두 가지 주요 연속 현무암 섬유 제조 기술

1. 화염법

화염법은 열을 표면에 직접 전달하는 생산 공정을 포함합니다. 현무암 내화 벽돌 구조의 현무암 가마 내부에서 용융 공정을 진행합니다. 이때 발생하는 열은 일반적으로 가마 상단에서 나오는 화염(천연가스-산소 연소, 고온 공기 연소 또는 플라즈마 화염 등)에서 발생합니다. 이러한 주요 가열 방식은 하부 전극 가열로 보완될 수 있습니다. 전체 공정은 용융, 정제 및 성형을 포함합니다.

현재 업계에서 주류를 이루는 소형 독립형 화염로는 상부 천연가스 연소 가열 방식만 사용하며 하부 보조 전극이 없습니다. 그러나 높은 에너지 소비량, 높은 생산 비용, 낮은 제품 비용 효율성으로 인해 이 기술을 사용하는 대부분의 기업은 심각한 손실을 입고 있으며 파산 위기에 처해 있습니다.

화염법의 개발 방향은 다음과 같습니다. 화염 가열식 탱크로이는 상부에서 천연가스-산소 연소를, 하부에서 보조 전극 가열을 이용하는 "가스-전기 복합" 방식을 채택하고 있습니다. 이러한 "가스-전기 복합" 방식은 제조 분야에서 절대적으로 주류를 이루는 기술입니다. 유리 섬유이러한 유리섬유 소성로는 특히 유닛 소성로를 중심으로 매우 성숙하고 성공적으로 운영되고 있으며, 유닛 소성로는 유리섬유 탱크로 인발 소성로 설계의 표준으로 자리 잡았습니다. 이 기술을 연속 현무암 섬유 제조에 적용하려는 노력이 있었지만, 제한적인 시험에도 불구하고 아직 성공을 거두지 못했습니다. 지난 2년 동안 일부 업체는 순수한 천연 화산암 원료에서 배합 원료(즉, 비화산암을 다량 함유한 원료)로 전환하는 다른 접근 방식을 취했습니다. 그 결과 연간 1만 톤 및 3,500톤 규모의 화염 가열식 탱크로 생산 라인이 성공적으로 가동되었습니다.

2. 완전 전기 용융 방식

완전 전기 용융법은 내화 벽돌 구조의 현무암 가마 내부에서 고온의 현무암 용융물에 전기 에너지를 직접 공급하는 생산 공정입니다. 이는 전극(흑연, 몰리브덴, 이산화주석 등) 또는 기타 물리적 방법(플라즈마 방식 등)을 통해 이루어집니다. 이 기술은 용융, 정제 및 성형 공정을 모두 포함합니다.

중국의 연속 현무암 섬유 전기 용융법은 2002년 국가 863 프로그램에서 시작되었으며, 이 프로그램을 통해 소규모 독립형 용광로 인발 장치가 완성되었습니다. 연속 용융법 분야에서 상당한 진전이 이루어졌습니다. 현무암 섬유 2016년에는 연간 1,000톤 규모의 파일럿급 전기식 용융 탱크로를 완공하여 완전 전기식 용융 인발 기술을 구현했습니다. 이 시스템은 다중 행의 진행형 전극을 사용하여 용융액면 깊이를 최대 1,300mm까지 확보할 수 있습니다. 생산되는 모노필라멘트의 직경은 9~22μm에 집중되어 있으며, 전체 단위 전력 소비량은 3.0~3.5kWh/kg으로 탁월한 에너지 절감 효과를 보여줍니다. 2018년에는 연간 1,200톤 규모의 전기식 용융 탱크로 생산 라인(400홀 방사구를 사용하는 "1-8")이 공식적으로 가동을 시작하여 3년 이상 안정적으로 운영되고 있으며, 가마의 수명이 3년 이상임을 입증했습니다.

현재까지 순수 천연 화산암 원료를 이용한 연속 현무암 섬유 제조 기술은 연간 수천 톤 규모의 탱크로 기술 수준에 머물러 있으며, 전적으로 전기 용융 방식에만 의존하고 있습니다.

3. 두 가지 기술 경로의 비교

고온의 특성 현무암 용융물즉, 낮은 열전도율, 높은 점도 및 짧은 재료 특성은 연속 현무암 섬유 제조를 어렵게 만드는 주요 요인입니다.

• 화염법

화염법은 구소련(현재 러시아와 우크라이나)에서 도입되어 중국의 특수한 환경에 맞게 변형된 비교적 성숙한 기술로, 널리 사용되고 있습니다. 그러나 산업화에 있어 가장 큰 단점은 높은 생산 비용과 낮은 비용 효율성인데, 이는 주로 화염법 자체의 고유한 물리적 구조적 결함 때문입니다.

낮은 열 이용률

이 방식에서는 천연가스를 용광로 상단에서 연소시켜 화염이 현무암 용융 표면을 직접 가열합니다. 이때 열의 60% 이상이 용융 표면에서 반사되어 배기가스로 배출됩니다. 고온 현무암 용융물의 열전도율은 고온 유리 용융물보다 10배나 낮기 때문에 열 전달 속도가 매우 느립니다. 소형 단일 용광로는 용융 깊이를 약 15cm 정도로만 유지할 수 있습니다. 연간 1만 톤 규모의 화염 가열식 현무암 배치 탱크 용광로는 보조 하부 전극 가열을 통해 용융 깊이를 50cm까지 높일 수 있지만, 용광로 내부에 접시 모양의 구조가 형성되어 비표면적이 넓어지고 열 손실이 크게 발생합니다. 단열재를 통한 열 손실은 10%를 초과하므로 실제 열 이용률은 30% 미만입니다.

저융점 품질

화염 용해법에서는 용융 깊이가 얕기 때문에, 정제 및 균질화 단계에서 완전한 균질화가 이루어지지 않아 용융 품질이 저하됩니다.

배기가스 배출

천연가스 연소는 황산화물과 질소산화물과 같은 배기가스를 발생시킵니다.

온실가스 배출

천연가스는 화석 연료이기 때문에 연소 과정에서 온실가스인 이산화탄소가 상당량 배출됩니다.

높은 장비 투자

천연가스 연소 시 발생하는 배기가스 배출 문제를 해결하기 위해서는 오염 방지 대책이 필수적입니다. 또한, 낮은 열 이용률로 인해 폐열 회수 대책도 필요합니다. 더 나아가, 순수 산소 연소를 위해서는 산소 발생 장비가 요구됩니다. 이러한 세 가지 요인으로 인해 장비 투자 비용이 크게 증가합니다. 화염 연소 방식의 단위 투자 비용은 톤당 약 11,000~20,000위안입니다.

• 완전 전기 용융 방식

화염을 이용하는 방식과 비교했을 때, 완전 전기식 용융 방식은 상당한 이점을 제공합니다.

높은 용융 품질

완전 전기식 용융 기술은 고온 용융 상태에서 용융물이 전기 전도성을 띠는 원리를 기반으로 하며, 이를 통해 용융물에 직접 전기 에너지를 공급하여 내부를 가열할 수 있습니다. 전극의 수직 배치로 수직 용융이 용이해집니다. 연간 1,000톤급 완전 전기식 용융 탱크로는 1.2미터 이상의 용융 깊이를 달성할 수 있어, 정제 및 균질화 구간을 더 길게 확보할 수 있습니다. 탱크 내부의 고온 등온 영역이 깊어짐에 따라 현무암의 용융 및 균질화 품질이 향상됩니다.

에너지 효율

용융물의 직접 내부 가열, 수직 용융, 깊은 탱크, 용융물 표면의 냉각 재료 코팅은 높은 용융 속도와 열효율을 달성하는 데 기여합니다. 첫째, 용융물에 직접 삽입된 전극은 줄열을 최대한 활용할 수 있도록 합니다. 둘째, 용융층의 깊이가 용광로 내부 직경에 가까워 용융물의 비표면적이 최소화됩니다. 이러한 기하학적 구조는 화염 방식의 접시 모양 구조에 비해 열 손실을 크게 줄입니다. 셋째, 용융물 표면의 냉각 재료 코팅은 "냉각로 상부"를 형성하여 열 손실을 더욱 감소시킵니다.

낮은 탄소 발자국

완전 전기식 용융 기술은 화염 방식에서 천연가스 연소와 관련된 탄소 배출을 완전히 제거합니다. 이 기술의 탄소 배출량은 오로지 전력망의 에너지 구성에 따라 결정됩니다. 수력이나 기타 재생 에너지원을 사용할 경우 탄소 배출 제로를 달성할 수 있습니다.

투자 금액 감소

완전 전기식 용융 방식은 천연가스의 순수 산소 연소를 사용하지 않으므로 배기가스 환경 처리 설비나 산소 발생 설비에 투자할 필요가 없습니다. 또한 용융 표면에 차가운 재료가 덮여 있기 때문에 폐열 회수 설비에도 투자할 필요가 없습니다. 따라서 완전 전기식 용융 방식의 초기 투자 비용이 더 낮습니다.

비용 우위

상당한 에너지 절감과 고정 자산 감가상각비 감소는 뚜렷한 비용 우위로 이어집니다.