CC BY
22
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
УДК 539.23 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-2-96-101
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СИЛИКАТНОЙ ЗАГОТОВКЕ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
ПЕНОСТЕКЛА
© 2020 г. А.А. Кетов1, Е.А. Яценко2, Б.М. Гольцман2, Л.А. Яценко2, А.А. Чумаков2
1Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия, 2Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
INFLUENCE OF HEAT TRANSFER IN A SILICATE BILLET ON TECHNOLOGICAL MODES IN THE PRODUCTION OF FOAM GLASS
A.A. Ketov1, E.A. Yatsenko2, B.M. Goltzman2, L.A. Yatsenko2, A.A. Chumakov2
1Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia, 2Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Кетов Александр Анатольевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Охрана окружающей среды», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия. E-mail: alexander_ketov@mail.ru
Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Гольцман Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: boriuspost@gmail.com
Яценко Любовь Александровна - аспирант, ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Чумаков Андрей Алексеевич - аспирант, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: achumakov1995@mail.ru
Ketov Alexandr A. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Environmental Protection», Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia. E-mail: alexander_ketov@mail.ru
Yatsenko Elena A. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Goltsman Boris M. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: boriuspost@gmail.com
Yatsenko Lyubov ' A. - -Graduate Student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Chumakov Andrey A. - Graduate Student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: achumakov1995@mail.ru
Рассмотрено воздействие теплопереноса в силикатных заготовках на кинетику газообразования и вспенивание материала с образованием ячеистой структуры. Показано влияние скорости нагрева, температуры и размера заготовки на характеристики получаемого материала. На примере конкретных производств блочного пеностекла продемонстрирована зависимость конкретных режимов термообработки от условий теплопереноса в силикатных заготовках и соответственно от технологических решений подготовки сырья. Обосновываются технологические решения для производства пеностеклянных изделий различных размеров и пространственного строения.
Ключевые слова: теплоперенос; вспенивание; ячеистая структура пеностекло; термообработка; пеностеклянные изделия.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
The article considers the effect of heat transfer in silicate billets on the kinetics of gas formation and foaming of the material with the formation of a cellular structure. The influence of the heating rate, temperature and size of the workpiece on the characteristics of the resulting material is shown. The dependence of specific heat treatment modes on the conditions of heat transfer in silicate billets and, accordingly, on technological solutions for preparing raw materials is demonstrated on the example of concrete production of block foam glass. Technological solutions for the production offoam glass products of various sizes and spatial structure are justified.
Keywords: heat transfer; foaming; cellular structure foam glass; heat treatment; foam glass products.
Введение
Пеностекло имеет неоспоримые преимущества перед другими теплоизоляционными материалами, заключающиеся в пожарной безопасности, долговечности и относительно высокой прочности. До настоящего времени наиболее полными работами по технологии и свойствам материала являются монографии Б.К. Демидовича [1, 2]. В описанном им классическом варианте в качестве сырья используется порошковая композиция, состоящая из дисперсного сульфатного стекла и углерода. Газообразование и вспенивание композиции происходит в этом случае в результате протекания окислительно-восстановительной реакции:
Na2SO4+2C=Na2S+2CO2.
Сущность процесса газообразования заключается в восстановлении сульфатной серы S+6 в восстановленную сульфидную форму $-2. В результате сера находится в готовом материале не в виде сульфата, количество которого обычно не регламентируется в бытовых стеклах, а в виде газа сероводорода или в твердой фазе сульфидов. В последнем случае сульфиды все равно образуют сероводород при первом же контакте материала с парами воды воздуха в результате гидролиза. Причем количество сероводорода определяется органолептически в большинстве современных образцов пеностекла даже при незначительном повреждении поверхности материала.
В общем случае наличие серы (VI) в стекле не является исключительным фактом и характерно для многих стекол [3], когда сульфат натрия применяется как осветлитель стекломассы при варке стекла и определяет окислительно-восстановительные условия стекловарения [4]. Однако из сульфатной схемы газообразования очевидно выпадают технические решения производства пеностекла, основанные на переработке природных силикатов [5], и гранулированного пеностекла, производимого термообработкой в барабанной печи из дисперсного стекла на связке из жидкого стекла [6]. В этих случаях гидроксо-группы можно рассматривать как основу для
газообразования при синтезе ячеистых стекол из оксида кремния и гидроксида натрия, а газом, вспенивающим композицию, являются пары воды. Химический процесс газообразования в таком случае может быть описан следующим образом [7]:
«£Ю2 + 2т№ОН = (Ча20)т^Ю2)„ + т^О; + ,/Са(ОН)2 = (СаО);^Ю2)г + /ВД.
В результате пары воды выделяются из композиции при температурах термопластичности силикатных стекол и могут играть роль окислителя по отношению к углероду, что, в свою очередь, увеличивает объем образующихся газов и соответственно снижает плотность получаемого ячеистого материала.
Помимо сульфатного и гидратного механизмов газообразования известны и другие реагенты, способные выделять газообразные продукты при температурах термопластичности силикатных стекол. Наиболее известными газами, помимо вышеуказанных, являются углекислый газ и кислород. Для получения первого из них для вспенивания композиций используют обычно карбонат кальция [8], а для второго -оксиды марганца Мп02, Мп203 и Мп304 [9]. Дополнительным преимуществом от использования кислорода и углекислого газа для вспенивания композиции являются более выраженные окислительные свойства этих газов при температурах реакции, что допускает увеличение газообразования за счет добавления в исходную композицию угля и его последующее окисление.
Помимо разнообразия химических путей газообразования при получении пеностекла, имеются различные технические решения организации подготовки сырья. Так, помимо традиционного порошкового метода, когда сырцовая смесь для получения блочного пеностекла представляет собой частицы дисперсностью ниже 100 - 120 мкм, известны решения, когда сырец формируется в виде слоя сферических гранул [10] или блоков [11]. Поэтому на процесс расширения термопластичного силикатного стекла
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
влияет не только скорость газообразования, но и теплопередача в слое заготовки, а значит, способ ее приготовления, форма и теплопроводность. В результате попытки построить единую математическую модель, описывающую процессы, происходящие при термообработке сырьевой смеси при получении ячеистого материала, представляют собой неразрешимую в общем виде задачу. Описанные в литературе частные решения, например, для гранулированного пеностекла [12] или для прессованных заготовок [13], имеют значительное количество допущений, но тем не менее не дают удовлетворительных решений для практического применения. Поэтому на практике для оптимизации режимов термообработки заготовок необходимо прибегать к экспериментальным методам.
Особенно актуальной задача выявления оптимального режима термообработки стала при организации производств, основанных на методах, отличающихся от традиционной термообработки порошковой композиции и газообразования по сульфатному механизму. Реализация на практике производства блочного пеностекла с газообразованием по гидратному механизму и использованием сырца в форме гранул [14] и блоков [15] вызвала необходимость экспериментального выявления закономерностей тепло-переноса и связанного с ним образования ячеистого стекла.
Методика эксперимента
Цель настоящего исследования заключалась в изучении теплопереноса в монолитных силикатных заготовках при термообработке, сопровождаемой газообразованием при термопластичном состоянии материала. Для изготовления силикатных заготовок использовали метод гидротермального отверждения паст из дисперсного стекла в присутствии гидросиликатов. Для этого тарное натрий-кальциевое силикатное стекло размалывали в шаровой мельнице до прохождения через сито 100 мкм. Отдельно измельчался до аналогичной дисперсности трепел Инзенского месторождения. Применяли жидкое стекло с плотностью 1420 кг/м3 с силикатным модулем 2,6. В качестве дополнительного угле-родсодержащего газообразователя использовали пищевую сахарозу.
Для изготовления силикатных заготовок 1000 г порошка стекла смешивали в лопастном смесителе с 20 г порошка трепела. Рабочий
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
раствор готовили смешением 200 мл жидкого стекла и 200 мл воды. В качестве дополнительного углеродсодержащего газообразователя применяли сахар, который добавляли и растворяли в воде перед смешением с жидким стеклом. В экспериментах исследовали три состава с различным содержанием сахара. Состав 1 не содержал сахара, состав 2 имел 2,5 г сахара и состав 3 содержал 10 г сахара на вышеуказанную смесь.
Рабочий раствор при перемешивании добавляли к порошку до образования однородной пасты. Полученную пасту заливали в формы требуемого размера и помещали в термостат, в котором выдерживали 24 ч при 80 °C и относительной влажности 100 %. После гидротермальной обработки заготовки извлекали из форм в виде прочных блоков.
Для выявления условий теплопереноса силикатные заготовки получали в кубических формах с размерами ребра 1, 2, 4, 6 и 8 см.
Термообработку полученных заготовок проводили при 780 °С в муфельной печи, позволяющей проводить нагрев с заданной скоростью.
Результаты исследования
Ранее было установлено [16], что при температурах от 700 - 820 °С из заготовок, полученных по вышеописанной методике, образуются устойчивые пены, и заготовки расширяются с незначительным искажением формы. Особенности кинетики расширения заключаются в наличии индукционного эффекта при достижении заготовкой заданной температуры. Так при 720 °С задержка в начале расширения образца составляет 10 мин, а при 780 °С снижается до одной минуты. В связи с этим могут возникать такие условия, когда теплоперенос снаружи заготовки будет компенсироваться поглощением тепла при газообразовании, а образующийся слой пеностекла на поверхности заготовки будет препятствовать переносу тепла внутрь блока. Увеличение времени термообработки для прогрева внутренних слоев может препятствовать вспениванию всего объема вследствие кристаллизации. С технологической точки зрения это означает, что при определенном размере заготовок внутренняя область заготовок не будет образовывать ячеистую структуру при термообработке. Данное предположение было подтверждено экспериментально. На рис. 1 представлена зависимость плотности образцов пеностекла, полученных из кубических заготовок различного размера.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
В ходе экспериментов было установлено, что увеличение размеров заготовок целесообразно до линейных размеров 6 - 7 см.
Рис. 1. Зависимость плотности образцов пеностекла, термообработанных при 780 °С в течение одного часа от размера заготовок (стороны куба) для различного содержания сахара в заготовке: соответственно составы 1, 2 и 3 / Fig. 1. The dependence of the density of samples of foam glass, heat-treated at 780 °C for one hour on the size of the workpieces (side of the cube) for different sugar content in the workpiece: compositions 1, 2 and 3, respectively
Дальнейшее увеличение размеров заготовок приводит к подавлению вспенивания и нецелесообразно. Поэтому предлагаемая технология получения блочного пеностекла имеет ограничения по размерам заготовки и соответственно -получаемого изделия. Предположение о возможности удлинения индукционного эффекта с целью прогрева заготовки до начала газообразования в заготовке и блокировки интенсивной теплопередачи путем снижения скорости нагрева было проверено экспериментально. Результаты эксперимента представлены на рис. 2 для заготовок в форме кубов с размером стороны 6 см.
1000
900
800
S 700
1— 600
-Q Н 500
О 400
н 300
ri 200
100
0
\
материала давления, необходимого для вспенивания и расширения силиката по достижении последним термопластичного состояния. Поэтому для достижения наименьшей плотности изделия недопустимо применять скорости нагрева ниже 2,0 - 2,2 °С/мин и желательно применять максимальные скорости нагрева, допускаемые мощностью печи.
Выявленные ограничения на размер заготовок и скорость нагрева позволили реализовать на практике технические решения, обеспечивающие производство блочного пеностекла. На рис. 3 представлена фотография стены индивидуального дома из блочного пеностекла, изготовленного по технологии [14] из сферических гранул сырца, термообрабатываемых в замкнутых формах.
1 2 3 4 5 6 7 Скорость нагрева, °С/мин
Рис. 2. Зависимость плотности образцов пеностекла от скорости нагрева до 780 °С для различного содержания сахара в заготовке: соответственно составы 1, 2 и 3 / Fig. 2. The dependence of the density of the foam glass samples on the heating rate to 780 °C for various sugar content in the workpiece: compositions 1, 2 and 3, respectively
Очевидно, что при низких скоростях нагрева выделяющиеся газы диффундируют через материал заготовки и не могут образовать внутри
Рис. 3. Фото готовых блоков пеностекла 500x250x250 мм плотностью 210 кг/м3 в стеновой конструкции жилого дома, произведенных по технологии [14] / Fig. 3. Photo of finished foamglass blocks of 500x250x250 mm with a density of 210 kg/m3 in the wall structure of a residential building, produced by technology [14]
Размер сырцовых гранул 15 - 30 мм обеспечивает эффективную теплопередачу по глубине слоя сырца, а расположение у входа в туннельную печь секций с максимальной мощностью позволяет нагреть заготовки до температуры вспенивания с требуемой скоростью. Существенным технологическим недостатком процесса можно считать необходимость применения жестких металлических форм, которые вследствие расширения силикатного материала и последующего охлаждения внутри металлической формы, вызывают сжатие изделий после выхода из печи. Такая особенность технологии приводит к высокой доле брака.
Логическим развитием предложенного решения является термообработка заготовок вообще без формы, но представленные выше экспериментальные данные показывают ограничения по размеру заготовок. Техническим решением является изготовление пеностеклянных
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2020. № 2
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
плит крупных размеров путем термообработки набора из заготовок, каждая из которых не превосходит определенных выше экспериментально предельных размеров [15]. В результате реализации на практике данного технического решения открывается возможность промышленного производства пеностеклянных изделий, ограниченных по линейным размерам только размерами печи. Пример такого изделия представлен на рис. 4.
Рис. 4. Фото готовой плиты пеностекла 1200x800x250 мм плотностью 180 кг/м3, произведенной по технологии [14] / Fig. 4. Photo of a finished foamglass plate 1200x800x250 mm with a density of 180 kg/m3 produced by technology [14]
Таким образом, можно заключить, что вспенивание силикатной заготовки при производстве пеностекла существенно зависит от условий теплопереноса на стадии термообработки заготовок и, как следствие, от размера заготовок и режимов печи. Ограничения по размеру заготовок могут быть преодолены путем применения набора заготовок не более определенного размера, которые в процессе термообработки расширяются и образуют единое изделие больших размеров. Скорость нагрева при термообработке заготовок в промышленных условиях желательно обеспечить максимально возможную для данной печи.
Заключение
Основными проблемами в технологии блочного пеностекла, наряду с экологической опасностью и сырьевыми ограничениями сульфатного механизма газообразования, является сложность прогнозирования и расчета теплопе-реноса в сырцовом материале при реальном производстве. В данной статье были рассмотрены простые технические решения, подтвержденные экспериментально, по обеспечению качественной термообработки сырья. Показано, что использование комплекта небольших заготовок позволяет обеспечить эффективный теплоперенос при термообработке и получить качественные пеностек-
лянные изделия крупных размеров с плотностью 180 - 210 кг/м3, пригодные для жилищного строительства в качестве теплоизоляционного самонесущего материала.
Литература
1. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1972. 301 с.
2. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника. 1975. 248 с.
3. Минько Н.И., Морозова И.И., Биналиев И.М. Взаимодействие в смесях сульфат натрия - углерод в зависимости от дисперсности // Стекло и керамика. 2015. № 5. С. 16 - 22.
4. Минько Н.И., Биналиев И.М. Роль сульфата натрия в технологии стекла // Стекло и керамика. 2012. № 11. С. 3 - 8.
5. Пористые теплоизоляционные материалы на основе различных видов силикатного сырья / Б.М. Гольцман, Е.А. Яценко, В.С. Геращенко, Н.Ю. Комунжиева, Л.А. Яценко, В.А. Смо-лий, Чиа-Чи Ченг // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. 2020. № 1. С. 55 - 60.
6. Hesky D., Aneziris C.G., Groß U., Horn A. Water and waterglass mixtures for foam glass production // Ceramics International. 2015. No. 41. P. 12604 - 12613.
7. Вайсман Я.И., КетовЮ.А., КорзановВ.С., КрасновскихМ.П. Особенности химии газообразования при одностадийном синтезе пеностекла из гидроксида и нитрата натрия // Строительные материалы. 2018. № 11. C. 64 - 67.
8. Teixeira L.B., Fernandes V.K., Maia B.G.O., Arcaro S., Novaesde Oliveira A.P. Vitrocrystalline foams produced from glass and oyster shell wastes // Ceramics International. 2017. No. 9. Vol. 43). P. 6730 - 6737.
9. König Jakob, Petersen Rasmus R., Yue Yuanzheng, Suvorov Danilo. Gas-releasing reactions in foam-glass formation using carbon and MnxOy as the foaming agents // Ceramics International. 2017. No. 5. Vol. 43. P. 4638 - 4646.
10. Qu Y.-N., Xu J., Su Z.-G., Ma N., Zhang X.-Y, Xi X.-Q, Yang J.-L. Lightweight and high-strength glass foams prepared by a novel green spheres hollowing technique // Ceramics International. 2017. No. 42. P. 2370 - 2377.
11. Vaisman I., Ketov A., Ketov I. Cellular glass obtained from non-powder preforms by foaming with steam // Ceramics International. 2016. No. 42. P. 15261 - 15268.
12. Емельянов А.Н. Кинетика синтеза гранулированного пеностекла // Химия и химическая технология. 2006. № 11 (Т. 49). C. 141 - 142.
13. Дёмин А.М. Расчет свойств сырца пеностекла в интервале температур термообработки // Физика и химия стекла. 2013. № 4 (Т. 39). C. 660 - 666.
14. Патент на изобретение РФ № 2225373, МКИ С 03 С 11/00. Способ получения блоков пеносиликата / А.А. Кетов, И.С. Пузанов, М.П. Пьянков, Д.В. Саулин Заявл. 6.09.2002. - Опубл. 10.03.2004. Бюл. № 7.
15. Patent LV 14919, IntCl C03B 19/08. Stiklveida putu masas iegusanas panemiens blokuveida / Ketov A., Tolmachev A.-20.11.2014. '
16. Вайсман Я.И., Кетов А.А., Кетов Ю.А., Слесарев М.Ю. Кинетика расширения ячеистого стекла в термопластичном состоянии при гидратном механизме газообразования // Физика и химия стекла. 2017. № 4 (Т. 43). C. 43 - 50.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
References
1. Demidovich B.K. Production and application of foam glass. Minsk: Science and technology, 1972. 301 p.
2. Demidovich B.K. Foam glass. Minsk: Science and technology. 1975. 248 р.
3. Minko N.I., Morozova I.I., Binaliev I.M. The interaction in mixtures of sodium sulfate - carbon depending on the dispersion // Glass and Ceramics. 2015. No. 5. Рр. 16 - 22.
4. Minko N.I., Binaliev I.M. The role of sodium sulfate in glass technology // Glass and Ceramics. 2012. No. 11. Рр. 3 - 8.
5. Goltsman B.M., Yatsenko E.A., Gerashchenko V.S., Komunzhieva N.Yu., Yatsenko L.A., Smoliy V.A., Chia-Chi Cheng. Porous heat-insulating materials based on various types of silicate raw materials // University News. North Caucasus region. Technical Sciences. 2020. No. 1. Рр. 55 - 60.
6. Hesky D., Aneziris C.G., Groß U., Horn A. Water and waterglass mixtures for foam glass production // Ceramics International. 2015. No. 41. Pp. 12604 - 12613.
7. Vaysman Ya.I., Ketov Yu.A., Korzanov V.S., Krasnovskikh M.P. Features of the chemistry of gas formation during a one-stage synthesis offoam glass from hydroxide and sodium nitrate // Building Materials. 2018. No. 11. Рр. 64 - 67.
8. Teixeira L.B., Fernandes V.K., Maia B.G.O., Arcaro S., Novaesde Oliveira A.P. Vitrocrystalline foams produced from glass and oyster shell wastes // Ceramics International. 2017. No. 9. Vol. 43. Pp. 6730 - 6737.
9. König Jakob, Petersen Rasmus R., Yue Yuanzheng, Suvorov Danilo. Gas-releasing reactions in foam-glass formation using carbon and MnxOy as the foaming agents // Ceramics International. 2017. No. 5. Vol. 43. Pp. 4638 - 4646.
10. Qu Y.-N., Xu J., Su Z.-G., Ma N., Zhang X.-Y., Xi X.-Q, Yang J.-L. Lightweight and high-strength glass foams prepared by a novel green spheres hollowing technique // Ceramics International. 2017. No. 42. Pp. 2370 - 2377.
11. Vaisman I., Ketov A., Ketov I. Cellular glass obtained from non-powder preforms by foaming with steam // Ceramics International. 2016. No. 42. Рр. 15261 - 15268.
12. Emelyanov A.N. Kinetics of the synthesis of granular foam glass // Chemistry and Chemical Technology. 2006. No. 11. Vol. 49. Рp. 141 - 142.
13. Demin A.M. Calculation of the properties of raw foam glass in the temperature range of heat treatment // Physics and chemistry of glass. 2013. No. 4. Vol. 39. Рp. 660 - 666.
14. Ketov A.A., Puzanov I.S., Pyankov M.P., Saulin D.V. Method of foamed silicate production, RF, RU Patent 2225373 (2002).
15. Ketov A., Tolmachev A. Stiklveida putu masas iegusanas panemiens blokuveida, Latvia, Patent LV 14,919 (2014).
16. Vaysman Ya.I., Ketov A.A., Ketov Yu.A., Slesarev M.Yu. Kinetics of expansion of cellular glass in a thermoplastic state under the hydration mechanism of gas generation // Physics and chemistry of glass. 2017. No. 4. Vol. 43. Pp. 43 - 50.
Поступила в редакцию /Received 14 апреля 2020 г. /April 14, 2020
