[发明专利]具有高光谱发射率的成型烧结耐火材料及其生产方法及提高耐火成型体光谱发射率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及尤其用于玻璃熔窑的烧结耐火成型体。本发明还涉及生产耐火成型体的方法以及提高耐火成型体的光谱发射率的方法。

背景技术

燃烧燃料的玻璃熔窑均为非常耗能的高温加工设备，需要利用燃烧器从上方将生产玻璃所需的原料加热到1450℃以上的温度，若为钠钙玻璃，则要加热到1550℃，使其熔化成为液态玻璃熔体。几乎仅仅通过辐射将热量传递给玻璃熔体，不仅从燃烧器火焰或燃烧气体直接传热，而且也通过上部结构(熔窑拱顶和侧壁)中玻璃熔体液面上方起到二次加热面作用的耐火衬里高温侧表面间接传热。这种情况下必然也会在拱顶和池壁之间发生相互辐射和多重反射。传热的决定性因素是参与辐射交换的炉膛主要部件随波长和温度变化的辐射特性，也就是炉内气氛、耐火材料和玻璃熔体。例如在W.Trier所著的“玻璃熔炉”(ISBN 3-540-12494-2)中可找到玻璃熔炉的描述。

因为耐火材料具有选择性的辐射特性，因此随波长和温度变化的发射率就是其辐射特性的特征值，必须通过测量技术手段予以确定。出于能量上的考虑，例如进行传热计算，需要此外按照所有波长求平均的取决于温度的总发射率。这种情况下关键是大约1至5μm的波长范围，因为根据维恩位移定律和普朗克辐射定律，在玻璃熔窑中的当前温度下大部分通过辐射传递的能量均落在该范围。光谱发射率首先取决于耐火材料的化学和矿物成分。发射率可以具有0与1之间的值，后者是一种物理理想状态(所谓的黑体)。

使用致密的硅砖在熔窑上部结构尤其在熔窑拱顶中给钠钙玻璃生产熔窑砌衬，玻璃总产量的绝大部分是钠钙玻璃。由于在温度约为1500至1600℃的拱顶中使用，需要有极好的热机械材料特性，因此仅可使用不含助溶剂的、SiO₂含量至少为93％通常高于95％的优质硅砖。决定其使用的另一个技术原因是硅砖成分与玻璃熔体接触有良性的溶解特性。在机械负荷明显很小的池壁区域中，也可使用比较耐腐蚀的铝锆硅耐火砖(熔铸AZS砖)，这些砖除了具有主要成分Al₂O₃和ZrO₂之外，也含有大约12至16％少量的SiO₂。然而这种情况下要注意玻璃相从砖材料中析出的危险，玻璃相在玻璃熔体中难以溶解，并且会导致形成纹影或者其他玻璃缺陷。关于硅砖和AZS材料的概况，例如可参阅书籍″Handbook of Refractory Materials″，Hrsg.G.Routsohka u.H.Wuthnow(ISBN 978-3-8027-3162-4)。

US 4,183,761公开了具有很少气孔率的高导热硅砖的生产方法，使用粒径小于0.074mm的0.5至10重量％氮化硅(Si₃N₄，也含有Si₂ON₂)或者碳化硅(SiC)或者两者的混合物作为混合料组分，在1200至1400℃之间的烧结过程中要进行非常复杂的温度控制，并且要保持非常特殊的炉内气氛。以此保证在耐火砖烧制过程中晶粒极细的氮化物和/或者碳化物完全转变为SiO₂，并且体积增大将基质孔隙填满，从而形成比较致密的耐火砖组织结构。按照该专利生产的耐火砖的化学矿物成分和辐射特性相当于传统硅砖。当然从热工学角度观察，在玻璃熔窑中尤其在拱顶中使用高导热硅砖特别不利于生产，因为在拱顶绝热层结构保持不变的情况下，热损失将会因此而增加，并且使用这样的砖无法实现辐射特性改善。

当然如果使用硅石和AZS耐火材料，从热传递角度来看有很大缺点，众所周知其总发射率会随着温度上升而急剧减小。显而易见，改善上部结构中耐火衬里的辐射特性能强化对玻璃熔体的辐射传热，从而可以节省能源和/或者提高生产效率。

因此已有人建议对朝向炉膛(使用过程中高温侧)的耐火材料表面进行涂层处理，前提条件是涂层具有比耐火基材更高的发射率。这些涂层剂(所谓的高发射率涂料)主要由一种粉末状耐火填料(或填料混合物)、至少一种粘合剂和至少一种具有高发射率的粉剂(高发射率添加剂)构成。在启动玻璃熔窑之前在耐火基材上喷涂或者刷涂薄薄一层颜色近似一致的涂层剂。