СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ БЛОКОВ
METHOD OF MAKING HEAT-INSULATION BLOCKS

Изобретение относится к производству теплоизоляционных строительных материалов с закрытой пористостью, аналогичных пеностеклу.
Известна широко применяемая в промышленности технология производства пеностекла, которая включает варку стекла специального состава, его помол для получения тонкодисперсной шихты, вспенивание шихты при температуре не менее 700°C, то есть при температуре размягчения стекла, до вязкотекучего состояния, что обеспечивает получение закрытых пор со стенками, состоящими из стеклофазы с кристаллическими включениями. Молотое стекло получают из специально сваренной стекломассы (US, 4192664, кл. C03B 19/08, 1980 г.).
Известна также технология получения пеностекла из покупного боя оконного, тарного и других стекол путем его помола и последующего вспенивания (US, 4198224, кл. C03B 19/08,1980 г.).
Недостатком известных технологий получения пеностекла является дороговизна основного сырья - специально сваренного стекла, либо покупного стеклобоя, обусловленная энергоемкостью и капиталоемкостью варки стекла при температуре 1500-1600°C, а также энергоемкостью процесса помола стекла. Это обуславливает высокую себестоимость пеностекла, экономически ограничивающую его применение в строительстве, несмотря на уникальные потребительские свойства.
Направлением расширения сырьевой базы производства вспененных стеклокристаллических материалов стало использование экономически доступных кремнистых осадочных пород - диатомитов, опок, трепелов, содержащих высокодисперсный опал, активно реагирующий с щелочными реагентами уже при низких температурах, что позволяет получить необходимую для образования закрытых пор стекловидную матрицу при температурах вспенивания материала (700-900°C), что позволяет снизить энергозатраты на стекловарение и помол.
Существенным недостатком технологий, использующих в качестве щелочного компонента сырья раствор едкого натра, является высокая стоимость едкого натра в качестве источника оксида натрия по сравнению с кальцинированной содой, используемой в производстве стекла и силикат-глыбы.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является и способ получения строительного материала на основе пеностекла / Патент РФ №2348596, кл. C04B 38/00, публ. 10.03.2009/.
Описанный способ получения строительного материала включает смешение кремнеземсодержащего компонента с суммарным содержанием опала не менее 20%, щелочного компонента, в виде раствора гидроксида натрия, и воды, при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,50 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 2,0, получение гомогенной силикатной массы, заполнение силикатной массой формы, нагрев ее до температуры вспучивания, охлаждение вспученной силикатной массы до температуры окружающей среды и извлечение из формы готового строительного материала. Перед заполнением формы силикатную массу подвергают предварительному вспучиванию путем нагрева ее до температуры вспучивания, охлаждению и измельчению, при этом охлаждение вспученной массы перед извлечением ее из формы осуществляют с постепенным снижением температуры, обеспечивающим разницу температур на поверхности и в центре вспученного материала, исключающую образование трещин в материале, со скоростью 0,06-2,0°C/мин, температура вспучивания силикатной массы находится в интервале температур от 450°C до 900°C.
Недостатком известного способа получения строительного теплоизоляционного гранулированного материала является использование в качестве щелочного компонента дорогого сырья, например гидроксида натрия, стоимость которого в пересчете на оксид натрия существенно больше, чем при использовании щелочного компонента, произведенного на основе кальцинированной соды, например силикат-глыбы. Высокая стоимость щелочного компонента ведет к тому, что сырьевая составляющая материала превышает стоимость покупного стеклобоя, используемого при классической технологии производства пеностекла с близкими потребительскими свойствами. Помимо этого, известная технология сложна, так как предусматривает промежуточные операции сушки, дробления и термообработки, что ведет к повышению капитальных затрат и энергетических издержек, поскольку не позволяет в полной мере реализовать основные преимущества используемого кремнеземсодержащего сырья - распространенность, экономическую доступность и высокую реакционную способность.
Технической задачей является упрощении технологии, расширение сырьевой базы, снижение стоимости продукции при сохранении заданных свойств теплоизоляционного материала на основе широко распространенных кремнистых пород.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе изготовления теплоизоляционных блоков, включающем приготовление гомогенной формовочной массы путем смешения кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды, формование сырцовых гранул, сушку и высокотемпературное вспенивание сырцовых гранул, согласно изобретению, предварительно готовят связующий раствор путем совместного мокрого помола силикат-глыбы с силикатным модулем 1-3 и кремнеземсодержащего компонента при соотношении сухих компонентов 1:1-1:5 и водотвердом отношении 1:1,2-1:4 и температуре 70-110°C до полного растворения силикат-глыбы, после чего в связующий раствор добавляют кремнеземсодержащий компонент до получения формовочной массы влажностью W5-35%, после чего производят гранулирование ее, сушку, после этого сырцовые гранулы помещают в форму и нагревают до температуры вспенивания с последующим отжигом при охлаждении со скоростью не более 4°C в минуту.
Предлагаемый способ отличается от известного составом компонентов и последовательностью технологических операций, а именно тем, что предварительно готовят связующий раствор путем совместного мокрого помола силикат-глыбы с силикатным модулем 1-3 и кремнеземсодержащего компонента при соотношении сухих компонентов 1:1-1:5 и водотвердом отношении 1:1,2-1:4 и температуре 70-110°C до полного растворения силикат-глыбы, после чего в связующий раствор добавляют кремнеземсодержащий компонент до получения формовочной массы влажностью W5 - 35%, после чего производят гранулирование ее, сушку, после этого сырцовые гранулы помещают в форму и нагревают до температуры вспенивания с последующим отжигом при охлаждении со скоростью не более 4°C в минуту.
Предлагаемый способ получения материала основан на максимальном использовании реакционной способности опаловых кремнеземистых пород, вступающих в реакцию с щелочным компонентом на основе силиката натрия в ходе совместного помола и растворения, что дополнительно активизирует химическое взаимодействие компонентов за счет эффекта механоактивации.
В качестве щелочного компонента, составляющего главную часть сырьевых издержек, используют силикат-глыбу, которую получают через кальцинированную соду.
Щелочной компонент используется для растворения опала кремнеземсодержащего компонента, что позволяет увеличить количество, концентрацию и силикатный модуль раствора силиката натрия в жидкой фазе связующего раствора и, таким образом, снизить потребность в щелочном компоненте при сохранении свойств теплоизоляционного материала.
Предлагаемый способ упрощает технологию получения пеностекла и позволяет исключить энергозатратные операции промежуточной сушки, термообработки, предварительного вспучивания и дробления полуфабриката, за счет получения пластичной формовочной массы, приготовленной путем смешения связующего раствора с дополнительным количеством кремнеземсодержащего компонента, обеспечивающим получение оптимальной влажности и, соответственно, вязкости массы.
При отношении в связующем растворе щелочного и кремнеземсодержащего компонентов более чем 2:1 недопустимо растут сырьевые издержки и снижается химическая стойкость материала, недостаточно используется реакционная способность кремнеземсодержащего компонента, позволяющая перевести аморфный кремнезем кремнистой породы в силикат натрия с повышенным силикатным модулем.
При отношении щелочного и кремнеземсодержащего компонента менее чем 1:5 содержание стекловидной фазы после термообработки становится недостаточным для обеспечения закрытого характера пористости и высокой прочности материала.
Соотношение воды и твердых компонентов в сырьевой смеси выбирается, исходя из необходимости обеспечения достаточно низкой вязкости сырьевой смеси на стадии получения связующего раствора, но при этом минимизировать количество сухого трепела, используемого для снижения влажности смеси на стадии получения формовочной массы.
Оптимальное соотношение воды и твердых компонентов зависит от состава кремнеземсодержащего компонента, силикатного модуля силикат-глыбы и выбранного технологического режима.
При содержании воды выше указанного предела становится невозможным обеспечить достаточное содержание в формовочной массе оксида натрия, необходимое для получения минимально необходимой стеклофазы, при обеспечении заданной влажности формовочной массы.
При содержании воды ниже указанного предела сырьевая смесь не пригодна для мокрого помола и гомогенизации в связи с высокой вязкостью и не обеспечивает количество жидкой фазы, необходимое для протекания реакции образования силикатов.
Рекомендуется использовать отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонента к воде в оптимальном диапазоне от 1:1,5 до 1:2,2.
Температурный диапазон получения связующего раствора связан с необходимостью ускорить реакции образования силикатов на границе жидкой и твердой фаз, что позволяет снизить длительность гидротермальной обработки сырьевой смеси, но в то же время не превысить температуру кипения реакционной смеси при атмосферном давлении, что позволяет упростить технологию, не используя аппаратуру, работающую при повышенном давлении.
При температуре ниже 70°C скорость образования силикатов недопустимо снижается, снижая производительность оборудования, верхний предел температуры 120°C определяется температурой кипения концентрированных растворов силиката натрия.
Строительный материал согласно изобретению имеет однородную структуру и равномерную пористость, в нем отсутствуют пустоты, уплотнения и другие дефекты. Высокая пористость, небольшие размеры пор и однородная структура обеспечивают материалу показатели плотности, прочности на сжатие, коэффициента теплопроводности на уровне более дорогих аналогов.
Способ реализуют следующим образом.
Готовят связующий раствор на основе части кремнеземистой породы, силикат-глыбы и воды, взятых в следующих массовых отношениях: силикат-глыба/кремнеземистая порода - от 1:1 до 1:3, вода/ твердая фаза - от 1:5 до 1:1, а также, при необходимости, вспенивающий компонент (пенообразователь) на основе углерода.
Твердые компоненты и вода загружаются в шаровую мельницу или аттритор мокрого помола, где проводится совмещенная технологическая операция помола, смешения, растворения и гидротермальной обработки реакционной смеси, проходящая в течение 0,5-3 часа при температуре 70-110°C. В ходе совмещенной обработки происходят следующие процессы:
- Механическое усреднение смеси и дополнительный помол компонентов;
- Разогрев смеси за счет химического растворения компонентов и механического перемешивания;
- Растворение гранул силикат-глыбы в жидкой фазе раствора с образованием коллоидного раствора силиката натрия;
- Химическое растворение входящего в состав кремнеземистой породы высокодисперсного опала (аморфного кремнезема) с щелочной жидкой фазой раствора, за счет реакции силикатообразования, в ходе которой кремнезем переходит в состав жидкой фазы раствора.
Отличительной особенностью способа является использование силикат-глыбы в качестве щелочного реагента для растворения опала кремнеземистой породы. Растворение аморфного кремнезема увеличивает общее количество и концентрацию кремнезема в жидкой фазе связующего раствора, а также ее силикатный модуль (молярное отношение кремнезема к двуокиси натрия). Это увеличивает объем жидкой фазы и связующую способность связующего раствора, повышает гидролитическую стойкость конечного материала (пеностеклокерамики), позволяет использовать силикат-глыбу с минимальным силикатным модулем (начиная с ортосиликата) и существенно снизить расход силикат-глыбы, как наиболее дорогого сырьевого материала, на единицу конечного продукта.
Полученный связующий раствор используется для приготовления вязкой формовочной массы, для чего вместе с дополнительным количеством кремнеземистой породы (помещается в смеситель, приспособленный для смешения вязких и пастообразных смесей, и) перемешивается до получения однородной пасты с вязкостью, необходимой для пластического формования сырцовых гранул (на грануляторе выбранной конструкции). Соотношение связующего раствора и кремнеземистой породы выбирается, исходя из необходимой технологической вязкости формовочной массы.
Для получения сырцовых гранул формовочная масса подвергается операции гранулирования путем пластического формования, в том числе (например) методом экструзии (шнековый гранулятор), таблетирования (гранулятор формования), протирки и продавливания через перфорированную пластину или любым аналогичным способом, позволяющим получить сырцовые гранулы определенного размера.
Размер сырцовых гранул выбирается, исходя из требуемой величины гранул конечного материала после вспенивания, а при изготовлении блочного материала - исходя из удобства дозирования и заполнения формы, и составляет от 1 до 10 мм. Высушенные сырцовые гранулы помещают в формы из жаростойкой стали и проходят вспенивание в туннельных печах, перегружаются в печь отжига, после которого подвергаются механической обработке, упаковке и поступают на склад готовой продукции.
Пример
2
2
3
2
3
В качестве кремнеземсодержащего компонента используют диатомит природного происхождения следующего химического состава, мас.%: SiO - 77,5; AlO - 10,3; CaO - 1,3; FeO - 3,8; прочие - 7,1.
Минералогический состав диатомита, мас.%:
опал
55,0
кварц
12,5
цеолит
4,9
монтмориллонит
19,0
слюда
3,5
плагиоклаз+ортоклаз
5,1
2
2
В качестве щелочного компонента используют силикат-глыбу следующего химсостава, мас.%: SiO - 77,5; NaO - 10,3; прочие - 7,1.
Кремнеземистый компонент прошел предварительную подготовку, которая заключалась в сушке в сушильной камере при температуре 100°C до влажности 3-5%, дроблении до фракции 2-3 мм и измельчении с помощью мельницы до размера 100 мкм.
Затем был приготовлен связующий раствор. Для этого кремнеземсодержащий и щелочной компоненты в массовом отношении 1:1, и вспенивающая добавка - технический углерод в количестве 1% от веса твердых компонентов, были смешаны с водой температурой 80°C при массовом отношении воды к твердым компонентам 1: 2,5, и помещены в барабан шаровой мельницы, где подвергались помолу в течение 3 часов при температуре 70-90°C.
Полученный связующий раствор был смешан с дополнительной порцией кремнеземсодержащего компонента при отношении 0,5:1 к безводной массе связующего раствора до получения пластичной формовочной массы.
Высушенные гранулы были помещены в металлическую форму с крышкой, помещены в муфельную печь и нагреты со скоростью 10°C/мин до температуры вспенивания 760°C, выдержаны при температуре вспенивания в течение 30 минут, охлаждены до температуры 600°C со скоростью 2°C/мин, после чего нагреватели печи были отключены.
3
2
Полученный теплоизоляционный материал представляет собой блок с равномерной пористостью размером 1-3мм, объемная плотность материала - 210 кг/м, прочность на сжатие - 1,2-1,5 МПа (12-15 кг/см), теплопроводность 0,45-0,47 Вт/(м°C), водопоглощение - не более 2%.
Полученный блочный материал может быть использован для теплоизоляции зданий, сооружений и технологического оборудования, устройства теплых кровель с повышенными показателями долговечности и огнестойкости.