一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层及其制备方法

摘要

一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层及其制备方法，该耐火材料涂层原料包括：石墨烯、Cr2O3、TiO2、CaO、Al2O3、MgO、尖晶石∑(TiMg2O4、FeAl2O4、MgAl2O4、TiMn2O4)中的一种或两种。步骤如下：称取原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，加入粘合剂制成糊状料，用压缩空气喷枪将糊状料喷射到炉膛炉衬上，喷涂后，进行梯度升温烘炉，炉膛炉衬表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。优点是：工艺简单，配料合理，制备的耐火材料涂层在1000℃-1350℃范围的平均辐射率≥0.98，可增加炉膛有效辐射换热强度和炉体使用寿命，实现提高炉膛热效率和炉龄并且节能的效果。

权利要求

1.一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层，其特征是：该耐火材料涂层原料包括：石墨烯:0.5wt％-1.5wt％；Cr2O3:5.0wt％-10.0wt％；TiO2:10.0wt％-17.0wt％；CaO:10.0wt％-

15.0wt％；Al2O3:58.0wt％-68.0wt％；MgO:1.0wt％-2.0wt％；尖晶石∑(TiMg2O4、FeAl2O4、MgAl2O4、TiMn2O4)中的一种或两种：5wt％-15wt％。

2.如权利要求1所述的石墨烯量子点复合耐火材料涂层的制备工艺，其特征是：具体制备步骤如下：

(1)称取原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，其中-325目＞

50wt％，且-1500目＞15wt％；

(2)将70wt％-72wt％步骤(1)制备的混合原料粉末和28wt％-30wt％粘合剂，所述粘合剂为浓度18wt％-22wt％硅酸钠或70vol％-90vol％磷酸(H3PO4)，在转速为800rpm-1200rpm高速搅拌釜中搅拌80min-140min成糊状料；

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(3)用6kg/cm-8kg/cm 的压缩空气喷枪将步骤(2)制备的糊状料喷射到炉膛内壁上形成一层厚度为0.5mm-0.7mm涂层，单位面积用量0.25kg/m2-1.25kg/m2；

(4)炉膛内壁涂上涂层后，进行烘炉，烘炉时进行梯度升温，升温温度和时间分别为：25℃-450℃，18h；450℃保温4h；450℃-800℃,18h；800℃保温2h；800℃-1200℃，8h；1200℃，保温2h；1200℃-1360℃，6h；1360℃，48h；1360℃-25℃，70h，烘炉结束，炉膛内部表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。

3.根据权利要求2所述的石墨烯量子点复合耐火材料涂层的制备工艺，其特征是：高速搅拌釜的转速为1000rpm-1100rpm，搅拌时间为100min-120min。

4.根据权利要求2所述的石墨烯量子点复合耐火材料涂层的制备工艺，其特征是：粘合剂磷酸，其浓度80vol％-85vol％。

5.根据权利要求4所述的石墨烯量子点复合耐火材料涂层的制备工艺，其特征是：所述粘合剂硅酸钠浓度为19wt％-21wt％。

说明书

一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层及其制备方法，属于工业炉耐火涂层领域。

背景技术

[0002] 众所周知，工业炉是一种在冶金、石油化工、建材、机械制造等行业中耗能较大的设备，能耗约占全国总能耗的1/4。由于工业炉是耗能大户，所以工业炉的节能工作十分重要。目前来看，我国工业炉的能源利用技术水平与先进国家相比差距仍然较大，炉膛热效率普遍不高，尤其是1000℃-1350℃高温工业炉，例如：再生铜熔炼反射炉，目前国内这类炉型有上万台，它们的炉膛热效率平均不足20％，而且炉体耐火材料寿命都很短，综合能耗水平非常低。

[0003] 为了提高熔炼反射炉炉膛热效率和综合能耗水平，我国工程技术人员和科学工作者相继进行过相关的技术研究和开发，并且赢得了一定的科技成果。然而，目前对于通过在炉衬表面涂覆保护层方法来提高熔炼反射炉辐射率(εw)、降低辐射热阻((1-εw)/εw)、增加辐射换热量(Q＝(Eb-J)/((1-εw)/εw))，以提高炉膛热效率和炉体耐火材料强度，从而实现综合节能效果的研发成果却至今未见公开报道。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层及其制备方法，工艺简单，配料合理，制备的耐火材料涂层在1000℃-1350℃范围的平均辐射率(εw)≥0.98，可增加炉膛有效辐射换热强度和炉体使用寿命，实现提高炉膛热效率和炉龄并且节能的效果。

[0005] 本发明的技术解决方案是：一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层，其特征是：该耐火材料涂层原料包括：石墨烯:
0.5wt％-1.5wt％；Cr2O3:5.0wt％-10.0wt％；TiO2:10.0wt％-17.0wt％；CaO:10.0wt％-
15.0wt％；Al2O3:58.0wt％-68.0wt％；MgO:1.0wt％-2.0wt％；尖晶石∑(TiMg2O4、FeAl2O4、MgAl2O4、TiMn2O4)中的一种或两种：5wt％-15wt％。

[0006] 一种石墨烯量子点复合耐火材料涂层的制备工艺，其具体制备步骤如下：(1)称取原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，其中-325目＞
50wt％，且-1500目＞15wt％；
(2)将70wt％-72wt％步骤(1)制备的混合原料粉末和28wt％-30wt％粘合剂，所述粘合剂为浓度18wt％-22wt％硅酸钠(Na2SiO3﹒9H2O)或70vol％-90vol％磷酸(H3PO4)，在转速为
800rpm-1200rpm高速搅拌釜中搅拌80min-140min成糊状料；
(3)用6kg/cm2-8kg/cm2的压缩空气喷枪将步骤(2)制备的糊状料喷射到炉膛炉衬上形
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成一层厚度为0.5mm-0.7mm涂层，单位面积用量0.25kg/m-1.25kg/m；
(4)炉膛内壁涂上涂层后，进行烘炉，烘炉时进行梯度升温，升温温度和时间分别为：25℃-450℃，18h；450℃保温4h；450℃-800℃,18h；800℃保温2h；800℃-1200℃，8h；1200℃，保温2h；1200℃-1360℃，6h；1360℃,48h；1360℃-25℃，70h，烘炉结束，炉膛炉衬表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。

[0007] 进一步的，高速搅拌釜的转速为1000rpm-1100rpm，搅拌时间为100min-120min。

[0008] 进一步的，粘合剂磷酸，其浓度80vol％-85vol％。

[0009] 进一步的，所述粘合剂硅酸钠浓度为19wt％-21wt％。

[0010] 本发明的有益效果：本发明采用石墨烯与Cr2O3、TiO2、CaO、Al2O3、MgO、尖晶石∑(TiMg2O4、FeAl2O4、MgAl2O4、TiMn2O4)中的一种或两种相结合,经过研磨，石墨烯以量子点形式进入尖晶石晶胞，带这种晶胞的粉体混合物和H3PO4等粘合剂搅拌，最后喷涂到炉衬上,再按照一定的烘炉曲线烘炉以后,其涂层具有明显增强辐射率εw和提高炉膛热效率的作用，同时其制备方法还具有：工艺简单，配料合理，并且可以提高炉衬的耐热和抗腐蚀性、延长炉体寿命等优点。该涂层在
1000℃-1350℃范围的平均辐射率(εw)≥0.98，耐火度可达1790℃，可以应用于各种工业炉的炉衬表面，特别是再生铜熔炼反射炉，综合节能效果非常显著。

附图说明

[0011] 图1是本发明烘炉升温曲线图。

具体实施方式

[0012] 实施例1(1)称取原料：石墨烯:0.05kg；Cr2O3:0.95kg；TiO2:1.0kg；CaO:1.5kg；Al2O3:5.8kg；
MgO:0.2kg；尖晶石TiMg2O4：0.5kg；
将原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，其中-325目＞50wt％，且-
1500目＞15wt％；
(2)将7.2kg步骤(1)制备的混合原料粉末和2.8kg粘合剂浓度18wt％硅酸钠，在转速为
800rpm高速搅拌釜中搅拌140min成糊状料；
(3)用8kg/cm2的压缩空气喷枪将步骤(2)制备的糊状料喷射到炉衬上形成一层厚度为
0.7mm涂层，单位面积用量1.25kg/m2；
(4)炉衬涂上涂层后，进行烘炉，烘炉梯度升温，升温温度和时间为：25℃-450℃，18h；
450℃保温4h；450℃-800℃,18h；800℃保温2h；800℃-1200℃，8h；1200℃，保温2h；1200℃-
1360℃,6h；1360℃,48h；1360℃-25℃，70h，烘炉结束，炉衬表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。燃料为天然气，烘炉温度曲线如图1所示，被熔物料为杂铜，炉衬为Al-Cr砖。喷涂后，使用30炉次炉衬外观无明显变化，无裂纹和脱落现象，而喷涂前使用10炉次就发现炉衬有明显脱落等现象。

[0013] 实施例2(1)称取原料：石墨烯:0.15kg；Cr2O3:0.5kg；TiO2:1.7kg；CaO:1.0kg；Al2O3:5.8kg；
MgO:0.1kg；尖晶石MgAl2O4：0.75kg；
将原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，其中-325目＞50wt％，且-
1500目＞15wt％；
(2)将7kg步骤(1)制备的混合原料粉末和3kg粘合剂浓度为70vol％磷酸，在转速为
1200rpm高速搅拌釜中搅拌80min成糊状料；
(3)用6kg/cm2的压缩空气喷枪将步骤(2)制备的糊状料喷射到炉衬上形成一层厚度为
0.6mm涂层，单位面积用量0.25kg/m2；
(4)炉衬涂上涂层后，进行烘炉，烘炉梯度升温，升温温度和时间为：25℃-450℃，18h；
450℃保温4h；450℃-800℃,18h；800℃保温2h；800℃-1200℃，8h；1200℃，保温2h；1200℃-
1360℃,6h；1360℃,48h；1360℃-25℃，70h，烘炉结束，炉衬表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。燃料为天然气，烘炉温度曲线如图1所示，被熔物料为杂铜，炉衬为Al-Cr砖。喷涂后，使用30炉次炉衬外观无明显变化，无裂纹和脱落现象，而喷涂前使用10炉次就发现炉衬有明显脱落等现象。

[0014] 实施例3(1)称取原料：石墨烯:0.1kg；Cr2O3:0.5kg；TiO2:1.0kg；CaO:1.0kg；Al2O3:5.8kg；MgO:
0.1kg；尖晶石MgAl2O4:0.5kg、TiMn2O4：1kg；
将原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，其中-325目＞50wt％，且-
1500目＞15wt％；
(2)将7.1kg混合原料粉末和2.9kg粘合剂浓度90vol％磷酸，在转速为1000rpm高速搅拌釜中搅拌100min成糊状料；
(3)用压缩空气喷枪，在7kg/cm2下将步骤(2)制备的糊状料喷射到炉衬上形成一层厚度为0.6mm涂层，单位面积用量0.55kg/m2；
(4)炉衬涂上涂层后，进行烘炉，烘炉梯度升温，升温温度和时间为：25℃-450℃，18h；
450℃保温4h；450℃-800℃,18h；800℃保温2h；800℃-1200℃，8h；1200℃，保温2h；1200℃-
1360℃,6h；1360℃,48h；1360℃-25℃，70h，烘炉结束，炉衬表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。燃料为天然气，烘炉温度曲线如图1所示，被熔物料为杂铜，炉衬为Al-Cr砖。喷涂后，使用30炉次炉衬外观无明显变化，无裂纹和脱落现象，而喷涂前使用10炉次就发现炉衬有明显脱落等现象。

[0015] 实施例4(1)称取原料：石墨烯:0.07kg；Cr2O3:0.53kg；TiO2:1.0kg；CaO:1.0kg；Al2O3:6.8kg；
MgO:0.1kg；尖晶石TiMn2O4：0.5kg；
将原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，其中-325目＞50wt％，且-
1500目＞15wt％；
(2)将7kg混合原料粉末和3kg粘合剂浓度80vol％磷酸；在转速为1100rpm高速搅拌釜中搅拌110min成糊状料；
2
(3)用7kg/cm的压缩空气喷枪将步骤(2)制备的糊状料喷射到炉衬上形成一层厚度为
0.6涂层，单位面积用量0.8kg/m2；
(4)炉衬涂上涂层后，进行烘炉，烘炉梯度升温，升温温度和时间为：25℃-450℃，18h；
450℃保温4h；450℃-800℃,18h；800℃保温2h；800℃-1200℃，8h；1200℃，保温2h；1200℃-
1360℃,6h；1360℃,48h；1360℃-25℃，70h，烘炉结束，炉衬表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。燃料为天然气，烘炉温度曲线如图1所示，被熔物料为杂铜，炉衬为Al-Cr砖。喷涂后，使用30炉次炉衬外观无明显变化，无裂纹和脱落现象，而喷涂前使用10炉次就发现炉衬有明显脱落等现象。

[0016] 实施例5(1)称取原料：石墨烯:0.07kg；Cr2O3:1.0kg；TiO2:0.8kg；CaO:0.8kg；Al2O3:6kg；MgO:
0.15kg；尖晶石TiMg2O4:0.5kg、FeAl2O4：0.68kg；
将原料均匀混合物后，在高能球磨机中研磨成-200目粉末，其中-325目＞50wt％，且-
1500目＞15wt％；
(2)将7kg混合原料粉末和3kg粘合剂浓度18wt％硅酸钠(Na2SiO3﹒9H2O)；在转速为
1100rpm高速搅拌釜中搅拌110min成糊状料；
(3)用7kg/cm2的压缩空气喷枪将步骤(2)制备的糊状料喷射到炉衬上形成一层厚度为
0.6涂层，单位面积用量0.8kg/m2；
(4)炉衬涂上涂层后，进行烘炉，烘炉梯度升温，升温温度和时间为：25℃-450℃，18h；
450℃保温4h；450℃-800℃,18h；800℃保温2h；800℃-1200℃，8h；1200℃，保温2h；1200℃-
1360℃,6h；1360℃,48h；1360℃-25℃，70h，烘炉结束，炉衬表面形成石墨烯量子点复合耐火材料涂层。燃料为天然气，烘炉温度曲线如图1所示，被熔物料为杂铜，炉衬为Al-Cr砖。喷涂后，使用30炉次炉衬外观无明显变化，无裂纹和脱落现象，而喷涂前使用10炉次就发现炉衬有明显脱落等现象。

[0017] 实施例6选用浓度85vol％磷酸，或浓度19wt％硅酸钠，或浓度21wt％硅酸钠，浓度22wt％硅酸钠作为粘合剂，其它原料以及制备方法同实施例5，制作的石墨烯量子点复合耐火材料涂层。喷涂后，使用30炉次炉衬外观无明显变化，无裂纹和脱落现象(被熔物料为杂铜，炉衬为Al-Cr砖)。

[0018] 炉衬表面平均辐射率εw的检测：在1000-1300℃用标准光学高温仪(ZGG)测量炉衬表面涂敷前后的平均辐射率εw，并列于表1。喷涂前平均辐射率εw为0.89，最高为0.92；喷涂后平均辐射率εw为0.98，最高为0.99，而且喷涂后比喷涂前的炉膛热效率提高10％。
表1
  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
喷涂前εw 0.88 0.89 0.92 0.89 0.89
喷涂后εw 0.98 0.99 0.99 0.98 0.98

[0019] 以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。