разное

Процессы, протекающие в пенообразующей смеси на стадии формирования спеков и пеностекла

Согласно существующим представлениям о механизме фор­мирования силикатных пен {3, 7, 12, 14, 50, 268, 270], максимум замкнутых ячеек образуется при вспенивании гомоген­ных с оптимальной вязкостью расплавов, в которых обеспечи­ваются, с одной стороны, плавное и беспрепятственное пено- образование, с другой — высокая устойчивость сформировав­шейся пены за счет ее структурно-механического фактора. Как известно [3, 7, 12, 13], эти условия достигаются при синтезе пиропластических систем на основе некристаллизующихся сте­кол, имеющих наименьший градиент вязкости в области тем­ператур вспенивания. Вторым обязательным условием при синтезе спеков пенообразующих смесей является обеспечение изотермии в порошкообразной смеси и ее спеках в области температуры формирования пеностекла.

Чтобы полнее представить механизм формирования спеков и ход процесса вспенивания пеностекла в зависимости от их термической однородности, рассмотрим динамику явлений, происходящих в идеализированной грануле из порошкообраз­ной смеси, обладающей минимальным значением теплопровод­ности.

При быстром нагреве (~А0°С/мин) такой гранулы (рис. 5.1) в интервале температур 650—800 °С в результате малого (0,183 ккал/(м-ч-°С)) значения А рыхлой порошко­
образной массы (y = 700—800 кг/м3) и возникшего вследствие этого большого температурного градиента на поверхности ее формируется газонепроницаемая пленка расплава. Образовав­шаяся пленка оказывает давление на внутренние слои массы гранулы, а сама испытывает растяжение. При повышении тем­пературы более нагретые поверхностные слои начинают вспе­ниваться, в то время как более холодные внутренние слои про­должают спекаться, т. е. уменьшать свой объем, в результате

Чего между ними возникают усилия растяжения, которые приводят к частичному или пол­ному разделению массы на два

Рис. 5.1. Схема распределения усилий сжатия и растяжения в идеализиро­ванной грануле из порошкообразной пенообразующей смеси на стадиях формирования спека и вспенивания

Пеностекла [61]

Зование объясняется, очевидно, тем, что находящаяся їв пере­ходной зоне вязкая стекломасса под действием противополож­ных по направлению сил растягивается в неправильные ните­видные и перепончатые формы. Выделяющиеся при спекании слоя В газы оказывают давление на эти предварительно офор­мленные пустоты — раздувают их, увеличивают и взаимно сое­диняют, в результате чего формируются крупные раковины. С повышением температуры, когда область В переходит от спекания к вспениванию и газовыделение возрастает, в слое Б увеличивается размер раковин, а для слоя А характерна не­равномерная пористость. Можно допустить также и образова­ние в слое А плотной слабовспененной массы. Это свидетель­ствует о чрезвычайно большом влиянии теплопроводности пенообразующей смеси на процесс формирования стркутуры пе­ностекла и его свойств главным образом структурно-механиче­ской прочности. Повышение X смеси, наоборот, позволяет свес­ти до минимума усилия растяжения или сжатия, возникающие между слоями А, Б и В, что дает возможность процесс нагре­ва смеси до температуры максимума вспенивания вести с боль­шой скоростью без ущерба для качества структуры пеностекла.

Анализ закономерностей формирования спеков из пено­образующей смеси и структуры пеностекла показывает, что при разработке теоретической температурной кривой вспени­
вания необходимо учитывать взаимосвязь между физическим состоянием смеси на каждом технологическом этапе и динами­кой изменения ее теплофизических свойств.

Из рассмотренной нами схемы формирования спека наибо­лее сложный характер температурной кривой, очевидно, дол­жен быть для порошкообразной смеси, обладающей минималь­ным значением л. Процесс формирования спеков из нее ослож­нен усадочными явлениями, возникающими при спекании

Частиц стекла, что в меньшей мере свойственно уплотненной смеси. Быстрое нагревание рыхлой пенообразующей смеси при­водит к образованию трещин (рис. 5.2,6), на поверхности ко­торых выгорает газообразователь. При вспенивании таких спеков в пеностекле образуются уплотнения, затрудняющие процесс развития структуры (рис. 5.2, в), или участки с нерав­номерной структурой (рис. 5.2, г). Эти дефекты снижают проч­ностные характеристики пеностекла.

Вспенивание предварительно уплотненных образцов смеся позволяет значительно улучшить структуру пеностекла; раз­меры и количество дефектов уменьшаются по мере повышения исходной плотности пробы. Для выяснения причин, вызываю­щих повышение качества пеностекла, была изучена взаимо­связь между динамикой теплофизических свойств пенообразую­щей смеси различной исходной плотности и характером фор­мирования температурного поля при нагревании.

Интенсивность распространения температуры в слое пено­образующей смеси при стационарном режиме зависит от зна­чения ее h, причем тепловая проводимость слоя (к/б) тем боль­ше, чем меньше его толщина (б). Отсюда следует, что мини­мальное значение температурного градиента At между точками t\ и t2 (рис. 5.3) может быть при наибольшем значе­нии Я смеси и возможно меньшей толщине слоя б. Следователь­но, выравнивание температуры в слое спекаемой смеси может

Осуществляться путем повыше­ния ее плотности любым из из­вестных способов [3, 247].

Для выбора более выгодных способов уплотнения пенооб-

Рис. 5.3. Теплопередача в слое пено­образующей смесн прн стационарном

Режиме g!=g!)

Разующей смеси были рассчитаны значения тепловых пото­ков q н q', воспринимаемых плоскостью х — О (рис. 5.3), при различных значениях Хиб.

Значение 26 при у = 700 кг/м3 (неуплотненное состояние) принято равным 27 мм, что соответствует величине навески, не­обходимой для вспенивания блока пеностекла высотой 100 мм при объемной массе его 200 кг/м3.

В зависимости от степени дисперсности пенообразующей смеси объемная масса ее колеблется в пределах 700— 1000 кг/м3. С - помощью вибрации у смеси может быть повыше­на до 1100—1200 кг/м3. Дальнейшее уплотнение возможно лишь прессованием.

Анализ зависимости q = f(<k/b)At (рис. 5.4) показывает, что тепловая проводимость слоя повышается в 1,5 раза в случае вибрации пенообразующей смеси и в 5,5 раза при сравнитель­но небольшом (15—20 кгс/см2) усилии прессования.

Для выбора оптимальной температурной кривой вспенива­ния 'пеностекла необходимо также проследить за ходом струк­турных изменений, протекающих в спеках и пеностекле. С этой целью равновеликие навески смеси с различной исходной плот­ностью нагревались до 850 °С в металлической форме по за­данной температурной кривой, принятой одинаковой для всех проб (рис. 5.5)

Максимальное значение градиента температуры имеет обра­зец из смеси, уплотненной прессованием, затем по мере умень­
шения плотности смеси величина температурного градиента снижается (рис. 5.5, кривые I, 3). Такая зависимость просле­живается лишь в области температур 20—600 °С. С началом спекания стекла скорость распространения температуры во всех трех образцах почти выравнивается, что связано с после­дующим повышением плотности спеков вибрированной смеси (рис. 5.5, кривая 3) и неуплотненной порошкообразной (рис. 5.5, кривая 1).

Характерно, что температура в центре образца неуплотнен - ной смеси достигает максимального значения (850 °С) к мо­менту завершения процесса вспенивания, что подтверждает наши предположения о ходе процесса вспенивания по схеме, приведенной на рис. 5.1.

По мере повышения исходной плотности смеси интервал температуры вспенивания расширяется. Для смеси, уплотнен­ной вибрацией, он составляет 14 мин, прессованием — 17,5 мин. Для этих кривых характерно отсутствие в начале их изгибов,

Свойственных неуплотненной смеси, которые указывают на на­личие усадочных явлений при спекании.

Таким образом, уплотнение пенообразующей смеси позво­ляет не только сократить продолжительность их нагрева до температуры вспенивания, но и вести процесс вспенивания при более стабильной температуре и в большем временном интер­вале. Это, как вытекает из уравнений (4.41) и (4.42) является наиболее необходимым условием для получения пеностекла с высокой структурно-механической прочностью.

Наиболее сложный характер температурной кривой вспени­вания, очевидно, должен быть на участке нагрева смеси до /шах вспенивания, поскольку в данном случае мы имеем область теплопередачи с нестационарным режимом. Здесь процесс теплопередачи осложнен структурными, и фазовыми превращениями, происходящими по-разному в нагреваемом образце (брикете). Сопоставление экспериментальных данных, полученных при нагревании брикетов пенообразующей смеси с различной исходной плотностью (700—1600 кг/мI3), с данны­ми, полученными расчетным путем, показывает, что скорость нагрева на участке от начала процесса до температуры спека­ния стекла может не регламентироваться. Ее нужно выбирать исходя из возможностей печи вспенивания.

Расчет продолжительности нагрева (т) пенообразующей смеси на этом участке кривой можно вести по основному урав­нению теплопроводности (5.1), учитывающему массу и форму брикета:

ЛТ= ат0е—Dt, (5.1)

Откуда

- 1 (5-2)

D \ AT

Здесь ДТ — (Та—Гб)гі — разность температур печи (Тп) и брикета (Тб) в конце нагрева; ДГ0=(ГП—Т$)х=0 — то же в. на­чале нагрева, т. е. лри и=0; Ті — время, необходимое для на­грева брикета до заданной температуры; —средняя по объему температура брикета. Согласно [86],

D-gr - (б'3)

Где а — коэффициент теплопередачи от печи к брикету; /б — поверхность брикета; Go — его масса; Сб — удельная массовая теплоемкость.

Расхождение в расчетных величинах для брикетов с по­стоянной объемной массой (у =1400 кг/м3) и равной величиной навески (по 4 кг), но с различным значением /б (0,13 и 0,322 м2) составляет не более 13%, что вполне допустимо для практических целей.

Однако, по данным термографического исследования, про­цессы окисления или диссоциации известных газообразовате­лей начинаются при различной температуре, что также связа­но с исходной плотностью пенообразующей смеси. Это обязы­вает нас учитывать отмеченные явления при проектировании температурной кривой. Наиболее предпочтительным следует считать вариант, когда X пенообразующей смеси равна % ее спека. В порошкообразных или. недостаточно уплотненных сме­сях ход температурной кривой должен регламентироваться с учетом усадочных явлений, происходящих в спеке при его фор­мировании, а также активности протекания окислительно-вос­становительного процесса, вызывающего вспенивание. Отсюда характер кривой в интервале температур между началом на­грева смеси и собственно вспенивания должен определяться с учетом данных дифференциально-термического анализа смеси, т. е. степени окисления или диссоциации газообразователя и макроструктуры формирующегося спека (характера развития в нем трещин, их величины и др.). Оценка отмеченных явлений на практике в большинстве случаев производится чисто субъек­тивно, в основном по общему состоянию производства, поэтому в литературе имеются различные данные о характере темпера­турной кривой на участке нагрева пенообразующей смеси [І, 2, 11—13, 20, 26, 33, 36,61,296].

По нашим данным [3, 7, 50, 52, 115], скорость повышения температуры на участке от начала спекания стекла до tmgx вспенивания для смесей с углеродистыми газообразователями в зависимости от состава, дисперсности стекла и вида газо­образователя, его активности, состава газовой среды печи вспе­нивания и ряда других находится в пределах 2,5—12 °С/минш, для нейтральных газообразователей — 8—20 °С/мин.