СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЛОЧНОГО ТЕРМОСТОЙКОГО ПЕНОСТЕКЛА
METHOD OF OBTAINING BLOCK TEMPERATURE-RESISTANT FOAM GLASS

Изобретение относится к области получения блочного термостойкого стекла и может быть использовано в атомной технике, промышленности строительных материалов.
В настоящее время существует ряд способов получения блочного пеностекла. Так, по патенту США 3151966 (Кл. 65-22 от 06.10.64) блочное пеностекло в виде плит получают путем продувки воздуха или другого газа через расплав стекломассы, причем расплав охлаждают таким образом, что пузырьки воздуха или газа сохранялись в конечном продукте.
Недостатком данного способа является неоднородность пор по размерам и неравномерность распределения их по объему пеностекла.
Наиболее близким техническим решением является способ получения блочного пеностекла, включающий совместный помол компонентов шихты с пенообразователем сажей, уплотнение пенообразующей смеси, вспенивание при нагреве со скоростью 3,3°C/мин до 850°C с выдержкой 1 час (60 мин), «резкое» охлаждение со скоростью 1,65°C/мин в течение 2 часов и отжиг в течение 14 часов 44 минут со скоростью в интервале температур 600°-400°C (замедленное охлаждение) и 400°-50°C (быстрое охлаждение), равное 0,4°C/мин и 0,7°C/мин соответственно [Пеностекло. Научные основы и технология [текст]: монография / Н.И. Минько, О.В. Пучка, B.C. Бессмертный и др. - Воронеж: Научная книга, 2008. - с.83, раздел 4.3.1., второй абзац; с.84, рис.4.2.].
Недостатком данного способа является высокая энергоемкость, длительность технологического процесса, а также низкая термостойкость конечного продукта.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение качества конечного продукта при снижении энергозатрат и сокращении времени производства блочного термостойкого пеностекла.
Технический результат достигается тем, что способ получения блочного термостойкого пеностекла включает совместный помол компонентов шихты с пенообразователем, уплотнение, нагревание, вспенивание, стабилизацию, замедленное и быстрое охлаждение, причем нагрев пенообразующей смеси, включающий медицинское стекло XT и медицинское стекло АБ в соотношении 4:1, производят со скоростью 3,5°C/мин, вспенивание при 830°C в течение 45 минут с последующим резким охлаждением с 600 до 400°C со скоростью 0,5°C/мин и с 400 до 50°C со скоростью 1,1°C/мин.
Отличительным признаком предлагаемого способа является нагрев пенообразующей смеси, включающий медицинское стекло XT и медицинское стекло АБ в соотношении 4:1, производят со скоростью 3,5°C/мин, вспенивание при 830°C в течение 45 минут с последующим резким охлаждением с 600 до 400°C со скоростью 0,5°C/мин и с 400 до 50°C со скоростью 1,1°C/мин.
Изобретательский уровень подтверждается тем, что предлагаемый способ получения блочного термостойкого пеностекла позволяет не только получить высококачественный продукт, но и сократить время вспенивания и снизить энергозатраты.
Проведенный анализ известных способов получения блочного пеностекла позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».
В настоящее время на территории стран таможенного союза ежегодно накапливаются миллионы тонн медицинского стекла, которое не находит своей переработки. Однако данные ценные отходы могут служить сырьем для производства блочного термостойкого стекла.
Наиболее распространенными медицинскими стеклами в странах таможенного союза является медицинское стекло марки XT и медицинское стекло марки АБ.
Химический состав стекол марок XT и АБ представлен в таблице 1.
Таблица 1
№ п/п
Наименование стекол
Содержание компонентов, мас.%
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO+MgO
Na<sub>2</sub>O
K<sub>2</sub>O
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
BaO
1
Медицинское стекло марки XT
74,0
5,0
1,2
5,0
2,8
8,00
4,00
2
Медицинское стекло марки АБ
73,0
3,0
9,5
13,5
-
1,0
-
Оптимальное соотношение стекол марок XT и АБ определяли экспериментально. Максимальную температуру вспенивания с интервалом в 10°C брали равную 820, 830 и 840°C. Скорость нагрева до данных температур регулировали в пределах 3,3-3,7°C/мин. При данных технологических параметрах меняли соотношения компонентов состава шихты. Наилучшие результаты по прочностным показателям для данных составов стекол получены при соотношении медицинских стекол марок XT и АБ, равное 4:1 (80:20 мас.%). (Таблица 2).
Для данного оптимального состава шихты экспериментально определяли скорости охлаждения на стадиях медленного и быстрого охлаждения. Так, в интервале температур с 600°C до 400°C на стадии медленного охлаждения скорость охлаждения составляла 0,5°/мин, а в интервале температур 400°-50° на стадии быстрого охлаждения скорость охлаждения составляла 1,1°/мин (Таблица 3).
Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов представлен в таблице 4. Как видно из таблицы 4, предлагаемый способ получения блочного термостойкого стекла позволяет получить высококачественный продукт с сокращением времени вспенивания и снижением общих энергозатрат.
Пример.
Для подготовки шихты брали 4 части боя медицинского стекла XT и 1 часть боя медицинского стекла АБ. В шихту добавляли в качестве пенообразователя 1 мас.% сажи.
Таблица 2
Состав шихты, мас.%
Скорость нагрева, °C/мин
Температура вспенивания, °C
Прочность на сжатие, МПа
XT
АБ
70
30
3,3
820
1,9
3,5
820
2,1
3,7
820
2,0
3,3
830
2,1
3,5
830
2,3
3,7
830
2,2
3,3
840
2,2
3,5
840
2,3
3,7
840
2,2
80 ∗
20∗
3,3
820
2,4
3,5
820
2,6
3,7
820
2,5
3,3
830
2,6
3,5∗
830∗
2,8∗
3,7
830
2,7
3,3
840
2,5
3,5
840
2,7
3,7
840
2,6
90
10
3,3
820
2,0
3,5
820
2,3
3,7
820
2,1
3,3
830
2,4
3,5
830
2,6
3,7
830
2,5
3,3
840
2,2
3,5
840
2,4
3,7
840
2,3
∗оптимальное соотношение.
Таблица 3
Технологические параметры для состава шихты XT:АБ=80:20, мас.%
Медленное охлаждение
Быстрое охлаждение
Термостойкость, ДТ, °C
0,3
0,9
320
1,1
360
1,2
340
0,5∗
0,9
400
1,1∗
410
1,2
380
0,7
0,9
360
1,1
390
1,2
370
∗оптимальный режим.
Таблица 4
Технологические параметры и свойства пеностекла
№ п/п
Наименование
Ед. изм.
Известный способ [2]
Предлагаемый способ
1
Состав
Мас.%
Тарное стекло 100
Медицинское стекло XT: медицинское стекло АБ 80:20 (8:1)
2
Температура вспенивания
°C
850
830
3
Скорость подъема температуры
°C/мин
3,3
3,5
4
Время вспенивания
Мин
60
45
5
Резкое охлаждение
°C
600
600
6
Скорость охлаждения
°C/мин
1,65
1,65
7
Отжиг и микрозакалка в интервале: 600-400°C
°C/мин
0,4
0,5
400-50°C
°C/мин
0,7
1,1
8
Термостойкость
ΔT
160∗
410
9
Водопоглощение
%
2,8∗
2,2
10
Плотность
Кг/м<sup>3</sup>
200-210∗
205±5
11
Прочность на сжатие
МПа
1,5-1,8∗
2,8
12
Теплопроводность
Вт/м·К
0,061∗
0,054
∗Водопоглощение, плотность, прочность на сжатие и теплопроводность пеностекла по прототипу определяли по стандартным методикам.
Пенообразующую смесь готовили совместным помолом и перемешиванием в 100 л фарфоровой мельнице с уралитовыми шарами в течение 6 часов.
Готовая пенообразующая смесь имела следующий состав (мас.%):
медицинское стекло марки XT - 79,5
медицинское стекло марки АБ - 19,5
сажа - 1,0
Итого
100
После помола пенообразующую смесь извлекали из шаровой мельницы и на одну треть заполняли металлические формы размером 300×300×300 мм. После заполнения пенообразующую смесь уплотняли пуансоном.
Вспенивание образцов производили в электрической муфельной печи с силитовыми нагревателями.
Оптимальные технологический параметры получения блочного термостойкого стекла были следующие:
- скорость подъема температуры - 3,5°C/мин;
- выдержка при 830°C в течение 45 минут;
- резкое охлаждение до 600°C;
- отжиг и микрозакалка:
1) в интервале температур 600-400°C - 0,5°C/мин
2) в интервале температур 400-50°C - 1,1°C/мин.
После остывания муфельной печи из нее извлекали металлические формы с блочным термостойким пеностеклом. Пеностекло извлекали из металлических форм и проводили контроль качества конечного продукта.
Контроль качества.
Термостойкость блоков определяли на кубах размером 30×30×30 мм. Кубы помещали в муфельную печь, нагревали с интервалом в 10°C, извлекали из печи и остывали на воздухе при 20°C до появления трещин и сколов. Образцы выдерживали нагрев и остывание без видимых следов разрушения 410°C.
Прочность на сжатие проводили по ГОСТ 171-17-94 на гидравлическом прессе ПСУ - 10 на образцах в виде кубов размером 30×30×30 мм.
За результат испытаний принимали среднее арифметическое пяти образцов:
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>16</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>18</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>20</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>22</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>24</mn></mrow><mn>5</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>2</mn></mrow>
.
Теплопроводность определяли на приборе ИТП-МТ-4 по ГОСТ 7076-99. Для определения теплопроводности готовили образцы размером 100 ×100×20 мм.
Теплопроводность блочного термостойкого стекла составила 0,054 Вт/м·К.
Плотность блоков термостойкого пеностекла определяли на кубах размером 30×30×30 мм статистическим методом с использованием штангенциркуля и электронных весов с точностью измерения 0,01 г.
Плотность термостойкого блочного пеностекла с доверительным интервалом составила 205 ±5 кг/м.
Водопоглощение блоков термостойкого пеностекла определяли по стандартной методике по ГОСТ 2409-80. Водопоглощение составило 2,2%.