CN106752132B - 用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料及其制备方法和应用，它的原料按重量百分比包括20～30％的低温釉料、5～15％的高发射率填料、3～8％高导热填料、15～25％陶瓷填料、20～50％粘结剂和1～3％助剂，余量为水。该涂料应用方法首先对金属换热器基体进行处理；将涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；将涂覆完毕的金属换热器置于烟道内，利用烟气余热加热20～90min，即金属换热器表面形成高导热防腐蚀陶瓷涂层。本发明的原料易得、成本低，在高温烧结后，涂层结构稳定，与换热器金属基体结合紧密，可对金属换热器有效地起到防高温氧化、耐酸腐蚀和抗磨损的作用，同时陶瓷涂层表面比较光洁，可有效减少换热器积灰结垢，起到延长金属换热器使用寿命、提高换热效率的作用。

Description

用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料及其制备方法和 应用

技术领域

本发明涉及陶瓷涂层技术领域，具体地指一种用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料及其制备方法和应用。

背景技术

换热器是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门中常见的提高能源利用率的主要设备之一，在实际使用过程中，由于换热器所接触的环境较为复杂，如高温环境、酸性环境、含尘气体环境等，因此在使用过程中不可避免的产生高温氧化、酸蚀、磨损、穿孔、积灰等问题，严重影响了换热器的使用效率和寿命。

针对上述问题，解决方法主要有两种：一是采用耐高温、耐腐蚀金属材料，另外一种是对换热器管材表面进行保护处理。由于经济上的原因，一般企业难以接受价格昂贵的耐蚀材料，因此大多采用第二种方法，其中涂层防腐蚀是解决换热器腐蚀问题的一种重要途径，具有价格便宜、涂装施工简单、维修补涂方便、应用范围广等优点。目前换热器防腐蚀涂料研究主要集中在石油化工等领域的低温换热器上(使用温度低于350℃)使用的有机耐高温防腐蚀涂料，对于轧钢加热炉、火电厂等使用的金属换热器用陶瓷涂层研究相对较少。已有报道的金属基陶瓷涂层主要应用于各种工业锅炉的热面，主要起到提高红外辐射效率、减少沾污结渣、增强抗氧化和耐磨性能等作用，例如“一种抗沾污结渣陶瓷涂料及制备方法(专利申请号201510666902.3)”、“一种耐高温防氧化高辐射率涂料及其使用方(专利申请号201510668003.7)”、“一种适用于金属及非金属基材的高发射率高(专利申请号201310131435.5)”等，陶瓷涂层的形成温度多高于1000℃，对于使用温度650～900℃范围的金属换热器而言，无法形成致密的陶瓷涂层，且由于导热系数较小往往会对换热器的换热性能造成影响，因此需要开发一种金属换热器用高导热防腐蚀陶瓷涂料。

发明内容

本发明的目的在于一种用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料及其制备方法和应用，该涂料涂覆在金属换热器表面，使金属换热器导热系数和红外发射率高、耐高温腐蚀和硫酸腐蚀、耐磨损能力强。

为实现上述目的，解决上述技术问题，本发明提供的一种适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料，所述高导热防腐蚀陶瓷涂料的原料按重量百分比计包括20～30％的低温釉料、5～15％的高发射率填料、3～8％高导热填料、15～25％陶瓷填料、20～50％粘结剂和1～3％助剂，余量为水。

进一步地，所述高导热防腐蚀陶瓷涂料的原料按重量百分比计包括25～28％的低温釉料、8～10％的高发射率填料、6～8％高导热填料、18～20％陶瓷填料、40～45％粘结剂和1～2％助剂，余量为水。

再进一步地，所述低温釉料的原料按质量百分比计由10～20％的Na₂O、30～45％的B₂O₃、5～10％的CaO和30～45％的SiO₂组成。

再进一步地，所述低温釉料的制备方法，包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Na₂O、B₂O₃、CaO和SiO₂，混合均匀得到混合物，备用；

2)将混合物在温度为1200～1500℃件下加热熔融，再将熔融产物水淬，即得到低温釉料，其中，所述低温釉料粒度为0.3～1μm。

再进一步地，所述高发射率填料的原料按质量百分比计由40～70％的Fe₂O₃、15～30％的MnO₂、5～15％的CuO和5～15％的CoO组成。

再进一步地，所述高发射率填料的制备方法，包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Fe₂O₃、MnO₂、CuO和CoO，混合均匀得到混合物，备用；

2)将混合物在温度为1200～1350℃条件下烧结，得到烧结产物，即得到高发射率填料，其中，所述高发射率填料的粒度为0.3～1μm。

再进一步地，所述高导热填料为碳化硅和氮化硼组成，其中，碳化硅和氮化硼的重量比为1：1～9；所述的高导热填料粒度为0.3～1μm。

所述的陶瓷填料由堇青石微粉和三氧化二铬微粉组成，其中堇青石微粉和三氧化二铬微粉的重量比为1：0.4～1.2，所述的陶瓷填料粒度为0.3～1μm。

再进一步地，所述粘结剂是按质量百分比计将85～95％的硅铝溶胶和5～15％的铬酐混合而成，所述的硅铝溶胶固含量为25％，pH值8～10；

所述助剂为聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素和十二烷基苯磺酸钠中的一种或二种。

本发明还提供了一种上述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Na₂O、B₂O₃、CaO和SiO₂，混合均匀得到混合物；

2)将混合物在温度为1200～1500℃件下加热熔融，再将熔融产物水淬，即得到低温釉料，备用；

3)按质量百分比称取Fe₂O₃、MnO₂、CuO和CoO，混合均匀得到混合物；

4)将混合物在温度为1200～1350℃件下烧结，得到烧结产物，即得到高发射率填料，备用；

5)按照重量百分比称取低温釉料、高发射率填料、高导热填料、陶瓷填料进行球磨、混合均匀，然后加入粘结剂和助剂，混合成料浆，陈化，即得到高导热防腐蚀陶瓷涂料。

本发明还提供了一种上述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料的应用，包括以下步骤：

1)对金属换热器基体进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；

2)将高导热防腐蚀陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；

3)将涂覆完毕的金属换热器置于烟道内，利用烟气余热加热20～90min，即金属换热器表面形成高导热防腐蚀陶瓷涂层。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的金属换热器用高导热防腐蚀陶瓷涂料，具有良好的综合性能：耐高温、高导热、耐腐蚀、耐磨损、高发射率等。作为陶瓷填料加入的热膨胀系数低的堇青石微粉，可以缓解高发射率填料中过渡金属氧化物粉体膨胀系数远大于金属基体的问题，降低涂层的收缩率和热膨胀率，提高涂层的抗热震稳定性，使涂层与基体结合牢固，不易脱落和龟裂。作为陶瓷填料加入的高熔点三氧化二铬微粉，烧结后可在涂层外壁形成一层致密的氧化膜，不仅提高了涂层的耐高温性能，解决了常规涂层在高温下长期工作易流淌的问题，还利用自身膨胀系数较大的特点，调整了涂层在低温段的热膨胀性能。作为高导热填料加入的碳化硅和氮化硼微粉，可大幅提高涂层的导热性能，解决了常规陶瓷涂层导热系数较小引起金属换热器换热效率下降的问题，同时碳化硅微粉的加入可以提高涂层的耐磨性能。作为高发射率填料加入的多种氧化物在高温烧结后，形成反尖晶石结构的复合氧化物，使得原有四氧化三铁晶格出现大量缺陷，形成杂质能级，从而大幅提高材料的红外发射率。低温釉料的加入使得涂料在较低的温度下能够烧结，提高涂层的致密性和封闭性，增加涂层与基体的粘结力，进一步提高材料的耐腐蚀性和抗高温氧化性能。

本发明涂料中各种填料微粉的粒度为0.3～1μm，利用超微粉技术，有效降低了涂料的表面能，使涂层与金属基体以机械、物理及化学的方式紧密结合。

本发明的涂料半球点温度高于1500℃，可在650～900℃烟气条件下长期使用，涂料在使用过程中性能稳定，不易衰减、老化，2.5～20μm红外波段发射率ε>0.90，能有效强化高温下的辐射传热，降低能源消耗。

本发明的涂料原料易得、成本低，在高温烧结后，涂层结构稳定，与换热器金属基体结合紧密，可对金属换热器有效地起到防高温氧化、耐酸腐蚀和抗磨损的作用，同时陶瓷涂层表面比较光洁，可有效减少换热器积灰结垢，起到延长金属换热器使用寿命、提高换热效率的作用。

附图说明

图1为实施例1中涂层断面的扫描电镜照片。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

一种金属换热器用高导热防腐蚀陶瓷涂料的制备方法：

将Na₂O、B₂O₃、CaO、SiO₂分别按照质量分数16％、37％、8％和39％混合均匀，装入氧化铝坩埚，放入马弗炉中加热至1200℃保温1小时，将熔融的釉料迅速倒入冷水中，过滤干燥后使用球磨机磨至粒度为0.3～1μm，得到低温釉料。

将Fe₂O₃、MnO₂、CuO、CoO分别按照质量分数60％、20％、10％和10％混合均匀，装入氧化铝坩埚，放入马弗炉中加热至1200℃保温2小时，自然冷却至室温，将烧结产物取出后使用球磨机磨至粒度为0.3～1μm，得到高发射率填料。

将粒度为0.3～1μm的SiC和BN微粉按照质量分数10％和90％混合均匀，得到高导热填料。

将粒度为0.3～1μm的堇青石和Cr₂O₃微粉按照质量分数45％和55％混合均匀，得到陶瓷填料。

将硅铝溶胶(固含量25％，pH值8～10)和铬酐按照质量分数90％和10％的比例称取，并将铬酐溶入硅铝溶胶，搅拌均匀后得到粘结剂。

最后，按照质量百分比计，取低温釉料25％、高发射率填料8％、高导热填料5％、陶瓷填料20％、粘结剂40％、聚丙烯酸钠1％、羧甲基纤维素1％，首先将聚丙烯酸钠和羧甲基纤维素溶入粘结剂中，然后将各种填料混合均匀，并边搅拌边加入粘接剂，搅拌均匀、陈化后得到高导热防腐蚀陶瓷涂料。

具体使用方法：

1)对0Cr25Ni4N耐热钢进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；

2)将上述制备的高导热防腐蚀陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；

3)将涂覆完毕的金属基体加热至850℃，保温20min后取出即可在金属表面形成高导热防腐蚀陶瓷涂层。涂层断面扫描电镜照片如图1所示，涂层与基体结合紧密，厚度约为50μm。按照国家或行业内通用检测标准对涂层进行性能检测，检测结果如表1所示。

实施例2

一种金属换热器用高导热防腐蚀陶瓷涂料的制备方法：

将Na₂O、B₂O₃、CaO、SiO₂分别按照质量分数18％、42％、6％和34％混合均匀，装入氧化铝坩埚，放入马弗炉中加热至1200℃保温1小时，将熔融的釉料迅速倒入冷水中，过滤干燥后使用球磨机磨至粒度为0.3～1μm，得到低温釉料。

将Fe₂O₃、MnO₂、CuO、CoO分别按照质量分数70％、10％、10％和10％混合均匀，装入氧化铝坩埚，放入马弗炉中加热至1200℃保温2小时，自然冷却至室温，将烧结产物取出后使用球磨机磨至粒度为0.3～1μm，得到高发射率填料。

将粒度为0.3～1μm的SiC和BN微粉按照质量分数50％和50％混合均匀，得到高导热填料。

将粒度为0.3～1μm的堇青石和Cr₂O₃微粉按照质量分数45％和55％混合均匀，得到陶瓷填料。

将硅铝溶胶(固含量25％，pH值8～10)和铬酐按照质量分数90％和10％的比例称取，并将铬酐溶入硅铝溶胶，搅拌均匀后得到粘结剂。

最后，按照质量百分比计，取低温釉料30％、高发射率填料5％、高导热填料6％、陶瓷填料18％、粘结剂39％、聚丙烯酸钠1％、羧甲基纤维素1％，首先将聚丙烯酸钠和羧甲基纤维素溶入粘结剂中，然后将各种填料混合均匀，并边搅拌边加入粘接剂，搅拌均匀、陈化后得到高导热防腐蚀陶瓷涂料。

具体使用方法：

1)对0Cr25Ni4N耐热钢进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；

2)将上述制备的高导热防腐蚀陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；

3)将涂覆完毕的金属基体加热至800℃，保温20min后取出即可在金属表面形成高导热防腐蚀陶瓷涂层。按照国家或行业内通用检测标准对涂层进行性能检测，检测结果如表1所示。

实施例3

一种金属换热器用高导热防腐蚀陶瓷涂料的制备方法：

将Na₂O、B₂O₃、CaO、SiO₂分别按照质量分数16％、37％、8％和39％混合均匀，装入氧化铝坩埚，放入马弗炉中加热至1300℃保温1小时，将熔融的釉料迅速倒入冷水中，过滤干燥后使用球磨机磨至粒度为0.3～1μm，得到低温釉料。

将Fe₂O₃、MnO₂、CuO、CoO分别按照质量分数60％、20％、10％和10％混合均匀，装入氧化铝坩埚，放入马弗炉中加热至1350℃保温2小时，自然冷却至室温，将烧结产物取出后使用球磨机磨至粒度为0.3～1μm，得到高发射率填料。

将粒度为0.3～1μm的SiC和BN微粉按照质量分数70％和30％混合均匀，得到高导热填料。

将粒度为0.3～1μm的堇青石和Cr₂O₃微粉按照质量分数70％和30％混合均匀，得到陶瓷填料。

将硅铝溶胶(固含量25％，pH值8～10)和铬酐按照质量分数90％和10％的比例称取，并将铬酐溶入硅铝溶胶，搅拌均匀后得到粘结剂。

最后，按照质量百分比计，取低温釉料20％、高发射率填料10％、高导热填料5％、陶瓷填料20％、粘结剂44％、羧甲基纤维素1％，首先将羧甲基纤维素溶入粘结剂中，然后将各种填料混合均匀，并边搅拌边加入粘接剂，搅拌均匀、陈化后得到高导热防腐蚀陶瓷涂料。

具体使用方法：

1)对0Cr25Ni20耐热钢进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；

2)将上述制备的高导热防腐蚀陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；

3)将涂覆完毕的金属基体加热至900℃，保温20min后取出即可在金属表面形成高导热防腐蚀陶瓷涂层。按照国家或行业内通用检测标准对涂层进行性能检测，检测结果如表1所示。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以做出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

表1实施例1～3陶瓷涂层性能参数数据表

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料，其特征在于：所述高导热防腐蚀陶瓷涂料的原料按重量百分比计包括20～30％的低温釉料、5～15％的高发射率填料、3～8％高导热填料、15～25％陶瓷填料、20～50％粘结剂和1～3％助剂，余量为水；其中，所述低温釉料的原料按质量百分比计由10～20％的Na₂O、30～45％的B₂O₃、5～10％的CaO和30～45％的SiO₂组成；

所述高发射率填料的原料按质量百分比计由40～70％的Fe₂O₃、15～30％的MnO₂、5～15％的CuO和5～15％的CoO组成；

所述高导热填料为碳化硅和氮化硼组成，其中，碳化硅和氮化硼的重量比为1：1～9；所述的高导热填料粒度为0.3～1μm；

所述的陶瓷填料由堇青石微粉和三氧化二铬微粉组成，其中堇青石微粉和三氧化二铬微粉的重量比为1：0.4～1.2，所述的陶瓷填料粒度为0.3～1μm；

所述粘结剂是按质量百分比计将85～95％的硅铝溶胶和5～15％的铬酐混合而成，所述的硅铝溶胶固含量为25％，pH值8～10。

2.根据权利要求1所述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料，其特征在于：所述高导热防腐蚀陶瓷涂料的原料按重量百分比计包括25～28％的低温釉料、8～10％的高发射率填料、6～8％高导热填料、18～20％陶瓷填料、40～45％粘结剂和1～2％助剂，余量为水。

3.根据权利要求1所述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料，其特征在于：所述低温釉料的制备方法，包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Na₂O、B₂O₃、CaO和SiO₂，混合均匀得到混合物，备用；

2)将混合物在温度为1200～1500℃条件下加热熔融，再将熔融产物水淬，即得到低温釉料，其中，所述低温釉料粒度为0.3～1μm。

4.根据权利要求1所述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料，其特征在于：所述高发射率填料的制备方法，包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Fe₂O₃、MnO₂、CuO和CoO，混合均匀得到混合物，备用；

2)将混合物在温度为1200～1350℃条件下烧结，得到烧结产物，即得到高发射率填料，其中，所述高发射率填料的粒度为0.3～1μm。

5.根据权利要求1或2所述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料，其特征在于：所述助剂为聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素和十二烷基苯磺酸钠中的一种或二种。

6.一种权利要求1所述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)按质量百分比称取Na₂O、B₂O₃、CaO和SiO₂，混合均匀得到混合物；

2)将混合物在温度为1200～1500℃条件下加热熔融，再将熔融产物水淬，即得到低温釉料，备用；

3)按质量百分比称取Fe₂O₃、MnO₂、CuO和CoO，混合均匀得到混合物；

4)将混合物在温度为1200～1350℃条件下烧结，得到烧结产物，即得到高发射率填料，备用；

5)按照重量百分比称取低温釉料、高发射率填料、高导热填料、陶瓷填料进行球磨、混合均匀，然后加入粘结剂和助剂，混合成料浆，陈化，即得到高导热防腐蚀陶瓷涂料。

7.一种权利要求1所述适用于金属换热器的高导热防腐蚀陶瓷涂料的应用，其特征在于：包括以下步骤：

1)对金属换热器基体进行打磨、清洗、去除基体表面的氧化物、油脂和灰尘；

2)将高导热防腐蚀陶瓷涂料均匀的涂敷在金属基体表面，阴干；

3)将涂覆完毕的金属换热器置于烟道内，利用烟气余热加热20～90min，即金属换热器表面形成高导热防腐蚀陶瓷涂层。