СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR OBTAINING THERMAL INSULATION MATERIAL

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к получению теплоизоляционных изделий, и может быть использовано при производстве теплоизоляционного материала, легкого бетона, а также плит для защиты термических печей и вагонеток.
Известен способ получения теплоизоляционного материала, содержащего жидкое стекло, микрокремнезем, бикарбонат натрия, включающий гранулирование исходной смеси, термообработку ее в течение часа при 100°С и 1 час при 250°С (пат. РФ №2128633, С04В 28/26). Техническим результатом является повышение прочности, снижение температуры термообработки.
Недостатком данного способа являются периодичность действия установки, большая продолжительность процесса формирования изделия.
Известен способ изготовления легких строительных материалов, в частности, композитов на основе жидкого стекла, включающий операции формования гранул, термообработки их при температуре 120-150°С в течение часа при предварительном нагреве вяжущего и порообразователя до 50-60°С (пат. РФ №2148043, МПК С04В 18/10).
К недостаткам способа относятся: периодичность действия теплового агрегата, высокие энергетические затраты, узость ассортимента выпускаемой продукции.
Известен способ получения гранулированных вспененных теплоизоляционных материалов на основе жидкого стекла с добавками гидроксида кальция, молотого песка, кремнийорганической жидкости, включающий стадии перемешивания компонентов в течение 5-60 мин, формирование гранул путем продавливания через отверстия 1-3 мм, после чего гранулы сушат при температуре 60-100°С в течение 1-15 минут, затем вспенивают при температуре 360-800°С в течение 0,1-15 мин (пат. РФ №2087447, МПК С04В 28/26, 1997).
К недостаткам способа относятся: сложная технологическая схема процесса, высокие энергозатраты, не экономичное применение для получения теплоизоляционных материалов дефицитного сырья - гидроксида кальция и кремнийорганической жидкости.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения теплоизоляционного материала на основе жидкого стекла, включающий тщательное перемешивание, измельчение и термообработку компонентов композиции, отличающийся тем, что дополнительно применяют в качестве компонентов золу-уноса, пыль-уноса извести и отработанный раствор травления металла серной кислотой, при следующем соотношении компонентов, мас.%: жидкое натриевое стекло - 25…30, зола-уноса - 42…44, пыль-уноса извести - 9…12, отработанный раствор травления металлов серной кислотой - 18…20, причем измельчение, перемешивание и термообработку компонентов проводят в три стадии: на первой стадии в бисерной мельнице смешивают и измельчают жидкое натриевое стекло и золу-уноса до размера частиц 1…3 мм, осуществляют нагрев до температуры 150…160°С в течении 6 час, полученную суспензию алюмосиликата натрия передают в двухвалковый скоростной смеситель; на второй стадии в реакторе с быстроходной мешалкой проводят нейтрализацию отработанного раствора травления металла серной кислотой пылью-уноса извести, получаемой прокаливанием известняка, сначала до РН=8,5…9,0 при температуре 80…90°С и получают суспензию сульфата кальция и гидроксида железа, затем золой-уноса проводят нейтрализацию до РН=6,5…7,0 и получают смесь суспензий гипса и алюмината кальция, их подают в скоростной двухвалковый смеситель, в котором перемешивают с суспензией алюмосиликата натрия, на третьей стадии смесь суспензий из скоростного двухвалкового смесителя распылением подают в печь «кипящего слоя», в которой смесь подвергают термообработке дымовыми продуктами с избытком кислорода при температуре 140…350°С и получают теплоизоляционный материал с размером частиц 0,6…1,0 мм, включающий вспученный алюмосиликат натрия, расширяющийся цемент и железо-оксидные пигменты желтого цвета - при термообработке 140°С и красного цвета - при температуре 350°С (RU 2721561, опубл. 20.05.2020).
Недостатками указанного способа является:
1. Сложная технологическая схема процесса получения теплоизоляционного материала.
2. Высокий расход жидкого стекла и золы-уноса.
Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение технологического процесса получения теплоизоляционных материалов, применение для их получения менее дефицитных отходов и утилизация последних.
3
2
3
2
3
2
2
Техническая задача достигается за счет того, что в способе получения теплоизоляционного материала, включающем тщательное перемешивание, измельчение и термообработку в три этапа компонентов композиции, включающей золу-уноса и пыль-уноса известняка, согласно изобретения, дополнительно применяют в качестве компонентов отход производства жидкого стекла – шлам отстойников после пылеуловителей, содержащий, мас.%: NaSiO - 0,83; NaOH - 0,54; СаО - 0,61; AlO - 1,83; CrO - 7,25; SiO - 60,1-67,6; HO - остальное, твердую едкую щелочь, отход – асбесто кокс с размером частиц 1 - 2 мм и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: отход производства жидкого стекла 30-35, зола-уноса 31-32, твердая едкая щелочь 20-21, пыль-уноса, получаемая при прокаливании известняка 4-5, отход – асбесто кокс 5-6, вода - остальное; на первом этапе смешивают в реакторе отход производства жидкого стекла с твердой едкой щелочью при повышении температуры до 60°С и рН до 9,0 с образованием жидкого стекла с примесями оксидов кальция, алюминия и хрома, добавляют расчетное количество золы-уноса, повышают температуру до 140-150°С и рН до 9,5 в течении 4-5 час и получают алюмосиликатный клей-связку в виде суспензии, которую передают в двухвалковый смеситель; на втором этапе измельченный в дисмембраторе до размера частиц 1 - 2 мм асбесто кокс смешивают в заданных объемах с пылью-уноса известняка, воды и конденсата, передают в двухвалковый смеситель к суспензии, после окончания перемешивания смесь поступает на третий этап в комбинированную сушилку «кипящего слоя», где ее сушат при температуре 190-210°С и одновременно измельчают до 10 - 15 мкм, затем получают теплоизоляционный материал салатного цвета, содержащий алюмосиликатный клей-связку и глиноземистый цемент.
Для получения теплоизоляционных материалов по предлагаемому способу используют следующие компоненты: отход производства жидкого стекла – шлам отстойников после пылеуловителей и золы-уноса с добавкой к ним расчетного количества твердой едкой щелочи и отхода – асбесто кокс с размером частиц 1 - 2 мм, пыль уноса известняка при следующем соотношении компонентов, мас.%: шлам отстойников после пылеуловителей - 30-35, твердая едкая щелочь - 20-21; зола-уноса - 31-32; отход – асбесто кокс - 5-6; пыль-уноса известняка - 4-5; вода - остальное.
Применяемые отходы характеризуются приведенным ниже химическим составом.
3
2
3
2
3
2
2
Шлам отстойников после пылеуловителей, получаемый Магнитогорским метизно-металлургическим заводом, содержащий, мас.%: NaSiO - 0,83; NaOH - 0,54; СаО - 0,61; AlO - 1,83; CrO - 7,25; SiO - 60,1-67,6; HO - остальное. Шлам в объеме 18.0 тыс. т находится на хранении. (Проблемы экологии Южного Урала, 1996, №4. Плохих Н.А. Программа Отходы Челябинской области (фрагменты дискуссии).
2
2
3
3
3
2
2
Зола-уноса, получаемая на Троицкой ГРЭС при сжигании Экибастузского угля, содержит, мас.%: SiO - 54.8; AlO - 25,5; FeO - 5,9; СаО - 0,8; RO - 0,9; SO - 0,6. Зола-уноса частично используется для изготовления строительного кирпича и бетона.
Твердая едкая щелочь, соответствующая ГОСТу №4328-86.
2
2
3
Отход асбесто кокс, образуемый Магнитогорским коксохимическим производством при уплотнении дверей коксовых печей специальной замазкой, изготавливаемой на основе асбеста, жидкого стекла и торкрет порошка, содержащего, мас.%: асбест - 36; SiO - 14; AlO - 17; С - 16, полимеризованное жидкое текло-17. Отход не находит применения и вывозится на свалку.
2
3
Пыль-уноса известняка, получаемая ОАО ММК в больших объемах при прокаливании известняка, содержит, мас.%: СаО - 74,7; SiO - 1,8; MgO - 2,8 и CaCO - 21,2. Отход частично используется для нейтрализации кислых сточных вод и как мелиорант.
В связи с тем, что в применяемых для получения теплоизоляционных материалов отходах содержатся оксиды кальция, алюминия, кремния, а также жидкое стекло, то при определенных условиях из таких отходов можно получать высокой активности вяжущие: алюмосиликатное связующее (алюмосиликатный клей-связку) и глиноземистый цемент, наличие которых в теплоизоляционных материалах снижают в них теплостойкость и повышают их прочность, что позволяет их использовать для изготовления изделий различного применения (Огнеупорные цементы, Киев: Вища школа, 1984. - 123 с / М.Т. Мельник, Н.Г. Илюха, Н.Н. Шаповалова).
Учитывая это, предложено проводить последовательную обработку указанных отходов в три этапа: на первом этапе в реакторе при работающей мешалке проводят обработку шлама отстойников после пылеуловителей твердой едкой щелочью, при этом в реакторе повышается температура до 60°С и рН до 9,0 и протекает реакция (1) с образованием жидкого стекла с примесями оксидов кальция, алюминия и хрома:
Жидкое стекло обладает недостаточным вяжущим свойством и для его повышения применяют различные методы обработки или введения различных добавок. Алюмосиликатные растворы-системы, в которых осуществляются равновесия между мономерными и полимерными соединениями в щелочной среде с ростом концентрации щелочи возрастает содержание полимерных алюминат-ионов, смещая равновесие в сторону повышения концентрации полимерных силикат-ионов, что и делает такие системы более устойчивыми, чем отдельные силикатные растворы [М.М. Сычев. Неорганические клеи, Л., Химия, 1986, 269 с].
2
3
2
2
3
В промышленных условиях алюмосиликатный клей-связку получают взаимодействием оксида алюминия с жидким стеклом при температуре 150°С в течение 6 часов. Максимальное содержание AlO, которое может содержаться в алюмосиликатном клее-связке при сохранении его стабильности, равно 10% (в пересчете на сухие оксиды). При увеличении содержания оксида алюминия более указанного уровня происходит загустевание связки, и она превращается в студнеобразную массу. В связи с этим, наиболее рационально получать алюмосиликатные связки смешением растворов силиката и алюмината натрия, взятых в отношении NaO/AlO<5,95. При смешении таких растворов образуются алюмосиликатный клей-связка нормального твердения.
Учитывая это, после окончания реакции (1) в реактор добавляют расчетное количество золы-уноса и повышают в нем температуру до 140-150°С, поддерживая ее в течение 4-5 часов и рН до 9,5, при этом жидкое стекло взаимодействует с оксидом алюминия золы-уноса, образуя алюмосиликатный раствор (клей-связка) по реакции (2):
Снижение температуры ниже 140°С или времени обработки менее 4 часов получается алюмосиликатный клей-связка низкого качества, а повышение времени более 5 часов или температуры выше 150°С в клее повышается содержание гидроксида алюминия более 10%, и он загустевает.
После окончания реакций суспензию передают на второй этап, подавая ее шламовым насосом в двухвалковый смеситель.
На втором этапе в дисмембраторе проводят измельчение отхода – асбесто кокс до размера частиц 1…2 мм, после чего измельченный асбесто кокс подают вместе с пылью-уноса известняка, добавкой воды и конденсата в заданных объемах в двухвалковый смеситель, в котором при их смешении совместно с поданными в двухвалковый смеситель после первого этапа отходами, протекает реакция (3) с образованием алюмината кальция:
При измельчении части отхода – асбесто кокс менее 1 мм требуется больший расход энергии, при этом разрушаются поры асбеста, а измельчение частиц более 2 мм снижает активность отхода – асбесто кокс, так как уплотняются поры.
После окончания перемешивания смесь шнеком передают на третий этап в комбинированную сушилку «кипящего слоя», в которой суспензия одновременно сушится при температуре 190…210°С в течении 20 - 30 мин и измельчается до размеров частиц 10 - 15 мкм, при этом происходит взаимодействие указанных выше соединений с получением теплоизоляционного материала салатного цвета (за счет содержания в нем оксида хрома) с образованием глиноземистого цемента с примесью жидкого стекла по реакции (4), после окончания которой горячий материал подается в бункер готового теплоизоляционного материала и далее на стенд расфасовки, а уносимые пары конденсируются в конденсаторе и подаются в двухвалковый смеситель.
В зависимости от содержания в теплоизоляционном материале алюмосиликатного клея-связки и глиноземного цемента получается высокой прочности материал, из которого в зависимости от его дисперсности получают различной прочности огнеупорные изделия салатного цвета.
На фиг. приведена технологическая схема получения теплоизоляционного материала, на которой изображено следующее оборудование: бункеры отходов 1-6 (1 - бункер шлама отстойников после пылеуловителей, 2 - бункер твердой едкой щелочи; 3 - бункер золы-уноса; 4 - бункер асбесто кокса; 5 - бункер измельченного асбесто кокса; 6 - бункер пыли-уноса известняка) 7 - реактор; 8 - промежуточная емкость; 9 - шламовый насос, 10 - дисмембратор; 11 - двухвалковый смеситель, 12 - комбинированная сушилка «кипящего слоя», 13 - бункер горячего теплоизоляционного материала, 14 - конденсатор паров, 15 - стенд расфасовки.
При отработке условий получения теплоизоляционного материала была разработана технология (фиг.), которая состоит из трех стадий, проводимых в следующей последовательности.
На первой стадии процесс проводят в реакторе 7, в который подают в заданном количестве соответственно из бункеров 1 и 2, шлама отстойников после пылеуловителей 1 и твердой едкой щелочи 2, при этом в реакторе 7 повышается температура до 60°С и рН до 9,0 и протекает реакция (1) с образованием жидкого стекла. После окончания реакции в реактор 7 подают из бункера 3 в заданном объеме золу-уноса, при этом в суспензии повышается рН до 9,5 и температура до 140…150°С, протекает реакция (2) с образованием алюмосиликатного клея-связки. После окончания реакции суспензию через промежуточную емкость 8 шламовым насосом 9 подают на вторую стадию в двухвалковый смеситель 11.
На второй стадии в дисмембраторе 10 измельчают асбесто кокс, подаваемый из бункера 4, до размера частиц 1…2 мм, после чего его подают из бункера 5 в заданном объеме совместно с пылью-уноса известняка, подаваемой из бункера 6, воды и конденсата из конденсатора 14, в двухвалковый смеситель 11, в котором протекают реакции (3) с образованием алюмината кальция. После окончания реакции суспезию подают на третью стадию в комбинированную сушилку «кипящего слоя» 12.
На третьей стадии в комбинированной сушилке «кипящего слоя» 12 суспензия одновременно сушится при температуре 190…210°С и измельчается до размеров частиц 10 - 15 мкм, при этом происходит взаимодействие указанных выше соединений с получением теплоизоляционного материала салатного цвета (за счет содержания в нем оксида хрома) с образованием глиноземистого цемента с примесью алюмосиликатного клея-связки по реакции (4), после окончания которой горячий материал подается в бункер 13 готового теплоизоляционного материала и далее на стенд расфасовки 15, а уносимые пары конденсируются в конденсаторе 14 и подаются в двухвалковый смеситель 11.
В табл. 1 приведена характеристика технологического оборудования, необходимого для осуществления данного способа.
Эффективность предлагаемого способа подтверждается данными, приведенными в следующих примерах.
Пример 1. В реактор при работающей мешалке заполняют 30% (300 г) шлама отстойников после пылеуловителей и медленно добавляют 21% (210 г) твердой едкой щелочи, при этом суспензия нагревается до температуры 60°С и при рН, равном 9,0 протекает реакция (1) с образованием 414,8 г жидкого стекла. После окончания реакции в реактор при работающей мешалке подали 32% (320 г) золы-уноса. При этом в суспензии повышается рН до 9,5 и температура до 150°С в течение 4 часов и протекает реакция (2) с образованием 452,3 г алюмосиликатного клея-связки. После окончания реакции суспензию переливают в смеситель. Затем в дисмембраторе измельчают асбесто кокс до размера частиц 1 мм, после чего 6% (60 г) асбесто кокса и 6% (60 мл) воды подают в смеситель совместно с 5% (50 г) пыли-уноса известняка, при этом протекает реакции (3) с образованием 103,2 г алюмината кальция. После окончания реакции и перемешивания суспензии ее подают в комбинированную сушилку «кипящего слоя», в которой ее сушат при температуре 210°С и одновременно измельчают до размера частиц 10 мкм, при этом протекает реакция (4) с образованием глиноземистого цемента. После охлаждения теплоизоляционного материала его взвешивают и анализируют по ГОСТ 310.3-76(2003), с изготовлением на вибростоле с подпрессовкой образцов размером 40×40×40 мм и их испытанием через сутки. Было получено 1000 г теплоизоляционного материала, содержащего 456 г алюмосиликатного клея-связки и 544 г смеси, в том числе в ней 145,6 г глиноземистого цемента, с прочностью 178,8 МПа.
Пример 2. В реактор при работающей мешалке заполняют 35% (300 г) шлама отстойников после пылеуловителей и медленно добавляют 20% (200 г) твердой едкой щелочи, при этом суспензия нагревается до температуры 60°С и при рН, равном 9,0 протекает реакция (1) с образованием 394 г жидкого стекла. После окончания реакции в реактор при работающей мешалке подали 31% (310 г) золы-уноса. При этом в суспензии повышается рН до 9,5 и температура до 140°С в течение 5 часов и протекает реакция (2) с образованием 433,5 г алюмосиликатного клея-связки. После окончания реакции суспензию переливают в смеситель. Затем в дисмембраторе измельчают асбесто кокс до размера частиц 2 мм, после чего измельченный асбесто кокс – 5% (50 г) и 5% (50 мл) воды подают в смеситель совместно с 4% (40 г) пыли-уноса известняка, при этом протекает реакция (3) с образованием 82,6 г алюмината кальция. После окончания реакции и перемешивания суспензии ее подают в комбинированную сушилку «кипящего слоя», в которой ее сушат при температуре 190°С и одновременно измельчают до размера частиц 15 мкм, при этом протекает реакция (4) с образованием 116,5 г глиноземистого цемента. После охлаждения теплоизоляционного материала его взвешивают и анализируют по ГОСТ 310.3-76(2003), с изготовлением на вибростоле с подпрессовкой образцов размером 40×40×40 мм и их испытанием через сутки. Было получено 1000 г теплоизоляционного материала (433,5 г алюмосиликатного клея-связки и 566,5 г смеси, в том числе в ней 116,5 г глиноземистого цемента, прочностью 158,3 МПа. Сравнительные показатели проведенных опытов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Показатели расхода отходов и качества полученных в лаборатории.
№примера
Взято отходов*, г/%
Получено**, г
Прочность, МПа
1
2
3
4
5
6
1
2
1
300/30
210/21
320/32
60/6
50/5
60/6
172
142,2
178,8
2
350/35
200/20
310/31
50/5
40/4
50/5
177
153
158,3
Примечание: Взято отходов*: 1 – шлам, 2 – щелочь, 3 – зола-уноса, 4 – асбесто кокс, 5 – пыль-уноса, 6 – вода с конденсатом; Получено**: 1 – клей-связка, 2 – вяжущее с глиноземистым цементом.
Таким образом, при использовании предлагаемого способа получения теплоизоляционного материала применяются не дорогостоящие производственные отходы, которые не находят применения, менее сложный технологический процесс и полностью утилизируют отходы.