СОСТАВ ШИХТЫ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА

Изобретение относится к производству теплоизоляционных строительных материалов, обладающих низкими значениями плотности и теплопроводности.

Из известных в настоящее время теплоизоляционных строительных материалов наиболее высокими строительно-техническими свойствами обладает пеностекло, технология производства которого достаточно полно изложена в научно-технической литературе (Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1972, 304 с.; Шилл Ф. Пеностекло. М.: Стройиздат, 1965, 307 с.).

Технология пеностекла состоит из трех основных стадий: высокотемпературная (1450°C) варка стекла и получение стеклогранулята, помол стеклогранулята с газообразователем, вспенивание шихты и отжиг вспененных блоков. Процесс вспенивания осуществляют при температуре 800-950°C в течение 20-30 минут, после чего вспененные блоки охлаждают для стабилизации структуры (US 4192664, 1980; US, 3951632, 1976 г.).

В этих известных способах используют либо специально сваренное стекло с заданным химическим составом, либо используют стеклобой оконного, тарного и других стекол с однородным химическим составом (US 4119422, 1978 г.). В качестве газообразователей в известных составах используются либо углеродистые, либо карбонатные газообразователи.

Известен способ получения шихты для производства гранулированного пеностекла с закрытой пористостью (WO 00/61512, 2001 г.). В этом способе порошок стекла смешивают с жидким стеклом при температуре 60-120°C, после чего охлаждают, а полученные гранулы подвергают двухстадийной термообработке: сначала при температуре 200-300°C в течение 15 минут, а затем при температуре 400-800°C также в течение 15 минут.

Недостатком этого способа является необходимость перемешивания порошка стекла с жидким стеклом при повышенной температуре и последующей энергоемкой сушки вязко-пластичной смеси с целью получения гранулированной шихты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения шихты для производства пеностеклами 2255058 C1, 07.06.2005), по которому шихта для получения пеностекла содержит, как следует из приведенного примера осуществления, жидкого стекла или водного раствора силиката щелочного металла - 57,2%, молотого стеклобоя - 28,5% и углеродистого газообразователя - 14,3%. Если учесть, что жидкое стекло содержит не более 50% твердой фазы (безводного силиката щелочного металла), то в составе шихты будет содержаться: силиката щелочного металла - 40%, молотого стеклобоя - 40%, углеродистого газообразователя - 20%.

Недостатком этого состава шихты является чрезвычайно высокое содержание углеродистого газообразователя, так как в составе известных шихт содержание газообразователя составляет 0,5-5%. Способ получения пеностекла из шихты указанного состава осуществляют в процессе выполнения следующих технологических операций: перемешивания жидкого стекла с силикатным модулем 2,0-3,5 и плотностью 1,3-1,5 г/см³ с порошкообразным стеклобоем и углеродистым газообразователем, сушку вязкотекучей смеси с последующим прокаливанием при температуре 450-550°С для удаления свободной и химически связанной воды и частично углеродистого газообразователя в течение 70-85 мин. Далее полученный спек подвергается тонкому помолу до размера частиц 60-70 мкм, после чего полученную шихту подвергают вспениванию при температуре в диапазоне 770-830°С.

Также к недостаткам этого способа получения пеностекла следует отнести необходимость выполнения энергозатратных операций сушки и высокотемпературного прокаливания исходной вязкотекучей и липкой смеси и последующего дополнительного тонкого измельчения полученного спека.

Задачей предлагаемого изобретения является исключение указанных недостатков.

Техническим результатом патентуемого способа является упрощение способа приготовления и состава шихты, обеспечивающего получение пеностекла из стеклобоя с различным химическим составом стекла, снижение энергозатрат.

Заявленный технический результат достигается за счет использования исходной шихты, содержащей тонкомолотый стеклобой, аморфную кремнеземистую породу, сухой гранулированный гидроксид натрия, алюмосиликатную породу и воду при следующем содержании компонентов (мас. %):

В качестве стеклобоя может использоваться, в частности, стеклобой оконный, тарный, электроламповый и других видов стекол. При этом, предпочтительно, чтобы удельная поверхность стеклобоя составляла 450-500 м²/кг, а среднеповерхностный размер частиц - 4,8-5,3 мкм.

В качестве аморфной кремнеземистой породы можно использовать диатомит, опоку, трепел, с содержанием аморфного кремензема более 50 мас.%.

В качестве алюмосиликатной породы можно использовать каолинитовые и монтмориллонитовые глины, гранитные и базальтовые породы, перлитовую и вермикулитовую руду, а также различные отходы переработки этих материалов, находящихся в тонкодисперсном состоянии. Увеличенное, по сравнению с известным, содержание алюмосиликатной породы обеспечит снижение себестоимости, увеличение выхода гидросиликата натрия, что приводит к увеличению содержания химически связанной воды, которая участвует в процессах поризации. В итоге снижается плотность материалов.

В частности, предпочтительный размер гранул гидроксида натрия составляет 0,5-5 мм.

Кроме того, заявленный технический результат достигается за счет осуществления нового способа приготовления исходной шихты, по которому все твердые компоненты шихты подают в интенсивный смеситель, тщательно перемешивают и во время перемешивания в смеситель вводят указанное количество воды, при дальнейшем перемешивании в течение 5-8 минут происходит грануляция и агрегирование шихты, которую после поверхностного опудривания влагоемким материалом в тарельчатом или барабанном грануляторе, загружают в металлические формы с замкнутым объемом и подают в печь вспенивания при температуре 760-780°С. Время вспенивания зависит от габаритов формы и составляет 0,5-1 ч.

При таком способе приготовления шихты, в первую очередь, происходит растворение сухого гидроксида натрия, входящего в смесь, в воде, сопровождающееся выделением значительного количества тепла, в результате чего шихта разогревается до температуры 90-100°С. В образовавшемся растворе концентрация гидроксида натрия составляет 36-40% и за счет этого происходит интенсивное растворение кремнеземистой породы и образование гидросиликата натрия с силикатным модулем m=SiO₂/Na₂O=2,2-2,4. Этот гидросиликат натрия обладает высокими связующими свойствами и при перемешивании компонентов шихты в смесителе происходит агрегация шихты и образование гранул, которые из смесителя подаются в тарельчатый или барабанный гранулятор для поверхностного опудривания во влагоемком порошке (алюмосиликатная порода) для предотвращения слипания гранул.

Приготовленная гранулированная шихта в расчетном количестве (для получения заданной плотности пеностекла) загружается в разборную металлическую форму без уплотнения, поверхностный слой выравнивают, форму закрывают крышкой с жесткими фиксаторами и подают в печь вспенивания для термообработки при температуре в интервале 760-780°С в течение 0,5-1 ч. Время вспенивания зависит от габаритных размеров и объема изделий. Охлаждение изделий проводят в формах от температуры 630°С до температуры 45-50°С в течение 6-8 часов в печи отжига.

Примеры конкретного исполнения

Пример №1.

1. В качестве исходных сырьевых компонентов при приготовлении шихты использовалась тонкомолотая (S_уд=450 м²/кг) смесь стеклобоя тарного и оконного стекла, взятых в соотношении 50:50%, аморфная кремнеземистая порода - трепел Зикеевского месторождения (Калужская область) с содержанием SiO₂ = 84,60% и размером частиц менее 0,1 мм, гидроксид натрия гранулированный, алюмосиликатная порода - каолинитовая глина с дисперсностью менее 0,1 мм. При следующем количественном соотношении компонентов состава, масс. %: молотый стеклобой - 43; аморфная кремнеземистая порода - 25; гидроксид натрия - 12; каолинитовая глина - 5; вода - 15.

2. Молотый стеклобой, аморфная кремнеземистая порода и гидроксид натрия в указанном соотношении загружались в интенсивный смеситель, перемешивались в течение одной минуты, после чего при дальнейшем перемешивании в смесь вводилось указанное количество воды. При подаче воды в смесь происходил интенсивный разогрев шихты, после чего происходило агрегирование шихты и образование гранул размером 3-7 мм, которые для предотвращения взаимного слипания опудривались порошком каолинитовой глины.

3. Полученную гранулированную шихту загружали в металлическую форму с внутренним объемом 0,5 дм³ (10×10×5 м), разравнивали в поверхностном слое, форму закрывали крышкой с фиксаторами и помещали в муфельную печь, предварительно разогретую до температуры 760°С, и выдерживали при этой температуре в течение 20 мин, после чего печь отключали и открывали дверцу печи для охлаждения в течение 6 часов. После разборки формы из нее извлекали изделие, у которого определяли необходимые характеристики. В зависимости от количества загружаемой шихты получаемое пеностекло имело следующие свойства: плотность - 180-220 кг/м³, прочность при сжатии - 1,2-1,5 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,049-0,054 Вт/(м град), водопоглощение - 5% (об.). Полученные образцы пеностекла имели равномернопористую структуру с размером пор 0,5-2,5 мм.

Пример №2

1. В качестве исходных сырьевых компонентов при приготовлении шихты использовалась тонкомолотая (S_уд=450 м²/кг) смесь стеклобоя тарного и лампового стекла, взятых в соотношении 50:50%, аморфная кремнеземистая порода - диатомит Инзенского месторождения с содержанием SiO₂ = 80,2% и размером частиц менее 0,1 мм, гидроксид натрия гранулированный с размером частиц менее 1,5 мм, алюмосиликатная порода - тонкомолотая вермикулитовая руда с дисперсностью менее 0,1 мм. При следующем количественном соотношении компонентов состава, масс. %: молотый стеклобой - 45; аморфная кремнеземистая порода - 23; гидроксид натрия - 11; вермикулитовая руда - 5; вода - 16.

2. Молотый стеклобой, аморфная кремнеземистая порода и гидроксид натрия в указанном соотношении загружались в интенсивный смеситель, перемешивались в течение одной минуты, после чего при дальнейшем перемешивании в смесь вводилось указанное количество воды. При подаче воды в смесь происходил интенсивный разогрев шихты, после чего происходило агрегирование шихты и образование гранул размером 3-7 мм, которые для предотвращения взаимного слипания опудривались порошком вермикулитовой руды.

3. Полученную гранулированную шихту загружали в металлическую форму с внутренним объемом 0,5 дм³ (10×10×5 м), разравнивали в поверхностном слое, форму закрывали крышкой с фиксаторами и помещали в муфельную печь, предварительно разогретую до температуры 760°С, и выдерживали при этой температуре в течение 20 мин, после чего печь отключали и открывали дверцу печи для охлаждения в течение 6 часов. После разборки формы из нее извлекали изделие, у которого определяли необходимые характеристики. В зависимости от количества загружаемой шихты получаемое пеностекло имело следующие свойства: плотность - 200-230 кг/м³, прочность при сжатии - 1,25-1,7 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,053-0,062 Вт/м град, водопоглощение - 5% (об.). Полученные образцы пеностекла имели равномернопористую структуру с размером пор 0,5-2,5 мм.

Основными преимуществами предлагаемого состава и способа приготовления шихты для получения пеностекла является следующее:

- существенно упрощается технология и энергоемкость получения пеностекла;

- снижается температура вспенивания шихты;

- возможность утилизации стеклобоя с различным химическим составом стекла;

- отпадает необходимость высокотемпературной (1450°С) варки стекла;

- по сравнению с прототипом из технологии исключаются операции сушки шихты, последующего ее прокаливания при температуре 450-550°С и дополнительного тонкого измельчения;

- отпадает необходимость в использовании углеродистых и карбонатных газообразователей, так как эту роль выполняет химически связанная вода гидросиликата натрия, которая выделяется в период пребывания шихты в пиропластичном состоянии, вплоть до температур 600-620°С;

- вспенивание массива гранул в процессе разложения гидросиликата натрия и выделения паров воды обеспечивает формирование блока пеностекла с замкнутой, равномернопористой структурой и размером пор с диаметром 0,5-2,5 мм;

- вспенивание гранулированной шихты в замкнутом объеме формы позволяет получать изделия любой желаемой формы с заданными геометрическими размерами.

- по сравнению с известным составом шихты, в предлагаемом содержание молотого стекла увеличивается на 50%, а введение алюмосиликатного компонента повышает водостойкость пеностекла.

Анализ вышеприведенных преимуществ технического решения при получении пеностекла показывает, что предлагаемые способ и состав шихты позволяют достичь поставленной цели изобретения и получать пеностекло с заданными характеристиками, геометрической формой и размерами.