Способ производства теплоизоляционного блочного пеностекла

Изобретение относится к производству блочного теплоизоляционного пеностекла. Технический результат изобретения заключается в снижении температуры вспенивания. Порошкообразную смесь стекла, карбонатного газообразователя и химически активного вещества (0,8-5% масс. смеси) нагревают в металлической форме с раздвижными стенками и выталкиваемыми вкладышами в печи. Нагрев в печи до температуры вспенивания 680-740°С ведут 0,8-1,5 часа. Затем блоки пеностекла помещают в печь отжига. Скорость снижения температуры в печи отжига от 600°С до 50°С составляет 1,2-1,6°С/мин. 1 табл.

 

Изобретение относится к производству пеностекла, высокоэффективного теплоизоляционного материала, широко используемого в строительстве.

Для теплоизоляции применяют пеностекло с замкнутыми, а для звукоизоляции - с сообщающимися порами.

Известно, что качество теплоизоляционного пеностекла при использовании углеродсодержащих пенообразователей (кокс, сажа, антрацит) значительно выше, чем при применении карбонатных пенообразователей (мел, мрамор, доломит), поэтому в мировой практике теплоизоляционное пеностекло в блоках получают исключительно с применением углеродных газообразователей [1].

По этому способу шихту, содержащую тщательно перемешанные тонкомолотые порошки стекла и углеродсодержащего газообразователя, дозируют в металлические формы и направляют в печь вспенивания (1 стадия). В печи вспенивания в течение 1-3 часов осуществляют нагрев до температур вспенивания. Шихта при нагреве претерпевает ряд превращений: при Т>600°С порошок стекла размягчается и спекается, превращаясь в вязкую стекломассу; при температурах выше 750°С углеродный газообразователь с заметной скоростью начинает распадаться с образованием газообразных продуктов. При Т>800°С давление выделяющихся газов и вязкость расплава стекла становятся достаточными для вспенивания стекла с образованием замкнутых газовых ячеек. Вспенивание стекла при использовании углеродных газообразователей обычно проводят при температурах 830-890°С. Процесс вспенивания при этих температурах в зависимости от состава стекла, способа обогрева и конструкции печей продолжается от 30 мин до 1,5 часов. После печи вспенивания форму с блоком пеностекла резко охлаждают до температур 500-600°С, замораживая полученную ячеистую структуру. При этих температурах блоки пеностекла вынимают из форм, чтобы предотвратить их раздавливание металлом в процессе охлаждения в печи отжига. Две боковые стенки форм делают наклонными, что облегчает освобождение блока. Далее следует отжиг в туннельной печи (2 стадия), головная часть которой обогревается. Отжиг необходим для снятия механических напряжений в объеме пеностекла. Это самый медленный процесс производства, продолжительность которого колеблется от 8 до 16 часов. При меньших временах в объеме и на поверхности пеностекла появляются трещины, что снижает прочность и увеличивает водопоглощение. Далее пеностекло механически обрабатывается пилами для придания блоку прямоугольной формы. Эта операция сопровождается выделением большого количества стеклянной пыли и появлением обрезков пеностекла. Пеностекло, получаемое по углеродной технологии двухстадийным способом, имеет замкнутые поры и низкие коэффициенты теплопроводности.

Недостатки известного углеродного способа:

- высокие температуры вспенивания (>800°С), требуют большого расхода энергоносителей и дорогих жаропрочных сталей, снижают сроки службы оборудования и оснастки, а также способствуют кристаллизации стекла, что снижает прочность пеностекла и увеличивает долю перфорированных пор;

- между печами вспенивания и отжига при температурах 500-600°С чаще всего вручную осуществляется опасная операция выемки блоков пеностекла из форм и перегрузка их в печь отжига;

- наличие вредной и трудоемкой механической опиловки всех 6 граней блока пеностекла;

- поры пеностекла содержат токсичный сероводород.

В качестве прототипа принят способ производства теплоизоляционного блочного пеностекла [2].

Способ включает приготовление порошкообразной смеси стекла и газообразователя, нагрев смеси в металлической форме в печи вспенивания, отжиг изделий, при этом в смесь дополнительно вводят минеральное поверхностно-активное вещество в количестве 3-5% масс. смеси, используют карбонатные газообразователи, а также металлические формы, у которых перед печью отжига освобождают крышку и одну из стенок, делая их подвижными, предотвращая раздавливание блока пеностекла в печи отжига, который осуществляют, используя тепло блоков и форм, причем нагрев до температуры вспенивания 750±10°С осуществляют в течение 1-2 часов, непосредственно вспенивание - 20-30 мин, а скорость снижения температуры в печи отжига от 550 до 50°С составляет 0,7-0,8°С/мин.

Недостатки способа:

- требуется большое количество дорогих металлических форм;

- значительные расходы тепла, затрачиваемые на нагрев толстостенных форм от комнатных температур до температур вспенивания;

- транспортная система печи отжига не может использовать более простые и дешевые металлические сетки или ленты и требует большого количества металлических рольгангов большого диаметра и цепных передач;

- большая длина печи отжига (≥45 м);

- длительный цикл производства (≥14 часов).

Перечисленные недостатки прототипа устраняются предлагаемым решением.

Решаемая задача - снижение расхода энергоресурсов, материалоемкости и длительности цикла производства.

Технический результат - повышение технологичности способа получения теплоизоляционного пеностекла в блоках за счет снижения температуры вспенивания, при улучшении его технических характеристик (прочности при сжатии и влагопоглощения), более равномерного нагрева шихты, и расплава за счет тепла химической реакции, в которую вступает активный компонент, и уменьшения времени нагрева шихты, уменьшения длины печи отжига в 1,5-2,0 раза за счет увеличения скорости снижения температуры в этой печи.

Этот технический результат достигается тем, что в способе получения теплоизоляционного блочного пеностекла, включающем приготовление порошкообразной смеси стекла, газообразователя и поверхностно-активного компонента, нагрев смеси в металлической форме в печи вспенивания, непосредственно вспенивание, отжиг изделия, в качестве поверхностно-активного компонента используют химически активное вещество в количестве 0,8-5,0% масс. смеси, обеспечивающем эффект разогревающей шихту химической реакции, продукт которой является поверхностно-активным компонентом, используют также металлические формы с раздвижными стенками и выталкиваемыми вкладышами, на которых блоки пеностекла перемещают в печь отжига из печи вспенивания, где нагрев до температуры вспенивания 680-740°С ведут 0,8-1,5 часа, а скорость снижения температуры в печи отжига от 600 до 50°С составляет 1,2-1,6°С/мин.

Нагрев пеностекольной смеси до температур вспенивания при временах меньших, чем 0,8 часа, приводит к неполному прогреву шихты. При нагреве более 1,5 часа часть газообразователя успевает разложиться, что приводит к образованию толстой остеклованной пленки на поверхности блока или недопениванию пеностекла и, как следствие, разбросу технических характеристик пеностекла. Увеличение скорости охлаждения в печи отжига более чем 1,6°С/мин приводит к накоплению механических напряжений в объеме блока, появлению трещин, уменьшению прочности и увеличению влагопоглощения пеностекла. Скорости охлаждения менее 1,2°С/мин приводят к увеличению длины печи отжига и снижению производительности технологической линии в целом. При температурах вспенивания ниже 680°С не достигаются необходимые значения вязкости расплава стекла и давления газов при использовании карбонатных газообразователей. При температурах выше 740°С структура пеностекла становится крупноячеистой, что приводит к снижению прочности и увеличению влагопоглощения. К тому же более высокие температуры вспенивания приводят к неоправданному расходу энергоносителей.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Из тарного или оконного боя стекла (или специально сваренного с составом, близким к оконному) готовят тонко молотую шихту с удельной поверхностью >400 м²/кг, содержащую стекло (92-98%), химически активное вещество, например, алюминиевую пудру (0,8-5%), которое за счет экзоэффекта химической реакции дополнительно разогревает шихту, образуя продукт, который является поверхностно-активным, что и позволяет получать теплоизоляционное пеностекло с замкнутыми газовыми ячейками, и газообразователь: мел, доломит или мрамор - (1-3%). Увеличение количества химически активного вещества в шихте свыше 5% приводит к неуправляемому нагреву шихты, что приводит к снижению качества пеностекла, а уменьшение его количества менее 0,8% масс. требует повышения температуры вспенивания и приводит к резкому возрастанию объемного влагопоглощения с 1 до 25-30%.

Шихту дозируют в специально разработанную нами форму, которую подают в печь вспенивания туннельного типа, где в течение 0,8-1,5 часов осуществляют нагрев от комнатных температур до 680-740°С и само вспенивание при этой температуре в течение 20-30 мин.

Используются специальные сдвоенные формы без крышек, которые после печи вспенивания с помощью пневматического устройства сдвигают запорное устройство с клиньев, расположенных на стенках формы, вследствие чего две Г-образные стенки формы становятся подвижными, что предотвращает зажим 2-х вкладышей с расположенными на них блоками пеностекла при выталкивании их толкателями через отверстия в днище формы. Использование такой формы позволяет получать блоки пеностекла с заданными геометрическими размерами 5-ти сторон блока, что облегчает процесс механической обработки оставшейся стороны. Пять поверхностей блока в этом случае имеют остеклованную поверхность, повышающую прочность пеностекла.

Печь отжига по устройству аналогична печи вспенивания, за исключением того, что вместо толстых рольгангов, предназначенных для транспортировки тяжелых форм с блоками, в данном способе транспортируются легкий вкладыш и пеноблок. Скорость снижения температуры в печи отжига от 600°С до 50°С составляет 1,2-1,6°С/мин. Из-за более высокой скорости охлаждения в печи отжига время отжига можно уменьшить с 12 часов до 7,0-8,0 часов и уменьшить длину печи с 50 до 20-25 метров. После печи отжига блоки пеностекла снимают со вкладыша, упаковывают и направляют на склад. После печи вспенивания и выталкивания блока пеностекла в горячие формы вставляется вкладыш, форму с помощью замков запирают и на внутреннюю поверхность наносят неорганическое защитное покрытие, предотвращающее налипание расплавленного стекла. После нанесения покрытия формы заполняют шихтой и цикл вспенивания - отжига повторяют вновь.

Пример осуществления способа.

Смешивали 1600 г боя оконного или бутылочного стекла или их смеси с с 16 г мела и 16 г химически активного вещества, например, алюминиевой пудры, и размалывали до удельной поверхности ˜450 м²/кг. Смесь засыпали в сдвоенную металлическую форму, каждое отделение которой имело внутренние размеры 500×500×120 мм, и направляли в печь вспенивания туннельного типа. Время нагрева в печи до температуры вспенивания равнялось 1,0 часу. Время вспенивания при 720°С соответствовало 20 мин. В промежутке между печами вспенивания и отжига в течение 7 мин производили охлаждение пеноблока до 600°С, после чего замки формы в течение 10-20 с раскрывали, два вкладыша с блоками пеностекла выталкивали из форм, а саму форму направляли вновь на заполнение шихтой, а затем в печь вспенивания. Отжиг в интервале температур 600-50°С проводили со скоростью 1,2°С/мин. Технологические параметры получаемого пеностекла, плотностью 200-210 кг/м³ приведены в таблице.

Предлагаемая технология получения блочного теплоизоляционного пеностекла позволяет получать качественное теплоизоляционное пеностекло плотностью ≥160 кг/м³. Плотность блоков пеностекла, равная ˜200 кг/м³, наиболее востребована потребителями и рекомендована для производства. Это связано с тем, что при меньшей плотности коэффициент теплопроводности уменьшается незначительно, но при этом снижается прочность блока пеностекла, что увеличивает процент боя при транспортировке и монтаже. При возрастании плотности свыше 200 кг/м³ увеличивается вес и прочность пеностекла, но также увеличивается и коэффициент теплопроводности.

Предлагаемый способ получения теплоизоляционного пеностекла в блоках позволяет снизить температуры вспенивания расплава, увеличить скорости нагревания шихты и снижения температуры охлаждения в печи отжига, является простым, технологичным и позволяет утилизировать бытовые и промышленные отходы стекла.

Другие примеры осуществляли, как пример 1, меняя параметры процесса. Использовали те же типоразмеры форм. Технологические режимы и параметры пеностекла не зависели от размера форм. А обоснование параметров по результатам экспериментов приведено выше.

Источники информации

1. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла, Минск, Наука и техника, 1972, с.304.

2. Патент РФ №2237031 "Способ производства теплоизоляционного блочного пеностекла", Бюл. №27, 27.09.2004 г., Наумов В.И., Наумов Ю.И.

Таблица
Технические характеристики пеностекла, получаемого по предлагаемому способу и прототипу
Параметры пеностекла	По предлагаемому способу	По прототипу
Плотность пеностекла, кг/м3	190-210	190-210
Прочность при сжатии, МПа	3,0-3,4	1,4-2,2
Влагопоглощение, объемные %	<2,0	≤4,0
Морозостойкость, циклы	не менее 100	не менее 100
Коэффициент теплопроводности, Вт/м.К	0,040-0,050	0,042-0,050

Способ производства теплоизоляционного блочного пеностекла, включающий приготовление порошкообразной смеси стекла, газообразователя и поверхностно-активного компонента, нагрев смеси в металлической форме в печи вспенивания, непосредственно вспенивание, отжиг изделия, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активного компонента используют химически активное вещество в количестве 0,8-5,0 мас.% смеси, обеспечивающее эффект разогревающей шихту химической реакции, продукт которой является поверхностно-активным компонентом, используют также формы с раздвижными стенками и выталкиваемыми вкладышами, на которых блоки пеностекла помещают в печь отжига из печи вспенивания, где нагрев до температуры вспенивания 680-740°С ведут 0,8-1,5 ч, а скорость снижения температуры от 600 до 50°С составляет 1,2-1,6°С/мин.