Способ получения многослойного пористого стеклокерамического блока и изделий из него Российский патент 2004 года по МПК C03B19/08 C03C11/00 

Изобретение относится к получению стеклокерамических материалов с заданными свойствами и изделий из них и может быть использовано в производстве теплоизолирующих строительных конструкций.

Известен способ получения пеностекла, включающий варку стекла в контролируемой атмосфере при температуре 1350-1510°С (1-2 ч), размалывание его совместно с газообразователем, вторичную термообработку при температуре 700-800°С и отжиг [а.с. СССР № 1158511, МКИ С 03 С 11/00, 1985].

Получение блоков из пеностекла требует повышенных затрат энергии на операции размола, вторичной термообработки и формования, а получаемые конструкции имеют сравнительно низкие прочностные свойства.

Известен способ получения пористого остеклованного блока, согласно которому силикатсодержащий материал без добавления стекла и вспенивающих ингредиентов непрерывно загружают в зону нагрева с температурой 1060-1300°С и вспенивают одновременно с подачей, обеспечивая нагрев со скоростью 180-400°С/мин [патент РФ № 1787965, опубл. 15.01.93 г.].

Недостатком известного способа является невозможность получения пористых блоков с требуемыми прочностными характеристиками. Это вызвано неравномерностью поступления шихты в зону нагрева, особенно при формовании крупногабаритных изделий. Толщина формуемого блока не может быть увеличена за счет увеличения температуры термообработки, т.к. толстый слой пористой стекломассы начинает играть роль эффективного теплоизолятора. Рост температуры в более глубоких зонах шихты замедляется, что препятствует процессам спекания. Увеличение толщины формуемого изделия при упомянутых режимах приводит к образованию зон с низким содержанием стеклофазы вплоть до отсутствия связности. Возможно растрескивание изделий как на стадии охлаждения, так и в процессе эксплуатации, что ограничивает их применение в качестве несущих конструкций.

Известен близкий по технической сущности "Способ изготовления пеностекла и устройство для его осуществления" (а.с. СССР № 753795, опубл. 07.08.1980), позволяющий получить многослойное пеностекло толщиной 80-120 мм. В способе в качестве шихты используют пенообразующую смесь, которую предварительно нагревают, послойно загружают в зону нагрева и вспенивают, причем перед формированием последующего слоя поверхность каждого предыдущего слоя оплавляют, что обеспечивает их спекание (выбран за прототип).

К недостаткам способа относятся повышенные затраты энергии на предварительный нагрев шихты в загрузчике и на оплавление слоя, невозможность получить на выходе блок с заданными параметрами прочности и теплопроводности. В способе-прототипе по а.с. № 753795, как и в способе по патенту РФ № 1787965, применяется "горячая" загрузка, при которой верхние слои под действием силы тяжести уплотняют пластичные нижние, что увеличивает ее объемную массу и уменьшает пористость. Кроме того, традиционная технология получения пеностекла при температуре 700-800°С не позволяет достичь интенсивного подвода тепловой энергии. При медленном подводе тепла для вспенивания необходимо большое количество газов, поскольку часть образующихся газов прорывает стенки пор, покидает стеклофазу и безвозвратно теряется. Поэтому используемая в способе-прототипе шихта содержит вспенивающие ингредиенты.

Эти недостатки способа-прототипа следует устранить.

Задачей изобретения является увеличение прочностных характеристик блока при сохранении его теплоизолирующих свойств и возможность получать многослойные изделия любой толщины. Для этого следует организовать процедуру вспенивания некоторых слоев таким образом, чтобы обеспечить опережающее образование стеклофазы относительно процесса кристаллизации.

Поставленная задача решается тем, что загрузку шихты в зону нагрева осуществляют дозированно, формируя вне зоны нагрева слои заданной толщины и наплавляя их друг на друга, причем формирование очередного слоя осуществляют на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое, обеспечивая надежную адгезию слоев, скорость нагрева слоя выбирают в диапазоне 415-1450°С/мин, обеспечивая ее выбором температуры и заданием скорости нагрева. После достижения необходимой толщины блок стабилизируют при температуре стеклования в течение времени, достаточного для выравнивания термомеханических напряжений, и охлаждают в заданном режиме.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемый способ содержит отличительные признаки, совокупность которых с рядом признаков прототипа достаточна для решения поставленной задачи. Во-первых, слой формируют из холодной шихты и вне зоны нагрева. Во-вторых, используют скорость нагрева слоя в диапазоне 415-1450°С/мин, изменяющую баланс энергозатрат и саму картину вспенивания. При таком способе формировании блока достигаются следующие положительные результаты:

- за счет быстрого остывания поверхности предыдущего слоя происходит нарастание вязкости и стабилизация пористой структуры нижнего слоя. Этому способствует как теплоотдача в атмосферу (вне зоны нагрева), так и теплопередача в слой холодной шихты. Этого нельзя добиться при непрерывной "горячей" загрузке, когда верхний слой под действием силы тяжести уплотняет пластичный нижний слой, уменьшая его пористость, что не позволяет получить расчетную теплопроводность теплоизолирующего слоя;

- увеличение скорости подвода тепловой энергии к шихтовой массе изменяет картину вспенивания, а именно скорость прироста объема слоя выше, чем скорость оседания пористой стеклофазы (улетучивания газов);

- выбранный режим термообработки слоя позволяет обойтись без добавления в шихту вспенивающих (газообразующих) ингредиентов и получать вспененную стеклокерамику непосредственно из природных суглинков и/или глины;

- возможность управлять процессом порообразования в заявленном диапазоне скоростей нагрева позволяет получить заданные прочностные характеристики блока при одновременном сохранении его теплоизолирующих свойств. Этот эффект достигается сочетанием в блоке высокопрочных слоев, выполняющих роль ребер жесткости, с пористыми слоями.

Кроме того, появляется возможность механического выравнивания вспененной поверхности и удаления неоднородностей (вспученных участков), характерных для термообработки при высоких скоростях нагрева. В прототипе это возможно только при уплотнении поверхности предыдущего слоя валиком, в то время как вне зоны нагрева продукты обработки (отходы) легко удаляются.

Нижняя граница диапазона скоростей нагрева (415°С/мин) обусловлена тем, что более низкие скорости нагрева сопровождаются образованием значительного количества кристаллической фазы, ухудшающей спекаемость материала, вплоть до нарушения связности, а плавление вновь образованных кристаллов требует гораздо более высоких температур, чем исходная шихта. Верхнее значение скорости подвода тепловой энергии к шихтовой массе (1450°С/мин.), ограниченной лишь тем, что скорость оседания пористой стеклофазы начинает превышать скорость прироста объема слоя (последнее обстоятельство обусловлено прорывом стенок пор образующимися газами).

Получаемый материал представляет собой пористую стеклокерамику, т.е. поризованное стекло с равномерно распределенными включениями кристаллов как содержащихся в исходном сырье, так и вновь образованных.

На основе заявляемого способа решается частная техническая задача. На стадии стабилизации блок, при необходимости, разделывают на изделия заданных размеров. Разделку можно осуществить путем распиливания твердосплавными или абразивными пилами либо путем раскалывания. В последнем случае целесообразно искусственно создать в толще материале локальные неоднородности внутренних напряжений. Для этого на поверхности слоя выполняют впадины требуемого направления глубиной 0,1-1,0 его толщины и заполняют их исходной шихтой либо тугоплавким сыпучим материалом, например кварцевым песком. Эта операция, кроме того, позволяет предотвратить неконтролируемое трещинообразование на стадии охлаждения. Отходы производства дробят и используют в качестве теплоизолирующего наполнителя строительных композиций. Получаемым изделиям могут быть приданы дополнительные потребительские свойства. Так, при наплавке защитного или декоративного слоя в качестве шихты используют легкоплавкие материалы, преимущественно способные к кристаллизации, например измельченное стекло. В декоративный слой, при необходимости, добавляют неорганический краситель в эффективном количестве. Возможность реализации способа поясняется следующими примерами.

Пример 1. На жестком термостойком основании формируют слой суглинков и/или глины толщиной 20±5 мм, перемещают его горизонтально и подают в термоизолированную зону нагрева, где происходит его вспенивание. Процесс вспенивания шихты сопровождается интенсивным поглощением тепловой энергии. Оптимальную температуру зоны нагрева поддерживают, исходя из баланса тепловой энергии и обеспечивая температуру выше температуры спекаемости. Выбранная интенсивность теплового удара достигается соотношением температуры зоны нагрева (1050-1450°С), толщины слоя (15-30 мм) и скорости его подачи (0,01-0,1 м/с). На выходе получают пористый материал однородной структуры, находящийся в вязкопластичном состоянии. На его поверхность насыпают второй слой холодной шихты, высота которого не обязательно равна высоте первого. Заготовку перемещают в исходное для первого слоя положение, либо поворачивают основание на 180° в горизонтальной плоскости для реверсной подачи, после чего процесс повторяют. Очевидно для разных слоев режим термообработки может быть различен. В зоне нагрева проходного типа может формоваться блок длиной до нескольких метров, при этом термообработке подвергается не весь слой, а некоторая его часть, равная по площади зоне нагрева. Тем не менее, при выбранном режиме термообработки все участки слоя получают одинаковое количество тепловой энергии. В частном случае трехслойного блока внешние (несущие) слои получены при скорости нагрева величиной 415±5°С/мин, а внутренний (теплозащитный) - при 1450±10°С/мин. Существенно, что все описанные в примере действия осуществляют до стадии стабилизации и охлаждения нижнего слоя, пока процесс стеклования еще не закончен, чтобы обеспечить надежное спекание материала при нагревании и связывание слоев в единый блок. Полученную заготовку (корж) размером 0,6 х 1,6 м и толщиной от 65 до 108 мм стабилизируют и охлаждают в заданном режиме. Готовое изделие представляет собой пористую трехслойную стеклокерамическую плиту, выдерживающую в вертикальном положении сжимающую нагрузку до 7,5 МПа (75 кг/см²) и пригодную для выполнения несущих конструкций.

Пример 2. Формируют слой суглинка, выравнивают его с помощью поперечного скребка до толщины 25 мм и подают в термоизолированную зону нагрева со скоростью 0,1 м/с. Под действием мощного потока тепловой энергии шихта плавится с одновременным вспениванием. На выходе из зоны нагрева получают пористый материал однородной структуры, находящийся в вязкопластичном состоянии. Заготовку выдерживают некоторое время в атмосферных условиях, чтобы поверхность приобрела достаточную вязкость. После этого удаляют неровности лицевой и торцевой поверхностей, а на лицевой поверхности выполняют одну продольную и несколько поперечных канавок с выбранным шагом, например 0,5 м (будущие зоны раздела), которые заполняют исходной шихтой. Не изменяя режим термообработки, описанный процесс повторяют. Полученная заготовка легко делится раздавливанием на блоки заданных габаритов, которые стабилизируют и охлаждают. В итоге получают легкие многослойные блоки однородной пористости с размерами 0,065х0,5х0,5 м, пригодные для использования в качестве теплоизолирующего строительного материала.

Для соединения слоев в единый блок формирование последующего слоя осуществляют на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое. При этом качество спекания слоев зависит от скорости нагрева. Прочность сцепления слоев определялась по результатам сдвиговой деформации образцов, выпиленных из блока. Обнаружено, что при скоростях нагрева 415°С/мин и выше разрушение всегда происходит в объеме слоя с повышенной пористостью, обладающего меньшей прочностью, в то время как при более низких скоростях нагрева, независимо от продолжительности термообработки, разрушение происходит по границе раздела слоев, что говорит о недостаточной спекаемости. Это явилось основанием для выбора значения 415°С/мин как нижней границы заявленного диапазона скоростей нагрева. Верхняя граница, как пояснялось выше, ограничена тем, что скорость оседания пористой стеклофазы начинает превышать скорость прироста объема слоя. Увеличение скорости нагрева выше 1450°С/мин нецелесообразно, поскольку сопровождается снижением теплоизолирующих свойств блока.

Эффективность способа поясняется таблицей, где приведены результаты применения способа на суглинках и глинах Родионовского месторождения. Послойная организация структуры блока позволяет сочетать в изделии несущие и теплозащитные свойства за счет использования различных скоростных и предельных режимов. Кроме сырья Родионовского месторождения похожие результаты получены на суглинках Михайловской свиты (г.Томск) и глинах Зырянского кирпичного завода (Томская область).

В столбце 4 приведены параметры режимов термообработки. Увеличение скорости нагрева выше 1450°С/мин при одновременном повышении температуры сопровождается увеличением плотности материала, снижением теплоизолирующих свойств блока и повышенным износом оборудования. Нижние границы диапазона скорости нагрева достигаются при необходимости получить слой, близкий по структуре к монолиту, или при использовании специфических суглинков. В этом случае, хотя время процесса возрастает, суммарные энергозатраты снижаются в 2-3 раза с одновременным снижением требований к термической стойкости оборудования.

Результаты применения способа на суглинках Родионовского месторождения

Таблица

В результате применения способа получен пористый стеклокерамический блок толщиной 108 мм, что соответствует толщине стандартного "двойного" строительного камня с теплопроводностью 0,14 Вт/(м·К). Блок выдерживает нагрузку до 2,5 МПа при поперечном сжатии и до 7,7 МПа при продольном сжатии.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР № 1158511, МКИ С 03 С 11/00, 1985.

2. Патент РФ № 1787965, МКИ С 03 С 11/00. Опубл. 15.01.93 г., БИ №2, 1993.

3. Авторское свидетельство СССР № 753795, опубл. 07.08.1980 (прототип).

Изобретение относится к получению стеклокерамических материалов с заданными свойствами и изделий из них и может быть использовано в производстве строительных конструкций. Технический результат изобретения - увеличение прочностных характеристик блока при сохранении его теплоизоляционных свойств. Загрузку шихты в зону нагрева осуществляют дозированно в виде нескольких дискретных слоев, формируя их вне зоны нагрева и наплавляя их друг на друга с помощью теплового удара. Формирование очередного слоя осуществляют на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое. По крайней мере, для одного слоя используют суглинок и/или глину. Скорость нагрева слоя выбирают в диапазоне 415-1450°С/мин. Для деления блока на элементы заданной формы на поверхности вспененного слоя выполняют канавки требуемого направления глубиной 0,1-1,0 его толщины и заполняют их исходной шихтой либо тугоплавким сыпучим материалом. Получаемые изделия могут быть покрыты декоративным (защитным) слоем. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения многослойного пористого стеклокерамического блока, включающий формирование слоя шихты заданной толщины и вспенивание его путем нагрева, формирование последующего слоя на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое, стабилизацию и охлаждение вспененной массы в заданном режиме, отличающийся тем, что по крайней мере для одного слоя в качестве шихты используют суглинок и/или глину, слои формируют вне зоны нагрева, а скорость нагрева слоя выбирают в диапазоне 415 - 1450°С/мин, обеспечивая ее выбором температуры и заданием времени нагрева.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед формированием последующего слоя на поверхности предыдущего слоя выполняют канавки глубиной 0,1-1,0 его толщины, соответствующие направлениям будущего деления блока на части, и заполняют их исходной шихтой, либо тугоплавким сыпучим материалом.