Entwicklung von Basaltfasern

Wenn man über die Technologie zur Herstellung von Basaltfasern spricht, muss man Paul Dhe aus Frankreich erwähnen. Er hatte als Erster die Idee, Fasern aus Basalt zu extrudieren. 1923 meldete er ein US-Patent an. Um 1960 begannen sowohl die Vereinigten Staaten als auch die ehemalige Sowjetunion, die Verwendung von Basalt zu erforschen, insbesondere für militärische Ausrüstung wie Raketen. Im Nordwesten der USA konzentrieren sich zahlreiche Basaltformationen. R. V. Subramanian von der Washington State University forschte zur chemischen Zusammensetzung von Basalt, zu den Extrusionsbedingungen sowie zu den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Basaltfasern. Owens Corning (OC) und einige andere Glasunternehmen führten unabhängige Forschungsprojekte durch und erhielten US-Patente. Um 1970 gab die American Glass Company die Forschung an Basaltfasern auf, konzentrierte sich strategisch auf ihre Kernprodukte und entwickelte viele verbesserte Glasfasern, darunter die S-2-Glasfaser von Owens Corning.
Gleichzeitig wurden die Forschungsarbeiten in Osteuropa fortgesetzt. Seit den 1950er Jahren wurden unabhängige Forschungseinrichtungen in Moskau, Prag und anderen Regionen, die sich mit diesem Forschungsgebiet befassten, vom ehemaligen sowjetischen Verteidigungsministerium verstaatlicht und in der Nähe von Kiew in der Ukraine in der ehemaligen Sowjetunion konzentriert. Dort entstanden Forschungsinstitute und Fabriken. Nach dem Zerfall der Sowjetunion 1991 wurden die Forschungsergebnisse der Sowjetunion freigegeben und flossen in zivile Produkte ein.

Heute basieren Forschung, Produktion und Marktanwendung von Basaltfasern größtenteils auf Forschungsergebnissen der ehemaligen Sowjetunion. Betrachtet man die aktuelle Entwicklung der heimischen Basaltfaserproduktion, so lassen sich etwa drei Arten von Technologien zur Herstellung von Basalt-Dauerfaser unterscheiden: Zum einen der elektrisch kombinierte Ofen, wie er beispielsweise von Sichuan Aerospace Tuoxin eingesetzt wird; zum anderen der vollelektrische Schmelzofen, wie er von Zhejiang Shijin Company verwendet wird; und zum dritten der elektrisch kombinierte Ofen, ebenfalls von Sichuan Aerospace Tuoxin. Als repräsentatives Beispiel für einen vollelektrischen Schmelzofen dient die Basaltsteinfaserproduktion der Zhengzhou Dengdian Group.
Vergleicht man die technische und wirtschaftliche Effizienz verschiedener inländischer Produktionsverfahren, so zeichnet sich der derzeitige vollelektrische Ofen durch hohe Produktionseffizienz, hohe Regelgenauigkeit, geringen Energieverbrauch, Umweltverträglichkeit und Emissionsfreiheit aus. Ob es sich um die Herstellung von Glasfasern oder Basaltfasern handelt – das Land fördert einhellig die Entwicklung vollelektrischer Öfen zur Reduzierung von Luftschadstoffen.

Im Jahr 2019 nahm die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission erstmals die Technologie des Basaltfaser-Schmelzofenverfahrens explizit in den „Nationalen Leitfaden zur Anpassung der Industriestruktur (2019)“ auf, um die Entwicklung zu fördern. Dies wies die Richtung für die Entwicklung der chinesischen Basaltfaserindustrie vor und leitete die Produktionsunternehmen an, schrittweise von Einzelöfen auf große Schmelzöfen umzustellen und so die Produktion im großen Maßstab voranzutreiben.
Berichten zufolge hat das russische Unternehmen Kamenny Vek seine Technologie zur Herstellung von Blechstreifen bis hin zur Technologie für Blechstreifenziehöfen mit 1200 Löchern weiterentwickelt. Derzeit dominieren inländische Hersteller weiterhin die Technologie für Blechstreifenziehöfen mit 200 und 400 Löchern. In den letzten zwei Jahren haben mehrere chinesische Unternehmen kontinuierlich an der Entwicklung von Blechstreifen mit 1200, 1600 und 2400 Löchern geforscht und dabei vielversprechende Ergebnisse erzielt. Die Entwicklung befindet sich nun in der Testphase und bildet eine gute Grundlage für die zukünftige Großserienfertigung von großen Kesselöfen und Blechstreifenziehöfen in China.
Basalt-Endlosfaser (CBF) ist eine Hightech-Hochleistungsfaser. Sie zeichnet sich durch einen hohen technischen Anspruch, eine sorgfältige Arbeitsteilung und ein breites Anwendungsspektrum aus. Derzeit befindet sich die Produktionstechnologie noch in der Anfangsphase und wird hauptsächlich in Einzelöfen hergestellt. Im Vergleich zur Glasfaserindustrie weist die CBF-Industrie eine geringe Produktivität, einen hohen Gesamtenergieverbrauch, hohe Produktionskosten und eine unzureichende Wettbewerbsfähigkeit auf. Nach fast 40 Jahren Entwicklung sind mittlerweile großtechnische Kesselöfen mit Kapazitäten von 10.000 und 100.000 Tonnen im Einsatz und gelten als sehr ausgereift. Nur analog zum Entwicklungsmodell der Glasfaser kann die Basaltfaserproduktion schrittweise auf großtechnische Ofenproduktion umgestellt werden, um die Produktionskosten kontinuierlich zu senken und die Produktqualität zu verbessern.
Über die Jahre haben zahlreiche inländische Produktionsunternehmen und Forschungsinstitute erhebliche personelle, materielle und finanzielle Ressourcen in die Erforschung der Basaltfaser-Produktionstechnologie investiert. Nach jahrelanger technischer Entwicklung und praktischer Anwendung ist die Produktionstechnologie des Einofen-Ziehens ausgereift. Aufgrund unzureichender Investitionen in die Forschung zur Kesselofentechnologie wurden jedoch nur kleine Schritte unternommen, die meist scheiterten.

Forschung zur TankofentechnologieDie Ofenausrüstung ist eine der Schlüsselkomponenten für die Herstellung von Basalt-Endlosfasern. Ob die Ofenkonstruktion angemessen ist, ob die Temperaturverteilung optimal ist, ob das Feuerfestmaterial der Erosion durch die Basaltlösung standhält, welche Parameter für die Flüssigkeitsstandsregelung und die Ofentemperatur geeignet sind – all diese wichtigen technischen Fragen müssen geklärt werden.
Großtechnische Schmelzöfen sind für die Massenproduktion unerlässlich. Die Dengdian Group hat glücklicherweise eine Vorreiterrolle eingenommen und bedeutende Fortschritte in der Forschung und Entwicklung vollelektrischer Schmelzofentechnologie erzielt. Branchenkennern zufolge betreibt das Unternehmen seit 2018 einen großtechnischen, vollelektrischen Schmelzofen mit einer Produktionskapazität von 1.200 Tonnen. Dies stellt einen wichtigen Durchbruch in der Ziehtechnologie für Basaltfasern dar und ist von großer Bedeutung für die Entwicklung der gesamten Basaltfaserindustrie.

Großflächige Forschung zur Lamellentechnologie:Großöfen benötigen entsprechend große Lamellen. Die Forschung im Bereich der Lamellentechnologie umfasst Änderungen des Materials, der Lamellenanordnung, der Temperaturverteilung und der Lamellenstruktur. Dies ist nicht nur notwendig, sondern erfordert auch den mutigen Einsatz von Fachkräften in der Praxis. Die Fertigungstechnologie für große Lamellen ist ein wichtiger Weg, die Produktionskosten zu senken und die Produktqualität zu verbessern.
Aktuell weisen Basalt-Endlosfaserlamellen im In- und Ausland hauptsächlich 200 oder 400 Löcher auf. Die Produktion mit mehreren Schleusen und größeren Lamellen erhöht die Maschinenkapazität um ein Vielfaches. Die Forschung zu größeren Lamellen orientiert sich an der Entwicklung von Glasfaserlamellen und strebt höhere Lochzahlen an – von 800 über 1200, 1600 und 2400 Löcher bis hin zu noch größeren Lamellenanzahlen. Die Weiterentwicklung dieser Technologie senkt die Produktionskosten. Die Reduzierung des Basaltfaserverbrauchs trägt zudem zur Verbesserung der Produktqualität bei und ist somit ein unabdingbarer Entwicklungsschritt. Dies verbessert die Qualität von direkt entdrillten Basaltfaserrovings und beschleunigt die Anwendung von Glasfaser- und Verbundwerkstoffen.
Forschung zu Basalt-RohstoffenRohstoffe bilden die Grundlage für Produktionsunternehmen. In den letzten zwei Jahren konnten viele Basaltminen in China aufgrund nationaler Umweltschutzmaßnahmen ihren Betrieb nicht normal fortsetzen. Rohstoffe standen in der Vergangenheit nicht im Fokus der Produktionsunternehmen. Dies hat sich zu einem Hemmnis für die Branchenentwicklung entwickelt und Hersteller sowie Forschungsinstitute gezwungen, sich mit der Homogenisierung von Basaltrohstoffen zu befassen.
Das technische Merkmal des Basaltfaser-Herstellungsprozesses ist, dass er dem Produktionsverfahren der ehemaligen Sowjetunion folgt und ein einziges Basalterz als Rohmaterial verwendet. Der Produktionsprozess stellt hohe Anforderungen an die Zusammensetzung des Erzes. Der aktuelle Entwicklungstrend der Branche geht dahin, ein oder mehrere verschiedene reine natürliche Basaltminerale zu verwenden, um die Produktion zu homogenisieren. Dies entspricht den sogenannten „emissionsfreien“ Eigenschaften der Basaltindustrie. Mehrere inländische Produktionsunternehmen forschen und erproben auf diesem Gebiet.