разное

Анализ результатов изучения заводской технологии и задачи экспериментального исследования

Изучение общего состояния заводской технологии и си­стематизация полученных данных показали, что освоенная ранее в СССР технология производства пеностекла за послед­ние 15—20 лет существенно не изменилась. Широкое распро­странение получил одностадийный способ производства пеностекла в туннельных печах с многоярусной садкой форм.

Обобщение результатов натурных исследований показало, что на конечные свойства пеностекла оказывают влияние, технологические параметры подготовки пенообразующих смесей, их состав и физико-химические свойства, определяе­мые условиями синтеза, теплообмен в дисперсной среде, пироплаешческом спеке и пеностекле на различных стадиях его формирования, динамика фазовых превращений, обуслов­ливаемая изменением реологических свойств расплава и его кристаллизацией, реакции взаимодействия между газообра - зователями и компонентами стекла, условия стабилизации структуры и отжига пеностекла и др.

Так, по данлым различных исследователей, продолжитель­ность подогрева пенообразующей смеси до температуры спе­кания может быть разной. Например, по данным, получен­ным при работе печи с одноярусной садкой форм на заводе «А'втостекло», это время равно 70 мин {13]. Согласно дан­ным чехословацкого патента № 92076 [23], время подогрева до той же температуры (690 °С) составляет 15 мин, а по дан­ным патента США № 2544954 [24], подогрев до 760 °С и по­следующее спекание в интервале 760—880 °С производятся в течение 40 мин. Э. О. Шульц [25] подогрев смеси произво­дил в интервале 600—680 °С в течение 2 ч, но в работе [2] приводятся данные со ссылкой на Э. О. Шульца, по которым это время составляет 15 мин.

Приближенные расчеты [26] показывают, что продолжи­тельность этой стадии в случае спекания брикетов размером 5X5X2,8 см составляет около 15 мин, а по данным авторов [5, 11], анализирующих работу промышленных установок с многоярусной садкой форм, продолжительность подогрева порошкообразной пенообразующей смеси до 700 °С составля­ет 2—3 ч.

Так как равномерное вспенивание наступает после полного спекания стекла, рекомендуется поддерживать температуру спекания ниже температуры вспенивания до тех пор, пока вся масса не только полностью спечется, но и равномерно про­греется [1, 3]. В это время в печи (при .использовании углерод - содержащих газообразователей) необходимо поддерживать восстановительную среду, чтобы избежать преждевременного выгорания газообразователя и чрезмерного остекловывания поверхности спека [1, 11]. Для этого можно использовать С'О-содержащие дымовые газы [27] или вспенивание прово­дить в плотно закрытых формах.

Наиболее чувствительным параметром при вспенивания является температура. Расчеты, выполненные Л. С. Эйгенсо - ном и Т. И. Белобородовой [28, 29], также подтверждают необходимость поддержания стабильного температурного ре­жима в печи в момент вспенивания. Для того чтобы вспенива­ние происходило равномерно по всей высоте 'блока (это необхо­димо для создания равномерной структуры), Ф. Шилл [30] рекомендует форму нагревать больше снизу, чем сверху, что вызвано разницей в гидростатическом давлении столба сили­катного расплава по высоте формы [1]. Следовательно, тепло­вые агрегаты, используемые для термообработки пенообразу­ющей смеси независимо от состава стекла, должны обеспечи­вать требуемую изотермию рабочего объема на всех техноло­гических стадиях и гибкую управляемость температурным и гидравлическим режимами.

Длительный опыт эксплуатации в СССР различных по кон­струкции и принципу работы технологических линий пока­зал, что технико-экономические показатели их работы также различить На данном этапе развития производства пеностек­ла пока наиболее рентабельными и обеспечивающими выпуск продукции высокого качества являются установки, оснащен­ные печами с одноярусной садкой форм, где процессы вспени­вания и отжига изделий (блоков) протекают в самостоятель­ных тепловых агрегатах. Преимущество печи с одноярусной садкой форм состоит еще и в том, что конструкция ее позво­ляет более точно регулировать температуру в рабочем канале, в связи с чем могут быть снижены требования к свойствам стекла, главным образом по вязкости. Расширение темпера­турного интервала «рабочей» вязкости стекла перспективно для развития производства пеностекла в целом, так как это дает возможность использовать для синтеза стекол дешевое и недефицитное сырье, являющееся отходом ряда производств.

На основе анализа состояния производства и проведенных нами натурных исследований различных схем получения пеностекла установлено, что факторы, от которых зависят ко­нечные свойства пеностекла, обобщенно можно представить четырьмя основными группами:

1) определяемые составом и свойствами исходных компо­нентов;

2} относящиеся к условиям синтеза пенообразующих смесей;

3) определяемые явлениями теплообмена в среде перемен­ного состава и течения силикатного расплава (спеков пенооб - разующей смеси);

4) зависящие от условий стабилизации ячеистой структу­ры й отжига пеностекла.

Каждая группа этих факторов характеризуется рядом особенностей, которые тесно связаны с конечными свойствами пеностекла. Наиболее изучены факторы 1-й и 4-й групп, кото­рые затрагиваются в большинстве работ по технологии пено­стекла [31—35]. Работы, посвященные синтезу пенообразую­щих смесей, явлениям теплообмена и течения силикатного расплава, в литературе практически отсутствуют. Не сформу­лированы также теоретические предпосылки, необходимые для обоснования принципов формования пеностекла, в результате чего этот важный этап в технологии пеностекла до настоящего времени практически не решен.

Исследования, посвященные разработке и выбору способов синтеза дисперсных силикатных систем, пригодных для полу­чения различных видов пеностекла, противоречивы. Это под­тверждается различием технологических схем, принятых на предприятиях для диспергирования стекол, и показателями свойств пенообразующих смесей, используемых в производ­стве (см. табл. 2). Между тем диспергирование стекол и газо - образователя в сочетании с их одновременным усреднением является важным этапом порошковой технологии производ­ства пеностекла, который специально не изучался. Имеющиеся в литературе сведения по кинетике диспергирования различ­ных материалов [1, 36—44] указывают на возможность уско­рения данного процесса, но приведенные рекомендации отно­сятся в основном к диспергированию кристаллических матери­алов [41—44], структура и свойства которых существенно •тличаются от силикатных стекол.

Следует также отметить, что применение поверхностно - активных веществ (ПАВ) при использовании «эффекта Ре - биндера» может повлиять на свойства пеностекла, но имею­щиеся по этому вопросу данные также противоречивы. Так, присутствие в пенообразующей смеси воды, являющейся од­ним из наиболее активных поверхностно-активных веществ, по мнению Ф. Шилла [1], способствует более равномерному рас­пределению газообразователя, что не согласуется с данными М. Маринова об ухудшении свойств пеностекла при исполь­зовании увлажненной пенообразующей смеси.

Предварительные результаты, полученные нами при дис­пергировании стекол в жидких средах (№=35%), указывают на возможность не только ускорения этого процесса, но и снижения вязкости спеков в области температур вспенивания пеностекла [3]. Поэтому исследование влияния условий син­теза пенообразующих смесей и взаимосвязи их с процессом вспенивания позволит получить данные для выбора оптималь­ных технологических схем подготовки гранулята стекла и по - нообразующих смесей при производстве пеностекла.

Необходимо также уточнить степень влияния кристалличе­ской фазы на формирование и развитие структуры пеностекла и его свойства. Согласно И. И. Китайгородскому и Т. Л. Шир - кевич [45], образование мелкокристаллической структуры в расплаве во время вспенивания не препятствует получению пеностекла с равномерными мелкими и замкнутыми ячейками. Не обнаружены отклонения в развитии структуры пеностекла Р. Л. Шустер и Т. П. Поляковой [46], хотя полученное ими пеностекло не отличалось высоким качеством. В ряде работ [36, 47], посвященных изучению кинетики формирования и развития структуры пеностекла, вопросы о роли кристаллиза­ции стекла вообще не рассматриваются. В то же время в рабо­тах 3. Червинского [48, 49], Ф. Шилла [14], Н. ГІ. Садченко [50] кристаллизация стекла рассматривается как отрицатель­ное явление, влияющее не только на изменение свойств конеч­ного продукта — пеностекла, но и тормозящее плавное и рав­номерное вспенивание. Э. 3. Житомирская [51] также одной из основных причин высокого водопоглоіцения пеностекла считает кристаллизацию исходного стекла. Поэтому Ф. Шилл [1] предлагает вводить в пенообразующую смесь добавки, тормозящие рост кристаллов или «подавляющие» кристалли­зацию. на поверхности частиц стекла.

Согласно литературным данным, кристаллическая фаза оказывает двоякое влияние на процесс формирования пено­стекла: на стадии вспенивания тормозит равномерное разви­тие ячеек [52—54], на стадии стабилизации повышает струк­турно-механическую прочность пиропластической пены [55— 58]. Однако в первом и во втором случаях в рассмотренных работах отсутствуют данные о согласованности физико-хими­ческих параметров стекла и возникшей кристаллической фазы. В связи с этим вопросы кинетики вспенивания смесей на основе стекол, по-разному предрасположенных к кристал­лизации, а также формирование физических свойств пеностек­ла в зависимости от условий его синтеза являются недостаточ­но изученными и требуют некоторого уточнения.

Нет также единого мнения о влиянии водяных паров на процесс вспенивания. Если П. Бойерсдорфер [2] отводит водя­ным парам роль фактора, изменяющего химизм процесса 'газообразования в пенообразующей смеси при ее нагревании, то в работе [59] указывается на изменение скорости ценооб­разования.

Из изложенного видно, что процессы, протекающие при синтезе дисперсных систем на основе силикатных стекол и газообразователей, изучены недостаточно. Более полное и углубленное исследование их весьма необходимо для решения задач при проектировании составов пенообразующих смесей, способов и схем для их получения, режимов вспенивания пено­стекла.

Исследование механизма вспенивания пеностекла [52, 60] показывает, что ему присущи черты, являющиеся общими для всех гетерогенных пиропластических материалов. В основе его лежит процесс капсуляции частиц газообразователя и по­следующий рост образовавшихся микропор, обусловленный химизмом реакций газообразования, фазовыми превращения­ми, вязкостью поверхностным натяжением жидкой фазы и дав­лением газов, замкнутых в ячейках. Однако результаты ряда исследований носят противоречивый или неполный характер. Это относится в первую очередь к вопросу о вероятности реак­ций газообразования [I, 2, 61—65]. Так, существует мнение о том [64], что в целях повышения содержания активного кисло­рода, необходимого при вспенивании, требуется наряду с под­держанием оптимального содержания в стекле S03 дополни­тельно вводить в пенообразующую смесь добавки других окис­лителей, например AS2O3, Sb203 и др., которые стимулируют процесс вспенивания. В то же время в другой работе [62] отмечается, что в пенообразующую смесь не следует вводить никаких окислителей, если стекло содержит достаточное коли­чество трехокиси серы (0,1—0,2%).

Ф. Шилл [1] отмечает, что добавка 0,2—0,3% Sb203 или 0,1—0,12,% CaS04-2H20 практически не влияет на процесс вспенивания и качество пеностекла. Автор указывает на боль­шое влияние водяных паров в смеси, которые при высокой температуре в присутствии углерода взаимодействуют, обра­зуя водяной газ, являющийся исходным продуктом для обра­зования H2S. При этом не отрицаются непосредственное окис­ление углерода кислородом, содержащимся в атмосфере печи, и обратимые реакции между углеродом и продуктами реакции, прежде всего Со и Н2.

Э, О. Шульц [63] утверждает, что решающим условием при вспенивании является не только наличие в - стекле необхо­димого количества S03, но и присутствие водяных паров, по­скольку сероводород, являющийся основным компонентом га­зовой фазы при вспенивании, образуется из SO3 и водяных паров. По его мнению, образование сероводорода при малом парциальном давлении водяных паров может приостановиться даже при наличии SO3 и газообразователя. Таким образом, видно, что имеющиеся в литературе схемы окислительно-вос - становительных реакций недостаточно подтверждены количе­ственным анализом или термодинамическими расчетами.

Исследование раздельного и комплексного влияния этих факторов на процесс формирования и развития структуры пе­ностекла показало, что их многочисленность и различный ха­рактер действия не позволяют выбрать какой-либо один фак­тор, являющийся ведущим, так как причины и направления изменения свойств пеностекла при действии одного и того же фактора могут быть различны. Например, пеностекло с раз­личной структурно-механической прочностью может быть получено из пенообразующей смеси одного и того же состава лишь при изменении температурно-временного режима вспе­нивания (см. рис. 1.3 и 1.9).

Из изложенного следует, что между физико-химическими свойствами пеностекла и технологическими параметрами его получения существует тесная взаимосвязь. Поэтому представ­ляется целесообразным построение математической модели окислительно-восстановительного и пенообразующего процес­сов в системе «стекло — углерод» с целью количественной оценки взаимосвязи «режим — свойства», что позволит в вы­бранной системе проектировать свойства пеностекла при опре­деленных изменениях в технологии его прозводства. Следова­тельно, одной из задач настоящей работы должно быть иссле­дование взаимосвязи между составом, условиями синтеза и структурой пеностекла на основе углеродсодержащих пенооб­разующих смесей.

Получение высокоразвитой структуры пеностекла пред­ставляет собой комплексный процесс, в котором тесно пере­плетаются явления теплообмена и течения силикатного рас­плава. В основе его лежат процессы образования адсорбцион­ного слоя [55, 56, 66—79], изменение реологических свойств в связи с кристаллизацией расплава в присутствии инородных дисперсных веществ [56, 69, 76, 80—84]. тепловые эффекты реакций между газообразователем и стекломассой [7, 65] и др. Поэтому потребность в расчете процесса формования пе­ностекла или хотя бы в его теоретическом осмысливании совершенно очевидна. И создание даже приближенной теории, бесспорно, имело бы практическое и научное значение.

Несмотря на то что отжиг отдельной поры в пеностекле в связи с незначительной толщиной ее стенок должен протекать за короткое время, блок пеностекла с технологической точки зрения следует рассматривать как компактное целое, и на­пряжения, возникающие из-за перепадов температур между поверхностными и внутренними частями, можно отожде­ствлять с напряжениями в массивном стекле [1]. Но, согласно данным Т. Н. Кешишяна [16, 20], пеностекло является мате­риалом с особой неоднородной структурой, содержащим газо­вую, стекловидную и некоторую долю кристаллической фазы. Это обстоятельство в значительной мере осложняет процесс отжига изделий из пеностекла. Из-за отсутствия методов коли­чественной оценки напряжений в пеностекле и данных* о его свойствах в интервале температуры отжига, необходимых для определения скорости охлаждения изделий из пеностекла, расчет скорости отжига рекомендуется вести по известной формуле А. Н. Даувальтера [84]. Вместе с тем многими иссле­дователями [1, 3, 7, 12, 13, 26, 50] приводятся различные дан­ные о скорости отжига пеностекла, согласно которым характер кривой для равновеликих изделий различен. Отсюда воз­никает необходимость уточнения ряда теплофизических и тер­момеханических свойств пеностекла в этой температурной об­ласти.

В своих первых работах по пеностеклу И. И. Китайгород­ский [85], Л. М. Бутт [11], Ф. Шилл [14, 86] и другие исполь­зовали стекло оконного состава. На стадии первоначальных разработок предполагалось, что производство пеностекла вполне удовлетворительно может развиваться на базе отходов стекольной промышленности, которая действительно распола­гает большим количеством отходов стекла. Первые попытки обеспечить производство пеностекла отходами стекла требуе­мой кондиции показали несостоятельность такого решения. Всестороннее изучение технологии и экономики производства пеностекла на базе отходов стекла позволило прийти к мнению о том, что для получения пеностекла высокого качества тре­буется специально сваренное стекло [1, 3, 50].

В СССР для производства пеностекла используют алюмо - магнезиальный состав стекла, содержащий 2—3% А1203 (табл. 2. 4), которая вводится техническим глиноземом или полевым шпатом. Близкими по поставу являются стекла, при­меняемые для производства пеностекла в Чехословакии [1, 87], ГДР [12], Польше [88], Индии [89], Франции [90], Англии [91] и других странах. Для синтеза этих стекол приме­няется дефицитное щелочесодержащее сырье, что значительно сдерживает развитие объема производства и является эконо­мически неоправданным.

Анализ состояния вопроса по синтезу стекол показывает, что многие исследователи пытаются синтезировать стекла в системах S і 02—А1203—F203—Mg О—С аО—R20 и Si02— А120з—В20з—MgO—СаО—R20. Поскольку стекло должно быть дешевым и недефицитным, то можно отметить, что алю - моборосиликагные стекла уступают алюмомагнезиальным. Учитывая, однако, возможность получения высококачествен­ного пеностекла на основе алюмоборосиликатных стекол и сокращения продолжительности его отжига, применение их в ряде случаев можно считать экономически целесообразным. Боросиликатные стекла выгодно применять и в том случае; когда для синтеза их можно использовать сырье, являющееся отходами производства.

Анализ литературных данных [3] показал, что проблема создания надежной сырьевой базы для пеностекла, обеспечи­вающей развитие производства его в каждом экономическом районе страны, длительное время решалась без достаточного экономического обоснования и учета перспективы материала. Частные решения этого вопроса, приводимые в ряде работ [36, 57, 60, 68, 92—110], свидетельствуют о том, что пеностекло до последнего времени рассматривалось как теплоизоляцион­ный материал, обладающий прочностью, достаточной лишь для устройства изоляционных конструкций. Это ограничивало дальнейшее развитие производства. В работах последних лет [3, 52, 111, 112] доказана возможность использования пено­стекла для изготовления самонесущих строительных конструк­ций, в результате чего стоимость пеностекла с учетом толщины конструкции становится ниже, чем при использовании таких традиционных материалов, как газосиликат, газобетон, мине - раловатные плиты и др. [3, 17].

Следующим не менее существенным недостатком в иссле­дованиях по синтезу стекол явилось стремление снизить себе­стоимость пеностекла главным образом за счет удешевления сырьевой базы [92, 95, 97—103, 113, 114]. Как видно из работ Ф. Шилла [1, 14], М. И. Бережковской [17] и выполненных нами [3, 7, 50, 52, 115], решающим фактором в снижении стоимости пеностекла является экономия, получаемая не за счет стоимости сырья (в общем балансе она составляет лишь 8—10%), а за счет развития объемов производства пеностекла. В этом случае в общий баланс входит также экономия за счет электроэнергии, заработной платы, снижения удельных капи­таловложений на создание новых мощностей (рис. 1. 19).

Возможность получения пеностекла на основе дешевого щелочесодержащего сырья или горных пород доказана многи­ми советскими [12, 36, 52, 57, 58, 60, 65, 68, 92, 93, 96—104, П6, 117] и зарубежными исследователями [8, 14, 95, 105—110, 113]. Однако результаты исследований в большинстве случаев

3. Зак. 1463

Не были доведены до промышленного внедрения, что не по - • зволяло провести испытания новых составов стекол в заводских условиях. Этим также можно объяснить отсутствие единого мнения по вопросу об оптимальном составе стекла [1,3, 45, 57, 118—126].

Для решени» этой задачи требуется уточнить ряд вопросов, которые пока остаются спорными. Одним из них является вопрос о влиянии модифицирующих окислов на свойства высо­коглиноземистых стекол, главным образом на кристаллизацию [1, 3, 12, 45, 46, 52, 60, 61, 64, 68, 85, 98, 103, 127—132]. Так, если влияние суммы СаО и MgO и их взаимного соотношения к а кристаллизацию стекол достаточно изучено при содержа­нии А120з в стекле до 10% [ 12Т— 129, 131—137], то при боль­ших ее значениях (10—20%) роль суммы RO изучена недоста­точно [3, 12, 14, 52, 68, 92, 98, 115, 138]. Нет также в литературе однозначного ответа на вопрос об оптимальной величине MgO в высокоглиноземистом стекле. Имеющиеся по этому вопросу данные [1, 3, 12, 36, 61, 68, 88, 92, 105—109, 115, 139—141] не­достаточны и противоречивы так же, как и данные о влиянии кристаллизации стекол на вспенивание пеностекла [1, 3, 12, 50, 55, 57, 61, 68, 88, 92, 115, 142—145].

В стеклах с повышенным содержанием окислов железа и алюминия кристаллизационные свойства изучались примени­тельно к технологии производства стеклотары [127, 132, 135, 140, 146, 147) или оиталлов [127, 132-134, 140, 148—150].

Учитывая неодинаковое влияние кристаллической фазы на различные технологические процессы, этот вопрос должен быть изучен дополнительно. Окончательно не выяснено, за счет каких окислов в высокоглиноземистых стеклах может вводить­ся А1203. Предполагают [1, 135, 136, 139, 151—162], что А1203 может вводиться за счет Si02 или частичной замены RO.

И наконец, недостаточно изучено влияние щелочей разной природы (Na20, К20). Если А. Ю. Каплан [135, 152] и А. К - Калечиц [163] считают, что N20, введенная взамен SiOa или RO, усиливает расстекловывание высокоглиноземистых стекол, то О. В. Мазуриным с соавторами [162] обнаружены аномалии в выоокоглиноземистой части системы, особенна когда в стекле присутствуют щелочи разной природы (ЬігО, Na20, КгО). Относительно щелочей в высокоглиноземистом стекле, очевидно, необходимо уточнить вопрос и о их коли­честве, что до некоторой степени пока решается чисто субъек­тивно и без учета выявленных новых возможностей самой тех­нологии.

В связи с тем что в многокомпонентной системе подчас не­возможно выявить истинное влияние отдельных окислов на свойства стекла, представляется целесообразным разработать и построить математическую модель, позволяющую по задан­ным значениям тех или иных свойств стекол ранжировать окислы, входящие в исследуемую систему. Располагая такой информацией, можно оптимизировать искомую область соста­вов в принятой для исследований системе.

Значительный интерес для дальнейшего снижения стоимо­сти* пеностекла представляет разработка технологии получе­ния его на конвейерных линиях top и непрерывном вспенивании ленты. Такой способ производства позволил бы решить наи­более актуальные проблемы, встречающиеся в современной технологии. Успешному решению этих вопросов будет способ­ствовать разработка математических моделей окислительно - восстановительного и пенообразующего процессов, позволяю­щих количественно определить ранговую значимость факто­ров, участвующих в процессе получения пеностекла.

Для разработки принципов формования ленты пеностекла необходимы также сведения о структурных изменениях и де­формационно-упругих характеристиках пиропластического пеностекла. Постановка исследований в таком аспекте необхо­дима не только для повышения качества пеностекла и сниже­ния стоимости теплоизоляционного пеностекла, но и для со­здания новых его разновидностей.

Проведенный нами анализ современного состояния завод­ской технологии и литературных данных указывает на необхо­димость более глубокого и детального изучения ряда явлений, встречающихся в рассматриваемой технологии.