El mercado nacional del vidrio flotado es altamente competitivo, y las exigencias nacionales en materia de ahorro energético y protección del medio ambiente aumentan continuamente. Como uno de los tres principales equipos térmicos en la producción de vidrio flotado, el horno de fusión consume aproximadamente el 30% del calor que entra en él para su disipación. Esto no solo desperdicia energía, sino que también degrada el entorno de producción. Por lo tanto, el aislamiento de hornos se ha convertido en una medida eficaz de ahorro energético en la industria del vidrio. El aislamiento de hornos no solo reduce significativamente la disipación de calor del horno al exterior, sino que también aumenta su capacidad térmica, elevando la temperatura de la llama, la velocidad de fusión y la calidad del vidrio. También reduce el consumo de energía y de combustible, lo que disminuye los costes de producción y ahorra capital, mejorando en última instancia la competitividad de las empresas en el mercado.

Actualmente, la tecnología de aislamiento de hornos se centra principalmente en el diseño estructural y la selección de materiales de aislamiento. La elección del material de aislamiento juega un papel crucial en el aislamiento de hornos. En las últimas décadas, se han logrado avances significativos en la investigación y el desarrollo de materiales de aislamiento para hornos. Este artículo se centra en un análisis comparativo de varios tipos de materiales aislantes para hornos de fundición de vidrio con materiales aislantes tradicionales.

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Principios para la selección de materiales aislantes para hornos de fundición
Dado que el entorno en el que se ubican los materiales aislantes para hornos de fundición es relativamente hostil, se deben seguir los siguientes principios al seleccionar los materiales aislantes:

(1) Buen rendimiento aislante, es decir, un coeficiente de conductividad térmica λ ≤ 0,14 W/(m·K)(350 K);

(2) Presentar cierto grado de refractariedad, especialmente en aislamientos compuestos. Cada capa aislante debe cumplir con los requisitos de temperatura de interfaz; de lo contrario, afectará considerablemente el rendimiento aislante e incluso fallará;

(3) Presentar alta estabilidad térmica y garantizar que no se pulverice ni se desprenda bajo las condiciones de temperatura de funcionamiento;

(4) Presentar buena estabilidad química, y la estructura principal no debe erosionarse ni corroerse durante el uso, y debe poder fijarse al material refractario;

(5) Presentar cierta resistencia al impacto y un peso relativamente ligero;

(6) El plan de configuración del material debe ser económico. La corona, el fondo y las paredes del horno son las áreas que más calor disipan, representando aproximadamente el 85% del calor total disipado por todo el horno. La transferencia de calor desde la superficie del horno se produce por convección y radiación, lo cual depende de la temperatura superficial del horno y de la temperatura ambiente. Cuanto menor sea la diferencia de temperatura entre la temperatura superficial del horno y la temperatura ambiente, menor será la pérdida de calor. Por lo tanto, para lograr el aislamiento y la conservación de energía, es necesario reducir la temperatura superficial del horno. La reducción de la temperatura superficial después del aislamiento está estrechamente relacionada con las propiedades físicas del material aislante, en particular su conductividad térmica, y ambas están correlacionadas positivamente.

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Clasificación de los materiales de aislamiento para hornos e introducción de nuevos materiales de aislamiento

Según el historial de desarrollo de los materiales de aislamiento para hornos, estos se pueden clasificar en materiales de aislamiento tradicionales, desarrollados durante mucho tiempo, y materiales de aislamiento para hornos más nuevos, desarrollados en los últimos años.

Materiales de aislamiento. Los materiales tradicionales para aislamiento de hornos incluyen principalmente ladrillos ligeros de arcilla, tableros de fibra de silicato de aluminio, tableros ligeros de silicato de calcio, ladrillos ligeros de sílice y revestimientos resistentes a altas temperaturas. Los nuevos materiales de aislamiento de tipo nano para hornos incluyen principalmente materiales de pulverización de fibra de alto rendimiento, paneles de aislamiento nanoporosos, mantas de nanoaislamiento de titanio y nanosilicio, y materiales de alta emisividad y ahorro de energía. Estos materiales de aislamiento tradicionales son relativamente conocidos, por lo que no los analizaremos en detalle aquí. En su lugar, nos centraremos en la introducción de nuevos materiales de aislamiento.

2.1 Materiales de pulverización de fibra de alto rendimiento

Utilizado principalmente como la capa exterior de la superficie de disipación térmica del horno, este producto ofrece excelentes propiedades de aislamiento y sellado, además de importantes beneficios en términos de ahorro de energía y protección del medio ambiente.

2.2 Tableros de aislamiento nanoporosos

Los tableros de aislamiento nanoporosos son un nuevo material fabricado con la tecnología más avanzada. Están hechos de un polvo refractario inorgánico especial para crear estructuras microporosas, lo que resulta en una conductividad térmica incluso inferior a la del aire en calma. Estas placas pueden combinarse con capas protectoras externas como película de plástico PE, papel de aluminio o tela de fibra.

Principio de funcionamiento de este producto:

(1) Transferencia de calor por conducción: Las partículas sólidas y de polvo fino a escala nanométrica son muy pequeñas, y la resistencia térmica de contacto puntual a escala nanométrica es muy alta, lo que reduce al mínimo la transferencia de calor por conducción.

(2) Transferencia de calor por convección: El tamaño promedio de poro a escala nanométrica es de 20 nm. El recorrido libre promedio de movimiento térmico del aire en reposo a temperatura ambiente es de 60 nm. Las moléculas de aire están bloqueadas y no pueden transferir calor por convección, lo que reduce al mínimo la transferencia de calor por convección.

(3) Transferencia de calor por radiación: El material aislante se añade con material antirradiación infrarroja a escala nanométrica, de modo que la transferencia de calor por radiación, principalmente por radiación a alta temperatura, se reduce al mínimo.

2.3 Manta de nanoaislamiento de aerogel de silicio y titanio

Gracias a la estructura especial de nanoporos del material continuo de sílice con titanio, sus características de composición (estructura tridimensional, nanoporos más pequeños que el paso del aire y alta porosidad) reducen considerablemente la conductividad térmica. Este producto se compone principalmente de múltiples capas compuestas de manta de fibra de silicato de aluminio y aerogel de aislamiento térmico de alta eficiencia. Sus parámetros de rendimiento son los siguientes:

(1) Baja conductividad térmica: 0,012-0,016 W/(m·K);

(2) Grado A1: no inflamable y resistente a altas temperaturas;

(3) Amplio rango de temperatura de funcionamiento (0-1050 °C);

(4) Alta resistencia a la presión, a los impactos y al estiramiento;

(5) Sin absorción de humedad ni envejecimiento, y el rendimiento del aislamiento térmico no disminuye con el uso prolongado. (6) Coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, que evita fracturas y fallas causadas por la expansión y contracción térmica;

(7) Pequeño volumen de instalación, que ahorra espacio y reduce significativamente los costos de instalación y transporte;

(8) Material extremadamente ligero y flexible, muy fácil de construir, y se puede cortar y pegar a voluntad.

2.4 Materiales de alta emisividad y ahorro de energía

El mecanismo de aislamiento térmico de los materiales tradicionales consiste en reducir la transferencia de calor a través del aislamiento. Generalmente se utilizan en la superficie fría de los materiales refractarios. Los materiales de alta emisividad y ahorro de energía se aplican a los hornos de fusión mediante pulverización sobre la pared interna de la superficie de disipación de calor. Permiten aumentar la radiación térmica en el horno y reducir la transferencia de calor al exterior por el líquido de vidrio. Esto no solo reduce la pérdida de calor en el material refractario por encima de la superficie del líquido de vidrio, sino que también reduce considerablemente el calor transportado por los gases de combustión. Sus parámetros de rendimiento son los siguientes:

(1) Aplicable a la superficie de materiales refractarios, el espesor después de la pulverización y el curado es de tan solo 0,1-0,2 mm.

(2) Fuerte resistencia al choque térmico y excelente ductilidad. Puede expandirse con la expansión del sustrato pulverizado para compensar la fuerza de desprendimiento generada por el choque térmico.

(3) Alta resistencia a la corrosión ácida y alcalina, ideal para la compleja atmósfera de combustión del horno de fundición de vidrio.

(4) Los materiales de alta emisividad se diferencian de los materiales de aislamiento térmico mencionados anteriormente. No son un material de aislamiento térmico en sí mismos. En cambio, absorben el calor por radiación y convección a altas temperaturas e irradian el 95% del mismo, permitiendo que el calor circule dentro del horno.

(5) La emisividad se mantiene constante entre 0,85 y 0,95 a altas temperaturas, mientras que la emisividad de los materiales refractarios generales a altas temperaturas es de tan solo entre 0,2 y 0,3.

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Selección de materiales de aislamiento
3.1 Selección de materiales de aislamiento para las diferentes partes del horno

(1) Dado que la parte superior del horno es una superficie curva, al seleccionar materiales de aislamiento para estas partes, se deben utilizar materiales de aislamiento proyectables o de tipo manta en lugar de materiales de aislamiento de tipo placa para evitar daños al material por flexión.

(2) Las temperaturas de la superficie interna de las diferentes partes del horno varían considerablemente. Por lo tanto, al seleccionar materiales de aislamiento (especialmente aislamiento compuesto), es necesario considerar si la temperatura de la interfaz entre las capas de material se encuentra dentro del rango de temperatura de operación adecuado para evitar fallas en el rendimiento del aislamiento.

3.2 Configuración del esquema de uso del material de aislamiento. Después de determinar el tipo de material de aislamiento a utilizar, se requieren cálculos para determinar las especificaciones y la cantidad de materiales de aislamiento a utilizar. El mecanismo de transferencia de calor del horno de fusión se puede simplificar como: el proceso de transferencia de calor desde la pared interior del horno de fusión a la pared exterior del horno de fusión y la transferencia de calor desde la pared exterior del horno de fusión al entorno circundante. Ignorando la influencia de la radiación del orificio del horno, la inversión, etc. en la transferencia de calor del horno de fusión, se establece un modelo ideal de disipación de calor del horno de fusión. 04 Conclusión (1) Al establecer un modelo ideal de horno de fusión de vidrio, analizar su mecanismo de transferencia de calor y fórmula de balance térmico, y proponer un coeficiente de transferencia de calor y una curva de temperatura, es conveniente calcular los parámetros térmicos del aislamiento del horno de fusión. (2) La selección de nuevos materiales de aislamiento debe determinarse por la morfología de la superficie exterior de la parte de aislamiento del horno de fusión y la temperatura de operación. Los diversos nuevos materiales de aislamiento mencionados en este artículo tienen las características de baja conductividad térmica, resistencia a altas temperaturas, alta emisividad, etc. Por lo tanto, el diseño flexible de los esquemas de aplicación de nuevos materiales de aislamiento compuestos puede lograr mejores efectos de ahorro de energía y aislamiento. (3) Al comparar y analizar los esquemas de diseño del nuevo material de aislamiento térmico y el material de aislamiento térmico tradicional, la disipación de calor del horno de fusión que utiliza el nuevo material de aislamiento térmico se reduce significativamente en comparación con el material de aislamiento térmico tradicional, la tasa de ahorro de energía es mayor y el rendimiento general del aislamiento térmico es mejor y más sostenible.