Cerámica a base de cenizas volantes con alto contenido de alúmina: el “chaleco antibalas” de las industrias de alta temperatura

Cenizas volantes con alto contenido de alúmina Es un nuevo tipo de ceniza volante con un contenido de alúmina superior a 37%. Contiene principalmente alúmina (38%–50%), sílice y óxido de hierro. En conjunto, estos componentes representan más de 80%.

En las cámaras de combustión de los motores aeroespaciales, las temperaturas de los gases pueden superar los 2000 °C; en los altos hornos de las acerías, el hierro fundido y la escoria erosionan continuamente el revestimiento refractario. En estos entornos extremos, se han desarrollado nuevos materiales cerámicos a partir de residuos industriales (con alto contenido de alúmina). cenizas volantes—están surgiendo como un “traje súper protector” gracias a su excelente resistencia a altas temperaturas.

Propiedades del material

El núcleo de este material es la mullita (Al₆Si₂O₁₃), que representa más del 85% de su contenido. Forma una sólida estructura que le proporciona resistencia térmica. La singular estructura tridimensional de los cristales de mullita funciona como un panal natural. Bloquea eficazmente la transferencia de calor. Su refractariedad alcanza ≥ 1790 °C. Esto equivale a soportar un tercio de la temperatura superficial del Sol directamente sobre el cuerpo. La resistencia a la compresión alcanza los 250 MPa. Cada centímetro cuadrado puede soportar 2,5 toneladas de presión sin deformarse. Esto incluso supera a algunos aceros.

Índice de rendimiento	Ladrillo refractario tradicional	Cerámica a base de cenizas volantes con alto contenido de alúmina	Compuesto de fibra de carbono de grado aeroespacial
Refractariedad (°C)	1650	≥ 1790	1500
Resistencia a la compresión (MPa)	150	250	120
Conductividad térmica (W/m·K)	1.2	0.8	0.5

Proceso de fabricación

Los fabricantes primero aplastar y purifican cenizas volantes con alto contenido de alúmina, con un contenido de Al₂O₃ superior a 40%. Posteriormente, forman cuerpos verdes mediante moldeo por prensado en seco. Este proceso es similar al moldeado cerámico tradicional, pero bajo una presión de 200 MPa. Esto equivale a un peso de 20 toneladas en un área del tamaño de una uña.

A continuación, sinterizan el material a 1400-1600 °C para producir cerámica porosa. Para mejorar aún más el rendimiento, utilizan la sinterización por prensado en caliente. Este proceso aumenta la densidad de 90% a 95%, lo que hace que la estructura sea más compacta. Es como comprimir arena suelta para formar granito. Al controlar la velocidad de calentamiento, crean cristales de mullita distribuidos uniformemente.

Escenarios de aplicación

Revestimientos de altos hornos en plantas siderúrgicasLos ladrillos refractarios tradicionales duran aproximadamente dos años. La nueva cerámica extiende su vida útil a 3,2 años. Esta es una mejora del 60%. Como resultado, se reducen los tiempos de inactividad y los costos de mantenimiento. Una gran planta siderúrgica ahorró 20 millones de yuanes al año tras adoptar este material.

Cámaras de combustión de motores aeroespacialesEl material actúa como una capa aislante. Su baja conductividad térmica (0,8 W/m·K) puede reducir la temperatura de la pared metálica en más de 300 °C. Esto crea una barrera de fuego y hielo entre la cámara de combustión y la pared metálica.

Áreas clave de los hornos de vidrioBajo la erosión del vidrio fundido a 1600 °C, la vida útil se duplica en comparación con los materiales tradicionales. Un fabricante de vidrio redujo la frecuencia de mantenimiento del horno en 40%.

Avance tecnológico

Al añadir nano-SiO₂ (tamaño de partícula < 50 nm), los investigadores cuadruplicaron la resistencia al choque térmico. Esta modificación es como tejer "nano seda de araña" dentro de la cerámica: al exponerse a cambios bruscos de temperatura, las nanopartículas absorben energía mediante la transformación de fase inducida por la tensión, lo que impide la propagación de grietas. Sorprendentemente, estas nanopartículas forman una estructura de "nano-puente" dentro de la cerámica, como si le otorgaran un "chaleco antibalas".

Polvo épico

La aparición de cerámicas a base de cenizas volantes con alto contenido de alúmina no solo resuelve un desafío global en el reciclaje de residuos industriales, sino que también establece un nuevo estándar en materiales de protección contra altas temperaturas. Fabricada sobre una estructura de mullita y mejorada mediante nanomodificación y sinterización avanzada, logra avances significativos en refractariedad, resistencia y resistencia al choque térmico.

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