СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА - ПЕНОСТЕКЛА И ШИХТА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING HEAT-INSULATING MATERIAL - FOAM GLASS AND MIXTURE FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение оносится к строительной индустрии и теплоэнергетике, в частности к производству пеностекла, используемого как строительный теплоизоляционный материал, а также как теплоизоляционный материал для тепловой изоляции производственного оборудования, холодильных установок и трубопроводов.
3
2
Известна композиция для изготовления теплоизоляционного материала, в которой использованы трепел, диатомит или опока в качестве кремнеземсодержащего компонента, оксид, сульфат или хлорид цинка в качестве цинкосодержащей добавки, гидроксид натрия и водопроводная вода. Способ получения материала заключается в смешивании компонентов до получения гомогенной силикатной массы. Полученной силикатной массой заполняют форму, нагревают ее до температуры 350-400°С, при которой наблюдается вспучивание массы, с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из форм готового материала. Получаемый материал имеет плотность 134-302 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,074-0,098 Вт/(м⋅°С) и прочность при сжатии от 2 до 10 кгс/см (0,2-1,0 МПа) (см. патент РФ №2053984, МПК С04В 38/02, опубл. 10.02.1996 г.).
Недостатком известного аналога является то, что результаты достигнуты при высоком значении отношения щелочного компонента к кремнеземсодержащему компоненту в исходной смеси (0,4-0,5), а вспучиванию подвергают силикатную массу высокой влажности, что в целом способствует удорожанию пеностекла и невысокому качеству из-за неоднородной пористости.
3
Известен состав гранулированного пеностекла, содержащий следующие компоненты, мас. %: шлак ТЭС 55-70; борную кислоту 10-20; мел 1-5; стеклобой 14-25. Шихту для пеношлакостекла готовят путем тонкого измельчения и смешивания шлака ТЭС, борной кислоты, порообразователя (антрацита) и стеклобоя в шаровой мельнице. Затем производят грануляцию шихты на тарельчатом грануляторе с орошением ее водным раствором растворимого стекла с последующей сушкой на ленточно-сетчатой сушилке при температуре 400°С. Температура вспенивания пеношлакостекла составила 850-870°С. Плотность синтезированных пеношлакостекол составила 385-378 кг/м, предел прочности 1,0-1,16 МПа, водопоглощение 17,97-37,0%. Недостатками вышеуказанной смеси являются повышенные показатели плотности и водопоглощения, что ухудшает теплоизоляционные показатели пеношлакостекла (см. патент РФ №2515520, МПК С03С 11/00, опубл. 10.05.2014 г.).
Известен способ получения строительного материала, который включает смешение кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды при указанном их соотношении, заполнение массой формы и нагрев до температуры вспучивания с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из формы. Массу перед заполнением формы подвергают температурному воздействию до остаточной влажности менее 5 мас. %, измельчению до размера не более 100 мкм, обеспечивающему размер пор менее 3 мм, после заполнения формы - нагреву до 600°C с частичной дегидратацией, затем нагреву до температуры вспучивания - 650-900°С, остыванию по режиму: до 580°С со скоростью не выше 2°С/мин, до 250°С - не выше 8°С/мин, до 20°С - не выше 1,5°С/мин. Вспучивание осуществляют за счет окончательного удаления химически связанной воды в диапазоне температур 650-900°С.
3
Получаемый материал имеет плотность 70-400 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,035-0,14 Вт/(м⋅°С) и прочность при сжатии от 0,1 до 10 МПа (см. RU №2300506, МПК С03С 11/00, опубл. 08.05.2007 г.).
К недостаткам способа получения строительного материала относятся: повышенный расход дорогостоящего щелочного компонента, так как отношение содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента в максимуме составляет 0,40; большие энергозатраты из-за громадной суммарной продолжительности многоступенчатой термической обработки в течение 40-52 часов перед вспучиванием; многоступенчатая и длительная термообработка перед обжигом при организации производства потребует обширных площадей под термические установки; значительный разброс показателей свойств материала при использовании широкого спектра пород с различным фазовым и химическим составом; отсутствие в аналоге сведений о показателе водопоглощения, что не позволяет объективно характеризовать поровую структуру строительного материала, которая влияет на теплопроводность и морозостойкость материала; снижение химической, в частности гидролитической устойчивости материала, которое возможно из-за высокого содержания щелочного компонента в стекле.
3
Известен способ получения строительного материала, предусматривающий смешивание кремнеземсодержащего и щелочного компонентов и воды при указанном их соотношении, сушку, измельчение смеси, заполнение измельченной массой формы и охлаждение. В качестве кремнеземсодержащего компонента используют смесь цеолитовой породы и вулканического стекла, компоненты которой перед смешиванием со щелочным компонентом и водой подвергают раздельному помолу в вибрационной мельнице до размеров частиц не более 100 мкм. Далее проводят сушку цеолитовой породы при температуре 200-300°С в течение 0,25 часа, затем сушку вулканического стекла при температуре 315-335°С в течение 0,15 часа, а после сушки и измельчения силикатной массы производят нагрев с выдержкой при температурах 40-60°С и 240-260°С. Затем осуществляют нагрев до температуры 600-650°С со скоростью не более 7-8°С/мин, после чего нагревают со скоростью не более 5-6°С/мин до температуры вспучивания, находящейся в интервале от 765 до 835°С. Охлаждение вспученной силикатной массы осуществляют путем резкого понижения температуры вспучивания на 100-150°С, после чего производят отжиг до температуры 60°С со скоростью не более 0,5-0,6°С/мин. Отношение содержания гидроксида натрия к содержанию пород в силикатной массе в отличие от известного аналога находится на уровне 0,205-0,235. Получаемый материал имеет плотность 285-570 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,08-0,14 Вт/(м⋅°С) и прочность при сжатии от 1,4 до 13 МПа (см. патент RU №2503647, МПК С04В 38/08, опубл. 10.01.2014 г.).
К недостаткам известного способа получения строительного материала относятся: повышенный расход дорогостоящего щелочного компонента; повышенные энергозатраты и трудоемкость из-за необходимости термоактивации каждой из пород перед смешиванием.
Заявителю также известны аналогичные решения на изобретения: патент РФ №2470879, МПК С03С 11/00, опубл. 27.12.2012 г.; патент РФ №2500631, МПК С03С 11/00, опубл. 10.12.2013 г.; патент РФ №2500632, МПК С03С 11/00, опубл. 10.12.2013 г.; патент РФ №2515520, МПК С03С 11/00, опубл. 10.05.2014 г.; Казьмина О.В., Кузнецова Н.А., Верещагин В.И., Казьмин В.П. / Получение пеностекольных материалов на основе золошлаковых отходов тепловых электростанций // Известия Томского политехнического университета, 2011 г., Т. 319. №3, с. 52-56; патент 2369571, МПК С03С 11/00, опубл. 10.10.2009 г.; патент 2484029, МПК С03С 11/00, опубл. 10.06.2013 г.; патент РФ №2272007, МПК С03С 11/00, опубл. 20.03.2006 г.; Иваненко В.Н. Строительные материалы и изделия из кремнистых пород / Киев: Будiвельнiк, 1978. - 120 с.; патент РФ №2051869, МПК С03С 11/00, опубл. 10.01.1996 г.
2
2
3
2
3
3
2
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ получения строительного материала, предусматривающий смешение кремнистой породы, щелочи и воды с получением гомогенной массы, ее выдержку для образования гидросиликатов и последующий обжиг. Способ предусматривает использование кремнистой породы состава, мас. %: SiO 30-98, ALO до 20, FeO до 8, СаО до 25, MgO до 8, осуществление ее сушки и термообработки при 250-700°С в течение не менее 0,5 часа, измельчение до фракции менее 5 мм. Смешивают при следующем соотношении компонентов, мас. %: кремнеземсодержащий компонент 60-98, щелочь 2-40, вода 0-100 от массы сухих компонентов. Указанную выдержку осуществляют при температуре от 0 до 150°С в течение не менее 0,2 часа, затем проводят сушку и термообработку при 250-700°С в течение не менее 0,5 часа. Для получения конструкционного материала термообработку кремнистой породы (опоки, трепела, диатомиты, спонголиты, радиоляриты и др.) осуществляют при 350-700°С, соотношение компонентов составляет (мас. %): кремнистая порода 92-98, щелочь 2-8 и дополнительно вводят минеральный пигмент сверх 100% в количестве 0-10 мас. %. Затем полученную смесь гранулируют или укладывают в форму, на поддон или на полотно конвейера, осуществляют указанную выдержку, сушку, термообработку при температуре 350-700°С в течение не менее 0,5 ч и обжиг при температуре 800-1300°С в течение 0,2-12 ч. В результате получен конструкционно-теплоизоляционный материал со следующими характеристиками: плотность 400 кг/м, водопоглощение при полном погружении за сутки - менее 2% (по объему), морозостойкость - 100 циклов, теплопроводность - 0,1-0,12 Вт⋅м/град⋅К, прочность на сжатие - не менее 60 кг/см. Полученный материал рекомендуется использовать для получения блоков, сегментов и кирпича, а также в виде гранул.
3
В патенте по прототипу предложена технология получения гранул: шихта (смесь) после смешивания компонентов закатывается в гранулы диаметром 5-10 мм на тарельчатом грануляторе, которые выдерживаются, высушиваются и термообрабатываются при 300-350°С в течении 6 часов, затем вспучиваются во вращающейся или в конвейерной печи при 700-750°С в течение менее 0,5 часа. Насыпная плотность составляет 200-250 кг/м.
3
2
3
2
В изобретении по прототипу для получения конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного материала термообработку сырья ведут при 250-450°С, соотношение компонентов составляет (мас. %): кремнистая порода 60-91, щелочь 9-40 и вводят дополнительно минеральный пигмент сверх 100% в количестве 0-10 мас. %, после указанной выдержки, сушки осуществляют дробление до фракции менее 5 мм, термообработку при 250-650°С в течение не менее 0,5 ч и обжигают при 660-1000°С в течение 0,2-12 ч. Так, при термообработке сырья при 300°С в течение 8 часов, далее - дроблении до фракции 0,5 мм и смешивании с водным раствором щелочи в соотношении 80 мас. % порошка кремнистой породы с 20% водного раствора щелочи в пересчете на сухие компоненты, выдержке в течение 2 часов при 60°С, сушке при температуре 300°С в течение 6 часов, дроблении до величины фракции 0,5-1,0 мм, повторной термообработке при температуре 300°С в течение 8 часов и вспучивании обжигом при температуре 680°С в течение 6 часов получены теплоизоляционные материалы со следующими характеристиками: плотность 180-200 кг/м, водопоглощение менее 5%, морозостойкость 100 циклов, теплопроводность 0,06-0,07 Вт⋅м/град⋅К и прочность на сжатие - 15-25 кг/см. За счет дополнительного введения до 90 мас. % измельченных металлической руды, кокса, графита, промышленных отходов (твердого остатка с мусоросжигающих заводов, отходов металлургического производства и т.п.) получен конструкционный материал со следующими характеристиками: плотность 1500-2000 кг/м, прочность на сжатие 2600-3000 кг/см, твердость по Моосу 5,5, водопоглощение - до 0.
3
2
При использовании в качестве заполнителя различных песков, например, при введении около 70% барханного кварцевого песка получен конструкционный материал со следующими характеристиками: плотность 1900-2300 кг/м, прочность на сжатие 560-720 кг/см, водопоглощение менее 5%, твердость по Моосу 5,5.
3
В изобретении по прототипу с использованием магнетитового порошка - рудного концентрата Лебединского месторождения Курской области получен композитный материал. Кремнистое сырье измельчают и термообрабатывают при температуре 400-450°С в течение 8 часов, после чего смешивают с водным раствором щелочи в соотношении 92 мас. % порошка кремнистой породы с 8 мас. % водного раствора щелочи в пересчете на сухие компоненты. В полученной смеси (шихте) используется вода в количестве 40 мас. % от массы сухих компонентов. При смешивании компонентов добавляют 60% порошка рудного концентрата и полученную массу укладывают в формы. После проведения реакции силикатообразования при комнатной температуре в течение 1 часа шихта высушивается, термообрабатывается при температуре 350°С в течение 6 часов до полного удаления физической и химической воды и обжигается при 1100°С в течение 4 часов. В результате получен материал плотностью 4200 кг/м, твердостью по Моосу 6 (см. патент RU 2333176, МПК С04В 28/26, С04В 111/20, опубл. 10.09.2008 г.).
К недостаткам известного способа получения строительного материала по прототипу относится большой расход дорогостоящего щелочного компонента, способствующий удорожанию материала (по патену №2333176 (прототип) содержание щелочи доходит до 40%).
Повышенная влажность шихты (до 40%) потребует значительных энергозатрат при удалении влаги во время термообработки. Материал получают в диапазоне высоких температур, максимум которых доходит до 1300°С для конструкционного материала, до 1000°С для конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного материала и до 1300°С для композитного материала, что связано с отсутствием в шихте плавней, кроме щелочного компонента.
Кроме того, виды кремнистого сырья, заявленного в изобретении по прототипу (опоки, трепела, диатомиты, спонголиты, радиоляриты, имеющие в своем составе 30-90% аморфного кремнезема), а также рудный концентрат, металлическая руда, кокс, графит и др. не являются повсеместно распространенными, что ограничивает практическое применение предлагаемых в прототипе технических решений при организации промышленного производства, особенно в отношении получения конструкционно-теплоизоляционного, теплоизоляционного или композиционного материала.
Вызывает сомнение утверждение авторов изобретения по прототипу, что при одинаковом соотношении компонентов из сырья одного и того же месторождения за счет разных режимов термообработки можно получать материалы, отличающиеся по своим характеристикам. Представляется целесообразным подбирать оптимальные соотношения компонентов шихты, чтобы обеспечивать стабильные режимы термообработки и получение материалов с заданными свойствами, а не менять каждый раз режимы обжига: то, что хорошо на уровне поисковых исследований, не всегда хорошо для реального производства.
Заявляемая группа изобретений направлена на решение единой задачи, заключающейся в моделировании составов шихты для изготовления и способа получения теплоизоляционного материала - пеностекла на основе кремнистого сырья - отходов потребления стеклотары, а именно стеклобоя тарного, и золошлаковых отходов в виде золошлака - продукта мокрого удаления при сгорании угля на предприятиях теплоэнергетики ТЭЦ.
Технический результат заявляемой группы изобретений - расширение сырьевой базы для получения теплоизоляционного материала - пеностекла за счет вовлечения в сферу материального производства стеклобоя тарного и многотоннажных отходов ТЭЦ - золошлаков и, как следствие, снижение экологической нагрузки на окружающую среду; снижение себестоимости теплоизоляционного материала за счет сокращения расхода щелочного компонента в результате использования в качестве кремнистого сырья смесей стеклобоя тарного и термически обработанного золошлака; снижение энергозатрат и трудоемкости производства за счет того, что предварительной термической обработке подвергается не вся шихта, а только один из компонентов шихты, а именно золошлак; улучшение физико-механических и эксплуатационных характеристик пеностекол за счет предварительной термической обработки золошлака, комплексного использования тонкоизмельченных стеклобоя тарного и термообработанного золошлака.
Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в способе получения теплоизоляционного материала - пеностекла, предусматривающем смешение кремнистой породы, щелочного компонента и воды при указанном их соотношении с получением гомогенной массы, ее выдержку для образования гидросиликатов, сушку и термообработку, измельчение и смешение смеси, ее грануляцию и укладку гранулята в форму, на поддон или на полотно конвейера, охлаждение, согласно изобретению в качестве кремнистого сырья используют смесь стеклобоя тарного и золошлака, которые перед смешиванием со щелочным компонентом и водой подготавливают раздельно: стеклобой тарный после дробления до размеров 1-2 мм подвергают помолу в вибрационной мельнице до размеров частиц не более 100 мкм, а золошлак мелкой фракции не более 2 мм подвергают термообработке при температуре 450-550°С в течение не более 1 часа, а после термообработки золошлак охлаждают и измельчают в вибромельнице до размеров частиц не более 80 мкм, после чего в смесь шихты, состоящую из дозированных порций тонкоизмельченных стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака, в качестве щелочного компонента вводят водный раствор гидрооксида натрия и жидкое стекло в установленных количествах, а после тщательного перемешивания всех компонентов смеси шихты из отдозированных порций силикатной массы формуют в пресс-формах сырцовые образцы, которые нагревают до температуры обжига, находящейся в интервале от 875 до 905°С со скоростью не более 7-8°С/мин, при этом охлаждение вспученной силикатной массы осуществляют путем резкого понижения температуры вспучивания на 100-150°С, после чего производят отжиг до температуры 60°С со скоростью не более 0,5-0,6°С/мин.
Для реализации предложенного способа в предлагаемой шихте для получения теплоизоляционного материала из блочного пеностекла, содержащей кремнистое сырье, щелочной компонент и воду, согласно изобретению в качестве кремнистого сырья содержит смесь стеклобоя тарного и термически активированного золошлака, а в качестве щелочного компонента гидроксид натрия и жидкое стекло, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Стеклобой тарный
48,70-66,40
Золошлак, термически
активированный
22,10-39,80
Гидроксид натрия
7,08-8,90
Жидкое стекло
2,60-4,42
Вода
14,82-18,18 от массы сухих компонентов,
при этом отношение массы щелочных компонентов из гидроксида натрия и жидкого стекла к массе смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака находится в пределах 0,13-0,14, а отношение содержания жидкой фазы из жидкого стекла и воды к суммарному содержанию стеклобоя тарного, термоактивированного золошлака, гидроксида натрия составляет 0,195-0,209.
В предлагаемом изобретении так же, как и в прототипе (см. патент RU 2333176, МПК С04В 28/26, С04В 111/20, опубл. 10.09.2008 г.) применяются кремнистое сырье, щелочной компонент - гидроксид натрия и воду при установленном их соотношении, но в отличие от прототипа в предлагаемом способе в качестве кремнистого компонента используют смесь стеклобоя тарного и золошлака, термически активированного, а в качестве щелочного компонента гидроксид натрия и жидкое стекло, что способствует снижению расхода дорогостоящего щелочного компонента. Так, благодаря использованию в смеси шихты стеклобоя тарного - плавня, содержащего до 14-15% оксида щелочного металла и 100% готовой стеклофазы в сочетании с термоактивированным золошлаком, максимальное отношение содержания щелочных компонентов (гидроксида натрия и жидкого стекла) к содержанию кремнеземистого компонента в предлагаемом изобретении составило 0,13-0,14 (а по прототипу 0,25).
3
Так, в прототипе при получении теплоизоляционного материала с плотностью 180-200 кг/м соотношение содержания водного раствора щелочи в пересчете на сухие компоненты к содержанию кремнистой породы составляет 1:4. Очевидна также трудоемкость получения материала: термообработка сырья при 300°С в течение 8 часов, далее - дробление до фракции 0,5 мм и смешивание с водным раствором щелочи в вышеуказанном соотношении, выдержка в течение 2 часов при 60°С, сушка при температуре 300°С в течение 6 часов, дробление до величины фракции 0,5-1,0 мм, повторная термообработка при температуре 300°С в течение 8 часов и вспучивание обжигом при температуре 680°С в течение 6 часов, что способствует росту энергозатрат производства и удорожанию синтезируемого материала. Необходимость многократной термообработки, вероятно, связана с недостаточным уровнем измельченности кремнистой породы в прототипе, ибо тонкость помола главным образом предопределяет кинетику химических реакций.
Как и в прототипе, в предлагаемом изобретении кремнеземистый компонент смешивают со щелочным компонентом и водой, но при этом в предлагаемом способе в качестве щелочного компонента кроме гидроксида натрия используют жидкое стекло, которому отведена роль одновременно плавня и технологической связки. Экспериментально установлено, что введение жидкого стекла в количестве 2-5 мас. % от массы сухих компонентов на уровне смешивания позволило повысить прочность увлажненных сырцовых образцов перед обжигом. В результате экспериментальных исследований установлено, что количество воды затворения в предлагаемом изобретении составляет 14,82-18,18 мас. % от массы сухих компонентов, а по прототипу 100 мас. %, что подразумевает в прототипе достаточно высокие энергозатраты на удаление физически связанной влаги из структуры синтезируемого материала.
В предлагаемом изобретении выбрано оптимальное отношение содержания жидкой фазы из жидкого стекла и воды к суммарному содержанию сухих компонентов, равное 0,2-0,22, тогда как по прототипу это отношение жидкой фазы воды к суммарному содержанию сухих компонентов равно 1, что также указывает на избыточную влагу, на удаление которой потребуются дополнительные энергозатраты.
Как и в прототипе, предлагаемое изобретение позволяет получить теплоизоляционный материал - пеностекло непосредственным вспучиванием силикатной массы, но при этом в предлагаемом способе благодаря комплексному использованию стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в результате экспериментальных исследований установлена максимальная температура обжига, которая находится в пределах 875-905°С для получения блочного теплоизоляционного материала по сравнению с прототипом, в котором максимальная температура обжига достигает 1000°С. Это можно объяснить тем, что в стеклобое тарном и золошлаках содержатся стеклофаза и щелочные оксиды, а также тем, что в предлагаемом изобретении сырьевые компоненты подвергаются тонкому помолу до 80 мкм - золошлак и до 100 мкм - стеклобой тарный. По прототипу используют кремнистые породы, измельченные сначала до фракции 5 мм, а затем перед смешиванием со щелочным компонентом до фракции менее 0,5-1 мм. Такая тонина помола, на наш взгляд, недостаточна для кинетики реакций силикатообразования.
Снижение температуры обжига в предлагаемом изобретении кроме сокращения энергозатрат способствует сокращению расхода жаростойкой стали для внутрипечного транспорта и оборудования.
Кроме того предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что вспученная масса с целью фиксации объема подвергается стабилизации, которая заключается в резком снижении максимальной температуры обжига на 100…150°С. Без применения в прототипе указанного процесса вспененная силикатная масса, как правило, продолжает по инерции возрастать в объеме, а ячейки в стекломассе в это время коалесцируют и увеличиваются в объеме, формируя в итоге материал с неравномерно распределенными и сообщающимися порами, что весьма нежелательно для теплоизоляционного материала.
Таким образом, реализация заявленной группы изобретений позволяет создать новый теплоизоляционный материал - пеностекло.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - состав шихты из кремнеземистого сырья для получения теплоизоляционного материала предназначен для использования в другом заявленном объекте группы - способе получения теплоизоляционного материала - пеностекла с заявленной совокупностью отличительных признаков, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Из уровня техники по научно-технической литературе и патентной документации заявителю не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым.
В заявленных композициях предлагаемого способа получения теплоизоляционного материала - пеностекла и шихты для его изготовления использованы стеклобой тарный и золошлаковые отходы ТЭЦ г. Улан-Удэ, химический состав которых приведен в таблицах 1 и 2.
Для выбора оптимального состава шихты для получения теплоизоляционного материала - пеностекла были приготовлены составы (см. табл. 3, 4), отличающиеся друг от друга соотношением стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака (в % по массе): 39,85; 48,70; 57,55; 66,40; 75,25, стеклобоя тарного и 13,25; 22,10; 30,95; 39,80; 48,65 термоактивированного золошлака. Содержание гидроксида натрия в составах находится в пределах 6,17-9,81%.
Предлагаемый способ получения теплоизоляционного материала - пеностекла и шихты для его изготовления с использованием стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака осуществляют следующим образом.
Стеклобой тарный после дробления до размеров 1-2 мм подвергают помолу в вибрационной мельнице до размеров частиц не более 100 мкм, а золошлак до мелкой фракции не более 2 мм подвергают термообработке при температуре 450-550°С в течение не более 1 часа, а после термообработки золошлак охлаждают и измельчают в вибромельнице до размеров частиц не более 80 мкм. Из отдозированных порций стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой смеси добавляют в качестве щелочного компонента 7,08-8,90% NaOH в виде водного раствора и 2,60-4,42% жидкого стекла, обеспечивающих отношение содержания жидкой фазы из жидкого стекла и воды к суммарному содержанию стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака, гидроксида натрия в пределах 0,195-0,209 и отношение массы щелочных компонентов из гидроксида натрия и жидкого стекла к массе смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в пределах 0,13-0,14. Полученную смесь шихты тщательно перемешивают до гомогенного состояния, после чего из отдозированных порций силикатной массы формуют в пресс-формах сырцовые образцы-кубики, которые нагревают до температуры обжига, находящейся в интервале от 875 до 905°С.
В предлагаемом изобретении вспученный материал с целью снятия внутренних напряжений подвергают отжигу, для чего его остужают вместе с печью до комнатной температуры.
В заявленном изобретении для сокращения энергозатрат и упрощения технологии получения теплоизоляционного материала - пеностекла в качестве кремнистого сырья используют доступное сырье, а именно - смесь стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака. По прототипу используют кремнистое сырье - опоки, трепела, диатомиты, спонголиты, радиоляриты, а также рудный концентрат, металлическая руда, кокс, графит и другие, которые не являются повсеместно распространенными.
В заявленном изобретении также предлагается термоподготовка одного из компонентов смеси - золошлака с целью повышения его однородности путем удаления влаги, примесных и несгоревших остатков угля, в результате чего улучшается проникновение щелочных компонентов в структуру золошлака, что в дальнейшем интенсифицирует процессы силикатообразования и поризации пеностекла. По прототипу производится термоподготовка всей порции кремнистого сырья, предварительно смешанного с водным раствором щелочного компонента, что потребует повышенных энергозатрат для удаления избыточной влаги.
В заявленном изобретении предлагается часть щелочного компонента из гидроксида натрия заменить жидким стеклом, которое, кроме интенсификации процессов силикатообразования и поризации пеностекла, играет роль временной технологической связки. Это позволяет снизить расход воды таким образом, что отношение содержания жидкой фазы (с учетом суммарного содержания жидкого стекла и воды) к суммарному содержанию стеклобоя тарного и золошлака, гидроксида натрия составляет 0,195-0,209, а по прототипу отношение содержания жидкой фазы - воды к суммарному содержанию сухих компонентов равно 1. В итоге по предлагаемому изобретению исключается избыточное увлажнение вспениваемой массы, что способствует снижению энергозатрат по сравнению с прототипом.
В предлагаемом изобретении использование смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака позволяет понизить отношение массы щелочных компонентов из гидроксида натрия и жидкого стекла к массе смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака до 0,13-0,14, а по прототипу отношение гидроксида натрия к массе сухих компонентов составляет 0,25. В результате достигается экономия дорогостоящего щелочного компонента.
В предлагаемом изобретении для стабилизации вспененной массы и фиксации объема пеностекла также производят быстрое снижение максимальной температуры на 100-150°С.
Примеры, подтверждающие получение теплоизоляционного материала - пеностекла и шихты для его изготовления, из блочного пеностекла на основе стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака.
Пример 1
Стеклобой тарный
48,70
Золошлак, термически
активированный
39,80
Гидроксид натрия
7,08
Жидкое стекло
4,42
Вода
14,82
Стеклобой тарный после дробления до размеров 1-2 мм подвергают помолу в вибрационной мельнице до размеров частиц не более 100 мкм, а золошлак до мелкой фракции не более 2 мм подвергают термообработке при температуре 450°С в течение не более 1 часа, а после термообработки золошлак охлаждают и измельчают в вибромельнице до размеров частиц не более 80 мкм. Из отдозированных порций стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой смеси добавляют в качестве щелочного компонента 7,08% NaOH в виде водного раствора и 4,42% жидкого стекла, обеспечивающих отношение содержания жидкой фазы из жидкого стекла и воды к суммарному содержанию стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в пределах 0,195 и отношение массы щелочных компонентов из гидроксида натрия и жидкого стекла к массе смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в пределах 0,13. Полученную смесь тщательно перемешивают до гомогенного состояния, после чего из отдозированных порций силикатной массы формуют в пресс-формах сырцовые образцы-кубики, которые нагревают в муфельной печи до температуры обжига, равной 905°С, при которой производят обжиг в течение 0,5 часа.
Для стабилизации пены и фиксации объема вспученной силикатной массы при максимальной температуре обжига перед отжигом производят резкое снижение температуры обжига материала на 100-150°С.
3
Средняя плотность полученного теплоизоляционного материала - пеностекла составляет 580 кг/м, его прочность при сжатии 2,6 МПа, структура равномерно пористая, диаметр пор до 1,5 мм, водопоглощение 3,8 об. %, коэффициент теплопроводности 0,10 Вт/м⋅К.
Пример 2
Проводят аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов:
Стеклобой тарный
57,55
Золошлак, термически
активированный
30,95
Гидроксид натрия
7,99
Жидкое стекло
3,51
Вода
16,50
Золошлак мелкой фракции не более 2 мм подвергают термообработке при температуре 500°С в течение не более 1 часа. Добавка к готовой смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака 7,99% NaOH в виде водного раствора и 3,51% жидкого стекла обеспечивает отношение содержания жидкой фазы из жидкого стекла и воды к суммарному содержанию стеклобоя и золошлака в пределах 0,202 и отношение массы щелочных компонентов из гидроксида натрия и жидкого стекла к массе смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в пределах 0,13. Вспучивание теплоизоляционного материала производят при температуре 890°С.
3
Средняя плотность полученного теплоизоляционного материала - пеностекла составляет 375 кг/м, его прочность при сжатии 1,5 МПа, структура равномерно пористая, диаметр пор до 2,5 мм, водопоглощение 4,3 об. %, коэффициент теплопроводности 0,09 Вт/м⋅К.
Пример 3
Проводят аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов:
Стеклобой тарный
66,40
Золошлак, термически
активированный
22,10
Гидроксид натрия
8,90
Жидкое стекло
2,60
Вода
18,18
Золошлак мелкой фракции не более 2 мм подвергают термообработке при температуре 550°С в течение не более 1 часа. Добавка к готовой смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака 8,90% NaOH в виде водного раствора и 2,60% жидкого стекла обеспечивает отношение содержания жидкой фазы из жидкого стекла и воды к суммарному содержанию стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в пределах 0,209 и отношение массы щелочных компонентов из гидроксида натрия и жидкого стекла к массе смеси стеклобоя тарного и золошлака в пределах 0,13. Вспучивание теплоизоляционного материала производят при температуре 875°С в течение 0,5 часа.
3
Средняя плотность полученного теплоизоляционного материала - пеностекла составляет 180 кг/м, его прочность при сжатии 0,8 МПа, структура равномерно пористая, диаметр пор до 3,5 мм, водопоглощение 4,9 об. %, коэффициент теплопроводности 0,075 Вт/м⋅К.
В таблице 3 приведены сравнительные характеристики свойств полученных теплоизоляционных материалов - пеностекол, получаемых в виде блоков с использованием рационально подобранных смесей стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака.
Анализ данных таблицы 3 показывает, что для теплоизоляционного материала - пеностекла из блочного пеностекла оптимальное содержание стеклобоя тарного находится в пределах 48,70-66,40 мас. %, термоактивированного золошлака в пределах 22,10-39,80 мас. %, гидроксида натрия в пределах 7,08-8,90 мас. %, жидкого стекла 2,60-4,42 мас. %. Указанное содержание щелочных компонентов обеспечивает отношение содержания жидкой фазы (жидкого стекла и воды) к суммарному содержанию стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в пределах 0,195-0,209 и отношение массы щелочных компонентов из гидроксида натрия и жидкого стекла к массе смеси стеклобоя тарного и термоактивированного золошлака в пределах 0,13-0,14.
Оптимальная температура термоподготовки золошлака находится в пределах 450-550°С. Оптимальная температура обжига теплоизоляционного материала находится в пределах 875-905°С.
В таблице 4 приведены условия получения и сравнительные данные по физико-механическим свойствам теплоизоляционных материалов - пеностекол, полученных по предлагаемому изобретению в сравнении с прототипом (см. патент RU 2333176, МПК С04В 28/26, С04В 111/20, опубл. 10.09.2008 г.).
Предлагаемая группа изобретений «Способ получения теплоизоляционного материала - пеностекла и шихты для его изготовления» по сравнению с прототипом (см. патент RU 2333176, МПК С04В 28/26, С04В 111/20, опубл. 10.09.2008 г.) имеет следующие преимущества:
- расширение сырьевой базы за счет вовлечения в сферу материального производства стеклобоя тарного и многотоннажных отходов ТЭЦ - золошлаков и, как следствие, снижение экологической нагрузки на окружающую среду;
- снижение себестоимости материала за счет сокращения расхода щелочного компонента в результате использования в качестве кремнистого сырья смесей стеклобоя тарного и термически обработанного золошлака;
- снижение энергозатрат и трудоемкости производства за счет того, что предварительной термической обработке подвергается не вся шихта, а только один из компонентов шихты, а именно золошлак;
- улучшение физико-механических и эксплуатационных характеристик теплоизоляционного материала за счет предварительной термической обработки золошлака, комплексного использования тонкоизмельченных стеклобоя и термообработанного золошлака.
Предлагаемое изобретение «Способ получения теплоизоляционного материала - пеностекла и шихта для его изготовления» разработано в лаборатории кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и может быть использовано в строительной индустрии и теплоэнергетике в качестве теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях, а также для утепления теплопроводов. На основе вышеуказанного можно заключить, что теплоизоляционный материал - пеностекло на основе золошлаковых отходов и стеклобоя тарного является долговечным строительным теплоизоляционным материалом, который целесообразно использовать в виде плит, блоков и скорлуп для тепловой изоляции строительных конструкций и тепловых установок.