Tình trạng phát triển và các loại sợi gốm mới và các ứng dụng của chúng

Bài viết này thảo luận về tình trạng phát triển và các trường ứng dụng của các sợi gốm trong nước và quốc tế, cũng như nghiên cứu và phát triển các giống mới. Sợi gốm, như một vật liệu cách nhiệt nhẹ và hiệu quả, có nhiều lợi thế không thể so sánh được so với vật liệu cách nhiệt truyền thống. Với sự nhấn mạnh toàn cầu vào bảo tồn năng lượng, các sợi gốm dự kiến ​​sẽ có được các ứng dụng rộng hơn và phát triển nhanh chóng. Ngoài ra, tiềm năng cho các sợi gốm thay thế các vật liệu cách nhiệt khác là đáng kể, khiến chúng đáng để quảng bá trong ngành gốm sứ.

1. Giới thiệu

Sợi gốm chịu lửa là vật liệu cách nhiệt nhẹ và hiệu quả cao. So với vật liệu cách nhiệt truyền thống, nó có những lợi thế về hiệu suất sau:

1. Mật độ khối lượng thấp như lớp lót lò:Lớp lót sợi gốm nhẹ hơn 75% so với gạch cách điện nhẹ và nhẹ hơn 90-95% so với các diễn viên nhẹ. Sử dụng lớp lót sợi làm giảm đáng kể tải trọng cấu trúc thép của lò nung và kéo dài tuổi thọ dịch vụ của chúng.
2. Khả năng nhiệt thấp:Khả năng nhiệt của sợi gốm là khoảng 1/10 so với lớp lót và diễn viên chịu lửa nhẹ. Khả năng nhiệt thấp này có nghĩa là lò nung hấp thụ ít nhiệt hơn trong quá trình hoạt động, cho phép làm nóng nhanh hơn và giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình khởi động và tắt lò.
3. Những lợi thế khác:Khi các công nghệ ứng dụng được cải thiện, các sợi gốm liên tục mở rộng thành các lĩnh vực mới. Do giá năng lượng toàn cầu tăng, bảo tồn năng lượng đã trở thành ưu tiên. So với các vật liệu chịu lửa truyền thống như gạch cách điện và diễn viên, sợi gốm có thể tiết kiệm thêm 10% -30% năng lượng, đạt được các ứng dụng rộng hơn và triển vọng đầy hứa hẹn ở Trung Quốc.

2. Phát triển quốc tế và các ứng dụng củaSợi gốm

2.1 Phát triển sợi gốm ở nước ngoài

Sợi gốm xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1941 khi Công ty Babcock & Wilcox có trụ sở tại Hoa Kỳ đã sử dụng kaolin tự nhiên để sản xuất sợi thông qua lò nung tan chảy và thổi. Vào cuối những năm 1940, các công ty Mỹ bắt đầu sản xuất các sợi aluminosilicate cho ngành hàng không. Đến những năm 1960, Hoa Kỳ đã phát triển nhiều sản phẩm sợi gốm cho lớp lót lò công nghiệp.

Hoa Kỳ và Canada là các nhà sản xuất chính, chiếm khoảng một phần ba sản lượng sợi vật liệu chịu lửa toàn cầu, với sản lượng hàng năm khoảng 100.000 tấn. Châu Âu đứng thứ ba, sản xuất khoảng 60.000 tấn mỗi năm. Trong số 300.000 tấn sợi gốm được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm, phân phối sản phẩm như sau:

• Chăn và mô -đun sợi: 45%
• Bảng hình dạng chân không, thảm và hình dạng đặc biệt: 25%
• Sợi số lượng lớn: 15%
• Sợi dây sợi và hàng dệt: 6%
• Vật liệu sợi không có hình: 6%
• Mức giấy sợi: 3%

2.2 Các trường ứng dụngOUtside của Trung Quốc

Các sản phẩm sợi chịu lửa đã trở nên đa dạng và chức năng hóa với những tiến bộ công nghệ. Các sản phẩm này có thể đáp ứng các yêu cầu nhiệt độ từ 600 ° C đến 1600 ° C và có sẵn ở các dạng khác nhau, bao gồm cotton, chăn và thảm truyền thống, cũng như các mô -đun sợi, bảng, hình dạng đặc biệt, giấy và dệt may.

Trong một số ứng dụng tiên tiến, các sản phẩm như sợi zirconia polycrystalline, sợi silicon nitride và sợi silicon cacbua đang được phát triển. Ví dụ, DuPont ở Mỹ tạo ra các sợi alumina đa tinh thể dài chứa 99,9% α-Al2O3 cho các ứng dụng hàng không vũ trụ nhiệt độ cao.

3. Phát triển và ứng dụng của sợi gốm ở Trung Quốc

Việc sản xuất sợi gốm của Trung Quốc bắt đầu tương đối muộn, chỉ bắt đầu từ đầu những năm 1970 với sự phát triển thành công và sản xuất hàng loạt sợi gốm tại nhà máy vật liệu chịu lửa Bắc Kinh và nhà máy vật liệu chịu lửa Thượng Hải. Trong hơn một thập kỷ, quy trình sản xuất dựa trên các phương pháp lỗi thời như "Muồng nóng bỏng, thổi không khí một bước để sợi quang và sản xuất cảm giác bằng tay ướt", dẫn đến công nghệ hạn chế và phạm vi sản phẩm hẹp.

Năm 1984, nhà máy vật liệu chịu lửa của Shougang Corporation đã nhập một dây chuyền sản xuất chăn bằng kim bằng phương pháp quay kháng cự từ công ty CE có trụ sở tại Hoa Kỳ. Đến năm 1987, các dây chuyền sản xuất bổ sung và công nghệ tạo chân không đã được giới thiệu từ các công ty Mỹ BW và Ferro cho các doanh nghiệp như Nhà máy điện Hà Nam Shanxian, nhà máy sản xuất chất xơ aluminosilicate Guangdong Gouting và Nhà máy vật liệu chịu lửa GUIYANG. Những tiến bộ này đã biến đổi các quy trình sản xuất, thiết bị và sự đa dạng sản phẩm lỗi thời của ngành công nghiệp sợi gốm của Trung Quốc.

Bắt đầu từ năm 1986, Trung Quốc đã tiêu hóa và hấp thụ thiết bị và công nghệ nhập khẩu trong khi điều chỉnh chúng theo điều kiện địa phương. Nỗ lực này đã dẫn đến việc thiết kế và xây dựng 82 dây chuyền sản xuất chăn bằng kim khô bằng các phương pháp quay bằng điện trở (hoặc thổi không khí), được lắp đặt trong 45 doanh nghiệp. Sản lượng hàng năm kể từ đó đã vượt quá 100.000 tấn, khiến Trung Quốc trở thành nhà sản xuất sợi gốm lớn nhất thế giới. Bên cạnh việc đa dạng hóa các sản phẩm, Trung Quốc hiện sản xuất hàng loạt các loại chăn bằng kim loại gốm khác nhau, bao gồm các loại nhiệt độ thấp, tiêu chuẩn, độ tinh khiết cao và alumina cao, cũng như cảm giác khô nhựa cực nhẹ (bảng). Ngoài ra, chăn sợi có chứa zirconium có hàm lượng ZRO2 là 14% -17% và nhiệt độ hoạt động vượt quá 1300 ° C cũng được sản xuất.

Vào cuối những năm 1980, các công ty Nhật Bản như Máy dệt Naoi, Chariot và Intrex đã đầu tư vào Bắc Kinh để thành lập các doanh nghiệp sản xuất dệt sợi gốm chuyên dụng. Các công ty này bắt đầu sản xuất hàng loạt các loại vải bằng gốm, băng, dây thừng, tay áo và miếng đệm. Các loại sợi và thiết bị sợi số lượng lớn cần thiết để sản xuất dệt may được định vị đầy đủ. Đầu những năm 1990, Bắc Kinh, Thượng Hải, Anshan ở Liaoning, Sơn Đông và Sanmenxia ở Henan đã giới thiệu công nghệ và thiết bị phun sợi gốm từ Mỹ, Pháp và Nhật Bản. Thuốc xịt sợi gốm được áp dụng cho lớp lót lò nung công nghiệp trong các ngành công nghiệp luyện kim và hóa dầu, đạt được tiết kiệm năng lượng đáng kể và lợi ích kinh tế. Công nghệ này đã được quảng bá rộng rãi và áp dụng thành công trong các thiết bị sưởi ấm trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Hiện tại, ngành công nghiệp sợi gốm của Trung Quốc đang trong giai đoạn điều chỉnh và phát triển liên tục. Công nghệ sản xuất và thiết bị, đặc biệt đối với những chiếc chăn được bơm kim khô, đã đạt đến cấp độ cao trên toàn cầu. Các sản phẩm mới như chứa chất xơ aluminosilicate chứa crom và chứa zirconium, sợi alumina polycrystalline, sợi mullite đa tinh thể và các sản phẩm sợi pha trộn đã được phát triển thành công và công nghiệp hóa, tạo thành một loạt các vật liệu khúc xạ nhẹ.

Các bộ lọc sợi gốm, trong khi thường có độ bền thấp, đang phát triển hướng tới sự phát triển của các bộ lọc sợi gốm được gia cố sợi liên tục có độ bền cao cao. Các bộ lọc này, do các đặc tính tuyệt vời của chúng, dự kiến ​​sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong quá trình lọc khí thải nhiệt độ cao, bao gồm khử lưu huỳnh, khử nitơ và chuyển đổi xúc tác. Lọc sợi gốm cho tinh chế khí thải nhiệt độ cao vẫn chưa bắt đầu ở Trung Quốc, nhưng các ứng dụng gần đây cho thấy xu hướng tăng trưởng cao về nhu cầu toàn cầu đối với các bộ lọc gốm. Có thể thấy trước việc quảng bá và áp dụng công nghệ lọc gốm khí nhiệt độ cao ở Trung Quốc sẽ sớm trở thành hiện thực, góp phần bảo tồn năng lượng và các mục tiêu giảm phát thải.

Sợi gốm mới, được phát triển trong những năm gần đây là vật liệu chức năng công nghệ cao, bao gồm các sợi chống UV, sợi giữ nhiệt và cách điện, sợi kháng khuẩn và sợi kháng, sợi kháng neutron, sợi dẫn điện và sợi từ tính. Việc áp dụng các loại powder vi mô gốm trong sợi cũng đang mở rộng đáng kể.

4. Các giống và ứng dụng mới của sợi gốm

4.1 Vật liệu tổng hợp sợi gốm mới

Theo báo cáo, trong những năm gần đây, Nhật Bản đã phát triển và sản xuất vật liệu tổng hợp sợi gốm mới cho động cơ quân sự. Ví dụ, Mitsubishi Corporation đã thiết kế vật liệu tổng hợp sợi gốm để sử dụng trong động cơ máy bay chiến đấu và động cơ tên lửa. Các vật liệu tổng hợp này được chế tạo bằng cách dệt các sợi gốm 10 μM thành cấu trúc ba chiều và phủ chúng bằng một chất thủy tinh. Trong khi các sợi gốm có khả năng chịu nhiệt nhưng giòn, chuyển đổi chúng thành vật liệu tổng hợp giúp tăng cường đáng kể sức mạnh của chúng.

Vật liệu tổng hợp bằng sợi carbon thường được sử dụng trong các thân máy bay và tên lửa nhưng hiếm khi được áp dụng cho động cơ do giới hạn nhiệt độ của chúng, vì chúng chỉ có thể chịu được môi trường lên tới khoảng 300 ° C. Do đó, các hợp kim dựa trên niken thường được sử dụng. Tuy nhiên, vật liệu tổng hợp sợi gốm mới cung cấp điện trở ở nhiệt độ cao vượt trội so với vật liệu tổng hợp sợi carbon và nhẹ hơn 50% so với hợp kim dựa trên niken. Những vật liệu này đã trải qua các thử nghiệm thực địa trên vòi phun động cơ máy bay chiến đấu cho Bộ Quốc phòng Nhật Bản và đã được sử dụng thành công để sản xuất các thành phần nguyên mẫu cho động cơ tên lửa. Đến năm 2005, họ đã được áp dụng trong kỹ thuật cho động cơ tên lửa.

4.2 Mô -đun sợi gốm

Các mô -đun sợi gốm là một loại sản phẩm lót lò lửa mới được thiết kế để đơn giản hóa và đẩy nhanh việc xây dựng lò nung đồng thời tăng cường tính toàn vẹn của lớp lót. Các mô -đun này được đặc trưng bởi màu trắng và kích thước đồng đều của chúng, cho phép chúng được cố định trực tiếp vào các chân neo trên các tấm thép của vỏ lò công nghiệp. Họ cung cấp các đặc tính chịu lửa và cách nhiệt tuyệt vời, cải thiện hiệu suất cách nhiệt tổng thể của lò nung và công nghệ xây dựng lò nung.

Các mô-đun sợi gốm được ép trước, và sau khi hoàn thành lớp lót, sự mở rộng của chúng đảm bảo cấu trúc liền mạch, bù cho sự co rút của sợi. Điều này giúp tăng cường hiệu suất cách nhiệt, ổn định nhiệt và khả năng chống sốc nhiệt của lớp lót. Các mô -đun nhanh chóng cài đặt và các neo nằm ở phía lạnh của lớp lót, giảm các yêu cầu vật liệu cho các neo.

Với sự tiến bộ của các sáng kiến ​​bảo tồn năng lượng quốc gia và giảm phát thải, việc cải tạo lò nung đường hầm đã trở nên cấp bách. Các mô-đun sợi gốm đã được đón nhận tốt cho hiệu suất cách nhiệt đặc biệt của chúng, đặc biệt là trong trần của lò nung đường hầm bằng gạch. Các mô-đun có các dạng khác nhau, bao gồm các khối gấp, các khối thái lát, khối pyro và các khối hình thành chân không.

Do sự khác biệt trong các phương pháp sản xuất và cấu trúc tinh thể của sợi mullite đa tinh thể, các sợi của chúng ngắn hơn và kém linh hoạt hơn, gây khó khăn cho việc tạo ra các mô -đun lớn. Do đó, các sợi polycrystalline chủ yếu được sử dụng dưới dạng gạch được áp dụng cho các bề mặt bên trong của các bức tường và trần lò và trần nhà. Những viên gạch này làm giảm hiệu quả nhiệt độ thành ngoài của lò trong khi giảm tổn thất lưu trữ nhiệt trong thành lò.

Hiện tại, hầu hết các nhà sản xuất mô -đun sợi gốm ở Trung Quốc sản xuất các khối gấp. Các khối này được thực hiện bằng cách gấp chăn kim và trước khi nén chúng bằng thiết bị cơ học trong quá trình định hình. Tuy nhiên, bề mặt không đều của các khối gấp có thể ảnh hưởng đến việc áp dụng các lớp phủ chống xói mòn. Các khối thái lát giải quyết vấn đề này bằng cách cắt các cạnh gấp của chăn sau khi định hình, dẫn đến một bề mặt mịn để có hiệu suất tốt hơn.

4.3 màng sợi gốm rỗng

Trong những năm gần đây, màng gốm sợi rỗng mới đã thu hút được sự chú ý đáng kể. Những màng này không chỉ giữ được những lợi thế của màng gốm truyền thống mà còn mang lại lợi ích bổ sung, bao gồm:

• Mật độ đóng gói cao
• Diện tích phân tách hiệu quả lớn trên mỗi đơn vị khối lượng
• Tường màng mỏng
• Thông lượng thẩm thấu cao
• Tiết kiệm vật chất
• Dễ dàng thu nhỏ các thiết bị tách

Việc áp dụng các màng gốm sợi rỗng mới này dự kiến ​​sẽ tăng cường đáng kể hiệu suất tách của màng gốm. Do tính chất độc đáo và đặc điểm cấu trúc của chúng, các màng gốm sợi rỗng đang ngày càng được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như:

• Màng tách vô cơ để xử lý nước thải và khí
• Tế bào nhiên liệu màng gốm oxit rắn
• Lò phản ứng vi mạch
• Chất xúc tác hỗ trợ

4.4 Các ứng dụng hiện tại của các giống sợi mới

Việc phát triển, sản xuất và áp dụng các loại sợi gốm mới có công nghệ ứng dụng sợi gốm và phương pháp xây dựng tiên tiến đáng kể.

Ví dụ, các sợi có chứa zirconium, được sản xuất bằng phương pháp quay tan, là một loại sợi aluminosilicate hiệu quả về chi phí với các ứng dụng rộng. Chúng được sử dụng rộng rãi làm lớp lót sợi đầy đủ cho các bề mặt nóng của các lò công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, các sản phẩm trong nước trong lĩnh vực này vẫn chậm về chất lượng và phát triển ứng dụng so với các tiêu chuẩn quốc tế.

Ở nước ngoài, các sợi có chứa crom đã nổi lên như một loại mới với phạm vi nhiệt độ hoạt động cao hơn các sợi có chứa zirconium. Hiện tại, không có báo cáo về sản xuất hoặc ứng dụng sợi có chứa crom ở Trung Quốc.

5. Kết luận

Sợi gốm là các vật liệu cách nhiệt hiệu suất cao, nhẹ và hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, dân dụng và quốc phòng. Với sự nhấn mạnh toàn cầu ngày càng tăng vào bảo tồn năng lượng, các sợi gốm có tiềm năng lớn để phát triển và ứng dụng. Tốc độ tăng trưởng gộp hàng năm dự kiến ​​của sản xuất sợi gốm ở Trung Quốc là hơn 30%, được thúc đẩy bởi nghiên cứu liên tục về các vật liệu chức năng tiên tiến.