Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1Л АНАЛИЗ ТРАДИЦИОННЫХ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА 8
L2 Особенности дегидратации силикатных соединений, содержащих химически
СВЯЗАННУЮ ВОДУ 14
1J Закономерности формирования структуры пеностекла IS
1-3.1 Механизм формирования структуры пеностекла 18
1.3.2 Влияние реологических свойств расплава стекломассы на свойства пеностекла 20
\ .3.3 ВЛИЯНИЕ присутствия воды на процесс вспучивания 23
Способы внесения связанной воды в пенообразующую смесь на стадии подготовки порошка 27
Термодинамический анализ процессов, протекающих в пенооеразующей смеси на стадии формирования спеков и пеностекла 30 1.5.1 Термодинамический анализ некоторых реакций между компонентами пенооеразующей смеси (порошковая технология) 30 1.5-2 Термодинамический анализ некоторых реакций между компонентами пенооеразующей смеси (предлагаемая технология) 37
Способы получения гранулированного пеностекла 40
Выводы 43
Цель и задачи исследования 45
1 ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 46
2Л Основные материалы 46
2.2 Методы исследования- Приборы и оборудование 54
а) химическая гомоге1шость и нерастворимость в дисперсионной среде; б) полная смачиваемость частиц и полная диспергируемость порошка в среде; с) агрегативная
устойчивость к процессам коагуляции; д) отсутствие конвективных потоков. 54
фотоседиментаци01гный анализ использовался также для изучения агрегации порошков
СТЕКЛА. 55
3 агрегация и гранулирование порошков стекла 58
3.1 экспериментальные данные 59
3.1.1 Электронная микроскопия порошков стекла 59
3.12 ИК-спектроскопия порошков стекла 61
3.1.3 Изучение влияния влажности и рН смеси на агрегацию порошков стекла 64
3.1 А Изучение роста прочности агрегированных систем со временем 72
3.2 Изучение процесса гранулирования пенооеразующей смеси 78
Зависимость средней плотности вспененных гранул пеностекла от размера сырцовых гранул 78
Зависимость плотности гранул от времени окатывания 80
Зависимость размера гранул от времени окатывания 81
Зависимость размера гранул от дисперсности смеси 82
влия1їие влажности смеси на средний размер гранул 84
3.2.6 ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ БАРАБАНА И ВЛАЖНОСТИ СМЕСИ НА СКОРОСТЬ РОСТА И
РАЗМЕРЫ ГРАНУЛ 86
3.3 Выводы 89
4 ОСОБЕННОСТИ СУШКИ СЫРЦОВЫХ ГРАНУЛ 92
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ. ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ СУШКИ ГРАНУЛ 92
ВЫВОДЫ 98
5 превращения в силикатной композиции при нагревании 99
Параметры, определяющие свойства пеностекла 99
Экспериментальные данные 101
Дифференциально-тешичьский анализ процесса ВСПУЧИВАНИЯ 101
Особенности вспучивания гранул пеностекла 103 5-2.3 Структура гранулированного пеностекла 111
5.3 Свойства гранулированного пеностеклаа 114
теплопроводность 114
Прочность, морозостойкость, растворимость 116
5.4 Выводы 117
6 ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ 119
6Л Технологическая схема получения гранулированного пеностекла і 19
6.2 Применение гранулированного пеностекла 121
6*3 Технико-экономические показатели 126
ВЫВОДЫ 130
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 133
Введение к работе
В настоящее время проблема создания ресурсосберегающих технологий и материалов стоит как никогда остро- Особенно это проявляется при производстве крупнотоннажных продуктов, а именно к такой отрасли относится технология переработки и производства силикатных материалов. Причем, если рассматривать многие производственные процессы силикатных материалов традиционно, с точки зрения технологии строительных материалов, то осложняется не только выявление химической сущности процесса и создание оптимальной технологии, но и снижаются возможности получения новых продуктов с улучшенными потребительскими свойствами. Помимо этого серьезную обеспокоенность вызывает низкий ресурсосберегающий уровень и высокое количество отходов при производстве силикатных материалов,
С другой стороны, количество ежегодно образующихся силикатных стекол в виде бытовых и промышленных отходов — стеклобоя - по количеству сопоставимо с добычей некоторых видов промышленного минерального сырья [1]. Реальные колебания составов силикатных стекол, образующихся в виде отходов, также обычно находятся в пределах, допустимых для минерального сырья [2, 3], Поэтому рассмотрение стеклобоя как минерального сырья, обладающего комплексом присущих ему физико-химических, структурно-механических и иных характеристик позволяет не только направленно создавать материал, но и получить ресурсосберегающую технологию материала на его основе [4, 5, 6, 7, 8].
Одним из крупнотоннажных процессов технологии силикатных материалов и направленного получения макрогетерогенных материалов с комплексом заданных свойств следует считать получение систем типа пен. Наряду с материалами гидратного и гидротермального синтеза (пенобетон, газобетон) известны пеносиликаты, получаемые высокотемпературным синтезом (пеностекло или, в общем случае, пеносиликаты). Причем именно
последние выгодно отличаются по ряду структурно-механических, теплофизических и иных эксплуатационных характеристик.
Одним из наиболее перспективных неорганических материалов в данной отрасли в настоящее время является пеностекло [9, 10]. Данный материал обладает уникальным комплексом свойств: наряду с отличными теплоизоляционными свойствами и полной экологической, пожарной и гигиенической безопасностью, пеностекло имеет высокую прочность, влагостойкость и морозостойкость, низкую среднюю плотность, легко монтируется и обрабатывается.
Особый интерес представляет пеностекло, изготовленное из гранул различного размера (от 1-5 до 20-50 мм). Такой материал востребован как химически и термически стойкий засыпочный теплоизолятор, производство которого может быть автоматизировано, а себестоимость значительно снижена.
Применяемые в настоящее время методы высокотемпературного синтеза пеносиликатных материалов заключаются обычно в варке специального стекла, его дроблении, получении шихты с добавками газообразующих компонентов и высокотемпературном обжиге [11], Технология осложняется необходимостью получения специального сырья, а использование сульфатов в качестве окислителя при газообразовании сопряжено с образованием сероводорода. Кроме того, сложность получения гранулированного пеносиликатного материала обусловлена как проблемами формования прочных сырцовых гранул заданного размера, так и высоким пылеобразованием процессов окатывания и обжига.
Поэтому представляется актуальной разработка ресурсосберегающей технологии пеносиликатного гранулированного материала при использовании в качестве сырья бытовых и промышленных отходов силикатных стекол — стеклобоя.
Целью настоящей работы является определение оптимальных технологических решений по созданию эффективного и безопасного неорганического теплоизоляционного материала - гранулированного пеностекла при использовании в стеклобоя в качестве сырья.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение физико-химических свойств силикатных стекол в мелкодисперсном состоянии в условиях агрегирования в водных средах;
исследование процессов формования сырцовых гранул из дисперсных силикатных стекол;
исследование возможности использования воды как окислителя в процессе газообразования и определение термических и кинетических параметров вспучивания силикатной композиции;
определение основных параметров технологического процесса, теплофизических и механических характеристик полученного материала.
Научная новизна* Сформулирован и обоснован новый подход к использованию силикатных стекол в качестве сырья для получения гранулированных пеносиликатных материалов. Показано, что в основе технологических процессов переработки силикатных стекол лежат поверхностные процессы гидратации дисперсных аморфных полисиликатов. В работе предложен новый принцип вспучивания композиции для получения пеностекла - использование реакции окисления углерода химически связанной водой, введенной в систему на стадии подготовки порошка.
Показано, что при гидролизе дисперсных порошков стекла на поверхности частиц стекла образуется пленка геля поликремневой кислоты, содержащая связанную воду, которая может быть использована в качестве окислителя при
газообразовании при повышенных температурах. Определен химизм протекающих реакций и установлены основные параметры ведения процессов гидратации и термообработки Выявлены кинетические особенности процессов вспучивания гранул пеностекла в пиропластичном состоянии.
Теоретически предсказаны и экспериментально подтверждены зависимости между физико-химическими свойствами сырьевого порошка стекла (дисперсностью, влажностью, рН среды) и свойствами сырцовых гранул (размером, прочностью, вспучиваемостью). Впервые выявлены закономерности получения сырцовых гранул с заданными зерновыми и структурно-механическими характеристиками.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
На основании полученных результатов предложена комплексная технология переработки стеклобоя с получением в качестве товарного продукта гранулированного пеностекла.
Предложены и испытаны в опытно-промышленных условиях методы получения гранулированного пеностекла г из стеклобоя и выявлены оптимальные параметры предложенной технологии.
Предложено и обосновано решение по возможному разрыву технологии на независимые процессы получения сырцовых гранул и термической обработки сырцовых гранул с получением продукта.
Предложенная технология испытана на пилотной установке; полученные результаты приняты к промышленному проектированию.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: Экология и научно-технический прогресс (п Пермь, 2002), Экологическая безопасность Урала (г. Екатеринбург, 2002), По теме диссертации опубликовано шесть статей, одна монография, четыре тезиса докладов, получен один патент.
