CC BY
106
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2013, том 56, №9_
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 622.692.4:620.197
Г.М.Самадова**, У.Р.Усманов*, Р.Усманов, Х.М.Назаров**, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОПЕРЛИТОВЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ОБСИДИАНО-
ПЕРЛИТОВЫХ ПОРОД
Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан, Таджикский национальный университет, Горно-металлургический институт Таджикистана
В статье приводятся результаты исследования возможности получения термоперлита на основе песка обсидиано-перлитовых пород Ташкескенского месторождения с использованием в качестве связующего комбинированной связки (известь и едкий натр), едкого натра и жидкого стекла. Установлено, что термоперлит на комбинированной связке не соответствует требованиям ГОСТа. Термоперлит с использованием в качестве связующего едкого натра удовлетворяет требованиям ГОСТа по теплопроводности и объёмной массе, но не прошёл испытания на долговечность. Термоперлит на основе жидкого стекла отвечает требованиям ГОСТа по всем параметрам.
Ключевые слова: обсидиано-перлитовые породы - вспученный перлит - термоперлит - едкий натр - жидкое стекло - теплоизоляционный материал.
В настоящее время в СНГ быстрое развитие получила новая отрасль промышленности строительных материалов - производство вспученного перлита и изделий на его основе [1].
В Таджикистане разведана сырьевая база перлито-обсидианов Ташкескенского месторождения, наличие промышленных запасов которого является предпосылкой организации производства вспученного перлита для различных отраслей народного хозяйства [2].
В течение ряда лет были проведены исследования на вспучиваемость перлито-обсидианов Ташкескенского месторождения, которые подтвердили их пригодность для применения в качестве пористых заполнителей [3]. При этом недооценивались другие, более эффективные, области применения вспученного перлита. Отдельные виды изделий из перлита по своим физико-механическим и теплозащитным свойствам являются уникальными. Использование перлитовых изделий взамен традиционных материалов обеспечивает долговечность и надежность конструкций в эксплуатации [4].
Задача подбора состава термоперлита заключалась в том, чтобы получить составы, которые по своим физико-механическим показателям пригодны как теплоизоляционный материал для изоляции горячей поверхности энергетического и технологического оборудования.
Адрес для корреспонденции: Усманов Рахматжон. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: [email protected]
При разработке составов термоперлита в качестве связующих были использованы едкий натр, жидкое стекло и комбинированная связка (известь и едкий натр). Технология изготовления термоперлита основана на поверхностном спекании зёрен перлитового песка в присутствии щелочных добавок в процессе технической обработки, в результате чего образуется цементирующее вещество в виде силикатного стекла.
Технология изготовления образцов термоперлитовой теплоизоляции с использованием комбинированной связки (извести и едкого натра) проводилась следующим образом. Вспученный перлитовый песок смешивался с известковым молоком плотностью 1.198 г/см3 в количестве, соответствующем 10% Са(ОН)2 по массе от массы песка, затем к смеси добавлялся раствор едкого натра плотностью 1.20, 1.50 г/см3 в количестве, соответствующем 2 и 3% кристаллического №ОН от массы песка. Из приготовленной массы методом прессования изготавливались цилиндры диаметром и высотой равной 50 мм. Формование образцов производилось при удельном давлении прессования от 0.08 до 0.46 МПа. При этом для каждой заданной нагрузки бралась соответствующая навеска массы с таким расчётом, чтобы высота образца для всех опытов оставалась постоянной (50 мм). Отпрессованные образцы подвергались термообработке в лабораторной электропечи, температура обжига и время выдержки подбирались опытным путём. Серия проведённых экспериментов привела к выводу, что оптимальными условиями обжига являются температура 1220 К (950°С) и выдержка при ней в течение двух часов.
Результаты подбора составов мелкого и смесей мелкого и крупного (в соотношении 2:1) перлитового песка представлены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства термоперлита на основе мелкого, смеси мелкого и крупного перлито-
вого песка в соотношении 2:1 по объёму и комбинированной связки (известь, едкий натр).
Состав шихты Температура постоянной выдержки образцов, К Нагрузка при прессовании образцов, МПа Объёмная масса, кг /м3 Прочность при сжатии, МПа
Перлитовый песок-88% Известь-пушонка-10% Едкий натр кристаллический-2% Вода (сверх 100%)-30% 1220 (950°С) 0.08 (630)750 (0.30)0.09
0.1 (650)650 (0.47)0.13
0.15 (670)670 (0.67)0.40
0.2 (695)695 (0.89)0.65
0.25 (700)700 (0.93)0.78
0.36 (770)770 (1.22)1.75
0.46 (790)790 (1.54)1.90
Перлитовый песок -87% Известь-пушонка-10% Едкий натр кристаллический - 3% Вода (сверх 100%)-30% 0.08 (655)750 (0.24)0.12
0.1 (700)700 (0.63)0.63
0.15 (750)750 (0.65)0.33
0.2 (760)780 (0.69)0.59
0.25 (-)820 (-)0.7
0.36 (850)840 (1.9)1.25
0.46 (900)860 (2.8)1.33
Примечание: образцы при температуре 1220 К выдерживались в течении двух часов.
Данные табл. 1 показывают, что на основе мелкого и смеси крупного и мелкого перлитового песка Ташкескенского месторождения с использованием комбинированной связки (извести и едкого натра) получен термоперлит прочностью от 0.30 до 2.8 МПа и объёмной массой соответственно 630-
900 кг/м3. Оптимальным составом является состав из мелкого песка с использованием 2% кристаллического едкого натра с усилием прессования 0.25 МПа, с объёмной массой 700 кг/м3 и прочностью при сжатии 0.9 МПа. Кроме того, проведены исследования по подбору составов термоперлита с применением в качестве связующего раствора едкого натра и жидкого стекла. Результаты подбора приведены в табл. 2-4.
Таблица 2
Подбор оптимального количества вводимого раствора щелочи и температура обжига
Содержание 15% раствора №ОН от массы песка, % Температура обжига образцов, К Время термообработки, ч Нагрузка при прессовании образцов, МПа Объёмная масса, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа
30 В связи с недостаточным количеством связующего образцы не удалось заформировать
0.15 480 0.18
870 (600°С) 1 0.25 530 0.41
0.36 580 0.57
0.46 650 1.00
0.15 560 0.20
920 (650°С) 1 0.25 530 0.38
0.36 670 0.60
0.46 680 1.10
0.15 400 0.80
40 970 (700°С) 1 0.25 420 0.97
0.36 480 1,30
0.46 510 1.33
0.15 600 1.7
1020 (750°С) 1 0.25 640 1.4
0.36 650 1.0
0.46 660 1.5
0.15 670 0.5
1070 (800°С) 1 0,25 700 0.18
0.36 720 1.20
0.46 750 1.22
0.15 500 0.18
870 (600°С) 1 0.25 530 0.41
0.36 590 0.57
0.46 640 1.00
0.15 560 0.12
920 (650°С) 1 0.25 530 0.35
0.36 670 0.46
50 0.46 680 1.71
0.15 510 0.34
970 (700°С) 1 0.25 540 0.56
0.36 560 0.85
0.46 600 0.98
0.15 720 1.37
1020 (750°С) 1 0.25 730 1.54
0.36 650 1.60
0.46 660 1.65
В опытах в качестве связующего использовали 15% раствор едкого натра в количестве 30, 40, 50% от массы вспученного перлита. В виду того, что использование крупного песка приводит к увеличению объёмной массы, а следовательно, и коэффициента теплопроводности, считали целесообразным использовать только мелкий песок. Технология изготовления образцов включает следующие
операции: приготовление щелочного раствора, перемешивание песка с щелочным компонентом, формование образцов и термическую обработку.
Таблица 3
Подбор оптимальной продолжительности изотермической выдержки образцов
Время термооброботки, ч Нагрузка при прессовании образцов, МПа Объёмная масса, кг /м3 Прочность при сжатии, МПа
0.5 0.15-0.46 Недостаточное время обжига, образцы не имеют прочности
1.0 0.15 400 0.80
0.25 420 0.97
0.36 480 1.30
0.46 510 1.33
1.5 0.15 420 0.60
0.25 470 0.83
0.36 530 0.99
0.46 570 1.12
2.0 0.15 550 0.31
0.25 570 0.82
0.36 600 0.89
0.46 650 0.96
3.0 0.15 720 1.50
0.25 730 1.85
0.36 750 1.90
0.46 760 1.98
Примечание: подбор оптимального времени обжига образцов проводился при оптимальной температуре 970 К (700°С) и оптимальном составе (40% №ОН от массы песка).
Из данных табл. 2 и 3 видно, что оптимальным является состав с содержанием 15% раствора №ОН в количестве 40% от массы перлитового песка и длительностью термической обработки при температуре 970 К в течение одного часа.
Технология изготовления термоперлита с применением в качестве связующего жидкого стекла аналогична получению термоперлита на основе щелочи.
Из данных табл. 4 следует, что оптимальным является содержание 25% жидкого стекла от массы перлитового песка и обжига образцов в течение одного часа при температуре 970 К.
Важнейшей характеристикой термоперлита как теплоизоляционного материала является коэффициент теплопроводности. Чем он ниже, тем меньше количество тепла, проходящего через слой материала, и тем тоньше может быть изоляция, необходимая для того, чтобы теплопотери не превышали норм, регламентированных СН и П-36-73 «Тепловые сети. Нормы проектирования».
Теплопроводность зависит от пористости материала, характера пор, вида материала, строения, влажности, объёмной массы, средней температуры, при которой происходит передача тепла.
Теплопроводность термоперлитов изучалась на оптимальных составах, которые приведены в
табл. 5.
Таблица 4
Физико-механические свойства термоперлита на основе мелкого вспученного песка с применением
в качестве связующего жидкого стекла
Содержание жидкого стекла от массы песка, % Температура обжига образцов, К Время обжига, ч Нагрузка при прессовании образцов, МПа Объёмная масса, кг /м3 Прочность при сжатии, МПа
0.15 430 0.12
20 970 1 0.25 480 0.20
(700°С) 0.36 500 2.7
0.46 510 3.28
0.15 440 1.37
25 970 1 0.25 490 2.54
(700°С) 0.36 500 3.60
0.46 520 4.65
0.15 500 2.75
25 970 1.5 0.25 530 4.8
(700°С) 0.36 590 6.20
0.46 650 7.22
0.15 500 2.,8
25 1020 1 0.25 560 4.8
(750°С) 0.36 620 5.7
0.46 660 6.8
0.15 500 2.50
20 1070 1 0.25 600 4.35
(800°С) 0.36 610 4.60
0.46 620 490
0.15 500 1.71
25 1070 1 0.25 650 4.2
(800°С) 0.36 790 7.0
0.46 850 10.0
Таблица 5
Оптимальные составы и основные физико-механические свойства термоперлита
Состав смеси Температура термообработки, К Время термообработки, ч Объёмная масса, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа
15%-ый раствора №ОН - 40% от массы перлитового песка 970 1 500 1.0
Жидкое стекло - 25% от массы перлитового песка, % 970 1 500 2.7
Перлитовый песок-88% Известь (пушонка)-10% Едкий натр кристаллический-2% Вода (сверх 100%)- 30% 1220 2 700 0.9
Коэффициент теплопроводности термоперлитов на различных щелочных связующих приведены в табл. 6.
Таблица 6
Коэффициент теплопроводности термоперлитов
Используемое связующее Коэффициент теплопроводности, определяемый при температуре, Вт/м-К (ккал/м-ч-°С )
295 К 310 К 325 К 342 К
NaOH 0.109(0.095) 0.135(0.116) 0.221(0.190) 0.230(0.198)
Жидкое стекло 0.157(0.135) 0.219(0.188) 0.287(0.247) 0.292(0.251)
Комбинированная связка 0.220(0.190) 0.391(0.336) 0.509(0.438) 0.518(0.445)
Согласно ГОСТу 16381-77 «Материалы строительные теплоизоляционные», теплоизоляционные материалы должны иметь плотность (объёмную массу) не более 500 кг/м3 и обладать теплопроводностью не более 0.175 Вт/м-К (0.15 ккал/м-ч-°С) при температуре 295 К. Термоперлит на комбинированной связке не соответствует требованиям ГОСТа как по объёмной массе, так и по величине коэффициента теплопроводности и не может быть рекомендован как теплоизоляционный материал. Термоперлит с использованием в качестве связующего едкого натра удовлетворяет требованиям ГОСТа по теплопроводности и объёмной массе. Однако данные образцы не прошли испытания на долговечность. После шестимесячного хранения в воздушной среде они дали трещины с отслоением верхнего слоя и, следовательно, состав не может быть использован как теплоизоляционный материал. Термоперлит на основе жидкого стекла отвечает требованиям ГОСТа по всем параметрам.
Термоперлит с использованием в качестве связующего жидкого стекла выдержал испытание на долговечность без потерь прочности на сжатие и может быть рекомендован в качестве теплоизоляционного материала для изоляции энергетического и технологического оборудования с температурой рабочей поверхности не вше 870°К.
Поступило 07.05.2013 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сухарев М.Ф., Майзель И.Л., Сандлер В.Т. - Производство теплоизоляционных материалов. - М.: Высшая школа, 1981, с.179.
2. Мизандронцев А.Г., Петров В.П., Фрезе А.Н. Производство искусственных пористых заполнителей для бетона в Таджикистане. Обзорная информация ТаджикНИИНТИ Госплана Таджикской ССР, Душанбе, 1987, 40 с.
3. Мизандронцев А.Г., Петров В.П., Фрезе А.Н. - Особенности технологии пористых заполнителей из перлитов Ташкескенского месторождения. - Перлиты. - М., 1981, с. 247-252.
4. Арончик А.М. Эффективные материалы изделия на основе вспученного перлита Мытищинского комбината «Стройперлит». - Строительные материалы, 1971, №1, с.168-169.
Г.М.Самадова**, У.Р.Усмонов*, Р.Усмонов, Х.М.Назаров**,И.Н.Ганиев ТАДЦИЦИ ИМКОНИЯТИ ^ОСИЛКУНИИ МАСОЛЕ^И ГАРМИНОГУЗАРИ ТЕРМОПЕРЛИТЙ ДАР АСОСИ ^ИНС^ОИ
ОБСИДИАНО-ПЕРЛИТЙ
Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон,
*Донишго%и миллии Тоцикистон, **Институти ку^й-металлургии Тоцикистон
Дар маколаи мазкур натичах,ои тадкики имконияти х,осилкунии масолехд гарминогузари термоперлитй дар асоси чинсх,ои обсидиано-перилитй кони Тошкескан бо истифодаи ба сифати пайвасткунанда бандаки омехтагй (охдк ва ишкори натрй), ишкори натрй ва шишаи моеъ овар-да шудааст. Муайян карда шудаст, ки термоперлити дар асоси бандаки омехтагй х,осилкардашуда ба талаботи ГОСТ чавобгуй намебошад. Термоперлити дар асоси ишкори натрй х,осилкардашуда ба талаботи ГОСТ аз руи гармигузаронй ва массаи хдчмй чавобгуй бу-да, мустах,ками паст дорад. Термоперлити дар асоси шишаи моеъ бошад ба талаботи ГОСТ аз руи хдма параметра чавобгуй аст.
Ключевые слова: цинс^ои обсидиано-перлитй - перлити дамида - термоперлит - ишцори натри -шишаи моеъ - масолеуи гарминогузар.
G.M.Samadova**, U.R.Usmanov*, R.Usmanov, H.M.Nazarov**, I.N.Ganiev RESEARCH OPPORTUNITIES TERMOPERLIT THERMAL INSULATION PRODUCT BASED ON OBSIDIAN-PERILIT ROCKS
V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,
*Tajik National University, **Mining and Metallurgical Institute of Tajikistan
The article presents the results of research opportunities termoperlit based on sand-obsidian rocks perilit Tashkesken field using as a binder combined ligament (lime and caustic soda), sodium hydroxide and sodium silicate. Found that termoperlit on a combined bond does not meet the requirements of GOST. Termoperlit using sodium hydroxide as the binder fulfills the requirements of GOST thermal conductivity and volumetric weight, but not tested for durability. Termoperlit based on liquid glass meets the requirements of GOST in all respects.
Key words: obsidian-perilits breeds - expanded perlite - termoperlit - caustic soda - water glass - heat-insulating material.
