СОСТАВ ШИХТЫ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к производству теплоизоляционных материалов с жесткой структурой, обладающих низкими значениями плотности и теплопроводности.

Из известных в настоящее время теплоизоляционных материалов, обладающих жесткой структурой и высокими строительно-техническими свойствами, является пеностекло.

Известен состав шихты и способ получения пеностекла, включающие варку стекла и его измельчение в шаровой мельнице, смешение с газообразователем и термообработку в печи вспенивания (АС №393227, С03С, 11/00, БИ №33, 1973 г.).

Недостатком этого состава и способа является необходимость варки стекла при температуре 1450°С, тонкого помола шихты и ее вспенивания при температуре выше 800°С. В ряде известных составов шихт предлагается исключить варку стекла, как весьма энергоемкую технологическую стадию, и использовать в составе шихт стеклобой.

Известен способ и состав шихты для получения пеностекла, содержащий (мас. %) нефелиновый сиенит 5-15, стеклобой тарного стекла 45-55, гидроксид натрия 7-9, перлит - остальное (Пат. РФ №2164698, С03С 11/00, опубл. 10.02.2001 г.). Этот состав позволяет исключить из способа энергоемкую стадию стекловарения и получить пеностекло из шихты при ее нагреве до 750-800°С.

Основным недостатком этого состава и способа является необходимость проведения дополнительной энергозатратной механохимической активации шихты, что позволяет получать пеностекло с плотностью 240-841 кг/м³. Если не проводится активация шихты, то из нее можно получать пеностекло с плотностью 411-1023 кг/м³, которое будет относиться к группе конструкционно-теплоизоляционных материалов.

Известен состав и способ получения пеностекла (АС №1073199, С03С, БИ №6, 1984 г.), в котором шихта не содержит ни специально сваренного стекла, ни стеклобоя, а поставленная задача изобретения решается за счет использования шихты, содержащей (мас. %) осадочной кремнеземистой породы 15-70, гидроксида натрия 6-15, газообразователя 0,02-1,5, перлитовой породы - остальное.

Основным недостатком этого способа является необходимость тонкого помола трудноразмалываемой перлитовой породы (вулканического стекла) в среде мягкой кремнеземистой породы (диатомит, трепел, опока), что снижает эффективность помола перлитовой породы, увеличивает его длительность и расход энергии на измельчение шихты. Недостатком состава шихты является также высокая температура ее вспенивания (800-850°С) и высокая плотность получаемого пеностекла (до 400 кг/м³).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав шихты и способ получения теплоизоляционного материала (аналога пеностекла) (RU №2478586, С03C 11/00, С03В 19/08, опубл. 20.04.2013 г., Бюл. №10), в котором используется шихта при следующем содержании компонентов (мас. %): перлит вспученный - 20, аморфная кремнеземистая порода - 28, гидроксид натрия - 12, вода - 40.

Основным недостатком состава этой шихты является низкое содержание аморфной кремнеземистой породы, а также значительного количества воды, на удаление которой необходимо затрачивать большое количество тепла.

Основным недостатком указанного способа является использование водного раствора гидроксида натрия с низкой (23,5% мас.) концентрацией, который образуется при соединении аморфной кремнеземистой породы, воды и гидроксида натрия. В растворе с такой концентрацией гидроксида натрия не происходит полное растворение кремнеземистой породы в щелочи и часть кремнезема не входит в состав образующегося при этом взаимодействии гидросиликата натрия. Нами установлено (RU №2132817, С01В 33/32, опубл. 10.07.1999 г.), что наиболее полное растворение кремнезема происходит в водном растворе гидроксида натрия с концентрацией от 34-36% (мас).

Задачей предлагаемого изобретения является исключение указанных недостатков. Техническим результатом патентуемого решения является упрощение процесса производства теплоизоляционного материла, сокращение времени получения теплоизоляционного материала, улучшение теплофизических и поризационных свойств, а также возможность получения изделий различной требуемой формы (в виде блоков, плит, сегментов, колец и пр.), что достигается использованием шихты в виде гранул, обладающих высокой поризационной способностью, в то время как использование традиционной порошковой шихты позволяет реализовать процесс вспенивания только в виде блоков с нечеткой формой и размерами.

Поставленная задача достигается тем, что при получении теплоизоляционного материала используется гранулированная шихта, содержащая аморфную кремнеземистую породу, сухой гидроксид натрия, алюмосиликатный компонент и воду при следующем содержании компонентов (мас. %):

В частности, шихта может быть выбрана следующего состава, мас. %:

В качестве аморфной кремнеземистой породы используются диатомит, опока и трепел в тонкодисперсном состоянии. Повышенное, по сравнению с аналогом, содержание аморфной кремнеземистой породы позволяет синтезировать, в результате протекания гидротермальных реакций, большее количество гидросиликатов натрия. Повышенное содержание гидросиликатов натрия в свою очередь ведет к увеличению поризационной способности композиции и снижению объемной плотности изделий. Внесение дополнительных количеств оксидов алюминия и железа, содержащихся в аморфных кремнеземистых породах, приводит к увеличению водостойкости получаемых пеностекол.

В качестве алюмосиликатного компонента используются каолинитовые и монтмориллонитовые глины, отходы переработки гранита или гранитоидные породы, перлитовая порода, нефелиновые сиениты, золы и шлаки ТЭС в тонкодисперсном (0-100 мкм) состоянии.

Гидроксид натрия может быть использован в виде гранул и чешуек с размером 0,5-5 мм.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения теплоизоляционного материала используется шихта в гранулированном виде, получаемая при осуществлении технологических операций ее приготовления в следующей последовательности: синтез первичного гидросиликата натрия при смешении 54,5 (мас. %) аморфной кремнеземистой породы, сухого гидроксида натрия и горячей воды в течение 5-10 мин, перемешивание полученного гидросиликата натрия с остальной частью (45,5%) аморфной кремнеземистой породы, гранулирование полученной пластичной массы в шнековом грануляторе, опудривание сформованных гранул алюмосиликатным компонентом в тарельчатом грануляторе и, при необходимости, подсушка гранул. Гранулированная шихта загружается в расчетном количестве в металлические формы с замкнутым объемом, в которых происходит вспенивание шихты при нагреве до температуры 750-780°С. Время вспенивания зависит от габаритных размеров получаемых изделий и составляет 20-40 мин.

Благодаря гранулированной форме шихта заполняет практически весь объем формы, что позволяет ее изначально равномерно распределить в форме любой геометрии, тогда как порошковая шихта занимает меньший объем. При поризации, гранулы увеличиваются в размере и соединяются в единый массив, образуя цельное изделие, в то время, как порошковая шихта занимает нижние отсеки формы, там вспучивается, но не соединяется в цельное изделие.

Гранулы шихты могут быть шарообразной формы с размером 2-10 мм или цилиндрические диаметром 2-8 мм при длине 5-15 мм.

Таким образом, патентуемый состав шихты и последовательность операций ее приготовления обеспечивают синтез гидросиликатов натрия за время перемешивания кремнеземистой породы, сухого гидроксида натрия и воды в течение 5-7 мин, а полученная шихта позволяет реализовать способ получения теплоизоляционного материала при температуре вспенивания в интервале 750-780°С.

Пример конкретного исполнения

1. В качестве исходных сырьевых материалов при приготовлении шихты использовался трепел Зикеевского месторождения (Калужская область) с содержанием SiO₂ - 84,5% и размером частиц менее 0,1 мм, гидроксид натрия гранулированный и тонкодисперсный (менее 0,1 мм) алюмосиликатный компонент - каолиновая и бентонитовая глины, зола Томской ГРЭС-2, тонкомолотая гранитоидная порода, тонкомолотая перлитовая руда. Необходимо отметить, что вид используемого алюмосиликатного компонента не оказывает существенного влияния на процесс поризации изделий, все виды этого компонента предотвращают слипание гранул при гранулировании шихты и способствуют формированию сотоподобной структуры изделий при поризации.

2. Приготовление шихты начинали с синтеза первичного гидросиликата натрия с модулем m=2,17 путем смешения сухого гидроксида натрия и 54,5% от общего количества аморфной кремнеземистой породы и горячей воды с температурой 80-85°С. В этом случае концентрация водного раствора гидроксида натрия составляла 37,5% (мас.), в котором интенсивно растворялась кремнеземистая порода, а их смесь разогревалась до температуры выше 100°С (кипение). После перемешивания горячей смеси в течение 10 мин получали гидросиликат натрия с плотностью 1400 кг/м³.

3. В полученный гидросиликат натрия вводилось остальное количество 45,5% (мас.) кремнеземистой породы, смесь тщательно перемешивалась до получения пластичной, твердообразной массы, которая подавалась в шнековый гранулятор, снабженный формующей парой «нож-решетка», позволяющей тщательно гомогенизировать смесь, из которой формовали гранулы диаметром 5-8 мм и длиной 10-20 мм.

4. На выходе из гранулятора гранулы опудривались тонкодисперсным алюмосиликатным компонентом, далее гранулы вместе с опудривающей добавкой поступали в тарельчатый гранулятор для поверхностного окатывания, после чего гранулы подсушивались до остаточной влажности 14-18%.

5. Гранулированную шихту загружали в металлическую форму с внутренним объемом 0,5 дм³ (10×10×5) см, форму закрывали крышкой с фиксаторами и помещали в муфельную печь, предварительно нагретую до температуры 780°С и выдерживали при этой температуре в течение 20 мин, после чего форму с изделием охлаждали вместе с печью в течение 5 ч. После разборки формы из нее извлекали изделие, у которого определяли плотность, прочность, коэффициент теплопроводности и водопоглощение. Все экспериментальные образцы имели четкую геометрическую форму и заданные размеры. Свойства полученных образцов следующие: плотность - 180-300 кг/м³, прочность при сжатии - 1,5-3 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,062-0,085 Вт/м⋅град, водопоглощение - 5-8% (об.).

Основными преимуществами предлагаемых состава и способа получения теплоизоляционных материалов является следующее:

- при производстве этих материалов в качестве исходного сырья используются природные аморфные кремнеземистые породы;

- полностью исключается из технологического процесса использование специально сваренного стекла или стеклобоя;

- в составе шихты не используются карбонатные, углеродистые или иные газообразователи, а процесс вспенивания шихты происходит за счет выделения химически связанной воды при нагреве гидросиликата натрия до температуры 350°С и выше вплоть до температуры вспенивания;

- выделение воды при нагреве приводит к образованию в объеме шихты гидротермальных условий, ускоряющих процессы взаимодействия второй добавленной части кремнеземистой породы с гидроксидом натрия и образования вторичного гидросиликата натрия;

- использование в составе шихты сухого, кристаллического гидроксида натрия позволяет эффективно использовать теплоту его растворения в воде (42,4 кДж/моль), что резко интенсифицирует реакцию образования первичного гидросиликата натрия и смесь разогревается до температуры более 100°С;

- при синтезе первичного гидросиликата натрия растворение 54,5% аморфной кремнеземистой породы происходит в водном растворе гидроксида натрия с концентрацией 37,5% (мас.);

- образующийся первичный гидросиликат натрия имеет силикатный модуль m=SiO₂/Na₂O=2,1-2,2 и способен, особенно в гидротермальных условиях, усваивать дополнительно 45,5% кремнеземистой породы с образованием вторичного гидросиликата натрия с модулем m=2,8-3,2;

- опудривание гранул в алюмосиликатном компоненте предотвращает слипание гранул и повышает содержание оксидов алюминия и железа в составе стекла, образующегося при вспенивании шихты, увеличивает вязкость стекла и его водостойкость;

- поверхностное опудривание гранул алюмосиликатным компонентом способствует формированию при вспенивании шихты сотоподобной структуры изделий;

- использование гранулированной шихты с остаточной относительной влажностью 15-18% повышает ее теплофизические и поризационные свойства, что позволяет получать изделия в виде блоков, плит, сегментов, колец.

При воздействии высокой температуры на шихту, в ней начинают протекать различные физико-химические процессы. В первую очередь, в результате нагрева шихты до 150-300°С происходит дегидратация первичного гидросиликата натрия с выделением воды в виде водяного пара, который в условиях сохраняющейся щелочной среды, способствует весьма интенсивному растворению свободного кремнезема и образованию вторичного гидросиликата натрия. Растворение дополнительного количества кремнезема повышает силикатный модуль смеси до m=3,0, вследствие чего способность смеси к поризации увеличивается. В интервале температур 350-450°С процесс дегидратации гидросиликатов натрия совпадает с процессом перехода смеси в пиропластическое состояние, а выделяющиеся водяные пары поризуют натрий-силикатное стекло, которое в период пиропластического состояния активно обогащается оксидами кальция, магния, железа и алюминия, входящих в виде примесных оксидов в аморфную кремнеземистую породу и в алюмосиликатный компонент.

Анализ преимуществ заявленных состава шихты и способа получения теплоизоляционного материала показывает, что предложенное техническое решение задачи позволяет достичь поставленной цели изобретения и получать теплоизоляционный материал с жесткой структурой, заданными характеристиками, размерами и формой с минимальными тепловыми и энергетическими затратами. Кроме того, по сравнению с известным способом и составом шихты, в предлагаемом изобретении содержание природной, аморфной кремнеземистой породы увеличивается в 1,95 раза, а введение алюмосиликатного компонента повышает водостойкость силикатного стекла и изделий.

Получаемый по предлагаемому изобретению теплоизоляционный материал может быть использован в строительстве, для тепловой изоляции энергетических установок и трубопроводного транспорта.