Способ изготовления пеносиликата

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к способу изготовления неорганических пористых материалов (теплоизоляционных и конструкционнотеплоизоляционных) - пеносиликатов из широко распространенных кремнистых пород (трепел,диатомит, опока и др.). Пеносиликат получают смешиванием измельченной кремнистой породы с кальцинированной содой, увлажнением водным раствором жидкого стекла при объемном отношении жидкого стекла к воде 2:1-1:1 или смесью указанного раствора жидкого стекла с 30-40% раствором NaOH при объемном соотношении 5-9:5-1 соответственно. Увлажненную смесь гранулируют, сушат при температуре не выше 300 С и обжигают в области 700-900 С. Отношение общего содержания массы оксида натрия к массе кремнистого сырья составляет 0,1-0,4. Реализация предложенного изобретения позволяет получать широкий спектр пористых пеносиликатов - блочных теплоизоляционных с плотностью 150-250 кг/м 3, теплоизоляционноконструкционных с плотностью выше 250 кг/м 3, а также гранулированных с насыпной плотностью 80 кг/м 3 и выше.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: КИСЕЛВ ГЕННАДИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ (KZ) Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к способу изготовления неорганических пористых материалов (теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных) пеносиликатов из широко распространенных кремнистых пород (трепел, диатомит, опока и др.). Известны блочные и гранулированные теплоизоляционные пористые строительные материалы неорганического состава, получаемые из порошков стекла с газообразователем. Все типы и классы таких материалов обозначают единым термином - пеностекло (блочное или гранулированное). При всей сумме положительных свойств пеностекла оно не нашло широкого распространения в связи с высокими затратами на плавку стекла. Бой стекла имеет ограниченный сырьевой ресурс. Для снижения энергетических затрат пеностекольных производств в настоящее время все большее внимание уделяется разработкам изготовления пеноматериалов из природного сырья - алюмосиликатных и кремнистых пород без предварительной переплавки в стекло. Кремнистые породы - трепел, диатомит, опока и др. являются широко распространенными и доступными для добычи породами. Пеноматериалы, изготавливаемые из кремнистых пород или с частичным их использованием, правильнее называть пеносиликатами. Известен способ получения блочного пеносиликата из порошков стекла, песка, газообразователя и раствора силиката натрия (жидкого стекла). Компоненты смешивают, из смеси формуют гранулы методом окатывания, их помещают в жаростойкие формы и обжигают при температуре 760-800 С. При этой температуре происходит плавление и вспенивание гранулированной шихты с образованием единого блока пеносиликата. Гранулирование порошковой шихты по известному решению осуществляют для устранения пыления в печном отделении. Плотность пеносиликатов, полученных по известному решению,составляет 220-265 кг/м 3 (патент РФ 2225373, МПК С 03 С 11/00, опубл. 10.03.2004 [1]). Такой пористый строительный материал в большей степени представляет собой пеностекло, так как он изготавливается из состава, в котором преимущественно содержится порошок боя стекла. В составах известного решения на 1000 г порошка стекла расход песка составляет 20-40 г. Разработка способов изготовления пористых строительных материалов из кремнистых пород без использования в составах стекла и без предварительного расплавления природного сырья в стекло ведутся давно (Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989, с. 197-207 [2]). Во всех известных способах и составах получения пеносиликатных материалов из кремнистых пород в качестве плавня используется щелочной компонент - водный раствор гидроксида натрия (NaOH). Так как гидроксид натрия добавляют к измельченному сырью в виде водного раствора, он лучше гомогенизируется с кремнистым порошком и поэтому проявляет флюсующие свойства лучше, чем другие известные Na-содержащие твердые соединении (карбонаты или сульфиды натрия др.). Кроме снижения температуры плавления силикатных составов растворенный гидроксид натрия взаимодействует с высокореакционным аморфным кремнеземом кремнистых пород с образованием гидратированных силикатов натрия, которые являются источником паров воды, вспучивающих силикатную массу при нагревании. Однако щелочь является опасным соединением, относящимся ко 2 классу вредности. Известным безопасным плавнем, снижающим температуру плавления силикатных масс, является кальцинированная сода (Na2CO3), которая широко используется при варке стекла. При изготовлении пеносиликатов из кремнистых пород кальцинированную соду не применяют. Это связано с тем, что в сухом состоянии ее флюсующее воздействие на кремнистую породу значительно хуже гидроксида натрия. В виде водного раствора использовать ее нельзя, так как при сушке сода высаливается на поверхности массы. Отсутствие способа получения пеносиликатов из кремнистых пород с альтернативными безопасными плавнями ограничивало возможность организации производств пористых строительных материалов из природного кремнистого сырья. Из большого числа известных решений по получению пеносиликатных строительных материалов можно привести те, которые наиболее полно отражают суть изготовления пористых материалов из кремнистых пород и наиболее близки к предложенному изобретению. Например, известны пористые строительные материалы и способ их изготовления из кремнистого природного сырья - диатомиты, спонголиты, опоки, трепела, цеолиты и др. с щелочным компонентом раствором едкого натрия (NaOH) (патент РФ 2300506, МПК С 04 В 28/24, С 04 В 111/20, С 04 В 111/40,опубл. 10.06.2007 [3]). Способ изготовления заключается в измельчении кремнистой породы, смешивании с водным раствором едкого натра с концентрацией 46 мас.% при отношении щелочного компонента к порошку 0,080,40, силикатную массу высушивают до остаточной влажности менее 5%, затем ее измельчают до размера не более 100 мкм, порошок засыпают в формы и нагревают до температуры вспучивания в диапазоне температур 650-900 С и затем охлаждают в определенном режиме охлаждения. По этому решению получают как теплоизоляционный строительный материал с плотностью 90-150 кг/м 3, так и конструкционно-теплоизоляционный с плотностью 240-370 кг/м 3. Основными недостатками этого способа изготовления пористых строительных материалов из природного кремнистого сырья являются следующие: двукратное измельчение. Вначале измельчается кремнистая порода, а затем измельчается до высокой степени тонины (менее 100 мкм) сухая силикатная щелочная масса; высокая запыленность печного отделения, так как в формы засыпается тонкий порошок. Это требует хорошей герметизации форм и транспортирующих устройств и в обязательном порядке наличие крышек у жаростойких форм, чтобы предотвратить запыление внутреннего объема печи; длительный режим нагревания вспенивающейся порошковой смеси в жаростойких формах в следующей последовательности: 145-155 - 6-12 ч; 170 - 6-8 ч; 190 - 6-8 ч; 250 - 6-8 ч; 320 - 6-8 ч; 580-600 - 68 ч; 680-720 - 3-4 ч. При таком длительном режиме строительный материал при его самом высоком качестве будет экономически не конкурентноспособен; использование в качестве плавня только гидроксида натрия, дорогого соединения с высоким классом вредности. Известен другой способ получения пористого строительного материала из кремнистого природного сырья также с раствором едкого натрия в качестве плавня (патент РФ 2333176, МПК С 04 В 28/26,С 04 В 111/20, опубл. 10.09.2008 [4]). По этому способу получают теплоизоляционный пористый материал с плотностью 180-200 кг/м 3, конструкционно-теплоизоляционный - с плотностью 400 кг/м 3 и гранулированный - с насыпной плотностью 200-250 кг/м 3. Кроме этого способ предусматривает получение и широкого спектра конструкционного материала с плотностью 1500-2000 кг/м 3 (тротуарная плитка, кирпич,блоки и др.). По известному способу кремнистую породу сушат, терма обрабатывают при 250-700 С в течение не менее 0,5 ч, измельчают до фракции менее 5 мм. Измельченную кремнистую породу, щелочь и воду смешивают, выдерживают при температуре от 0 до 150 С в течение не менее 0,2 ч для образования гидросиликатов, затем проводят сушку силикатной массы, измельчение до порошка, подвергают термообработке в диапазоне 250-700. Изготовление блочного пеноматериала осуществляют вспениванием предварительно термообработанной подготовленной порошковой шихты в жаростойких формах. Плотный строительный материал получают обжигом прессованных заготовок на транспортерной ленте. Гранулированный пористый заполнитель получают обжигом во вращающейся печи после закатывания порошковой шихты в гранулы размером 5-10 мм на тарельчатом грануляторе. Основными недостатками известного решения получения пористых строительных материалов из кремнистого сырья являются следующие: высокая температура термообработки кремнистой породы перед измельчением 250-700 С, необходимость которой в известном решении не поясняется. Для хорошего измельчения достаточно просушки породы при 100 С; измельчение силикатного сырья до фракции менее 5 мм. При таком грубом измельчении невозможно получить гомогенную щелочную силикатную массу с хорошей способностью к порообразованию. Измельчение до фракции 0,5 мм (пример 2) также недостаточный уровень измельчения силикатных пород для получения качественной пористой продукции; необходимость повторного измельчения высушенной щелочной силикатной массы и повторной термообработки; формы для получения блочного пеноматериала заполняются порошком, что создает высокую запыленность в печном отделении; использование в качестве плавня только гидроксида натрия, дорогого соединения с высоким классом вредности. Известен способ изготовления теплоизоляционного материала, включающий смешивание измельченной кремнистой породы и щелочного компонента, выдерживание щелочной увлажненной смеси при положительной температуре в течение 2-24 ч с последующим вспучиванием при температуре 650-750 С в течение 5-40 мин до увеличения первоначального объема смеси не менее чем на 10%, после чего вспученную массу подвергают размолу до фракции менее 0,5мм, затем полученную порошковую шихту засыпают в формы, нагревают до температуры 700-800 С и выдерживают в течение 15-60 мин до порообразования расплавленной массы (патент РФ 2323191, МПК С 04 В 28/26, С 04 В 40/00, опубл. 27.04.2007[5]). Данным способом изготавливают блочный пеноматериал с плотностью 200-400 кг/м 3. Промежуточное вспучивание сухой массы, которое осуществляется до засыпки порошковой шихты в жаростойкие формы, позволяет получать пеносиликатный материал с хорошими прочностными характеристиками до 80 кг/см 2 (8,0 МПа). Однако известный способ характеризуется типовыми недостатками, связанными с порошковой технологией: высокая запыленность в печном отделении; необходимость двукратного измельчения. Вначале измельчают породу, затем высушенную щелочную силикатную смесь; использование в качестве плавня только гидроксида натрия, дорогого соединения с высоким классом вредности. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления теплоизоляцион-2 021140 ных материалов на основе кремнистых пород, включающий смешивание измельченной кремнистой породы и водного раствора гидроксида натрия, укладку влажной смеси в формы, предварительное прогревание смеси при температуре 40-60 С в течение 30-60 мин, нагревание до 800-900 С и выдержку при этой температуре в течение 20-30 мин (патент РФ 2154618, МПК С 04 В 38/00, опубл. 20.08.2000). Укладка в жаростойкие формы влажной массы в известном решении предотвращает запыленность печного отделения. Однократное измельчение только исходной кремнистой породы снижает себестоимость продукции. Предварительное прогревание влажной щелочной смеси обеспечивает полное прохождение процесса силикатообразования, и поэтому масса характеризуется интенсивным порообразованием при обжиге. По этому способу получают пористый силикатный материал с плотностью 100-300 кг/м 3. Недостатки известного способа заключаются в следующем: при укладке в форму сырой массы в ней неизбежно образуются пустоты, которые при вспенивании формируют в блоке крупные каверны и неоднородности пористой системы; в качестве плавня используется только щелочь - гидроксид натрия. Это соединение относится к токсичным и потребует организации на производстве высокого уровня защиты обслуживающего персонала; ограниченный диапазон пористого материала. Известное решение не предусматривает получение конструкционно-теплоизоляционного блочного и гранулированного пеноматериала. Техническим результатом предложенного изобретения является повышение экологической безопасности, снижение затрат на производство и расширение ассортимента пористой продукции из природного кремнистого сырья с получением как теплоизоляционного, так и теплоизоляционноконструкционного блочного пеносиликата, а также гранулированного. Технический результат решается благодаря тому, что в заявленном способе изготовления пеносиликата, включающем приготовление увлажненной смеси измельченного кремнистого сырья с добавкой натрийсодержащего соединения, укладку смеси в ограждающее устройство и ее термическую обработку путем предварительного нагрева и обжига, перед увлажнением кремнистое сырье смешивают с кальцинированной содой, а увлажнение смеси проводят водным раствором натрийсодержащего соединения,причем отношение общего содержания массы оксида натрия к массе кремнистого сырья составляет 0,10,4, увлажненную смесь перед укладкой гранулируют, а предварительное нагревание осуществляют при температуре не выше 300 С. При этом в качестве водного раствора натрийсодержащего соединения используют водный раствор жидкого стекла при объемном отношении жидкого стекла к воде 2:1-1:1 или смесь указанного водного раствора жидкого стекла с 30-40% раствором NaOH при объемном соотношении 5-9:5-1 соответственно. Увлажнение кремнистого сырья водным раствором жидкого стекла или смесью растворов жидкого стекла и гидроксида натрия оказывает комплексное положительное воздействие на силикатную массу. Увлажнение предложенными растворами позволяет использовать в качестве основного плавня безопасное соединение - кальцинированную соду. Кальцинированная сода в кремнистом составе взаимодействует с компонентами жидкого стекла, образуя комплексные натрийсодержащие соединения, и поэтому при сушке не высаливается на поверхность массы. Увлажнение повышает контактность кальцинированной соды с частицами кремнистого сырья за счет чего улучшается ее флюсующее действие по сравнению с сухой смесью. Кроме этого, оксид натрия, входящий в состав предложенных увлажняющих растворов,оказывает дополнительное флюсующее действие на силикатный состав. Кроме этого жидкое стекло играет роль источника порообразующего газа - паров воды. Ограничение по общему содержанию в составе Na2O определяется оптимальностью протекания технологических процессов и видом пористой продукции. При отношении общего содержания массы оксида натрия к массе кремнистого сырья менее 0,1 стеклообразование в кремнистом составе протекает слабо и вспучивания гранул не происходит, а при отношении более 0,4 вязкость расплава снижается и пористая структура быстро оседает. Ограничение по концентрации в растворе гидроксида натрия 30-40% определяется технологической целесообразностью. Работать с более высокой концентрацией нет необходимости, так как такие растворы могут быстро кристаллизоваться. При меньшей концентрации не достигается минимальная плотность пеносиликата. Грануляция увлажненной шихты, кроме известного устранения запыленности в печном отделении[1], в предложенном изобретении обеспечивает повышение качества продукции и снижение затрат на производство. Это обусловлено тем, что прогревание отдельных гранул протекает быстрее и равномернее, чем вся увлажненная масса шихты. При вспенивании отдельных гранул с последующим их сращиванием и формированием монолитного блока в нем не возникают пустоты или не вспененные участки,что неизбежно возникает при укладке в форму сырой массы по прототипу. Кроме того, гранулированная шихта при хранении не слеживается и является заготовкой сразу для двух видов продукции - для блочного и для гранулированного пеносиликата. Сушка гранул необходима для придания им прочности и стабилизации свойств. Гранулы не должны разрушаться при транспортировке и при последующей термической обработке. Сушку гранул можно осуществлять при любой положительной температуре, не превышающей 300 С. Ограничение по темпе-3 021140 ратуре сушки связано с технологической и экономической целесообразностью. Сушка гранул при более высокой температуре приведет к неоправданно завышенным тепловым затратам. Высушенные гранулы при температуре, не превышающей 300 С, приобретают достаточную прочность, чтобы не разрушаться при резком нагревании при обжиге. Кроме этого в пределах этой температуры из гранул удаляется непродуктивная газовая фаза, что улучшает ее спекание при обжиге. Реализация предложенного изобретения позволяет получать широкий спектр пористых пеносиликатов: теплоизоляционных - с плотностью 150-250 кг/м 3, теплоизоляционно-конструкционных - с плотностью выше 250 кг/м 3, а также гранулированных - с насыпной плотностью 80 кг/м 3 и выше. Пеносиликаты, полученные по предложенному решению, характеризуются высокой однородностью пористой макроструктуры в любом диапазоне плотности. В пористых изделиях нет вздутий или не вспененных областей. На чертеже показаны снимки пористой структуры пеносиликата с плотностью 150 (а) и 500 (б) кг/м 3, на которых видно, что пористая структура как в теплоизоляционном пеносиликате с низкой плотностью, так и в более плотном теплоизоляционно-конструкционном характеризуется высокой однородностью распределения пор по размеру. Пеносиликаты по предложенному способу формируется следующим образом. Измельченный порошок кремнистой породы любого вида (трепел, опока, диатомит или другие кремнистые породы) из любого месторождения смешивают с кальцинированной содой в смесителях любого типа, после чего смесь порошков увлажняют жидкими добавками. Соотношение жидких добавок к твердым компонентам подбирается таким образом, чтобы из массы формировались гранулы в грануляторах тарельчатого, лопастного типа, экструзией из пластичной массы или любым другим способом. Готовые влажные гранулы при необходимости опудривают для предотвращения слипания друг с другом и сушат в сушильный агрегатах любого типа для удаления физически связанной воды. Сухие гранулы можно хранить в запасниках неограниченное время. Подготовленная гранулированная шихта применяется как для изготовления блочного, так и для гранулированного пеносиликата. При необходимости изготовления пеносиликата из определенной зерновой фракции гранулят рассеивают по фракциям. При изготовлении блочного пеносиликата сухие гранулы засыпают в жаростойкие формы, которые подают в печь вспенивания, где они нагреваются до температуры расплавления и порообразования. Формы выдерживают при максимальной температуре до нужного увеличения объема пеносиликата и образования монолитного пористого блока. Охлаждение и отжиг блочного пеносиликата проводят по общепринятым в пеностекольной промышленности режимам. При изготовлении гранулированного пеносиликата сухие гранулы подают в печные агрегаты, в которых гранулы обжигаются без слипания друг с другом. Чаще всего применяют вращающиеся печи с частичным заполнением печного пространства сыпучим материалом с более высокой температурой плавления, чем гранулы (песок, брусит и др.) для предотвращения их слипания. Обжиг гранул может производиться и на любых других печах. Например, мелкую фракцию пеносиликата производят в печах кипящего слоя. Некоторые варианты изготовления блочных и гранулированных пеносиликатов приведены в примерах (см. таблицу) с использованием опоки Шиповского месторождения и трепела Потанинского месторождения, которые не исчерпывают возможности предложенного способа. Способ позволяет использовать кремнистые породы любых месторождений. Увлажняющие водные растворы в примерах обозначены следующим образом: водные растворы жидкого стекла - р-р 1 (ж.с. : в = 2:1-1:1); р-р 2 - NaOH (30-40%). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления пеносиликата, включающий приготовление увлажненной смеси измельченного кремнистого сырья с добавкой натрийсодержащего соединения, укладку смеси в ограждающее устройство и ее термическую обработку путем предварительного нагревания и обжига, отличающийся тем,что кремнистое сырье смешивают с кальцинированной содой, а увлажнение смеси проводят водным раствором натрийсодержащего соединения, причем отношение общего содержания массы оксида натрия к массе кремнистого сырья составляет 0,1-0,4, увлажненную смесь перед укладкой гранулируют, а предварительное нагревание осуществляют при температуре не выше 300 С. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве водного раствора натрийсодержащего соединения используют водный раствор жидкого стекла при объемном отношении жидкого стекла к воде 2:1-1:1 или смесь указанного водного раствора жидкого стекла с 30-40% раствором NaOH при объемном соотношении 5-9:5-1 соответственно.