ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА
CHARGE FOR FOAMGLASS MANUFACTURING

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к технологии получения пеностекла, предназначенного для тепловой изоляции строительных конструкций зданий и сооружений, а также в качестве звукопоглощающего, архитектурного и конструкционного строительного материала.
В настоящее время в строительстве в качестве конструкционного и отделочного материалов широко используется пеностекло. Этот материал изготавливается в виде блоков, отделочных плит и в виде гранул. Пеностекло представляет собой легкий пористый материал из стекла с равномерно распределенными ячейками (порами) диаметром 0,1-6 мм, разделенными тонкими стенками (Технология стекла. Л.М. Бутт, В.В. Полляк. - М.: Госстройиздат, 1960. С.304). Ячеистое строение пеностекла может быть получено:
а) введением в состав стекольной шихты веществ, вызывающих обильное пенообразование в процессе варки стекла;
б) пронизыванием расплава стекла воздухом или другими газами;
в) вспениванием размягченного стекла под вакуумом;
г) вспениванием измельченного стекла пенообразующими веществами, например мыльным корнем, на холоде с последующим фиксированием структуры спеканием частиц стекла (холодный способ);
д) спеканием смеси порошкообразного стекла с газообразователем (порошковый способ) (Стекло. Справочник. А.А. Аппен, М.С. Асланова, Н.П. Амосов, М.В. Артамонова и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М.: Стройиздат, 1973, 487 с. (С.164); Шилл Ф. Пеностекло. - М.: Издательство литературы по строительству, 1965, с.7-9).
В промышленности для изготовления пеностекольных плит и блоков применяют в основном порошковый способ, который заключается в спекании смеси из тонкомолотого стекольного порошка с газообразователем. В качестве газообразователей могут быть использованы углеродные вещества (кокс, коксик, сажа), различные карбонаты (известняк, мрамор, доломит), пиролюзит и многие другие (Технология стекла. Л.М. Бутт, В.В. Полляк. - М.: Госстройиздат, 1960. С.304).
Блочное пеностекло имеет ряд качеств, которые делают его полезными как для сверхнизкотемпературной теплоизоляции (минус 180°C), так и для сверхвысокой (плюс 400°C). Влагопроницаемость и паропроницаемость пеностекла равны нулю. Пеностекло жаростойко, обладает высокой прочностью при низкой плотности. В отличие от ячеистых газонаполненных полимерных материалов пеностекло устойчиво к химически и биологически активным средам, а также к термическому воздействию. Качество и показатели свойств блочного пеностекла зависят от его плотности, размера и распределения пор, толщины стенок пор, объемного водопоглощения и др.
К недостаткам пеностекла можно отнести большие затраты на оборудование, сырье и технологическую энергию.
2
2
2
3
2
2
3
2
3
Известны различные шихты и ингредиенты, которые применяются для получения пеностекла. Так, например, в качестве основы наиболее распространенных исходных шихт используют бой силикатного стекла (Шилл Ф. Пеностекло. - М.: Издательство литературы по строительству, 1965, с.15-19; патент РФ №2307097, C03C 11/00, заявка №2005131266, опубл. 27.09.2007, бюл. №27). Достоинства таких шихт: дешевое исходное сырье; недостатки: сложность сбора и подготовки стеклобоя, невысокое качество пеностекла из-за непостоянства состава стекла стеклобоя, что не позволяет гарантировать стабильность качества пеностекла при механическом и автоматизированном производстве. Наиболее близкой (прототип) является шихта для получения пеностекла, содержащая 98,5-98,7 масс.% тонкомолотого до удельной поверхности 4000-4200 см/г стекла состава, масс.%: SiO - 70,6; СаО - 6,0; MgO - 2,7; AlO - 5,0; NaO - 13,8; FeO - 0,72; KO - 1,9; SO - 0,3 и 1,5-1,7 масс.% газообразователя - антрацита (Демидович Б.К. Пеностекло. - Минск: «Наука и техника», 1975, С.6-9). Достоинства применения подобной шихты: высокое качество пеностекла, обусловленное постоянством состава стекла; недостатки: высокая стоимость готовой продукции.
Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в утилизации отходов тротилового производства и удешевлении производства пеностекла с сохранением его качества.
2
2
2
3
2
Технический результат достигается тем, что в шихте для получения пеностекла, включающей тонкомолотые до удельной поверхности 4000-4200 см/г силикатное стекло и газообразователь, в качестве силикатного стекла используют стекло состава, масс.%: SiO - 60-72,5; СаО - 4,5 - 7,0; MgO - 1,5-3,5; AlO - 1,0-2,5; NaO - 12,5-16,5, изготовленное из отходов производства тротила, а в качестве газообразователя используют доломит в количестве 1,5-2,2% от общей массы шихты.
При очистке тротила-сырца (Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Химия, 1973. - 688 с.) образуются десятки тысяч тонн сульфитного щелока, содержащего натриевые соли сульфокислот несимметричных изомеров тротила, нитрофенолов, нитрокислот, нитрит и нитрат натрия, соду, сульфат и сульфит натрия, сульфид и хлорид натрия. По принятой в настоящее время технологии сульфитный щелок после предварительного упаривания до 30-40%-ной концентрации по твердому остатку, направляют на сжигание, а образующуюся золу в отвал. Под воздействием атмосферных осадков она превращается в токсичные стоки, загрязняющие грунтовые воды, что приводит к существенному ухудшению экологической обстановки.
Утилизация отходов крупнотоннажного химического производства путем их использования при получении стекла, применяемого для изготовления пеностекла, позволяет стабилизировать состав используемого стекла, улучшить экологическую обстановку в районах производства тротила и значительно удешевить производство пеностекла с сохранением его качества.
Процесс изготовления силикатного стекла и на его основе пеностекла заключается в следующем.
Отход производства тротила - сульфитный щелок после предварительного упаривания до 40-50%-ной концентрации по твердому веществу и проведения химического анализа смешивается с необходимым количеством кремнезема. Внесение воды с раствором щелока в шихту способствует ее увлажнению, что, наряду с присутствием слабых щелочей в растворе, приводит к образованию на поверхности частиц кварцевого песка равномерно распределенной пленки щелочных соединений, а это, в свою очередь, благоприятно сказывается на процессах силикатообразования. Кроме того, увлажнение сырьевых материалов оказывает также благоприятное влияние и на однородность шихты (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М.: Стройиздат, 1983, С.65). Температура сульфитных щелоков должна составлять 50-60°C. Подготовленный таким образом кремнезем смешивают с остальными измельченными компонентами шихты, одним из которых является отход производства тротила - сульфатосодержащая зола. Стоит отметить, что благодаря существующей технологии обезвреживания сульфитных щелоков методом сжигания образующаяся сульфатосодержащая зола представляет собой тонкодисперсную однородную композицию, не требующую дополнительного измельчения. Типичный химический состав сульфатосодержащей золы приведен в таблице 1.
Полученную шихту загружают в тигли, которые подают в печь при температуре 900-1100°C. Варку стекла осуществляют при температуре 1300-1350°C. Благодаря наличию в шихте карбонатов натрия и магния химические процессы в шихте начинаются при сравнительно низких температурах (330-350°C).
Таблица 1
Химический состав сульфатсодержащей золы - отхода тротилового производства
Компонент
Содержание компонентов, %
Сульфат натрия
76,49
Карбонат натрия
18,35
Сульфид натрия
2,19
Хлорид натрия
1,44
Углерод
1,37
Влага
0,16
2
3
При 780-880°C происходит появление жидкой фазы за счет эвтектик силикатов магния и натрия с кремнеземом и двойных углекислых солей с NaCO (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М.: Стройиздат, 1983, с.107). Однако наличие в составе отходов различных солей натрия (ускорителей варки) приводит к появлению легкоплавких соединений, расплавы которых образуются раньше (Технология стекла. Бутт Л.М., Поляк В.В. - М.: Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительству, 1960. С.132-133).
2
4
Непосредственное участие в реакциях восстановления сульфата натрия принимают углерод (в виде сажи), который присутствует в сульфатосодержащей золе (от 1,5 до 5%), а также органические восстановители, внесенные в шихту в составе сульфитного щелока и газообразные продукты его разложения СО, Н, СН и т.п., которые создают восстановительную атмосферу в шихте. Стоит отметить, что присутствующие в золе и щелоках сульфид натрия (до 3-4%) и пары воды ускоряют процессы образования силикатов. Это связано с образованием едкого натра, который взаимодействует с кремнеземом энергичнее, чем сода:
2
2
2
NaS+2HO=2NaOH+HS;
2
2
3
2
2NaOH+SiO=2NaSiO+HO.
Восстановление сульфата натрия начинается при 740-800°C по реакции:
2
4
2
2.
NaSO+2С=NaS+2CO
При 865°C начинаются процессы силикатообразования:
2
4
2
2
2
3
2
NaSO+NaS+2SiO=2NaSiO+SO+S;
2
3.
CaO+SiO=CaSiO
Гомогенизация требует повышения температуры стекломассы до 1300-1350°C (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М.: Стройиздат, 1983, С.104-110). Присутствие небольших количеств сульфата натрия и хлорида натрия в стекломассе способствует ее осветлению и гомогенизации, после чего проводится процесс охлаждения стекломассы.
2
2
3
2
3
В таблице 2 приведен состав стекольной шихты для получения алюмомагнезиальной стекломассы состава, масс.%: SiO - 72,0; СаО - 7,0; MgO - 3,0; AlO - 1,5; NaO - 16,5 и его характеристики.
Таблица 2
Качество стекла, изготовленного на основе отходов производства тротила
Шихта
Стекло
Технология
Состав шихты, %
Температура обжига/выдержка, °C/мин
Удельная плотность, г/см<sup>3</sup>
Растворимость в воде, %
Цвет, однородность
На основе отходов производства тротила
Песок
47,8
1350-1400/35
2,40-2,5
0,7-1,25
Светло-голубое, однородное, трещины
Зола
25,8
Мел
1,2
Доломит
11,3
Глина
2,6
Уголь
2,0
Щелок (по твердому веществу)
9,3
На основе традиционных материалов
Песок
59,3
1350-1400/35
2,35-2,5
1,5-2,2
Светло-зеленое, однородное, пузыри и трещины
Сода
21,9
Мел
1,6
Доломит
14,0
Каолинитовая глина
3,36
Как видно из данных, приведенных в таблице 2, суммарное содержание отходов тротилового производства в составе шихты используемой для получения стекла по данному изобретению составляет более 35%, что значительно снижает стоимость шихты для получения стекла и позволяет полностью утилизировать текущие отходы тротилового производства.
Методика получения пеностекла состоит в следующем:
2
образцы силикатных стекол измельчают до частиц диаметром 0,2 мм и менее. В качестве газообразователя используют доломит в количестве 2% от общей массы шихты, который также измельчают до размера порошка 0,2 мм и менее. Подготовленные таким образом компоненты после взвешивания тщательно перемешивают, после чего подвергают совместному измельчению до удельной поверхности 4000-4200 см/г. Полученную шихту загружают в разбираемую стальную форму. На внутреннюю поверхность стальной формы тщательно наносят тонкий слой (1,5-2 мм) пастообразной огнеупорной мастики «Мертель» на основе огнеупорного порошка и каолиновой глины. После обмазки формы мастикой ее подсушивают в печи при температуре 350°C в течение 15 минут.
Плотно закрытую форму с шихтой помещают в печь при температуре 450°C. В течение 15 минут печь нагревают до 800°C, после чего нагрев прекращают, и печь резко охлаждают до температуры 500-600°C, замораживая тем самым ячеистую структуру пеностекла. Далее следует отжиг пеностекла и охлаждение.
Были получены образцы пеностекла на основе стекол, изготовленных из отходов производства тротила и традиционных материалов. Качество образцов пеностекла приведено в таблице 3.
Таблица 3
Качество образцов пеностекла
Шихта
Пеностекло
Технология
Температура обжига/выдержка, °C/мин
Предел прочности при сжатии, МПа (кг/см<sup>2</sup>)
Удельная плотность, г/см<sup>3</sup>
Водопоглощение, %
Структура
Из стекла на основе
800/10
5,94 (59,4)
0,30
12,0
Средние поры
отходов тротила
800/10
7,13 (71,3)
0,33
7,0
Из стекла на основе
800/10
4,27 (42,7)
0,39
13,0
Крупные поры
традиционного сырья
800/10
4,75 (47,5)
0,40
18,0
Как видно из полученных результатов, качество образцов пеностекла, изготовленных из отходов производства тротила и традиционных материалов, практически одинаково. Характеристики образцов пеностекла, полученных на основе опытной и традиционной шихт, соответствуют основным показателям промышленных образцов пеностекла, изготовляемого, например, для теплоизоляционно-конструкционных блоков (Изделия и материалы из пеностекла. Технические условия ТУ 5914-001-73893595-2005. Разработаны в ЗАО «Пермское производство пеносиликатов»).
Таким образом, получение образцов пеностекла на основе силикатного стекла, изготовленного из отходов производства тротила, приводит к удешевлению пеностекла без снижения его качества.