Oxidkeramische Endlosfasern und
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Oxidkeramische Endlosfasern und
Dipl.-Ing. Siegfried Petzold, Dipl.-Ing. Marco Morche, Dipl.-Ing. Johannes Taesler Oxide-ceramic continuous fibres and ceramic fibre reinforced composites – innovative materials for the firing process Oxidkeramische Endlosfasern und keramikfaserverstärkte Verbundwerkstoffe – Werkstoffinnovationen im Brennprozess Energy conservation, efficiency and lightweight construction are future-oriented topics with a close connection to the advent of highly refractory continuous ceramic fibres and filaments. CeraFib GmbH designs and produces such fibres, filaments and other materials suitable for service under fluctuating temperature conditions (up to 1350° C) and in aggressive environments under mechanical stress. These materials are therefore ideally suited for the particular challenges of kiln construction. CeraFib‘s advanced fibres earned the company a nomination for the 2011 Saxon Innovation Award. Energieeinsparung, Effizienz und Leichtbau sind Zukunftsthemen, die eng mit der Entwicklung hochtemperaturbeständiger keramischer Endlosfasern verbunden sind. Die CeraFib GmbH entwickelt und produziert diese Filamente und Werkstoffe, die den Anforderungen eines Einsatzes bis 1350 °C, bei wechselnden Temperaturen und bei aggressiven Umgebungsbedingungen unter mechanischen Beanspruchungen stand halten. Diese Werkstoffe sind auch für die speziellen Herausforderungen im Ofenbau bestens geeignet. Für ihre Faserentwicklungen wurde die CeraFib GmbH für den sächsischen Innovationspreis 2011 nominiert. 1 Oxide-ceramic continuous filaments Oxide-ceramic continuous filaments by CeraFib GmbH have what it takes for continuous service at temperatures up to 1350° C (»1). The market for refractory insulating material is presently dominated by mineral fibres and short ceramic fibres based on aluminium oxide. For high-tech applications however, i.e., among the ceramic composites, there is urgent need for high-performance ceramic fibres with better high-temperature ageing behaviour in oxidizing atmospheres than that displayed by the few alumina and Al2O3/SiO2 filaments that are presently available – and then only from sources outside of Europe. Proprietary testing has shown the creep rate of such fibres to still be so high at temperatures between 1200° C and 1300° C that they can only be used for con- 1 Oxidkeramische Endlosfasern Die oxidkeramischen Endlosfasern der CeraFib GmbH besitzen das Potenzial für einen Dauereinsatz bei Temperaturen bis zu 1350 °C (»1). Für den Einsatz als Hochtemperaturisolationsmaterial stehen derzeit kommerziell entweder Mineralfasern oder keramische Kurzfasern auf der Basis von Aluminiumoxid zur Verfügung. Im Hightech-Bereich, d.h. bei keramischen Verbundwerkstoffen, werden dringend Hochleistungskeramikfasern benötigt, die in Bezug auf das HochtemperaturAlterungsverhalten in oxidierender Atmosphäre bessere Eigenschaften besitzen als die wenigen Aluminiumoxid- bzw. Al2O3/SiO2-Endlosfasern, die ausschließlich auf dem außereuropäischen Markt erhältlich sind. Eigene Prüfungen haben gezeigt, dass die Kriechrate dieser Fasern im Temperaturbereich zwischen 1200 °C und 1300 °C immer noch so hoch ist, dass ein Einsatz nur dann möglich ist, wenn mechanische Spannungen im Verbundwerkstoff von 200 MPa nicht überschritten werden [2, 3]. Oberhalb 1300 °C findet eine relativ schnelle Degradation durch Kornwachstum statt. »1 Multifilament in the heat of a gas flame [1] »1 Multifilament unter thermischer Beanspruchung einer Gasflamme [1] »2 CeraFib 75 mullite fibre, individual fibre thickness 10 -12 µm »2 CeraFib 75 Mullit-Faser, Einzelfaserdurchmesser 10 -12 µm »Table 1 Properties of continuous fibres/filaments »Tabelle 1 Kennwerte der Endlosfasern CeraFib 75 mullite fibre/CeraFib 75 Mullit Faser Chemical composition/Chemische Bestandteile Filament diameter/Durchmesser Filament count/titer/Feinheit/Titer Einzelfaser Density/Dichte Melting point/Schmelzpunkt »3 Schematic diagram of the production process »3 Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses Filament Tensile strength (specific) Zugfestigkeit (Spezifisch) Young‘s modulus/Elastizitätsmodul Deployable up to/Einsetzbar bis Roving count/titer/Feinheit/Titer Roving figurations in which the composite material is not subject to mechanical stress levels beyond 200 MPa [2, 3]. Relatively rapid degradation attributable to grain growth sets in above 1300° C. Oxide filaments have specific advantages in different areas of application. Particularly for continuous service at temperatures above 1300° C in oxidizing atmospheres, no commercially available fibre except continuous filaments is suitable. To date, the high-mullite fibre materials now being produced and probed by CeraFib GmbH show good promise for improving the creep behaviour of oxide fibres. Two types of fibres are presently available: “CeraFib 75“ (mullite fibre) and, alternatively, “CeraFib 99“ (corundum fibre). Depending on the encountered mechanical load, these ceramic fibres withstand maximum temperatures of 1200° C to 1350° C while retaining high mechanical strength (tensile strength >2000 MPa, Young‘s modulus >300 GPa). Even at such high temperatures, the fibres continue to display these good properties (»Table 1). The production of continuous fibres and filaments is based on a chemical-fibre application. In an elaborate technical pro cess, green fibres are converted to continuous ceramic fibres. Significantly, the raw materials of this process are physiologically unobjectionable, i.e., they are used in the production of cosmetics, for example, and they are water soluble. »3 provides a schematic outline of the production process. The continuous fibres/filaments are bundled and then either coiled or formed into textile fabric (area-measured material; »4). Their main field of application is as ceramic fibre composites. 2 Ceramic fibre reinforced composites One of the most important uses for oxide-ceramic filaments are ceramic-fibre reinforced composites, which are classified »4 Textile manufacturing process »4 Textiler Verarbeitungsprozess Al2O3: 75% SiO2: 25 % 10–12µm dtex 2.5 3.1 g/cm3 1 800 °C 2 200 MPa 7.1 cN/dtex 200 GPa 1350° C dtex 1250 f 500 CeraFib 99 corundum fibre/CeraFib 99 Korund Faser Chemical composition/Chemische Bestandteile Filament diameter/Durchmesser Filament count/titer/Feinheit/Titer Einzelfaser Density/Dichte Melting point/Schmelzpunkt Filament Tensile strength (specific) Zugfestigkeit (Spezifisch) Young‘s modulus/Elastizitätsmodul Deployable up to/Einsetzbar bis Roving count/titer/Feinheit/Titer Roving Al2O3: 99% 10–12µm dtex 3.0 3.8 g/cm3 1 800° C 2 900 MPa 7.6 cN/dtex 370 GPa 1 250° C dtex 1 500 f 500 Oxidische Endlosfasern besitzen spezifische Vorteile, die je nach Einsatzgebiet genutzt werden können. Vor allem für einen Dauereinsatz bei Temperaturen über 1300 °C in oxidierender Atmosphäre, für den bisher noch keine kommerziell erhältliche Faser bekanntermaßen verfügbar ist, kommen die Endlosfasern zum Einsatz. Gute Ansätze zur Verbesserung des Kriechverhaltens von oxidischen Fasern zeigen bisher vor allem die mullitreichen Fasermaterialen der CeraFib GmbH, die Bestandteil der eigenen Forschung und Herstellung sind. Derzeit werden zwei unterschiedliche Fasertypen angeboten, die „CeraFib 75“ (Mullit-Faser) und alternativ die „CeraFib 99“ (Korund-Faser). Diese Keramikfasern besitzen, abhängig von der mechanischen Beanspruchung, Temperaturbeständigkeiten von 1200 °C bis 1350 °C und hohe mechanische Festigkeiten (Zugfestigkeit > 2000 MPa, Young Modul > 300 GPa). Die Fasern behalten diese Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei (»Tabelle 1). Grundlage der Herstellung der Endlosfasern ist eine Applikation aus der Chemiefaser. Die Grünfasern werden in einem aufwändigen technischen Verfahren zu keramischen Endlosfasern verarbeitet. Bedeutsam ist der Einsatz von physiologisch unbedenklichen Rohstoffen, die unter anderem auch in Kosmetika eingesetzt werden und wasserlöslich sind. »3 gibt einen schematischen Überblick des Herstellprozesses. Die Endlosfasern werden im Filamentbündel auf Spulen oder in Form von textilen Flächengebilden angeboten (»4). Das Haupteinsatzgebiet sind keramische Faserverbundwerkstoffe. 2 Keramikfaserverstärkte Verbundwerkstoffe Eine der wichtigsten Anwendungen oxidkeramischer Endlosfasern sind keramikfaserverstärkte Verbundwerkstoffe. Diese zählen zu der Klasse der „Oxid Ceramics Matrix Composites“ (OCMC). Dabei werden die keramischen Endlosfasern in ein keramisches Matrixsystem eingebettet. Die Faserbereitstellung erfolgt abhängig vom jeweiligen Einsatzzweck »5 Burner nozzle in composite ceramic with thin-walled configuration (weight approx. 40 g; wall thicknesses between 1 mm and 3 mm) »5 Brennerdüse in Verbundkeramik mit dünnwandigem Aufbau (Masse ca. 40 g; Wandstärke zwischen 1 mm und 3 mm) as “oxide ceramic matrix composites“ (OCMC) in which continuous ceramic fibres are embedded in a ceramic matrix system. Depending on the intended use, the filaments are supplied in the form of fabrics, layings or directly as rovings. The matrix system consists of ceramic body selected to match the fibre material and customized for the intended use. The resultant “prepreg“ (preimpregnated fibres) is then layered to yield the envisaged component. The number of layers (of reinforcing fibres) varies from point to point in the component, depending on the respective requisite strength level. The finished component is load/stress-appropriate despite its very low weight. The desired component geometry is obtained with the aid of positive or negative moulds. Subsequent drying and firing readies the component for service. Unlike otherwise comparable components made “in one piece“, such as conventionally cast, drawn or short-fibre-reinforced parts, those made of this kind of composite have significantly different properties – properties which, like their thin-walled embodiment potential, are systematically exploited. Components or parts of components that need to carry only minimal mechanical loads can have wall thicknesses as thin as 1 mm. That saves lots of material. »5, for example, shows a burner nozzle with relatively thick mounting stays. The entire nozzle, however, only weighs about 40 g. Comparable nozzles made of SiC weigh upwards of 300 g. Moreover, the material also exhibits elastic behaviour. A thin platelet (roughly 1 mm thick) measuring 100 x 20 mm can withstand elastic deformation (bending) by up to 5 mm. Atypical for monolithic ceramic material, this behaviour is made possible by the incorporation of continuous reinforcing fibres. Even in case of failure, thusly reinforced ceramics do not suffer brittle fracture. The oriented continuous fibre reinforcement yields quasi-ductile failure behaviour. Failure essentially takes place in three stages, each of which is characterized by a shoulder in the stress-strain diagram [4]: › failure of the matrix › pull-out of fibres from the matrix › failure (tearing) of the fibres By contrast, short-fibre-reinforced ceramics, much like conventional, unreinforced ceramics, fail spontaneously due to »6 Continuous fibre reinforced composite under thermal strain [1] »6 Endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoff unter thermischer Beanspruchung [1] zum Beispiel in Form von Gewebe, Gelege oder direkt als Roving. Im Matrixsystem werden, auf den jeweiligen Einsatz abgestimmte und den Fasern materialspezifisch entsprechende, keramische Massen eingesetzt. Mit dem so entstandenen „Prepreg“ (vorimprägnierte Fasern) wird das Bauteil schichtweise aufgebaut. Die Anzahl der Schichten (d.h. der eingesetzten Verstärkungsfaserlagen) variiert dabei lokal im Bauteil und wird durch die jeweils erforderliche Festigkeit bestimmt. Somit entstehen beanspruchungsgerecht ausgelegte Bauteile mit sehr geringer Masse. Um die gewünschte Bauteilgeometrie abzubilden, werden zum Beispiel Formkörper oder Negativformen eingesetzt. Nach dem Trocknen und Brennen ist das Bauteil einsatzfertig. Im Gegensatz zu vergleichbaren Bauteilen, die nur „in einem Stück“ aufgebaut sind, wie z.B. klassisch gegossene oder gezogene oder auch mit Kurzfasern verstärkte Bauteile, besitzt dieser Verbundwerkstoff deutlich andere Eigenschaften. Diese werden, wie der dünnwandige Aufbau, gezielt genutzt. Wenn Bauteile oder Bauteilbereiche mechanisch nicht oder nur gering beansprucht werden, können dort Wandstärken von minimal 1 mm Dicke realisiert werden, wodurch eine hohe Einsparung an Masse möglich ist. »5 zeigt eine Brennerdüse, die im Bereich der Befestigungsstege eine höhere Wandstärke aufweist. Die Masse dieser Düse beträgt ungefähr 40 g – vergleichbare Düsen aus SiC besitzen z.B. eine Masse von über 300 g. Außerdem weist dieser Werkstoff ein elastisches Verhalten auf. Eine dünne Platte (Stärke ungefähr 1 mm) mit den geometrischen Abmessungen 100 x 20 mm kann bis zu 5 mm elastisch verformt (gebogen) werden. Dieses, für monolithische keramische Werkstoffe untypische, Verhalten wird durch den Aufbau mit endlosen Verstärkungsfasern möglich. Auch im Schadensfall versagt die verstärkte Keramik keinesfalls als Sprödbruch. Aufgrund der gerichteten Endlosfaserverstärkung entsteht ein quasiduktiles Versagensverhalten. Das Versagen erfolgt dabei im Wesentlichen in drei Stufen, die jeweils durch einen Absatz im Spannungs-Dehnungsdiagramm deutlich werden [4]: › Versagen der Matrix › Auszug der Faser aus der Matrix (Pull-Out-Effekt) › Bruch der Faser »Table 2 Differences between continuous- and short-fibre reinforced ceramics »Tabelle 2 Unterschiede von endlos- und kurzfaserverstärkter Keramik »7 Damaged burner tube (metal) after a mere six months in service under aggressive environmental conditions »7 Beschädigtes Brennerrohr (Metall) nach einer Standzeit von nur sechs Monaten in aggressiven Umgebungsbedingungen brittle fracture. »Table 2 compares the main differences between ceramics reinforced with continuous fibres/filaments and those reinforced with short fibres. Thanks to their very good thermal stability, insensitivity to thermal cycling and thermal shock resistance, these composites can easily contend with sustained service temperatures up to 1350° C (to the credit of mullite fibres) as well as constant, rapid changes in ambient conditions. »6 shows an example of filament-reinforced composites under thermal loads. Composite ceramics also have the good corrosion resistance of oxide ceramics in general and are resistant both to acids and bases. Consequently, they can serve in aggressive atmospheres like that encountered in waste incineration plants. »7 shows a damaged burner tube that had only been in service for six months under aggressive ambient conditions. Comparable burner tube assemblies made of filament-reinforced composite material can be expected to last more than two years under practically identically conditions. Since, however, continuous ceramic fibres are relatively expensive, the use of ceramic composites is limited primarily to kiln construction and burner nozzles. By way of analogy to »7, a burner tube with a hybrid ceramic tip is shown in »12. Composite (= hybrid) ceramics, with their superior durability and very good thermal shock resistance, improve kiln-plant efficiency, even for intermittently operated burners. »8 Burner nozzle »8 Brennerdüse Continuous fibres Endlosfasern Short fibres Kurzfasern Fibre composite: anisotropic; mechanical properties dependent on quantity and orientation of embedded fibres Faserverbundwerkstoff: anisotrop, die mechanischen Eigenschaften sind abhängig von der Anzahl und Ausrichtung der eingebetteten Fasern Composite material: isotropic; mechanical properties primarily dependent on thickness of material Faserverbundwerkstoff: isotrop, die mechanischen Eigenschaften werden maßgeblich durch die Materialdicke bestimmt Component requires minimal amount of material for situation-appropriate implementation: saves material and weight Bauteil kann mit minimalem Materialeinsatz beanspruchungsgerecht umgesetzt werden, Material- und Masseeinsparung Component with comparable mechanical properties weighs considerably more than its filament-reinforced counterpart Bauteil hat bei gleichen mechanischen Eigenschaften (vgl. mit Endlosfasern) eine deutlich höhere Masse Very thin-walled designs achievable Sehr dünnwandige Konstruk tionen sind möglich Certain minimum wall thicknesses must be adhered to Es müssen stets bestimmte Mindestmaterialstärken eingehalten werden Quasi-ductile failure behaviour: 1. interface failure between matrix and fibre 2. fibre pull-out from matrix 3. fibres liable to break quasiduktiles Versagensverhalten: 1. Grenzflächenversagen zwischen Matrix und Faser 2. Faserauszug aus der Matrix (Pull-out-Effekt) 3. Faserbruch Spontaneous brittle-fracture behaviour: 1. matrix breaks, but no pull-out effect thanks to random arrangement of fibres 2. fibres liable to break spontanes und sprödes Versagensverhalten: 1. Matrix bricht, durch Wirrlage der Fasern kein Pull-out-Effekt 2. Faserbruch Im Gegensatz dazu versagt kurzfaserverstärkte Keramik (aufgrund der Wirrlage der Fasern), wie auch die klassisch unverstärkte Keramik, spontan durch Sprödbruch. In »Tabelle 2 sind die wesentlichen Unterschiede von endlosund kurzfaserverstärkter Keramik gegenübergestellt. Wegen der sehr guten Temperaturstabilität, der Temperaturwechselund Thermoschockbeständigkeit stellen sowohl Daueranwendungen bis 1350 °C (auf Basis der Mullit-Faser) als auch ständig und schnell wechselnde Umgebungsbedingungen kein Problem für diesen Verbundwerkstoff dar. »6 zeigt ein Beispiel eines endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffes unter thermischer Beanspruchung. Auch die gute Korrosionsbeständigkeit der Oxidkeramik generell sowie die Beständigkeit gegen Säuren und Basen sind bei der Verbundkeramik gegeben. Somit ist ein Einsatz auch in aggressiver Atmosphäre möglich, zum Beispiel bei der Müllverbrennung. In »7 ist ein beschädigtes Brennerrohr dargestellt, das eine Standzeit von lediglich sechs Monaten unter aggressiven Umgebungsbedingungen überstanden hat. Vergleichbare Brennerrohraufbauten aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff werden in der Praxis unter gleichen Bedingungen bereits mit Standzeiten von über zwei Jahren betrieben. Aufgrund der relativ hohen Kosten für keramische Endlosfasern wird mit nur teilweisem Einsatz von keramischen Verbundwerkstoffen gearbeitet, insbesondere im Bereich von Ofenbau oder Brennerdüsen. »12 zeigt, analog zu »7, ein Brennerrohr mit einem aufgesetzten Brennerkopf aus Verbundkeramik. Vor allem die langen Standzeiten der Verbundkeramik, bei sehr guter Temperaturwechselbeständigkeit, erhöhen die Effizienz der Ofenanlage, auch bei diskontinuierlichem Brennerbetrieb. »9 Support structure in kiln construction »9 Trägerstruktur Ofenausbau 3 Areas of application and components Heat protection, lightweight construction and energy conservation are future-oriented topics with a close connection to the engineering of new materials. In their current range of applications, metals reach their limits in certain areas involving high thermal stress, such as in kiln construction and, most particularly, waste-gas treatment. At present, the technical limits are still defined by superalloys that can withstand temperatures up to 1100° C but which also require effective cooling of the employed metal structures. The CeraFib GmbH concept is based on the use of high-temperature filaments as a point of departure for uncooled composite ceramics allowing higher combustion temperatures than those which mark the end of metals‘ heat resistance. That, in turn, yields significant gains in efficiency and, hence, more energy conserved and less pollutants emitted. All these good properties and advantages of ceramic composite components make for a broad, versatile service spectrum reaching from the manufacture of long-lived burner nozzles and support structures in industrial kilns to general insulation applications, power engineering/generation and on to aerospace technology and the manufacture of materials for medical implants. A few typical examples are listed below: 3.1 Kiln construction › long-lived burner nozzles, in particular for intermittent operation (»8) › thin-walled insulation and linings/crust prevention plates › hot-gas ducts and modules › support structures (»9) 3.2 Power generation and transmission › turbine liners and insulators › radiation guides › heat shields for wiring systems 3.2 Aerospace engineering › heat shields and insulation systems for space shuttles and launch vehicles › reinforcing structures › firewalls in aircraft engines CeraFib GmbH unites competence with experience in both the ceramic and the textile sectors and leads their customers‘ own specific requirements through in-house research and development, production and a company sales organization: › customerized applications engineering »10 Draft design of an extraction tube »10 Konstruktiver Entwurf des Entnahmerohrs 3 Einsatzgebiete und Bauteile Hitzeschutz, Leichtbau und Energieeinsparung sind Zukunftsthemen, die stark mit der Entwicklung neuer Werkstoffe verbunden sind. In den aktuellen Anwendungsfällen stoßen Metalle an Grenzen, wenn es um den Einsatz in thermisch hochbeanspruchten Bereichen geht, wie zum Beispiel im Ofenbau und insbesondere bei der Abgasbehandlung. Derzeit werden die technischen Grenzen durch metallische Superlegierungen markiert, die bis 1100 °C eingesetzt werden können, wobei zusätzlich eine effektive Kühlung der verwendeten Metallstrukturen notwendig ist. Das Konzept der CeraFib GmbH basiert auf der Verwendung hochtemperaturbeständiger Endlosfasern und darauf aufbauender ungekühlter Verbundkeramiken, die im Gegensatz zu Metallen höhere Verbrennungstemperaturen ermöglichen. Das wiederum führt zu einer signifikanten Erhöhung der Wirkungsgrade und damit zur Energieeinsparung und Reduzierung der Schadstoffemission. Durch die bereits genannten Eigenschaften und Vorteile der keramischen Verbundbauteile ergibt sich ein breites und vielseitiges Einsatzspektrum. Dieses reicht unter anderem von der Herstellung langlebiger Brennerdüsen und Trägerstrukturen in Industrieöfen, dem allgemeinen Isolationsbereich über den Bereich Energietechnik/Energieerzeugung bis hin zu Luft- und Raumfahrt und der Herstellung medizinischer Implantatmaterialen. Im Folgenden sind einige Beispiele angeführt: 3.1 Ofenbau › langlebige Brennerdüsen, insbesondere bei diskontinuierlichem Betrieb (»8) › dünnwandige Isolierungen und Auskleidungen/Befallschutzplatten › Heißgasführungen und Aggregate › Trägerstrukturen (»9) 3.2 Energieerzeugung und Übertragung › Turbinenauskleidungen und Isolationen › Strahlungsführungen › Hitzeschutz von Leitungssystemen 3.2 Luft- und Raumfahrt › Hitzeschutz- und Isoliersysteme für wiederverwendbare Raumgleiter und Raketen › Verstärkungsstrukturen › Firewalls in Flugmotoren › needs-appropriate product design › fibre-oriented, load-appropriate construction and › full-custom fabrication, from prototype to series production and made-to-order articles or inventory optimization 4 Special applications Two special applications are described below. They were implemented for Sommer Verfahrenstechnik in Saalfeld, a project management and engineering specialist for power and process engineering and flue-gas cleanup/treatment. In this particular case, a kiln was to be equipped with an oxygen monitoring system (»11). This required installation of a special gas extraction tube for an O2 probe operating at a flue gas temperature of 1050° C. The customer‘s specifications were as follows: › flue gas temperature 1050° C › chemical stability against CO, HCL and HF as flue gas constituents › very good operational reliability › uncomplicated installation »11 Composite ceramic extraction tubes »11 Entnahmerohre aus Verbundkeramik Prior to the project, the installation had been relying on ceramic-lined metal extraction tubes. Due to differences in the materials‘ coefficients of thermal expansion, however, the ceramic liners repeatedly cracked and spalled. This gave rise to the idea of making the extraction tubes out of ceramic composite material. The employed method enables fabrication of components with intricate geometries. For example, it was possible to form ceramic spacers directly on the tube to reduce the load on the ceramic tube at the point of fixation, hence ensuring the required high thermal stability. The tubing was to be installed in a horizontal attitude. Once the draft design was OK‘d by the customer, three extraction tubes were crafted, installed and put in operation. In the other case, which was already mentioned above as involving high-temperature corrosion, a flame-tube nozzle had to be made of ceramic composite material (»12). The finished nozzle was mounted on the old metal component. Blast burners are not always suitable for combustion plant in which the combustion control system calls for a defined rate or air injection. More heat-stable burner nozzles, however, help reduce the system-inherent purge air requirement so far, that such burners can be used. Die CeraFib GmbH vereint Kompetenz und Erfahrung sowohl im keramischen als auch im textilen Bereich und stellt sich, mit eigener Forschung und Entwicklung, Produktion und eigenem Vertrieb, den speziellen Herausforderungen der Kunden: › kundenspezifische Einsatzentwicklung › anforderungsgerechte Produktgestaltung › faserorientierte und kraftgerechte Auslegung und › Einzelanfertigungen, vom Prototyp bis zur Serienfertigung und Sonderanfertigungen oder Bestandsoptimierungen 4 Spezialanwendungen Zwei Spezialanwendungen werden im Folgenden näher beschrieben. Auftraggeber war die Firma Sommer Verfahrenstechnik, Saalfeld, spezialisiert auf Energie- und Verfahrenstechnik sowie Abgasreinigung und -behandlung. Im konkreten Einsatzfall sollte eine Sauerstoffmessung nach einem Brennofen erfolgen (»11). Dazu wurde ein spezielles Gasentnahmerohr zur Aufnahme einer O2-Sonde bei einer Rauchgastemperatur von 1050 °C benötigt. Folgende Anforderungen des Kunden waren zu berücksichtigen und zu realisieren: › Rauchgastemperatur 1050 °C › chemische Beständigkeit gegen die Rauchgasbestandteile CO, HCL, HF › sehr hohe Betriebssicherheit › einfache Einbausituation »12 Flame-tube nozzle made of composite ceramic material »12 Flammrohrmundstück aus Verbundkeramik Bis zum Zeitpunkt der Aufgabenstellung wurden metallische Entnahmerohre eingesetzt, die mit einer keramischen Innenbeschichtung versehen waren. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten platzte die keramische Beschichtung wiederholt ab. So entstand die Idee, die Entnahmerohre komplett aus keramischem Verbundwerkstoff zu fertigen. Das eingesetzte Verfahren macht es möglich, auch komplizierte Bauteile herzustellen. So konnten am Rohr keramische Abstandhalter angebracht werden, die zu einer Entlastung des keramischen Rohres an der Einspannstelle führten, um so die geforderte hohe thermische Beständigkeit zu gewährleisten. Die Rohre sollten waagerecht eingebaut werden. Nachdem der konstruktive Entwurf mit dem Kunden besprochen war, konnten drei Stück keramische Entnahmerohre gefertigt werden und befinden sich nun im Einsatz. In dem bereits beschriebenen Fall der Hochtemperaturkorrosion wurde ein Flammrohrmundstück aus keramischem Literature/Literatur [1] Bilder: ITCF-Denkendorf [2] Clauß, B.: Keramikfasern – Entwicklungsstand und Ausblick; Technische Textilien 2000, 43, 246-251 [3] Clauß, B.: Fasern und Preformtechniken zur Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe; Keramische Zeitschrift 2001, 53, 916–923 [4] Menges, G.; Ziegler, G.: Faserverbundwerkstoffe – Grundlagen und Einführung in die Besonderheiten; Vortrag beim Symposium Materialforschung, Hamm, 1988 CeraFib GmbH (Ceramic Filaments and Fibres) Though only established in 2006, CeraFib GmbH (Ceramic Filaments Fibres) has roots that reach back more than 40 years. The company‘s founder was a chemical fibre researcher specializing in pertinent application technology with focus on textiles ranging from clothing to home textiles and technical textiles for vehicles and power engineering. Extensive experience in cooperation projects and development work, as well as activities in working groups and research advisory councils at universities and institutes eventually led to his decision to establish CeraFib GmbH in collaboration with leading research institutes in the chemical-fibre and ceramic sectors, the objective being to develop and produce a truly high-temperature continuous fibre/filament. Two partners with the prime prerequisites for engineering, producing and further improving such a product – ITCF in Denkendorf and KI Keramikinstitut in Meissen – were engaged as co-proprietors for CeraFib GmbH. A major European concern was also enlisted as a partner for development and raw material resourcing. With all those qualifications and a basis including in-house pilot facilities, a top-notch product was soon developed and in production. CeraFib attaches utmost importance to: › continuous further development of the product › close cooperation with the customer for shakedown field deployment of each respective end product pending commencement of production › realization of new ideas in close contact with the customer › rapid recognition and rectification of production problems at the customer‘s facility › close contact with involved institutes to stay abreast of all the latest insights in the field Verbundwerkstoff gefertigt (»12). Dieses wurde auf den alten Metallkörper aufgesetzt. Bei Verbrennungsanlagen, in denen die Verbrennungsregelung einen definierten Lufteintrag erfordert, sind Gebläsebrenner nur bedingt geeignet. Mit dem Einsatz von thermisch stabileren Brennermundstücken können die systembedingte Spülluft reduziert und der Brennertyp wieder eingesetzt werden. CeraFib GmbH (Ceramic Filaments Fibres) Die Wurzeln der 2006 gegründeten CeraFib GmbH (Ceramic Filaments Fibres) reichen mehr als 40 Jahre zurück. Der Firmengründer war in der Forschung der Chemiefaserindustrie tätig, insbesondere in der Anwendungstechnik und dort in der Einsatzbreite von Bekleidung über Heimtextilien bis zu technischen Textilien im Bereich Fahrzeug und Energieerzeugung. Diese umfangreichen Kooperations- und Entwicklungsarbeiten sowie Tätigkeiten in Arbeitsgruppen und Forschungsbeiräten von Universitäten und Instituten ließen den Entschluss reifen, mit führenden Forschungsinstituten der Chemiefaserindustrie als auch der keramischen Industrie die CeraFib GmbH zu gründen. Zielstellung war es, eine hochtemperaturbeständige Endlosfaser zu entwickeln und zu produzieren. Mit dem ITCF in Denkendorf und dem KI Keramik institut in Meißen wurden die Partner als Gesellschafter in der CeraFib GmbH zusammengeführt, die die besten Voraussetzungen für die Entwicklung bis zur Produktion als auch die spätere Weiterentwicklung hatten und haben. Für die Entwicklung und Rohstoffbereitstellung konnte ein großer europäischer Konzern als Partner gewonnen werden. Mit den genannten Voraussetzungen und auf Basis eigener Pilotanlagen war es möglich, in kurzer Zeit ein Spitzenprodukt zu entwickeln und zu produzieren. Dabei wird Wert gelegt auf › eine ständige Weiterentwicklung des Produktes › enge Zusammenarbeit mit den Kunden bei der Einsatz entwicklung des jeweiligen Endproduktes bis zur Pro duktionsaufnahme › Realisierung neuer Ideen im engen Kontakt zum Kunden › schnelle Erkennung und Behebung bei auftretenden Problemen in der Produktion beim Kunden › engen Kontakt zu den genannten Instituten, um über neueste Erkenntnisse auf dem Gebiet informiert zu sein CeraFib GmbH An der Stadtgrenze 6A I 02785 Olbersdorf I Germany Büro-Meißen Ossietzkystraße 37a I 01662 Meißen I Germany T +49 (0) 35 21 46 35 08 I F +49 (0) 35 21 46 35 16 [email protected] I www.cerafib.de