Результат интеллектуальной деятельности: ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОГРАНУЛЯТА ДЛЯ ПЕНОСТЕКЛА

Традиционная технология производства пеностекла включает в себя помол стеклобоя с газообразователем, формование изделий и их вспенивание при температуре 720-900°C. Поскольку в качестве основного сырья в производстве пеностекла используется стеклобой, чаще поставляемый из разных источников и имеющий соответственно разный химический состав, пеностекло, изготовленное из разнородного стеклобоя, также имеет нестабильные физико-химические характеристики. Поэтому для повышения качества производимого пеностекла целесообразно в качестве исходного сырья использовать стекло, сваренное в ванных стекловаренных печах из специально приготовленной шихты.

Известен состав шихты, включающий кварцевый песок, известняк (возможна замена на доломит или мел), соду и сульфат натрия [1]. Использование этой шихты, близкой по составу к шихте для производства оконного стекла и бесцветной стеклотары (исключение составляет отсутствие глиноземосодержащего сырья), предполагает традиционную технологию двухстадийного производства пеностекла с предварительной варкой стекла в стекловаренной печи.

Предварительная варка стекла позволяет получить при последующих технологических операциях пеностекло с определенными и стабильными физико-химическими свойствами, чего невозможно достигнуть при использовании собираемого стекольного боя, имеющего разнородный химический состав.

Недостатком этого состава шихты является отсутствие сырья, содержащего один из основных окислов Al₂O₃, применяемых при варке стекла, а также относительно большой расход чистого кварцевого песка и высокие энергетические затраты при варке стекла в стекловаренной печи. Также шихта этого состава при традиционной влажности 4,5-5,0% плохо компактируется из-за однородности гранулометрического состава кремнеземосодержащего сырья, а при влажности 7-10% (такое содержание влаги повышает компактируемость смеси) сильно налипает на транспортирующие ленты конвейеров и элеваторов, стенки смесителя, бункеров и другое технологическое оборудование. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является шихта для изготовления стеклогранулята для пеностекла, содержащая кремнеземосодержащую породу, кальцинированную соду и доломит[2] Причем в качестве кремнеземосодержащей породы в данной шихте используется кремнеземосодержащее сырье с содержанием оксида кремния не менее 83 мас.% и размером фракции менее 0,1 мм при следующем соотношении компонентов, масс.%: кремнеземосодержащая порода (кварцевый песок, маршалит, диатонит, опока) - 60…68, кальцинированная сода - 19…23, доломит - 13…16.

Недостатком данного состава является необходимость предварительного просеивания кремнеземосодержащего сырья через сито с размером ячеек 0,1 мм, что в промышленных объемах производства выполнить сложно из-за быстрого засорения мелкоячеистой сетки. При этом все просеиваемое сырье должно быть высушено до влажности 0,5%, что, например, для диатомита с его нанопористой структурой выполнить практически невозможно. Также при просеивании кремнеземосодержащего сырья может возникать большое количество отходов более крупных фракций материала. Кроме того, термическая обработка смеси при температуре 850-900°C с выдержкой при максимальной температуре в течении 30 мин, хотя и позволяет частично получить стеклообразный спек, не гарантирует полного расплавления кремнезема даже в лабораторных условиях.

Наличие остаточного кремнезема в полученном спеке резко снижает качество изготавливаемого из него пеностекла и, очевидно, требует дополнительных энергетических затрат на получение гомогенной стекловидной фазы, которую в производстве можно эффективно получить лишь в стекловаренной печи при более высоких температурах.

Другим очевидным недостатком данной шихты является ее мелкодисперсный состав и, особенно, кремнеземосодержащего сырья, которое при традиционной технологии увлажнения быстро комкуется, придавая неоднородность смеси, приготавливаемой в промышленных смесителях. Также полная замена кварцевого песка с гранулометрией 0,1-0,63 мм на мелкодисперсный диатомит и другие материалы с насыпным весом 0,35-0,6 т/м³ приводит к снижению итогового насыпного веса шихты, что затрудняет ее транспортирование и загрузку в стекловаренную печь.

Предлагаемое же компактирование шихты на валковом прессе не дает плотной упаковки материалов смеси из-за мелкодисперсного состава кремнеземосодержащего сырья, составляющего основу данной шихты.

Отсутствие сульфата в этом составе шихты снижает эффективность последующего процесса ценообразования при взаимодействии углеродосодержащего вспенивателя с измельченным стеклогранулятом.

Решаемая задача - расширение сырьевой базы кремнеземосодержащего сырья и снижение энергетических затрат на технологический процесс изготовления стеклогранулята для производства пеностекла.

Этот технический результат достигается тем, что в шихте для изготовления стеклогранулята для пеностекла, включающей 60-63% кремнеземосодержащего сырья, 19-23% кальцинированной соды, 13-16% доломита, дополнительно содержится 0,45-1,0% сульфата натрия, а в качестве кремнеземосодержащего сырья используют 30-35% кварцевого песка влажностью 0,5% и размером фракции 0,1-0,63 мм и 28-33% диатомита влажностью 15-30% и размером фракции менее 0,1 мм.

Преимуществом предлагаемого состава шихты является частичная замена кварцевого песка с влажностью 0,5% и размером фракции 0,1-0,63 мм на диатомит влажностью 15-30% и размером фракции менее 0,1 мм. Частичная замена кварцевого песка на диатомит, имеющий нанопористую структуру, насыщенную влагой, позволяет существенно увеличить процессы теплопередачи тепла внутрь частиц диатомита и снизить температуру варки стекла. При этом снижение температуры варки является как результатом развитой внутренней поверхности пористых частиц диатомита, так и результатом активной гидрации кремнезема, происходящей на большой поверхности внутренних пор диатомей (скелетов древних водорослей), состоящих из аморфного кремнезема и составляющих основу диатомита.

Наличие 15-30% внутренней влаги в частицах диатомита при варке стекла приводит к тому, что уже при температуре 50°C во время гидратации кремнезема образуются золи и гели кремниевых кислот. При температуре 200°C начинается частичное силикатообразование, а при температуре 750°C - образование эвтетик, появление жидкой фазы сплавленных эвтетик и образование сложных силикатов. Стеклообразование завершается при температуре 1250-1350°C, что на 100-150°C ниже температуры аналогичных процессов, происходящих в шихте, приготавливаемой на основе кварцевого песка.

Другим преимуществом данного состава шихты по сравнению с аналогом и прототипом, в которых кремнеземосодержащее сырье имеет преимущественно однородную гранулометрическую структуру (размер частиц либо меньше 0,1 мм, либо находящийся в интервале 0,1-0,63 мм), является то, что 30-35% кремнеземосодержащего сырья имеет размер частиц 0,1-0,63 мм", а 28-33% кремнеземосодержащего материала состоит из частиц с размером менее 0,1 мм.

Шихта только на основе кварцевого песка имеет насыпную плотность 1,3-1,4 т/м³, позволяющую эффективно загружать ее в стекловаренную печь с помощью наиболее широко применяемых конструкций загрузчиков шихты. Но эта шихта при требуемой влажности 4,5-4,7% практически не компактируется.

Шихта на основе только диатомита компактируется несколько лучше, но имеет низкую насыпную плотность 0,5-0,6 т/м³, что затрудняет процесс загрузки ее в стекловаренную печь, приводит к активному уносу шихты, требует увеличения объемов бункеров запаса шихты и приводит к частым зависаниям и образованиям сводов.

Сочетание же в составе шихты кремнеземосодержащего сырья на основе кварцевого песка и диатомита позволяет не только получить насыпную плотность шихты равную примерно 0,7-0,8 т/м³, но и - достигнуть более плотной упаковки разнородных по размеру частиц песка, диатомита и других компонентов при компактировании шихты на валковом прессе. Это в свою очередь повышает прочность частиц скомпактированной шихты, увеличивает ее насыпную плотность примерно до 1,0-1,1 т/м³ и улучшает ее процессы хранения и транспортирования. Также при разнородных по размеру частицах кремнеземосодержащего сырья снижается требуемое давление прессования, что дополнительно снижает энергетические затраты.

Существенным преимуществом предлагаемого состава шихты является и то, что используемый диатомит имеет влажность 15-30%. Использование диатомита с такой влажностью обусловлено тем, что при 15-30% влажности вся влага практически находится внутри пор диатомей и материал сохраняет хорошую и стабильную сыпучесть при стабильном угле естественного откоса равном примерно 40° [3]. При такой влажности диатомита не образуются комки, он хорошо дозируется и лучше хранится. Кроме того данное процентное содержание влаги в диатомите позволяет обеспечивать конечную влажность шихты 4,5-4,7% при обычной (без гранулирования и компактирования) технологии ее приготовления и - влажность шихты 7-10% при компактировании. Причем концентрация всей влаги происходит внутри пор частиц диатомита, что улучшает процесс смешивания компонентов шихты и исключает комкование, так как операция увлажнения шихты непосредственно водой не производится, а поверхностная влага практически отсутствует даже при достижении конечной влажности шихты 7-10%. Этот положительный эффект позволяет осуществлять длительное хранение шихты (несколько суток) без изменения ее фактической влажности, сыпучести и без комкования.

Дополнительным преимуществом данного состава шихты по сравнению с прототипом является многокомпонентный химический состав диатомита, в котором наравне с SiO₂ присутствует Al₂O₃ и другие стеклообразующие окислы, которые в чистом кварцевом песке отсутствуют.

Кроме того, наличие сульфата натрия в шихте позволяет получать газонасыщенное стекло, которое при последующем изготовлении пеностекла легче вспенивается.

Шихту готовят смешением материалов в указанных соотношениях и при необходимости компактируют на валковом прессе. В первую очередь в смеситель загружают кварцевый песок и диатомит, которые в течение 30-40 с предварительно перемешивают. Тем самым с помощью диатомита влажностью 15-30% производится условное увлажнение песка, так как вся вода сконцентрирована во внутренних порах диатомей. Далее загружают остальные материалы и в течение 2-3 минут производят окончательное перемешивание смеси.

При компактировании полученную смесь подают в валковый пресс, в котором под давлением валков часть влаги, сосредоточенной внутри пор частиц диатомита, а также золи и гели, образовавшиеся в результате гидратации кремнезема, выдавливаются на поверхность диатомей и прочно связывают между собой частицы компактированной шихты, активизируя одновременно их химическую активность. В дальнейшем приготовленная шихта загружается в ванную стекловаренную печь, в которой варится стекло. На выработке стекло сливается в гранулятор, в котором формируются гранулы. Далее стеклянные гранулы сушатся и складируются перед транспортированием непосредственно в производство пеностекла.

Сущность изобретения поясняется примерами, в которых приведены результаты измерений свойств шихты, полученной при разном процентном содержании кварцевого песка и диатомита и разной влажности диатомита.

Пример 1.

В таблице 1 приведен состав №1 шихты.

Расход материалов дан из расчета на 100 кг стекломассы с учетом угара шихты.

Полученная шихта имеет итоговую влажность 4,56% и насыпной вес 0,72 т/м³. Влажность соответствует требованиям к содо-сульфатной шихте для производства листового стекла и бесцветной стеклотары. Шихта имеет относительно невысокую насыпную плотность, которая при компактировании повышается до 0,8-0,9 т/м³. Шихта слегка склонна к пылению и должна загружаться в стекловаренную печь с герметичными загрузочными карманами с помощью шнековых или эжекторных (плунжерно-поворотных) загрузчиков шихты.

При варке стекла из этой шихты температура варки снижается на 120°C по отношению к варке стекла из шихты, приготовленной на основе кварцевого песка.

Пример 2.

В таблице 2 приведен состав №2 шихты, в которой увеличено процентное содержание диатомита при той же исходной влажности диатомита.

Увеличение итоговой влажности шихты за счет увеличения процентного содержания диатомита дополнительно снижает температуру варки стекла еще на 10-20°C, но итоговая насыпная плотность шихты, равная 0,66 т/м³, приводит к существенному пылению при компактировании шихты.

Пример 3.

При почти равных пропорциях песка и диатомита и увеличении влажности диатомита до 25% насыпная платность практически не меняется по сравнению с примером №2, а влажность шихты увеличивается до 8% (таблица 3).

Повышение влажности шихты до 8% улучшает компактируемость шихты, но дополнительные затраты на выпаривание воды из шихты в процессе стекловарения не позволяют дополнительно снизить температуру варки стекла.

Дополнительно прочность компактируемой шихты можно увеличить за счет повышения влажности диатомита до 30%.

Пример 4.

В таблице 4 приведен состав шихты №4, имеющий оптимальную влажность и насыпную плотность для компактирования.

Дальнейшее повышение влажности диатомита, хотя и приведет к повышению насыпной плотности шихты, но резко снизит качество приготавливаемой смеси за счет активного комкования шихты и резкого снижения сыпучести диатомита.

Таким образом, изменяя соотношение кварцевого песка и диатомита, а также влажности диатомита можно получать как обычную сыпучую шихту с влажностью 4,5-5% и насыпной плотностью 0,7-0,72, так и компактированную шихту с влажностью 8-9% и насыпной плотностью после компактирования 1-1,2 т/м³.

Последующая варка стекла из подобной шихты существенно снижает энергетические затраты. А замена части кварцевого песка более дешевым сырьем - диатомитом не только снижает себестоимость шихты, но и ускоряет процессы стекло и силикатообразования при более низких температурах.

Источники информации

1. Ф. Шилл. Пеностекло. - М.: Стройиздат, 1965 г., с.9-35

2. Патент РФ №2361829, Кл. C03C 11/00, опубл. 27.11.2008 г.

3. А.В. Беляков, И.А. Карнаущенко, Е.П. Волкова и др. Подготовка шихты для повышения температуры службы теплоизоляции на основе диатомита. - Техника и технология силикатов. №4 2010 г., с.2-5.