blog O Włókna ceramiczne ogniotrwałe zyskują na popularności w przemyśle Hightemp

Wyobraź sobie, że stoisz obok ryczących pieców huty stali, gdzie temperatury osiągają ekstremalne poziomy. Istnieje materiał, który może skutecznie blokować to intensywne ciepło – lekki, a jednocześnie wytrzymujący ekstremalne temperatury. Jest to ogniotrwałe włókno ceramiczne (RCF), wysokowydajny materiał izolacyjny, który odgrywa kluczową rolę w obróbce cieplnej i budowie pieców przemysłowych. W tym artykule omówiono właściwości, odmiany i szerokie zastosowania przemysłowe RCF, które ukazują jego niezwykły potencjał w zakresie oszczędzania energii.

Ogniotrwałe włókno ceramiczne (RCF) to amorficzne, nieorganiczne sztuczne włókno glinokrzemianowe należące do rodziny sztucznych włókien szklistych (MMVF), która obejmuje wełnę szklaną, wełnę mineralną, wełnę żużlową i specjalne włókna szklane. Produkty RCF są cenione ze względu na lekkość, łatwość obsługi, odporność na wysoką temperaturę, odporność na szok termiczny, odporność na korozję chemiczną, niską przewodność cieplną i minimalne straty ciepła. Dzięki tym właściwościom są niezastąpione przy budowie i izolowaniu urządzeń do obróbki cieplnej oraz pieców przemysłowych.

RCF znajduje szerokie zastosowanie w zastosowaniach komercyjnych wymagających lekkiej izolacji odpornej na wysokie temperatury, w tym w izolacji pieców, ochronie przeciwpożarowej i samochodowych układach wydechowych. Włókna te odgrywają kluczową rolę w wielu gałęziach przemysłu zajmujących się zastosowaniami wysokotemperaturowymi: obróbka metali, obróbka cieplna, szkło i ceramika, chemia i petrochemia, motoryzacja, lotnictwo, wytwarzanie energii, a nawet sprzęt gospodarstwa domowego.

Maksymalna temperatura pracy różnych typów RCF różni się w zależności od warunków atmosferycznych. Całkowite zastąpienie gęstych materiałów ogniotrwałych produktami RCF zazwyczaj zapewnia maksymalne oszczędności energii. Nawet zastosowany jako izolacja zapasowa lub jako okleina na gorąco na istniejących okładzinach ogniotrwałych, RCF może znacznie zmniejszyć zużycie energii.

Ogniotrwałe włókna ceramiczne to włókna syntetyczne wytwarzane przez topienie i rozdmuchiwanie lub przędzenie kalcynowanego kaolinu lub kombinacji tlenku glinu (Al₂O₃), krzemionki (SiO₂) lub innych tlenków (zwykle w stosunku wagowym 50:50). Najpopularniejszym gatunkiem na rynku amerykańskim jest RCF o „wysokiej czystości”, przystosowany do pracy w temperaturze maksymalnej około 1260°C lub pracy ciągłej w temperaturze 1180°C.

Gatunek odporny na wyższe temperatury, zawierający około 15% ZrO₂, zapewnia zwiększoną odporność temperaturową do maksymalnie 1427°C lub ciągłej pracy w temperaturze około 1343°C (w przypadku najpopularniejszego gatunku tlenku cyrkonu), choć przy nieco wyższym koszcie niż standardowe gatunki o wysokiej czystości.

Kolejną kategorią są biorozpuszczalne włókna AES (krzemian ziem alkalicznych) – włókna amorficzne powstałe z mieszanin CaO, MgO i SiO₂. Włókna te, przystosowane do pracy ciągłej w temperaturze około 1260°C lub 1150°C, są łatwiej rozpuszczalne w płynach ustrojowych człowieka, co zyskało miano „biorozpuszczalnego”. Jednakże produkty AES wykazują niższą odporność chemiczną i większą tendencję do rekrystalizacji, co ogranicza ich potencjał w zastosowaniach do obróbki cieplnej. Ich główne zastosowania to urządzenia gospodarstwa domowego i procesy przemysłowe w temperaturach poniżej 1100°C.

Wełna polikrystaliczna (PCW) reprezentuje kategorię RCF pracującą w najwyższych temperaturach, składającą się z włókien o zawartości >63% wag. Al₂O₃ i <37% wag. SiO₂. Większość producentów wytwarza włókna PCW poprzez wodny roztwór przędzalniczy metodą zol-żel. Włókna te są przystosowane do pracy w temperaturze maksymalnej około 1800°C lub pracy ciągłej 1650°C.

Należy pamiętać, że rzeczywiste temperatury ciągłej pracy włókien RCF są zazwyczaj o 150–200°C niższe od ich maksymalnych wartości znamionowych (margines bezpieczeństwa). W przeciwieństwie do temperatur klasyfikacyjnych określonych w idealnych, neutralnych warunkach spalania podczas krótkotrwałej ekspozycji (24 godziny), zastosowania terenowe narażają produkty na dodatkowe obciążenia chemiczne i fizyczne, które wymagają bardziej konserwatywnych limitów temperatur.

Chociaż wełnę RCF luzem można wykorzystać bezpośrednio w niektórych zastosowaniach, częściej przekształca się ją w różne formy fizyczne, w tym koce, moduły, papiery, płyty, części formowane próżniowo, tekstylia, pianki, szpachlówki, kleje i powłoki. Ta konwersja ma miejsce albo w zakładach produkujących RCF, w zakładach przetwórczych, albo w zakładach użytkownika końcowego.

Koce RCF są produkowane w procesie filcowania przy użyciu wodnej zawiesiny włókien RCF, igłowanej z obu stron w celu połączenia włókien i warstw filcu, a następnie suszonej w piecach o działaniu ciągłym. W ten sposób powstają wolne od spoiw, wysoce porowate koce, charakteryzujące się elastycznością i dobrą wytrzymałością na manipulację. Wymiary koca (grubość: 1/8" do 2"; gęstość: 4-8 funtów/ft3; szerokość: 12"-48") różnią się w zależności od rodzaju włókna.

Mokry filc RCF to wyjątkowy produkt – standardowy koc bezspoiwowy nasączony wodnym spoiwem nieorganicznym i zapakowany w worki polietylenowe w celu utrzymania wilgoci. Tę elastyczną izolację można formować na miejscu w złożone kształty, suszyć na powietrzu w sztywne struktury lub utwardzać poprzez natychmiastowe wystawienie na działanie wysokiej temperatury (gęstość suchej masy: 12–18 funtów/ft3).

Foliowane lub owinięte koce RCF zyskują popularność ze względu na lepszą odporność na ścieranie, ochronę przed wilgocią i zmniejszoną utratę włókien – szczególnie cenne w urządzeniach, zastosowaniach motoryzacyjnych, naprawach kominów i uszczelkach.

Moduły RCF składają się ze złożonych/skompresowanych koców połączonych metalowymi paskami w standardowe kształty bloków zawierających złożone metalowe mechanizmy mocujące. Moduły te służą jako elementy konstrukcyjne pieca, które po rozpakowaniu rozszerzają się na boki, aby uszczelnić szczeliny. Systemy modułów z włókien ceramicznych zapewniają energooszczędne rozwiązania, które minimalizują wymagania dotyczące kontrolowanego rozruchu po instalacji, powszechnie stosowane w piecach do wyżarzania/odpuszczania, komorach spalania, utleniaczach, piecach do wypalania, konwertorach węglowodorów, piecach, spalarniach, kanałach i kanałach spalinowych.

Papiery z włókien ceramicznych są wytwarzane w procesie prania włókien, tworząc włókninowe matryce włókien, organiczne spoiwa na bazie wody (~10%) i dodatki tworzące elastyczne, jednolite filce ciągłe z włókien o losowej orientacji. Papiery dostępne w gatunkach RCF i PCW są zazwyczaj dostępne w szerokościach 24” i 48” (na zamówienie do 60”). Należy pamiętać, że wysoka zawartość spoiwa powoduje dymienie podczas wstępnego ogrzewania, co skutkuje kruchymi sypkimi produktami po wypaleniu.

Papiery bezspoiwowe stanowią bezdymną alternatywę przy wyższych kosztach i są produkowane bez organicznych systemów wiążących.

Porowate sztywne płyty RCF są odlewane próżniowo z zawiesin łączących włókna RCF z nieorganicznymi/organicznymi spoiwami, formowane do grubości zbliżonej do grubości, suszone w piecu i szlifowane do ostatecznej grubości. Standardowa grubość odlewu sięga 6 cali (chociaż > 4 cale zwykle dotyczy zespołów ułożonych piętrowo). Płyty są dostępne w standardowych wersjach o niskiej/wysokiej gęstości, z maksymalną dostępną średnicą 60 cali. Płyty o małej gęstości zapewniają nieco lepszą izolację, podczas gdy wersje o dużej gęstości zapewniają większą trwałość.

Niestandardowe kształty można formować próżniowo lub składać z mniejszych elementów spajanych cementem. Sztywne, nadające się do formowania mieszanki RCF nadają się do obróbki mechanicznej i wytwarzania różnorodnych kształtów, w tym rur skręcanych, kolektorów, kolanek, przejść, niestandardowych złączek, bloków palników, okienek podglądowych i specjalistycznych elementów pieca. Elementy grzejne można osadzić w gorących powierzchniach izolacji, a mechanizmy łączące są wbudowane w korpusy płyt/podkłady.

Różne nadające się do formowania mieszanki ceramiczne RCF łączą włókna rozproszone w lekko lepkich, ogniotrwałych układach wiążących, umożliwiając odlewanie wibracyjne lub ręczne. Konsystencja szpachli umożliwia łatwą aplikację poprzez uszczelnianie, zacieranie, ręczne formowanie lub formowanie ciśnieniowe. Po odlaniu mieszanki schną/twardnieją przy minimalnym skurczu, tworząc wysoce porowate, sztywne, mocne i nadające się do obróbki struktury.

Klej do płyt pilśniowych – mieszanka koloidalnej krzemionki i tlenku glinu RCF – optymalnie łączy płyty z włókien ceramicznych lub łata małe powierzchnie. Ten lepki produkt łatwo się rozprowadza za pomocą kielni lub formując ręcznie. Po całkowitym wyschnięciu jego wyjątkowa wytrzymałość mechaniczna pozwala na zastosowanie konwencjonalnych metod wykańczania (piaskowanie/cięcie). Można nakładać dodatkowe powłoki lub stosować je jako powłoki kształtowe płyt pilśniowych pasujące do wszystkich zakresów temperatur RCF.

Tekstylia wykonane z włókien RCF i PCW zachowują identyczne parametry temperaturowe. Większość zawiera ~15% nośników organicznych (w celu poprawy możliwości wytwarzania/obsługi), które dymią podczas spalania. Tekstylia mogą zawierać wzmocnienia z drutu Inconel lub ciągłego włókna szklanego, aby zwiększyć wytrzymałość podczas montażu i poprawić trwałość włókien. Należy zwrócić uwagę na limity temperatur zbrojenia (Inconel: 1093°C; szkło: 649°C) mogą ograniczać działanie włókna.

Tkaniny, taśmy i rękawy RCF to wyjątkowo mocne i elastyczne tkaniny. Wbudowane druty Inconel/włókna szklane zwiększają wytrzymałość na rozciąganie przed i po wystawieniu na działanie ciepła. Typowe zastosowania obejmują uszczelki, uszczelnienia, owijanie rur, piece i zasłony spawalnicze, dostępne w różnych rozmiarach/średnicach.

Okrągłe/kwadratowe oploty RCF maksymalizują odporność na uszkodzenia mechaniczne poprzez oplot wokół rdzeni z włókien ceramicznych. Oprócz doskonałej wytrzymałości, te plecionki wykazują minimalne strzępienie podczas cięcia.

Liny trójsplotkowe z włókien ceramicznych składają się z grubych pasm przędzy RCF skręconych w 3-warstwowe kordy. Zarówno oploty, jak i liny (dostępne w średnicach 1/8"-2") służą jako uszczelki/uszczelki pieca i wzmocnienie dla większych form RCF.

Uszczelki kijanek to szyte na zamówienie kombinacje tkanin RCF, koców, lin i taśm. Konstrukcje (konfiguracje z pojedynczą/podwójną bańką lub ogonem) zapewniają doskonałe rozwiązania do zastosowań w uszczelnieniach w wysokich temperaturach (drzwi, kołnierze, uszczelki zaworów wentylacyjnych).

Chociaż produkty z włókien ceramicznych oferują takie zalety, jak lekkość, doskonała izolacja, stabilność termiczna/chemiczna i łatwa obróbka, mają one ograniczenia, w tym słabą odporność na ścieranie/uderzenia oraz podatność na przepływ gazu/szorowanie z dużą prędkością i korozję żużlową. Różne ceramiczne materiały powłokowe i utwardzacze (krzemionka koloidalna/tlenek glinu) mogą zmniejszyć skurcz termiczny elementów RCF i poprawić wytrzymałość mechaniczną.

Ogniotrwałe włókna ceramiczne służą do zastosowań komercyjnych wymagających lekkiej izolacji odpornej na wysokie temperatury – od izolacji pieców i zabezpieczeń przeciwpożarowych po samochodowe układy wydechowe. Włókna RCF, produkowane jako łatwe w obsłudze produkty izolacyjne odporne na wysokie temperatury, wykazują wyjątkową odporność na szok termiczny, odporność chemiczną, niską przewodność cieplną, minimalne straty ciepła i niewielką wagę.

Dostępne formy obejmują włókna sypkie, koce, moduły, papiery, płyty, części formowane próżniowo, tekstylia, pianki, szpachlówki, kleje i powłoki. Produkty RCF służą do zastosowań wysokotemperaturowych w wielu gałęziach przemysłu, w tym w obróbce metali, obróbce cieplnej, szkle/ceramice, chemikaliach/petrochemii, motoryzacji, przemyśle lotniczym, energetyce i sprzęcie gospodarstwa domowego.

Całkowite zastąpienie gęstych materiałów ogniotrwałych produktami RCF zapewnia znaczne oszczędności paliwa i wzrost wydajności. Nawet w przypadku zastosowania jako izolacja zapasowa lub okleina na gorąco na istniejących okładzinach ogniotrwałych, RCF zapewnia znaczne korzyści w zakresie oszczędności energii.