Produktionsanlagen und Präzisionssteuerungstechnik für Endlosbasaltfasern

1. Hauptproduktionsanlagen für die kontinuierliche Produktion Basaltfaser 
Kontinuierlich Basaltfaser Die Produktion erfolgt in einem einstufigen Verfahren mit vereinfachtem Arbeitsablauf, aber hohen technischen Anforderungen. Im Vergleich zur Kohlenstofffaserproduktion verbraucht die Herstellung von Basalt-Endlosfasern deutlich weniger Energie (weniger als ein Zehntel des Energieverbrauchs von Kohlenstofffasern) und emittiert kein CO₂, SO₂ oder andere Schadgase. Dadurch ist sie ein umweltfreundliches und CO₂-armes Produktionsverfahren. Die wichtigste thermische Anlage für die Basalt-Endlosfaserproduktion ist der Ofen, der in Tiegelöfen und Kesselöfen unterteilt wird.

(1) Tiegelofen
Ein Tiegelofen arbeitet typischerweise mit einem Ofen pro Buchse.
Vorteile: Kompakte Größe, geringe Investitionskosten, Flexibilität für lokale Prozessanpassungen und Eignung für Kleinserien- oder Spezialproduktion.
Nachteile: Geringer thermischer Wirkungsgrad, hoher Energieverbrauch, uneinheitliche Produktqualität, geringe Produktionseffizienz und hohe Gesamtkosten.
Aktuell dominieren Tiegelöfen die kontinuierliche Basaltfaserproduktion mit einer jährlichen Produktionskapazität von 100–300 Tonnen. Aufgrund der Degradation von Elektroden und Feuerfestmaterial ist ihre Lebensdauer mit 6–12 Monaten kurz. In der Anfangsphase der Industrieentwicklung eigneten sich Tiegelöfen ideal für die Kleinserienfertigung und die Anlagenforschung.
Arten von Tiegelöfen:

• Flammtiegelofen: Beheizt durch Erdgas-Luft-Verbrennung.
  Vorteile: Flexible Flammenregulierung, schnelle Start-/Stopp-Funktion.
  Nachteile: Niedrige Flammentemperatur, schlechtes Schmelzvermögen, Energieverschwendung durch Stickstoff (78 % der Luft), der schädliche NOₓ-Emissionen erzeugt, und ungleichmäßige Erwärmung, die zu einer uneinheitlichen Schmelzhomogenität führt.
• Vollelektrischer Tiegelofen: Beheizung von innen über Platten- oder Stabelektroden.
  Vorteile: Hohe thermische Effizienz, gleichmäßige Innenerwärmung.
  Nachteile: Kurze Lebensdauer aufgrund von Elektrodenverschleiß, sodass nach Abnutzung ein vollständiger Austausch erforderlich ist.

(2) Tankofen
Mit steigender Nachfrage nach Fasermenge und -qualität sind Kesselöfen (ein Ofen mit mehreren Brennkammern) für die großtechnische Produktion unerlässlich geworden. Sie ermöglichen eine präzise Temperaturregelung, verbesserte Schmelzhomogenität, stabile Produktqualität und hohe Effizienz bei jährlichen Kapazitäten von Tausenden bis Zehntausenden Tonnen.
Arten von Tanköfen:

• Vollelektrischer Tankofen: Verwendet Stabelektroden (horizontal oder unten montiert).
  Vorteile: Hohe thermische Effizienz und gleichmäßige Erwärmung.
  Nachteile: Elektroden-Hotspots, ungleichmäßiger Verschleiß und kurze Lebensdauer (~1 Jahr).
• Vollflammen-Tankofen: Beheizt mit Erdgas und Luft oder reinem Sauerstoff. Die Verbrennung mit reinem Sauerstoff wird aufgrund der höheren Effizienz und geringeren Emissionen bevorzugt.
  Vorteile: Lange Lebensdauer (über 3 Jahre), energiesparend durch reinen Sauerstoff.
  Nachteile: Temperaturgradienten in tiefen Schmelzen, wobei flache Schmelzen die Gleichmäßigkeit verbessern.
• Hybrid-Flammen-Elektro-Tankofen: Kombiniert Oberflammenheizung und Boden-/Seitenelektroden.
  Vorteile: Verbesserte Schmelzhomogenisierung.
  Nachteile: Komplexe Konstruktion, ungleichmäßige Oberflächenerwärmung, hoher Energieverlust durch wassergekühlte Elektroden und kurze Lebensdauer aufgrund von Elektrodenverschleiß.

(3) Buchse
Die Buchse, typischerweise aus einer Platin-Rhodium-Legierung gefertigt, ist eine Kernkomponente für die Faserformung. Für die Großserienfertigung werden Buchsen mit hoher Kapazität benötigt. Anfängliche Buchsen hatten 200 Bohrungen; heute sind Ausführungen mit 400, 800 und 1200 Bohrungen üblich. Die Weiterentwicklung der Buchsentechnologie korreliert mit der Entwicklung von Kesselöfen.

2. Präzisionssteuerungstechnologie 
Basaltschmelzen weisen Herausforderungen wie hohe Zieh-/Kristallisationstemperaturen, schnelle Kristallisation, enge Formgebungstemperaturfenster, ungleichmäßige Faserhärtung, starke Benetzbarkeit der Buchse und geringe Wärmetransparenz auf. Diese Faktoren verursachen Instabilitäten beim Faserziehen (z. B. Faserbruch, Faserablösung, Durchmesserabweichungen). Die Stabilisierung beruht auf drei Aspekten:

• Schmelzhomogenität und -stabilität: Erreicht durch präzises Rohmaterialmischen, Ofentemperaturregelung, Schmelzpegelregulierung und Druckmanagement.
• Buchsen- und Temperaturregelung: Gewährleistet eine gleichmäßige Erwärmung der Buchse und verhindert Kristallisation.
• Optimierung des Ziehprozesses: Beinhaltet die präzise Steuerung der Ziehgeschwindigkeit, der Kühlparameter und der Faserspannung.

Zu den Schlüsseltechnologien gehören hochentwickelte Steuerungssysteme für die Materialmischung, die Ofentemperatur, den Schmelzpegel, den Kammerdruck, die Kanaltemperatur, die Spindeltemperatur und die Ziehgeschwindigkeit. Diese gewährleisten eine stabile und qualitativ hochwertige Produktion von kontinuierlichen Basaltfasern.