СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА И ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MANUFACTURING GRANULATED FOAM GLASS AND GRANULATED FOAM GLASS CRYSTALLINE MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к проходным печам для производства теплоизоляционных сыпучих материалов, используемых в строительстве, нефтяной промышленности и других отраслях, а именно к печам для производства гранулированного пеностекла и гранулированных пеностеклокристаллических материалов. Техническим результатом изобретения является повышение производительности печи, качества продукции и снижение удельных затрат тепла на единицу продукции.
2
2
2
Гранулированное пеностекло получают путём вспенивания при температуре плавления гранулированной смеси порошка стекла, специально сваренного, или боя стекла с газообразователями в проходных трубчатых печах контактного нагрева, где также получают гранулированные пеностеклокристаллические материалы неорганического состава, в которых вместо стекла используют природное силикатное сырье без его предварительного плавления. Производство такой продукции основано на известном синтезе гидратированных полимерных силикатов натрия (NaO⋅mSiO⋅nHO) в щелочных составах на основе кремнистых пород с последующей термической обработкой полуфабриката в трубчатых печах и получением конечного продукта – пористых гранул ячеистого строения [1].
нас.
сж.
3
Легкий (ρ=140÷650 кг/м), прочный (R=0,5÷5 МПа), долговечный и негорючий материал с низкой теплопроводностью (0,045÷0,1 Вт/м×K) выпускается как в виде гранул, так в виде блоков и плит. Последние получают поточным механизированным способом в туннельной печи вспениванием гранулированной смеси, уложенной в формы или на ленте конвейера.
Однако широкому распространению указанных материалов и изделий препятствуют, кроме ограниченности такого источника сырья, как бой стекла и высоких энергетических затрат на варку стекла, следующие факторы:
- отсутствие печей вспенивания гранулированного пеностекла и гранулированных пеностеклокристаллических материалов, которые бы обеспечивали высокую производительность и низкие удельные затраты тепла на единицу продукции;
- высокие капитальные вложения и трудоемкость получения блочного и плитного пеностекла в туннельных печах.
Конструкционные особенности трубчатых (барабанных) проходных печей для производства гранулированного пеносиликата описаны в ряде патентов [2,3]. Общим во всех технических решениях является наличие наклонного вращающегося барабана (трубы), в котором происходит нагрев гранул до температуры вспенивания, выдержка при данной температуре для протекания пиропластичных реакций, закалка и охлаждение материала. Общим для всех печей является способ нагрева материала – контактный, т.е. барабан нагревается извне, так как не допускается активного движения газов, как теплоносителя, внутри барабана из-за низкой плотности и малого размера вспененных гранул.
Имеются многочисленные варианты осуществления этого процесса при различных способах подвода тепла, теплоносителя, организации материальных и тепловых потоков, способах подачи материалов, крепления барабана и т.д. Например, вращающаяся электропечь для термической обработки сыпучих материалов содержит теплоизолированную трубу, опоры в виде катков, механизм вращения трубы, загрузочную течку, металлический экран и установленный неподвижно вдоль оси трубы электронагреватель, выполненный в виде пустотелой балки, жестко закрепленной с одной стороны, снабженной слоем электроизоляции, нагревательными элементами в виде спиралей, расположенных вокруг балки, и защитным чехлом, окружающим нагревательные элементы. Между наружной поверхностью пустотелой балки и слоем электроизоляции введен слой теплоизоляции, а внутрь пустотелой балки, для ее охлаждения подается воздух, направляемый в систему утилизации тепла, например, для подсушки обрабатываемого материала [4].
К недостаткам такого оборудования и способа производства пеностеклокерамики можно отнести его низкую производительность, обусловленную тем, что процесс осуществляется в относительно тонком слое, прилегающем к внутренней поверхности трубы и сконцентрированном (пересыпающемся) в нижней ее части. Увеличение диаметра трубы не приводит к пропорциональному увеличению производительности, так как вспучивание материала осуществляется только по контактной поверхности «гранула-труба», что составляет лишь незначительную часть площади ее поверхности. Вспененные гранулы приобретают низкую теплопроводность и становятся теплоизолирующим материалом, что препятствует нагреву слоя гранул, лежащего над ними. Нагрев осуществляется неравномерно, сильнее у стенки трубы и меньше - даже при небольшом удалении от стенки, при этом недостаточно прогретый материал не вспучивается или слабо вспучивается. Поэтому такое оборудование не может обеспечить высокую производительность и стабильное качество получаемого материала.
В таких печах трудно реализовать поддержание и регулирование заданной температурной кривой скорости нагрева, выдержки при температурах фазовых переходов, которые существенно влияют на качество вспененного материала. Максимальная температура нагрева обычно достигается в средней части трубы, а на входе и выходе температуры значительно ниже. Регулировка с помощью изменения мощности нагревательных элементов не решает проблемы несоответствия кривой нагрева требуемым параметрам, а только усиливает неравномерность. В результате процесс вспенивания зачастую реализуется не в оптимальном температурном режиме. Это особенно важно, если температура превысит 620-640°С, когда происходит удаление связанной воды из гидратированных полисиликатов, так как выдержка при этой температуре обеспечивает медленное удаление паров воды без разрушения структуры гранул, и наоборот, быстрое прохождение порога фазового перехода приводит к растрескиванию гранул.
Известны туннельные печи, которые также обеспечивают нагрев обрабатываемого материала до заданной температуры. Они используются для получения плитного пеностекла. На конвейерную ленту туннельной печи либо засыпается обрабатываемый материал, либо устанавливаются емкости с обрабатываемым материалом. В первом случае получают пластины из пеностекла, во втором – брикеты из пеностекла [5]. Но обычно такие печи не используются для получения сыпучих теплоизоляционных материалов ввиду технологических особенностей процесса вспенивания.
Наиболее близким к заявляемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является изобретение «Устройство для получения гранулированного пеносиликата» [2].
Способ, на котором основано действие известного устройства, заключается в последовательном перемещении внутри наклонной вращающейся трубы обрабатываемого материала под действием сил гравитации вдоль обогреваемой снаружи теплоносителем трубчатой проходной печи, разделенной внутренними продольными ребрами на секции, за счет перекатывания гранул по внутренней поверхности трубы в каждой секции с нагревом до температуры вспенивания, последующего перемещения в необогреваемую зону закалки, длина которой составляет не менее 1/10 общей длины печи, а также последующего охлаждения вспененного материала.
Устройство-прототип включает: установленную с уклоном в сторону разгрузки обогреваемую снаружи теплоносителем вращающуюся трубу проходной печи с зоной закалки термообрабатываемого материала, составляющей не менее 1/10 длины трубы, питатели для сырьевого материала, емкость для выгрузки продукта, систему охлаждения, выполненную в виде вращающейся трубы с последовательно расположенными по ее длине окнами, закрытыми сетками.
Недостатки прототипа совпадают с отмеченными ранее недостатками трубчатых (барабанных) проходных печей: низкая производительность, низкое качество получаемого материала, сложности в регулировке температурного режима по длине барабана.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:
- повышение производительности - за счет увеличения площади рабочей поверхности в зоне вспенивания, что достигается конструктивно путем установки в проходной печи, где осуществляется нагрев гранул с температуры 640°С до температур вспенивания и закалки, нескольких вибролотков, по которым равномерно перемещается монослой гранул с разделительной средой;
- повышение качества получаемого продукта - за счет обеспечения точного соблюдения температурного режима обжига, что позволяет осуществить выдержку гранул при температуре 620-640°С в течение заданного интервала времени и обеспечить медленное удаление связанной воды из сырцовых гранул;
- снижение удельных затрат тепла на единицу продукции – за счет объединения конструктивно в одном устройстве трех тепловых агрегатов, выполняющих функции: равномерного нагрева до температуры 620-640°С и выдержки в течение требуемого интервала времени; нагрева до температуры вспенивания, закалки, медленного охлаждения до температуры 600°С и охлаждения с температуры 600°С до 50°С.
Указанная задача решается за счет того, что в способе производства гранулированного пеностекла и гранулированных пеностеклокристаллических материалов, заключающемся в нагреве исходного материала, вспенивании, закалке и последующем охлаждении вспененного материала, согласно изобретению, сначала производится нагрев до температуры 620-640°С без вспенивания и выдержка при указанной температуре, затем нагрев до температуры вспенивания, вспенивание и закалка гранул при постоянном их движении за счет вибрационного воздействия, а охлаждение полученных гранул осуществляется в два этапа: сначала медленное охлаждение до 600°С, а затем быстрое охлаждение до 50°С при постоянном движении за счет вибрационного воздействия.
Указанная задача также решается за счет того, что в устройстве для производства гранулированного пеностекла и гранулированных пеностеклокристаллических материалов заявленным способом, включающем наклонную проходную печь, зону вспенивания и зону закалки, а также бункер и холодильник,  согласно изобретению, устройство выполнено в виде единого теплового агрегата, в котором трубчатая печь дополнена лотковой печью и холодильником для медленного остывания и быстрого остывания, при этом лотковая печь включает зону вспенивания и зону закалки и выполнена в виде системы расположенных со смещением друг относительно друга лотков, установленных на выходе из трубчатой печи, каждый из которых снабжен индивидуальным регулируемым нагревателем и виброприводом, а холодильник включает бункер для медленного остывания, установленный за лотковой печью и открытую виброплощадку с принудительным съемом тепла для быстрого остывания.
Заявляемые способ и устройство обеспечивают достижение следующего технического результата:
Использование для нагрева и выдержки при температуре 620-640°С трубчатой проходной печи позволяет существенно увеличить производительность заявленного устройства, так как при указанных температурах теплоемкость и теплопроводность гранул не меняются, что обуславливает их равномерный прогрев.
Использование для перемещения монослоя гранул, нагрева, вспенивания и закалки вибролотков с регулируемыми параметрами движения и температуры вспениваемого материала позволяет обеспечить высокую производительность по вспениванию гранул, равномерность прогрева и высокое качество продукции.
Совмещение трех тепловых аппаратов в одном устройстве позволяет уменьшить потери тепла при пересыпках и, тем самым, снизить удельные затраты тепла на единицу продукции.
Проведенные патентные исследования показали, что заявляемые способ и устройство соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский замысел».
Приведенные далее примеры конкретного выполнения подтверждают соответствие критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема заявляемого устройства.
Заявляемое устройство для производства гранулированного пеностекла и гранулированных пеностеклокристаллических материалов включает установленные последовательно:
- бункер 1 для исходного материала (сырцовых гранул);
- трубчатую проходную нагревательную печь 2;
- лотковую печь с системой вибролотков 3, снабженных индивидуальными и регулируемыми нагревателями 6 и индивидуальными виброприводами 4;
- накопительный бункер 6 для медленного остывания полученных гранул (первая часть холодильника);
- вторая часть холодильника 7, выполненная в виде открытой виброплощадки с принудительным съемом тепла;
- бункер 8 готовой продукции.
Бункер 1 расположен на входе наклонной трубчатой проходной нагревательной печи 2, откуда сырцовые гранулы питателем равномерно подаются в печь 2 для нагрева до 620-640°С и выдержки при этой температуре. Трубчатая проходная нагревательная печь снабжена внешними нагревателями, которые поддерживают в печи температуры не выше 620-640°С. В начале трубчатой печи 2 происходит быстрый нагрев материала до 620-640°С на 1/3 длины, затем при этой температуре происходит выдержка (на 2/3 длины). Исходный материал равномерно нагревается до указанной температуры и выдерживается в печи до полного удаления связанной воды.
Равномерно прогретый исходный материал после удаления из него связанной воды подается из печи 2 в лотковую печь, состоящую из системы вибролотков 3. Вибролотки 3 расположены последовательно друг за другом со смещением последующего лотка относительно предыдущего как по высоте, так и по ходу движения.
Каждый вибролоток 3 выполнен в виде плоской площадки с боковыми стенками. Смежные лотки 3 могут в плане незначительно перекрываться для предотвращения просыпания гранул при их пересыпании.
Каждый лоток 3 снабжен индивидуальным вибратором 4, обеспечивающим равномерное распределение материала по всей площади лотка, а также позволяющим перемещаться материалу по поверхности лотка 3 и пересыпаться с более высоко расположенного лотка 3 на следующий, расположенный ниже лоток 3.
Кроме того, каждый лоток 3 снабжен индивидуальным регулируемым нагревателем 5, что позволяет выдерживать температуру вспенивания (780-850°С) на первых лотках 3 и температуру закалки (выдержки) при более низкой температуре (740-780°С) на последних лотках 3.
Из трубчатой печи 2 материал высыпается на первый лоток 3, нагретый до температуры вспенивания, затем пересыпается на второй и т.д. За 5 минут он вспенивается, попадает на последний лоток 3, где происходит закалка.
Равномерно вспененный материал поступает в первую часть холодильника – специальный накопительный бункер 6, где поддерживается постоянный уровень материала за счет выравнивания скорости подачи. Там вспененный материал охлаждается до температуры 600°С.
Затем из бункера 6 вспененные гранулы поступают для быстрого охлаждения до температуры 50°С во вторую часть 7 холодильника, представляющую собой открытую виброплощадку, снабженную системой принудительного съема тепла.
Указанная система съема тепла может быть реализована любым известным в технике образом и на чертеже не показана. Выполнение холодильника в виде вибрирующей площадки позволяет повысить эффективность и равномерность охлаждения гранул без их разрушения.
Остывшие гранулы поступают в бункер 8 готовой продукции.
Все три тепловых устройства: проходная нагревательная печь 2 для нагрева и выдержки исходного материала при температуре 620-640°С без вспенивания, лотковая печь из системы вибролотков 3 для нагрева до температуры вспенивания, вспенивания и последующей закалки полученных гранул, а также холодильник в виде бункера для медленного остывания и открытой виброплощадки для быстрого остывания объединены в единый агрегат.
Заявляемый способ производства гранулированного пеностекла и гранулированных пеностеклокристаллических материалов включает следующую последовательность операций:
- исходный материал перемещается под действием сил гравитации, нагревается до температуры 620-640°С и выдерживается при этой температуре в трубчатой проходной печи, что обеспечивает равномерность нагрева без вспенивания и позволяет удалить связанную воду без нарушения структуры сырцовых гранул;
- последующий нагрев материала до температуры вспенивания и процесс вспенивания с образованием гранул осуществляются в первой части лотковой печи при постоянном движении за счет вибрационного воздействия;
- закалка гранул осуществляется во второй части этой же лотковой печи при постоянном перемещении за счет вибрационного воздействия, время прохождения материала через лотковую печь со вспучиванием и закалкой не превышает 5-10 минут;
- полученные гранулы сначала медленно охлаждаются до 600°С в накопительном бункере печи;
- затем происходит быстрое остывание полученных гранул до 50°С на виброплощадке с принудительным съемом тепла холодильника.
Из описания настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.
Источники информации
1. Кетов А.А. Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 22–24.
2. Пат. РФ № 2296927 на изобретение «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСИЛИКАТА». Заявка: 2005116942/15, 03.06.2005. Патентообладатель: ЗАО "Пермское производство пеносиликатов" (прототип).
3. Пат. РФ № 2210042 на изобретение «ВРАЩАЮЩАЯСЯ ПЕЧЬ». Заявка: 2002100581/03, 08.01.2002. Патентообладатель: М.Ч. Тамов.
4. Пат. РФ № 2240479  на изобретение «ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ». Заявка: 2002132517/02, 03.12.2002. Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей".
5. А.с. №90804 на изобретение «Производство пеностекла и пеностеклокерамики». Заявка: 430173, 19.06.1950. Заявитель: Китайгородский И.И.