Способ получения пеноматериалов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1743961

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 17.04.78 (21) 2605313 29-33 (51) М. Кл. -

С ОЗС 11(00 с присоединением заявки №

Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.06.80. Бюллетень № 24 (45) Дата опубликования описания 30.06.80 (53) УДК 666.1.037.91 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения В. К. Погодин, Г. А. Кардашев, М. А. Прянишников, Д. Л. Орлов, О. А. Голозубов и В. И. Симошин

Московский ордена Трудового Красного Знамени институт химического машиностроения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОМАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к технологии получения пеноматериалов, преимущественно пеностекла, и может быть использовано в производстве пеностекла, по- 5 ристых плавленных огнеупоров, шлаков, каменного литья (муллитов), а также изделий из этих материалов.

Известен способ получения пеностекла вспениванием стекломассы путем нагнета- IO ния в стекломассу газов через отверстия во вращающемся радиальном диске, погруженном в расплав, с последующим вакуумированием расплава на выработке с помощью пористого расширяющегося мунд- 15 штука, соединенного с вакуумной системой .(1).

Недостатком такого способа вспенивания расплава является интенсивная коррозия и сильный износ диска, вращающегося в рас- 20 плаве стекла, обладающим сильно агрессивными свойствами, что требует частой его замены и связанных с этим частыми периодическими остановками технологического процесса. Следует отметить также ук- 25 рупнение размера образующихся пузырей по мере износа сопел и неравномерность пневмомеханического вспенивания, обусловленную низким качеством механического объемного перемешивания стекломассы. 30

Известен также наиболее близкий к изобретению по физической сущности и достигаемому результату способ получения пористого бетона путем вспучнвания цементного теста при помощи разложения электрическим током жидкости цементного теста, т. е. использования явления газообразования при электролизе постоянным током водного раствора солей — электролитов, получающегося прн затворении цемента (2).

Такой способ использования постоянного тока для получения пеноматериалов приводит к неравномерному газовыделению на анодном и катодном электродах, поскольку, например, прн электролизе водного раствора кислород и водород выделяются в равных химически эквивалентных количествах (эквивалентах), но вдвое различающихся молярных количествах и вдвое различающихся по объему в соответствии с реакцией

2Н,О - 2Н,+ О, 2 Ч (Н,О) -- 2М (Н,) + 1М (0,), здесь М (моль) — количество молей вещества. При нормальных условиях 1 моль газа имеет объем Го — 22,4 л/моль, поэтому объем выделяющегося при электролизе водорода вдвое больше объема кислорода.

Аналогичное явление неравномерного газовыделения на аноде и катоде будет проис743961

15 у (лс

Тс или

q 1 (пс Р

=4,3 10

65 ходить также и при электролизе постоянным током любого другого электролита и тем более такой химически сложной системы, какой является расплав стекла. В связи с этим при использовании постоянного тока порообразование в пепоматериале (пеностекле) в катодном и анодном пространстве будет идти с различной интенсивностью и приводить к сильной неоднородности физико-химических свойств пеноматериала и снижению его качества. Кроме того, использование постоянного тока вследствие различия электрохимических процессов, протекающих на аноде (окисление) и катоде (восстановление), приведет к резкому различию скорости электрохимической коррозии материала электродов и сильному уменьшению срока службы одного из электродов, а также к различию химического состава стекломассы в анодной и катодной зонах и соответственно к неоднородности физико-химических свойств получаемого пеностекла.

Цель изобретения — повышение качества за счет обеспечения равномерности вспенивания.

Достигают это тем, что через расплав стекла пропускают импульсный знакопеременный электрический ток инфранизкой частоты. При этом для повышения эффективности газовыделения целесообразно пропускать электрический ток с прямоугольной формой импульса. Электрические параметры (напряженне, ток, мощность, длительность импульса или частота и др.) оптимального режима обработки (вспенивания) расплава стекла в значительной степени зависят от состава стекломассы, ее электрофизических свойств, температуры, размеров электродов и объема обрабатываемой стекломассы, от количества вырабатываемого пеностекла, степени его пористости, диаметра пор (пузырей) и др. Некоторые из этих величин в первом приближении можно учесть и тем самым оценить некоторые параметры обработки стекломассы.

Напряжение на электродах U (В) при наиболее простой конфигурации зоны обработки стекломассы в первом приближении может быть определено следующим образом из известных физических соотношений.

Пренебрегая влиянием поляризации электродов (порядка вольтов) и приняв в случае тока инфранизкой частоты полное комплексное сопротивление расплава Z =

= R (Ом) для напряжения на электродах можно записать

U=1 Я где I — электрический ток через стекломассу, А;

L — — активное сопротивление об8 рабатываемого объема стекломассы с учетом газообразования, Ом;

L — расстояние между электродами, м;

S — площадь электродов, м, р — удельное электрическое сопротивление обрабатываемой стекломассы с учетом газообразования в расплаве, Ом м.

Для пеностекла можно записать, что его вес где Р„у, — объем пеностекла, плотность;

V„y, — то же соответственно для стекла;

y< — объем пор и плотность газа в порах.

Принимая, что Vn(Vrrc и у„((у, можно записать V,ó„,= V,у, и

20 Введя коэффициент пористости пеностекла

a: = =1 —

" н пс — с Тпс

1 пс ) пс ) с для объема пор в пеностекле получим выражение

З0 и переходя к скорости выработки пеностекла Q, (м /с), можно записать (для скорости образования газовых пор):

Q„(ì )c) = Q„, (1 — " ) 35

С другой стороны с учетом закона Гей—

Люссака можно записать

40 где У))=22,4 10 — з (мз/моль) — нормальный объем газа;

М вЂ” число молей разложившегося газообразующего вещества в расплаве стекла;

1 — время электрообработки стекломас45 сы, с;

Т вЂ” температура стекломассы в зоне обработки, К.

В свою очередь по закону электролиза

50 М т

F где F=9,6 104 Кл/моль — число Фарадея.

Из этих соотношений можно получить выражения для электрического тока

Q J »3

Тогда для напряжения на электродах, приняв

743961 можно записать

V = l g = 4,3 10 Q ci S —. (Bl

273, L

Т S

Поскольку удельное сопротивление обрабатываемой стекломассы S величина переменная и зависит от степени газообразования в расплаве (от пористости), то S удобно выразить через удельное сопротивление

S чистого расплава стекла при температуре обработки, приняв, что

1 1 р = — (р+;"), 5

I0

2.

05 где р" — удельное сопротивление расплава после электрической обработки.

Считая, что электропроводность расплава пеностекла — (См/м)

P осуществляется за счет электропроводности

1 стекломассы Х= — в расплаве пеностекла, P т. е. электропроводность газовых пузырьков (пор) X„=O, можно записать

1 пс — i, с откуда

" с 7пс

Тогда р 2р1+ и для напряжения на электродах можно записать х —,р(1+ — )+ iBI

Упрощаяс .2 2

7с 7пс I J 7пс 7c ) „((I получить

U =-1,64 10 " .— p . (BJ

7пс

Здесь 1,64 ° 10 (кл. ° О/м ) — постоянный коэффициент;

Япс — объемная скорость выработки пеностекла, м /ч; упс — плотность вырабатываемого пеностекла, кг/м, ус — плотность исходного стекла, кг/и, Т вЂ” температура стекломассы в зоне обработки; р — удельное электрическое сопротивление частой стекломассы при температуре электрообработки, Ом м;

L — расстояние между электродами, м;

S — площадь электродов, м .

Таким образом, для соответствующих промышленно-технологических условий напряжения на электродах, определяемое по формуле составляет порядка нескольких гектовольт, а расход электроэнергии порядка гкВт ч на 1 кг выработанного пеностекла, т. е. порядка 20 — 30 кВт ч на 1 м пеностекла.

Частота импульсов электрического тока f, связанная с длительностью цикла или пе1 риодом Т как f= —, может быть оценена т из того соотношения, что длительность имт пульса Т; —:= i, и где t (с) — время, необходимое на образование и отрыв пузырька от поверхности электрода.

Время t зависит от таких малоизученных характеристик стекломассы как работа образования пузырька, поверхностного натяжения и вязкости расплава, критического размера пузырька, плотности электрического тока и других, поэтому длительность цикла для наиболее распространенных составов стекла опытным путем может быть оценена величиной не менее Т > 10 †1 с, что соответствует области инфранизких частот f 0,1 — 0,01 Гц.

Использование для вспенивания расплава стекла импульсного знакопеременного тока инфранизкой частоты позволяет получить устоичивый стационарный режим образования газовых пузырьков на электродах и обеспечивает равномерное вспенивание стекломассы.

При этом диаметр газовых пузырьков, образующих поры пеностекла, возможно регулировать в заметных пределах путем изменения плотности и частоты знакопеременного импульсного электрического тока, а также температурного режима обрабатываемого расплава стекломассы, физико-химических свойств стекломассы и состава стекла, Для проверки эффективности и качественной характеристики предлагаемого способа авторами проведены опытные варки стекломассы в тигельной печи с последующим вспениванием расплава. Данные экспериментальных исследований по вспениванию стекломассы импульсным знакопеременным электрическим током инфранизкой частоты (порядка 0,02 Гц) показывают высокую интенсивность вспенивания, хорошую устойчивость пены, а также равномернос ь вспенивания и высокую однородность нористости пеностекла (диаметр пор 2 — 2,5 мм) .

Кроме того, образцы полученного пеностекла имеют более высокие физико-механические свойства и лучший внешний вид по сравнению с пеностеклом, полученным по промышленной порошковой технологии.

743961

Формула изобретения

Составитель Т. Буклей

Корректор О. Гусева

Техред А. Камышникова

Редактор А. Соловьева

Заказ 1750/3 Изд. Ма 347 Тираж 569 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Обсуждение результатов эксперимента показывает, что способ позволяет осуществить единый непрерывный технологический процесс варки и вспенивания стекломассы и реализовать непрерывный способ получения пеностекла по более совершенной и экономичной технологии, по сравнению с сущегтвующим промышленным порошковым способом получения пеностекла.

Экономическая целесообразность предла- 10 гаемого способа может быть обоснована следующим расчетом.

На основании средних данных по отрасли себестоимость стеклобоя технического стекла или несортовой стекломассы составляет 15 около 80 руб/т, т. е. 8 коп/кг.

При плотности пеностекла у„равно

250 кг/мз стоимость стекломассы составит не более 2 руб. на 1 мз пеностекла.

Из выполненных выше расчетов следует, что расход электроэнергии на вспенивание

1 м пеностекла составляет порядка

25 кВт ч, а с учетом коэффициента полезного действия установки и электропитающей системы (q 25%) составляет около

100 кВт ч. Стоимость затраченной электроэнергии (по тарифу 1 коп/кВт ч) составляет 1,0 руб/м пеностекла.

Таким образом, себестоимость пеностекла, полученного по предлагаемому способу, составит порядка 21 руб/м, что существенно ниже себестоимости пеностекла (порядка 28 — 40 руб/мз), получаемого в настоящее время порошковым способом.

1. Способ получения пеноматериалов, преимущественно пеностекла, включающий вспенивание расплава путем пропускания через него электрического тока, о т л и ч аю щ и и ся тем, что, с целью повышения качества за счет обеспечения равномерности вспенивания, через расплав пропускают импульсный знакопеременный ток инфранизкой частоты.

2. Способ по п. 1, отл ича ющийся тем, что пропускают электрический ток с прямоугольной формой импульса.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 1б3097, С ОЗВ 19/08, 1964.

2. Авторское свидетельство СССР № 37555, С 04В 21/00, 1934.