Разработка технологии обжиговых щелочесиликатных материалов с исследованием влияния состава шихты на формирование структуры и свойства пеностекла

Тип работы: Дипломная работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 119 страниц
В избранное:

Содержание

Введение
9
1 Аналитический обзор научно-технической литературы
11
1.1 Пеностекло: свойства и преимущества
11
1.2 Сырье для производства пеностекла
15
1.3 Порообразователи для производства пеностекла
21
1.4 Особенности технологии термической обработки
26
1.5 Масштабы и области применения стекольных отходов
30
1.6 Использование техногенных материалов для производства пеностекла
33
1.7 Выводы
36
1.8 Цель и задачи исследований
36
2 Методы и аппаратура исследований
37
3 Характеристика сырьевых материалов
41
4 Экспериментальная часть
44
4.1 Влияние добавок на структуру пеностекла
44
4.2 Исследование влияния количества добавок на структуру и плотность
пеностекла
46
4.3 Влияние вида порообразователя на структуру и плотность пеностекла
48
4.4 Исследование влияния количества жидкого стекла на
структурообразование пеностекла
51
4.5 Исследование кинетики обжига стеклошихты
52
4.6 Исследование влияния режима обжига на структуру пеностекла
54
4.7 Исследование влияния вида образцов на структуру пеностекла
56
4.8 Влияние пирита на формирование структуры пеностекла
58
4.9 Исследование влияния добавок на водопоглощения пеностекла
60
4.10 Выводы научно - исследовательской работы
61
5 Технологическая часть
62
5.1 Номенклатура продукции из пеностекла
62
5.2 Обоснование выбора технологической схемы
63
5.3 Технологическая схема производства пеностекольных блоков
66
5.3.1 Доставка и хранение сырьевых материалов
66
5.3.2 Подготовка сырьевых материалов
66
5.3.3 Приготовление формовочной смеси
70
5.3.4 Укладка и прессование стеклошихты
71
5.3.5 Обжиг изделий
73
5.3.6 Транспортировка и хранение изделий
75
5.4 Эффективные технологические решения
76
5.5 Автоматизация производства
78
6 Технологическое оборудование
79
6.1 Промоечная машина
79
6.2 Барабанная сушилка
79
6.3 Шаровая мельница 1456А
80
6.4 Дозатор для сыпучих материалов АВДИ - 425
81

6.5 Дозатор жидкости АВДЖ-4251200М
81
6.6 Лопастной смеситель СБ-138Б
82
6.7 Гидравлический пресс КРУ - 160
82
6.8 Туннельная печь
83
6.9 Автоматизированный резательный комплекс АРК 01
84
7 Промышленная экология
85
7.1 Обзор загрязняющих источников и методы их очистки
85
7.2 Расчет выбросов при пересыпке стеклобоя и шлака
88
8 Экономическая часть
90
8.1 Определение амортизационных отчислений
90
8.2 Расчет материальных затрат на производство продукции
90
8.3 Расчет расхода электроэнергии на производство продукции
90
8.4 Определение производственных издержек
90
8.5 Затраты на средства защиты
90
8.6 Расчет технико-экономических показателей
90
Заключение
91
Список использованных источников
94
Приложение А. Материальный баланс производства блочного пеностекла
100
Приложение Б. Спецификация к технологической схеме производства
105
Приложение В. Технологическое оборудование
106
Приложение Г. Перечень оборудования для изготовления пеностекла
113

Введение

Производство строительных материалов - важная стабильно растущая отрасль экономики Казахстана, обеспечивающая 8,6 % объемов производства обрабатывающей промышленности. Приоритетность данного сектора опреде- ляется с одной стороны - внутренним спросом строительной индустрии, воз- можностями развития и реализации отечественной продукции на рынках стран макрорегиона, с другой стороны - наличием собственной сырьевой базы и потенциалом казахстанских предприятий [1]. В настоящее время интенсивно развиваются направления строительного материаловедения по исследования и созданию композитов с техногенными отходами, это обусловлено экологиче- скими проблемами и необходимостью экономии и сокращении использования топливно-энергетических и природных ресурсов.
Значительный технико-экономический и экологический интерес пред- ставляет переработку и утилизацию боя искусственных стекол, утилизации уделяется достаточно большое внимание во всех развитых странах. Стеклобой
- это неразлагающийся силикатный отход, который засоряет почвенный слой земли, поэтому его необходимо перерабатывать или подвергать соответствую- щему захоронению. Утилизируют отходы стекла главным образом в стекольной промышленности и производстве строительных материалов.
Экологические проблемы, имеющие в настоящее время глобальный ха- рактер, возникают преимущественно вследствие неконтролируемого воздейст- вия человечества на окружающую среду.
Стеклобой имеет широкое применение для изготовления пеностекла, производство которого растет с каждым годом. В последние годы актуально производство легких заполнителей из гранулированного пеностекла, основным сырьем для изготовления которого служит бой тарного, технического и строительного стекол [2].
Бой стекла, образующийся у потребителей, представлен фрагментами листового стекла, стеклотары. Такой вторичный стеклобой зачастую входит в состав твердых бытовых и строительных отходов, составляет 20 - 30 % общей массы свалки. Около 20 % стеклобоя можно собрать и возвратить на стеколь- ные заводы для переплавки.
На территории Казахстана накопилось 43 млрд. т твердых бытовых отходов, из них 600 млн. т - токсичные. При этом ежегодно объем накапливае- мых ТБО увеличивается на 700 млн. т. Утилизация твердых бытовых отходов в полезное вторичное сырье - перспективное направление, как с точки зрения экономической привлекательности, так и экологической безопасности.
Пеностекло - это вспененная стекломасса. Расплавленные силикатные стекла при температуре 800 - 900 °С и наличии газообразователя вспениваются и при остывании образуют прочную вспененную стекломассу. За счет вспени- вания объем стеклянной массы увеличивается в 15 раз. Для производства пено- стекла используют отходы стекла или спекающиеся горные породы [3].
Пеностекло - это стеклянная пена - ячеистый неорганический материал, экологически безопасно. Экологическая чистота позволяет использовать пено-

стекло в пищевой и фармацевтической промышленности. Более того, само про- изводство пеностекла имеет экологическую направленность, оно позволяет ис- пользовать любой стеклобой и отходы стекольного производства, само приме- нение пеностекла позволяет отказаться от экологически опасных теплоизоля- ционных материалов, таких как, асбестосодержащие материалы, или пожаро- опасного и экологически вредного пенопласта.
Пеностекольный материал отличается комплексом таких свойств, как низкая теплопроводность 0,04 - 0,05 Втм·[0]С, высокая прочность 0,7 - 1,3 МПа, низкое водопоглощение 0 - 5 %, широкий температурный диапазон применения от - 30 до +400[0]С, огнестойкость и долговечность.
Одним из недостатков ячеистого стекла является его высокая стоимость. Для производства пеностекла необходимы значительные удельные затраты труда, топлива и электроэнергии , которые превышают показатели производст- ве других теплоизоляционных материалов. При обработке и оправке пеностекла существенно уменьшается выход готовой продукции [4].
Существуют различные виды строительного: теплоизоляционное, декора- тивно-акустическое, гранулированное пеностекло. Применяют пеностекло для тепловой изоляции ограждающих конструкций, холодильников, промышленно- го оборудования, работающего при повышенных температурах, в качестве отделочного материала. Энергосбережение в жилых и нежилых объектах строительства в связи с
ростом цен на энергоносители встаёт на первый план, потому главным и ре- шающим фактором является сохранение тепла и сокращение его потерь.
Цель дипломной работы - разработка технологии обжиговых щелочеси- ликатных материалов с исследованием влияния состава шихты на формирова- ние структуры и свойства пеностекла.
Основные задачи дипломной работы:
аналитический обзор научно - технической информации о пеностекле;
экспериментальные исследования влияния состава шихты на структуру и свойства пеностекла;
разработка состава шихты для получения пеностекла с техногенными добавками;
- обоснование выбора и описание способа организации производства и технологической схемы изготовления блоков из пеностекла;
- технологические расчеты потребности в сырьевых материалах;
расчет технико-экономических показателей.
Актуальность темы определяется направленностью на разработку и ис- следование эффективных теплоизоляционных материалов на основе техноген- ного сырья.

Аналитический обзор научно-технической литературы

Пеностекло: свойства и преимущества

Пеностекло это высокоэффективный теплоизоляционный материал неор- ганического происхождения, который отвечает требованиям современного строительства. При выборе теплоизоляционного материала необходимо сочета- ние высоких теплотехнических характеристик и долговечность материала. Этим требованиям соответствует пеностекло, которое обладает пониженной плотностью с достаточной прочностью и качественной структурой. Этот мате- риал обладает низкой теплопроводностью, негорючестью, эти свойства придает структура с замкнутыми ячейками, которые обеспечивают водо- и паронепро- ницаемость, и имеет неограниченный срок службы [5].
Одним из наиболее качественных видов теплоизоляционного материала является пеностекло. Оно представляет из себя ячеистый материал, сформиро- ванный в результате вспенивания порошка стекла при различной термической режимах. В настоящее время в строительной индустрии ощущается дефицит в различных теплоизоляционных материалах. Свойства пористого теплоизоляци- онного материала представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Свойства пеностекла [5]

Пеностекло - один из наиболее качественных тепло- и звукоизоляцион- ных материалов. Он обладает рядом преимуществ перед другими теплоизоля- ционными материалами. Пеностекло долговечно, негорюче, влаго- и пароне- проницаемо, устойчиво к воздействию агрессивных сред, обладает достаточно высокими физико-механическими свойствами [6].
Уникальная совокупность свойств пористого теплоизоляционного мате- риала позволяет применять этот материал достаточно широко.
Основной областью применения может быть его использование в качест- ве универсального теплоизолятора. Этот материал поможет увеличить надеж-

ность конструкций, сэкономить средства, так же этот материал может эффек- тивно применяться в тех случаях, когда применение других теплоизоляцион- ных материалов малоэффективно, затруднено или невозможно.
Использование пеностекла приведено на рисунке 1.2.
Засыпной материал
Композиционные материалы на различных связках

Рисунок 1.2 - Использование пеностекла

Основным видом применяемых в странах СНГ утеплителей являются ми- нераловатные (волокнистые) изделия, доля которых в общем объеме производ- ства и потребления составляет более 65 % (рисунок 1.3). Около 8 % приходится на стекловатные материалы, 20 % - на пенополистирол и другие пенопласты. Доля теплоизоляционных ячеистых бетонов в общем объеме производимых утеплителей не превышает 3 %, вспученного перлита, вермикулита и изделий на их основе 2 - 3 %. Пеностекло - новый продукт на отечественном рынке [8].
Материалы из стекла 8 %

Рисунок 1.3 - Структура потребления теплоизоляционных материалов [6]

Пеностекло - высокоэффективный и технологичный, хотя и дорогой ма- териал, позволяет не только не повысить начальную цену всего объекта, но и сэкономить значительные средства при последующей его эксплуатации за счет применения в меньших объемах (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Зависимость толщины стены от используемого теплоизоляционного материала [8]

В таблице 1.1 представлена сравнительная характеристика свойств тепло- изоляционных материалов.
В лаборатории теплофизических характеристик и долговечности строи- тельных материалов и изделий Научно-исследовательского института строи- тельной физики было проведено исследование по долговечности фасадной сис- темы с теплоизоляцией из наиболее применяемых плитных утеплителей.

Таблица 1.1 - Свойства теплоизоляционных материалов

Условный срок службы до капитального ремонта составил с учетом влия- ния натурных факторов для экструзионного пенополистирола - 10 лет; минера-

ловатной плиты на базальтовой основе - 15 лет; блочного пенополистерола - 20 лет; для пеностекла - более 45 лет, т.е. долговечность пеностекла соответствует долговечности зданий и сооружений. Характеристика пеностекла при ведена в таблицах 1.2, 1.3.

Таблица 1.2 - Физико-механические свойства пеностекла

Свойства
Виды пеностекла

изоляционно-
строительное
изоляционно-
монтажное
бесщелочное
высоко-
кремнеземистое
влагозащитное
Плотность, кгм[3]
160 - 250
130 - 160
350 - 500
500 - 800
140 - 180
Теплопроводность,
Вт(м [0]С)
0,07 - 0,087
0,058 - 0,07
0,93 - 0,122
0,127 - 0,209
0,06 - 0,07
Прочность, МПа: при сжатии
при изгибе
0,8- 2,0
0,5 - 1,0
0,5 - 0,8
0,3 - 0,4
3 - 5
1,0 - 1,5
5 - 12
1,4 - 2,5
1,2 - 2,5
0,4 - 0,6
Водопоглощение,
%
- -
5
2
0,5 - 0,95
Максимальная температурная
эксплуатация, [0]С

до 600

до 600

до 600

до 800

до 600

Пеностекло применяется для теплоизоляции в промышленном и граждан- ском строительстве (стены, кровля перекрытия), теплоизоляции трубопроводов и газопроводов, в огнеоградительных конструкциях (температура до 600 °С), для защиты продуктовых складов, зернохранилищ, хозяйственных и жилых помещений; позволяет организовывать сады на кровлях, строить на слабых грунтах, возводить надстройки верхних этажей, изготавливать понтонные и другие плавучие конструкции, сооружать кровли атомных станций.

Таблица 1.3 - Свойства различных видов пеностекла

Свойства
Виды пеностекла

влагоза-
щитное
строитель-
ное
декоратив-
ное
акустиче-
ское
гранулиро-
ванное
Объемная масса, кгм[3]
140 - 200
150 - 350
150 - 300
140 - 250
160 - 350
Действительная порис-
тость, %
92 - 94
86 - 94
88 - 94
90 - 94
86 - 94
Коэффициент тепло-
проводности, Вт(м [0]С)
0,045 -
0,055
0,05 - 0,09
0,055 -
0,085
0,055 -
0,080
0,045 -
0,085
Водопоглощение, %
объема
не более 1
до 10
до 70
до 80
до 5

Таким образом, использовать в строительстве надо только такие материа- лы, которые являются долговечными и эффективными, жить в окружении кото- рых комфортно и безопасно. Из теплоизоляционных изделий это, в первую оче- редь, пеностекло. Пеностекло - позволяет экономить на затратах по теплоизо- ляции, снижает затраты на монтажные работы, увеличивает полезный объем помещения, снижает нагрузки на фундамент и несущие конструкции, повышает безопасности жилья [9] .

Сырье для производства пеностекла

Приоритетными направлениями исследований в области пеностекла все- гда были работы, связанные с изучением и использованием новых сырьевых материалов, разработкой на их основе составов пеностекольных шихт, обеспе- чивающих получение качественной продукции, экономию природных сырье- вых и топливных ресурсов [12].
Использование отходов в виде различного вторичного стеклобоя не га- рантирует однородности стекла по составу, что соответствующим образом ска- зывается на качестве готового материала. Поэтому условием получения высо- кокачественного пеностекла пониженной плотности с оптимальными характе- ристиками и их воспроизводимостью является варка стекла определенного со- става. При этом необходимо решать вопросы снижения энергозатрат путем уменьшения температуры варки стекла с привлечением подходящего для этих целей активного кремнеземистого сырья [5].
Наша Республика Казахстан богата неисчерпаемыми запасами высокока- чественными кремнистыми породами, таким как диатомиты, трепелы, опока, которые являются перспективным сырьем для производства пеностекла.
На территории Южно-Казахстанской области зафиксировано более 20 месторождений и проявлений опок и опоковидных глин, приуроченных к су- закскому и ханаватскому ярусам палеогена. Опоковидные породы развиты в районах Кынгракского, Дарбазинского, Жилгинского и других куполооб- разных поднятий палеогена [13].
В Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова, Шымкент были проведены исследования природных кремнистых пород - опок, содержащих преимущественно аморфный или наноструктурный (криптокри- сталлический) кремнезем, с целью получения легкоплавких силикатных систем, способных к вспучиванию и образованию пеноматериалов.
Теоретической предпосылкой послужило то обстоятельство, что присут- ствие в данной категории горных пород мелких частиц кремнезема на нано- уровне может оказать существенное влияние на технологию получения мате- риалов с применением термической обработки, т.е. возможно ускорение массо- переноса, перемещение компонентов на атомарном уровне, активизация хими- ческого взаимодействия твердых растворов. Так как исследуемая горная порода относится к системе многокомпонентной, в зоне контактных частиц различных минералов действуют не только механическая, но и химические силы, ускоряя взаимодействие нанокристаллических частиц [13].
Исследования морфологических особенностей показали, что размеры частиц исходной криптокристаллической осадочно-химической породы колеб- лются от 3 мкм до 4,5 мкм, что составляет 90 % от всей массы пробы, а осталь- ные 10 % составляют оксиды Al, Na, Mg (рисунок 1.5, 1.6).
Химический состав сферической частицы 3,31 мкм показывает, что доля SiO2 в исследуемой кремнистой породе составляет 93,5 %. Это означает, что исследуемая кремнистая порода, т.е. опоки Кынгракского месторождения прак-

тически полностью состоят из аморфного кремнезема.
По фотоснимкам видно, что частицы рентгеноаморфного кремнезема об- разовывают сферические образования. Анализ энергодисперсионных спектров указывает на присутствие в аморфном кремнеземе кристаллического кварца 8,72 мкм.

Рисунок 1.5 - Морфологический характер и размеры частиц аморфного кремнезема [13]

Рисунок 1.6 - Кристаллический кварц в аморфном кремнеземе [13]

Таким образом, видно, что опоки Кынгракского месторождения содержат преимущественно аморфный или наноструктурный (криптокристаллический) кремнезем. На их основе возможно получение легкоплавких силикатных сис- тем, способных к вспучиванию и образованию пеноматериалов.

В Республике Казахстан имеются огромные запасы стеклосодержащих отходов в виде стеклобоя, а также металлургических, фосфорных гранулиро- ванных шлаков состоящих 90 - 95 % из стеклофазы [12]. Эти материалы явля- ются готовыми силикатными сырьевыми ресурсами для производства тепло- изоляционно - конструкционных материалов на основе стекла. Для этого необ- ходимы теоретические и экспериментальные исследования по их переработке с целью создания отечественной технологии теплоизоляционно- конструкционного материала - пеностекла на основе переработки стеклобоя в композиции со стеклосодержащими отходами Республики Казахстан.
На сегодняшний день перед всем развитым миром стоит проблема утили- зации бытовых и промышленных отходов. Одним из перспективных направле- ний исследований является разработка эффективных технологий по переработ- ке стеклобоя в композиции со стеклосодержащими отходами с целью получе- ния эффективных строительных материалов [14].
Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана, г. Уральск, Казахстан проводил исследования целью исследования явля- ется разработка технологии пеностекла с использованием волластонит содер- жащего шлака в композиции со стеклобоем.
В таблице 1.4 приведены исследуемые составы композиции для получе- ния пеностекла.

Таблица 1.4 - Результаты исследования различных добавок на физико- механические свойства пеностекла

Оптимальный состав

Вид добавки, масса %
Средняя плотность, кгм[3]
Прочность, МПа

при сжатии
при изгибе
Стеклопорошок с уд.поверхностью 3500 см[2]г - 96 %,
мел - 3,0 %
Волластонит- - содержащий шлак - 1 %

400

10,2

1,6
Стеклопорошок с уд.поверхностью 3500 см[2]г - 95 %,
мел - 3,0 %
Волластонит- - содержащий шлак - 2 %

450

11,3

1,8
Стеклопорошок с уд.поверхностью3500
см[2]г - 94 %, мел - 3,0 %
Волластонит- - содержащий шлак - 3 %

620

12,4

2,1
Стеклопорошок с уд.поверхностью 3500 см[2]г - 92 %,
мел - 3,0 %
Волластонит- - содержащий шлак - 5 %

650

15,2

2,3

Добавка волластонитсодержащего шлака в количестве 1 - 3 %, обеспечи- вает низкую среднюю плотность при сохранении высоких прочностных показа- телей [14].

Большая работа по изучению сырьевых материалов проводят российские ученые. Например, в диссертационной работе Мешкова А.В. выполнена на ка- федре технологии силикатов и наноматериалов ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Томского политехнического университета в качестве ос- новного сырья использовался диатомит, вспомогательные компоненты - доло- митовая мука, сульфат натрия, кальцинированная и нефелиновая сода, в каче- стве газообразователей опробованы углерод технический марки П 245, антра- цит и карбид кремния.
Поскольку получаемый гранулят имеет более высокую себестоимость, чем стеклобой, всегда стоял вопрос об использовании более дешевых сырьевых материалов при получении гранулята. Одно из путей решения этого вопроса - получение исходного стеклогранулята на основе дешевого природного сырья или отходов промышленности [6].
Исследования сибирского федерального университета г. Красноярска, на- учным руководителем которого является профессор Бурученко А.Е., показали, что сырьем для производства пеностекла могут быть золы теплоэнергетики и формовочных земель. В основу опытов были заложены сырьевые материалы такие как: зола Красноярской ТЭЦ-1, кварцевый песок, доломит, сода. В ре- зультате получили ячеистую структуру пеностекла путем вспенивания смеси порошкообразного стекла с газообразователем.
Состав шихты приведен в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Состав шихты с содержанием золы Красноярской ТЭЦ-1
Состав
Массовое содержание компонентов, %

зола Красноярской ТЭЦ-1
формовочные земли
сода
1
75
10
15
2
65
10
25

Сибирский федеральный университет провел аналогичные исследования с золой Красноярской ТЭЦ-2. Состав шихт представлен в таблице 1.6.

Таблица 1.6 - Состав шихт с содержанием шлака Краснояской ТЭЦ-2
Условное обозначение состава
Содержание компонентов шихты, %

Шлак
Красноярской ТЭЦ - 2
Кремнесодержащие
формовочные земли

Сода
Ш 1
85
-
15
Ш 2
80
-
20
Ш 3
75
-
25
Ш 4
75
10
15
Ш 5
70
15
15
Ш 6
65
20
15
Ш 7
55
30
15

В результате проведенных исследований получено пеностекло с различ- ной плотностью 800 - 1000 кгм[3], прочностью 5 - 10 МПа и размером пор до 1
мм (рисунок 1.7) [16].

Рисунок 1.7 - Фотографии пеностекла [16]

Исследованиями Сибирского федерального университета установлена возможность получения пеностекла, изготовленного на основе шлака от сжига- ния угля канско-ачинского бассейна, которое может использоваться как конст- рукционный и теплоизоляционный материал.
В Южно-Российском государственном политехническом институте име- ни М.И. Платова были проведены исследования, цель которых состояла в раз- работки технологии получения пеностекла на основе традиционного и техно- генного сырья (побочных отходов промышленного производства), в частности боя тарного, листового стекла и высококальциевых отходов водоподготовки). Так как, в Ростовской области расположена Новочеркасская ГРЭС, отходами которой являются так называемые высококальциевые отходы, которые нужда- ются в качественной и рациональной утилизации. Химический состав пред- ставлен в таблице 1.7.

Таблица 1.7 - Химический состав высококальциевые отходы
Материал
Массовое содержание, %

SiO2
Al2O3
TiO2
Fe2O3
CaO
MgO
R2O
ППП
сумма
ВКО
Новочеркасской ГРЭС

6,75

1,67

-

1,98

45,14

17,42

-

28,54

101,5

В качестве кальцийсодержащего сырья могут использоваться техноген- ные отходы, образующиеся при очистке сточных шахтных вод, отходы водо- подготовки на тепловых и атомных станциях [12].
В качестве минерализующей добавки в шихтовом составе пеностекла бы- ло изучено использование литийсодержащих компонентов, таких, как LiF, Li2CO3, Li2SO4, LiCl, LiCoO2. Натуральные литиевые минералы и химически полученные соединения являются интенсивными плавнями, однако спектр применения их в стекольной промышленности ограничен, так как используют-

ся они в основном для выработки опаловых и специальных стекол [12]. Приго- товленные пеностекольные шихты на основе высококальциевые отходы и ли- тийсодержащих соединений имели следующий компонентный состав, масс. %: бой стекла (тарное или листовое) 94 - 98; литийсодержащие соединения 1 - 3;
ВКО 1 - 3 [12].
В результате проведенных исследований было установлено, что наиболее качественно процесс вспенивания стекольной шихты происходит в присутствии только двух литийсодержащих компонентов, таких как LiCl, LiCoO2. Другие перечисленные ранее литийсодержащие компоненты практически не создают условий для качественного вспенивания пеностекольной шихты, как на основе боя тарного стекла, так и промышленного листового, а так же различных вари- антов их сочетания между собой [12].
Минерализатор LiCl активно влияет на процесс вспенивания образцов, однако образующиеся поры имеют достаточно неоднородный характер и могут варьироваться в размерах от 0,1 до 4,0 мм, что является неприемлемым при по- лучении пеностекла (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 - Характер пористой структуры пеностекла, полученного с применением LiCl [12]

Наиболее оптимальным с точки зрения получения качественного пено- стекла и однородной пористости материала явился состав стекольной шихты с использованием минерализатора LiCoO2.
Применение литий-кобальт-оксидного материала - LiCoO2, представляет несомненный научный интерес с точки зрения получения пеностекла, отве- чающего не только определенным теплоизоляционным, но и повышенными прочностным свойствам, что в совокупности может позволить использование данного материала в качестве конструкционного [12].
Таким образом, установлено, что добавка LiCoO2 в количестве 1 - 3 %да- ет возможность для получения качественного пеностекольного материалас прочностью при сжатии 2,1 МПа, водопоглощением 2 - 4 % с преобладающими порами 0,3 - 2,5 мм.
Повышенная прочность пеностекла может быть объяснена наличием, как в исходном порошке стекла, так и в межпоровых перегородках пеностекла кри-

сталлических фаз. Полученный пеноматериал, как на основе боя тарного, так и листового стекла, имеет однородную пористую структуру и сферический ха- рактер пор. Таким образом, в результате проведенных исследований было вы- явлено оптимальное соотношение техногенного отхода ВКО и минерализатора LiCoO2 в пеностекольной шихте (рисунок 1.9).
На основании вышеприведенных исследований, следует отметить, что особенный научный и практический интерес представляет использование ли- тийсодержащих соединений LiCl и LiCoO2 в качестве минерализующих доба- вок, положительно влияющих на процесс получения и функционально- технические свойства пеностекла, как на основе боя тарного, так и на основе боя листовых стекол. Однако, минерализатор LiCoO2, позволяет получать каче- ственное пеностекло, которое в настоящее время может быть рекомендовано для строительных теплоизоляционных работ [8].

а - на основе боя листового стекла; б - на основе боя тарного стекла

Рисунок 1.9 - Характер структуры пеностекла, полученного с применением LiCoO2 [8]

Анализирую проведенные теоретические исследования по сырьевым ма- териалам для пеностекла, можно сделать выводы, что сырьевая база для подоб- ного высокоэффективного теплоизоляционного материала очень широка, мо- жет быть представлена как природными, так и техногенными источниками [15,18].

Порообразователи для производства пеностекла

Большое влияние на качество теплоизоляционных материалов оказывает порообразователь. В роли вспенивателя пеностекла может выступать пыль ка- менного угля, графит, шлам алюминиевого производства.
Давление газовой фазы при вспенивании зависит от вида газообразовате- ля, его расхода, температуры разложения и может достигать 1,1 МПа. Расход газообразователя более 5 % вызывает усиленное газовыделение, приводящее к увеличению размера пор, что не всегда желательно, хотя при этом и уменьша- ется средняя плотность. К такому же результату приводит повышение темпера-

туры выше оптимальной, когда вязкость уменьшается настолько, что вследст- вие прорыва стенок пор они соединяются и укрупняются. Чем выше температу- ра, тем быстрее идет вспучивание и получается материал с меньшей средней плотностью. Непосредственное влияние на скорость спекания порошкового стекла, качество получаемого расплава и структуру пеностекла оказывает тон- кость помола стекла. Степень диспергации стекла в шихте регламентируется остатком на сите с 10000 отв.см[2] не более 10 % и полным прохождением через сито с 6400 отв.см[2] [18].
Применение того или иного газообразователя зависит от технологических параметров получения пеностекла (температуры, степени и вида поризации), свойств стекла (интервала вязкости стекла, поверхностного натяжения), тре- буемой окраски. Технология пеностекла включает следующие основные пере- делы: получение стеклянного расплава; производство из расплава стеклянного гранулята; получение шихты; вспенивание и отжиг; обработка, упаковка и складирование.
Использование отходов стекольного или тарного производства техноло- гическая схема отличается лишь отсутствием первых двух переделов [19].
Стеклянный расплав получают в ванных стекловаренных печах непре- рывного действия. Гранулят образуется при резком охлаждении вытекающих из печи струй расплава, обильно орошаемых водой, что исключает его кристалли- зацию. Далее следует измельчение стеклогранулята или стеклоотходов и куско- вого газообразователя на дробилках до размера зерен не более 3 мм с после- дующим совместным помолом в шаровых мельницах непрерывного действия до удельной поверхности 500 - 700 м[2]кг. Вспучивание и отжиг производят в жароупорных стальных или чугунных формах по одно- или двухстадийному режиму либо на непрерывно движущемся жаростойком конвейере [6].
Для повышения химической и термической стойкости в композиции вво- дятся щелочные алюмосиликаты, трепела, каолиниты и другие глинистые ве- щества, содержащие силикаты алюминия. Для получаемых материалов харак- терна достаточно несложная и неэнергоёмкая технология. Общей является спо- собность жидкого стекла образовывать при нагреве высокопористую структуру, характеризующуюся высокой адгезионной способностью, что позволяет полу- чать теплоизоляционные материалы с использованием различных органических и неорганических наполнителей.
Однако использование таких материалов в строительстве может быть за- труднено низкой водостойкостью, присущей пене на основе жидкого стекла. Кроме того, вода, являющаяся основным порообразователем в данных компо- зициях, вряд ли способна образовывать структуры с равномерной пористостью. В результате кажущаяся плотность получаемых таким образом изделий может варьироваться в пределах от 75 до 350 кгм[3] [11].
Ведутся исследования по получению пеностекла из стеклобоя с использо- ванием карбонатных газообразователей. Причём для уменьшения закрытой по- ристости авторы предлагают использовать поверхностно-активную добавку - высококремнеземистую глину. Таким способом предполагается снизить темпе-

ратуру вспенивания пеностекла без ухудшения его структуры [11]. При выборе состава стекла для получения пеноматериала важным фактором, наряду с газо- образователем, является наличие в составе соединений, способных разлагаться при термообработке стекла с выделением газов. Известно, что к наиболее часто встречающимся в промышленных стеклах газам относятся СО2, Н2О, SО3, среди которых наибольший интерес представляют кислородные соединения серы. Это связано с возможностью варьировать содержание растворенного в стекломассе серного ангидрида в достаточно широких пределах, что дает возможность вли- ять на процесс вспенивания [6].
Условия проведения эксперимента по вспениванию данных стекол, а именно количество газообразователя (сажа 0,3 %), температурный режим вспе- нивания (максимальная температура вспенивания 840 [о]С, выдержка 12 минут) оставались неизменными, что позволило установить влияние состава стекла на плотность полученных образцов. Установлено, что с увеличением в стекле со- держания SО3 плотность пеностекла уменьшается. Наименьшие значения плот- ности (111 кгм[3]) имеет пеностекло, содержащее 0,2 % SО3, максимальные зна- чения плотности (200 кгм[3]) соответствуют пеностеклу, полученному на основе стекла содержащего 0,07 % SО3, которые сварены из четырехкомпонентной шихты (рисунок 1.10).
Стекло, сваренное из шихты с нефелиновой содой, несмотря на низкое содержание окисляющего агента (также 0,07 мас. %), показало хорошую вспе- нивающую способность, пеностекло на его основе имело равномерную мелко- пористую структуру и обладало низкой плотностью - 145 кгм[3]. Использование нефелиновой соды позволяет получить более легкое пеностекло при относи- тельно низком количестве вспенивающего агента, чем при использовании каль- цинированной соды. Это обусловлено составом данной соды, которая помимо оксида натрия, содержит оксид калия, понижающий поверхностное натяжение расплава и стабилизирующий пиропластическую пену.
В промышленных стеклах минимальное содержание SО3, необходимое для получения легкого пеностекла с плотностью до 160 кгм[3], составляет в среднем 0,22 %. Пеностекло на основе диатомитового сырья имеет меньшую плотность при меньшем содержании серного ангидрида и относительно высо- кого содержания железа, что свидетельствует о положительном влиянии оксида железа на вспенивающую способность пенообразующей смеси.
Для оценки влияния на вспенивающую способность оксида железа были синтезированы модельные составы стекол с постоянным минимальным содер- жанием оксида серы (0,07 %) и изменяющимся в пределах от 1,5 до 3,0 % окси- да железа (III). Варка стекол осуществлялась из четырёх- и трехкомпонентной шихты с применением как кальцинированной, так и нефелиновой соды.
Установлено, что получить легкое пеностекло с равномерной мелкопо- ристой структурой можно из диатомитового стекла (с нефелиновой содой) с со- держанием железа от 1,8 до 2,5 %. При применении кальцинированной соды необходимо дополнительно вводить сульфат натрия. При этом оптимальными составами для получения легкого пеностекла являются стекла с содержанием

Fe2O3 от 1,6 до 2,5 % и содержанием SO3 от 0,3 до 0,07 % соответственно.

Рисунок 1.10 - Зависимость плотности пеностекла от содержания SO3[6] Установлено, что наличие в диатомите оксида железа в количестве до 3 %
и оксида алюминия в количестве до 4 % приводит к повышенному содержанию данных оксидов в стекле, что снижает продолжительность вспенивания пено- образующих смесей на основе диатомитового стекла на 14 - 27 % и температу- ру вспенивания на 30 - 40 [о]С, по сравнению с пенообразующими смесями на основе стеклобоя промышленных стекол.
Для оценки влияния вида и количества газообразователя на структуру и качество пеностекла готовились пенообразующие смеси путем совместного помола в планетарной мельнице до удельной поверхности 850 м[2]кг, количество окисляющего компонента в стеклах (0,2 % SO3) и режимы термообработки (максимальная температура вспенивания 840 [о]С, выдержка 12 минут) были одинаковыми. Сажу, карбид кремния, антрацит вводили в количестве 0,3, 1,0 и 1,7 мас. % соответственно. Антрацит предварительно измельчался, однако мак- симальные значения удельной поверхности при продолжительном измельчении не превышали 300 м[2]кг, карбид кремния и сажа дополнительной подготовке не подвергались, поскольку материалы тонкодисперсные и обладают высокой удельной поверхностью 700 и 10000 м[2]кг соответственно. Вспенивание приго- товленных смесей велось в лабораторной электрической печи с подогревом по- да в формах 50 х 50 х 70 мм. Результаты эксперимента (таблица1.8) показали, что наименьшей плотностью обладает пеностекло, полученное с использованием в качестве газообразователя сажа.
Материал, для получения которого использовался карбид кремния, имеет наибольшую плотность. Пеностекло, полученное из пенообразующей смеси с антрацитом, также обладало высокой плотностью, что обусловлено низкой удельной поверхностью газообразователя.

Таблица 1.8 - Зависимость плотности пеностекла от вида газообразователя
Вид газообразователя
Количество масс., %
Температура плавления, [0]С
Удельная
поверхность, м[2]кг
Плотность, кгм[3]
Сажа
0,3
839
1000
110 - 115
Карбид кремния
1,0
819
700
180 - 185
Антрацит
1,7
853
300
170 - 180

Основные требования, предъявляемые к газообразователям, следующие: температура выделения газа должна быть на 50 - 70° выше температуры раз- мягчения стекольного порошка; равномерное выделение газа в количестве, обеспечивающем нужное давление; недефицитность, нетоксичность и невысо- кая стоимость. Таким условиям отвечают: углеродистые вещества - антрацит, кокс, полукокс, ламповая сажа; карбонаты - известняк, мрамор, мел; карбиды кальция и кремния (Са2С и SiC); пиролюзит (МnО2); селитра (NaNO[3]) [21].
Выбор вида газообразователя зависит от температуры спекания и интер- вала вязкости стекла, а также от требуемых показателей пористости и окраски пеностекла [21]. Виды основных газообразователей приведены в таблице 1.9.

Таблица 1.9 - Виды газообразователей, применяемых в производстве пеностекла
Газообразователь
Температура
спекания,[0]С
Количество газо-
образователя, %
Строение пор
пеностекла
Цвет
пеностекла
Пиролюзит
680 - 720
3 - 5
Частично замкну-
тые
Фиолетовый
Азотнокислый
натрий
720
3 - 5
Сообщающиеся
Белый,
серый
Известняк, мра-
мор
760 - 775
0,5 - 1
Преимущественно
сообщающиеся
Белый
Карбид кальция
750 - 760
1 - 1,5
Преимущественно
замкнутые
-

Антрацит

770 - 780

2 - 3

Частично сооб- щающиеся
Табачно- желтый до
темно- серого
Кокс
790 - 800
2 - 3
Замкнутые
Коричневый
до черного
Графит
850 и выше
1 - 2
Замкнутые
Серый,
черный
Карбид кремния
850 и выше
1 - 3
Замкнутые
Серый

Ведутся исследования по получению пеностекла из стеклобоя с использо- ванием карбонатных газообразователей. Причём для уменьшения закрытой по- ристости авторы предлагают использовать поверхностно-активную добавку - высококремнеземистую глину. Таким способом предполагается снизить темпе- ратуру вспенивания пеностекла без ухудшения его структуры.

Особенности технологии термической обработки

Технологический режим производства пеностекла характеризуется таки- ми основными стадиями, как нагрев смеси порошка стекла, вспенивание при оптимальной температуре и охлаждение, в процессе которого фиксируется по- ристая микроструктура [6].
В Cибирском федеральном университете, целью получения стеклограну- лята из составов шихт, разработанных на основе золы Красноярской ТЭЦ-1 и формовочных земель, были сварены стекла при различных температурах и раз- личной выдержке при конечной температуре варки. Для снижения температуры плавления шихты в нее добавляли соду.
Варку стекла производили при температуре 1350 °С с выдержкой 30 мин., затем полученный стекольный гранулят измельчали до полного прохода через сито 0,14 мм.
В исходный порошок гранулята добавляли от 1 до 5 % вспенивателя в ви- де каменного угля, графита и шлама алюминиевого производства.
На основании проведенных экспериментов определено, что стекло, полу- ченное из состава №2, достаточно хорошо проваривается при температуре 1350 °С, хорошо гранулируется и в полученном порошке не фиксируются ми- нералы кристаллизации.
Для состава №1 температура варки должна быть повышена до 1380 °С, так как в полученном стекле наблюдается нерасплавленные минералы исходно- го сырья. Снятые рентгенограммы показали, что в сваренном стекле состава №2 отсутствует кристаллическая фаза.
Результаты вспенивания при разных режимах для порошка с различным содержанием пенообразователя показали, что с такими пенообразователями, как каменный уголь и шлам алюминиевого производства вспенивание происхо- ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.