ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСИЛИКАТНОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к производству строительных материалов, а именно к технологической линии по производству гранулированного силикатного теплоизоляционного материала ячеистой (пенной) структуры типа пеностекла.
Под пенами понимают грубодисперсные системы «газ - твердое тело» или «газ - жидкость», когда твердая или жидкая фазы образуют ячеистую структуру и внутри ячеек находится газовая фаза. Пеносиликатный материал представляет собой легкие гранулы ячеистой структуры, образующийся в процессе термической обработки сырцовых гранул до температур 720-850°С. При этой температуре происходит выделение газов, формирование пористого силиката. Причем выделяющиеся газы увеличивают кажущийся объем заготовки, образуя ячеистую структуру типа пены. Материал заготовки при таких температурах находится в пластичном состоянии за счет формирования расплава силикатного стекла. Материал может быть частично окристаллизован в процессе термообработки.
По внешнему виду пеносиликат напоминает широко известное пеностекло, общие вопросы получения которого описаны в монографиях [1, 2]. Отмечается, что для различных потребительских целей изготавливают пеностекло, как в виде блоков различной формы, так и в виде кусков правильной (обычно сферической) или неправильной формы. Для изготовления блоков смесь сырьевых порошков засыпают в формы и подвергают термической обработке.
Для получения гранулированного пеностекла обычно используют в качестве сырья смесь порошков стекла и газообразующего компонента в присутствии неорганической связки в качестве которой используют обычно жидкое стекло. Такие методы описаны в вышеупомянутых монографиях или патентной литературе [3, 4]. Смесь гранулируют, сушат до придания гранулам жесткости и нагревают во вращающейся печи до размягчения стекла и газовыделения в системе, что для большинства стекол происходит при температурах примерно 750-900°С. В результате из печи выходят сферические гранулы пеносиликатных материалов.
Помимо непосредственного использования порошков стекла возможна их предварительная агрегация в более крупные тела.
Для предотвращения оседания пены можно использовать эффект кристаллизации стекла, как это предложено в патенте [5]. Фактически в данном патенте получается пенокерамика, имеющая частично кристаллическое строение. Основные свойства и принципы получения керамики подробно описаны в классических работах А. И. Августинника [6] и Будникова П.П. [7].
Пенокерамика на основе широко распространенных кремнистых пород (трепела, диатомита, опоки и др.) также имеет свою нишу в технологии строительства. Отмечается, что уже существуют технологии получения неорганических кремнистых материалов низкой плотности для использования в качестве тепло- и звукоизоляции.
Например, для изготовления подобного теплоизоляционного материала в известном техническом решении [8] используют смесь кремнистой породы из группы трепел, диатомит, опока, и щелочного компонента. Данную смесь укладывают в формы и термически обрабатывают в два этапа, используя предварительный нагрев при 40-60°С в течении 30-60 минут с последующим ее нагревом со скоростью 50-150°С/мин до температуры 800-900°С и выдержке при ней 20-30 минут. В результате получается теплоизоляционный материал с размерами, соответствующими используемой форме.
Известны и другие технические решения, позволяющие использовать широко распространенные горные породы в виде трепела, диатомита или опоки для изготовления теплоизоляционных изделий в виде кирпича, плит, блоков, и т.д. Так в патенте [9] предлагается получать пенокерамический утеплитель из перечисленных кремнистых пород методом смешивания дозированных кремнистой породы и щелочного компонента, выдержкой при положительной температуре 2-24 часов, затем вспучиванием смеси путем термической обработки при температуре 650-750°С в течение 5-40 минут до увеличения объема садки смеси не менее чем на 10%. Далее предлагается размол полученной вспученной массы до фракции менее 0,5 мм, укладка полученного порошка в формы, нагрев до температуры 700-800°С при скорости нагрева 1-3°С/мин и выдержка при указанной температуре в течении 15-60 минут.
Описанные выше технологические линии производства пеносиликатных материалов предназначены для получения блоков или плит теплоизоляционного материала и не позволяют изготавливать насыпной материал.
Материалы насыпного типа могут быть изготовлены из стеклобоя. Известно техническое решение [10, 11], позволяющее производить гранулированное пеностекло из стеклобоя. Сущность его заключается в измельчении стеклобоя, гранулировании порошка на тарельчатом грануляторе со связующей добавкой, сушку и вспенивание полученных гранул во вращающейся печи в присутствии разделяющей среды и последующее отделение готовых гранул от разделяющей среды.
Недостатками известной технологической линии производства пеносиликатных материалов является невозможность получения гранул материала с малым размером зерна - менее 2-5 мм и применение в качестве сырья стеклобоя, который помимо высокой цены является весьма абразивным материалом, что осложняет его транспортировку и дробление.
Близким к вышеописанному техническим решением, является патент на полезную модель [12]. В данном случае авторы добиваются получения мелкогранулированного продукта за счет замены трудноконтролируемого этапа скатывания на получение гранул полуфабриката за формование блоков сырья и их дроблением до фракции целевого размера.
Помимо термического пенообразования в силикатной массе, возможно применение метода поризации воздухом гидратированной силикатной массы при комнатных температурах. Такое техническое решение описано в патенте [13].
Современный уровень техники предполагает возможность получения гранулированного пеносиликатного материала, полученного термообработкой аморфного силиката, в частности, трепела со щелочными добавками. Так в патенте на изобретение [14] сырцовая смесь готовится из кремнистой породы типа диатомита, опоки или трепела, щелочного компонента в виде раствора гидроксида натрия или калия и тетраоксисилана. Полученные сырцовые гранулы термообрабатывают до вспенивания.
Известно техническое решение, описанное в патенте «Неорганический бинарный гранулированный пеноматериал и способ его получения» [15]. Способ получения неорганического бинарного гранулированного пеноматериала включает следующие технологические операции. Получение «Компонента А» производят интенсивным последовательным смешиванием при 92-98°С воды, сухого гидроксида натрия и трепела, далее - с жидким стеклом. «Компонент Б» производят интенсивным последовательным смешиванием при 92-98°С воды и сухого гидроксида натрия с порошкообразным гидроксидом алюминия. Далее «Компонент А» и «Компонент Б» смешиваются на дисковой мешалке, полученный гель экструдируется в виде жгутов, опудривается трепелом, тальком или иными порошками, опудренные жгуты нарезаются и окатываются в галтовочном барабане до получения сферических гранул-заготовок. Полученные гранулы полуфабриката вспениваются путем интенсивного нагрева при температурах от 380 до 800°С. Вышеописанная технологическая схема осложнена необходимостью обслуживания двух сырьевых потоков, а получаемый продукт не может иметь наиболее востребованную промышленностью мелкую фракцию, вследствие присутствия в известной технологической схеме операции приготовления сырцовых гранул методом окатывания.
Наиболее близким техническим решением является технологическая линия, описанная в патенте [16] (прототип). В известном техническом решении минеральное силикатное сырье, поступает на склад силикатного сырья, откуда через барабанную сушилку и молотковую дробилку, поступает в первый фракционный сепаратор, который представляющий собой грохот или барабанный сепаратор с сетками, подается в виде гранул требуемой фракции в бункер запаса сырого сырья, откуда гранулы попадают в смеситель, представляющий собой барабан гравитационного типа. В смеситель подается также раствор щелочного компонента из бункера щелочного компонента. После смешения компонентов, влажные гранулы подаются в сушилку, где они подвергаются термообработке до удаления избытка влаги и завершения реакции взаимодействия аморфного оксида кремния с щелочным компонентом. Полученные сухие гранулы полуфабриката хранятся в бункере запаса сырцовых гранул, откуда они поступают в печь термообработки, куда также подается из бункера пылевидной фракции, мелкая фракция сухого аморфного силиката, образовавшегося после отсева на первом фракционном сепараторе. В печи термообработки происходит вспенивание сырцовых гранул, а природный сухой силикат пылевидной фракции выполняет роль разделяющей среды и препятствует слипанию готовых гранул пенокерамического материала. В процессе прохождения через печь сырцовые гранулы нагреваются до температуры 720-820°С до газообразования внутри гранул, вздутия и принятия ими сферической формы. Линейные размеры гранул увеличиваются в 1,8-2,3 раза. Для отделения разделяющей среды от готовых гранул смесь после печи подается на второй фракционный сепаратор, например, вибросито или грохот, откуда готовые гранулы пенокерамического материала поступают на склад готовой продукции, а разделяющая среда - в бункер пылевой фракции.
Вышеописанная технологическая схема осложнена необходимостью двукратной сушки материала, двукратным фракционированием смеси двух сырьевых потоков. Дополнительно осложняет процесс природная высокая влажность исходного сырья, достигающая 50-55%, что делает процесс сушки крайне затратным и малопроизводительным. Кроме того, известное техническое решение предполагает движение пылевидной фракции трепела по циклу при его использовании в качестве опудривателя, что ограничивает нижний размер фракций готового продукта и осложняет схему вследствие невысокой производительности отделения мелкой фракции.
Предлагаемая технологическая схема лишена указанных недостатков.
Задачей создания полезной модели является разработка технологической линии производства насыпного гранулированного теплоизоляционного ячеистого пенокерамического материала с размером зерен 0,05-10 мм, пригодного для использования в сухих строительных смесях, теплых штукатурках и т.д. при использовании природного минерального сырья-оксида кремния аморфной модификации, например, трепела или диатомита, по эффективной высокопроизводительной технологической схеме.
Поставленная задача решается с помощью признаков указанных в формуле полезной модели, общих с прототипом, таких как технологическая линия производства гранулированного пеносиликатного материала имеющая в составе связанные между собой посредством трубопроводов и транспортеров участки подготовки исходного сырья, получения сырцовых гранул и термообработки, и отличительных, существенных признаков таких как участок подготовки исходного сырья включает последовательно установленные связанные транспортерами склад силикатного сырья, подключенный своим выходом к первому входу реактора-смесителя, второй вход которого подключен к бункеру щелочного компонента, а третий вход - к бункеру кислотного компонента, а выход реактора-смесителя связан с входом сушильной печи, выход которой связан с первым входом смесителя, на второй вход которого поступает опудриватель со склада опудривателя, полученная смесь сырцовых гранул и опудривателя поступает через дробилку на склад сырцовых гранул, при этом участок термообработки включает последовательно установленные связанные транспортерами печь термообработки, фракционный сепаратор, откуда готовый продукт, разделенный на фракции, поступает на склад готовой продукции.
Особенностью полезной модели является наличие реактора-смесителя для проведения реакции силикатообразования и кислотной коагуляции полученной пасты.
Технический результат от использования вышеперечисленной совокупности существенных признаков - возможность использования в качестве исходного сырья трепела или диатомита карьерной влажности (отсутствие сушки сырья) упрощения сушки сырцовых гранул после коагуляции, упрощение аппаратурного оформления технологической линии, увеличение срока службы оборудования.
На Фиг. изображена блок-схема предлагаемой технологической линии.
Технологическая линия производства гранулированного пеносиликатного материала имеет в составе связанные между собой посредством трубопроводов и транспортеров (на чертеже не показаны) участки получения сырцовых гранул и термообработки.
Участок подготовки исходного сырья включает последовательно установленные связанные транспортерами склад силикатного сырья 1, подключенный своим выходом к первому входу реактора - смесителя 2, второй вход которого подключен к бункеру щелочного компонента 3, а третий вход - к бункеру кислотного компонента 4, а выход реактора-смесителя 2 связан с входом сушильной печи 5, выход которой связан с первым входом смесителя 6, на второй вход которого поступает опудриватель со склада опудривателя 7, полученная смесь сырцовых гранул и опудривателя поступает через дробилку 8 на склад сырцовых гранул 9, при этом участок термообработки включает последовательно установленные связанные транспортерами печь термообработки 10, фракционный сепаратор 11, откуда готовый продукт, разделенный на фракции, поступает на склад готовой продукции 12.
Технологическая линия производства пеносиликатного материала работает следующим образом.
Минеральное силикатное сырье природной влажности, с предварительно удаленными крупными на карьере включениями в виде камней и гальки, поступает на склад силикатного сырья 1, откуда подается в реактор-смеситель 2, представляющий собой лопастной, валковый или Z-образный смеситель, обеспеченный внешней термостатируемой рубашкой с возможностью обогрева электричеством, паром или иным теплоносителем. В смеситель также подается из бункера щелочного компонента 3 сухой гидроксид натрия (каустическая сода), включается перемешивание и обогрев смеси для поддержания температуры в пределах 80-100°С. В случае недостатка повышенной вязкости пасты, допускается добавление воды. Смесь перемешивается в течение 0,5-3 часов до получения однородной пасты в результате реакции силикатообразования. После указанного времени, нагрев реактора-смесителя отключается и при продолжении перемешивания подается водный раствор кислоты из бункера кислотного компонента 4. Паста коагулирует, что внешне выражается в образовании смеси, внешне напоминающей сырой речной песок. Полученная смесь подается в сушильную печь 5, где при температуре 200-450°С происходит удаление из смеси свободной воды. На выходе из сушильной печи сырцовые гранулы представляют собой сухой твердый порошок полифракционного состава. Сырцовые гранулы подаются в смеситель 6 совместно с опудривателем, поступающим со склада опудривателя 7. Опудриватель представляет собой каолин либо иной высокоплавкий материал. Смеситель 6 представляет собой гравитационный, либо тарельчатый, либо иной смеситель, где происходит смешение сырцовых гранул с опудривателем. Полученная смесь поступает в дробилку 8, где происходит дробление гранул до требуемого размера и более равномерное покрытие поверхности гранул слоем опудривателя. Готовые опудренные гранулы поступают на склад сырцовых гранул 9, откуда расходуются по мере необходимости.
В процессе прохождения через печь 10 сырцовые гранулы нагреваются до температуры 720-850°С до газообразования внутри гранул, вздутия и принятия ими сферической формы. Линейные размеры гранул увеличиваются в 1,8-2,3 раза. Готовые гранулы делятся на фракции на фракционном сепараторе 11, например, вибросито или грохот, откуда готовые гранулы пеносиликатного материала поступают на склад готовой продукции 12.
Предлагаемая комплексная технологическая линия освоена в промышленном производстве. Обеспечивает стабильно хорошее качество экологически чистой продукции - гранулированного пеносиликатного материала.
Хотя настоящая полезная модель описана посредством примеров ее выполнения, объем данной полезной модели не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой полезной модели с учетом возможных эквивалентов.
Литература
1. Демидович Б.К.Производство и применение пеностекла. Минск, Наука и техника, 1972, с. 304.
2. Демидович Б.К.Пеностекло. Минск, Наука и техника, 1975, с. 248.
3. Патент на изобретение РФ № 2079468, С04В 33/28. Способ получения керамических сфероидов / Сезонов В.В.; Иевлева Ж.И.; Лысенко А.Г.; Терещенко М.С.; Шавырин В.И.; Костин Л.И.; Крылов Ю.В. - Заявл. 23.06.94. - Опубл. 20.05.97.
4. Патент на изобретение РФ № 2158716, С 04 В 28/26. Композиция для изготовления сферических гранул для теплоизоляционного материала / Иващенко Ю.Г., Сурнин А.А., Зобкова Н.В., Павлова И.Л. Заявл. 16.02.99. Опубл. 10.11.2000
5. Патент на изобретение РФ № 2272006, МКИ С03С 11/00. Пеностеклокристаллический материал и способ его получения / А.А.Кетов, И.С.Пузанов, М.П.Пьянков, Д.В.Саулин. - Заявл. 24.08.2004. - Опубл. 20.03 2006. Бюл.№ 8.
6. А.И.Августинник. Керамика. М.: Промстройиздат. - 1957.
7. Будников П.П. Химия и технология строительных материалов и керамики. М. 1965.
8. Патент на изобретение РФ № 2154618, С04В 28/26. Способ изготовления теплоизоляционного материала на основе кремнистых пород / Ф.Л.Капустин, Е.Б.Владимирова, В.М.Уфимцев, В.В.Фурман, А.А.Писцов - Заявл. 10.11.1998. - Опубл. 20.08.2000.
9. Патент на изобретение РФ № 2323191, С04В 28/26. Способ изготовления теплоизоляционного материала / А.В.Громов - Заявл. 21.03.2006.- Опубл 27.04.2008.
10. Патент РФ № 2162825, МКИ С03С 11/00. Способ изготовления гранулированного пеностекла из стеклобоя / Г.И.Искоренко, В.П.Канаев, Г.М.Погребинский - Заявл. 13.12.1998. - Опубл. 10.02.2001.
11. Патент на полезную модель РФ № 10169, МКИ С03С 11/00. Комплексная технологическая линия производства гранулированного пеностекла из стеклобоя / Г.И.Искоренко, В.П.Канаев. Г.М.Погребинский - Заявл. 15.12.1998.
12. Патент РФ на полезную модель № 76335, МКИ С03С 11/00. Технологическая линия производства гранулированного пенокерамического материала / А.А.Кетов, А.В.Конев, А.И.Пузанов, И.С.Пузанов, Д.В.Саулин. - Заявл. 28.04.2008. - Опубл. 20.09.2008. Бюл. № 26.
13. Патент РФ на изобретение № 2263084, МКИ С04 В 28/26. Способ изготовления пористого заполнителя / В.В.Иваницкий, А.В.Бортников, А.Ф.Бурьянов, Ю.В.Гудков, Н.А.Сапелин. - Заявл. 20.02.2002. - Опубл. 27.10.2005.
14. Патент РФ на изобретение № 2329986, МКИ С04В 28/26. Способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Л.Г.Федяева, С.В.Алешин, И.О.Матвеев, Д.А.Терехин. - Заявл. 22.08.2008. - Опубл. 27.07.2008.
15. Патент на изобретение РФ № 2344108, С04В 38/00. Неорганический бинарный гранулированный пеноматериал и способ его получения / Ю.А.Куликов, С.Ю.Никонов, Л.В.Андреевская, В.Б.Крюковский, - Заявл. 26.07.2006. - Опубл. 20.01.2009.
16. Патент РФ на полезную модель № 100073, МКИ С04В 38/00. Технологическая линия производства гранулированного пенокерамического материала / О.А.Бубенков, А.А.Кетов, П.А.Кетов, С.В.Лобастов. - Заявл. 09.08.2010. - Опубл. 10.12.2010. Бюл. № 34. (прототип)