Deux technologies courantes de préparation continue de fibres de basalte

1. Méthode de la flamme

La méthode de la flamme implique un procédé de production où la chaleur est directement appliquée à la surface de la Basalte La fusion se fait dans un four en basalte à structure réfractaire en briques. La chaleur est généralement générée par des flammes (combustion au gaz naturel et à l'oxygène, combustion à l'air chaud ou flammes plasma) situées en haut du four. Ce chauffage principal peut être complété par un chauffage par électrode inférieure. Le procédé complet comprend la fusion, la clarification et le formage.

Les petits fours à flamme autonomes, actuellement les plus répandus dans l'industrie, utilisent uniquement la combustion de gaz naturel par le haut et sont dépourvus d'électrodes auxiliaires inférieures. Cependant, en raison de leur forte consommation d'énergie, de leurs coûts de production élevés et de leur faible rentabilité, la plupart des entreprises utilisant cette technologie subissent de lourdes pertes et sont au bord de la faillite.

L'orientation du développement de la méthode de la flamme est la four à réservoir chauffé à la flamme, qui utilise une approche « combinée gaz-électricité » avec une combustion de gaz naturel et d'oxygène en partie supérieure et un chauffage auxiliaire par électrode inférieure. Cette méthode « combinée gaz-électricité » est la technologie dominante pour la fabrication Fibre de verreCes fours à fibres de verre fonctionnent avec une grande maturité et un succès certain, notamment les fours unitaires, qui sont quasiment devenus la norme pour la conception des fours d'étirage à cuve pour fibres de verre. Des efforts ont été déployés pour transposer cette technologie à la fabrication continue de fibres de basalte, mais malgré des essais limités, le succès n'a pas encore été au rendez-vous. Ces deux dernières années, certains ont opté pour une approche différente, en remplaçant les matières premières de roche volcanique naturelle pure par des matières premières formulées (c'est-à-dire incorporant une forte proportion de roche non volcanique). Ceci a permis la mise en service et l'exploitation réussies de lignes de production de fours à cuve à flamme d'une capacité de 10 000 tonnes/an et de 3 500 tonnes/an.

2. Méthode de fusion entièrement électrique

La méthode de fusion entièrement électrique consiste à fournir directement de l'énergie électrique au basalte en fusion à haute température, contenu dans un four à basalte à structure réfractaire en briques. Ce procédé utilise des électrodes (en graphite, molybdène, dioxyde d'étain, etc.) et/ou d'autres procédés physiques (comme le plasma). Cette technologie englobe les étapes de fusion, de clarification et de mise en forme.

La méthode chinoise de fusion continue et entièrement électrique de fibres de basalte a débuté avec le programme national 863 en 2002, qui a permis la réalisation d'un appareil de tréfilage autonome à petite échelle utilisant cette méthode. Des avancées significatives ont été réalisées dans le domaine de la fusion continue. fibre de basalte La technologie de fusion-étirage entièrement électrique a été mise au point en 2016 avec la réalisation d'un four de fusion pilote d'une capacité de mille tonnes par an. Ce système utilise des électrodes progressives multi-rangées, permettant une profondeur de bain de fusion jusqu'à 1 300 mm. Le diamètre des monofilaments produits est compris entre 9 et 22 µm, et la consommation énergétique globale de l'unité est de 3,0 à 3,5 kWh/kg, ce qui témoigne d'excellentes performances en matière d'économie d'énergie. En 2018, une ligne de production de four de fusion entièrement électrique d'une capacité de 1 200 tonnes par an (de type « un à huit », utilisant des filières à 400 trous) a été officiellement mise en service. Elle fonctionne de manière stable depuis plus de trois ans, confirmant ainsi que la durée de vie du four peut dépasser trois ans.

À ce jour, pour les matières premières de roche volcanique naturelle pure, la technologie de fabrication continue de fibres de basalte n'est maintenue qu'au niveau de la technologie des fours à cuve de mille tonnes par an, et exclusivement pour la méthode de fusion entièrement électrique.

3. Comparaison des deux voies technologiques

Les caractéristiques des hautes températures fusion basaltique, à savoir sa faible conductivité thermique, sa viscosité élevée et ses propriétés matérielles limitées, sont précisément ce qui rend la fabrication de fibres de basalte continues difficile.

• Méthode de la flamme

La méthode de cuisson à la flamme, une technologie relativement éprouvée importée de l'ex-Union soviétique (aujourd'hui la Russie et l'Ukraine) et adaptée aux spécificités chinoises, est largement répandue. Cependant, son principal inconvénient en matière d'industrialisation réside dans ses coûts de production élevés et sa faible rentabilité, principalement dus à des défauts structurels inhérents à la méthode elle-même.

Faible utilisation de la chaleur

Dans ce procédé, le gaz naturel est brûlé par le haut du four, la flamme chauffant directement la surface du basalte en fusion. Plus de 60 % de la chaleur est réfléchie par cette surface et évacuée par les gaz d'échappement. Le basalte en fusion à haute température ayant une conductivité thermique dix fois inférieure à celle du verre en fusion à haute température, le transfert de chaleur est extrêmement lent. Les petits fours unitaires ne peuvent maintenir qu'une profondeur de fusion d'environ 15 cm. Si les fours à cuve discontinue de basalte chauffés par flamme, d'une capacité de 10 000 tonnes/an, peuvent atteindre une profondeur de fusion de 50 cm grâce à un chauffage auxiliaire par électrode inférieure, le basalte en fusion forme une structure concave à l'intérieur du four, ce qui entraîne une grande surface spécifique et une importante dissipation de chaleur. Les pertes de chaleur à travers les matériaux isolants dépassent 10 %. Par conséquent, le taux d'utilisation de la chaleur est inférieur à 30 %.

Faible qualité de fusion

En raison du faible niveau de fusion dans la méthode à la flamme, les sections de clarification et d'homogénéisation ne peuvent pas atteindre une homogénéisation complète, ce qui entraîne une qualité de fusion inférieure.

Émissions de gaz d'échappement

La combustion du gaz naturel produit des gaz d'échappement tels que des oxydes de soufre et d'azote.

Émissions de gaz à effet de serre

En tant que combustible fossile, la combustion du gaz naturel libère des quantités importantes de CO2, un gaz à effet de serre.

Investissements importants en équipement

La réduction des émissions de gaz d'échappement issues de la combustion du gaz naturel nécessite des mesures de contrôle de la pollution. Le faible rendement thermique impose également la récupération de la chaleur résiduelle. De plus, la combustion à l'oxygène pur requiert un générateur d'oxygène. Ces trois facteurs augmentent considérablement le coût des équipements. L'investissement unitaire pour la combustion par flamme est d'environ 11 000 à 20 000 RMB par tonne.

• Méthode de fusion entièrement électrique

Comparée à la méthode à la flamme, la méthode de fusion entièrement électrique offre des avantages notables.

Haute qualité de fusion

La technologie de fusion entièrement électrique repose sur le principe de la conductivité électrique du bain de fusion à haute température, permettant ainsi un apport direct d'énergie électrique pour son chauffage interne. La disposition verticale des électrodes favorise une fusion verticale. Les fours de fusion entièrement électriques d'une capacité de mille tonnes par an peuvent atteindre une profondeur de fusion supérieure à 1,2 mètre, offrant une zone de clarification et d'homogénéisation plus étendue. La zone isotherme à haute température à l'intérieur du four est plus profonde, ce qui améliore la qualité de la fusion et de l'homogénéisation du basalte.

efficacité énergétique

Le chauffage interne direct du bain de fusion, la fusion verticale, les cuves plus profondes et le revêtement froid de la surface du bain contribuent à des vitesses de fusion élevées et à un rendement thermique important. Premièrement, l'insertion directe d'électrodes dans le bain de fusion garantit une utilisation optimale de la chaleur Joule. Deuxièmement, la profondeur du bain de fusion, proche du diamètre intérieur du four, réduit considérablement la surface spécifique du bain, la rendant quasi minimale. Cette géométrie diminue significativement la dissipation de chaleur par rapport à la structure en forme de coupelle de la méthode à flamme. Troisièmement, le revêtement froid de la surface du bain forme une « partie supérieure froide du four », réduisant encore les pertes de chaleur.

Faible empreinte carbone

Cette technologie de fusion entièrement électrique élimine les émissions de carbone liées à la combustion du gaz naturel par flamme. Ses émissions de carbone dépendent exclusivement du mix énergétique du réseau. L'utilisation de l'énergie hydroélectrique ou d'autres sources d'énergie renouvelables permet d'atteindre zéro émission de carbone.

Investissement réduit

Comme la méthode de fusion entièrement électrique n'implique pas la combustion d'oxygène pur à partir de gaz naturel, il n'est pas nécessaire d'investir dans des équipements de traitement des gaz d'échappement ni dans des générateurs d'oxygène. De plus, le revêtement froid de la surface de fusion élimine le besoin d'un système de récupération de chaleur. L'investissement unitaire pour cette méthode est donc inférieur.

Avantage en termes de coûts

Des économies d'énergie importantes et une réduction de l'amortissement des immobilisations se traduisent par un avantage concurrentiel significatif en termes de coûts.