CC BY
80УДК 666.766:622.367
В.А. ЛОТОВ, д-р техн. наук, В.А. КУТУГИН, канд. техн. наук (kutugin@tpu.ru)
Томский политехнический университет (634050,Томск, пр-т Ленина, 30)
Использование термической поризации смесей при получении плит из вспученного вермикулита
Предложен способ изготовления плит из вспученного вермикулита и натриевого жидкого стекла, включающий термическую поризацию смеси в форме замкнутого объема. В результате реализации такого способа в изделии формируется вспененная матрица из жидкостекольной связки, скрепляющая частицы вспученного вермикулита. Изделия, полученные по разработанной технологии, существенно легче и прочнее, а сам технологический процесс короче.
Ключевые слова: вспученный вермикулит, технология вермикулитовых плит, огнеупорные теплоизоляционные материалы.
V.A.LOTOV, Doctor of Sciences (Engineering), V.A. KUTUGIN, Candidate of Sciences (Engineering) (kutugin@tpu.ru), Tomsk Polytechnic University (30,av. Lenin, Tomsk, 634050, Russian Federation)
Use of Thermal Porization of Mixtures When Obtaining Plates from Exfoliated Vermiculite
A method of manufacturing plates from exfoliated vermiculite and liquid sodium glass, when thermal porization of mixture in a closed volume is offered. As a result of the implementation of this method in the product matrix of sodium silicate foam is formed by ligaments, internal particles of exfoliated vermiculite. Products obtained by the developed technology is significantly lighter and stronger, and the manufacturing process shorter. Keywords: exfoliated vermiculite, vermiculite plates technology, fire-resistant insulation materials
Вермикулит является природным алюмосиликат-ным материалом, обладающим уникальной способностью вспучиваться при резком нагреве и образовывать высокопористые агрегаты с насыпной плотностью 100— 200 кг/м3.
Вспученный вермикулит используют для устройства огнезащитных, тепло- и звукоизоляционных засыпок, а также в качестве заполнителя легких бетонов и штукатурных растворов.
В теплоэнергетике наиболее широко вспученный вермикулит применяется при производстве жестких плит толщиной от 20 до 65 мм и заданными геометрическими формой и размерами [1].
Технологический процесс изготовления вермикулитовых плит слагается из трех основных стадий: приготовление исходной формовочной смеси; придание этой смеси заданной формы методом прессования; сушка отформованных изделий.
Детальный анализ стадий технологического процесса позволяет выявить ряд недостатков, присущих существующим технологиям производства плит. При приготовлении формовочной смеси в качестве связующего компонента используется натриевое жидкое стекло с модулем 2,8—3,2. Высокие адгезионные свойства и эко-логичность жидкого стекла обусловливают его широкое использование в технологии производства вермикулитовых плит. Вместе с тем основным недостатком жидкого стекла как связующего, является достаточно медленная скорость его отвердевания которая интенсифицируется путем удаления свободной и молекулярной воды из жидкого стекла при тепловой сушке.
Для интенсификации процессов сушки и твердения изделий широко используется предварительный нагрев формовочной смеси до температуры 160—190оС и горячее прессование изделий. Использование такого способа связано с возникновением проблемы налипания формовочной смеси на рабочие органы смесителей и прессов.
Некоторыми исследователями для ускорения процесса твердения жидкого стекла предлагается вводить в состав формовочной смеси триполифосфат щелочного металла, а также каолин, мел, тонкомолотый доломит [2, 3]. Основным недостатком такого способа является резкое снижение клеящей способности жидкого стекла при введении в него даже небольших количеств солей
или тонкодисперсных порошков. Как правило, введение солей сопровождается образованием геля с низкими адгезионными свойствами, а при введении тонкодисперсных порошков в количестве более 7% происходит разрушение жидкого стекла [4].
К числу основных недостатков жидкого стекла как связующего можно отнести то, что готовые изделия обладают низкой водостойкостью, которая обусловлена способностью ксерогелевой связки из жидкого стекла в составе изделий растворяться в воде.
Для повышения водостойкости изделий наиболее эффективно использование кремнефторида натрия [5], при взаимодействии которого с жидким стеклом образуется кремнегель 81(ОИ)4. Особенностью этой реакции является то, что образующийся кремнегель обладает вяз-копластичными свойствами и хорошими связующими свойствами и после высыхания не растворяется в воде, в результате чего вермикулитовые изделия приобретают хорошую водостойкость. Основным недостатком использования в качестве отвердителя кремнефторида натрия является образование фторида натрия, который относится к группе веществ второго класса опасности.
Вторым существенным недостатком существующей технологии является использование метода прессования при изготовлении вермикулитовых плит. При сжатии формовочной смеси в пресс-форме происходит уплотнение не только смеси, но и отдельных зерен вермикулита, в результате чего ухудшаются теплофизические свойства как отдельных зерен, так и всего изделия. Например, при прессовании плит из вермикулита с насыпной плотностью 100 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности 0,064 Вт/м.К, получают изделия с плотностью 600 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности до 0,13 Вт/м.К. Этот пример наводит на мысль о необходимости использования других способов придания заданной формы и размеров при изготовлении изделий из вспученного вермикулита.
Сушка сформованных изделий является заключительной стадией изготовления вермикулитовых плит и осуществляется в течение 10—15 ч. Столь низкая скорость сушки обусловлена спецификой свойств жидкого стекла, из которого вода, содержащаяся в количестве 40—50 мас. %, удаляется исключительно по диффузионному механизму. Стремление увеличить скорость сушки за счет повышения температуры теплоносителя (горя-
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
май 2015
89
Результаты научных исследований
а - структура изделий, полученных без приложения давления; б - структура изделий, полученных при небольшом давлении прессования; в - структура изделий, полученных при повышении давления прессования
чего воздуха) может привести из-за неравномерности прогрева к короблению изделий. Попытки интенсифицировать процесс сушки с помощью прямого электрического или СВЧ-нагрева не приводят к достижению существенного эффекта, а использование таких методов нагрева технически сложно.
Из проведенного анализа существующих технологий изготовления вермикулитовых плит вытекает необходимость ее совершенствования на основе новых подходов, что и явилось основной целью настоящей работы.
Суть этих подходов базируется на уникальном свойстве жидкого стекла [6] образовывать твердую неорганическую пену при его нагреве до температуры 150— 450оС. Это свойство жидкого стекла использовано при разработке способа изготовления пеновермикулитовых плит. Отличительной особенностью такого способа от известных является то, что формовочная смесь, состоящая из вспученного вермикулита и жидкого стекла, помещается в разборную форму, слегка уплотняется (при коэффициенте сжатия Ксж=1,05—1,10) с обязательным заполнением всего внутреннего объема формы, после чего форма закрывается крышкой с фиксаторами и помещается в муфельную печь, предварительно разогретую до температуры 500—550оС, и выдерживается в печи в течение необходимого времени. После термообработки форма извлекается из печи, охлаждается на воздухе и из нее извлекается изделие с заданными геометрической формой и размерами.
При получении изделий по предлагаемому способу в процессе термообработки происходит уменьшение толщины пленок связки между зернами вермикулита в результате испарения свободной воды при нагреве связки до 110—120оС. При повышении температуры жидкосте-кольной связки более 150оС и выше, вплоть до температуры 350—400оС, происходит интенсивное вспенивание этих пленок во всем массиве изделия. При этом образовавшаяся в условиях стесненного состояния пена имеет плотность не более 100 кг/м3, т.е. ее объем увеличивается в 15—20 раз, в результате чего достаточно рыхлая исходная смесь под действием возникающего внутреннего давления приобретает монолитное состояние и в условиях замкнутого внутреннего пространства формы изделие приобретает заданные геометрические форму и размеры.
Основным преимуществом предложенной технологии изготовления вермикулитовых плит является исключение из технологического процесса стадий прессования и сушки, в результате чего длительность процесса изготовления изделий сокращается не менее чем в 10 раз. Вследствие большей эффективности кондуктивно-го теплообмена при нагреве материала в форме перед конвективным при сушке плит, расход тепла в предложенном способе сокращается в 3—5 раз. Отсутствие в предлагаемом способе стадии прессования позволяет получать изделия с плотностью от 300 кг/м3 и выше.
Необходимо отметить, что в этом способе изготовления пеновермикулитовых изделий применен способ формования изделий в процессе поризации исходной смеси, который используется, например, в технологии газобетона, пеностекла и термопеносиликатов [7, 8].
Проверку высказанных утверждений проводили с использованием исходной смеси, содержащей 70% жидкого стекла с модулем т=3 и плотностью 1380 кг/м3 и 30% вермикулита с размером зерен 2—3 мм. Приготовленная смесь засыпалась в разборную форму из жаростойкого металла с внутренними габаритными размерами 24,5x11,7x7,5 см и объемом 2,15 дм3 таким образом, чтобы в рыхлом состоянии смесь заполняла весь внутренний объем формы до ее верхней кромки. Расход смеси при этом составлял от 550 г/дм3. Перед загрузкой смеси в форму ее внутренняя поверхность смазывалась глино-гипсовой суспензией для исключения прилипания изделий к стенкам формы. После засыпки смеси форма закрывалась верхней крышкой и жестко фиксировалась с помощью специальных устройств. Далее форма помещалась в муфельную печь предварительно разогретую до температуры 550оС, и выдерживалась при этой температуре в течение 1 ч, после чего форма извлекалась из печи, охлаждалась до температуры 120—150оС, разбиралась и из нее извлекалось готовое изделие.
Основные характеристики изделий, полученных таким образом, следующие:
— плотность 310—320 кг/м3;
— прочность при сжатии 1—1,2 МПа;
— коэффициент теплопроводности 0,073-0,078 Вт/м.К.
Характер структуры таких изделий представлен на
рис.а, видно, что промежутки между зернами вермикулита заполнены вспененным жидким стеклом, размер пор в котором не превышает 0,5 мм. Вспененная матрица на основе жидкого стекла обладает свойством непрерывности по всему объему изделия, обладает хорошей адгезией к зернам вермикулита, способствует формированию равномерной и более прочной структуры изделий. Кроме того, термообработка изделий при температуре 500—550оС способствует повышению водостойкости вспененной матрицы за счет полного обезвоживания жидкого стекла и возможного его химического взаимодействия с поверхностью зерен вермикулита.
В структуре изделий, полученных по существующей технологии при небольших давлениях прессования (рис. б), поровое пространство между зернами вермикулита остается практически свободным вследствие того, что жидкое стекло, которое заполняло это пространство после прессования изделий, в процессе сушки трансформировалось в тонкие прослойки между зернами вермикулита. Повышение давления при прессовании изделий значительно сокращает величину порового пространства (рис. в) за счет смятия зерен вермикулита, что отрицательно сказывается на теплофизических свойствах изделий.
Методом термической поризации жидкостекольно-вермикулитовых смесей в замкнутом объеме можно получать изделия любой заданной плотности более 300 кг/м3, используя одну и ту же рецептуру исходной смеси и изменяя количество смеси, загружаемой в формы. Для реализации этого способа в промышленных условиях на действующих предприятиях потребуется установка туннельной печи с сетчатым или рольганговым конвейером и изготовление жаростойких форм, обеспечивающих получение изделий с заданной формой и размерами.
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
~90 май 2015 Ь^ШШ'
Список литературы
1. Ахтямов Р.Я. Вермикулит — сырье для производства огнеупорных теплоизоляционных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 2009. № 1—2. С. 58-64.
2. Патент РФ 2169717. Состав сырьевой смеси и способ изготовления огнезащитного конструкционно-отделочного материала / Горшков Н.И., Каткова Е.Н., Янко Э.А. Заявл. 03.05.2000. Опубл. 27.06.2001
3. Патент РФ 2126776. Состав сырьевой смеси и способ изготовления теплоизоляционных плит / Бржезан-ский В.О., Молоков В.Ф., Павшенко Ю.Н. Заявл. 16.07.1998. Опубл. 27.02.1999.
4. Лотов В.А., Кутугин В.А. Формирование пористой структуры пеносиликатов на основе жидкостеколь-ных композиций // Стекло и керамика. 2008. № 1. С. 6-10.
5. Попов Н.А. Производство и применение вермикулита. М.: Стройиздат, 1964. 152 с.
6. Лотов В.А. Использование водных растворов жидкого стекла при тушении пожаров // Стекло и керамика. 2011. № 7. С. 32-34.
7. Kutugin, V., Lotov, V., Pautova, Y., Reshetova, A. Perspective technologies for production of thermal insulating materials with hard cellular structure: Proceedings 7th International Forum on Strategic Technology, Tomsk: TPU Press, 2012. Vol. 1. pp. 244 - 247.
8. Патент РФ 2520280. Способ получения вспененного материала и шихта для его изготовления / Лотов В.А., Кутугин В.А., Заявл. 24.01.2013. Опубл. 20.06.2014. Бюл. № 17.
References
1. Akhtyamov R.Ya. Vermiculite — raw materials for the production of refractory heat-insulating materials.
Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2009. No. 1—2, pp. 58—64. (In Russian).
2. Patent RF 2169717. Sostav syr'evoi smesi i sposob izgo-tovleniya ognezashchitnogo konstruktsionno-otdelochno-go materiala [The composition of feed mixture and method of making fire-retardant construction-finishing material]. Gorshkov N.I., Katkova E.N., Yanko E.A. Declared 03.05.2000 Published 27.06.2001 (In Russian).
3. Patent RF 2126776. Sostav syr'evoi smesi i sposob izgotov-leniya teploizolyatsionnykh plit [The composition of feed mixture and a method for manufacturing insulation boards]. Brzhezanskii V.O., Molokov V.F., Pavshenko Yu.N. Declared 16.07.1998. Published 27.02.1999 (In Russian).
4. Lotov V.A., Kutugin V.A. Formation of a porous structure of foam silicates based on liquid-glass compositions. Steklo i keramika. 2008. No. 1, pp. 6—10. (In Russian).
5. Popov N.A. Proizvodstvo i primenenie vermikulita [Production and use of vermiculite] Moscow: Stroiizdat. 1964. 152 p.
6. Lotov V.A. The use of aqueous solutions of sodium silicate in extinguishing fires. Steklo i keramika. 2011. No. 7, pp. 32—34. (In Russian).
7. Kutugin, V., Lotov, V., Pautova, Y., Reshetova, A. Perspective technologies for production of thermal insulating materials with hard cellular structure. Proceedings 7th International Forum on Strategic Technology. Tomsk. 2012. Vol. 1, pp. 244-247. (In Russian).
8. Patent RF 2520280. Sposob polucheniya vspenennogo materiala i shikhta dlya ego izgotovleniya [A method of producing foamed material and mixture for its manufacturing]. Lotov V.A., Kutugin V.A., Declared 24.01.2013, Published 20.06.2014. Bulletin No. 17. (In Russain).
_ЮВОСй!
Цементный мини-завод и кирпичный цех запущены в эксплуатацию в Дагестане
27 апреля 2015 г. прошла торжественная церемония открытияпервого цементного мини-завода республики и кирпичного цеха ООО «Пионер» в г. Кизилюрте. Предприятия принадлежат ООО «Евроресурс».
Министр промышленности, торговли и инвестиций Ю.Д. Умавов отметил, что цементный мини-завод Кизилюрта - один из немногих инвестиционных международных проектов, реализуемых в рамках приоритетных проектов развития Дагестана.
Реализация проекта ООО «Евроресурс» по выпуску цемента началась в 2012 г. На первом этапе мощность производства составляет 120 тыс. т в год, а количество рабочих - 130 человек; при выходе на проектную реализацию планируется мощность до 250 тыс. т. Ежегодные налоговые поступления при выходе на проектную мощность составят более 10 млн р, собственные вложенные средства - более 500 млн р.
Технологическая линия смонтирована на итальянском, чешском и российском оборудовании. Цементный цех отвечает всем требованиям: полностью автоматизированы системы управления, до минимума снижены энергозатраты. Производится цемент марки М400 и М500. Основное используемое сырье на производстве
- известняк, закупаемый в населенном пункте Талги, и нефтекокс, используемый в качестве энергоносителя. Лаборатория позволит осуществлять контроль качества на всех этапах производства. Благодаря надежной системе фильтрации, на заводе обеспечено соблюдение экологических норм и параметров. В дальнейшем этому будет способствовать немецкая технология и современное пылеулавливающее оборудование, обеспечивающее безопасность в использовании продукции и надежно защищающее окружающую среду.
Мощность «Пионера», проект которого реализуется с 2013 г., составляет 15 млн шт. усл. кирпича в год. Завод расположен в закрытом помещении, что позволяет производить продукцию круглогодично. Основное используемое сырье - глина, закупаемая в г. Хасавюрте. При производстве используется немецкое и российское оборудование. Обжиг кирпича осуществляется в кольцевой печи Гофмана.На предприятии создано 80рабочих мест, все сотрудники являются жителями г. Кизилюрта и Кизилюртовского района. При выходе на проектную мощность налоговые поступления ожидаются в сумме более 3 млн р в год.
По материалам РИА «Дагестан»
Подписано в печать 19.05.2015 Отпечатано в ООО «Полиграфическая компания ЛЕВКО» Набрано и сверстано
фуММаТ<<Пауэр>>'8 Москва, Холодильный пер., д. 3, кор. 1, стр. 3 в РИФ «Стройматериалы»
Печать офсетная Верстка Д. Алексеев,
Общий тираж 5000 экз. Н. Молоканова
