Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературных источников 10
1.1 Современное состояние проблемы отходов 10
1.2. Технологии переработки стекольного боя 12
1.3. Механизм твердения щелочесиликатных композиций 23
1.4. Высококонцентрированные керамические вяжущие суспензии 29
Выводы по Главе 1 36
2 Оборудование, материалы и методы исследований 38
2.1 Оборудование, материалы и методы получения образцов 38
2.2 Методы определения свойств и исследования структуры материалов 41
Выводы по Главе 2 51
3 Синтез стекольной вяжущей суспензии из натрий кальций-силикатного стекла 52
3.1 Получение и свойства стекольной вяжущей суспензии на основе натрий-кальций-силикатного стекла 52
3.2 Строение стекольной вяжущей суспензии на основе натрий-кальций-силикатного стекла 56
Выводы по Главе 3 88
4 Особенности свойств материалов получаемых из стекольной вяжущей суспензии 90
4.1 Определение основных физических свойств монолита стекольной вяжущей суспензии 90
4.2 Влияние модификаторов на свойства монолита стекольной вяжущей суспензии 92
4.3 Влияние термической обработки на свойства монолита стекольной вяжущей суспензии 98
Выводы по Главе 4 112
5 Технология изготовления пористого материала, расчет энергозатрат и себестоимости
5.1. Описание технологии изготовления материала 114
5.2. Расчет затрат энергии на тепловую обработку материла 118
5.3. Расчет себестоимости гранулированного пеноматериала 121
Выводы по Главе 5 122
Заключение 123
Библиографический список
- Высококонцентрированные керамические вяжущие суспензии
- Методы определения свойств и исследования структуры материалов
- Строение стекольной вяжущей суспензии на основе натрий-кальций-силикатного стекла
- Влияние модификаторов на свойства монолита стекольной вяжущей суспензии
Введение к работе
Актуальность. Ежегодно в Российской федерации образуется порядка 35-40 млн. т твердых бытовых отходов, из которых 8-10 % составляют отходы стекла. В отличие от возвратного стекольного боя, который полностью перерабатывается в производстве стекла, вторичный стекольный бой, содержащийся в ТБО, не может непосредственно использоваться в производстве стекла из -за неоднородности состава и содержания примесей. Существующие технологии очистки стекольного боя позволяют получать стеклобой, удовлетворяющий требованиям производства, но процесс переработки сопряжен с большими энергетическими и материальными затратами. По указанным причинам перерабатывается не более 3–5% от общего числа вторичного боя, остальное же количество накапливается на полигонах ТБО во все более увеличивающихся объемах.
Одним из способов утилизации стекольного боя является получение вяжущих композиций путем затворения измельченного стекла растворами щелочных активаторов. Недостатком этого способа является высокая стоимость щелочных растворов и необходимость автоклавирования для набора прочности. Учитывая то, что в составе тарного и листового стекол, составляющих основную массу вторичного боя, содержится до 15 % щелочных оксидов, представляется возможным получение вяжущих композиций за счет механической активации стекольного боя в жидкой среде при температуре до 60 С, приводящей к получению системы с повышенной концентрацией твердой фазы.
Вяжущие композиции на основе стекольного боя и щелочных активаторов применяются в производстве пористых материалов теплоизоляционного назначения. В качестве газообразователей обычно выступают уголь или сажа, алюминиевая пудра, органические вещества, которые необходимо равномерно распределить в объеме вспениваемого материала для создания гомогенной смеси. В ходе механической активации стекла происходит химическое связывание воды в структуре материала, благодаря чему становится возможным вспенивание материала за счет выделения водяного пара, что позволит отказаться от введения газообразователей и энергоемкого процесса их гомогенизации.
Работа выполнена в рамках государственных заданий Минобрнауки РФ №3.4480.2011 и №14.2406.2014/К.
Степень разработанности темы. Исследования в области технологии высококонцентрированных вяжущих систем (ВКВС) на основе керамики, огнеупоров, кварцевого стекла и монокристаллов ведутся научными коллективами ООО «Научно-внедренческая фирма «КЕРАМБЕТ-ОГНЕУПОР» (Ю.Е. Пивинский) и БГТУ им. В . Г. Шухова, г. Белгород (Евтушенко Е.И., Дороганов Е.А., Дороганов В .А. и др.). Исследования в области вяжущих суспензий на основе многокомпонентных составов литий-алюмо-силикатных
стекол проводились научным коллективом ФГУП Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» (Е. И. Суздальцев и др.).
Цель работы: Выявление закономерностей формирования структуры стекольной вяжущей суспензии (СВС) из натрий-кальций-силикатного стекла и получение пористого материала на её основе.
Задачи:
исследование процессов, протекающих при синтезе стекольной вяжущей суспензии из натрий-кальций-силикатного стекла;
установление рациональных параметров синтеза СВС из натрий-кальций-силикатного стекла;
изучение структуры и свойств синтезированной СВС, разработка теоретической модели структуры и экспериментальное доказательство достоверности предложенной модели;
выявление механизма отверждения СВС, исследование возможности модификации структуры и свойств монолита;
разработка технологии пористых строительных материалов на базе СВС из натрий-кальций-силикатного стекла.
Научная новизна работы:
1. Установлены основные закономерности синтеза седиментационно-
устойчивой стекольной вяжущей суспензии при механической активации
натрий-кальций-силикатного стекла в воде, заключающиеся в том, что
основную роль в процессе формирования суспензии играет получение
пересыщенного коллоидного раствора кремниевой кислоты и гидроксидов
щелочных компонентов, являющихся продуктом выщелачивания стекла.
-
Установлен механизм отверждения СВС, основанный на двух одновременно протекающих и взаимосвязанных процессах, первый из которых представляет собой жидкофазное взаимодействие моно-, ди- и олигомеров кремниевой кислоты с гидроксидами щелочных компонентов, приводящее к образованию силикатов смешанного состава, второй – жидкофазную поликонденсацию избыточного количества кремниевой кислоты, активизируемую щелочной средой, приводящую к последующей консолидации частиц с образованием золя и геля кремниевой кислоты.
-
Доказано, что материал, образующийся при твердении СВС, характеризуется многоуровневой структурой, где в качестве матрицы выступает конденсированный гель коллоидной составляющей с размерами частиц в интервале 20…200 нм, а частицы стекла с гидратированной поверхностью в диапазоне размеров от 200 нм до 50 мкм, являются полидисперсным наполнителем.
4. Установлено, что вспенивание монолита СВС происходит за счет
давления паров воды, которая содержится в объеме материала и формирует
пористую структуру при температуре свыше 800 С, когда материал переходит
в вязко-пластичное состояние.
Теоретическая и практическая значимость работы:
сформулированы основные научные принципы синтеза СВС, заключающиеся в управляемой механохимической активации натрий-кальций-силикатных стекол, обеспечивающей формирование седиментационно-устойчивой и химически активной вяжущей стекольной суспензии, структурирующейся во времени с образованием монолита;
разработан режим синтеза СВС с содержанием коллоидной составляющей до 2,5%, обеспечивающим получение монолитов с прочностью на сжатие до 24 МПа;
- практически доказана возможность совершенствования технологических
параметров и физических свойств СВС при отверждении введением в ее состав
химических модификаторов: добавка жидкого стекла в количестве до 1%,
позволяет временно уменьшить вязкость суспензии при ее «выработке» и
увеличить предел прочности образцов монолита при сжатии до 40 МПа; при
введении в CВC фторида кальция в количестве 1% прочность на сжатие
образцов монолита достигает 48 МПа;
– путем термической обработки СВС получены блочный и гранулированный пористый материалы, определена зависимость плотности, прочности на сжатие и структуры пористого материала от температуры вспенивания;
– разработана технологическая схема организации производства гранулированного и блочного пеноматериалов теплоизоляционного назначения на основе СВС;
– проведена оценка затрат энергии на тепловую обработку материала и рассчитана себестоимость готовой продукции.
Методология работы и методы исследований. Проведенные
исследования были выполнены с использованием современных физико-
химических методов исследования, включающих растровую электронную
микроскопию, лазерную г ранулометрию, рентгенофазовый,
рентгенофлуоресцентный и термогравиметрический анализы и другие методы.
Достоверность результатов работы. Для получения достоверных результатов при проведении исследований применялись стандартные методики, регламентированные нормативными документами. В работе использовалось аттестованное оборудование. Все результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора.
Внедрение результатов исследований. Теоретические положения диссертационной работы используются в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению 18.03.01 – Химическая технология (профиль – Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов) и магистров по направлению 18.04.01 – Химическая технология (профиль– Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов), что отражено в учебных программах дисциплин «Технология
стекла и стеклоизделий» и «Современные проблемы химической технологии стекла».
Апробация работы. Основные результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, представлены на конференциях международного, всероссийского и регионального уровней: Международная научно-практическая конференция. «Инновационные материалы и технологии. XX научные чтения» (Белгород, 2011); Областная научно-практическая конференция «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (Белгород, 2011); Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых БГТУ им. В. Г. Шухова (Белгород, 2011, 2012, 2013, 2014); Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы развития науки» (Уфа, 2014).
Публикации. Результаты исследований и основные положения
диссертационной работы изложены в 8 научных публикациях, в том числе 2 публикациях в центральных рецензируемых научных журналах. По результатам диссертационного исследования получено ноу-хау № 20160002 «Способ получения наноструктурированного стекловидного искусственного вяжущего».
Объём и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 149 наименований, и 3-х приложений. Работа изложена на 140 страницах текста, содержит 63 рисунка, 12 таблиц.
Высококонцентрированные керамические вяжущие суспензии
Проблема воздействия на природную среду затрагивает и такой компонент ТБО, как стеклобой. Несмотря на его невысокий класс опасности, количество, стекольного боя, накапливающегося на полигонах, продолжает возрастать [13]. Для производства стекла требуются значительные энергетические и материальные ресурсы, поэтому целесообразно максимально использовать вторичные ресурсы, что приведет к снижению нагрузки на окружающую среду. [14 – 19].
Стеклобой подразделяется на возвратный и вторичный, что обусловлено источниками его образования, это может быть как сфера производства, так и сфера потребления). Возвратный стеклобой по химическому составу идентичен составу стекла, производимому на данной печи, благодаря чему практически весь собственный стеклобой используется на заводах по производству стеклоизделий, кроме боя зеркал, армированного стекла, триплекса, и некоторого количества сортовой посуды из неокрашенного стекла. Частичная замена шихты стекольным боем позволяет ощутимо сократить расход сырьевых материалов, часть из которых (например, кальцинированная сода) дефицитна и дорогостояща. На каждые 100 кг вводимого стеклобоя экономится 126 кг первичного сырья [7]. Введение стеклобоя в шихты перспективно в целях снижения энергетических затрат и экономии топлива, поскольку процессы силикато- и стеклообразования в расплаве протекают при более низких температурах, что подтверждается результатами многих исследователей [20 – 23].
Вторичный стеклобой содержится в твердых бытовых отходах, образующихся в результате производственной и хозяйственной деятельности человека. Выделение вторичного стеклобоя и его использование является сложной технической задачей. Организация его сбора требует дополнительных затрат и часто приводит к необоснованному завышению его цены. Также, определенные трудности сопряжены с переработкой вторичного стекольного боя, в связи с жесткими требованиями стандарта по марке стеклобоя и содержанию в нем примесей [24].
Эффективному вторичному использованию может подвергаться только стеклобой, удовлетворяющий требованиям стандарта. Тем не менее, хотя достигнуты определенные успехи в вопросах раздельного сбора и сортировки стекольного боя, существует ряд причин, по которым большая часть несортового стеклобоя не может быть использована повторно [25].
В последнее время за рубежом были разработаны и с успехом применяются различные технологии отделения стекольного боя от общей массы отходов и его последующей очистки. В первую очередь такие технологии предполагают селективный сбор стеклобоя, что значительно упрощает дальнейшую его переработку, так как исключает достаточно дорогостоящие процессы его отделения. Высокая стоимость технологий отделения стекольного боя от общей массы отходов и его сортировки объясняется тем, что для достижения степени очистки, которая сдела 14 ет стеклобой пригодным для дальнейшего использования, применяется ручной труд, эффективность которого невысока. Существующие технологии автоматической сортировки ТБО пока что не соответствуют требованиям, предъявляемым к качеству готового продукта.
Для повторного использования стеклобоя в производстве стекла к нему применяются ж есткие требования по постоянству и однородности химического состава [24]. Сортовой стеклобой разделяется по цветам, что позволяет вторично использовать стеклобой близкий по химическому составу.
В качестве примера можно привести проект завода по утилизации стеклобоя, разработанный ZippeGmbH, одной из крупнейших в Европе компаний по переработке промышленных отходов, технологическая схема которого легла в основу создаваемых типовых линий [26].
Технологическая линия по переработке стеклобоя состоит из нескольких стадий. На первой – происходит ручная сортировка стеклобоя с целью удаления посторонних включений. Затем стеклобой измельчается на молотковой дробилке до размера фракции 8–30 мм. Для окончательного удаления магнитных примесей и аппаратного железа используется электромагнитная сепарация. Большая часть технологических линий также включает в себя разделение стекла на цветное и бесцветное. Чаще всего для этого применяют ручную сортировку, но например, в Германии предложена электронно-оптическая система для сортировки стеклобоя, основанная на измерении интенсивности света, проходящего через стекло, которое находится в жидкости с показателем преломления близким к показателю преломления стекла в воздухе [27].
Рассматривая состояние проблемы переработки стекольного боя в Российской федерации, в первую очередь следует отметить, что программы селективного сбора бытовых отходов у нас не настолько развиты. Объем твердых бытовых отходов, которые собираются раздельно пока что не превышает 2% от общей массы отходов [28]. В текущих условиях, повторное использование вторичного стеклобоя стекольными заводами представляется невозможным, из чего следует необходимость поиска альтернативных путей утилизации вторичного стекольного боя. Говоря об отходах стекла, входящих в состав Т БО, необходимо отметить тот факт, что они более чем на 95 % состоят из стеклянной тары и боя листового стекла [13], которые по своему химическому составу относятся к натрий-кальций-силикатному стеклу. Источник боя стеклянной тары это бытовой мусор, накапливающийся в ходе жизнедеятельности людей. Источником боя листового стекла являются предприятия по промышленной переработке стекла : резке , механической обработке, тонированию, моллированию, закалке и упрочнению. Принимая во внимание близость химических составов основных составляющих стекольных отходов, наиболее важной задачей можно назвать поиск путей переработки и утилизации именно данных видов стекла.
Так как химический состав несортового стеклобоя может изменяться в достаточно широких пределах, основное направление его использования это композиционные строительные материалы, к которым не предъявляются такие жесткие требования к постоянству состава как к стекольной шихте. Стеклобой может применяться в этих материалах, как в качестве матрицы, так и наполнителя для композита.
В качестве наполнителя стекольный бой вводится в композиционные строительные материалы, бетоны, пластики и лакокрасочные изделия. В зависимости от назначения композита, применяется стеклобой различной тонины помола. Более крупный стеклобой используется для производства бетонов, композитов для дорожного строительства, в качестве наполнителя для строительных изделий на цементной основе. [29 – 32].
Методы определения свойств и исследования структуры материалов
Синтез высококонцентрированной вяжущей суспензии на основе Na-Ca-Si-стекла происходил путем диспергирования стекольного боя в шаровой барабанной мельнице с фарфоровой футеровкой. В качестве мелящих тел использовались уралитовые шары. Средой диспергирования служила вода технического качества.
Перемешивание суспензии с добавками производилось механической лабораторной мешалкой и вручную в смесительных чашах. Формование образцов производилось заливкой в стальные разборные формы с перегородками из алюминия на 10 ячеек со средним размером ячейки 30 х 30 х 30 мм. Для термической обработки образцов использовалась лабораторная муфельная электрическая печь с микроконтроллерным управлением. «Термокерамика» в которую помещались корундовые тигли с образцами. Сушка образцов производилась в лаборатор ном сушильном шкафу марки MLW.
Определение реологических характеристик Реологические характеристики высококонцентрированной вяжущей суспензии из Na-Ca-Si-стекла определялись с помощью ротационного вискозиметра «Реотест-2». Значения характеристик получают исходя из параметров прибора и результатов эксперимента. У «Реотеста-2» 12 скоростей, каждой из которых соответствует определённый градиент скорости, по которому рассчитывают динамическое напряжение сдвига по формуле: где - сдвигающее напряжение, Па; к - постоянная рабочего цилиндра; - отсчитываемое значение по шкале прибора, град. Величину эффективной вязкости находим по формуле: т где d - градиент скорости сдвига с
Двигатель, находящийся в стойке прибора (1), с помощью 12-ступенчатой коробки передач вращает внутренний цилиндр (2). Скорость деформации (Dr) задается поворотом рычага переключателя (3). Ступень числа оборотов (от 1 до 12), соответствующая данному положению рычага переключения, указана на шкале (4). Для более точного деления скорости деформации (Dr) используется переключатель числа оборотов (5), имеющий положения «а» и «в». Манипулируя рычагом (3) и переключателем (5), задаем необходимую скорость деформации. Схема прибора приведена на рисунке 2.1.
Схема прибора Реотест-2 Согласно методике, регламентируемой производителем оборудования, для измерения необходимо взять 30 мл суспензии и поместить в измерительный стакан. Измерительный цилиндр крепится на приводном валу с помощью замка крепления, затем надевается измерительный цилиндр с исследуемой суспензией.
Измерение осуществляется следующим образом: включается привод ц и-линдра, затем измеритель момента. После того как цилиндр придёт во вращение снимается установившееся значение. После чего при помощи рукоятки устанавливается следующее значение скорости цилиндра, и снимаются показания индикатора угла закручивания. Показания прибора снимаются при скоростях от 1 до 12 (прямой ход) и от 12 до 1 (обратный ход). Ручка переключения скорости вращения находится в положении «а», а ручка переключения пружин в положении «I». Если во время измерения показания индикатора угла закручивания превысят значение 100, то ручка переключения пружины переключается в положение «2», продолжаются измерения.
Гранулометрия стекольной вяжущей суспензии. Распределение частиц СВС по размерам определялось с помощью лазерного дифракционного анализатора размера частиц «Analysette 22 NanoTec».
Диапазон измерений «Analysette 22 NanoTec» составляет от 0,01 до 2000 мкм. В анализаторах, определяющих распределение частиц по размерам посредством лазерной дифракции, используется физический принцип рассеяния электромагнитных волн. Конструкция состоит из лазера , через измерительную ячейку направленного на детектор. При помощи диспергирующего устройства частицы подают в измерительную ячейку и проходят сквозь лазерный луч. Свет, рассеянный пропорционально размеру частиц, посредством линзы фокусируется на детектор. По распределению рассеянного света при помощи комплексной математики рассчитывают распределение частиц по их размерам. В результате получают объемные доли , соответствующие эквивалентным диаметрам при лазерной дифракции.
Информация дифракционных картин может использоваться не только для определения размера частиц, но и для анализа их формы.
Частицы несферической формы рассеивают излучение в их предпочтительных пространственных направлениях. Если в лазерный пучок попадает не слишком большое количество частиц, на основе получаемой информации может выполняться анализ их формы.
Строение стекольной вяжущей суспензии на основе натрий-кальций-силикатного стекла
СВС не является равновесной системой, т. к. после измельчения содержит в себе избыток энергии в виде принудительно увеличенной поверхности твердой фазы, часть которой переведена в пересыщенный коллоидный раствор. Количество и удельная поверхность коллоидных частиц этого раствора сильно превышают равновесные значения, поэтому сразу, как только суспензия оказывается в покое, она стремится к коагуляции и монолитизации. Кремниевая кислота в щелочном водном растворе склонна к поликонденсации, процесс которой может быть описан схемой [101]: Si -ОН + НО- Si —ОНн Si -О- Si + Н20 (36)
Причем раствор силиката натрия с концентрацией 0,1 М и модулем 0,5стремиться в первую очередь выделить в осадок полимерную кремнекислоту, затем, при понижении модуля раствора, – высокомодульные силикаты натрия, и только, когда модуль раствора снижается до значений 0,5, состав растворенного силиката приближается к составу осаждаемой фазы [104]. Поэтому внутри зерен геля содержится практически чистая кремнекислота, а в поверхностных слоях – низкомодульные силикаты натрия. Этим также объясняется значительная карбонизация геля, полученного из раствора, сушившегося на открытом воздухе. В результате поликонденсации кремниевой кислоты на стадии измельчения образуется золь, который сразу после обездвиживания начинает коагулировать, превращаясь в гель. Гель кремниевых кислот представляет собой микрогетерогенную систему – губчатую твердую фазу, в порах которой находятся молекулы воды [103]. В стекольной суспензии, гелеобразование в коллоидном растворе кремнезема является причиной увеличения её вязкости в течение времени, приводящего в конечном итоге к образованию твердого монолитного тела. Процесс коагуляции происходит в несколько стадий. На стадии обратимой коагуляции происходит образование непрерывной аморфной сетки из коллоидных частиц, окруженных поверхностными сольватными слоями, ориентированных относительно друг друга под воздействием структурных сил. Структуризация объема суспензии ведет к увеличению её вязкости. При небольших величинах скорости сдвига она проявляет тиксотропные свойства, что свидетельствует о разрушении образующихся в ней связей и пептизации образующихся флокул кремнекислоты, при превышении значения градиента скорости сдвига с 50 с -1происходит разжижение суспензии, связанные с разрушением внутренней структуры суспензии [117].
С течением времени происходит увеличение вязкости суспензии, вследствие необратимой коагуляции коллоидных частиц. Образование коагуляционных структур происходит в точках соприкосновения коллоидных частиц. Под де й-ствием той же щелочной среды в процессе поликонденсации между частицами образуются силоксановые связи. Так образуется сетка геля, и частицы теряют подвижность. После этого основную роль в наборе прочности геля играет процесс, так называемой, внутренней перегонки, который заключается в динамическом равновесии растворения и осаждения кремнекислоты в щелочной среде. Этот процесс начинается одновременно с поликонденсацией и приводит к растворению мелких частиц золя и осаждению кремнекислоты на более крупных частицах под действием сил поверхностного натяжения [120]. В структуре геля внутренняя перегонка приводит к округлению пор, содержащих раствор низкомодульного силиката натрия, и широкому срастанию частиц по межфазным границам.
Так как СВС не является равновесной системой, поликонденсация в совокупности с переосаждением кремнекислоты приводят к необратимому твердению, даже при постоянном влагосодержании. Таким образом, процесс структурирования представляет собой последовательную консолидацию частиц твердой фазы при активном участии силиката натрия и изменении видов связи в пространственных структурах от точечных и коагуляционных контактов между стекловидными и зольными частицами до образования монолитных кремнеземистых перемычек.
С целью исследования микроструктуры монолита, образовавшегося в р е-зультате отверждения стекольной суспензии, проводились его микроскопические исследования на растровом электронном микроскопе Quanta 600. Также исследовался гель, образованный в результате высыхания коллоидной составляющей суспензии и нерастворимая составляющая, оставшаяся после отделения коллоида.
Образующийся при твердении высококонцентрированной вяжущей суспензии на основе стекла материал представляет собой монолитный искусственный камень белого цвета. Электронные фотографии, полученные при увеличении в 1000 раз (рисунок 3.23), показывают, что его поверхность неоднородна, на ней присутствуют крупные однородные включения и незначительное количество трещин.
При увеличении в 10700 раз (рисунок 3.24) обнаруживается больше участков однородного строения. Также, можно отметить, что основная масса видимого материала состоит из некрупных аморфных частиц, скрепленных между собой. Между частицами находится значительное количество пустот. Таким образом, в материале существуют не только макроскопические трещины и разломы, но и непрерывная сеть сообщающихся пор . При данном увеличении не представляется возможным судить о характере образований.
Влияние модификаторов на свойства монолита стекольной вяжущей суспензии
Для изготовления вспененного гранулята применяются следующие сырьевые материалы: бой листового стекла, кварцевый песок, вода. В процессе производства сырье проходит следующие технологические стадии: 1. Стеклобой отгружается на площадку, оборудованную навесом, и хранятся навалом. 2. При необходимости очистки стеклобой промывается и сушится. Затем он поступает в дробилку. Наиболее подходящим типом для этой цели является молотковая дробилка, т. к. на выходе она дает фракцию 0,2 мм и менее; 3. Дробленый стеклобой отправляется в шаровую мельницу и подвергается мокрому измельчению по режиму догрузок, обеспечивающему необходимый гранулометрический состав. Критериями контроля готовности СВС являются: полное прохождение твердой фазы через сито 0063, значения плотности 1,72–1,8 г/см3, время истечения 100 мл суспензии 45–50 с; 4. Полученная СВС подается в лопастной или фрезерный смеситель; 115 5. Выработанная смесь поступает в неподвижный стабилизатор, где выстаивается до гелеобразного состояния; 7. Из стабилизатора суспензия поступает на тарельчатый гранулятор для формования гранул. Одновременно сюда подается молотый кварцевый песок для опудривания гранул с целью уменьшения их слипания при сушке и обжиге; 8. Сушка полученных гранул не должна сопровождаться грубым механическим воздействием, т. к. влажная суспензия пластична, и гранулы могут слипаться, поэтому после гранулятора они попадают на ленточную сушилку, где обезвоживаются при температуре 145–150С. 9. Высушенные гранулы поступают в бункер, откуда подаются в поддоны туннельной печи секционным дозатором. Разделение операций сушки и обжига возникает из-за необходимости непрерывного питания печи промежуточным продуктом, которое возможно только при постоянной во времени механической устойчивости последнего, достаточной для хранения и дозирования. 10. Обжиг в туннельной печи производится согласно разработанному режиму, при температуре 825 С. Температура обжига выбрана на основании результатов исследований по термической обработке монолита. Выбор туннельной печи в качестве агрегата обжига обусловлен отсутствием в ней механического взаимодействия гранул, которое может привести к их слипанию при температуре вспучивания. 11. Готовая продукция выгружается из печи и направляется на склад. Для производства блочного теплоизоляционного материала была разработана технологическая схема, отличающаяся от схемы производства гранулированного материала этапами формования и вспенивания. Технологическая схема приводится на рисунке 5.2 и в Приложении 2.
Полученная в результате помола СВС отстаивается в стабилизаторе а затем разливается в металлические формы и подается транспортером в туннельную печь. Вспененные блоки извлекаются из форм. Для придания блокам точных размеров их поверхность подвергается шлифовке и опиловке. Готовые блоки поступают на склад
Для произведения термодинамических расчетов по справочным данным необходимо сделать некоторые допущения. Согласно данным дифференциально-термического анализа суспензия с влажностью 30% содержит 25,3% гигроскопической влаги и 4,7% химически связанной.В виду малого количества последней, а также отсутствия данных о зависимости теплоемкости кремнекислоты от температуры химически связанную воду суспензии считаем жидкой до 150С и газообразной от 150 до 825С, причем принимаем, что химически связанная вода во время сушки остается жидкой, а гигроскопическая испаряется.
С учетом сделанных допущений, вычисляем массу кремнезема стеклобоя, адсорбировавшего воду по формуле
Произведем расчет количества тепла, необходимого на нагрев стеклобоя. Рассчитаем теплоемкость листового стекла методом Шарпа и Гинтнера [148]. Для
Для вычисления затрат на нагревание и испарение воды суспензии исполь зуем стандартные значения энтальпии и температурные зависимости теплоемко сти жидкой воды и пара. Тепловой эффект процесса определяется только разни цей энтальпий конечного и начального состояния системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Поэтому для вычисления энергоза трат на нагревание и испарение воды достаточно вычислить энтальпии воды при
Себестоимость гранулята складывается из стоимости сырьевых материалов, электроэнергии и природного газа. Цены на твердые сырьевые материалы были взяты как средние рыночные цены для Белгородского региона на 2014 год, цены на воду, электроэнергию и газ приняты в соответствии с промышленными тарифами. В связи с наличием в производственном процессе обжига, для тепловой обработки материала целесообразно применять природный газ. Если принять КПД туннельной печи 30%, КПД ленточной сушилки 60%, затраты газа на тепловую обработку составят: