Status de desenvolvimento e novas variedades de fibras de cerâmica e suas aplicações

Este artigo discute o status de desenvolvimento e os campos de aplicação das fibras de cerâmica interna e internacionalmente, bem como a pesquisa e o desenvolvimento de novas variedades. A fibra de cerâmica, como material de isolamento leve e eficiente, tem muitas vantagens incomparáveis ​​sobre os materiais de isolamento tradicionais. Com a ênfase global na conservação de energia, espera -se que as fibras cerâmicas obtenham aplicações mais amplas e o rápido desenvolvimento. Além disso, o potencial de fibras de cerâmica substituir outros materiais de isolamento é substancial, fazendo com que valessem a pena promover na indústria de cerâmica.

1. Introdução

A fibra cerâmica refratária é um material de isolamento térmico leve e altamente eficiente. Comparado aos materiais de isolamento tradicionais, ele possui as seguintes vantagens de desempenho:

1. Baixa densidade em massa como forro de forno:Os revestimentos de fibra de cerâmica são mais de 75% mais leves que os tijolos isolantes leves e 90-95% mais leves que os castáveis ​​leves. O uso de revestimentos de fibra reduz significativamente a carga da estrutura de aço de fornos e estende sua vida útil.
2. Baixa capacidade de calor:A capacidade térmica das fibras de cerâmica é de cerca de 1/10 a dos revestimentos refratários leves e castáveis. Essa baixa capacidade de calor significa que os fornos absorvem menos calor durante a operação, permitindo aquecimento mais rápido e reduzindo significativamente o consumo de energia durante a inicialização e o desligamento do forno.
3. Outras vantagens:À medida que as tecnologias de aplicativos melhoram, as fibras de cerâmica estão se expandindo continuamente em novos campos. Devido ao aumento dos preços globais da energia, a conservação de energia se tornou uma prioridade. Comparados aos materiais refratários tradicionais, como tijolos e castigos isolantes, as fibras de cerâmica podem economizar 10% a 30% mais energia, ganhando aplicações mais amplas e perspectivas promissoras na China.

2. Desenvolvimento internacional e aplicações deFibras de cerâmica

2.1 Desenvolvimento de fibras de cerâmica no exterior

As fibras de cerâmica apareceram pela primeira vez em 1941, quando a empresa Babcock & Wilcox, com sede nos EUA, usou caulim natural para produzir fibras por meio de fusão e sopro de fornos de arco. No final da década de 1940, as empresas americanas começaram a produzir fibras de aluminossilicato para a indústria da aviação. Na década de 1960, os EUA desenvolveram vários produtos de fibra de cerâmica para revestimentos de fornos industriais.

Os EUA e o Canadá são os principais produtores, representando cerca de um terço da produção global de fibras refratárias, com uma produção anual de cerca de 100.000 toneladas. A Europa ocupa o terceiro lugar, produzindo aproximadamente 60.000 toneladas anualmente. Entre as 300.000 toneladas de fibras de cerâmica produzidas globalmente a cada ano, a distribuição do produto é a seguinte:

• Cobertores e módulos de fibra: 45%
• Placas formadas a vácuo, tapetes e formas especiais: 25%
• Fibras a granel: 15%
• Cordas e têxteis de fibra: 6%
• Materiais de fibra não mapeados: 6%
• Papel de fibra: 3%

2.2 Campos de aplicaçãoOUtside da China

Os produtos de fibra refratária tornaram -se diversificados e funcionalizados com avanços tecnológicos. Esses produtos podem atender aos requisitos de temperatura que variam de 600 ° C a 1600 ° C e estão disponíveis em várias formas, incluindo algodão tradicional, cobertores e tapetes, além de módulos de fibra, placas, formas especializadas, papel e têxteis.

Em algumas aplicações avançadas, produtos como fibras de zirconia policristalina, fibras de nitreto de silício e fibras de carboneto de silício estão sendo desenvolvidas. Por exemplo, a DuPont nos EUA produz longas fibras de alumina policristalina contendo 99,9% α-AL2O3 para aplicações aeroespaciais de alta temperatura.

3. Desenvolvimento e aplicações de fibras de cerâmica na China

A produção de fibras cerâmicas da China começou relativamente tarde, começando apenas no início dos anos 70 com o desenvolvimento bem -sucedido e a produção em massa de fibras cerâmicas na fábrica de materiais refratários de Pequim e na fábrica de materiais refratários de Xangai. Por mais de uma década, o processo de produção baseou-se em métodos desatualizados, como "derretimento do forno de arco, sopro de ar para fibra de fibra e produção manual de feltro molhado", resultando em tecnologia limitada e uma gama estreita de produtos.

Em 1984, a refratária Fábrica de Materiais da Shougang Corporation importou uma linha de produção coberta de agulhas usando o método de rotação de resistência da empresa CE com sede nos EUA. Em 1987, linhas de produção adicionais e tecnologia de formação de vácuo foram introduzidas da American Companies BW e Ferro para empresas como Henan Shanxian Electrical Factory, Guangdong Gaoming Aluminossilicate Fiber Factory e fábrica de materiais refratários de Guiyang. Esses avanços transformaram os processos de produção desatualizados, equipamentos e diversidade de produtos da indústria de fibra de cerâmica da China.

A partir de 1986, a China digeriu e absorveu equipamentos e tecnologia importados enquanto os adaptam às condições locais. Esse esforço levou ao projeto e construção de 82 linhas de produção de mantas perfuradas por agulha, usando métodos de rotação de resistência (ou sopro de ar), que foram instalados em 45 empresas. Desde então, a produção anual excedeu 100.000 toneladas, tornando a China o maior produtor mundial de fibras cerâmicas. Juntamente com a diversificação de produtos, a China agora produz vários tipos de cobertores de cerâmica, incluindo tipos de baixa temperatura, padrão, alta pureza e alumina, além de feltro seco de resina de peso leve (placas). Além disso, os cobertores de fibra contendo zircônio com conteúdo de ZRO2 de 14% a 17% e temperaturas operacionais que excedem 1300 ° C também são fabricadas.

No final dos anos 80, empresas japonesas, como Maquinaria Têxtil Naoi, Chariot e Intrex, investiram em Pequim para estabelecer empresas especializadas de produção de fibra de fibra cerâmica. Essas empresas iniciaram a produção em massa de tecidos de fibra de cerâmica, fitas, cordas, mangas e juntas. O algodão e o equipamento de fibra a granel necessários para produção têxtil foram totalmente localizados. No início dos anos 90, Pequim, Xangai, Anshan em Liaoning, Shandong e Sanmenxia em Henan introduziram tecnologia de pulverização de fibra de cerâmica e equipamentos dos EUA, França e Japão. A pulverização de fibra de cerâmica foi aplicada a revestimentos de fornos industriais nas indústrias metalurgia e petroquímica, alcançando uma economia de energia significativa e benefícios econômicos. Desde então, essa tecnologia foi amplamente promovida e aplicada com sucesso em dispositivos de aquecimento em vários setores.

Atualmente, a indústria de fibra de cerâmica da China está em uma fase de ajuste e desenvolvimento contínuos. A tecnologia e o equipamento de produção, principalmente para cobertores perfurados por agulha seca, atingiram níveis avançados globalmente. Novos produtos, como tábuas de fibra de aluminossilicato contendo cromo e contendo zircônio, fibras de alumina policristalina, fibras de mulita policristalina e produtos de fibra combinados foram desenvolvidos com sucesso e industrializados, formando uma gama abrangente de materiais leves leves.

Os filtros de fibra de cerâmica, embora geralmente com baixa força, estão evoluindo para o desenvolvimento de filtros de fibra cerâmica reforçados com fibra contínua de baixo custo e resistência. Espera-se que esses filtros, devido às suas excelentes propriedades, desempenhem um papel cada vez mais importante na filtração de gás de alta temperatura, incluindo dessulfurização, desnitrificação e conversão catalítica. A filtração de fibras de cerâmica para purificação de gases de combustão de alta temperatura ainda não começou na China, mas aplicações recentes indicam uma alta tendência de crescimento na demanda global por filtros de cerâmica. É previsível que a promoção e a aplicação da tecnologia de filtração de cerâmica de gases de alta temperatura na China em breve se tornará realidade, contribuindo para as metas de conservação de energia e redução de emissões.

Novas fibras cerâmicas, desenvolvidas nos últimos anos como materiais funcionais de alta tecnologia, incluem fibras resistentes a UV, fibras de retenção de calor e isolamento, fibras antibacterianas e resistentes ao odor, fibras resistentes a nêutrons, fibras condutivas e fibras magnéticas. A aplicação de micro-pó de cerâmica nas fibras também está se expandindo significativamente.

4. Novas variedades e aplicações de fibras de cerâmica

4.1 Novos compósitos de fibra de cerâmica

Segundo relatos, nos últimos anos, o Japão desenvolveu e produziu novos compósitos de fibra de cerâmica para motores militares. Por exemplo, a Mitsubishi Corporation projetou compósitos de fibra de cerâmica para uso em motores a jato de caça e motores de foguetes. Esses compósitos são feitos tecendo fibras cerâmicas de 10 μm em uma estrutura tridimensional e revestindo-as com uma substância vítrea. Enquanto as fibras cerâmicas são resistentes ao calor, mas quebradiças, convertê-las em compósitos aumenta significativamente sua força.

Os compósitos de fibra de carbono são comumente usados ​​em aeronaves e corpos de foguetes, mas raramente são aplicados aos motores devido às suas limitações de temperatura, pois elas só podem suportar ambientes de até cerca de 300 ° C. Consequentemente, as ligas à base de níquel são geralmente usadas. No entanto, os novos compósitos de fibra de cerâmica oferecem resistência superior de alta temperatura em comparação com compósitos de fibra de carbono e são 50% mais leves que as ligas à base de níquel. Esses materiais foram submetidos a ensaios de campo em bocais de motores a jato de caça para o Ministério da Defesa japoneses e foram usados ​​com sucesso para fabricar componentes de protótipo para motores de foguetes. Em 2005, eles haviam sido aplicados em engenharia para motores de foguete.

4.2 módulos de fibra de cerâmica

Os módulos de fibra de cerâmica são um novo tipo de produto de revestimento de forno refratário projetado para simplificar e agilizar a construção do forno, enquanto aprimora a integridade geral do revestimento. Esses módulos são caracterizados por suas dimensões de cor branca e uniforme, permitindo que sejam fixadas diretamente para ancorar os pinos nas placas de aço das conchas de forno industrial. Eles oferecem excelentes propriedades refratárias e isolantes, melhorando o desempenho geral do isolamento de fornos e avançando a tecnologia de construção de fornos.

Os módulos de fibra de cerâmica são pré-comprovados e, após a conclusão do revestimento, sua expansão garante uma estrutura perfeita, compensando o encolhimento de fibras. Isso aumenta o desempenho do isolamento, a estabilidade térmica e a resistência ao choque térmico do revestimento. Os módulos são rápidos de instalar e as âncoras estão localizadas no lado frio do revestimento, reduzindo os requisitos de material para as âncoras.

Com o avanço das iniciativas nacionais de conservação de energia e redução de emissões, a reforma de fornos de túnel de tijolos se tornou urgente. Os módulos de fibra de cerâmica foram bem recebidos por seu excepcional desempenho de isolamento, particularmente nos tetos de fornos de túnel de tijolos. Os módulos vêm em várias formas, incluindo blocos dobrados, blocos fatiados, blocos de pirro e blocos formados a vácuo.

Devido a diferenças nos métodos de fabricação e estruturas cristalinas de fibras policristalinas de mulita, suas fibras são mais curtas e menos flexíveis, dificultando a produção de grandes módulos. Consequentemente, as fibras policristalinas são usadas principalmente na forma de ladrilhos aplicados às superfícies internas de paredes e tetos refratários do forno de tijolos. Essas ladrilhos reduzem efetivamente a temperatura da parede externa dos fornos, reduzindo as perdas de armazenamento de calor nas paredes do forno.

Atualmente, a maioria dos fabricantes de módulos de fibra de cerâmica na China produz blocos dobrados. Esses blocos são fabricados dobrando cobertores perfurados por agulha e pré-comprovando-os com equipamentos mecânicos durante a modelagem. No entanto, a superfície irregular dos blocos dobrados pode afetar a aplicação de revestimentos resistentes à erosão. Os blocos fatiados abordam esse problema cortando as bordas dobradas dos cobertores após a modelagem, resultando em uma superfície lisa para melhor desempenho.

4.3 Membranas de fibra de cerâmica oca

Nos últimos anos, novas membranas de cerâmica de fibra oca chamaram atenção significativa. Essas membranas não apenas mantêm as vantagens das membranas de cerâmica tradicionais, mas também oferecem benefícios adicionais, incluindo:

• Densidade de embalagem alta
• Grande área de separação efetiva por unidade de volume
• Paredes finas da membrana
• Fluxo de alta permeação
• Economia de material
• Miniaturização mais fácil do equipamento de separação

Espera -se que a aplicação dessas novas membranas de cerâmica de fibra oca aumente bastante o desempenho de separação das membranas cerâmicas. Devido às suas propriedades únicas e características estruturais, as membranas de cerâmica de fibra oca estão sendo cada vez mais utilizadas em vários campos, como:

• Membranas de separação inorgânica para tratamento de águas residuais e gases
• Células de combustível de membrana cerâmica de óxido sólido
• Reatores de microcanal
• Suportes de catalisador

4.4 Aplicações atuais de novas variedades de fibras

O desenvolvimento, produção e aplicação de novas variedades de fibras de cerâmica têm tecnologias de aplicação de fibra de cerâmica significativamente avançadas e métodos de construção.

Por exemplo, as fibras contendo zircônio, produzidas usando o método de fusão de fusão, são um tipo econômico de fibra de aluminossilicato com aplicações amplas. Eles são amplamente utilizados como revestimentos completos para as superfícies quentes de vários fornos industriais. No entanto, os produtos domésticos nessa área ainda ficam no desenvolvimento de qualidade e aplicativos em comparação com os padrões internacionais.

No exterior, as fibras contendo cromo emergiram como uma nova variedade com uma faixa de temperatura operacional mais alta do que as fibras contendo zircônio. Atualmente, não há relatos de produção ou aplicação de fibra contendo cromo na China.

5. Conclusão

As fibras de cerâmica são materiais de isolamento de alto desempenho, leve e eficiente amplamente utilizados nos setores industrial, civil e de defesa. Com o aumento da ênfase global na conservação de energia, as fibras de cerâmica têm um grande potencial de desenvolvimento e aplicação. A taxa de crescimento anual composta de composta de produção de fibra cerâmica na China é superior a 30%, impulsionada por pesquisas em andamento sobre materiais funcionais avançados.