一种基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件及其制备方法。其技术方案是，所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的原料及其含量是：粉煤灰为55～70wt％；菱镁矿细粉为8～18wt％；氧化镁细粉为6～12wt％；氧化铈细粉为1～4wt％；废旧硅钼棒细粉为4～15wt％；铝锆复合溶胶为3～5wt％。其制备方法是：先将粉煤灰和铝锆复合溶胶混合，再与菱镁矿细粉、氧化镁细粉、氧化铈细粉和废旧硅钼棒细粉继续混合，困料，压制成型，干燥，烧结，切磨，制得基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件。本发明专利技术所制制品不仅密度小、热震稳定性良好和能够在1000℃以上环境中长期使用，且能在1～5μm波段具有高红外发射率，在工业窑炉中实现定向辐射。在工业窑炉中实现定向辐射。在工业窑炉中实现定向辐射。

【技术实现步骤摘要】
一种基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件及其制备方法


[0001]本专利技术属于高温红外辐射元件
尤其是涉及一种基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件及其制备方法。

技术介绍

[0002]当前，世界能源消耗总量逐年增加，其中工业用窑炉消耗巨大。由于炉温大于800℃时，热量传递以辐射为主，辐射传热占总热量的85％以上。因此，强化辐射传热能够最大限度提升窑炉热效率，实现窑炉节能。现有的工业加热炉炉壁多是耐火砖、耐火纤维或者浇注料砌成，这些材料红外发射率普遍不高。因此，在加热炉顶部区域使用高温红外定向辐射元件将会提高窑炉的辐射传热能力，进一步提升能源利用率。
[0003]近年来，红外辐射元件的研究发展迅速，“一种用于工业窑炉的远红外辐射元件及其制备方法”(CN 108752023 A)专利技术，以钒钛尾渣以及碳化铌为主要原料制备的红外辐射元件虽解决了发射率低、易形变和开裂的问题，其在远红外波段的发射率可以达到0.92～0.95，但高发射率仅体现在远红外波段，没有涉及高温使用中起主导作用的1～5μm近红外波段，且在超过1000℃的窑炉中节能效果不明确；“一种热辐射材料及其应用热辐射材料的耐火材料(CN101973768A)专利技术，通过采用纳米超细化的粉体为原料，在炉膛内喷涂及设置热辐射材料以减少工业加热炉窑的热损失，热发射率虽达0.95，但该发射率未明确红外线波段范围，且纳米粉体长期在1000℃以上高温使用，会发生晶粒长大，能与窑炉基体组分发生反应，进而导致所制备材料的红外辐射性能发生变化，同时纳米粉体的引入大幅度提高了材料的成本；“高红外元件及其制备方法和应用“(CN 113913779A)专利技术，通过在金属材料基底生长石墨烯红外辐射增强涂层，有效增强金属材料的红外发射能力，但由于其基底是合金，红外发射率均在300℃以下进行测试，无法保证能够在使用温度超过1000℃的窑炉中正常使用，且石墨烯红外辐射增强涂层与合金基底的热膨胀系数相差较大，抗热震稳定性差；“一种碳化硅红外辐射陶瓷材料及其制备方法”(CN111170143A)专利技术，采用固相烧结法制备了碳化硅红外辐射陶瓷材料，其发射率虽能达到0.84，但其密度为2.01g/cm3，安装于窑炉顶部容易脱落。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种成本低的基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的制备方法；用该方法制备的基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件不仅密度小、热震稳定性良好和能够在1000℃以上环境中长期使用，且能在1～5μm波段具有高红外发射率，在工业窑炉中实现定向辐射。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的外形为圆锥台，在所述圆锥台的上平面向内同轴线地设有倒圆锥台空腔；所述圆锥台的锥度为1∶5～10，所述倒圆锥台空腔的锥度为1∶10～20。
[0007]圆锥台与倒圆锥台空腔的高度差(H
‑
h)＝1～2.5cm
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(1)
[0008]圆锥台上平面的圆环半径差(R
‑
r)＝1～1.5cm
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(2)式(1)和式(2)中：
[0009]H表示所述圆锥台的高度，cm；
[0010]h表示所述倒圆锥台空腔的高度，cm；
[0011]R表示所述圆锥台上平面的半径，cm；
[0012]r表示所述圆锥台空腔上平面的半径，cm。
[0013]所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的原料及其含量是：
[0014][0015][0016]所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的制备方法是：
[0017]按所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰和所述铝锆复合溶胶混合5～15min，制成混合料A；再将所述菱镁矿细粉、氧化镁细粉、氧化铈细粉和废旧硅钼棒细粉加入到所述混合料A中，继续混合15～20min，得到混合料B；然后将混合料B困料12～24小时，于60～100MPa条件下压制成型，得到素坯，将所述素坯在100～120℃条件下干燥12～24h；将干燥后的素坯以4～6℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以1.5～2.5℃/min的速率升温至1200℃～1400℃，保温3～5h，随炉冷却，取出，切磨，制得基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件。
[0018]所述粉煤灰：Al2O3含量≥30wt％，SiO2≥50wt％含量；所述粉煤灰的平均粒径≤150μm。
[0019]所述菱镁矿细粉的MgO含量≥45wt％；菱镁矿细粉的平均粒径小于74μm。
[0020]所述氧化镁细粉的MgO含量≥96％，氧化镁细粉的平均粒径≤45μm。
[0021]所述氧化锶的细粉中CeO2含量≥95％，氧化锶的平均粒径≤45μm。
[0022]所述废旧硅钼棒细粉的平均粒径≤45μm。
[0023]所述铝锆复合溶胶：ZrO2含量≥5wt％；Al2O3含量≥10wt％。
[0024]由于采用上述技术方案，本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0025]本专利技术采用的粉煤灰的主要化学成分为Al2O3和SiO2，所述粉煤灰与菱镁矿细粉及氧化镁细粉混合，在1200～1400℃条件下烧结后能反应生成以堇青石为主的物质。由于所述粉煤灰中常常存在的Ca、Fe等杂质的影响，本专利技术得到的堇青石与堇青石理论组成具有一定的偏差，并且它的晶格发生了一定的畸变，因而制得的基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件(以下简称“高温红外定向辐射元件”)具有较高的红外辐射率。
[0026]本专利技术在上述原料基础上采用氧化铈细粉，经高温烧结后的Ce
4+
进入到堇青石六
元环晶格中，Ce
4+
能够吸引堇青石上下两个六元环结构中的O2‑
，造成六元环面间距的减小；也能够吸引同一六元环内的O2‑
，造成六元环直径的减小；同时Ce
4+
也存在同性相斥作用，增加了六元环的面间距，使堇青石晶体产生畸变，使晶体结构的对称性降低，产生偶极矩，晶格红外活性振动增强，从而进一步提升了高温红外定向辐射元件在1～5μm波段的红外发射率。
[0027]本专利技术还采用的废硅钼棒细粉，其主要成分为MoSi2。MoSi2作为一种金属间化合物，其导带和价带具有部分重叠，费米能级上具有相对较低的态密度，这能够使自由电子更轻易从价带跃迁至导带；同时，MoSi2中的Mo原子的4d电子轨道和Si原子的3p电子轨道形成了杂化轨道，进一步提高了近红外波段的热辐射性能；此外，MoSi2具有良好的热传导性能，叠加上述特殊堇青石，能保证热量迅速传递到表面，并将其转化为红外线辐射出去。因此，本专利技术制备的高温红外定向辐射元件在1～5μm波段具有高的红外发射率。
[0028]本专利技术采用的粉煤灰比重轻，疏松多孔，且含有部分空心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的制备方法，其特征在于：所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的外形为圆锥台，在所述圆锥台的上平面向内同轴线地设有倒圆锥台空腔；所述圆锥台的锥度为1∶5～10，所述倒圆锥台空腔的锥度为1∶10～20；圆锥台与倒圆锥台空腔的高度差(H
‑
h)＝1～2.5cm
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(1)圆锥台上平面的圆环的半径差(R
‑
r)＝1～1.5cm
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(2)式(1)和式(2)中：H表示所述圆锥台的高度，cm，h表示所述倒圆锥台空腔的高度，cm，R表示所述圆锥台上平面的半径，cm，r表示所述圆锥台空腔上平面的半径，cm；所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的原料及其含量是：所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的制备方法是：按所述基于粉煤灰的高温红外定向辐射元件的原料及其含量，先将所述粉煤灰和所述铝锆复合溶胶混合5～15min，制成混合料A；再将所述菱镁矿细粉、氧化镁细粉、氧化铈细粉和废旧硅钼棒细粉加入到所述混合料A中，继续混合15～20min，得到混合料B；然后将混合料B困料12～24小时，于60～100MPa条件下压制成型，得到素坯，将所述素坯在100～120℃条件下干燥12～24h；将干燥后的素坯以4～6℃/min的速率由室温升温至1000℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑绍柏，王光阳，孙义燃，李亚伟，王庆虎，朱天彬，廖宁，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：