节能高温耐火涂料的研制
唐冬汉 黄 婕 谭丽霞 尹丽芳 饶桂春 尹仲潮
( 湖南省分析测试研究所 长沙 410004)

随着我国经济的快速发展, 工业及民用能源需求量日益增大, 能源短缺已成为经济发展的重要制约因素, 到2 000 年, 全国的能源需求量将达到21亿t 标准煤, 而此时的能源产量仅为14 亿t , 如此大的能源缺口, 单靠能源生产的发展是难以解决的. 就单位国民产值能耗比较, 我国比美国高3 倍, 比日本高7 倍, 与印度相比, 也要高出一倍多[ 1] . 显然, 解决我国能源短缺的有效途径之一是节能降耗.我国有12 亿人口, 无论是工业或民用, 能源消耗均是巨大的. 几十万台工业窑炉, 热效率仅为40% 左右, 普通的民用燃气灶火焰裸露在空气中, 由于冷热空气的对流, 热效率也很低, 仅为55% 左右.节能的潜力是巨大的.据资料介绍[ 2], 普通搪瓷涂层在接近它的软化温度( 450~ 500 ºc ) 时为时不久就会遭到破坏. 随着科学技术的发展, 要求在高温下保护金属不受氧化越来越显得非常必要了. 金属坯胎表面烧附一层具有特殊耐火性的涂层, 可保护金属胚胎在高温时不受氧化和气体的侵蚀. 这种具有特殊耐火性的涂层称为耐热瓷釉, 又称高温陶瓷涂料. 这种涂料首先用于对耐热钢、耐热镍等合金的保护, 以防止高温对其零件表面的侵蚀. 原苏联、美国等在这方面做了大量的研究工作.5北美阿维斯6商行难熔瓷釉, 具有耐高温的工作特点, 能保证被保护金属表面在高温时不被氧化, 与金属底坯有较强的密着, 高的热辐射率和热稳定性, 优良的热疲劳强度以及具有陶瓷材料和硅酸盐玻璃的介电性能, 代表着这一领域的发展水平.在国内, 科技工作者在耐高温涂料的研究方面做了很多工作, 正逐步缩小与国外的差距, 但用于民用产品, 还不多见. 本课题研究了一种用于民用燃气灶节能装置的高温节能耐火涂料.

1 研制方案
耐火涂层的软化温度越高, 软化流动性越小, 则防止坯胎氧化的能力越大[ 3]. 要降低涂层的软化流动性, 有两种方法, 一种方法是在熔块成份中加入耐火材料, 但这样制得的涂层不仅其膨胀系数与坯胎的膨胀系数不相配合, 而且其防止氧化的作用也比采用研磨添加物的方法为差, 另一种方法是在熔块研磨时涂加多量的耐火材料( 超过40% ) . 本研究采用第二种方法. 研究的涂料, 由熔块料和磨加料组成. 将熔块料与磨加料及稀释剂一起球磨混合成浆料, 加涂于金属表面, 烘干后在氧化性气氛中经高温熔烧而形成涂层. 此种涂料的特点是加热熔烧后, 涂料的一部分变成液体状态并在底材表面流展而连结成一个连续体, 在冷却凝固后与基材牢固地粘结在一起而形成致密的保护层. 另一特点是在施工过程中采用水作稀释剂, 无环境污染. 为了调整和扩大熔化范围, 采用两种软化点不同的熔块料. 其中浸润性熔块的粘度低, 表面张力小, 在烧成温度范围内熔体的流动性能好, 并能大量溶解金属表面的氧化铁; 而填充性熔块的上述性能几乎与前者相反, 它的主要作用是与浸润性熔块混合, 造成粉粒间软化点之差,以达到扩大烧成温度范围的目的.

2 实施及应用情况
2. 1 实施
节能高温耐火涂料, 既要能保护金属材料不受高温氧化侵蚀, 使制品达到耐冲击、耐化学侵蚀、密着等理化性能, 又是辐射远红外热能的辐射体. 因此要求这种涂层必须与金属基材有良好的密着性, 热膨胀系数要与基材相近, 并应有良好的导热性、热稳定性及一定的抗腐蚀等特性.具有较高辐射率的材料的性能见表1

采用表1 中某些材料虽可制得高辐射率的节能高温耐火涂料, 但价格昂贵不易得到. 有的材料使用寿命很短. 故应选择辐射率既高且稳定、高温性能好且价格适中易购的原料.试制产品采用二氧化硅、氧化铝、氧化硼、钠的碳酸盐和硝酸盐、铬、钴、镍、锰、铜等的氧化物. 制备工艺见图1.

熔块熔制工艺条件见表2.

经试验确定的两种熔块的化学组成见表3.

浆料的制备是用以上两种熔块、耐火氧化物( 以二氧化硅、氧化铝为主要成份) 和其它添加剂, 加水在球磨机中球磨. 球磨时物料比例见表4.

电解质可以是氟硅酸钠、硼砂、纯碱或其混合物. 研磨48 h 以上达到细度要求. 按表4 所示工艺条件制备浆料, 陈化24 h 以上待用.经化学处理后的坯胎采用浸涂的方法均匀涂覆浆料, 烘干后, 放入炉内在氧化性气氛中烧成, 烧成工艺条件见表5.

2. 2 使用效果
本涂料已试用于民用燃气灶节能装置) ) ) 节能环, 主要作用是能有效地抗高温氧化; 另一方面由于涂层受热后辐射红外线, 改变了加热方式, 从而可提高热效率. 经对照测试证实, 使用节能装置后, 火焰
温度提高80 ºc 以上, 热效率提高8% ~ 10% , 可节省燃气12% 以上. 第三, 涂层外表光亮美观, 易清洗. 参照GB11418 - 895搪瓷耐热性测试方法6、GB11419- 895搪瓷耐温急变性测试方法6对涂层进行测试, 耐热温度> 800 ºc , 耐温急变性> 500 ºc .

3 讨论
节能高温耐火涂料是一种硼硅酸盐玻璃质混合物. 其技术关键是软化点不同的熔块的制备. 熔块熔制的好坏, 对涂层的密着强度及其它性能将产生直接影响. 熔制不足会导致涂层化学组成分布不均匀, 球磨后浆料pH 值偏高, 工艺性能变差, 熔烧后成品产生许多缺陷; 熔制过度, 密着力降低, 浆料悬浮性能变差. 此外, 磨加物品种的选择及用量的控制也很重要.由于具有抗高温氧化、耐腐蚀等特性, 节能高温耐火涂料, 可广泛应用于各种耐热零件、耐腐蚀保护涂层, 具有广阔的应用市场..