Duas tecnologias principais de preparação contínua de fibras de basalto

1. Método da Chama

O método de chama envolve um processo de produção onde o calor é fornecido diretamente à superfície do Basalto O processo de fusão ocorre em um forno de basalto com estrutura de tijolos refratários. Esse calor é tipicamente gerado por chamas (como combustão de gás natural e oxigênio, ar quente ou chamas de plasma) provenientes do topo do forno. Esse método de aquecimento primário pode ser complementado pelo aquecimento por eletrodos na base. O processo completo abrange as etapas de fusão, clarificação e conformação.

Os pequenos fornos de chama autônomos, atualmente predominantes na indústria, utilizam apenas aquecimento por combustão de gás natural na parte superior e não possuem eletrodos auxiliares na parte inferior. No entanto, devido ao alto consumo de energia, aos elevados custos de produção e à baixa relação custo-benefício, a maioria das empresas que utilizam essa tecnologia está sofrendo prejuízos severos e à beira da falência.

A direção de desenvolvimento para o método da chama é a forno de tanque aquecido por chama, que utiliza uma abordagem de "combinação gás-elétrica" ​​com combustão superior de gás natural e oxigênio e aquecimento auxiliar por eletrodo inferior. Este método de "combinação gás-elétrica" ​​é a tecnologia predominante para fabricação. Fibra de vidroOs fornos de fibra de vidro operam de forma muito madura e bem-sucedida, especialmente os fornos unitários, que praticamente se tornaram o padrão para projetos de fornos de trefilação de fibra de vidro em tanques. Esforços têm sido feitos para transferir essa tecnologia para a fabricação contínua de fibra de basalto, mas, apesar de testes limitados, o sucesso ainda não foi alcançado. Nos últimos dois anos, alguns adotaram uma abordagem diferente, substituindo as matérias-primas de rocha vulcânica natural pura por matérias-primas formuladas (ou seja, incorporando uma grande proporção de rocha não vulcânica). Isso levou ao comissionamento e operação bem-sucedidos de linhas de produção de fornos de tanque aquecidos a chama com capacidade de 10.000 toneladas/ano e 3.500 toneladas/ano.

2. Método de fusão totalmente elétrico

O método de fusão totalmente elétrica envolve um processo de produção no qual a energia elétrica é fornecida diretamente ao basalto fundido em alta temperatura dentro de um forno de basalto com estrutura de tijolos refratários. Isso é obtido por meio de eletrodos (como grafite, molibdênio, dióxido de estanho, etc.) ou outros métodos físicos (como métodos de plasma). Essa tecnologia abrange as etapas de fusão, clarificação e conformação.

O método de fusão contínua de fibra de basalto totalmente elétrica na China teve início com o Programa Nacional 863 em 2002, que concluiu um aparelho de trefilação de forno autônomo de pequena escala utilizando esse método. Avanços significativos na fusão contínua de fibra de basalto foram alcançados na China. fibra de basalto A tecnologia de trefilação por fusão totalmente elétrica foi alcançada em 2016, com a conclusão de um forno de tanque de fusão totalmente elétrico em escala piloto com capacidade de mil toneladas/ano. Este sistema utiliza eletrodos progressivos de múltiplas fileiras, permitindo uma profundidade de nível de líquido fundido de até 1300 mm. O diâmetro do monofilamento produzido concentra-se entre 9 e 22 μm, e o consumo de energia da unidade total é de 3,0 a 3,5 kWh/kg, demonstrando excelentes efeitos de economia de energia. Em 2018, uma linha de produção de forno de tanque de fusão totalmente elétrico com capacidade de 1200 toneladas/ano ("um para oito", utilizando fieiras de 400 furos) foi oficialmente colocada em operação. Ela tem funcionado de forma estável por mais de três anos, comprovando que a vida útil do forno pode ultrapassar três anos.

Até o momento, para matérias-primas de rocha vulcânica natural pura, a tecnologia de fabricação contínua de fibra de basalto se mantém apenas no nível de tecnologia de forno de tanque de mil toneladas/ano, e exclusivamente pelo método de fusão totalmente elétrica.

3. Comparação das duas rotas tecnológicas

As características de alta temperatura fusão de basaltoOu seja, sua baixa condutividade térmica, alta viscosidade e propriedades de material de cadeia curta são precisamente o que torna a fabricação de fibra contínua de basalto um desafio.

• Método da Chama

O método de chama, uma tecnologia relativamente consolidada originária da antiga União Soviética (atual Rússia e Ucrânia) e adaptada às condições específicas da China, tem sido amplamente utilizado. No entanto, sua maior desvantagem na industrialização reside nos altos custos de produção e na baixa relação custo-benefício, em grande parte devido a defeitos estruturais físicos inerentes ao próprio método.

Baixa utilização de calor

Neste método, o gás natural é queimado no topo do forno, com a chama aquecendo diretamente a superfície do basalto fundido. Mais de 60% do calor é refletido pela superfície do material fundido e dissipado pelos gases de escape. Dado que o basalto fundido em alta temperatura possui uma condutividade térmica dez vezes menor que a do vidro fundido em alta temperatura, a transferência de calor é extremamente lenta. Fornos pequenos, de unidade única, conseguem manter uma profundidade de fusão de apenas cerca de 15 cm. Enquanto fornos de tanque de basalto aquecidos por chama, com capacidade de 10.000 toneladas/ano, podem atingir uma profundidade de fusão de 50 cm com aquecimento auxiliar por eletrodo inferior, o material fundido forma uma estrutura semelhante a um prato dentro do forno, resultando em uma grande área superficial específica e significativa dissipação de calor. A perda de calor através dos materiais isolantes ultrapassa 10%. Consequentemente, a taxa real de utilização do calor é inferior a 30%.

Baixa qualidade de fusão

Devido ao nível de fusão superficial no método de chama, as seções de clarificação e homogeneização não conseguem atingir uma homogeneização completa, resultando em uma qualidade de fusão inferior.

Emissões de gases de escape

A combustão do gás natural produz gases de escape como óxidos de enxofre e de nitrogênio.

Emissões de gases de efeito estufa

Sendo um combustível fóssil, a combustão do gás natural libera quantidades significativas de CO2, um gás de efeito estufa.

Alto investimento em equipamentos

O controle das emissões de gases de escape da combustão de gás natural exige medidas de controle da poluição. O baixo aproveitamento do calor também requer medidas de recuperação de calor residual. Além disso, a combustão com oxigênio puro exige equipamentos de geração de oxigênio. Esses três fatores aumentam significativamente o investimento em equipamentos. O investimento unitário para o método de chama é de aproximadamente 11.000 a 20.000 RMB por tonelada.

• Método de fusão totalmente elétrico

Em comparação com o método de chama, o método de fusão totalmente elétrico oferece vantagens notáveis.

Alta qualidade de fusão

A tecnologia de fusão totalmente elétrica baseia-se no princípio de que o material fundido é eletricamente condutor em estado líquido a alta temperatura, permitindo que a energia elétrica seja fornecida diretamente ao material fundido para aquecimento interno. A disposição vertical dos eletrodos facilita a fusão vertical. Fornos de fusão totalmente elétricos com capacidade de milhares de toneladas por ano podem atingir uma profundidade de fusão superior a 1,2 metros, proporcionando uma seção de clarificação e homogeneização mais longa. A zona isotérmica de alta temperatura dentro do tanque é mais profunda, resultando em melhor qualidade de fusão e homogeneização do basalto.

Eficiência energética

O aquecimento interno direto do material fundido, a fusão vertical, tanques mais profundos e a cobertura da superfície do material fundido com material frio contribuem para altas taxas de fusão e alta eficiência térmica. Primeiramente, os eletrodos inseridos diretamente no material fundido garantem o aproveitamento total do calor Joule. Em segundo lugar, a profundidade do material fundido, próxima ao diâmetro interno do forno, resulta em uma área de superfície específica menor, quase mínima, para o material fundido. Essa estrutura geométrica reduz significativamente a dissipação de calor em comparação com a estrutura em forma de disco do método de chama. Em terceiro lugar, a cobertura da superfície do material fundido com material frio forma uma "parte superior fria do forno", reduzindo ainda mais a perda de calor.

Baixa pegada de carbono

A tecnologia de fusão totalmente elétrica elimina as emissões de carbono associadas à combustão de gás natural pelo método de chama. Suas emissões de carbono são determinadas exclusivamente pela matriz energética da rede elétrica. Se forem utilizadas energia hidrelétrica ou outras fontes de energia renováveis, é possível alcançar emissões zero de carbono.

Investimento menor

Como o método de fusão totalmente elétrico não envolve a combustão de gás natural com oxigênio puro, não há necessidade de investir em equipamentos de tratamento de gases de escape ou em equipamentos de geração de oxigênio. Além disso, a cobertura de material frio na superfície de fusão significa que não é necessário investir em equipamentos de recuperação de calor residual. O investimento unitário para o método de fusão totalmente elétrico é, portanto, menor.

Vantagem de custo

Economias significativas de energia e menor depreciação de ativos fixos se traduzem em uma clara vantagem de custo.