孙传胜  刘常富  张绍强  翟延飞  杨秀青

山东慧敏科技开发有限公司

摘要：高辐射覆层技术已在国内外70余家钢铁企业近500座高炉热风炉、焦炉上应用，获得了显著的节能效果；已获得国内外发明专利10项，形成了完整的知识产权保护体系；制修订相关国家标准、行业标准14项，形成了覆盖高辐射覆层技术、产品生产、技术应用、效果检测等各环节的全方位标准化体系；按国家标准测定的蓄热量已成为高辐射覆层技术应用的考核指标。

关键词：高辐射覆层技术，节能涂料，专利，标准，蓄热量

The Applied Research and Progress of High Radiative Coating Technology

Fengjun Tian, Chuansheng Sun, Changfu Liu, Shaoqiang Zhang, Yanfei Zhai

Shandong Huimin Science & Technology Co., Ltd.

Abstract: High Radiative Coating Technology has been applied on nearly 500 BF hot stoves and coke ovens in more than 70 iron and steel enterprises, obtained obvious energy saving effect; HRC have already won 10 invention patents home and abroad, and formed a complete system of intellectual property rights protection. Drawing 13 items of related national standards and industry standards, we formed comprehensive standardization system, which covered HRC tech, production, application, inspection etc. Heat storage capacity inspection according to the national standard has became the evaluation index of HRC applied.

Key words: high radiative technology, energy saving coating, patent, standard, heat storage capacity.

高辐射覆层技术是山东慧敏科技开发有限公司（简称：慧敏科技）自主研发拥有知识产权的专利技术，强化炉窑蓄热体辐射传热，提高其热效率。该技术通过在蓄热体表面涂覆一层具有高发射率的高温红外节能涂料，强化蓄热体的热交换能力，使蓄热体在燃烧期吸热速度提高和蓄热量增加，在送风期放出更多的热量。同时，高温红外节能涂料可改善耐材的理化性能，降低热震和热应力对耐材的损伤，从而延长其使用寿命。

1 高辐射覆层技术原理

铁前系统能耗占钢铁工业总能耗的70%左右，高炉和焦炉系统是主要的能耗单元，是节能重点。

传热有三种模式：对流、辐射、传导。高温下，热量传递以辐射为主。热风炉和焦炉燃烧温度可高达1300℃，此温度条件下的辐射传热量占总传热量的85%以上。因此，提高辐射换热效率可有效提高热风炉和焦炉的热效率，对于降低铁前系统能耗具有重要意义。

根据斯蒂芬-玻尔兹曼热力学定律： ，辐射能E与物质的黑度（发射率）ε0以及温度T的4次方成正比。在相同温度条件下物质的黑度ε0决定着辐射能E的大小，所以提高物质的黑度ε0对于提高辐射换热效率具有重要意义。而物体的黑度是由其表面材料决定的。所以，耐材表面发射率是决定辐射传热效率的核心因素。

高辐射覆层技术通过在耐材基体表面涂覆一层高发射率的材料，形成厚度约0.3mm的均匀覆层，提高基体表面发射率。根据基尔霍夫定律，材料的吸收率（又称黑度）与发射率相等。当基体表面的发射率提高后，它吸收热量的能力也相应提高。所以，高辐射覆层技术显著提高了耐材基体的热吸收和辐射能力。

高辐射覆层技术应用于高炉热风炉，可强化其辐射换热，提高格子砖蓄热能力，使格子砖在燃烧期吸热速度和吸热量增加，在送风期放出更多的热量。

2 国内外应用方面取得新进展

自2005年应用以来，高辐射覆层技术已在国内宝钢湛江、首钢京唐、鞍钢等70余家钢铁企业和国外ArcelorMittal的两家钢铁公司、浦项制铁公司的近500座高炉热风炉、焦炉上应用。应用高辐射覆层技术，热风炉可提高蓄热量10％以上，同等条件下或降低煤气消耗5%以上，或延长送风时间5%以上，或提高风温10℃以上，核算吨铁效益3元左右；焦炉降低煤气消耗3%以上，同时减少漏气率，缩短结焦时间，提高焦炭质量。

2.1 宝钢湛江钢铁公司2# 5050m3高炉热风炉应用高辐射覆层技术

宝钢湛江钢铁有限公司于2016年7月投产的2# 5050m3高炉，其4座热风炉的高温区格子砖采用了高辐射覆层技术。经过认真考察论证、筛选比较之后，宝钢湛江项目组认为该技术具有的显著节能效果和可靠品质，最终选定在2#高炉热风炉应用高辐射覆层技术。

2.2 韩国浦项制铁公司3# 5600m3高炉热风炉应用高辐射覆层技术

浦项制铁公司3#高炉检修，高炉容积由4350m3增至5600m3，热风炉相应增加风量，这就要求热风炉必须拥有足够的蓄热能力，增加输出热量，从而保证为高炉提供平稳的高风温。经过反复考察、论证后，浦项制铁决定在3#高炉4座热风炉上采用高辐射覆层技术，以解决热风炉蓄热面积不足的难题。2016年6月，3#高炉4座热风炉应用高辐射覆层技术的格子砖涂覆施工圆满结束，并顺利通过了竣工验收。这是继ArcelorMittal加拿大DOFASCO项目和波兰SA克拉科夫项目之后，高辐射覆层技术在国际市场推广应用的又一个里程碑。

2.3石钢高炉热风炉应用高辐射覆层技术热平衡诊断

石钢于2010年在1080m3高炉1#和2#热风炉应用了高辐射覆层技术，3#热风炉未应用。为研究高辐射覆层技术的长期应用效果，2016年10月份对高炉系统运行数据进行了采集分析。对比3#热风炉，1#和2#热风炉单位体积送风量所耗煤气量分别减少5.08%和5.47%；同时热风温度分别提高13℃和11℃。

3 形成完整的知识产权保护体系

目前，高辐射覆层技术已获得国家发明专利8项，俄罗斯专利1项，日本专利1项，形成了完整的知识产权保护体系，包括覆层蓄热体结构创新、覆层材料制备工艺创新、涂覆施工工艺创新、传热理论创新等一系列的研发成果。

发明专利《带覆层的热交换器》（ZL 2005 1 0043838.X）权利要求：在蓄热体表面的一面或多面涂有一层高辐射材料覆层，所述高辐射材料的发射率高于蓄热体基体材料的发射率。

发明专利《一种提高焦炉燃烧室传热效率的方法》（ZL 2009 1 0014936.9）权利要求：在燃烧室立火道内壁涂覆高发射率材料覆层，所述高辐射材料的发射率高于立火道内壁基体耐火材料的发射率。

4 形成全方位的标准化体系

为深入贯彻实施标准化战略，围绕高辐射覆层技术，山东慧敏科技开发有限公司制修订了国家标准、行业标准14项，其中4项国家标准、3项冶金行业标准已经国家标准委和工信部批准发布实施，形成了覆盖技术产品生产、应用、效果检测等各环节的全方位标准化体系。

国家标准《高辐射覆层节能技术规范》（计划号：20152232-T-605）由山东慧敏科技与冶金标准研究院负责起草，现已通过了由全国钢标准化技术委员会节能工作组组织的专家审定，经专家组认定该标准达到了国际先进水平。该标准统一和规范了高辐射覆层技术的作用原理、技术要求、节能指标、效果评价等内容。该标准明确提出了在不同工业炉窑应用高辐射覆层节能技术的节能指标：高炉热风炉可节能4.5%以上，焦炉可节能2.5%以上，轧钢加热炉、石化管式加热炉、电力热力行业锅炉可节能2.0%以上。

《高炉用高风温顶燃式热风炉节能技术规范》、《轧钢加热炉节能运行技术要求》、《轧钢加热炉节能设计技术规范》等应用标准，都明确规定了对于炉窑蓄热体应用高辐射覆层技术，以达到炉窑节能的技术要求。

国家标准《高辐射覆层蓄热量的测定与计算方法》作为其节能效果的检测标准，统一和规范高辐射覆层技术对于耐材基体蓄热量改进效果的测试方法，在试验室内即可对其应用的节能效果进行判定，对于规范市场、引导技术进步，推动技术成果的转化具有重要意义。

5 国家标准《高辐射覆层蓄热量的测定与计算方法》成为重要的考核指标

高辐射覆层技术是强化工业炉窑辐射传热的节能新技术，对其功效的判定有热平衡对比测试、工业数据对比和蓄热量测定几种方法。前两种方法因必须有未应用该技术的相同路况的炉窑作为对比对象，不容易实现。尤其对于高炉热风炉系统，出于对比的目的，有的热风炉应用高辐射覆层技术，有的未应用，会造成操作不协调，产生“短板”现象，为生产带来不必要的麻烦和损失。

蓄热量测定的方法解决了这一问题。蓄热量是定义蓄热体工作状况好坏的主要指标。高辐射覆层技术将具有高发射率的覆层材料涂覆于蓄热体表面，强化辐射传热，提高其蓄放热能力。经多年工业应用数据和实验室数据验证，高辐射覆层蓄热量测定与炉窑节能存在明显的对应关系：蓄热体蓄热能力提高率达到10%以上时，高炉热风炉和焦炉节能分别达到5%和3%以上。

国家标准《高辐射覆层蓄热量的测定与计算方法》规定了高辐射覆层技术对于耐材基体蓄热量改进效果的测试方法。按本方法测量的蓄热量成为钢铁企业签订高辐射覆层技术应用项目合同时的考核指标。

5.1 方法原理

将同一批次涂高辐射覆层与未涂高辐射覆层的两块相同材质、相同形状、相同尺寸的蓄热体试样，在同等条件下加热，再利用量热器测量和计算两个试样的蓄热量，进一步得出有覆层试样比无覆层试样蓄热量提高的百分比。

由于不同蓄热体、不同厂家生产的相同材质蓄热体比热容值不尽相同，考虑到计算的易操作性，以水的吸热量来代替蓄热体试样的吸热量。

5.2 试验方法

a) 用量杯或量筒分别量出1200mL水加入两个量热器内。两个量热器应置于同一环境中，测出水的初始温度tc；

b) 在试验用高温炉升温前先标定试样放置位置，试样放置位置相隔不小于100mm，应与炉后壁平行，左右对称，并做好标记；

c) 将高温炉的炉温升至1200℃，恒温15min；

d) 将一对比组的试样A（有覆层试样）和试样B（无覆层试样）按标记同时放入高温炉内，关闭好炉门后，秒表开始计时，加热时间为180s；

e) 加热180s后，将2个试样同时取出，并快速分别浸没于盛水的量热器中。每隔60s分别记录一次量热器内水的温度，直到同一个量热器三次记录的水温相同（温差绝对值不大于0.5℃）时，本次实验结束。

f) 试验分两次进行。两次试验过程相同，在第二次试验时两个试样在高温炉中的摆放位置与第一次试验位置调换。

5.3 蓄热量提高效果统计

表1  高辐射覆层蓄热量检测数据统计

6 高辐射覆层技术列入《国家重点节能低碳技术推广目录》

2017年1月19日，《国家重点节能低碳技术推广目录（2016年本，节能部分）》发布，高辐射覆层技术作为重点节能技术在目录的119项。目录指出：钢铁工业是我国的能耗大户，其中高炉和焦系统约占全总耗的70%左右，节能减排潜力巨大。高辐射覆层技术通过在高炉热风炉、焦炉和加热炉等蓄热体的表面涂覆一层发射率高于基体的覆层，可以提高蓄热体热吸收及热辐射效率，节约燃料消耗，减少加热时间和降低排烟温度，在高炉热风炉应用实现吨铁平均效益3元。

国家发改委2017年第1号公告发布《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》（2016版），引导全社会资源投向，涉及战略性新兴产业5大领域8个产业(相关服务业单独列出)、40个重点方向下的174个子方向，近4000项细分产品和服务。其中高辐射覆层技术产品所属功能型涂料位列其中。

7 结语

高辐射覆层技术在越来越多的钢铁企业的高炉热风炉和焦炉上得到应用，取得了显著的节能效果。高辐射覆层技术利用高吸收高辐射的技术优势，提高了耐材基体的吸放热速率，增加了热风炉蓄热体在燃烧期的吸热量和送风期的放热量，提高了其热转换能力，从而达到提高送风风温、延长送风时间、或节约煤气的效果。