Estado de desarrollo y nuevas variedades de fibras de cerámica y sus aplicaciones

Este artículo analiza el estado de desarrollo y los campos de aplicación de las fibras cerámicas a nivel nacional e internacional, así como la investigación y desarrollo de nuevas variedades. La fibra cerámica, como material de aislamiento liviano y eficiente, tiene muchas ventajas incomparables sobre los materiales de aislamiento tradicionales. Con el énfasis global en la conservación de la energía, se espera que las fibras cerámicas obtengan aplicaciones más amplias y un rápido desarrollo. Además, el potencial para que las fibras cerámicas reemplacen otros materiales de aislamiento es sustancial, lo que hace que valga la pena promover en la industria de la cerámica.

1. Introducción

La fibra de cerámica refractaria es un material de aislamiento térmico ligero y altamente eficiente. En comparación con los materiales de aislamiento tradicionales, tiene las siguientes ventajas de rendimiento:

1. Baja densidad masiva como revestimiento del horno:Los revestimientos de fibra de cerámica son más del 75% más ligeros que los ladrillos aislantes livianos y un 90-95% más ligero que los molestables livianos. El uso de revestimientos de fibra reduce significativamente la carga de la estructura de acero de los hornos y extiende su vida útil.
2. Baja capacidad de calor:La capacidad de calor de las fibras de cerámica es aproximadamente 1/10 la de los revestimientos refractarios livianos y los molestables. Esta baja capacidad de calor significa que los hornos absorben menos calor durante la operación, permitiendo una calentamiento más rápida y reduciendo significativamente el consumo de energía durante el arranque y el apagado del horno.
3. Otras ventajas:A medida que mejoran las tecnologías de aplicación, las fibras cerámicas se están expandiendo continuamente a nuevos campos. Debido al aumento de los precios mundiales de la energía, la conservación de la energía se ha convertido en una prioridad. En comparación con los materiales refractarios tradicionales, como los ladrillos aislantes y las fundibles, las fibras cerámicas pueden ahorrar 10% -30% más de energía, ganando aplicaciones más amplias y perspectivas prometedoras en China.

2. Desarrollo internacional y aplicaciones deFibras de cerámica

2.1 Desarrollo de fibras de cerámica en el extranjero

Las fibras de cerámica aparecieron por primera vez en 1941 cuando la compañía Babcock & Wilcox con sede en los Estados Unidos usó caolín natural para producir fibras a través de la fusión y soplado del horno de arco. A fines de la década de 1940, las compañías estadounidenses comenzaron a producir fibras de aluminosilicato para la industria de la aviación. En la década de 1960, Estados Unidos desarrolló varios productos de fibra de cerámica para revestimientos de hornos industriales.

Estados Unidos y Canadá son los principales productores, que representan aproximadamente un tercio de la producción global de fibra refractaria, con una producción anual de alrededor de 100,000 toneladas. Europa ocupa el tercer lugar, produciendo aproximadamente 60,000 toneladas anuales. Entre las 300,000 toneladas de fibras de cerámica producidas a nivel mundial cada año, la distribución del producto es la siguiente:

• MANUDAS Y Módulos de fibra: 45%
• Tableros, esteras y formas especiales formadas por vacío: 25%
• Fibras a granel: 15%
• Cuerdas de fibra y textiles: 6%
• Materiales de fibra no en forma: 6%
• Papel de fibra: 3%

2.2 Campos de aplicaciónOUtside of China

Los productos de fibra refractarios se han diversificado y funcionalizado con los avances tecnológicos. Estos productos pueden cumplir con los requisitos de temperatura que van desde 600 ° C hasta 1600 ° C y están disponibles en varias formas, incluidos algodón tradicional, mantas y esteras, así como módulos de fibra, tableros, formas especiales, papel y textiles.

En algunas aplicaciones avanzadas, se están desarrollando productos como fibras de circonio policristalino, fibras de nitruro de silicio y fibras de carburo de silicio. Por ejemplo, DuPont en los EE. UU. Produce largas fibras de alúmina policristalina que contienen 99.9% α-AL2O3 para aplicaciones aeroespaciales de alta temperatura.

3. Desarrollo y aplicaciones de fibras cerámicas en China

La producción de fibras de cerámica de China comenzó relativamente tarde, comenzando solo a principios de la década de 1970 con el exitoso desarrollo y la producción en masa de fibras cerámicas en la fábrica de materiales refractarios de Beijing y la fábrica de materiales refractarios de Shanghai. Durante más de una década, el proceso de producción se basó en métodos obsoletos como "fusión del horno de arco, soplado de aire de un solo paso para la fiberización y producción manual húmeda", lo que resulta en tecnología limitada y una gama estrecha de productos.

En 1984, la fábrica de materiales refractarios de Shougang Corporation importó una línea de producción de mantas con aguja utilizando el método de spinning de resistencia de la compañía CE con sede en Estados Unidos. Para 1987, se introdujeron líneas de producción adicionales y tecnología de formación de vacío a partir de las compañías estadounidenses BW y Ferro a empresas como Henan Shanxian Electrical Factory, Guangdong Gaoming Aluming Fiber Factory y Guiyang Refractary Materials Factory. Estos avances transformaron los procesos de producción anticuados, los equipos y la diversidad de productos de la industria de fibra de cerámica de China.

A partir de 1986, China digerió y absorbió equipos y tecnología importados mientras los adaptaba a las condiciones locales. Este esfuerzo condujo al diseño y construcción de 82 líneas de producción de mantas secas con aguja utilizando métodos de giro de resistencia (o soplado de aire), que se instalaron en 45 empresas. Desde entonces, la producción anual ha superado los 100,000 toneladas, lo que convierte a China en el mayor productor mundial de fibras de cerámica. Junto con la diversificación de productos, China ahora produce varias mantas de fibra de cerámica con aguja, incluyendo baja temperatura, estándar, de alta pureza y tipos de alta alúmina, así como de fieltro seco de resina de peso ultraligero (tablas). Además, las mantas de fibra que contienen circonio con contenido de ZRO2 de 14% -17% y temperaturas de operación superiores a 1300 ° C también se fabrican.

A fines de la década de 1980, compañías japonesas como Naoi Textile Machinery, Chariot e Intex invirtieron en Beijing para establecer empresas especializadas de producción textil de fibra de cerámica. Estas compañías comenzaron la producción en masa de telas de fibra de cerámica, cintas, cuerdas, mangas y juntas. El algodón y el equipo de fibra a granel requeridos para la producción textil se localizaron completamente. A principios de la década de 1990, Beijing, Shanghai, Anshan en Liaoning, Shandong y Sanmenxia en Henan introdujeron tecnología y equipo de pulverización de fibra de cerámica de los Estados Unidos, Francia y Japón. La pulverización de fibra de cerámica se aplicó a los revestimientos del horno industrial en las industrias metalurgias y petroquímicas, logrando un ahorro significativo de energía y beneficios económicos. Desde entonces, esta tecnología ha sido ampliamente promovida y aplicada con éxito en dispositivos de calefacción en varias industrias.

En la actualidad, la industria de fibra de cerámica de China está en una fase de ajuste y desarrollo continuo. La tecnología y el equipo de producción, particularmente para las mantas secas con aguja, han alcanzado niveles globalmente avanzados. Se han desarrollado con éxito e industrializaron con éxito que se han desarrollado con éxito e industrializado con éxito que se han desarrollado con éxito e industrializado con éxito los nuevos productos, como las tablas de fibra de aluminosilicato que contienen cromo y que contienen cromo y fibras de mullita policristalina y productos de fibra combinada y productos de fibra combinados, formando una amplia gama de materiales de refrigeración de peso ligero.

Los filtros de fibra de cerámica, aunque generalmente baja en resistencia, están evolucionando hacia el desarrollo de filtros de fibra de cerámica de fibra continua de bajo costo y alta resistencia. Se espera que estos filtros, debido a sus excelentes propiedades, desempeñen un papel cada vez más importante en la filtración de gases de combustión de alta temperatura, incluida la desulfuración, la desnitrificación y la conversión catalítica. La filtración de fibra de cerámica para la purificación de gases de combustión de alta temperatura aún no ha comenzado en China, pero las solicitudes recientes indican una tendencia de alto crecimiento en la demanda global de filtros cerámicos. Es previsible que la promoción y la aplicación de la tecnología de filtración de cerámica de gas de combustión de alta temperatura en China pronto se hagan realidad, contribuyendo a los objetivos de conservación de energía y reducción de emisiones.

Las nuevas fibras de cerámica, desarrolladas en los últimos años como materiales funcionales de alta tecnología, incluyen fibras resistentes a los rayos UV, fibras de retención de calor y aislantes, fibras antibacterianas y resistentes al olor, fibras resistentes a los neutrones, fibras conductoras y fibras magnéticas. La aplicación de micro-powders de cerámica en las fibras también se está expandiendo significativamente.

4. Nuevas variedades y aplicaciones de fibras de cerámica

4.1 Nuevos compuestos de fibra de cerámica

Según los informes, en los últimos años, Japón ha desarrollado y producido nuevos compuestos de fibra de cerámica para motores militares. Por ejemplo, Mitsubishi Corporation ha diseñado compuestos de fibra de cerámica para su uso en motores de reacción de combate y motores de cohetes. Estos compuestos se realizan tejiendo fibras de cerámica de 10 μm en una estructura tridimensional y recubrándolas con una sustancia vidriosa. Si bien las fibras cerámicas son resistentes al calor pero quebradizas, convertirlas en compuestos mejora significativamente su resistencia.

Los compuestos de fibra de carbono se usan comúnmente en los cuerpos de aviones y cohetes, pero rara vez se aplican a los motores debido a sus limitaciones de temperatura, ya que solo pueden soportar entornos de hasta aproximadamente 300 ° C. En consecuencia, las aleaciones a base de níquel generalmente se usan. Sin embargo, los nuevos compuestos de fibra de cerámica ofrecen resistencia superior a alta temperatura en comparación con los compuestos de fibra de carbono y son un 50% más ligeros que las aleaciones a base de níquel. Estos materiales han sufrido pruebas de campo en boquillas de motor de reacción de combate para el Ministerio de Defensa japonés y se han utilizado con éxito para fabricar componentes prototipos para motores de cohetes. Para 2005, habían sido aplicados en ingeniería para motores de cohetes.

4.2 Módulos de fibra de cerámica

Los módulos de fibra de cerámica son un nuevo tipo de producto de revestimiento de horno refractario diseñado para simplificar y acelerar la construcción del horno al tiempo que mejora la integridad general del revestimiento. Estos módulos se caracterizan por su color blanco y dimensiones uniformes, lo que les permite fijar directamente a los pasadores de anclaje en las placas de acero de las cáscaras de horno industriales. Ofrecen excelentes propiedades refractarias y aislantes, mejorando el rendimiento general de aislamiento de los hornos y la tecnología de construcción del horno avanzado.

Los módulos de fibra de cerámica están precomprimidos, y después de completar el revestimiento, su expansión garantiza una estructura perfecta, compensando la contracción de la fibra. Esto mejora el rendimiento del aislamiento, la estabilidad térmica y la resistencia al choque térmico del revestimiento. Los módulos se instalan rápidamente, y los anclajes se encuentran en el lado frío del revestimiento, reduciendo los requisitos del material para los anclajes.

Con el avance de las iniciativas nacionales de conservación de energía y reducción de emisiones, la renovación de los hornos de túnel de ladrillo se ha vuelto urgente. Los módulos de fibra de cerámica han sido bien recibidos por su excepcional rendimiento de aislamiento, particularmente en los techos de los hornos de túnel de ladrillo. Los módulos vienen en varias formas, incluidos bloques plegados, bloques en rodajas, bloques de piro y bloques formados por vacío.

Debido a las diferencias en los métodos de fabricación y las estructuras cristalinas de las fibras de mullita policristalina, sus fibras son más cortas y menos flexibles, lo que dificulta producir módulos grandes. En consecuencia, las fibras policristalinas se utilizan principalmente en forma de mosaicos aplicados a las superficies internas de paredes y techos de horno de ladrillo refractario. Estos mosaicos reducen efectivamente la temperatura de la pared exterior de los hornos mientras reducen las pérdidas de almacenamiento de calor en las paredes del horno.

Actualmente, la mayoría de los fabricantes de módulos de fibra de cerámica en China producen bloques plegados. Estos bloques se realizan plegando mantas con aguja y precompresándolas con equipos mecánicos durante la configuración. Sin embargo, la superficie desigual de los bloques plegados puede afectar la aplicación de recubrimientos resistentes a la erosión. Los bloques en rodajas abordan este problema cortando los bordes plegados de las mantas después de dar forma, lo que resulta en una superficie suave para un mejor rendimiento.

4.3 Membranas de fibra de cerámica hueca

En los últimos años, las nuevas membranas de cerámica de fibra hueca han atraído una atención significativa. Estas membranas no solo conservan las ventajas de las membranas cerámicas tradicionales, sino que también ofrecen beneficios adicionales, que incluyen:

• Alta densidad de embalaje
• Gran área de separación efectiva por unidad de volumen
• Paredes de membrana delgadas
• Alto flujo de permeación
• Ahorro de materiales
• Miniaturización más fácil de equipos de separación

Se espera que la aplicación de estas nuevas membranas cerámicas de fibra hueca mejore en gran medida el rendimiento de separación de las membranas cerámicas. Debido a sus propiedades únicas y características estructurales, las membranas cerámicas de fibra hueca se utilizan cada vez más en varios campos, como:

• Membranas de separación inorgánica para el tratamiento de aguas residuales y gases
• Celdas de combustible de membrana cerámica de óxido sólido
• Reactores de microcanal
• Catalyst apoya

4.4 Aplicaciones actuales de nuevas variedades de fibra

El desarrollo, la producción y la aplicación de nuevas variedades de fibras cerámicas tienen tecnologías de aplicación de fibra de cerámica y métodos de construcción significativamente avanzados.

Por ejemplo, las fibras que contienen circonio, producidas con el método de giración de fusión, son un tipo rentable de fibra de aluminosilicato con amplias aplicaciones. Se usan ampliamente como revestimientos de fibra completa para las superficies calientes de varios hornos industriales. Sin embargo, los productos nacionales en esta área aún se retrasan en la calidad y el desarrollo de aplicaciones en comparación con los estándares internacionales.

En el extranjero, las fibras que contienen cromo se han convertido en una nueva variedad con un rango de temperatura de funcionamiento más alto que las fibras que contienen circonio. Actualmente, no hay informes de producción o aplicación de fibra que contiene cromo en China.

5. Conclusión

Las fibras cerámicas son materiales de aislamiento de alto rendimiento, livianos y eficientes ampliamente utilizados en los sectores industriales, civiles y de defensa. Con el aumento del énfasis global en la conservación de la energía, las fibras cerámicas tienen un gran potencial de desarrollo y aplicación. La tasa de crecimiento anual compuesta anual de la producción de fibra cerámica en China supera el 30%, impulsada por una investigación en curso sobre materiales funcionales avanzados.