СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАЛИБРОВАННОГО ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА Российский патент 2006 года по МПК C03C11/00 C03B19/08 

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, в частности касается производства калиброванного гранулированного пеностекла из переработанного стеклобоя безотносительно к его химическому составу.

Пеностекло можно получать многими способами при использовании композиций на основе различного стекла и вспенивающих агентов. Стеклопорошок получают либо из специально сваренных стекломасс, либо из боя оконного, тарного, оптического и других стекол. Традиционная технология производства пеностекла включает варку стекла специального состава, его помол с газообразователем для получения тонкодисперсной шихты, вспенивание формованной шихты в процессе отжига при температуре не менее 700°С (US 4192664, кл. С 03 В 19/00, 1980 г., US 3403990, кл. 65-22, 1968 г.). Применение известной технологии позволяет получать пеностекло достаточно высокого качества с однородной структурой, обеспечивающей его эксплуатационную стабильность, однако производимое пеностекло имеет высокую себестоимость за счет трудоемкости операции получения стекла требуемого состава.

В патенте US 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г. раскрыт многостадийный энергоемкий способ получения пеностекла из стеклобоя, включающий нагрев порошкообразной шихты до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение. Пеностекло, производимое фирмой Pittsburgh Coming Corporation, получают из тонкодисперсного порошка стекла, подлежащего утилизации, и газообразователя. Стекло строго определенного состава и газообразователь, находящиеся в твердой фазе, раздельно перемалывают и перемешивают в шаровой мельнице. Полученную порошкообразную смесь затем спекают в два этапа при температуре ниже температуры вспенивания и охлаждают. Известный способ осложнен тем, что он связан с проблемой перемешивания исходных компонентов в состоянии твердой фазы, что не обеспечивает их высокую однородность распределения в объеме смеси. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению смеси металлом шаров и футеровки, что нарушает условия порообразования на стадии производства пеностекла. К сожалению, в условиях подъема цен на энергоносители использование известной порошкообразной шихты и способа ее получения приводит к удорожанию пеностекла. Это требование налагает ограничения на выбор подвергаемой вспениванию композиции.

В документе WO 00/61512, С 03 С 11/00, 2000 г. раскрыт способ получения гранулированного пеностекла с использованием отходов стекла с одно- или двухстадийной обработкой гранулята при температуре 200-300°С или 400-800°С в течение времени не более 15 минут.

Жидкое стекло известно как добавка при производстве гранулированного пеностекла, необходимая в качестве связующего для гранул (например, DE 2010263, С 03 С 11/00, 1979 г.). В патенте RU 2162825, кл. С 03 С 11/00, 2001 г. раскрыт способ изготовления пеностекла из разобранного стеклобоя определенного состава, включающий приготовление шихты путем совместного помола стеклобоя и газообразователя, гранулирование шихты с орошением ее водным раствором растворимого стекла.

Из патента RU 2109700, кл. С 03 С 11/00, 1998 г. известна технология изготовления гранулированного пеностекла из сырьевой смеси, содержащей 53,22-71,26 мас.% стекольных отходов, газообразователь и связующее вещество. Пеностекло изготавливают путем помола стекла и газообразователя, двустадийной грануляции на подвижной поверхности гранулятора при одновременной подаче связующего вещества и последующего отжига. Стадия грануляции включает предварительный процесс образования так называемых зародышевых гранул из смеси отходов триплекса и газообразователя и последующую грануляцию полученных зародышевых гранул одновременно с пенообразующей смесью, содержащей молотый триплекс и газообразователь. Грануляцию ведут в режиме заданного соотношения диаметров зародышевых и полученных сырьевых гранул. Известный способ не позволяет получать калиброванное гранулированное пеностекло, т.е. пеностекло с заданными и однородными по размеру и форме гранулами. Способ плохо воспроизводим, поскольку его осуществимость связана с реализацией сложно контролируемого режима выполнения соотношения диаметров зародышевых и получаемых гранул.

Одним из представляющих интерес способов получения гранулированного пеностекла является способ по патенту РФ 216825. Известный способ включает дробление стеклобоя, его мойку и сушку при температуре 110-120°С, весовое дозирование и совместный помол стеклобоя и порообразователя, гранулирование шихты на тарельчатом грануляторе с орошением ее водным раствором растворимого стекла, сушку гранул на ленточно-сетчатой сушилке при температуре 400°С до влажности 2%, вспенивание гранул во вращающейся печи с речным кварцевым песком в качестве разделяющей среды при температуре 780-820°С и отделение гранул от разделяющей среды. Известный способ позволяет упростить способ производства гранулированного пеностекла и снизить расход электроэнергии, однако он также не позволяет получать однородные по размеру и форме гранулы пеностекла в партии. Серьезным ограничением известного способа является значительное количество расколотых гранул, а также его низкая воспроизводимость и высокая насыпная плотность, составляющая 200-300 кг/м³, вследствие применения влажной сырьевой смеси.

В патенте РФ 2187473, кл. С 03 В 19/08, 2000 г. раскрыт способ получения гранулированного пеностекла, включающий предварительную термообработку при температуре ниже температуры вспенивания исходной смеси, получаемой из тонкодисперсного порошка стеклобоя, углеродсодержащего компонента и силиката натрия, нагрев смеси до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение. В известном способе смешивают диспергируемый стеклобой на основе щелочных алюмосиликатных стеклообразных отходов и вспенивающую смесь, содержащую кремнезем, углеродсодержащий компонент, сульфат металла и жидкое натриевое стекло в количестве 0,5-5,0 мас.%. Жидкое стекло используют в сухом либо смоченном водой состоянии для улучшения собирания материала в гранулы. Заполняют металлические формы гранулированным материалом и направляют в печь для спекания. Получаемое по известной технологии гранулированное пеностекло характеризуется высокой себестоимостью, связанной с необходимостью долгого и достаточно сложного механического перемешивания компонентов до очень равномерного распределения частиц пенообразователя в стеклопорошке. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению шихты металлом шаров и футеровки, что в дальнейшем нарушает условия порообразования в спекаемой шихте. Технологические режимы известного способа отработаны применительно к конкретному составу стеклобоя, что делает их неприемлемыми при использовании стеклобоя произвольного состава. Известным способом невозможно получить калиброванное гранулированное пеностекло, т.е. пеностекло с заданными и однородными по размерам и форме гранулами. Способ плохо воспроизводим, поскольку его применение не позволяет получать однородный исходный размер невспененных гранул.

В рамках данной заявки решается задача разработки технологии получения калиброванного гранулированного пеностекла, позволяющего воспроизводимо получать гранулы с формой, близкой к шаровидной, и заданного размера. Имеется также потребность в расширении сырьевой базы и разработки такой технологии, которая позволила бы производить однородное по физико-химической структуре, размерам и форме гранул пеностекло безотносительно к химическому составу стеклобоя, т.е. из несортированного стеклобоя. Имеется потребность в разработке технологии с малой энергоемкостью производства. Кроме того, решается задача повышения воспроизводимости структуры гранулированного пеностекла с гомогенной мелкопористой структурой, содержащей поры замкнутой формы.

Поставленная задача достигается тем, что способ получения калиброванного гранулированного пеностекла включает перемешивание при температуре не выше 70°С из водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего компонента, термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей смеси при температуре 450-550°С до получения обезвоженной композиции, последующее измельчение охлажденной композиции в порошок и приготовление водной дисперсии порошка с добавками пластификатора, высушивание дисперсии при температуре 450-500°С, таблетирование полученного продукта сушки и нагрев его до температуры вспенивания из диапазона 800-850°С, выдержку таблетированного продукта при температуре вспенивания и охлаждение до температуры окружающей среды.

Целесообразно перемешивать исходные ингредиенты в соотношении, мас.%:

водный раствор силиката натрия и/или калия30-70порошок несортированного стеклобоя25-65углеродсодержащий газообразователь4-9

Предпочтительно водную дисперсию приготавливать с содержанием воды 70-75 мас.%.

Кроме того, охлаждение таблетированного продукта от температуры вспенивания вести со скоростью 0,5-1,0 град/мин.

Поскольку несортированный стеклобой, т.е. искусственные технические стекла, представляют собой системы, содержащие различные оксиды, то процесс взаимодействия водного щелочного раствора силиката натрия и неразобранного стеклобоя потребовал изучения его термодинамических режимов. Растворенный в воде до определенной концентрации силикат натрия и/или калия представляет собой щелочной раствор, который необходим для протекания физико-химических процессов, сопровождающих его взаимодействие с оксидами стеклобоя безотносительно к их составу, включая содержание в стекле щелочных оксидов.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между физико-химическими свойствами калиброванного гранулированного пеностекла, термодинамическими режимами получения сырьевой смеси, водной дисперсии из порошка охлажденной смеси и пластификатора, и последующим таблетированием продукта высушивания этой дисперсии и температурным режимом вспенивания. При отсутствии общеизвестных закономерностей физико-химического состояния вещества после его обработки при температуре вспенивания в форме таблеток от исходного состава ингредиентов при получении сырьевой смеси авторами экспериментально были найдены те оптимальные последовательности операций способа и содержание водного щелочного раствора силиката натрия в исходной смеси, которые позволяют при последующей обработке при температуре из диапазона 450-550°С получить требуемые параметры калиброванного гранулированного пеностекла. В связи с отсутствием строгой теории вязкости дисперсионных систем указанные выше закономерности приготовления сырьевой смеси проводили эмпирически.

В данном способе получения калиброванного гранулированного пеностекла перемешивание силиката щелочного металла, порошка технического стекла произвольного химического состава и углеродсодержащего газообразователя осуществляют не в твердом состоянии, а в водном щелочном растворе силиката натрия и/или калия, представляющим собой вязкотекучую жидкость с показателем среды рН>7 и являющимся таким компонентом, который обеспечивает как однородность распределения порошкообразных добавок по объему шихты, так и протекание необходимых физико-химических процессов. Нагрев исходной смеси до температуры 450-550°С ведут для ее обезвоживания и удаления химически связанной воды. Перемешивание исходных компонент смеси в состоянии жидкой фазы при температуре не выше 70°С позволяет в дальнейшем получить равномерную по объему пеностекла структуру закрытых газонаполненных пор при низкой энергоемкости производства безотносительно к химическому составу технического стекла.

Данный способ позволяет производить гранулированное пеностекло в виде пористых гранул заданного размера (калибра) и шаровидной формы диаметром от 7 мм до 40 мм, обладающих высокой механической прочностью. При необходимости указанный размер шарообразных гранул может быть увеличен.

Каждая гранула получаемого данным способом пеностекла по наружной поверхности обработана защитным слоем, который может быть выполнен из различных материалов - кварцевого песка различной фракции, цемента. Этот слой придает гранулированному пеностеклу дополнительные свойства по химической и тепловой стойкости, а также обеспечивает лучшую адгезию пеностекла с различными связующими материалами при использовании в виде наполнителя в различных изделиях, например в цементном растворе, бетоне.

Производимое данным способом калиброванное гранулированное пеностекло обладает всеми теплотехническими и физико-механическими свойствами блочного пеностекла по коэффициенту теплопроводности в соответствующих соотношениях "прочность/объемный вес" превосходит показатели последнего на 10-15%.

Для лучшего понимания сущности данного изобретения ниже приведен конкретный неограничивающий пример способа получения калиброванного гранулированного пеностекла.

Пример

Исходную смесь готовят из следующих компонентов. В качестве исходного ингредиента используют 150 кг коммерчески доступного, т.е. имеющегося в продаже, водного щелочного раствора силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), изготовленного на Рязанском заводе из трепела автоклавным или безавтоклавным методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде (рН>7) при температуре 90-100°С. Водный раствор силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1) при температуре окружающей среды сначала перемешивают в течение 10-15 минут с тонкомолотым порошком нерассортированного стеклобоя разных марок и химического состава, взятого в количестве 65 кг. К полученной вязкотекучей композиции добавляют 20 кг углеродсодержащего газообразователя. В процессе перемешивания композиции происходит связывание свободной воды и щелочи, негативно влияющих на водорастворимость конечного продукта - пеностекла. Полученная смесь имеет серый цвет. После перемешивания всех компонентов сырьевой смеси проводят ее термообработку при температуре 520°С в течение 65 минут. При термообработке происходят дальнейшие физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной гидратной и химически связанной воды и увеличением вязкости смеси, после чего она приобретает темно-серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды сырьевой смеси составляет около 60% от веса исходных компонентов. Затем осуществляют помол смеси до величины зерна 15-20 мкм и готовят водную дисперсию смеси с добавками пластификатора. Содержание воды в дисперсии составляет 72 вес.%. Полученную дисперсию обрабатывают в вертикальной сушильно-грануляционной установке при температуре 470°С, где она превращается в обезвоженную массу в виде так называемой "микрокрупы". Полученный продукт сушки таблетируют с величиной таблетки диаметром 10-12 мм. Полученные таблетки подают во вращающуюся печь, где поддерживают температуру вспенивания 830°С. После охлаждения от температуры вспенивания со скоростью 0,6 град/мин на выходе из печи получают калиброванное гранулированное пеностекло с формой гранул, близкой к шаровидной, обладающее при этом всеми свойствами высококачественного теплоизоляционного пеностекла.

В таблице 1 приведены результаты сравнительных испытаний блочного пеностекла и калиброванного гранулированного пеностекла, полученного по данной технологии.

Таблица 1Наименование показателейБлочное пеностеклоКалиброванное гранулированное пеностеклоПлотность, кг/м³140-25070-250Коэффициент теплопроводности, Вт/м К0,06±10%0,045-0,055Класс пожароопасностиНГНГГигроскопичность, мас.%0,3-070,1-0,2Водопоглощение, %2-61-3Рабочий диапазон температур, °С-220-(+500)°-220-(+650)°Структура порГазонаполненная, закрытаяГазонаполненная, закрытаяЭкологичностьЭкологически безопасенЭкологически безопасен

Разработанный способ позволяет получать калиброванное гранулированное пеностекло с формой гранул, близкой к шаровидной, воспроизводимых размеров с мелкопористой структурой из стеклобоя произвольного химического состава. Производство калиброванного гранулированного пеностекла с шаровидной формой гранул позволяет в максимальной степени заполнять любой теплоизолируемый объем конструкции, что в значительной степени улучшает ее теплотехнические и эксплуатационные свойства, а при изготовлении бетонных и/или железобетонных изделий и конструкций - в значительной степени снижает удельный расход цемента или иного связующего материала.

Изобретение предусматривает использование водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и химически активных к нему добавок, одной из которых является порошок стеклобоя произвольного химического состава, позволяющих получать после их перемешивания с углеродсодержащим газообразователем и термообработки при температуре 450-550°С обезвоженную композицию, пригодную для получения калиброванного гранулированного пеностекла с высокими теплотехническими характеристикам, но с малой энергоемкостью производства за счет исключения варки специального по химическому составу стекла при высоких температурах.

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, в частности касается производства гранулированного пеностекла из несортированного стеклобоя, позволяющего воспроизводимо получать пеностекло с формой гранул, близкой к шаровидной, и заданного размера. Способ позволяет снизить трудо- и энергозатраты. Исходную сырьевую смесь получают из водного щелочного раствора силиката натрия в количестве не менее 30-70 мас.% и порошка стеклобоя произвольного химического состава в количестве 25-65 мас.%. Из полученной сырьевой смеси, подвергнутой термообработке до обезвоженного состояния, готовят порошкообразную шихту и водную дисперсию этой шихты в присутствии пластификаторов. Полученный продукт высушивают при температуре 450-500°С, таблетируют и выдерживают при температуре вспенивания из диапазона 800-850°С. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения калиброванного гранулированного пеностекла, включающий перемешивание при температуре не выше 70°С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего компонента, термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей смеси при температуре 450-550°С до получения обезвоженной композиции, последующее измельчение охлажденной композиции в порошок и приготовление водной дисперсии порошка с добавками пластификаторов, высушивание дисперсии при температуре 450-500°С, таблетирование полученного продукта сушки и нагрев до температуры вспенивания из диапазона 800-850°С, выдержку таблетированного продукта при температуре вспенивания и охлаждение до температуры окружающей среды.2. Способ по п.1, где ингредиенты при перемешивании выбирают в соотношении, мас.%:

Водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия30-70Порошок несортированного стеклобоя25-65Углеродсодержащий газообразователь4-9