Dos tecnologías principales para la preparación continua de fibra de basalto

1. Método de la llama

El método de llama implica un proceso de producción en el que el calor se suministra directamente a la superficie del material. Basalto La fusión se realiza dentro de un horno de basalto con estructura de ladrillo refractario. Este calor se genera típicamente mediante llamas (como la combustión de gas natural y oxígeno, aire caliente o llamas de plasma) en la parte superior del horno. Este método de calentamiento principal puede complementarse con el calentamiento mediante electrodos inferiores. El proceso completo abarca la fusión, la clarificación y el conformado.

Los hornos de llama pequeños e independientes, que actualmente son la norma en la industria, solo utilizan la combustión superior de gas natural para el calentamiento y carecen de electrodos inferiores auxiliares. Sin embargo, debido a su alto consumo de energía, sus elevados costos de producción y su baja rentabilidad, la mayoría de las empresas que utilizan esta tecnología están sufriendo graves pérdidas y se encuentran al borde de la quiebra.

La dirección de desarrollo para el método de llama es la horno de tanque calentado por llama, que utiliza un enfoque de "combinación gas-eléctrica" ​​con combustión superior de gas natural y oxígeno y calentamiento auxiliar del electrodo inferior. Este método de "combinación gas-eléctrica" ​​es la tecnología principal absoluta para la fabricación fibra de vidrioEstos hornos de fibra de vidrio operan de manera muy madura y exitosa, especialmente los hornos unitarios, que prácticamente se han convertido en el estándar para el diseño de hornos de estirado de fibra de vidrio. Se han realizado esfuerzos para transferir esta tecnología a la fabricación continua de fibra de basalto, pero a pesar de las pruebas limitadas, aún no se ha logrado el éxito. En los últimos dos años, algunos han adoptado un enfoque diferente, cambiando las materias primas de roca volcánica natural pura por materias primas formuladas (es decir, incorporando una gran proporción de roca no volcánica). Esto ha llevado a la puesta en marcha y operación exitosas de líneas de producción de hornos de tanque calentados por llama de 10 000 toneladas/año y 3500 toneladas/año.

2. Método de fusión totalmente eléctrico

El método de fusión totalmente eléctrico implica un proceso de producción en el que la energía eléctrica se suministra directamente al basalto fundido a alta temperatura dentro de un horno de basalto con estructura de ladrillo refractario. Esto se logra mediante electrodos (como grafito, molibdeno, dióxido de estaño, etc.) u otros métodos físicos (como los métodos de plasma). Esta tecnología abarca la fusión, la clarificación y el conformado.

El método chino de fusión continua totalmente eléctrica de fibra de basalto comenzó con el Programa Nacional 863 en 2002, que completó un aparato de estirado de horno independiente a pequeña escala utilizando este método. Avances significativos en la fusión continua fibra de basalto En 2016 se logró la tecnología de estirado por fusión totalmente eléctrica con la finalización de un horno de tanque de fusión totalmente eléctrico a escala piloto de mil toneladas/año. Este sistema utiliza electrodos progresivos de múltiples filas, lo que permite una profundidad del nivel de líquido fundido de hasta 1300 mm. El diámetro del monofilamento del producto se concentra entre 9 y 22 μm, y el consumo energético unitario total es de 3,0 a 3,5 kWh/kg, lo que demuestra excelentes efectos de ahorro energético. En 2018, se puso oficialmente en funcionamiento una línea de producción de horno de tanque de fusión totalmente eléctrica de 1200 toneladas/año ("uno a ocho", utilizando hileras de 400 orificios). Ha funcionado de forma estable durante más de tres años, lo que verifica que la vida útil del horno puede alcanzar más de tres años.

Hasta la fecha, para las materias primas de roca volcánica natural pura, la tecnología de fabricación continua de fibra de basalto solo se mantiene al nivel de la tecnología de horno de tanque de mil toneladas/año, y exclusivamente para el método de fusión totalmente eléctrico.

3. Comparación de las dos rutas tecnológicas

Las características de alta temperatura fusión de basaltoSu escasa conductividad térmica, su alta viscosidad y sus propiedades materiales limitadas son precisamente lo que dificulta la fabricación de fibra de basalto continua.

• Método de la llama

El método de la llama, una tecnología relativamente madura introducida desde la antigua Unión Soviética (actualmente Rusia y Ucrania) y adaptada a las condiciones específicas de China, se ha generalizado. Sin embargo, su principal inconveniente para la industrialización son los altos costos de producción y la baja rentabilidad, debido en gran medida a defectos estructurales físicos inherentes al propio método.

Bajo consumo de calor

En este método, el gas natural se quema desde la parte superior del horno, y la llama calienta directamente la superficie del basalto fundido. Más del 60 % del calor se refleja en la superficie del fundido y se disipa mediante los gases de escape. Dado que el basalto fundido a alta temperatura tiene una conductividad térmica diez veces menor que el vidrio fundido a alta temperatura, la transferencia de calor es extremadamente lenta. Los hornos pequeños de una sola unidad solo pueden mantener una profundidad de fusión de unos 15 cm. Si bien los hornos de tanque discontinuo de basalto calentados por llama de 10 000 toneladas/año pueden alcanzar una profundidad de fusión de 50 cm con calentamiento auxiliar mediante electrodo inferior, el fundido forma una estructura en forma de plato dentro del horno, lo que genera una gran superficie específica y una disipación de calor significativa. La pérdida de calor a través de los materiales aislantes supera el 10 %. En consecuencia, la tasa real de utilización del calor es inferior al 30 %.

Calidad de fusión baja

Debido al bajo nivel de fusión en el método de llama, las secciones de clarificación y homogeneización no pueden lograr una homogeneización completa, lo que resulta en una menor calidad de fusión.

Emisiones de gases de escape

La combustión del gas natural produce gases de escape como óxidos de azufre y nitrógeno.

Emisiones de gases de efecto invernadero

Como combustible fósil, la combustión del gas natural libera cantidades significativas de CO2, un gas de efecto invernadero.

Alta inversión en equipos

Abordar las emisiones de gases de escape de la combustión de gas natural exige medidas de control de la contaminación. El bajo aprovechamiento del calor también requiere medidas de recuperación del calor residual. Además, la combustión con oxígeno puro requiere equipos de generación de oxígeno. Estos tres factores incrementan significativamente la inversión en equipos. La inversión unitaria para el método de llama es de aproximadamente 11 000 a 20 000 RMB por tonelada.

• Método de fusión totalmente eléctrico

En comparación con el método de la llama, el método de fusión totalmente eléctrico ofrece ventajas notables.

Alta calidad de fusión

La tecnología de fusión totalmente eléctrica se basa en el principio de que el material fundido es conductor de electricidad a alta temperatura, lo que permite suministrar energía eléctrica directamente al material para su calentamiento interno. La disposición vertical de los electrodos facilita la fusión vertical. Los hornos de cuba de fusión totalmente eléctricos, con una capacidad de mil toneladas anuales, pueden alcanzar una profundidad de fusión superior a 1,2 metros, lo que proporciona una sección de clarificación y homogeneización más extensa. La zona isotérmica de alta temperatura dentro de la cuba es más profunda, lo que resulta en una mejor calidad de fusión y homogeneización del basalto.

Eficiencia energética

El calentamiento interno directo del metal fundido, la fusión vertical, los tanques más profundos y la cobertura de material frío sobre la superficie del metal fundido contribuyen a altas tasas de fusión y una alta eficiencia térmica. En primer lugar, los electrodos insertados directamente en el metal fundido aseguran el aprovechamiento total del calor Joule. En segundo lugar, el nivel profundo del metal fundido, cuya profundidad se aproxima al diámetro interno del horno, resulta en una superficie específica menor, casi mínima, para el metal fundido. Esta estructura geométrica reduce significativamente la disipación de calor en comparación con la estructura en forma de plato del método de llama. En tercer lugar, la cobertura de material frío sobre la superficie del metal fundido forma una "parte superior fría del horno", lo que reduce aún más la pérdida de calor.

Huella de carbono baja

La tecnología de fusión totalmente eléctrica elimina las emisiones de carbono asociadas a la combustión de gas natural en el método de llama. Sus emisiones de carbono dependen exclusivamente de la matriz energética de la red eléctrica. Si se utiliza energía hidroeléctrica u otras fuentes de energía renovables, se pueden lograr cero emisiones de carbono.

Menor inversión

Dado que el método de fusión totalmente eléctrico no implica la combustión de gas natural con oxígeno puro, no es necesario invertir en equipos de tratamiento ambiental de gases de escape ni en equipos de generación de oxígeno. Además, la cobertura de material frío sobre la superficie fundida elimina la necesidad de invertir en equipos de recuperación de calor residual. Por lo tanto, la inversión unitaria para el método de fusión totalmente eléctrico es menor.

Ventaja de costos

El importante ahorro energético y la menor depreciación de los activos fijos se traducen en una clara ventaja en términos de costes.