СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО МАТЕРИАЛА И ШИХТА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
METHOD FOR OBTAINING FOAMED MATERIAL, AND CHARGE FOR ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к области производства теплоизоляционных строительных материалов с жесткой структурой, аналогичной структуре пеностекла.
Известен состав шихты и способ получения пеностекла, предусматривающие варку стекла и его измельчение в шаровой мельнице, смешение с газообразователем и термообработку в печи вспенивания [а.с. №393227 С03С 11/00, БИ №33, 1973 г.]. Недостатком состава и способа является необходимость варки стекла при температуре 1450°C, тонкого помола шихты, ее вспенивания при температуре выше 800°C, длительный отжиг блоков пеностекла и их опиловку для придания заданных размеров и формы.
3
3
Известен способ и состав шихты для получения пеностекла, содержащий (мас.%): нефелиновый сиенит 5-15, стеклобой тарного стекла 45-55, гидроксид натрия 7-9, перлит (вулканическое стекло) - остальное [Пат. РФ №2164698, С03С 11/00, опубл. 10.02.2001 г.]. Этот состав позволяет исключить из способа энергоемкую стадию стекловарения и получить пеностекло из шихты при ее нагреве до 750-800°C. Основным недостатком этого состава и способа является необходимость проведения дополнительной энергозатратной механохимической активации шихты, что позволяет получать пеностекло с плотностью 240-841 кг/м. Если не проводится механоактивация шихты, то из нее можно получать пеностекло с плотностью 411-1023 кг/м. Кроме того, в составе шихты необходимо обязательное присутствие до 55% стеклобоя.
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав и способ получения пеностекла [а.с.№1073199, С03С 11/00, БИ №6, 1984], включающий совместный помол перлита (вулканического стекла), осадочной кремнеземистой породы (диатомит, трепел, опока) и газообразователя до удельной поверхности 300-500 м/кг при следующем содержании компонентов в шихте, мас.%:
осадочная кремнеземистая порода  15-70
гидроксид натрия  6-15
газообразователь  0,02-1,5
перлит  остальное
3
Недостатком этого способа является необходимость тонкого помола трудноразмалываемого перлита в среде мягкой кремнеземистой породы, что существенно снижает интенсивность помола перлитовой породы и увеличивает расход энергии при помоле и его длительность. Основным недостатком состава шихты является достаточно высокая температура ее вспенивания (800-850°C) и высокая плотность получаемого пеностекла (до 400 кг/м).
3
3
Задачей предлагаемого изобретения является получение вспененного материала со структурой, аналогичной структуре пеностекла, плотностью 200-300 кг/м с заданными геометрическими размерами и формой при температуре вспенивания шихты в пределах 680-700°C. Поставленная задача достигается тем, что при получении такого материала используется шихта, содержащая аморфную кремнеземистую породу (диатомит, трепел, опока, микрокремнезем) и натриевое жидкое стекло с силикатным модулем m=1,2-1,5 и плотностью 1350-1400 кг/м при следующем содержании компонентов, мас.%:
Аморфная кремнеземистая порода 43
Натриевое жидкое стекло 57.
3
Кроме того, поставленная задача достигается за счет использования принципиально нового способа приготовления шихты из исходных тонкодисперсных аморфных кремнеземистых пород. Реализуется предлагаемый способ получения вспененного материала при выполнении операций приготовления шихты в следующей последовательности: заданные количества аморфной кремнеземистой породы и натриевого жидкого стекла с силикатным модулем 1,2-1,5 и плотностью 1350-1400 кг/мподают в смеситель, в котором перемешивается в течение 10-15 мин и образуется пластичная формовочная масса, которая подается в шнековый гранулятор, откуда сформованные гранулы поступают в тарельчатый гранулятор для опудривания поверхности гранул вспученным вермикулитом с размером зерен 0,5-2,5 мм для предотвращения слипания гранул. Приготовленная гранулированная шихта в расчетном количестве (для получения заданной плотности изделия) загружается в разборную металлическую форму без уплотнения, поверхностный слой шихты выравнивают, форму закрывают крышкой с жесткими фиксаторами и подают в печь вспенивания для термообработки при температуре в пределах 680-700°C в течение 0,5-1 ч. Время вспенивания зависит от габаритных размеров и объема изделий. Охлаждение готовых изделий проводят в формах от температуры вспенивания до температуры 50°C на воздухе в течение 1-3 часов, после чего изделия извлекаются из форм.
Основным преимуществом предлагаемого состава шихты является использование природных аморфных кремнеземистых пород и микрокремнезема. Диатомит является рыхлой осадочной породой и для перевода его в тонкодисперсное состояние можно использовать молотковые мельницы или дробилки. Трепел и опока, в отличие от диатомита, обладают большей прочностью и для перевода их в тонкодисперсное состояние необходимо использовать шаровые мельницы. По сравнению с прототипом предлагаемый состав содержит два компонента, что существенно упрощает приготовление исходной шихты в виде пластичной массы, которую можно гранулировать. Кроме того, в шнековом грануляторе происходит тщательная переработка шихты, повышается ее однородность и плотность.
Основным преимуществом предлагаемого способа получения вспененного материала, аналога пеностекла, является использование гранулированной шихты, каждая гранула которой при попадании в тарельчатый гранулятор, опудривается частицами вспученного вермикулита размером 0,5-2,5 мм, что предотвращает взаимное слипание гранул. Образовавшийся на поверхности гранул слой из частиц вспученного вермикулита имеет исключительно важное и технологическое назначение. При воздействии высокой температуры (t>650°C) на шихту в формах происходит вспенивание гранул за счет выделяющихся водяных паров, испаряющихся из жидкого стекла, и образование сплошного пористого массива изделия с сотоподобной структурой. Прослойки между вспененными гранулами образованы частично деформированными зернами вермикулита, которые при охлаждении изделий в формах на воздухе выполняют роль демпфирующих прослоек, ослабляющих действие возникающих термических напряжений в массиве изделия. Эффект демпфирования термических напряжений и образование изделий с сотоподобной структурой позволяет реализовать технологию получения вспененного материала - аналога пеностекла, одностадийным способом, т.е. из технологии получения исключается длительная стадия отжига изделий для снятия термических напряжений.
Проведение процесса по предлагаемому способу в замкнутом объеме формы позволяет получать изделия с заданными геометрическими размерами и формой, с тонкой (0,1-0,3 мм) плотной остеклованной корочкой на поверхности изделий. Это позволяет исключить из процесса получения вспененных изделий операцию их опиловки.
Пример конкретного исполнения.
3
1. Исходные смеси готовились на основе товарного натриевого жидкого стекла с модулем m=1,5 и m=1,2, плотностью 1350-1400 кг/м и тонкодисперсной аморфной кремнеземистой породы: диатомита, опоки, трепела и микрокремнезема при следующем содержании компонентов (% масс.):
Аморфная кремнеземистая порода 43
Натриевое жидкое стекло 57
2. Смесь компонентов тщательно перемешивалась в течение 10-15 минут до получения пластичной формовочной массы, гранулировалась на шнековом грануляторе, полученные гранулы размером D=5-15 мм и L=(2-3)D мм опудривались в тарельчатом грануляторе вспученным вермикулитом с размерами частиц от 0,5 мм до 2,5 мм.
3
3. Массовое количество влажной исходной смеси (гранул) загружаемой в 1 м формы для получения вспененного материала с заданной плотностью, определялось по формуле:
m=k-p, кг,
где m - масса загружаемых гранул, кг;
k - коэффициент, учитывающий потерю влаги при термообработке, k=1,6;
3
ρ - заданная плотность вспененных изделий, кг/м.
3
Загруженную шихту в форме с внутренним объемом 0,5 дмразравнивали в поверхностном слое, форму закрывали крышкой с фиксаторами и помещали в муфельную печь, предварительно нагретую до температуры 680-700°С, и выдерживали при этой температуре в течение 45 мин, после чего форму извлекали из печи и охлаждали на воздухе в течение 1 часа до температуры 50°C. После разборки формы из нее извлекали изделие, у которого определяли все необходимые параметры.
3
3
Необходимо отметить, что все изделия имели четкую геометрическую форму и размеры, а их поверхность была покрыта сплошной остеклованной корочкой толщиной 0,1-0,3 мм. Размер полученных изделий 10×10×5 см, объем - 0,5 дм. Внутри изделия имеют достаточно равномерную сотоподобную пористую структуру с преобладающим размером замкнутых пор 2-4 мм (фиг.1).
3
По такому способу были изготовлены изделия с плотностью 200, 250 и 300 кг/м. Расчетные количества компонентов шихты для получения изделий с заданной плотностью и их свойства представлены в таблице, из которой следует, что использование предлагаемых состава шихты и способа позволяет получать вспененный материал со свойствами, аналогичными пеностеклу.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с известными способами и составами, используемыми в технологии пеностекла, обладает существенными преимуществами, среди которых необходимо выделить следующие:
- упрощается состав исходной шихты и технология получения вспененного материала;
- из технологического процесса исключается энергозатратная стадия высокотемпературной варки стекла;
- в качестве одного из компонентов шихты используются природные или техногенные аморфные кремнеземистые породы;
- при гранулировании формовочной массы, полученной из исходной шихты, существенно повышается ее однородность;
- температура вспенивания шихты предлагаемого состава на 100-150°C ниже температуры вспенивания пеностекольной шихты;
- исключение из технологического процесса длительной стадии (12 часов) отжига изделий позволяет сократить длительность цикла изготовления изделий в 4-5 раз и реализовать непрерывный способ изготовления изделий;
- гранулирование шихты и опудривание гранул вспученным вермикулитом позволяет получать при вспенивании гранул оригинальную сотоподобную структуру по всему объему изделий;
- прослойки зерен вермикулита между вспененными гранулами выполняют роль демпфера при возникновении термических напряжений в процессе охлаждения изделий на воздухе;
- вспенивание гранулированной шихты в замкнутом объеме формы позволяет получать изделия любой желаемой формы с заданными геометрическими размерами.
Получаемые по предлагаемому техническому решению вспененные изделия, аналог пеностекла, можно использовать для теплоизоляции различных строительных объектов, энергетических установок и трубопроводного транспорта.
Таблица
Компоненты шихты и свойства изделий
Расход компонентов шихты на 1 м<sup>3</sup> вспененного материала (кг), режим термообработки и показатели свойств изделий
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Диатомит
137,6
172
206,4
Опока
137,6
172
206,4
Трепел
137,6
172
206,4
Микрокремнезем
-
137,6
172
206,4
Жидкое стекло, m=1,2
228
182,4
273,6
228
182,4
228
Жидкое стекло, m=1,5
182,4
273,6
228
182,4
273,6
273,6
Температура вспенивания, °C
700
680
700
680
700
680
700
680
700
680
680
700
Время вспенивания, ч
0,5
0,5
0,7
0,5
0,5
0,8
0,8
0,8
1,0
0,6
0,0
1,0
Плотность изделий, кг/м<sup>3</sup>
200
250
300
200
250
300
200
250
300
200
250
300
Прочность при сжатии, МПа
1,28
1,36
1,55
1,29
1,31
1,57
1,31
1,39
1,51
1,29
1,41
1,50
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·град
0,058
0,064
0,082
0,060
0,064
0,084
0,061
0,068
0,085
0,061
0,069
0,086