เทคโนโลยีหลักสองอย่างในการเตรียมเส้นใยบะซอลต์แบบต่อเนื่อง

1. วิธีใช้เปลวไฟ

วิธีการใช้เปลวไฟเกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตที่ส่งความร้อนไปยังพื้นผิวโดยตรง หินบะซอลต์ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการหลอมโลหะภายในเตาเผาหินบะซอลต์ที่มีโครงสร้างเป็นอิฐทนไฟ ความร้อนมักเกิดจากเปลวไฟ (เช่น การเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติ-ออกซิเจน หรืออากาศร้อน หรือเปลวไฟพลาสมา) จากด้านบนของเตาเผา วิธีการให้ความร้อนหลักนี้สามารถเสริมด้วยการให้ความร้อนจากขั้วไฟฟ้าด้านล่าง กระบวนการทั้งหมดครอบคลุมการหลอม การทำให้ใส และการขึ้นรูป

เตาเผาเปลวไฟขนาดเล็กแบบตั้งเดี่ยว ซึ่งปัจจุบันเป็นที่นิยมในอุตสาหกรรม ใช้เพียงระบบทำความร้อนด้วยก๊าซธรรมชาติจากด้านบน และไม่มีขั้วไฟฟ้าเสริมด้านล่าง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีการใช้พลังงานสูง ต้นทุนการผลิตสูง และความคุ้มค่าของผลิตภัณฑ์ต่ำ บริษัทส่วนใหญ่ที่ใช้เทคโนโลยีนี้จึงประสบกับความสูญเสียอย่างหนักและใกล้จะล้มละลายแล้ว

ทิศทางการพัฒนาสำหรับวิธีการใช้เปลวไฟคือ เตาเผาถังที่ให้ความร้อนด้วยเปลวไฟซึ่งใช้แนวทาง "การผสมผสานระหว่างก๊าซและไฟฟ้า" โดยใช้ก๊าซธรรมชาติและออกซิเจนในการเผาไหม้ที่ด้านบน และใช้ความร้อนจากขั้วไฟฟ้าด้านล่างเป็นตัวเสริม วิธีการ "การผสมผสานระหว่างก๊าซและไฟฟ้า" นี้เป็นเทคโนโลยีหลักที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต ใยแก้วเตาเผาใยแก้วเหล่านี้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสบความสำเร็จ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเตาเผาแบบยูนิต ซึ่งเกือบจะกลายเป็นมาตรฐานสำหรับการออกแบบเตาเผาแบบถังสำหรับดึงใยแก้วแล้ว มีความพยายามที่จะถ่ายทอดเทคโนโลยีนี้ไปสู่การผลิตใยหินบะซอลต์แบบต่อเนื่อง แต่ถึงแม้จะมีการทดลองอย่างจำกัด ก็ยังไม่ประสบความสำเร็จ ในช่วงสองปีที่ผ่านมา บางบริษัทได้ใช้วิธีการที่แตกต่างออกไป โดยเปลี่ยนจากวัตถุดิบหินภูเขาไฟธรรมชาติบริสุทธิ์ไปเป็นวัตถุดิบที่ผสมสูตร (เช่น การผสมหินที่ไม่ใช่ภูเขาไฟในสัดส่วนมาก) ซึ่งนำไปสู่การทดสอบระบบและดำเนินการผลิตสายการผลิตเตาเผาแบบถังที่ใช้เปลวไฟให้ความร้อนขนาด 10,000 ตันต่อปี และ 3,500 ตันต่อปี ได้สำเร็จ

2. วิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วน

วิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วนเกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตที่ส่งพลังงานไฟฟ้าโดยตรงไปยังหินบะซอลต์หลอมเหลวอุณหภูมิสูงภายในเตาเผาหินบะซอลต์โครงสร้างอิฐทนไฟ ซึ่งทำได้โดยใช้ขั้วไฟฟ้า (เช่น กราไฟต์ โมลิบเดนัม ดีบุกไดออกไซด์ เป็นต้น) หรือ (และ) วิธีทางกายภาพอื่นๆ (เช่น วิธีพลาสมา) เทคโนโลยีนี้ครอบคลุมการหลอม การทำให้ใส และการขึ้นรูป

วิธีการหลอมเส้นใยบะซอลต์ด้วยไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องของจีนเริ่มต้นจากโครงการ 863 ระดับชาติในปี 2545 ซึ่งได้สร้างเครื่องดึงเส้นใยแบบเตาหลอมอิสระขนาดเล็กโดยใช้วิธีนี้ นับเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการผลิตอย่างต่อเนื่อง เส้นใยบะซอลต์ เทคโนโลยีการดึงเส้นใยด้วยไฟฟ้าล้วนประสบความสำเร็จในปี 2016 ด้วยการสร้างเตาหลอมแบบถังไฟฟ้าขนาดนำร่องที่มีกำลังการผลิต 1,000 ตันต่อปี ระบบนี้ใช้อิเล็กโทรดแบบหลายแถว ทำให้ระดับของเหลวหลอมเหลวมีความลึกได้ถึง 1,300 มิลลิเมตร เส้นใยเดี่ยวที่ได้มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 9-22 ไมโครเมตร และการใช้พลังงานต่อหน่วยโดยรวมอยู่ที่ 3.0-3.5 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการประหยัดพลังงานที่ดีเยี่ยม ในปี 2018 สายการผลิตเตาหลอมแบบถังไฟฟ้าล้วนขนาด 1,200 ตันต่อปี ("หนึ่งต่อแปด" โดยใช้หัวฉีด 400 รู) ได้เริ่มดำเนินการอย่างเป็นทางการ และทำงานได้อย่างเสถียรมานานกว่าสามปีแล้ว ซึ่งเป็นการยืนยันว่าอายุการใช้งานของเตาหลอมสามารถยาวนานกว่าสามปี

จนถึงปัจจุบัน เทคโนโลยีการผลิตเส้นใยบะซอลต์อย่างต่อเนื่องสำหรับวัตถุดิบหินภูเขาไฟธรรมชาติบริสุทธิ์ ยังคงอยู่ในระดับเทคโนโลยีเตาหลอมแบบถังขนาดใหญ่ที่มีกำลังการผลิตพันตันต่อปี และใช้เฉพาะวิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าเท่านั้น

3. การเปรียบเทียบเส้นทางเทคโนโลยีทั้งสอง

ลักษณะของอุณหภูมิสูง การหลอมละลายของหินบะซอลต์โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คุณสมบัติการนำความร้อนต่ำ ความหนืดสูง และคุณสมบัติของวัสดุที่ไม่คงที่ คือสิ่งที่ทำให้การผลิตเส้นใยบะซอลต์ต่อเนื่องเป็นเรื่องที่ท้าทาย

• วิธีเปลวไฟ

วิธีการใช้เปลวไฟ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างพัฒนาแล้ว โดยนำเข้ามาจากอดีตสหภาพโซเวียต (ปัจจุบันคือรัสเซียและยูเครน) และได้รับการปรับให้เข้ากับสภาพเฉพาะของจีน ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลาย อย่างไรก็ตาม ข้อเสียที่สำคัญที่สุดในการผลิตในระดับอุตสาหกรรมคือ ต้นทุนการผลิตสูงและประสิทธิภาพด้านต้นทุนต่ำ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างทางกายภาพโดยธรรมชาติของวิธีการนั้นเอง

การใช้ความร้อนต่ำ

ในวิธีการนี้ ก๊าซธรรมชาติจะถูกเผาไหม้จากด้านบนของเตาเผา โดยเปลวไฟจะให้ความร้อนโดยตรงกับพื้นผิวของหินบะซอลต์หลอมเหลว ความร้อนกว่า 60% จะถูกสะท้อนโดยพื้นผิวของหินหลอมเหลวและถูกพาออกไปโดยก๊าซไอเสีย เนื่องจากหินบะซอลต์หลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าแก้วหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงถึงสิบเท่า การถ่ายเทความร้อนจึงช้ามาก เตาเผาขนาดเล็กแบบหน่วยเดียวสามารถรักษาระดับความลึกของหินหลอมเหลวได้เพียงประมาณ 15 ซม. ในขณะที่เตาเผาหินบะซอลต์แบบถังขนาดใหญ่ที่ใช้เปลวไฟให้ความร้อน ซึ่งมีกำลังการผลิต 10,000 ตันต่อปี สามารถเข้าถึงระดับความลึกของหินหลอมเหลวได้ถึง 50 ซม. โดยใช้การให้ความร้อนด้วยอิเล็กโทรดด้านล่างเสริม แต่หินหลอมเหลวจะก่อตัวเป็นโครงสร้างคล้ายจานภายในเตาเผา ทำให้มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และมีการกระจายความร้อนอย่างมาก การสูญเสียความร้อนผ่านวัสดุฉนวนเกิน 10% ดังนั้น อัตราการใช้ความร้อนจริงจึงน้อยกว่า 30%

คุณภาพการหลอมเหลวต่ำ

เนื่องจากระดับการหลอมเหลวที่ตื้นในวิธีการใช้เปลวไฟ ทำให้ขั้นตอนการทำให้ใสและการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันไม่สามารถทำให้เกิดความเป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างทั่วถึง ส่งผลให้คุณภาพการหลอมเหลวต่ำลง

การปล่อยก๊าซไอเสีย

การเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติก่อให้เกิดก๊าซไอเสีย เช่น ซัลเฟอร์ออกไซด์และไนโตรเจนออกไซด์

การปล่อยก๊าซเรือนกระจก

ก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิล การเผาไหม้ก๊าซนี้ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกในปริมาณมาก

การลงทุนด้านอุปกรณ์สูง

การจัดการกับการปล่อยก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติ จำเป็นต้องใช้มาตรการควบคุมมลพิษ นอกจากนี้ การใช้ความร้อนต่ำยังต้องการมาตรการการนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่ ยิ่งไปกว่านั้น การเผาไหม้ด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ยังต้องการอุปกรณ์ผลิตออกซิเจน ปัจจัยทั้งสามนี้ทำให้การลงทุนด้านอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างมาก การลงทุนต่อหน่วยสำหรับวิธีการใช้เปลวไฟอยู่ที่ประมาณ 11,000-20,000 หยวนต่อตัน

• วิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วน

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการใช้เปลวไฟ วิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วนมีข้อดีที่โดดเด่นหลายประการ

คุณภาพการหลอมสูง

เทคโนโลยีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วนนั้นอาศัยหลักการที่ว่า โลหะหลอมเหลวมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าในสภาวะหลอมเหลวที่มีอุณหภูมิสูง ทำให้สามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าไปยังโลหะหลอมเหลวโดยตรงเพื่อสร้างความร้อนจากภายใน การจัดเรียงอิเล็กโทรดในแนวตั้งช่วยให้การหลอมในแนวตั้งเป็นไปได้ เตาหลอมแบบถังไฟฟ้าล้วนที่มีกำลังการผลิต 1,000 ตันต่อปี สามารถสร้างความลึกของการหลอมได้มากกว่า 1.2 เมตร ทำให้มีส่วนการทำให้ใสและการผสมเป็นเนื้อเดียวกันที่ยาวขึ้น บริเวณที่มีอุณหภูมิสูงคงที่ภายในถังจะลึกกว่า ส่งผลให้คุณภาพการหลอมและการผสมเป็นเนื้อเดียวกันของหินบะซอลต์ดีขึ้น

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

การให้ความร้อนจากภายในโดยตรงแก่โลหะหลอมเหลว การหลอมในแนวตั้ง ถังที่ลึกกว่า และการปกคลุมด้วยวัสดุเย็นบนพื้นผิวของโลหะหลอมเหลว ล้วนมีส่วนช่วยให้ได้อัตราการหลอมเหลวสูงและประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูง ประการแรก อิเล็กโทรดที่เสียบเข้าไปในโลหะหลอมเหลวโดยตรงช่วยให้ใช้ความร้อนจูลได้อย่างเต็มที่ ประการที่สอง ระดับโลหะหลอมเหลวที่ลึก ซึ่งมีความลึกใกล้เคียงกับเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของเตาหลอม ส่งผลให้พื้นที่ผิวจำเพาะของโลหะหลอมเหลวมีขนาดเล็กมาก ใกล้เคียงกับค่าต่ำสุด โครงสร้างทางเรขาคณิตนี้ช่วยลดการสูญเสียความร้อนได้อย่างมากเมื่อเทียบกับโครงสร้างแบบจานของวิธีการใช้เปลวไฟ ประการที่สาม การปกคลุมด้วยวัสดุเย็นบนพื้นผิวของโลหะหลอมเหลวทำให้เกิด "ส่วนบนของเตาหลอมที่เย็น" ซึ่งช่วยลดการสูญเสียความร้อนลงอีก

รอยเท้าคาร์บอนต่ำ

เทคโนโลยีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วนช่วยขจัดปัญหาการปล่อยก๊าซคาร์บอนที่เกิดจากการเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติด้วยเปลวไฟ การปล่อยก๊าซคาร์บอนจะขึ้นอยู่กับส่วนผสมของพลังงานในระบบไฟฟ้าเท่านั้น หากใช้พลังงานน้ำหรือแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ ก็สามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนให้เป็นศูนย์ได้

การลงทุนที่ลดลง

เนื่องจากวิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วนไม่เกี่ยวข้องกับการเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ จึงไม่จำเป็นต้องลงทุนในอุปกรณ์บำบัดก๊าซไอเสียหรืออุปกรณ์ผลิตออกซิเจน นอกจากนี้ การที่วัสดุเย็นปกคลุมอยู่บนพื้นผิวหลอมเหลวหมายความว่าไม่จำเป็นต้องลงทุนในอุปกรณ์กู้คืนความร้อนเหลือทิ้ง ดังนั้น ต้นทุนการลงทุนต่อหน่วยสำหรับวิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าล้วนจึงต่ำกว่า

ข้อได้เปรียบด้านต้นทุน

การประหยัดพลังงานอย่างมีนัยสำคัญและการเสื่อมราคาของสินทรัพย์ถาวรที่ลดลง ส่งผลให้เกิดความได้เปรียบด้านต้นทุนอย่างชัดเจน