Сырьевая смесь для производства пеностекла и способы получения сырьевой смеси, шихты и пеностекла

006794 Область техники Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, в частности касается производства сырьевой смеси и способов получения сырьевой смеси, шихты и блочного пеностекла, применяемого в качестве эффективного теплоизолирующего материала в различных строительных конструкциях. Изобретение может быть применено при получении пеностекла со структурой закрытых пор из переработанного боя стекла безотносительно к его химическому составу. Предшествующий уровень техники Среди строительных материалов с хорошими тепло- и звукоизоляционными характеристиками пеностекло отличается малым объемным весом, низкой теплопроводностью и высоким звукопоглощением; это негорючий, теплостойкий и химически устойчивый материал. Пеностекло представляет собой легкий пористый материал, получаемый путем спекания и вспенивания при высоких температурах смеси порошкообразного исходного стекла или других стеклообразных материалов с газообразователями (тонкоизмельченными известняком, мелом, сажей, коксом). Установлено, что объемная плотность, теплоизоляционные, механические свойства пеностекла имеют наилучшие показатели для пеностекла, в структуре которого преобладают закрытые поры, т.е.замкнутые, не сообщающиеся между собой полости, разделенные прослойками материала. Наличие в структуре пеностекла закрытых пор делает изделие непроницаемым для жидкостей, в том числе и для воды, водяных паров и газов. Практика показывает, что одним из определяющих факторов, влияющих на процесс получения качественного пеностекла, является сырьевая смесь для его получения, поскольку от состава смеси зависит его физико-химическая структура, определяющая его теплотехнические и механические свойства. Были предприняты различные попытки в данной области для улучшения свойств пеностекла за счет выбора состава сырьевой смеси для его изготовления. Пеностекло можно получать многими способами при использовании композиций на основе различного стекла и вспенивающих агентов. Стекло обычно используют в порошкообразном виде. Стеклопорошок получают либо из специально сваренных стекломасс (US, 4192664, кл. С 03 В 19/00, 1980 г., US,3403990, кл. 65-22, 1968 г.), либо из боя оконного, тарного, оптического и других стекол (US, 4198224,кл. С 30 В 19/08, 1980 г.). Анализ литературных данных показывает, что широко распространено производство пеностекла с использованием специально сваренного и гранулированного стекла, для улучшения свойств которого используют дорогостоящие ингредиенты (WO 00/61512, кл. С 03 С 11/00, С 03 В 19/08,2000 г., DE 2010263, С 03 С 11/00, 1979 г.). Длительное время используют сырьевую смесь по патенту US, 3151966, кл. 65-22 б 1966 г., получаемую смешением тонкомолотого стекла и газообразователя, который содержит восстановитель в виде углеродистого ингредиента и окислитель из числа сульфатов, оксидов и других химических реагентов. Хотя использование известной сырьевой смеси позволяет производить пеностекло достаточно высокого качества с однородной структурой, обеспечивающей его эксплуатационную стабильность, однако применение известного сырья ограничено его высокой стоимостью за счет трудоемкости его получения, связанной с выполнением ряда дополнительных операций, таких как помол, спекание, стабилизация. Традиционная технология производства пеностекла включает варку стекла специального состава,его помол с газообразователем для получения тонкодисперсной шихты, вспенивание формованной шихты в процессе отжига при температуре не менее 700 С. Применение известной технологии позволяет получать пеностекло достаточно высокого качества с однородной структурой, обеспечивающей его эксплуатационную стабильность, однако пеностекло имеет высокую себестоимость за счет высокой трудоемкости операции получения стекла требуемого состава. Известно, что для получения пеностекла с постоянными физическими свойствами (объемной массой меньше 280 кг/м 3, водопоглощением меньше 5% и относительно упорядоченной структурой) разработаны технологии применительно к исходному стеклу строго определенного состава. Именно поэтому выбор исходного сырья имеет большое значение. Сырье для получения пеностекла должно быть пригодным с учетом себестоимости его производства, для чего уделяется внимание к времени и температуре вспенивания. В патенте US, 4198224, кл. С 03 В 19/08, 1980 г. раскрыт способ получения пеностекла из стеклобоя,включающий нагрев порошкообразной шихты до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение. Пеностекло, производимое фирмой Pittsburgh Corning Corporation, получают из тонкодисперсного порошка стекла и газообразователя. Шихту для производства пеностекла готовят из стекла, подлежащего утилизации (так называемого стеклобоя). Стекло строго определенного состава и газообразователь, находящиеся в твердой фазе, тщательно перемалывают и перемешивают в шаровой мельнице до среднего размера зерна 3-10 мкм. При этом помол компонентов осуществляют раздельно и в несколько стадий: сначала осуществляют раздельный помол стекла и газообразователя, затем проводят их совместный помол. Перемешивание тонкодисперсных компонентов сырьевой смеси осуществляют в твердой фазе. Полученную порошкообразную смесь затем спекают в два этапа при температуре ниже температуры вспенивания, а затем охлаждают. К сожалению, известный способ осложнен тем, что он связан с проблемой перемешивания исходных ком-1 006794 понентов в состоянии твердой фазы, что не обеспечивает их высокого уровня однородности распределения в объеме смеси. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению смеси металлом шаров и футеровки, что, как уже указывалось выше, в дальнейшем нарушает условия порообразования на стадии производства пеностекла. К сожалению, в условиях резкого подъема цен на энергоносители использование известной порошкообразной шихты и способа ее получения приводит к удорожанию пеностекла. Это требование налагает ограничения на выбор подвергаемой вспениванию композиции. Из патента RU, 2109700, кл. С 03 С 11/00, 1998 г. известна технология изготовления гранулированного пеностекла на основе стекольных отходов путем приготовления порошкообразной шихты из стекольного боя и газообразователя. В документе WO 00/61512, кл. С 03 С 11/00, 2000 г. раскрыт способ получения гранулированного пеностекла с использованием отходов стекла с одно или двухстадийной обработкой гранулята при температуре 200-300 С или 400-800 С в течение времени не более 15 мин. Силикат натрия или так называемое жидкое стекло достаточно широко известно как добавка при производстве гранулированного пеностекла, необходимая в качестве связующего для гранул (например,DE, 2010263, С 03 С 11/00, 1979 г.). В патенте RU, 2162825, кл. С 03 С 11/00, 2001 г, раскрыт способ изготовления пеностекла из разобранного стеклобоя определенного состава, включающий приготовление шихты путем совместного помола стеклобоя и карбонатного газообразователя, гранулирование шихты с орошением ее водным раствором растворимого стекла, сушку гранул и термообработку при температуре вспенивания 780-820 С с последующим отжигом. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ получения пеностекла, включающий предварительную термообработку при температуре ниже температуры вспенивания исходной смеси, получаемой из тонкодисперсного порошка стеклобоя, углеродсодержащего компонента и силиката натрия, нагрев смеси до температуры вспенивания, выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение (RU,2187473, кл. С 03 В 19/08, 2000 г.). Известный способ позволяет получать качественное блочное пеностекло на основе щелочных алюмосиликатных стеклообразных отходов. В известном способе смешивают диспергируемый стеклобой и вспенивающую смесь, содержащую кремнезем, углеродсодержащий компонент, сульфат металла и жидкое натриевое стекло в количестве 0,5-5,0 мас.%. Затем полученную смесь сначала спекают, затем вспенивают при температуре 790-860 С и проводят закалку и отжиг. Вспенивающую добавку готовят путем перемешивания кремнезема, жидкого стекла в сухом либо смоченном водой состоянии, сажи, сульфата и борной кислоты. Полученную смесь подвергают грануляции в присутствии жидкого стекла для улучшения собирания материала в гранулы. Для улучшения грануляции материала смесь увлажняют, если жидкое стекло вводится сухим порошком. Заполняют металлические формы гранулированным материалом и направляют в печь для спекания, вспенивания и отжига. Получаемое по известной технологии пеностекло характеризуется высокой себестоимостью, связанной с необходимостью долгого и достаточно сложного механического перемешивания компонентов до очень равномерного распределения частиц пенообразователя в стеклопорошке. Кроме того, помол в металлических мельницах приводит к загрязнению шихты металлом шаров и футеровки, что в дальнейшем нарушает условия порообразования в спекаемой шихте. Это в свою очередь сказывается на устойчивости,равномерности и воспроизводимости структуры закрытых пор пеностекла. Коэффициент однородности такого пеностекла не достаточно высокий. Технологические режимы известного способа отработаны применительно к конкретному составу стеклобоя, что делает их неприемлемыми при использовании стеклобоя произвольного состава. Нестабильность и сложность состава стеклобоя, обусловленные зависимостью от функционального назначения произведенного технического стекла, состава исходных ингредиентов, а также режимов его варки, приводят и к нестабильности качеств производимого из него пеностекла. Раскрытие изобретения В рамках данной заявки решается задача расширения сырьевой базы и разработки такой технологии, которая позволила бы производить пеностекло безотносительно к химическому составу стеклобоя,т.е. из несортированного стеклобоя, и с малой энергоемкостью производства. Имеется потребность в разработке способа получения пеностекла с использованием различных по химическому составу типов технических стекол - бой оконного, тарного, химическая посуда и их смеси в различных пропорциях по отношению друг к другу. Кроме того, решается задача повышения воспроизводимости структуры пеностекла с гомогенной мелкопористой структурой, содержащей поры замкнутой формы. Поставленная задача достигается тем, что сырьевая смесь для производства пеностекла представляет собой обезвоженную композицию как результат физико-химического взаимодействия при температуре 450-550 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и порошкообразных химически активных по отношению к нему добавок, содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь. Поставленная задача достигается также тем, что способ получения сырьевой смеси для производства пеностекла включает перемешивание при температуре не выше 70 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия в количестве 30-70 мас.% и химически активных по отношению к силикату-2 006794 натрия и калия порошкообразных добавок, содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь, термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей дисперсии при температуре из диапазона 450-550 С в течение времени, достаточном для удаления из нее воды, в том числе химически связанной. Целесообразно выбирать ингредиенты при перемешивании из соотношения, мас.%: водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия в количестве 30-70, порошок несортированного стеклобоя в количестве 25-65, углеродистый газообразователь в количестве 4-9. Кроме того, предпочтительно использование водного щелочного раствора натрия и/или калия плотностью 1,3-1,5 г/см 3 с величиной силикатного модуля 2-3,5. Поставленная задача решается тем, что способ получения шихты для производства пеностекла включает перемешивание при температуре не выше 70 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия в количестве 30-70 мас.% и химически активных по отношению к силикату натрия и калия порошкообразных добавок, содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь,термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей дисперсии при температуре 450-550 С до получения обезвоженной композиции, последующее охлаждение обезвоженной композиции и измельчение ее в порошок. Для производства шихты ингредиенты при перемешивании выбирают из соотношения,мас.%: водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70, порошок несортированного стеклобоя 25-65, углеродсодержащий газообразователь 4-9. Предпочтительно обезвоженную композицию измельчать в порошок с размером зерна не более 1520 мкм. Поставленная задача решается также тем, что способ получения пеностекла включает перемешивание при температуре не выше 70 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия в количестве 30-70 мас.% и порошкообразных химически активных по отношению к силикату натрия и калия добавок, содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь, термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей дисперсии при температуре 450-550 С до получения обезвоженной композиции, последующее измельчение охлажденной композиции в порошок, нагрев порошка до температуры вспенивания из диапазона 750-830 С и выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования, последующее охлаждение. Целесообразно при производстве пеностекла ингредиенты при перемешивании выбирать из соотношения, мас.%: водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70, порошок несортированного стеклобоя 25-65, углеродсодержащий газообразователь 4-9. Поскольку несортированный стеклобой, т.е. искусственные технические стекла, представляют собой системы, содержащие различные оксиды, то процесс взаимодействия водного раствора щелочного металла и неразобранного стеклобоя потребовал изучения его термодинамических режимов. Данные оптимальные соотношения ингредиентов и температурные режимы были установлены авторами экспериментально на основе изучения термодинамических закономерностей процесса синтеза исходной смеси на базе водного раствора щелочного металла и несортированного стеклобоя, т.е. стеклобоя произвольного химического состава. Растворенный в воде до определенной концентрации силикат натрия и/или калия представляет собой щелочной раствор, который необходим для протекания физико-химических процессов, сопровождающих его взаимодействие с оксидами стеклобоя безотносительно к их составу, включая содержание в стекле щелочных оксидов. Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между физикохимическими свойствами пеностекла, термодинамическими режимами получения сырьевой смеси,включая состав исходных ингредиентов и температуру ее получения, последовательностью смешения ингредиентов и режимами ее термообработки. При отсутствии общеизвестных закономерностей физикохимического состояния вещества после его обработки при температуре вспенивания и исходным составом при получении сырьевой смеси, авторами экспериментально были найдены те оптимальные значения содержания водного щелочного раствора силиката натрия и калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, которые позволяют после их последовательного перемешивания и последующей обработке при температуре из диапазона 450-550 С, получить требуемые параметры пеностекла. Наиболее приемлемый силикатный модуль водного раствора силиката щелочного металла составляет 23,5 при плотности раствора 1,3-1,5 г/см 3. В данном способе получения пеностекла перемешивание силиката щелочного металла, порошка технического стекла произвольного химического состава и углеродсодержащего газообразователя осуществляют не в твердом состоянии, а в водном растворе силиката щелочного металла, представляющим собой вязкотекучую жидкость с водородным показателем среды рН 7 и являющимся таким компонентом, который обеспечивает как однородность распределения порошкообразных добавок по объему шихты, так и протекание необходимых физико-химических процессов при перемешивании, а затем при нагревании до температуры 450-550 С, связанных, в том числе с обезвоживанием смеси и удалением химически связанной воды. Перемешивание исходных компонент смеси в состоянии жидкой фазы без предварительного нагрева при температуре не выше 70 С позволяет в дальнейшем получить равномерную по-3 006794 объему пеностекла структуру однородных, закрытых газонаполненных пор при низкой энергоемкости производства безотносительно к химическому составу технического стекла. Следующий конкретный неограничивающий пример представлен для иллюстрации сущности изобретения. Пример. Исходную смесь готовят из следующих компонентов. В качестве исходного компонента используют 150 кг коммерчески доступного, т.е. имеющегося в продаже, водного щелочного раствора силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), изготовленного на Рязанском заводе (жидкое стекло также можно получать из трепела автоклавным или безавтоклавным методом гидротермального выщелачивания оксида кремнезема в щелочной среде (показатель среды рН 7) при температуре 90-100 С). Водный раствор силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1) при температуре окружающей среды сначала перемешивают в течение 10-15 мин с тонкомолотым порошком нерассортированного, неразобранного стеклобоя разных марок и химического состава, взятого в количестве 65 кг. Данный стеклобой готовят из боя оконного, тарного любого цвета и химической посуды в произвольных пропорциях по отношению друг к другу. Затем в процессе перемешивания полученной вязкотекучей композиции в нее добавляют 20 кг углеродсодержащего газообразователя. В процессе перемешивания композиции происходит связывание свободной воды и щелочи, негативно влияющих на водорастворимость конечного продукта - пеностекла. Полученная смесь имеет серый цвет. После перемешивания всех компонент сырьевой смеси проводят ее термообработку при температуре 530 С в течение окодо 65 мин. При термообработке происходят дальнейшие физико-химические процессы, сопровождающиеся удалением свободной гидратной и химически связанной воды и увеличением вязкости смеси, после чего она приобретает темно-серый цвет. Вес охлажденной до температуры окружающей среды сырьевой смеси составляет около 60% от веса исходных компонент. Затем осуществляют помол смеси до величины зерна не более 15-20 мкм. Измельченную сырьевую смесь засыпают в металлические формы, обработанные специальным составом, и термообрабатывают при температуре вспенивания 780-830 С не менее 90 мин. В таблице приведены результаты сравнительных испытаний пеностекла, получаемого по данной технологии, в сравнении с пеностеклом "FOAMGLAS"R производства компании Pittsburgh CorningEurope (Бельгия) сопоставимых марок по плотности. Сравнительный анализ одного из результатов испытаний данного пеностекла и пеностекла FOAMGLASR показывает значительное совпадение в свойствах между ними. Промышленная применимость Изобретение может быть использовано при получении пеностекла с воспроизводимой мелкопористой структурой из стеклобоя произвольного химического состава. Изобретение предусматривает использование водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и химически активных к нему добавок, одной из которых является порошок стеклобоя произвольного химического состава, позволяющих получать после их перемешивания с углеродсодержащим газообразователем и термообработки при температуре 450-550 С обезвоженную композицию, пригодную для получения пеностекла с высокими теплотехническими характеристикам, но с малой энергоемкостью производства за счет исключения варки специального по химическому составу стекла при высоких температурах.-4 006794 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Сырьевая смесь для производства пеностекла, представляющая собой обезвоженную композицию как результат физико-химического взаимодействия при температуре 450-550 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия и порошкообразных химически активных по отношению к нему добавок, содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь. 2. Способ получения сырьевой смеси для производства пеностекла, включающий перемешивание при температуре не выше 70 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия в количестве 30-70 маc.% и химически активных по отношению к силикату натрия и калия порошкообразных добавок,содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь, термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей дисперсии при температуре из диапазона 450-550 С в течение времени, достаточном для удаления из нее воды, в том числе химически связанной. 3. Способ по п.2, характеризующийся тем, что ингредиенты при перемешивании выбирают из соотношения, мас.%: Водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70 Порошок несортированного стеклобоя 25-65 Углеродистый газообразователь 4-9 4. Способ по п.2, характеризующийся тем, что используют водный щелочной раствор натрия и/или калия плотностью 1,3-1,5 г/см 3 с величиной силикатного модуля 2-3,5. 5. Способ получения шихты для производства пеностекла, включающий перемешивание при температуре не выше 70 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия в количестве 30-70 мас.% и химически активных по отношению к силикату натрия и калия порошкообразных добавок, содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь, термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей дисперсии при температуре 450-550 С до получения обезвоженной композиции, последующее охлаждение композиции и измельчение ее в порошок. 6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что ингредиенты при перемешивании выбирают из соотношения, мас.%: Водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70 Порошок несортированного стеклобоя 5-65 Углеродсодержащий газообразователь 4-9 7. Способ по п.5, характеризующийся тем, что обезвоженную охлажденную композицию измельчают в порошок с размером зерна не более 15-20 мкм. 8. Способ получения пеностекла, включающий перемешивание при температуре не выше 70 С водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия в количестве 30-70 маc.% и порошкообразных химически активных по отношению к силикату натрия и калия добавок, содержащих несортированный стеклобой и углеродистый газообразователь, термообработку полученной при перемешивании вязкотекучей дисперсии при температуре 450-550 С до получения обезвоженной композиции, последующее измельчение охлажденной композиции в порошок, нагрев порошка до температуры вспенивания из диапазона 750-830 С и выдержку при этой температуре до завершения процесса пенообразования и последующее охлаждение. 9. Способ по п.8, характеризующийся тем, что ингредиенты при перемешивании выбирают из соотношения, мас.%: Водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70 Порошок несортированного стеклобоя 25-65 Углеродсодержащий газообразователь 4-9