разное

Кинетика процесса вспенивания пеностекла в присутствии воды

Отмеченное нами выше понижение температуры вспенива­ния пеностекла в присутствии гидратной воды (рис. 3.10) оценено лишь качественно. При этом снижение температуры связывалось с уменьшением вязкости расплава за счет встраи­вания в структурную сетку стекла ионов (ОН)~, которые разрывают непрерывную цепь ее на отдельные звенья. Если допустить, что вода реагирует со связью Si—О—Si, образуя две связи Si—ОН, то пространственная сетка стекла с увели­чением содержания в нем гидроксильных групп окажется свя­занной менее прочно. Значит, существует взаимосвязь между концентрацией связанной воды в стекле и его вязкостью, кото­рую можно использовать в качестве критерия для количест­венной оценки влияния степени гидратации стекла на процесс вспенивания пеностекла.

В работах М. П. Воларовича с соавторами [232—234], С. П. Каменецкого [235], А. В. Жукова с соавторами [236, 237], И. Н. Явица [238—241] и других, где рассматриваются вопросы о влиянии газов (НгО, SO*;, F) на вспучивание расплавов горных пород, также отмечается уменьшение вяз­кости расплавов и повышение их текучести в результате дей­ствия проходящих через них водяных паров и некоторых дру­гих газов. Причем в наибольшей степени это относится к вязкости в низкотемпературной области (до 1000 °С).

Нами проанализировано влияние газовой атмосферы и связанной воды на скорость спекания и вспенивания пенооб­разующих смесей, приготовленных «сухим» и «мокрым» спо­собами на основе стекла 2Н (эталон), высокоглиноземистого 6Н [3] и алюмоборосиликатного [242]. Составы и свойства стекол приведены в табл. 6 и 7. В качестве газообразователей были использованы наиболее изученные: кокс—2%; антра­цит— 1,7; активная газовая сажа марки ДГ 100—0,3%.

В ходе эксперимента определялись вязкость плотных сте­кол и спеков, полученных из таблеток дисперсного стекла с удельной поверхностью 6000 сл2/г с добавкой газообразова­теля, и коэффициент вспенивания (Kv), выражающий отно­шение высоты вспененного образца (АН + Н) к его первона­чальной высоте (Н).

При определении коэффициента вспенивания пробы пено­образующей смеси по 10 г уплотнялись в тигле под нагрузкой

Примечание. Кристаллизация при температуре до 1000°С у всех сте­кол не обнаружена.

100 г/см2 для достижения равной степени уплотнения. Опыты проводились на установке (рис. 3.11), позволяющей изменять температурный и газовый режимы в зависимости от условий эксперимента. Чтобы исключить влияние примесей металли­ческого железа на изменение процесса вспенивания (рис.

3.12), пенообразующие смеси готовились по одному и тому же режиму в шаровой мельнице с постоянными параметрами работы. Для определения вязкости спеков готовились таблет­ки диаметром 20 мм и высотой 6 мм при давлении прессова­ния 1000 кгс/см2. Объемная масса их после прессования рав­на 1,6 г/см3.

На примере пенообразующей смеси из стекла 2Н и антра­цита показано (рис. 3.12, а), как металлическое железо, обыч-

Рис. 3.11. Схема модернизированной уста­новки для изучения кинетики процесса вспе­нивания [50]: 1 — форма для вспенивания; 2 — индикатор; 3 — линейка; 4 — корпус печи; 5 — патрубок для регулирования ат­мосферы печи; 6— пробка из изоляционно­го материала; 7—нагреватели

Но присутствующее в пенообразующей смеси, снижает коэф­фициент объемного вспенивания, что свидетельствует об отрицательном действии металлического железа (очевидно, и других твердых частиц) на текучесть силикатного расплава.

Наименьшей чувствительностью к действию окислитель* ной среды (воздуха) обладают смеси, у которых в качестве газообразователя применен кокс (рис. 3.13, в). Очевидно, это
связано с пониженной реакционной способностью кокса по сравнению с антрацитом (рис. 3.13, а, г) и тем более с актив­ной газовой сажей (рис. 3. 13, б), которая в окислительной атмосфере в условиях данного эксперимента почти полностью выгорает (рис. 3.13, б, кривая /).

Учитывая большое влияние окислительной атмосферы на кинетику вспенивания, газовые смеси, содержащие водяные пары и предназначенные для выяснения «х роли в процессе вспенивания, готовились на основе азота.

С повышением содержания водяных паров в. атмосфере печи наблюдалось снижение температуры начала усадки пенообразующей смеси и температуры начала вспенивания и некоторое уменьшение усадки, предшествующей вспениванию (рис. 3.13). Если снижение температуры начала усадки пено­образующей омеси можно объяснить понижением вязкости стекла в атмосфере водяных паров, то последующие явления связаны, несомненно, со сдвигом температуры начала реак­ций ценообразования в присутствии водяных паров в область более низких ее значений, а также непосредственным участи­ем НгО в окислительно-восстановительных реакциях, вызы­вающих образование H2S и усиление процесса вспенивания пеностекла. Процесс вспенивания еще больше усиливается в присутствии адсорбированной молекулярной воды или в виде гидроксильной группы. Незначительное количество ее (0,12%) снижает температуру спекания пенообразующей смеси на 25—30 °С и температуру максимума вспенивания, что подтверждается как ходом кривых, характеризующих кинетику данного процесса (рис. 3.13, кривые 6—8), так и сдвигом кривых вязкости спеков в область более низких зна­чений температуры.

Сравнение кривых скорости вспенивания смесей на основе стекол с различной величиной градиента вязкости (Algri) показывает, что алюмоборосиликатное стекло 12 (см. табл. 6), имеющее в температурном интервале 750—850°С, Algr]—1,95 и более высокое значение Гн. д (585 °С), вспенивается значи­тельно быстрее (рис. 3.13, а, кривые /, 2), чем смесь на основе стекла 2Н, для которого Algri = 1,39 и Гн. д—540 °С (рис. 3.13, г, кривые 1, 2). Существенных различий в скорости вспенивания пеностекла на основе гидратированных стекол различных составов (12 и 2Н) не обнаружено (рис. 3.13, а, г, кривая 6), но в присутствии различных газообразователей (антрацит, сажа) процесс вспенивания активизируется с уве­личением их дисперсности (рис. 3.13, а, б, кривые 6, 7).

Для выяснения роли водяных паров в процессе вспенива­ния пеностекла было получено стекло, в котором углерод находился в коллоидном виде (варка стекла с 5% антрацита в печи с "восстановительной атмосферой). Это стекло (состав 2Н) было смолото без добавок газообразователя до удель­ной поверхности 6000 см2/г и после тщательного высушивания подвергнуто термообработке по аналогичному режиму при максимальной температуре вспенивания 825 °С. Если исхо­дить из предположения, что для вспенивания не требуются водяные пары, то в приготовленном описанным выше спосо­бом порошке стекла имеются все компоненты, необходимые ДЛЯ беспрепятственного протекания процесса вспенивания — кремнезем, сульфат натрия и коллоидный углерод.

Результаты эксперимента показали (см. рис. 3.12, б), что коэффициент вспенивания такого порошка отличается незна­чительной величиной независимо от содержания кислорода в атмосфере печи (кривые 1, 2), а температура начала вспени­вания смещена в область более высоких значений по сравне­нию с традиционными углеродсодержащими пенообразующи - ми смесями. С введением водяных паров в атмосферу печи при термообработке порошка стекла, сваренного с добавкой 5% углерода, снижается температура начала вспенивания и значительно увеличивается коэффициент вспенивания (кри­вая 3), что подтверждает существенное влияние водяных па­ров на ход реакций пенообразования. Помол такого стекла в водной среде до равнозначной степени дисперсности еще боль­ше усиливает вспенивание (рис. 3.13, г, кривая 6).

Исследование кинетики процесса вспенивания пеностекла (рис. 3.12 и 3.13) показало, что изменение состава атмосферы, в которой протекает процесс термообработки пенообразую­щей смеси, приводит к изменению скорости процесса вспени­вания пеностекла. Кроме того, на скорость спекания частиц стекол рассматриваемых составов и образования ими капсул вокруг зерен газообразователя оказывают влияние также удельная поверхность частиц исходных пенообразующих сме­сей (стекла и газообразователя), величина поверхности кон­такта между частицами и среднее расстояние между поверх­ностями соседних частиц, температура начала размягчения стекла [243—245], концентрация окислительного компонента в исходном стекле [50, 246].

Изменение парциального давления водяного пара влияет не только на вязкость и поверхностное натяжение исходного стекла [232, 235, 236, 246, 247], но и на температуру начала реакций газообразования, причем увеличение парциального давления водяных паров сдвигает начало процесса пенообра­зования в сторону более низких температур. Влияние водяных паров на кинетику процесса пенообразования рассматривал К - Ханке [248], который также установил, что образование пузырей в пиропластическом силикатном расплаве зависит от парциального давления паров воды при наличии S03 в рас­плаве и согласуется с данными работ [7, 59], в соответствии с которыми процесс вспенивания в атмосфере с парциальным давлением водяных паров 200—760 мм рт. ст. может быть ускорен.

Вывод о положительном влиянии связанной воды (адсор­бированной или гидроксильных групп) ня вязкость стекол и пиропластических спеков пенообразующих смесей в низкотем­пературной области приведен в работах [1, 68, 120, 232, 235, 236, 249, 250], однако авторами не освещается взаимосвязь между составом пенообразующей смеси, ее свойствами и ко­
личеством связанной воды и совместное влияние данных фак­торов на процессы газо - и ценообразования, определяющие кинетику процесса вспенивания пеностекла. С другой сторо­ны, характерной особенностью большинства исследований в этой области является лишь качественная оценка процесса вспенивания, тогда как для выбора оптимального технологи­ческого режима производства пеностекла необходима количе­ственная характеристика процессов газо - и ценообразования.

Выполненное нами исследование позволяет количественно оценить влияние состава газовой атмосферы печи или связан­ной воды в исходном стекле на вязкость спеков и кинетику процесса вспенивания в зависимости от вида газообразовате­ля, его дисперсности, состава стекла и градиента вязкости. На примере трех стекол (2Н, 6Н и 12), представляющих наи­больший интерес для производства рассматриваемых видов пеностекла, показано (рис. 3.14 и 3.15), что введение в стекло даже десятых долей процента связанной воды снижает вяз­кость спеков пенообразующей смеси в области температуры спекания стекла и вспенивания пеностекла (740—840 °С) в

2,5—4 раза. Наклон кривых вязкости lgr| = f(^) к темпера­турной оси для спеков в отмеченной температурной зоне умень­шается по мере увеличения в исходном стекле количества связанной воды, что указывает на уменьшение градиента вязкости и соответственно увеличение «длины» силикатного расплава. Выявленная закономерность изменения вязкости спеков находит подтверждение в работе J1. И. Корчемкина [251], в которой приведены данные о влиянии «влажности» на вязкость стекол системы Na20—Si02 (рис. 3.16).

Нами установлено, что уменьшение градиента вязкости спеков пенообра­зующих смесей способствует формиро­ванию структуры и пеностекла с мини­мальным количеством дефектов и бо­лее высокими структурно-механически­ми характеристиками. Активность про-

Цесса вспенивания снижается от введения в пенообразующую смесь примесей металлического железа. Это позволяет пред­положить, что при введении железа в смесь не происходит экзотермических реакций, как отмечается в работах [12, 65], а лишь увеличивается вязкость пиропластичестх спеков, что согласуется с данными Д. Стенли [252], установившего уве­личение вязкости двуокиси кремния при введении частиц воль­фрама.