摘  要  高輻射覆層技術(shù)已在國內(nèi)外70余家鋼鐵企業(yè)520余座高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t上應(yīng)用，獲得了顯著的節(jié)能效果；已獲得國內(nèi)外發(fā)明專利10項，形成了完整的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系；制修訂相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項，形成了覆蓋高輻射覆層技術(shù)、產(chǎn)品生產(chǎn)、技術(shù)應(yīng)用、效果檢測等各環(huán)節(jié)的全方位標(biāo)準(zhǔn)化體系；按國家標(biāo)準(zhǔn)測定的蓄熱量已成為高輻射覆層技術(shù)應(yīng)用的考核指標(biāo)。

關(guān)鍵詞  高輻射覆層技術(shù)  節(jié)能涂料  專利  標(biāo)準(zhǔn)  蓄熱量

The Applied Research and Progress of High Radiative Coating Technology 

TIAN Feng-jun,  SUN Chuan-sheng,  LIU Chang-fu,  ZHANG Shao-qiang,  YANG Xiu-qing,  WU Kang-kang 

(Shandong Huimin Science & Technology Co., Ltd.,  Technical Centre,  Jinan)

Abstract: High Radiative Coating Technology has been applied on over 520 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 14 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

高輻射覆層技術(shù)是山東慧敏科技開發(fā)有限公司自主研發(fā)擁有知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，強(qiáng)化爐窯蓄熱體輻射傳熱，提高其熱效率。該技術(shù)通過在蓄熱體表面涂覆一層具有高發(fā)射率的高溫紅外節(jié)能涂料，強(qiáng)化蓄熱體的熱交換能力，使蓄熱體在燃燒期吸熱速度提高和蓄熱量增加，在送風(fēng)期放出更多的熱量。同時，高溫紅外節(jié)能涂料可改善耐材的理化性能，降低熱震和熱應(yīng)力對耐材的損傷，從而延長其使用壽命。

傳熱有三種模式：對流、輻射和傳導(dǎo)。高溫下，熱量傳遞以輻射為主。熱風(fēng)爐和焦?fàn)t加熱溫度可高達(dá)1300℃，此溫度條件下的輻射傳熱量占總傳熱量的85%以上。因此，提高輻射換熱效率可有效提高熱風(fēng)爐和焦?fàn)t的熱效率，對于降低鐵前系統(tǒng)能耗具有重要意義。

現(xiàn)代熱風(fēng)爐采用小格孔型磚，對燃燒期高溫區(qū)輻射傳熱不利。高輻射覆層技術(shù)通過在格子磚表面涂覆一層具有高發(fā)射率的高溫紅外節(jié)能涂料，可增加蓄熱量，提高高溫區(qū)格子磚的輻射換熱能力，縮小t拱與t風(fēng)的溫差20℃以上，提高熱風(fēng)爐的本體熱效率。

1  高輻射覆層技術(shù)原理

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼熱力學(xué)定律： ，輻射能E與物質(zhì)的黑度（發(fā)射率）ε0以及溫度T的4次方成正比。在相同溫度條件下，物質(zhì)的黑度ε0決定著輻射能E的大小，所以提高物質(zhì)的黑度ε0對于提高輻射換熱效率具有重要意義。而物體的黑度是由其材料表面決定的。所以，耐材表面發(fā)射率是決定輻射傳熱效率的核心因素。 

高輻射覆層技術(shù)通過在耐材基體表面涂覆一層高發(fā)射率的材料，形成厚度約0.3mm的均勻覆層，提高基體表面發(fā)射率。根據(jù)基爾霍夫定律，材料的吸收率（又稱黑度）與發(fā)射率相等。當(dāng)基體表面的發(fā)射率提高后，它吸收熱量的能力也相應(yīng)提高。所以，高輻射覆層技術(shù)顯著提高了耐材基體的熱吸收和輻射能力。

高輻射覆層技術(shù)應(yīng)用于高爐熱風(fēng)爐，可強(qiáng)化其輻射換熱，提高格子磚蓄熱能力，使格子磚在燃燒期吸熱速度和吸熱量增加，在送風(fēng)期放出更多的熱量。

2  國內(nèi)外應(yīng)用方面取得新進(jìn)展

自2005年應(yīng)用以來，高輻射覆層技術(shù)已在國內(nèi)寶鋼湛江、首鋼京唐、鞍鋼等70余家鋼鐵企業(yè)和國外ArcelorMittal的兩家鋼鐵公司、浦項制鐵公司的520余座高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t上應(yīng)用。應(yīng)用高輻射覆層技術(shù)，熱風(fēng)爐可提高蓄熱量10％以上，同等條件下或降低煤氣消耗5%以上，或延長送風(fēng)時間5%以上，或提高風(fēng)溫10℃以上，核算噸鐵效益3元左右；焦?fàn)t降低煤氣消耗3%以上，同時減少漏氣率，縮短結(jié)焦時間，提高焦炭質(zhì)量。

2.1  寶鋼湛江鋼鐵公司2號5050m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2015年9月，寶鋼湛江2號5050m3高爐4座熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，經(jīng)過兩次對比檢測，單位風(fēng)量的煤氣消耗量分別降低5.32%和5.90%，廢氣溫度降低7.23℃，年節(jié)約標(biāo)煤14090.37噸。

2.2  韓國浦項制鐵公司3號5600m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

浦項制鐵公司3號高爐檢修，高爐容積由4350m3增至5600m3，熱風(fēng)爐相應(yīng)增加風(fēng)量，這就要求熱風(fēng)爐必須擁有足夠的蓄熱能力，增加輸出熱量，從而保證為高爐提供平穩(wěn)的高風(fēng)溫。浦項制鐵決定在3號高爐4座熱風(fēng)爐上采用高輻射覆層技術(shù)，以解決熱風(fēng)爐蓄熱面積不足的難題。2016年6月3日，3號高爐4座熱風(fēng)爐涂覆施工圓滿結(jié)束，并順利通過了竣工驗收?，F(xiàn)場驗收進(jìn)行蓄熱量測試，有覆層試樣比無覆層試樣蓄熱量平均提高16.01%。這是繼ArcelorMittal加拿大DOFASCO項目和波蘭SA克拉科夫項目之后，高輻射覆層技術(shù)在國際市場推廣應(yīng)用的又一個里程碑。

2.3  山鋼日照精品基地5100m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2017年山鋼日照精品基地新建2座5100m3高爐8座熱風(fēng)爐應(yīng)用高輻射覆層技術(shù)，蓄熱量測試提高14.08%，已完成1座高爐4座熱風(fēng)爐的施工。

2.4  首鋼曹妃甸2號5500m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2009年，首鋼京唐曹妃甸2號5500m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用高輻射覆層技術(shù)。2010年通過熱平衡診斷測定，2號高爐熱風(fēng)爐節(jié)約煤氣7%；2014年~2015年的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，2號高爐熱風(fēng)爐節(jié)約煤氣量達(dá)7.45%。

2.5  沙鋼5800m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2009年沙鋼5800m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用高輻射覆層技術(shù)，蓄熱量提高13.35%。之后沙鋼兩座1080m3高爐6座熱風(fēng)爐和2500m3高爐新增的熱風(fēng)爐都采用了高輻射覆層技術(shù)。

2.6  馬鋼4號3200m3高爐2#熱風(fēng)爐應(yīng)用

2016年3月馬鋼4號3200m3高爐2#熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，2016年9月4號高爐投產(chǎn)運(yùn)行。采集2017年5月、6月生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，2#熱風(fēng)爐混前風(fēng)溫平均提高11.69℃。

2.7  武鋼8號4000m3高爐2#熱風(fēng)爐應(yīng)用

武鋼8號高爐2#熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，于2017年5月底投產(chǎn)。2017年6月采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，2#熱風(fēng)爐平均風(fēng)溫提高8.26℃，同時送風(fēng)時間延長了3.57%。

2.8  鞍鋼新5號高爐熱風(fēng)爐和新10號高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2008年新5號2580m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，對比了2011年-2014年的4年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，風(fēng)溫平均提高33℃且運(yùn)行穩(wěn)定。2012年新10號高爐熱風(fēng)爐再次采用高輻射覆層技術(shù)，對比檢測結(jié)果顯示，風(fēng)溫提高14.3℃。

2.9  攀鋼西鋼釩3號 1750m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2011年攀鋼西鋼釩3號1750m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，平均風(fēng)溫提高14.4℃。

2.10  石橫特鋼1080m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2007年，石橫特鋼1080m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，分別于2008年和2014年進(jìn)行了節(jié)能診斷，平均風(fēng)溫提高20℃以上，廢氣溫度降低15℃，運(yùn)行6年時間，節(jié)能效果穩(wěn)定不衰減。

2.11  石鋼高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

石鋼于2010年在1080m3高爐1號和2號熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)。2016年10月份對高爐系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集分析，1號和2號熱風(fēng)爐單位體積送風(fēng)量所耗煤氣量分別減少5.08%和5.47%；同時熱風(fēng)溫度分別提高13℃和11℃。

2.12  濟(jì)鋼1750m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2005年濟(jì)鋼2號1750m3高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用高輻射覆層技術(shù)，跟蹤檢測十年，始終保持著蓄熱能力增強(qiáng)，蓄放熱速度加快的狀態(tài)。

2.13  日鋼高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用

2010年日鋼5號高爐球式熱風(fēng)爐應(yīng)用了高輻射覆層技術(shù)，達(dá)到了節(jié)約煤氣量6.91%的效果，隨后在全廠64座高爐熱風(fēng)爐全部采用，實現(xiàn)年節(jié)能效益6000萬元以上。同時高輻射覆層可以改善蓄熱球的物理力學(xué)性能，延緩渣化，平均延長蓄熱體的使用壽命一年。

3  形成完整的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系

目前高輻射覆層技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利8項，俄羅斯專利1項，日本專利1項，形成了完整的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系，包括覆層蓄熱體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、覆層材料制備工藝創(chuàng)新、涂覆施工工藝創(chuàng)新、傳熱理論創(chuàng)新等一系列的研發(fā)成果。

發(fā)明專利《帶覆層的熱交換器》（ZL 2005 1 0043838.X）權(quán)利要求：在蓄熱體表面的一面或多面涂有一層高輻射材料覆層，所述高輻射材料的發(fā)射率高于蓄熱體基體材料的發(fā)射率。

發(fā)明專利《一種提高焦?fàn)t燃燒室傳熱效率的方法》（ZL 2009 1 0014936.9）權(quán)利要求：在燃燒室立火道內(nèi)壁涂覆高發(fā)射率材料覆層，所述高輻射材料的發(fā)射率高于立火道內(nèi)壁基體耐火材料的發(fā)射率。

4  形成全方位的標(biāo)準(zhǔn)化體系

為深入貫徹實施標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略，圍繞高輻射覆層技術(shù)，由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會提出，山東慧敏科技公司會同冶金標(biāo)準(zhǔn)研究院、鞍鋼技術(shù)中心、首鋼技術(shù)中心等單位制修訂的10項國家標(biāo)準(zhǔn)和4項冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)國家標(biāo)準(zhǔn)委、國家質(zhì)檢總局和工信部批準(zhǔn)發(fā)布實施，形成了覆蓋技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)、應(yīng)用和效果檢測等各環(huán)節(jié)的全方位標(biāo)準(zhǔn)化體系。

GB/T 33785-2017《高輻射覆層節(jié)能技術(shù)規(guī)范》于2017年5月31日發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和規(guī)范了高輻射覆層技術(shù)的作用原理、技術(shù)要求、節(jié)能指標(biāo)、效果評價等內(nèi)容。該標(biāo)準(zhǔn)明確提出了在不同工業(yè)爐窯應(yīng)用高輻射覆層節(jié)能技術(shù)的節(jié)能指標(biāo)：高爐熱風(fēng)爐可節(jié)能4.5%以上，焦?fàn)t可節(jié)能2.5%以上，軋鋼加熱爐、石化管式加熱爐、電力熱力行業(yè)鍋爐可節(jié)能2.0%以上。

《高爐用高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐節(jié)能技術(shù)規(guī)范》、《軋鋼加熱爐節(jié)能運(yùn)行技術(shù)要求》、《軋鋼加熱爐節(jié)能設(shè)計技術(shù)規(guī)范》等應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，都明確規(guī)定了對于爐窯蓄熱體應(yīng)用高輻射覆層技術(shù)，以達(dá)到爐窯節(jié)能的技術(shù)要求。

國家標(biāo)準(zhǔn)《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》作為其節(jié)能效果的檢測標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一和規(guī)范高輻射覆層技術(shù)對于耐材基體蓄熱量改進(jìn)效果的測試方法，在試驗室內(nèi)即可對其應(yīng)用的節(jié)能效果進(jìn)行判定，對于規(guī)范市場、引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)步，推動技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化具有重要意義。

5  國家標(biāo)準(zhǔn)《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》成為重要的考核指標(biāo)

高輻射覆層技術(shù)是強(qiáng)化工業(yè)爐窯輻射傳熱的節(jié)能新技術(shù)，對其功效的判定有熱平衡對比測試、工業(yè)數(shù)據(jù)對比和蓄熱量測定幾種方法。前兩種方法因必須有未應(yīng)用該技術(shù)的相同爐況的爐窯作為對比對象，不容易實現(xiàn)。尤其對于高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)，出于對比的目的，有的熱風(fēng)爐應(yīng)用高輻射覆層技術(shù)，有的未應(yīng)用，會造成操作不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生“短板”現(xiàn)象，為生產(chǎn)帶來不必要的麻煩和損失。

蓄熱量測定的方法解決了這一問題。蓄熱量是定義蓄熱體工作狀況好壞的主要指標(biāo)。高輻射覆層技術(shù)將具有高發(fā)射率的覆層材料涂覆于蓄熱體表面，強(qiáng)化輻射傳熱，提高其蓄放熱能力。經(jīng)多年工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)和實驗室數(shù)據(jù)驗證，高輻射覆層蓄熱量測定與爐窯節(jié)能存在明顯的對應(yīng)關(guān)系：蓄熱體蓄熱能力提高率達(dá)到10%以上時，高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t節(jié)能分別達(dá)到5%和3%以上。

國家標(biāo)準(zhǔn)《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》規(guī)定了高輻射覆層技術(shù)對于耐材基體蓄熱量改進(jìn)效果的測試方法。按本方法測量的蓄熱量提高率成為鋼鐵企業(yè)簽訂高輻射覆層技術(shù)應(yīng)用項目合同時的考核指標(biāo)。

5.1  方法原理

將同一批次涂高輻射覆層與未涂高輻射覆層的兩塊相同材質(zhì)、相同形狀、相同尺寸的蓄熱體試樣，在同等條件下加熱，再利用量熱器測量和計算兩個試樣的蓄熱量，進(jìn)一步得出有覆層試樣比無覆層試樣蓄熱量提高的百分比。

由于不同蓄熱體、不同廠家生產(chǎn)的相同材質(zhì)蓄熱體比熱容值不盡相同，考慮到計算的易操作性，以水的吸熱量來代替蓄熱體試樣的吸熱量。

5.2  試驗方法

（1）用量杯或量筒分別量出1200mL水加入兩個量熱器內(nèi)。兩個量熱器應(yīng)置于同一環(huán)境中，測出水的初始溫度tc；

（2）在試驗用高溫爐升溫前先標(biāo)定試樣放置位置，試樣放置位置相隔不小于100mm，應(yīng)與爐后壁平行，左右對稱，并做好標(biāo)記；

（3）將高溫爐的爐溫升至1200℃，恒溫15min；

（4）將一對比組的試樣A（有覆層試樣）和試樣B（無覆層試樣）按標(biāo)記同時放入高溫爐內(nèi)，關(guān)閉好爐門后，秒表開始計時，加熱時間為180s；

（5）加熱180s后，將2個試樣同時取出，并快速分別浸沒于盛水的量熱器中。每隔60s分別記錄一次量熱器內(nèi)水的溫度，直到同一個量熱器三次記錄的水溫相同（溫差絕對值不大于0.5℃）時，本次實驗結(jié)束。

（6）試驗分兩次進(jìn)行。兩次試驗過程相同，在第二次試驗時兩個試樣在高溫爐中的擺放位置與第一次試驗位置調(diào)換。

5.3  蓄熱量提高效果統(tǒng)計

6  結(jié)語

高輻射覆層技術(shù)在越來越多的鋼鐵企業(yè)的高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t上得到應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果。高輻射覆層技術(shù)利用高吸收高輻射的技術(shù)優(yōu)勢，提高了耐材基體的吸放熱速率，增加了熱風(fēng)爐蓄熱體在燃燒期的吸熱量和送風(fēng)期的放熱量，提高了其熱轉(zhuǎn)換能力，從而達(dá)到提高送風(fēng)風(fēng)溫、延長送風(fēng)時間、或節(jié)約煤氣的效果。