СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОРИСТОГО СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКОГО БЛОКА Российский патент 2008 года по МПК C03B19/08 

Область техники

Изобретение относится к области строительства и непосредственно касается способа производства строительных стеклокерамических материалов с заданными свойствами, используемых предпочтительно с целью увеличения теплоизоляционных свойств строительных конструкций.

Уровень техники

Известен способ получения пеностекла, включающий подготовку шихты, варку стекла в контролируемой атмосфере при 1350-1510°С (1-2 ч), измельчение его совместно с добавляемыми газообразователями, формование и повторную термообработку при температуре 700-800°С и отжиг [1].

Получение блоков из пеностекла требует повышенных затрат энергии на операции приготовления шихты и гомогенизации расплава, тонкого помола и формования, а также вторичной термообработки. Получаемый материал имеет при этом низкие прочностные качества.

Известен способ получения пористого остеклованного блока, согласно которому минеральное стеклообразующее сырье (широко распространенные осадочные горные породы - кварцсодержащие суглинки) без добавления стекла и пенообразующих ингредиентов последовательно загружают порциями в зону стабилизации и вспенивают термоударом с температурой 1060-1300°С, обеспечивая нагрев со скоростью 180-400°С/мин [2].

Недостатком этого способа является низкая механическая прочность продукта, в котором все слои обладают одинаковой пористостью.

Известен способ получения многослойного пористого стеклокерамического блока, включающий формирование слоя шихты заданной толщины и вспенивание его путем нагрева со скоростью 415-1450°С/мин, формирование последующего слоя на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое, стабилизацию и охлаждение вспененной массы в заданном режиме [3]. По известному способу в качестве шихты используют кварцсодержащие суглинки, а блоки получают, чередуя слои разной степени вспененности.

По количеству общих признаков и достигаемому результату данное техническое решение наиболее близко заявляемому и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого способа является отсутствие возможности управления механизмом образования слоев с заданной механической прочностью (ребер жесткости), что существенно снижает несущие свойства блока, ограничивает сферу его применения и сектор рынка сбыта.

Причины, по которым известный способ не пригоден для получения многофункционального строительных изделий, следующие. Во-первых, для эффекта вспенивания слоя сырье должно состоять из достаточно крупных частиц, мелкая фракция, содержащая пылевидные частицы, является хорошим теплоизолятором и препятствует равномерному прогреву слоя. Во-вторых, вспененный слой, особенно наружный (облицовочный), в силу своего морфологического состава испытывает большую усадку при охлаждении, края блока неровные, разной толщины. В теле слоя много локальных напряжений, сказывающихся, в конечном счете, на механической прочности изделия

Сущность изобретения

Технической задачей изобретения является разработка способа получения многослойного пористого стеклокерамического блока, который наряду с требуемыми теплоизоляционными свойствами обладал бы повышенной механической прочностью, достаточной для изготовления несущих конструкций. Как указано выше, в способе-прототипе эти возможности очень ограничены, поскольку прочность слоев определяется по существу их удельной плотностью, т.е. физической пористостью, а не химической структурой, составом и соотношением отдельных фаз.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения многослойного пористого стеклокерамического блока, включающем формирование слоя шихты заданной толщины и вспенивание его путем нагрева со скоростью 415-1450°С/мин, формирование последующего слоя на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое, стабилизацию и охлаждение вспененной массы в заданном режиме, по крайней мере, один слой блока формируют из природного сырья с повышенной огнеупорностью, который не вспенивают, а обжигают при температуре спекаемости в течение 5-15 мин.

Все перечисленные признаки являются необходимыми, а их совокупность достаточна для изготовления высокопрочных теплоизолирующих строительных блоков практически любых требуемых в обычном строительстве геометрических размеров, в том числе толщины поперечного сечения. Блоки пригодны для исполнения несущих конструкций, работающих на сжатие вдоль плоскости слоев.

Для придания многослойным пористым стеклокерамическим блокам дополнительных потребительских свойств с заявляемом способе могут быть использованы дополнительные признаки.

Природное сырье с повышенной огнеупорностью, которое обжигают при температуре спекаемости, можно предварительно измельчить и/или просеять до фракции 0,10-3,0 мм.

В качестве вышеописанного сырья целесообразно использовать природные суглинки с содержанием глинозема 17,1-20,9 мас.%, для спекания которых температуру обжига поддерживают в диапазоне 1120-1200°С.

В качестве вышеописанного сырья целесообразно использовать природные углисто-глинистые каолинизированные сланцы, для спекания которых температуру обжига поддерживают в диапазоне 1300-1380°С.

В качестве вышеописанного сырья можно использовать смесь природных суглинков с повышенным содержанием глинозема и природных углисто-глинистых сланцев при эффективном массовом соотношении. Упомянутое соотношение для многих природных материалов лежит в диапазоне от 2:1 до 1:2. Ряд природных материалов может смешиваться в массовом соотношении 1:1.

В качестве вышеописанного сырья для внешних (облицовочных) слоев блока целесообразно использовать отходы производства пористых стеклокерамических блоков, измельченные до фракции 0,10-3,0 мм.

Таким образом, по крайней мере некоторые слои формируют из тех же суглинков (свежих или каолинизированных), но с высоким содержанием Al₂О₃, или углисто-глинистых сланцев (керамзитовое сырье), либо используют отходы производства блоков, т.е. используют сырье с высокой огнеупорностью. При этом шихту не вспенивают, а обжигают при температуре спекаемости (1120-1200°С для суглинков и 1300-1380°С для сланцев). Для полного прогревания формируемого слоя по всему сечению и формирования плотной и механически прочной керамики его выдерживают при указанных температурах в течение 5-15 мин.

Внешние (облицовочные) слои блока, переходя из зоны обжига в зону стабилизации, испытывают наибольшие тепловые перегрузки. Для внешних (облицовочных) слоев блока можно использовать продукты двукратного обжига, а именно отходы производства пористых стеклокерамических блоков (бракованные изделия, краевые отпилы, продукты распиловки), измельченные до фракции 0,10-3,0 мм. Сначала производят грубое дробление отходов на щековых дробилках до размера частиц 10-15 мм, затем среднее и мелкое дробление на бегунах, валковых и конусных дробилках или на конических мельницах до размера 0,10-3,0 мм. Измельченный материал просеивают через металлические сита. При этом за счет вторичного обжига наряду с увеличением механической прочности достигается уменьшение усадки внешних слоев и остаточных внутренних напряжений. Кроме того, достигается экономия сырья.

При заявленном способе формировании блока достигаются следующие положительные результаты:

- формируемый слой после стабилизации приобретает прочность керамики, чего нельзя добиться при непрерывном нарастании температуры в форме теплового удара, использованного в способе-прототипе. Появляется возможность, варьируя расположение слоев и их параметры, получить расчетную прочность блока в целом (конечного изделия);

- за счет стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое достигается высокая адгезия между поверхностью пористых (теплоизолирующих) и плотных (несущих) слоев.

- выбранный режим термообработки слоя позволяет, достигнув поставленных целей, сохранить важное достоинство прототипа - обойтись без вспенивающих (газообразующих) ингредиентов и получать строительные блоки при минимальных затратах на приготовление шихты, т.е. непосредственно из природных материалов;

- возможность управлять процессом кристаллообразования в заявленных температурных диапазонах (скоростей нагрева, температуры и продолжительности обжига), что позволяет получить заданные прочностные характеристики блока при одновременном сохранении его теплоизолирующих свойств. Этот эффект достигается за счет сочетания в блоке высокопрочных слоев, выполняющих роль ребер жесткости, с высокопоризованными слоями.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемый способ содержит отличительные признаки, совокупность которых с рядом признаков прототипа достаточна для решения поставленной задачи.

Во-первых, слой повышенной прочности формируют из шихты с высокой огнеупорностью (конкретно, углисто-глинистых сланцев, суглинков с повышенным содержанием глинозема, измельченных отходов производства стеклокерамических блоков). Поскольку используется общее для перечисленных материалов свойство, а именно их более высокая огнеупорность относительно кварцсодержащих суглинков, в качестве шихты можно использовать смесь этих видов сырья. Оптимальное соотношение выбирается по результатам минералогического анализа.

Во-вторых, для образования ребер жесткости используют не процесс вспенивания, а обжиг при температуре спекаемости сырья (1120-1200°С для суглинков и 1300-1380°С для сланцев).

В-третьих, термообработка несущих слоев блока (ребер жесткости) осуществляется с целью их спекания и уплотнения в той степени, которая обеспечит постоянство их объема и прочность изделия в процессе эксплуатации. За счет теплового взаимодействия слоев, выполняемых по способу-прототипу, со слоями, выполняемыми по заявленному способу, время их тепловой обработки выбрано в диапазоне 5-15 мин, что значительно меньше, чем при изготовлении обычной высокопрочной керамики и существенно снижает общие энергозатраты.

- совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения заявляемого способа производства многослойного пористого стеклокерамического блока придает способу новое качество, а именно возможность получения самонесущего теплоизоляционного строительного материала, пригодного для большого спектра строительных конструкций.

Присутствие в многослойном пористом стеклокерамическом блоке внешних ребер жесткости придает ему новое потребительское свойство: помимо высоких теплозащитных свойств обеспечивается заданная механическая прочность.

Исходные предпосылки для разработки заявленного технического решения

Тип стеклокерамики определяется характером используемых материалов, их обработкой, особенно тонкостью помола, составом шихты, температурой и длительностью обжига. В состав масс всех типов стеклокерамики входят пластичные глинистые вещества (глина, каолин, глинозем), отощающие материалы (кварц, кварцевый песок), плавни (полевой шпат, пегматит, перлит, костяная зола и др.) При обжиге изделий в результате сложных физико-химических превращений и взаимодействий компонентов масс формируется их структура. Вспененная и обожженная структура неоднородна и состоит из кристаллической, стекловидной и газовой фаз.

Углисто-глинистые сланцы характеризуются повышенным по сравнению с суглинками содержанием глинозема (17,11-20,93 мас.%). При выветривании они подвергаются объемной каолинизации, поэтому в процессе спекания суглинков и сланцев происходит ряд специфических физико-химических явлений. В интервале 100-200°С осуществляется выделение остаточной влаги сырца. При этом могут появляться трещины в нагреваемом слое, вызванные значительным внутренним напряжением от повышения давления перегревшихся паров воды в его порах. При дальнейшем повышении температуры до 400-500°С в зависимости от скорости нагрева происходит постепенное разложение глинистых минералов, включая каолинит, с выделением основной части химически связанной воды. Это явление сопровождается незначительной усадкой слоя (0,5-1,0%) первоначального объема, которая не вызывает существенных механических напряжений. Глинистые минералы, включая каолинит, после дегидратации распадаются на оксиды алюминия и кремния. В температурном интервале 500-940°С происходит равномерное и небольшое (1,2-1,3%) объемное изменение.

Таким образом, весь температурный интервал от 200 до 940°С характеризуется небольшими равномерными усадочными явлениями, протекающими в условиях упругого состояния материала и незначительного роста его первоначальной прочности. На некоторой стадии технологического процесса при достижении температуры выше 940°С происходит скачкообразное увеличение усадки, достигающее 4%. Оно связано с переходом аморфного глинозема в γ-глинозем, а также возникновением скрытокристаллического муллита 3Al₂O₃·SiO₂. Для этого температурного интервала характерно начало пластической деформации слоя.

Интенсивный процесс спекания обусловлен формированием при температурах начала плавления жидкой фазы за счет плавления легкоплавких минералов и взаимодействия фемических примесных элементов с литофильными кремнеземом и глиноземом глинистого материала. Параллельно образуются кристаллы муллита, имеющие более высокую удельную массу (3,15 г/см³), чем исходное вещество. Именно этим объясняется усадка материала, достигающая 1,0% и более линейной усадки на каждые 10°С изменения температуры.

Дальнейшее повышение температуры характеризуется собственно процессом спекания, окончание которого определяется в основном особенностями химико-минералогического состава. Окончание процесса обжига при спекании внешних слоев завершается при температурах, превышающих на 100-150°С температуру полного спекания суглинка и сланца. При конечных температурах обжига завершается кристаллизация муллита в виде скоплений прочных кристаллов, армирующих стекловидную (аморфную) составляющую слоя и не подверженных значительным линейным усадкам на стадии охлаждения в заданном режиме. Кристаллическая фаза образуется при разложении и преобразовании глинистых веществ и других компонентов массы. Она включает кристаллы муллита 3Al₂O₃·2SiO₂, остатки измененного глинистого вещества, оплавленные зерна кварца. Кристаллическая фаза и особенно муллит придают слою особую прочность, термическую и химическую устойчивость, низкое водопоглощение. С ростом температуры спекания происходит увеличение средней плотности и уменьшение открытой пористости керамики.

Промышленная применимость

Заявляемый способ производства многослойного пористого стеклокерамического блока обеспечивает технический результат повышение механической прочности при сохранении заданных теплоизоляционных свойств материала, что позволяет существенно расширить его сегмент рынка в качестве строительного и конструкционного материала и при этом значительно снизить себестоимость нового жилья и в целом материальных и ресурсно-экологических затрат в строительстве.

Нами на опытном производстве ОАО «НОЭМ» (г.Томск) испытана возможность использования способа при получении многослойного пористого стеклокерамического блока с применением в качестве исходного сырья для внешних слоев блоков как природных суглинков и сланцев, так и отходов производства, получаемых по этой технологии.

В табл.1 приведен химический состав сырья, испытанного в производственных условиях ОАО «НОЭМ». Как видно из таблицы, содержание глинозема в сырье для формирования несущих слоев должно быть не ниже 17%. Что же касается влияния оксидов натрия и калия, то под их воздействием снижается температура плавления и оптимальное их содержание должно быть не более 1,5%. Оптимальным является использование углисто-глинистых сланцев. К настоящему времени промышленные скопления сланцев с высоким содержанием глинозема (до 28%) и близких к ним пород выявлены в двух щелочных массивах Сибири - Сыннырском (около 600 км²) и Сакунском (50 км²), являющихся, таким образом, главными месторождениями этого вида минерального сырья. Из этих природных материалов при Тсп=1300-1380°С может быть получен керамический несущий слой с пределом прочности при сжатии до 400±40 МПа, изгибе 200±20 МПа и практически нулевой открытой пористостью (предварительные лабораторные данные, время выдержки должно быть увеличено). Хорошие результаты получены также на суглинках Михайловской свиты (Томская область).

Таким образом, экспериментально установлено, что многослойные пористые стеклокерамические блоки повышенной прочности могут быть получены на основе только природного сырья без добавления вспенивающих ингредиентов и без дорогостоящего приготовления шихты заданного физико-химического состава. Установлено, что готовая продукция в виде многослойного блока имеет теплопроводность, необходимую для качественных теплоизоляционных материалов 0,18-0,25 Вт/(м·°С), объемную суммарную плотность 1200-1500 кг/м³, и высокую механическую прочность, а предел прочности при сжатии 30-45 МПа, что является существенным отличием предлагаемого материала от аналогов и прототипа и обеспечивает устранение их недостатков.

Положительный эффект обеспечивается при указанных в разделе «Сущность изобретения» диапазонах технологических параметров. Конкретные параметры определяются по результатам изучения минералого-химических особенностей исходного природного сырья и по задаваемым геометрическим размерам блоков на стадии выбора и предварительной оценки исходного сырья для получения многослойного пористого стеклокерамического блока с заданным комплексом эксплуатационных свойств.

Заявляемое изобретение реализовано с применением обычного технологического оборудования, собираемого в нестандартные технологические линии. Опытно-промышленные испытания, выполненные в Томском государственном университете и в ОАО «НОЭМ», г.Томск, подтвердили повышенную эффективность этого способа. Механическая прочность на сжатие некоторых образцов достигает 150±15 МПа. Теплопроводность некоторых образцов не превышает 0,09 Вт/(м·°С). Внедрение способа запланировано на четвертый квартал 2006 г.

Источники информации

1. А.С. СССР №1158511, МКИ С03С 11/00, 1985.

2. Патент РФ №1787965, МКИ С03С 11/00. Опубл. 15.01.93, БИ №2, 1993.

3. Патент РФ №2223237, МПК С03В 19/08, С03С 11/00. Опубл. 10.02.2004.

Таблица 1Характеристики местного природного сырьяСырье SiO₂Al₂O₃TiO₂Fe₂О₃CaOMgOK₂ONa₂OSO₃Т_сп ССуглинки карьера Семилужки59,5212,630,695,15,052,521,641,020,451040Суглинки карьера Родионовский62,7213,050,244,732,921,732,030,740,281090Суглинки Михайловской свиты*58,3317,11   1,340,72  1120-1200Углисто-глинистые сланцы 20,93   1,411,10  1300-1380Измельченные отходы производства нетданных     1350-1400* Наряду с основными глинистыми минералами в местном сырье присутствуют кварц, полевой шпат и железистые соединения.

Изобретение относится к производству строительных стеклокерамических материалов с заданными свойствами. Технический результат изобретения заключается в увеличении механической прочности многослойного пористого стеклокерамического блока. Формируют слой шихты заданной толщины и вспенивают его путем нагрева со скоростью 415-1450°С/мин. Затем формируют последующий слой на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое из сырья с повышенной огнеупорностью. По крайней мере, один слой блока формируют, используя природные суглинки с содержанием глинозема 17,1-20,9 мас.% или смесь природных суглинков с повышенным содержанием глинозема и природных углисто-глинистых сланцев при массовом соотношении в пределах 2:1-1:2. Указанный слой из сырья с повышенной огнеупорностью не вспенивают, а обжигают в течение 5-15 минут при температуре спекаемости и далее производят охлаждение в заданном режиме. 1 табл.

Способ изготовления многослойного пористого стеклокерамического блока, включающий формирование слоя шихты заданной толщины и вспенивание его путем нагрева со скоростью 415-1450°С/мин, формирование последующего слоя на стадии вязкой стеклофазы в предыдущем слое, стабилизацию и охлаждение в заданном режиме, отличающийся тем, что в блоке формируют ребра жесткости на поперечное сжатие, для чего по крайней мере один слой блока формируют из сырья с повышенной огнеупорностью, используя природные суглинки с содержанием глинозема 17,1-20,9 мас.%, или смесь природных суглинков с повышенным содержанием глинозема и природных углисто-глинистых сланцев при массовом соотношении в пределах 2:1-1:2, или продукты повторного обжига суглинков, измельченные отходы производства пористых стеклокерамических блоков, причем указанный слой не вспенивают, а обжигают в течение 5-15 мин при температуре спекаемости.