一、 介紹
自20世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)外多種高發(fā)射性材料被嘗試應(yīng)用到鋼鐵、玻璃、陶瓷、石化及其它工業(yè)窯爐領(lǐng)域，但是并未取得良好的節(jié)能效果，一直沒(méi)有被客戶所認(rèn)可。大部分應(yīng)用的失敗是因?yàn)槭褂谜邲](méi)有正確理解發(fā)射系數(shù)這個(gè)概念而錯(cuò)誤的使用了材料，尤其是材料本身耐物理和化學(xué)侵蝕的弱點(diǎn)，不能在苛刻的煉鋼、玻璃溶液等條件下長(zhǎng)時(shí)間使用；同時(shí)，某些材料的發(fā)射系數(shù)隨時(shí)時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，使用壽命只有5-10個(gè)月，而且涂層也在高溫條件下因粘結(jié)力不足而大面積脫落。
在1994年，美國(guó)宇航局（NASA）研發(fā)出一種高發(fā)射率的噴涂材料，用于新一代航天飛機(jī)X33（圖1）和X34（圖2）表面的隔熱保護(hù)。2年后，這項(xiàng)技術(shù)被授權(quán)使用到民用領(lǐng)域。
圖1 X33航天器 圖2 X34 航天器
二、 Emisshield材料
NASA研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)須滿足航天器在執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)時(shí)發(fā)射率保持不變。NASA使用昂貴的不氧化的高發(fā)射性材料，將航天器返回大氣層時(shí)因與大氣摩擦產(chǎn)生的熱量（溫度1650oC）有效吸收并再發(fā)射回大氣層。NASA改進(jìn)了原有的材料體系，新的陶瓷材料組份和粘結(jié)技術(shù)使其可以噴涂到金屬，陶瓷材料，耐火材料，陶瓷纖維基體。
因航天器要求涂層的厚度必須輕薄，所以新材料噴涂、固化后的厚度只有0.1~0.2mm；材料噴涂后與基體的粘結(jié)力高于涂層間的粘結(jié)力，噴涂后的材料不會(huì)因?yàn)闊嵴饹_擊而脫落；當(dāng)基體與材料受到熱震沖擊時(shí)，涂層內(nèi)納米材料分子隨著噴涂基體的膨脹而延展，以抵消熱震產(chǎn)生的剝離力；此外，該材料使用的硅酸鹽質(zhì)無(wú)機(jī)粘合劑，具有耐酸堿侵蝕性，同時(shí)該材料噴涂后可完全遮蓋金屬表面，無(wú)針眼，所以特別適合應(yīng)用到腐蝕較嚴(yán)重的部位。
三、發(fā)射系數(shù)
高發(fā)射性材料的錯(cuò)誤使用是因?yàn)槭褂谜咤e(cuò)誤的理解了發(fā)射系數(shù)的含義。 高發(fā)射性材料的作用不是反射。反射可以將98%的熱量以同樣的低溫紅外波長(zhǎng)反射回去，且反射不能反射對(duì)流的熱量。
高發(fā)射性材料也不是一種保溫材料。將高發(fā)射性材料噴涂到陶瓷纖維或者金屬基體的工作面后，可以減少通過(guò)熱傳導(dǎo)流失的熱量，這不是因?yàn)椴牧媳旧砭哂械蜔醾鲗?dǎo)性，而事實(shí)上此材料反而比耐火磚具有更高的熱傳導(dǎo)效率。在工業(yè)窯爐中，熱量是由耐火材料內(nèi)襯和水冷壁來(lái)保存的，而一部分的熱量根據(jù)耐材材料導(dǎo)熱系數(shù)的高低而有不同程度的流失（圖3）。
為了減少熱量流失，典型的方法就是在耐火材料內(nèi)襯的冷面使用保溫隔熱材料，同時(shí)提高熱面的材質(zhì)，以吸收并積蓄更多熱量。
圖4 噴涂Emisshield材料后熱量流失減少
通過(guò)內(nèi)壁表面高發(fā)射率材料再輻射的熱量可以以如下公式計(jì)算：
Q = Ew . δ. (TC4-TL4)
Q =再輻射的熱量
Ew =內(nèi)壁材料的發(fā)射系數(shù)
δ=斯忒藩‐玻爾茲曼常數(shù)
TC4 = 內(nèi)壁涂層的溫度
TL4= 爐內(nèi)低溫產(chǎn)品的溫度
Emisshield 材料的發(fā)射系數(shù)Ew在0.85~0.95之間，即85%~95%的吸收的熱量會(huì)被再輻射回窯爐內(nèi)的低溫產(chǎn)品。而Emisshield 材料在1650oC 的高溫條件下仍保持發(fā)射率不變。在鋼鐵制造過(guò)程中，所有的耐火材料和金屬基體的在高溫條件下的發(fā)射系數(shù)只有0.2~0.3 之間。δ 是一個(gè)不變的常數(shù)。另外的一個(gè)可變量，也是決定是否Emisshield 產(chǎn)生效果的關(guān)鍵因素是爐內(nèi)的溫差，即內(nèi)壁和被加熱產(chǎn)品的溫差：TC4 -TL4。爐內(nèi)溫差越大，再輻射的熱量也就越大，但是如果爐內(nèi)溫差較小或者沒(méi)有溫差，則噴涂高發(fā)射性節(jié)能材料即不起作用。
所以，使用高發(fā)射性節(jié)能材料需要取決于爐內(nèi)是否存在輻射條件。如果窯爐內(nèi)不存在熱量輻射環(huán)境，那么高發(fā)射性材料則不會(huì)起到預(yù)期的效果，例如在鋼包接觸鋼水的內(nèi)壁噴涂高發(fā)射性節(jié)能材料即不會(huì)產(chǎn)生作用；同樣，如果在重質(zhì)耐火磚和輕質(zhì)內(nèi)襯之間或是在耐火材料與爐殼之間噴涂此材料，或者在任何低溫產(chǎn)品與節(jié)能材料直接接觸的部位，材料也不能吸收、再輻射熱量。
四、Emisshield材料在鋼鐵行業(yè)的使用
從2004年11月份以來(lái)， 美國(guó)Harbison-Walker International （HWI） 公司開(kāi)始將此高發(fā)射性材料應(yīng)用到鋼鐵行業(yè)的不同窯爐中， 取得了良好的效果，目前已在鋼鐵、鑄造行業(yè)的多種爐型使用， 如加熱爐，熱處理爐，罩式退火爐，電弧爐，保溫爐等等。 如下是HWI公司在電弧爐水冷爐蓋的的案例分析。
此電爐用于熔化不銹鋼，爐頂水管裸露在工作熱面，使用壽命500爐次。爐頂侵蝕、結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是水管因侵蝕漏水，須移除爐頂修補(bǔ)，客戶每次修補(bǔ)爐頂?shù)馁M(fèi)用包括停產(chǎn)損失共計(jì)25000美金。爐頂更換前需要修補(bǔ)兩次。客戶通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，出水溫度比進(jìn)水溫度高11~13 oF，爐頂熱量損失嚴(yán)重。
爐頂及水管經(jīng)過(guò)噴砂處理后，清理了表面的鋼渣和結(jié)垢。水管經(jīng)打壓試水后，清潔爐頂，并噴涂Emisshield材料。如下圖5
圖6 美國(guó)Owens Corning公司K5窯噴涂前后能耗數(shù)據(jù)表
Emisshield 次應(yīng)用在瓶罐玻璃窯上是Libbey利比玻璃的一座熔化潔凈玻璃的燃?xì)飧G，圖7顯示了該窯噴涂后2009年6月至2010年6月的燃料成本和噴涂前2004-2008年的數(shù)據(jù)對(duì)比，Libbey計(jì)算出由小修和噴涂Emisshield帶來(lái)的燃料節(jié)省約為9%
Libbey利比玻璃窯噴涂前后能耗數(shù)據(jù)表
六、Emisshield材料在耐材、陶瓷隧道窯的使用
在國(guó)外， Emisshield已噴涂有20多座耐材、陶瓷行業(yè)的隧道窯和梭式窯，節(jié)能效果5-15%不等，同時(shí)可增產(chǎn)5-15%以上。
2015年3月6日， 江蘇新沂新世紀(jì)艾諾哈耐火材料公司在其隧道窯上使用了Emisshield材料。該隧道窯與2009年2月18日投產(chǎn)使用，工作溫度為1200-1450oC， 使用發(fā)生爐煤氣作為燃料，噴涂了燒成帶內(nèi)窯車以上的側(cè)墻和爐頂?shù)母咪X磚。 如下圖8
2. 節(jié)能11%的同時(shí)，窯車速率提高，增產(chǎn)8.3%
噴涂前窯車車速60分鐘/車， 噴涂后55分鐘/車，速度提高8.3%。
3. 溫度變化
燒成帶設(shè)定溫度降低20℃；
燃?xì)忾_(kāi)度降低，助燃風(fēng)風(fēng)量開(kāi)度降低15%；
燒成帶進(jìn)入冷卻帶的煙氣溫度降低30℃；
隧道窯排煙溫度降低10℃;
噴涂Emisshield材料后， 窯爐的設(shè)定溫度1260℃，分別在窯頂和窯車面火道中間位置放置了10#、11#、12#、13#溫錐，燒成后，窯頂位置10#、11#溫錐倒伏，窯車面位置10#溫錐倒伏（下圖9）；設(shè)定溫度與窯車面溫度差通常在30℃左右，噴涂Emisshield材料后溫差達(dá)到了90℃，極易造成產(chǎn)品過(guò)燒，需要進(jìn)一步調(diào)整窯爐溫度。
| 溫錐型號(hào)對(duì)應(yīng)軟化溫度10#1330℃11#1350℃12#1370℃13#1390℃ |