Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения пеносиликатного материала

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности пеносиликатного теплоизоляционного материала на основе кремнеземсодержащих техногенных отходов.

При изготовлении строительных изделий все большее распространение получает использование кремнеземсодержащих промышленных отходов горнорудных и металлургических предприятий. Одним из перспективных направлений применения микрокремнезема является изготовление теплоизоляционных материалов с использованием жидкостекольных композиций. Однако в технологии изготовления пеносиликатного теплоизоляционного материала возникает проблема обеспечения повышенной прочности изделий при их пониженном водопоглощении.

Известен способ получения пеносиликатного материала (см. пат. 2346906 РФ, МПК С04В 28/26, 111/40 (2006.01), который включает смешение жидкого стекла и тонкоизмельченного наполнителя в виде метасиликата кальция или магния, гранулирование полученной смеси погружением через делительную воронку в насыщенный раствор отвердителя, содержащий хлорид кальция CaCl₂ и дополнительно хлорид алюминия - AlCl₃. Смесь выдерживают в растворе в течение 20 минут, укладывают гранулы в металлическую форму, сушат в сушильном шкафу при 60°С в течение 40 минут и вспучивают в печи при 350-380°С в течение 1 часа с получением материала с заданными геометрическими размерами. Исходные компоненты при этом берут при следующем соотношении, мас. %: жидкое стекло 70-90, наполнитель 5-25, насыщенный раствор CaCl₂ и AlCl₃ 3-5. Полученный пеносиликатный материал имеет прочность при сжатии 2,01-2,35 МПа, водопоглощение 19,9-23,2 об. %, среднюю плотность 390-460 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,07-0,09 Вт/(м⋅К), пористость 75,6-82,4%.

К недостаткам данного способа следует отнести необходимость гранулирования смеси компонентов и использования отвердителя в виде насыщенного раствора хлорида кальция и хлорида алюминия, а также пониженную прочность и повышенное водопоглощение получаемого пеносиликатного материала.

Известен также принятый в качестве прототипа способ получения пеносиликатного материала (см. пат. 2478587 РФ, МПК С03С 11/00, С03В 19/08 (2006.01), включающий дозирование и перемешивание компонентов шихты в виде тонкодисперсного конденсированного микрокремнезема, гидроксида натрия и горячей воды с температурой 80-90°С в течение 10-15 минут до образования жидкого стекла, которое перемешивают со вспученным перлитом с плотностью 75-100 кг/м³ в течение 10 минут. Затем шихту вспенивают в замкнутом объеме металлической формы при температуре до 780°С в течение 0,5-1 часа и производят отжиг изделий при температуре от 780°С до 360°С в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе. Исходные компоненты берут при следующем соотношении, мас. %: перлит вспученный - 20, микрокремнезем конденсированный - 28, гидроксид натрия - 12, вода - 40. Полученный пеносиликатный материал имеет прочность при сжатии 1,28-1,75 МПа, среднюю плотность 200-300 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,058-0,078 Вт/(м⋅К).

Известный способ характеризуется повышенной температурой вспенивания, недостаточно высокой прочностью полученного пеносиликатного материала, а также ограниченным использованием техногенных отходов в составе шихты.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении температуры вспенивания шихты и повышении прочности получаемого пеносиликатного материала. Кроме того, технический результат заключается в расширении сырьевой базы за счет использования большего числа техногенных отходов.

Технический результат достигается тем, что в способе получения пеносиликатного материала, включающем дозирование компонентов шихты, перемешивание в присутствии воды, загрузку шихты в форму, вспенивание шихты в замкнутом объеме формы при нагревании в печи, отжиг изделия и его охлаждение до температуры окружающей среды, при этом в качестве компонентов шихты используют конденсированный микрокремнезем, гидроксид натрия и наполнитель, согласно изобретению, в качестве наполнителя берут отходы обогащения апатито-нефелиновых руд и диопсид или отходы обогащения вермикулитовых руд, компоненты шихты дозируют при их соотношении, мас. %: микрокремнезем 58-68, гидроксид натрия в пересчете на Na₂O 14-16, отходы обогащения апатито-нефелиновых руд 10-12, диопсид или отходы обогащения вермикулитовых руд 5-16, после загрузки шихты в форму ее выдерживают на воздухе 20-24 часа и подвергают сушке в печи при температуре 100-120°С в течение 30-40 минут, вспенивание шихты ведут при температуре 300-350°С в течение 25-35 минут, затем температуру повышают до 650-670°С, выдерживают 15-20 минут, после чего в течение 5-7 минут понижают до 500-570°С и осуществляют отжиг изделия при этой температуре в течение 10-15 минут.

Достижению технического результата способствует также то, что охлаждение изделия до температуры окружающей среды осуществляют в печи.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Использование в качестве наполнителя отходов обогащения апатито-нефелиновых руд и диопсида или хвостов обогащения вермикулитовых руд позволяет повысить прочностные характеристики получаемого пеносиликата, а также снизить его водопоглощение при обеспечении приемлемых значений плотности и теплопроводности.

Дозирование компонентов шихты при их соотношении, мас. %: микрокремнезем 58-68, гидроксид натрия в пересчете на Na₂O 14-16, отходы обогащения апатито-нефелиновых руд 10-12, диопсид или отходы обогащения вермикулитовых руд 5-16 обеспечивает получение пеносиликатного материала с заданными техническими характеристиками.

В результате растворения микрокремнезема, обладающего большим избытком свободной поверхностной энергии, в растворе гидроксида натрия образуются гидросиликаты натрия, которые после сушки в печи частично дегидратируются, и при нагреве до температуры 300°С начинают вспениваться.

Выдерживание шихты в течение 20-24 часов на воздухе после ее загрузки в форму способствует постепенному протеканию процессов силикатообразования, неполному взаимодействию микрокремнезема с щелочью, при котором создаются равномерно распределенные центры кристаллизации, что в свою очередь приводит к формированию мелкопористой равномерной структуры пеносиликата.

Сушка шихты в печи при температуре 100-120°С в течение 30-40 минут активизирует завершение процесса силикатообразования, а также способствует удалению из силикатной массы остаточной свободной воды, которая приводит к образованию более крупных пор и препятствует формированию равномерной мелкопористой структуры. Сушка шихты при температуре ниже 100°С в течение менее 30 минут ограничивает удаление свободной воды, а при температуре выше 120°С в течение более 40 минут будет происходить ускоренное удаление свободной воды, что нарушает регулирование процесса порообразования.

Вспенивание шихты при температуре 300-350°С в течение 25-35 минут способствует интенсивному поробразованию в силикатной массе. Вспенивание шихты при температуре ниже 300°С в течение менее 25 минут ведет к получению пеносиликата с повышенной плотностью, а при температуре выше 350°С в течение более 35 минут будет иметь место формирование открытой пористости, что приводит к повышению водопоглощения пеносиликата.

Повышение температуры до 650-670°С и выдержка в течение 15-20 минут обеспечивает окончательное формирование его равномерной мелкопористой структуры. Термообработка при температуре ниже 650°С и выше 670°С с выдержкой менее 15 минут и более 20 минут препятствует получению пеносиликатного материала с пониженным водопоглощением.

Понижение температуры до 500-570°С в течение 5-7 минут обеспечивает стабилизацию пены и фиксирование структуры готового пеносиликатного материала.

Отжиг изделия при температуре 500-570°С в течение 10-15 минут необходим для снятия напряжений в готовом материале, которые приводят к разрушению изделий. Отжиг при температуре ниже 500°С и выше 570°С в течение менее 10 минут и более 15 минут препятствует получению пеносиликатного материала с повышенной прочностью.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося снижении температуры вспенивания шихты и повышении прочности получаемого пеносиликатного материала при расширении сырьевой базы за счет использования большего числа техногенных отходов.

В частном случае осуществления изобретения предпочтительно осуществлять медленное охлаждение изделия в печи до температуры окружающей среды. Это позволяет снизить остаточные напряжения в получаемом пеносиликатном материале.

Вышеуказанный частный признак изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения получения качественного пеносиликатного материала.

Сущность и преимущества заявленного способа получения пеносиликатного материала могут быть более наглядно проиллюстрированы следующими Примерами 1-4 конкретного выполнения. В Примерах в качестве сырьевых компонентов шихты используют микрокремнезем, отходы обогащения апатито-нефелиновых руд и предварительно измельченные диопсид или отходы обогащения вермикулитовых руд.

Микрокремнезем является отходом кислотной переработки эвдиалитовых руд и имеет химический состав, мас. %: SiO₂ 69,90-74,70, TiO₂ 0,78-0,84, Fe₂O₃ 2,03-3,07, Al₂O₃ 0,5-0,91, CaO 0,80-0,91, MgO 0,08-0,45, Na₂O 0,32-2,53, P₂O₅ 0,04-0,046, К₂O 0,23-0,46, ZrO₂ 4,28-4,49, потери при прокаливании - остальное. Микрокремнезем представляет собой тонкодисперсный порошок светло-серого цвета. Предпочтительно использовать микрокремнезем с удельной поверхностью 279-307 м²/г и насыпной плотностью 428-523 кг/м³.

Отходы обогащения апатито-нефелиновых руд содержат нефелин, эгирин, полевой шпат и апатит и имеют удельную поверхность 0,44 м²/г и насыпную плотность 1500 кг/м³. Химический состав отходов, мас. %: SiO₂ 35,98, TiO₂ 4,43, Fe₂O₃ 12,22, Al₂O₃ 16,60, CaO 9,13, P₂O₅ 4,11, MgO 1,25, Na₂O 10,77, К₂O 4,59, потери при прокаливании - остальное.

Диопсид имеет химический состав, масс %: SiO₂ 45,87, TiO₂ 0,58, Fe₂O₃ 3,12, Al₂O₃ 1,15, CaO 23,66, MgO 16,00, Na₂O 4,15, К₂O 0,12, потери при прокаливании - остальное. Предпочтительно использовать диопсид с удельной поверхностью 2,46 м²/г и насыпной плотностью 940 кг/м³.

Отходы обогащения вермикулитовых руд характеризуются мелилитслюдяно-оливино-диопсид-карбонатным минеральным составом и имеют химический состав, мас. %: SiO₂ 27,48, TiO₂ 0,32, Fe₂O₃ 3,12, Al₂O₃ 0,93, CaO 11,25, P₂O₅ 3,21, MgO 28,29, Na₂O 0,27, К₂O 0,2, потери при прокаливании -остальное. Предпочтительно использовать отходы с удельной поверхностью 2,43 м²/г и насыпной плотностью 1090 кг/м³.

Пример 1. Готовят шихту путем дозирования компонентов при их следующем соотношении, мас. %: микрокремнезем - 68, гидроксид натрия в пересчете на Na₂O - 16, наполнитель в виде отходов обогащения апатито-нефелиновых руд - 11 и диопсида - 5. Гидроксид натрия берут в виде 45% водного раствора. Компоненты шихты перемешивают в течение 10 минут, загружают в форму и выдерживают 20 часов на воздухе, после чего подвергают сушке в печи при температуре 120°С в течение 30 минут. Затем осуществляют вспенивание шихты в замкнутом объеме формы при температуре 300°С в течение 35 минут. Далее температуру повышают до 650°С и выдерживают 20 минут. После этого в течение 5 минут температуру понижают до 500°С и осуществляют отжиг изделия при этой температуре в течение 10 минут. Затем печь отключают, и изделие медленно охлаждают в печи до температуры окружающей среды. Полученный пеносиликатный материал имеет прочность при сжатии 4,2 МПа, водопоглощение 13 об. %, среднюю плотность 410 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,096 Вт/(м⋅К).

Пример 2. Готовят шихту путем дозирования компонентов при их следующем соотношении, мас. %: микрокремнезем - 58, гидроксид натрия в пересчете на Na₂O - 14, наполнитель в виде отходов обогащения апатито-нефелиновых руд - 12 и диопсида - 16. Гидроксид натрия берут в виде 45% водного раствора. Компоненты шихты перемешивают в течение 15 минут, загружают в форму и выдерживают 24 часа на воздухе, после чего подвергают сушке в печи при температуре 100°С в течение 40 минут. Затем осуществляют вспенивание шихты в замкнутом объеме формы при температуре 300°С в течение 30 минут. Далее температуру повышают до 650°С и выдерживают 15 минут. После этого в течение 7 минут температуру понижают до 520°С и осуществляют отжиг изделия при этой температуре в течение 10 минут. Затем печь отключают, и изделие медленно охлаждают в печи до температуры окружающей среды. Полученный пеносиликатный материал имеет прочность при сжатии 5,8 МПа, водопоглощение 8 об. %, среднюю плотность 550 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,109 Вт/(м⋅К).

Пример 3. Готовят шихту путем дозирования компонентов при их следующем соотношении, мас. %: микрокремнезем - 58, гидроксид натрия в пересчете на Na₂O - 14, наполнитель в виде отходов обогащения апатито-нефелиновых руд - 12 и отходов обогащения вермикулитовых руд - 16. Гидроксид натрия берут в виде 45% водного раствора. Компоненты шихты перемешивают в течение 12 минут, загружают в форму и выдерживают 22 часа на воздухе, после чего подвергают сушке в печи при температуре 120°С в течение 30 минут. Затем осуществляют вспенивание шихты в замкнутом объеме формы при температуре 350°С в течение 25 минут. Далее температуру повышают до 670°С и выдерживают 15 минут. После этого в течение 5 минут температуру понижают до 570°С и осуществляют отжиг изделия при этой температуре в течение 12 минут. Затем печь отключают, и изделие медленно охлаждают в печи до температуры окружающей среды. Полученный пеносиликатный материал имеет прочность при сжатии 5 МПа, водопоглощение 9 об. %, среднюю плотность 510 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,106 Вт/(м⋅К).

Пример 4. Готовят шихту путем дозирования компонентов при их следующем соотношении, мас. %: микрокремнезем - 62, гидроксид натрия в пересчете Na₂O - 15, наполнитель в виде отходов обогащения апатито-нефелиновых руд - 10 и отходов обогащения вермикулитовых руд - 13. Гидроксид натрия берут в виде 45% водного раствора. Компоненты шихты перемешивают в течение 14 минут, загружают в форму и выдерживают 23 часа на воздухе, после чего подвергают сушке в печи при температуре 110°С в течение 35 минут. Затем осуществляют вспенивание шихты в замкнутом объеме формы при температуре 330°С в течение 25 минут. Далее температуру повышают до 660°С и выдерживают 17 минут. После этого в течение 6 минут температуру понижают до 550°С и осуществляют отжиг изделия при этой температуре в течение 15 минут. Затем печь отключают, и изделие медленно охлаждают в печи до температуры окружающей среды. Полученный пеносиликатный материал имеет прочность при сжатии 4,7 МПа, водопоглощение 10 об. %, среднюю плотность 500 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,104 Вт/(м⋅К).

Из вышеприведенных Примеров видно, что предлагаемый способ позволяет понизить температуру вспенивания шихты до 300-350°С и получить пеносиликатный материал с повышенной (до 5,8 МПа) прочностью при сжатии, т.е. в 1,5-2 раза более высокой, чем у прототипа, и пониженным (8-13 об. %) водопоглощением при обеспечении приемлемых значений плотности и теплопроводности. Заявляемый способ обеспечивает расширение сырьевой базы за счет использования большего числа техногенных отходов, технологичен и может быть реализован в промышленных условиях.