CC BY
63УДК 666.189.3
В.Е. МАНЕВИЧ, д-р. техн. наук, зам. директора по науке ЗАО «Стромизмеритель» (Нижний Новгород); Е.А. НИКИФОРОВ, канд. экон. наук, председатель совета директоров ПИК «Диатомит-Инвест» (Ульяновск); А.В. МЕШКОВ, Н.А. СЕНИК, инженеры (meshkov88@gmail.com; tomsk.nina@sibmail.com), Национальный исследовательский Томский политехнический университет (Томск); Р.К. СУББОТИН, инженер (sur_ruy@mail.ru), Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (Москва)
Подготовка пенообразующей смеси для получения пеностекла на основе диатомита
Диспергирование является эффективным методом ускорения химических реакций. Технология приготовления пенообразующей смеси состоит в переводе ее компонентов в дисперсное состояние. Процесс сопровождается значительными энергозатратами, при этом работа диспергирования А твердых тел складывается из работ преодоления упругой деформации Аупр, необратимой пластической деформации Апласт, работы образования новой поверхности (полезная работа) Апов и работы снабжения кинетической энергией новой поверхности. Причем Аупр>Апов в 10—103 раза и расходуется на образование дефектов в твердом теле, что способствует увеличению реакционной способности.
В ООО Научно-технологическом центре «Силикатные материалы и технологии» (НТЦ СМиТ) разработана технология получения блочного высокоэффективного теплоизоляционного материала на основе диатомового сырья, технологию получения которого можно разделить на три основных этапа [1, 2]:
• варка стекла (основного сырья);
• приготовление пенообразующей смеси;
• вспенивание и отжиг готовых блоков.
Варка стекла из шихты на базе диатомита отличается от варки из традиционной шихты в основном пониженной температурой.
Пеностекло образуется в результате реакции между пенообразователем и определенными компонентами стекла. При этом как стекло, так и пенообразователь находятся в состоянии тонкой дисперсии и хорошо перемешаны друг с другом. Эта смесь тонкомолотого стекла искусственного или аморфного происхождения и пенообразователя получила название пенообразую-щей смеси.
Поскольку качество пеностекла напрямую зависит от правильной подготовки пенообразующей смеси, вопрос о выборе оборудования для ее приготовления является весьма актуальным.
В качестве основного компонента пенообразующей смеси применялся порошок стекла, сваренного из шихты состава: 64—70% диатомит; 14—18% доломит; 15—20% сода кальцинированная; 0—5% сульфат натрия, в НТЦ СМиТ г. Инза.
Гранулят стекла получали путем слива расплава стекла в воду. В качестве газообразователя рассматривались антрацит, карбид кремния и сажа. Вследствие того что сажа обладает высокой удельной поверхностью — 10000 м2/кг, значительно превосходящей этот показатель у антрацита — 200 м2/кг и карбида кремния — 750 м2/кг, для получения пенообразующей смеси была
выбрана именно она в количестве 0,3% от массы стекла. Малый размер частиц сажи способствует значительному сокращению количества газообразователя, необходимого для отделения частиц стекла друг от друга, а также более полному «бронированию» частиц стекла, и этим уменьшается вероятность контакта частиц с незащищенными поверхностями, что способствует некоторому повышению скорости диспергирования стекла. Таким образом, в рассматриваемой дисперсной системе стекло—углерод частицы газообразователя выступают в роли пептизаторов, т. е., внедряясь в смесь, ослабляют межатомные связи, причем влияние их повышается с уменьшением размера элементарных частиц углерода [3]. Таким образом, совмещаются два основных метода получения дисперсных систем — пептизация и диспергирование.
Химические реакции протекают на поверхности раздела фаз. Отсюда следует, что измельчение способствует механохимической активации физико-химических процессов. Оно улучшает однородность смесей; ускоряет и повышает глубину протекания гетерогенных химических реакций (в химических производствах); снижает температуру и давление (при варке стекла, обжиге керамики, производстве клинкера и т. д.); улучшает физико-механические свойства и структуру материалов и изделий; повышает красящую способность пигментов и красителей, активность адсорбентов и катализаторов.
Термодинамически наиболее вероятны реакции при вспенивании содосульфатного стекла с использованием в качестве вспенивателя угля:
С + О2 2С + О
2
СО2; 2СО;
+ 2С = + 2С02;
3№^04 + + 4БЮ2 = 4№28Ю3 + 4802.
Чем более тонкозернистой является пенообразую-щая смесь, тем больше ее реакционная поверхность и тем более полно может пройти процесс вспенивания. Так как при самом образовании пеностекла вследствие значительной вязкости стекла и короткого времени реакции не происходит интенсивного диффузионного перемещения массы, величина и количество ячеек пеностекла и толщина стенок отдельных ячеек определяются наряду с температурой и временем вспенивания также и величиной частиц пенообразующей смеси. Поэтому снижение объемного веса пеностекла прежде всего обусловлено более совершенным измельчением пено-образующей смеси.
* Работа выполнена в рамках договора от 22.10.2010 г. № 13.G25.31.0092 «Создание высокотехнологичного производства по выпуску пеностеклокерамики на основе опалкристобалитовых пород» шифр 2010-218-02-246.
научно-технический и производственный журнал Q'fpfjyrj^JJbrlbJ^ TÖÖ июль 2012 Ы ®
03(х)
03(х)
03(х)
100 80 60 40 20
50 100
100 80 60 40 20 0
500 1000 2000 0,1 [М
1 1
лЛк 1 ГК "¡ч Ч- к ,
0,5 1
5 10
50 100
100 80 60 40 20 0
500 1000 2000 0, М
50 100
500 1000 200С [М
Рис. 1. Гранулометрический состав пенообразующей смеси, полученной в шаровой мельнице: а - 630 м2/кг; б - 720 м2/кг; в - 850 м2/кг
03(х)
03(х)
03(х)
100 80 60 40 20
50 100
100 80 60 40 20 0
500 1000 2000 0, [М
50 100
100 80 60 40 20 0
500 1000 2000 0, М
50 100
500 1000 200С [М
Рис. 2. Гранулометрический состав пенообразующей смеси, полученной на планетарной мельнице: а - 630 м2/кг; б - 720 м2/кг; в - 850 м2/кг
б
а
в
б
а
в
При производстве пеностекла в промышленном масштабе в большинстве случаев применяется пено-образующая смесь со средней величиной частиц около 10 мкм [1]. Величина удельной поверхности такой смеси примерно равна 700 м2/кг, обычно 600—850 м2/кг. Для получения такой удельной поверхности в промышленности используют тихоходные вращающиеся шаровые барабанные мельницы; быстроходные центробежно-шаровые, вибрационные, планетарные, магнитные, бисерные мельницы, обеспечивающие тонкий и сверхтонкий помол.
Для подготовки пенообразующей смеси для получения пеностекла было выбрано два типа мельниц:
• шаровая мельница — агрегат тонкого помола, используемый в многотоннажном производстве порошкообразных материалов;
• планетарная мельница, использующая высокие ускорения и характеризующаяся высокой энергонапряженностью.
Измельчение вели до получения значений удельной поверхности пенообразующей смеси 630, 720 и 850 м2/кг.
Помол в фарфоровой шаровой мельнице до такой удельной поверхности длится продолжительное время — 24, 30 и 40 ч соответственно. Объем барабанчика 4 дм3, масса корундовых мелющих тел (цельпебсов) 3,2 кг, диспергируемого материала — 1,2 кг. Скорость вращения барабанчика 70—72 об/мин.
Измельчение в планетарной мельнице велось в сосуде из карбида вольфрама объемом 80 см3, в качестве мелющих тел выступают шары в количестве 15 шт. диаметром 10 мм, из материала, аналогичного сосуду. Масса измельчаемого стекла 30 г, время измельчения
Удельная поверхность, м2/кг Средний объемный вес, кг/м3 Примечания
Шаровая мельница Планетарная мельница Шаровая Планетарная мельница
630 175-180 160-165 Неравномерная структура, мелкие и крупные поры Равномерная мелкопористая структура
720 155-160 140-145
850 150-155 125-130
16, 20 и 24 мин соответственно; помол велся в реверсивном режиме, скорость планетарной мельницы 400 об/мин и ускорении 29 Б.
Определение удельной поверхности проводили на приборе Товарова. Анализ гранулометрического состава измельченного материала — на приборе Апа^ейе 22, использующего физический принцип рассеяния электромагнитных волн в блоке диспергирования в жидкости посредством лазерной дифракции.
Гистограммы гранулометрического состава пено-образующих смесей, полученных на шаровой и планетарной мельницах, представлены на рис. 1 и 2.
Все частицы порошка (100%), полученного на шаровой мельнице, имеют размеры не более 65,847 (рис. 1, а); 55,157 (рис. 1, б) и 48,829 мкм (рис. 1, в), при этом средний размер частиц составил 15,563, 12,443 и 10,768 мкм соответственно.
В случае получения пенообразующей смеси на планетарной мельнице 100% частиц порошка имеют размеры не более 67,543 (рис. 2, а); 56,500 (рис. 2, б); и 52,173 мкм (рис. 2, в), при этом средний размер частиц составил 16,032; 13,453 и 11,142 мкм соответственно.
Вспенивающую способность пеностекольных шихт оценивали по увеличению объема пенообразующей смеси, уплотненной и вспененной в одинаковых условиях эксперимента. Определенную навеску пенообра-зующей смеси засыпали в металлические формы 50x50x70 мм, предварительно смазанные каолином, и уплотняли до одинаковой высоты. Формы накрывали плотно подогнанными крышками и помещали в электропечь сопротивления.
Режим вспенивания, подобранный при проведении экспериментов:
— температура загрузки тиглей в печи 500оС;
— скорость подъема температуры от 450оС до 840оС —
17,5оС/мин;
— выдержка при 840оС — 15 мин;
Далее — остывание с выключенной печью до комнатной температуры. Результаты экспериментов приведены в таблице.
Как видно из таблицы, при одинаковых значениях удельной поверхности пенообразующие смеси, полученные в разных помольных агрегатах (показывают раз-
Г^ научно-технический и производственный журнал
М ® июль 2012 101
личную вспенивающую способность), при вспенивании ведут себя неодинаково, в результате чего и полученное пеностекло обладает различным объемным весом.
Ранее исследователи придерживались мнения, что величина удельной поверхности измельченного материала имеет универсальное значение, т. е. безразлично, в каком помольном агрегате она получено. Дальнейшее исследование и эксперименты заставили отказаться от этой точки зрения. Й. Хинт установил, что песок, молотый в дезинтеграторе, по сравнению с песком, молотым в шаровой мельнице, придает изделиям из песчано-известняковой смеси большую прочность. Была выдвинута гипотеза о том, что чем больше число ударов, придаваемых частицам вещества, чем больше скорость удара и чем меньше интервал между следующими друг за другом ударами, тем большая возникает активность [4].
В шаровой мельнице только от 2 до 10% всей потребляемой энергии расходуется непосредственно на измельчение [5]; остальная ее часть идет на преодоление сил трения, образование тепла, звуковых колебаний, вибрации и т. д. Только каждый тысячный удар шара производит работу непосредственно по измельчению [6]. В связи с конструкционными особенностями планетарных мельниц частицы диспергируемого вещества подвержены более частым ударам мелющих тел. Из вышесказанного можно сделать вывод, что механо-активация пенообразующей смеси в шаровой мельнице происходит в меньшей степени, чем в планетарной мельнице.
При смешивании пенообразователя со стеклом в начале помола все время образуются и в достаточном количестве новые поверхности чистого стекла, на которых растирается пенообразователь. С течением времени таких новых поверхностей образуется все меньше и меньше. Растирания пенообразователя на новых поверхностях почти не происходит, и мельница работает впустую. В результате повышенного трения поверхностей отдельных частиц пенообразующей смеси, покрытых уже ранее слоем пенообразователя, он постепенно теряет свою активность и вспенивающую способность [1]. Поэтому, несмотря на рост удельной поверхности пенообразующей смеси, полученной в шаровой мельнице, с 720 м2/кг до 850 м2/кг, происходит лишь незначительное уменьшение объемного веса пеностекла с 155—160 кг/м3 до 150—155 кг/м3; эффект увеличения удельной поверхности аннигилируется временем, затраченным на помол, в результате чего вспенивающая способность практически не возрастает. В планетарной же мельнице измельчаемый материал находится незначительное время, а следовательно, пеносте-кольная шихта не успевает потерять свою активность, наблюдается прямая зависимость объемной плотности пеностекла от величины удельной поверхности (чем выше удельная поверхность, тем ниже объемный вес конечного продукта).
Неравномерную структуру материала, полученного путем вспенивания пенообразующей смеси из шаровой мельницы, можно объяснить более широким разбросом по размерам частиц: присутствует как очень мелкая фракция до 0,5 мкм, так и относительно крупная 40—50 мкм. В шихте, измельченной на планетарной мельнице, более узкий интервал распределения частиц, отсутствует фракция 0—0,5 мкм, в результате чего структура пеностекла более равномерная и мелкопористая, а следовательно, и качество конечного продукта выше.
Проведенные исследования подтверждают зависимость плотности от величины удельной поверхности: чем больше значения удельной поверхности исходной пенообразующей смеси, тем ниже плотность получаемого пеностекла. Установлено, что при одинаковых
значениях удельной поверхности материал, подготовленный на планетарной мельнице, лучше вспенивается и имеет меньшую плотность, чем материал, измельченный на шаровой мельнице. Процесс механоактива-ции в большей степени происходит в планетарной мельнице. Для получения качественного высокоэффективного материала, на основе диатомового сырья обладающего равномерной мелкопористой структурой и малым объемным весом, рациональнее всего использовать помольные агрегаты с высокой энергонапряженностью.
Ключевые слова: пенообразующая смесь, пеностекло, диатомит.
Список литературы
1. Шилл Ф. Пеностекло (производство и применение). М.: Стройиздат, 1965. 307 с.
2. Саркисов П.Д., Маневич В.Е., Солинов В.Ф., Субботин К.Ю. Технология стекла. Справочные материалы. Москва: Изд. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. 647 с.
3. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975. 247 с.
4. Хинт Й. Об основных проблемах механической активации. Таллин, 1977 г. 14 с.
5. Акунов В.И. О выборе оптимальных типов измельчителей // Строительные материалы. 1962. № 11. С. 21-22.
6. Рулли А., Тедер Х. Форма и характер поверхности зерен кварцевого песка в зависимости от способа помола и их влияние на фракционный способ при воздушной сепарации // Сб. тр. НИПИ силикатобетона. Таллин, 1971. № 6. С. 103-118.
Р\*Ллцнист6рство транспорта и дорожного у ХОЗЯЙСТВА САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
глу ^Агенток *нергос6«ре*«нк|д- Счмшжюй области
Саратсеиий гасударетаениый тежтесний университет
ГЖП Выстааочный Центр \
■ И «сосоит-экспа»1
ТВ л,: (вв52) ЕОб-Эйб ¡д;0] ЬЬСр!//вхра.eofit.ru
научно-технический и производственный журнал Щ^ИУЙ
"Го2 июль 2012 Ы ®
