Cerâmicas à base de cinzas volantes de alta alumina: o “colete à prova de balas” das indústrias de alta temperatura

Cinzas volantes de alta alumina é um novo tipo de cinza volante com teor de alumina superior a 37%. Contém principalmente alumina (38%–50%), sílica e óxido de ferro. Juntos, esses componentes representam mais de 80%.

Nas câmaras de combustão de motores aeroespaciais, as temperaturas dos gases podem ultrapassar 2.000 °C; nos altos-fornos das siderúrgicas, o ferro fundido e a escória erodem continuamente o revestimento refratário. Em ambientes tão extremos, novos materiais cerâmicos transformados a partir de resíduos industriais — com alto teor de alumina cinzas volantes—estão surgindo como um “super traje de proteção” graças à sua excelente resistência a altas temperaturas.

Propriedades do material

O núcleo deste material é a mulita (Al₆Si₂O₁₃), que compõe mais de 85% de seu conteúdo. Ela forma uma estrutura robusta para resistência ao calor. A estrutura tridimensional única dos cristais de mulita funciona como um favo de mel natural. Bloqueia eficazmente a transferência de calor. Sua refratariedade atinge ≥ 1790 °C. Isso equivale a usar um terço da temperatura da superfície do Sol diretamente sobre o corpo. A resistência à compressão atinge 250 MPa. Cada centímetro quadrado pode suportar 2,5 toneladas de pressão sem deformação. Isso supera até mesmo alguns aços.

Índice de Desempenho	Tijolo refratário tradicional	Cerâmica à base de cinzas volantes de alta alumina	Composto de fibra de carbono de nível aeroespacial
Refratariedade (°C)	1650	≥ 1790	1500
Resistência à compressão (MPa)	150	250	120
Condutividade térmica (W/m·K)	1.2	0.8	0.5

Processo de fabricação

Os fabricantes em primeiro lugar crush e purificam cinzas volantes de alta alumina com teor de Al₂O₃ acima de 40%. Em seguida, formam corpos verdes usando moldagem por prensagem a seco. Isso é semelhante à moldagem tradicional de cerâmica, mas sob uma pressão de 200 MPa. Isso equivale a um peso de 20 toneladas em uma área do tamanho de uma unha.

Em seguida, eles sinterizam o material a 1400–1600 °C para produzir cerâmicas porosas. Para melhorar ainda mais o desempenho, utilizam a sinterização por prensagem a quente. Esse processo aumenta a densidade de 90% para 95%, tornando a estrutura mais compacta. É como comprimir areia solta em granito. Ao controlar a taxa de aquecimento, eles criam cristais de mulita uniformemente distribuídos.

Cenários de Aplicação

Revestimentos de alto-forno em siderúrgicas: Os tijolos refratários tradicionais duram cerca de dois anos. A nova cerâmica estende a vida útil para 3,2 anos. Esta é uma melhoria do 60%. Como resultado, o tempo de inatividade e os custos de manutenção diminuem. Uma grande siderúrgica economizou 20 milhões de yuans por ano após a adoção do material.

Câmaras de combustão de motores aeroespaciais: O material atua como uma camada isolante. Sua baixa condutividade térmica (0,8 W/m·K) pode reduzir a temperatura da parede metálica em mais de 300 °C. Isso cria uma barreira de "fogo e gelo" entre a câmara de combustão e a parede metálica.

Principais áreas dos fornos de vidro: Sob erosão do vidro fundido a 1600 °C, a vida útil dobra em comparação com os materiais tradicionais. Um fabricante de vidro reduziu a frequência de manutenção do forno em 40%.

Avanço tecnológico

Ao adicionar nano-SiO₂ (tamanho de partícula < 50 nm), os pesquisadores aumentaram a resistência ao choque térmico em quatro vezes. Essa modificação é como tecer uma "nano-seda de aranha" dentro da cerâmica: quando expostas a mudanças bruscas de temperatura, as nanopartículas absorvem energia por meio de transformação de fase induzida por estresse, impedindo a propagação de rachaduras. Notavelmente, essas nanopartículas formam uma estrutura de "nano-ponte" dentro da cerâmica, como se lhe conferissem um "colete à prova de balas".

Pó épico

O advento da cerâmica à base de cinzas volantes de alta alumina não apenas resolve um desafio global na reciclagem de resíduos industriais, como também estabelece um novo padrão em materiais de proteção contra altas temperaturas. Construída sobre uma estrutura de mulita e aprimorada por nanomodificação e sinterização avançada, ela alcança avanços abrangentes em refratariedade, resistência mecânica e resistência ao choque térmico.

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