CEM WAVE

Progetto

Il progetto CEM-WAVE mira a introdurre un processo innovativo di produzione di compositi a matrice ceramica - CMC - a base ossidica e non ossidica basato sulle tecnologie di infiltrazione chimica del vapore con riscaldamento assistito da microonde (MW-CVI).

Garantendo una significativa riduzione dei costi di produzione, CEM-WAVE risponde all'esigenza di materiali ad alte prestazioni in grado di resistere alle condizioni di produzione fluttuanti ed estreme create dal crescente utilizzo di fonti di energia rinnovabili nell'industria pesante, come quella siderurgica.

I vantaggi principali dei compositi a matrice ceramica (CMC) rispetto ad altri materiali sono l'elevata resistenza termica, la durezza, la resistenza alla corrosione, la leggerezza e l'assenza di magnetismo. Nel corso degli anni, i CMC hanno acquisito una notevole importanza nelle applicazioni industriali rispetto ai materiali ceramici monofase e ad altri materiali, grazie alle loro peculiari proprietà fisiche.

La crescente domanda industriale di apparecchiature resistenti alle alte temperature, a basso peso e densità è il fattore principale che guida l'espansione del mercato globale dei compositi a matrice ceramica.

Obiettivi

Il progetto si basa su 4 obiettivi misurabili:

Ottimizzare la tecnologia di infiltrazione chimica del vapore assistita da microonde (MW-CVI) per la produzione di CMC a base ossidica e non ossidica, compresi il rivestimento e la giunzione. A tal proposito, si svilupperà inoltre un processo di “saldatura” di componenti CMC al fine di ottenere tubi di varie forme e un processo per l’applicazione di coating protettivi.

Sfruttare le proprietà dielettriche delle CMC per ottimizzarne l'uso come sensori, sia per determinare le condizioni ottimali di lavorazione MW-CVI sia per monitorarne l'uso in forni a tubo radiante, in combinazione con l'imaging a infrarossi e l'analisi elettrica;

Costruire e validare una versione in scala ridotta di un tubo CMC per mostrare proprietà migliorate rispetto alle alternative attuali;

Introdurre le soluzioni sviluppate sul mercato, rendendole un metodo sostenibile a lungo termine e guidando l'applicazione dei principi dell'economia circolare nelle industrie ad alta intensità energetica.

Ruolo di
Certimac

Certimac supporta il partner ENEA nella valutazione della conducibilità termica e del calore specifico delle soluzioni sviluppate mediante metodi sperimentali tradizionali (ad es. misuratore di flusso di calore) e innovativi (ad es. metodo Laser Flash Analysis - LFA) fino a 1250 °C.

Questo consentirà di selezionare le migliori soluzioni in termini di comportamento termico in riferimento all'applicazione. L'impiego di adeguati metodi di post-analisi consentirà inoltre di valutare i diversi effetti quali il flusso di calore bidimensionale, la dispersione di calore dal campione, gli effetti dell'irraggiamento per temperature superiori a 500 °C e dello scambio di calore per convezione dal campione al flusso di aria ambiente circostante. La combinazione tra conducibilità termica e calore specifico permetterà di determinare un parametro fondamentale - la diffusività termica - una proprietà specifica del materiale che caratterizza la conduzione del calore in regime dinamico e descrive la rapidità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura, svolgendo così un ruolo strategico nella qualificazione del comportamento dei componenti/materiali nell'ambito dei problemi di scambio termico.

Inoltre, l'emissività, che è il parametro che rappresenta la capacità di assorbire, trasmettere ed emettere energia infrarossa, sarà misurata ad alte temperature dal CNRS per mezzo di spettroradiometri e/o spettrofotometri.

Risultati attesi

I compositi a matrice ceramica (CMC) sono stati finora ampiamente utilizzati come materiali principali nel settore dei trasporti, ad esempio per produrre elementi nei motori a combustione degli aerei, negli organi di trasmissione delle valvole, nelle pale delle turbine, nei sistemi di scarico e nei sistemi frenanti delle automobili (dischi dei freni e frizioni), e nel settore dell'energia, dove sono stati impiegati come materiali refrattari nei forni delle fonderie di silicio, nei reattori energetici, nei bruciatori di gas e negli scambiatori di calore ad alta pressione.

Utilizzando la tecnologia MW-CVI (Microwave-assisted Chemical Vapour Infiltration), il progetto CEM-WAVE svilupperà un componente a base di CMC per costruire un tubo innovativo con sensore su piccola scala, da utilizzare nei forni a tubi radianti dell'industria siderurgica. Oltre a validare la tecnologia assistita da microonde, il tubo a base di CMC con sensore incorporato fornirà un valido sostituto alle leghe Inconel/acciaio inossidabile attualmente utilizzate.

L'adozione di compositi leggeri da parte dei produttori di veicoli elettrici è in aumento e si prevede che nel prossimo futuro darà ulteriore impulso al mercato dei compositi a matrice ceramica. Data la maggiore efficienza e durata dei CMC rispetto alle leghe metalliche attualmente utilizzate nei forni a tubi radianti, si apriranno nuove possibilità nell'industria siderurgica, come la possibilità di utilizzare temperature di ricottura più elevate e nuove chimiche di lavorazione.

Le opportunità di costo recentemente stabilite da CEM-WAVE per i CMC aumenteranno la competitività dei componenti a base di CMC, consentendo infine una loro più ampia diffusione in quasi tutte le linee industriali e favorendo i vantaggi ambientali ed economici, in una situazione vantaggiosa per tutti.

Impatti generati

Miglioramento dell'efficienza energetica
I compositi a matrice ceramica prodotti da CEM-WAVE hanno il potenziale per migliorare l'efficienza energetica nella futura produzione di acciaio fino al 30%, con una riduzione dei costi compresa tra il 7 e il 13%.

Riduzione delle emissioni di CO2
Se l'industria siderurgica passasse all'utilizzo di CMC prodotti mediante infiltrazione chimica del vapore assistita da microonde (MW-CVI) in forni a tubi radianti, le emissioni di CO2 del settore potrebbero essere ridotte fino al 20%.

Estensione della durata del prodotto
L'utilizzo di CMC prodotti da CEM-WAVE dovrebbe aumentare la durata di vita dei forni a tubi radianti fino al 20% rispetto alla media attuale, che è compresa tra 4 e 8 anni.