СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЛОЧНОГО ПЕНОСТЕКЛА ИЗ СТЕКЛОБОЯ
METHOD OF PRODUCTION OF BLOCK CELLULAR GLASS FROM CRUSHED GLASS

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к производству блочного пеностекла, которое может использоваться в качестве теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного материала.
Существующие способы получения пеностекла отличаются видом используемого основного сырья (перлит вулканическое стекло, диатомит, трепел, вулканический пепел, туф, цеолитсодержащую породу, глину, песок, базальт, а также различные отходы промышленности), порообразователем (карбонатные, сульфатные, углеродные и др.), используемой связкой, различными добавками, способами помола, вспенивания, наличием дополнительных стадий обработки сырья и пр.
Классический вариант получения пеностекла основан на использовании в качестве основного сырья специально-сваренного стекла. В патенте US 4192664 «Method of making a cellular body from a high silica borosilicate composition» с использованием дополнительных дорогостоящих компонентов варят специальное стекло, затем производят его помол, смешение с газообразователем и вспенивание с получением блоков пеностекла. Существенным недостатком подобных способов производства пеностекла является наличие дополнительной операции высокотемпературной варки исходного сырья, значительно увеличивающей себестоимость конечной продукции. Поэтому современные способы производства пеностекла основаны на использовании уже готового стеклобоя.
Но в некоторых случаях, и при использовании стеклобоя проводят дополнительную температурную обработку стекла перед вспениванием. В патенте ЕР 1686099 «Raw mixture for producing foam glass and methods for producing said raw mixture, batch and foam glass» порошок стекла, порообразователь и добавки затворяют раствором силиката натрия или калия, затем производят термообработку смеси при температуре 450-550°С, помол и вспенивание. Данный способ осложнен операциями двойного помола и двойной термообработки, что приводит к повышенной себестоимости производства пеностекла.
Наиболее эффективные способы производства пеностекла основаны на однократном 300-помоле стеклобоя и однократном его вспенивании с получением блочного пеностекла с минимальной долей растрескавшихся изделий.
Существует способ получения пеностекла путем вспенивания сухой смеси тонкоизмельченного порошка стекла и порообразователя. В патенте US5516351 «Foamed glass and its manufacture» порошок стекла, перемешанный с порообразователем, вспенивают в печи, заполненной нереакционным газом.
В некоторых случаях вспенивают не порошок стекла, а предварительно окатанные гранулы, полученные смешением порошка стекла с порообразователем и связующим веществом. В патенте RU2297398 «Способ получения блоков пеносиликата» сырьевую смесь, состоящую из порошка стекла, порообразователя и водного раствора силиката натрия, окатывают в лопастном смесителе-грануляторе, полученные гранулы термообрабатывают до получения единого блока пеносиликата.
Возможно получение сырьевых заготовок, получаемых затворением порошка стекла и порообразователя различными связующими веществами, последующим высушиванием заготовок и их вспениванием. В патенте RU 2167112 «Способ получения пеностекла» готовят водосодержащую пасту из смеси порошка стекла, силиката натрия, порообразователя и оксида кремния, которую подвергают термообработке при температуре 750-850°C с получением пеностекла.
В каждом способе получения блочного пеностекла для предотвращения растрескивания блоков присутствует длительная операция отжига пеностекла, но даже при отжиге более 20 часов, выход бракованных пеностекольных блоков может достигать 50%.
Для снижения растрескивания блоков, например, авторы SU 1470691 «Способ отжига пеностекла» используют специально разработанный режим отжига пеностекла, заключающийся в последовательном охлаждении пеностекла до температуры на 10-40°C ниже нижней температуры отжига, затем нагрева на 10-40°C выше нижней температуры отжига, затем медленного охлаждения до нижней температуры отжига и быстрого ступенчатого охлаждения до комнатной температуры.
Наиболее близким техническим решением производства пеностекольных блоков является патент RU2187473 (C03B 19/08, C03C 11/00, 20.08.2002, Способ получения блочного пеностекла). Способ получения блочного пеностекла включает получение тонкомолотого стекольного порошка путем помола стеклобоя, добавление к тонкомолотому стекольному порошку порообразователей (активная сажа и сульфат натрия), связующее (натриевое жидкое стекло), а также активного кремнезема и оксида бора с получением пеностекольной смеси. Полученную пеностекольную смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката - частиц 30-2000 мкм, гранулы засыпают в формы и вспенивают. Полученное пеностекло отжигают. Добавка оксида бора в количестве 0.2-5.0% масс к пеностекольной смеси снижает термомеханические напряжения в формируемом изделии из блочного пеностекла и упрощает отжиг термических напряжений, за счет чего увеличивается выход целых пеностекольных блоков.
Недостатком данного способа получения пеностекла является большое количество компонентов пеностекольной смеси, что требует тщательной операции их дозирования и перемешивания для равномерного смешения. Вспенивание пеностекольной массы осуществляется газами, в числе которых токсичный газ - сероводород, который сохраняется в порах готового пеностекла. Добавка дорогостоящего оксида бора приводит к увеличению стоимости сырья и себестоимости готового продукта.
Технической задачей изобретения является получение экологически безопасного конечного изделия, упрощение способа производства, снижение себестоимости производства за счет вспенивания без использования материалов, приводящих к образованию токсичного сероводорода, за счет уменьшения количества компонентов вспенивающей смеси, за счет отказа от использования дорогостоящих реагентов. При этом, данные задачи должны решаться при сохранении повышенной трещиностойкости получаемого блочного пеностекла, позволяющей увеличить выход целых пеностекольных блоков.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи: производство блочного пеностекла отличается высоким процентом брака, образующегося в результате растрескивания готовых пеностекольных блоков. По этой причине, несмотря на то, что вспенивание пеностекла происходит за 1-2 часа, обязательно присутствует дополнительная операция отжига пеностекла длительностью до 24 часов для снятия внутренних напряжений в пеностекольном блоке. Но и в этом случае процент получения растрескавшихся пеностекольных блоков доходит до 15-20%, что требует проведения дополнительных мероприятий для увеличения доли выхода готовой продукции. Например, в прототипе для снижения доли брака осуществляют добавку оксида бора к пеностекольной смеси в количестве 0.2-5.0% масс для снижения термомеханических напряжений в формируемом изделии из блочного пеностекла и для упрощения отжига термических напряжений.
По сравнению с прототипом, в предлагаемом изобретении задача снижения термомеханических напряжений в блоке решается перемешиванием сырцовых гранул полуфабриката с пеностекольным щебнем, перед их укладкой в формы для вспенивания. Пеностекольный щебень является побочным продуктом производства пеностекольных блоков. При производстве блочного пеностекла пеностекольный блок после выхода из печи является блоком с неровными краями, и похож на хлеб из печи. Для придания блокам точных геометрических размеров их направляют на опиловочный станок, где выравниваются все поверхности блока. После дробления образующейся обрези пеностекла всегда получается побочный продукт - пеностекольный щебень.
Пеностекольный щебень уже прошел термообработку, в результате которой он вспенился, все химические и физические процессы в исходной смеси прошли, и поэтому, температура размягчения пеностекольного щебня выше температуры размягчения сырцовых гранул полуфабриката. Поэтому, при повторном нагревании смеси пеностекольного щебня с сырцовыми гранулами полуфабриката до температур вспенивания пеностекла, пеностекольный щебень не размягчается и остается в неизменном состоянии. Вспенивающаяся из сырцовых гранул полуфабриката пеностекольная масса становится связкой между гранулами пеностекольного щебня. При этом, распределенные в объеме пеностекольного блока гранулы пеностекольного щебня будут являться центрами снятия внутренних напряжений получаемого пеностекольного блока. Возникающие внутриструктурные границы раздела пеностекольного щебня и вновь образованного пеностекла позволяют снять внутренние напряжения всего блока пеностекла в процессе его охлаждения и тем самым увеличить выход целых пеностекольных блоков.
3
3
3
3
3
Экспериментально установлено, что количество пеностекольного щебня, поступающего на смешение с сырцовыми гранулами полуфабриката, составляет 0.2 - 20% масс от массы сырцовых гранул полуфабриката. Минимальное содержание пеностекольного щебня 0.2% позволяет увеличить процент выхода готовых пеностекольных блоков. Например, для производства 1 м пеностекольных блоков плотности 150 кг/м требуется примерно 180 кг сырцовых гранул полуфабриката, содержание щебня 0.2% соответствует 0.360 кг, при плотности щебня 150 кг/м получаем 2.4 л щебня на 1 м блоков. При среднем размере пеностекольного щебня 20 мм получаем, что в 1 м пеностекольных блоков содержится 570 центров снятия напряжений (гранулы пеностекольного щебня), которые оказывают эффект увеличения трещиностойкости пеностекольных блоков. Действительно, в результате экспериментов установлено, что содержание пеностекольного щебня в количестве 0.2% от массы сырцовых гранул полуфабриката позволяет уменьшить процент получения растрескавшихся пеностекольных блоков с 15-20% до 10%. Содержание пеностекольного щебня менее 0.2% масс в исходном сырье не оказывает видимого влияния на трещиностойкость получаемого блочного пеностекла из-за малого количества центров снятия напряжений.
Высокое содержание пеностекольного щебня - более 20% масс - приводит к нехватке объема пеностекольной связки, образующейся в результате вспенивания сырцовых гранул полуфабриката, для связывания всех гранул пеностекольного щебня в единый блок, что приводит к снижению прочностных характеристик блоков пеностекла. В результате проведенных экспериментов было установлено, что добавка пеностекольного щебня к сырцовым гранулам полуфабриката в количестве 0.2-20% масс от массы сырцовых гранул полуфабриката позволяет уменьшить процент получения растрескавшихся пеностекольного блоков с 15-20% до 3-10%.
Процесс вспенивания пеностекла заключается в следующем: при нагревании сырцовых гранул полуфабриката, примерно до температур более 700°C, стекольный порошок в сырцовой грануле полуфабриката начинает размягчаться и гранула становится вязкой смесью. При температуре вспенивания пеностекла - примерно 750-800°C, порообразователь, содержащийся в сырцовой грануле полуфабриката, вступает в химические реакции с другими компонентами смеси, например, водой, и начинают образовываться газы. Таким образом, во всем объеме сырцовой гранулы полуфабриката образуются мелкие пузырьки газов, которые вспенивают вязкую сырцовую гранулу полуфабриката. Для обеспечения процесса вспенивания пеностекла необходимо, чтобы газы образовывались в тот момент, когда вязкость стекольного порошка в составе сырцовой гранулы полуфабриката становится минимальной. Это позволяет максимально эффективно использовать образующиеся газы для вспенивания материала. Если максимальное газовыделение будет происходить в тот момент, когда вязкость сырцовой гранулы полуфабриката будет высокой, то выделяющиеся в процессе газообразования газы не смогут максимально вспенить стекольную массу, и полученное пеностекло будет иметь повышенную плотность. Так же, если вязкость сырцовой гранулы полуфабриката будет минимальной, но максимальное газообразование уже прошло или еще не наступило, то объема образующихся газов не хватит для того, чтобы максимально вспенить размягченную стекольную массу, и полученное пеностекло будет иметь повышенную плотность. Поэтому для получения пеностекла с минимальной плотностью (наиболее эффективное пеностекло при применении) необходимо обеспечить максимальное газообразование при минимальной вязкости стекольного порошка. Обычно, для обеспечения максимального газообразования в широком температурном интервале применяют несколько порообразователей, каждый из которых имеет максимальное газообразование при различных температурах.
Именно по такому пути пошли в прототипе, где вспенивание пеностекольной массы осуществляется различными газами, в числе которых токсичный газ - сероводород. В отличие от прототипа, где для вспенивания пеностекла используется несколько порообразователей, в предлагаемом изобретении вспенивание осуществляется единственным порообразователем. Для повышения экологичности и качества выпускаемой продукции в предлагаемом изобретении сырцовые гранулы полуфабриката получают только из смеси стекольного порошка, углеродного порообразователя и водного раствора жидкого стекла. Вспенивание осуществляется только за счет газов, образующихся в результате окисления нетоксичного углеродного порообразователя. Уменьшение количества компонентов смеси по сравнению с прототипом позволяет сократить химическое взаимодействие компонентов между собой, которое может привести к образованию токсичных продуктов. Также небольшое количество реагентов по сравнению с прототипом позволяет упростить процесс равномерного распределения всех исходных компонентов в объеме сырцовой гранулы полуфабриката. Это приводит к тому, что порообразователь в равном количестве равномерно распределен во всем объеме сырцовой гранулы полуфабриката, что позволяет получить качественное пеностекло с равномерно-распределенными порами одинакового размера.
Но при использовании только одного порообразователя необходимо обеспечить низкую вязкость стекольной смеси при температуре вспенивания. В прототипе смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката - частиц 0.03-2 мм. При гранулировании до таких небольших сырцовых гранул полуфабриката необходимо использование малого количества жидких реагентов, так как при гранулировании сырцовые гранулы полуфабриката начинают слипаться между собой и увеличиваться в размерах при увеличении содержания жидкости в смеси. Установлено, что увеличение содержания жидкого стекла в сырцовой грануле полуфабриката при гранулировании гранул до более крупного размера позволяет понизить температуру начала размягчения сырцовой гранулы полуфабриката. Например, увеличение содержания жидкого стекла, в сырьевой смеси с 5% до 10% от массы стекольного порошка позволяет уменьшить температуру начала размягчения сырцовых гранул полуфабриката на 30°C. Так, если температура начала размягчения сырцовой гранулы полуфабриката с содержанием жидкого стекла 5% (примерное содержание жидкого стекла в прототипе) была 700°C, то при увеличении содержания жидкого стекла до 10% (примерное содержание жидкого стекла в предлагаемом изобретении в результате гранулирования более крупных сырцовых гранул по сравнению с прототипом) температура начала размягчения сырцовой гранулы полуфабриката станет 670°C. Уменьшение температуры начала размягчение сырцовой гранулы полуфабриката позволяет обеспечить эффективное вспенивание смеси только нетоксичным углеродсодержащим порообразователем. Экспериментально установлено, что гранулирование пеностекольной смеси, состоящей только из порошка стекла, порообразователя и водного раствора жидкого стекла, до размера частичек более 2 мм позволяет, по сравнению с прототипом, увеличить содержание жидкого стекла в составе сырцовых гранул полуфабриката, обеспечить эффективное вспенивание материала и дополнительно обеспечить равномерное распределение необходимого количества всех исходных реагентов в объеме более крупной сырцовой гранулы полуфабриката, что позволяет получить экологически безопасное блочное пеностекло с равномерно-распределенными порами.
Крупный размер сырцовых гранул полуфабриката - более 40 мм - оказывает отрицательное влияние на качество пеностекла. Это связано с кинетическими затруднениями прогрева крупных сырцовых гранул. При нагреве крупной сырцовой гранулы полуфабриката - более 40 мм - внутри гранулы образуется большой градиент температуры, который приводит к быстрому вспениванию наружного слоя гранулы. Образующийся при этом внешний пеностеклянный теплоизоляционный слой еще больше препятствует дальнейшему прогреву гранулы. В результате вспенивания крупных сырцовых гранул полуфабриката более 40 мм получается низкокачественное пеностекло, в котором остаются невспененные участки.
Установлено, что оптимальный размер сырцовых гранул полуфабриката составляет 2-40 мм. Такой размер гранул обеспечивает как равномерный прогрев, так и последующее равномерное вспенивание всего слоя сырцовых гранул полуфабриката. Также именно такой размер сырцовых гранул полуфабриката позволяет обеспечить равномерный подвод тепла ко всему объему гранул при вспенивании и упростить технологическое оборудование для их транспортировки.
Кроме того, по сравнению с прототипом, применение дополнительной операции сушки сырцовых гранул полуфабриката и их промежуточного складирования в бункер запаса позволяет сделать независимыми друг от друга две технологические операции производства - гранулирование и вспенивание. Процесс вспенивания пеностекла происходит при температуре около 800°C и требует значительного расхода энергии. Именно процесс вспенивания является самым затратным процессом при производстве пеностекла. Поэтому недопустимо, чтобы нагретая печь простаивала в ожидании подготовки сырцовых гранул полуфабриката. Для этой цели готовые сырцовые гранулы полуфабриката складируются в бункер запаса, а для того, чтобы гранулы не слиплись между собой, добавлена операция сушки окатанных сырцовых гранул полуфабриката, которая удаляет влагу с поверхности и делает сырцовые гранулы полуфабриката пригодными для транспортировки и складирования. Процесс сушки сырцовых гранул полуфабриката проводят при температуре от 100 до 450°C. При уменьшении температуры сушки менее 100°C процесс удаления влаги с поверхности сырцовых гранул полуфабриката становится неэффективным и может составлять несколько часов, чтобы сделать сырцовые гранулы полуфабриката пригодными для транспортировки и складирования. Увеличение температуры сушки выше 450°C приводит к выгоранию части компонентов в составе сырцовой гранулы полуфабриката (например, порообразователя), что ухудшает процесс последующего вспенивания пеностекла и приводит к получению некачественного конечного продукта.
Кроме того, установлено, что оптимальный размер пеностекольного щебня, поступающего на смешение с сырцовыми гранулами полуфабриката перед подачей в печь, составляет 2-40 мм. Именно такой фракционный состав щебня в сочетании с размером 2-40 мм сырцовых гранул полуфабриката обеспечивает их равномерное распределение между собой, как во вспенивающем слое, так и в готовом продукте. При использовании пеностекольного щебня с размером менее 2 мм происходит его просыпание через пустоты между более крупными сырцовыми гранулами полуфабриката на дно вспенивающего слоя, что приводит к нарушению подвода тепла к слою за счет образования теплоизоляционного барьера. Кроме того, просыпавшийся на дно формы пеностекольный щебень с размером менее 2 мм не распределяется равномерно в объеме изделия и поэтому не оказывает влияния на трещиностойкость получаемого пеностекла. При использовании пеностекольного щебня размером более 40 мм значительно усложняется процесс равномерного распределения крупного пеностекольного щебня среди небольших сырцовых гранул полуфабриката, что приводит к образованию напряжений в блоке в местах с меньшей концентрацией пеностекольного щебня. Также, более крупный - более 40 мм - пеностекольный щебень по сравнению с пеностекольным щебнем оптимального размера при одинаковом массовом содержании в смеси, уменьшает количество центров снятия напряжений и увеличивает расстояние между ними, например, один крупный пеностекольный щебень размером 100 мм заменяет 1000 штук более мелкого пеностекольного щебня размером 10 мм, т.е. один крупный пеностекольный щебень заменяет несколько более мелких, которые являются равнозначными центрами снятия напряжений. Но при этом нет необходимости измельчать весь пеностекольный щебень до минимально допустимого размера, так как при измельчении образуется значительное количество мелкого пеностекольного песка, который имеет минимальную ценность из всей пеностекольной продукции.
В способе производства блочного пеностекла получают тонкомолотый стекольный порошок путем помола стеклобоя. К тонкомолотому стекольному порошку добавляют связующее и порообразователь с получением пеностекольной смеси. Порообразователь берут в количестве, например, 0.1-3%, связующее, например, 10-30% от массы стекла. Полученную пеностекольную смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката размером 2-40 мм, которые перемешивают с пеностекольным щебнем в соотношении 0.2-20% масс пеностекольного щебня от массы сырцовых гранул полуфабриката, загружают в формы и вспенивают в печи. После вспенивания проводят отжиг пеностекольных блоков. Затем производят опиловку пеностекольных блоков для придания им точных геометрических размеров. Полученный пеностекольный блок отличается высокой экологичностью за счет вспенивания только нетоксичным углеродсодержащим порообразователем, низкой себестоимостью производства за счет использования небольшого числа недорогих исходных компонентов, высоким процентом выхода целых пеностекольных блоков за счет использования добавки пеностекольного щебня к сырцовым гранулам полуфабриката, поступающим в печь.
Кроме того, применение дополнительной операции сушки сырцовых гранул полуфабриката и их промежуточного складирования перед подачей в печь позволяет обеспечить эффективное использование печи вспенивания за счет постоянной готовности сырцовых гранул полуфабриката для подачи в печь.
Кроме того, использование пеностекольного щебня фракции 2-40 мм, поступающего на смешение с сырцовыми гранулами полуфабриката, позволяет обеспечить равномерное распределение пеностекольного щебня в смеси с сырцовыми гранулами полуфабриката, и тем самым, добиться максимального эффекта увеличения трещиностойкости получаемого блочного пеностекла.
Пример осуществления изобретения.
2
3
Несортовой стеклобой измельчают, например, до удельной поверхности 5500 см/г, с получением тонкомолотого стекольного порошка. К тонкомолотому порошку стекла добавляют порообразователь и связующее вещество с получением пеностекольной смеси. Порообразователь берут в количестве 1%, связующее 20% от массы стекла. В качестве порообразователя используют углеродсодержащий компонент, например, тонкомолотый уголь. Связующее готовят смешением воды и жидкого стекла. Пеностекольную смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката размером 2-40 мм. Сырцовые гранулы полуфабриката перемешивают с пеностекольным щебнем в соотношении 5 кг пеностекольного щебня на 100 кг сырцовых гранул полуфабриката, загружают в формы и вспенивают в печи. После вспенивания проводят отжиг пеностекольных блоков. Затем производят опиловку пеностекольных блоков для придания им точных геометрических размеров. Полученный пеностекольный блок имеет плотность 160 кг/м, доля выхода целых блоков составляет 95% по сравнению с долей выхода целых блоков 80-85% в случае получения блочного пеностекла при вспенивании сырцовых гранул полуфабриката без добавки пеностекольного щебня, отличается высокой экологичностью и низкой себестоимостью производства.
Таким образом, предлагаемый способ не только позволяет получить экологически безопасное блочное пеностекло за счет вспенивания только нетоксичным углеродсодержащим порообразователем при использовании небольшого числа недорогих исходных компонентов, но и увеличить процент получения целых пеностекольных блоков за счет повышенной трещиностойкости получаемого блочного пеностекла.