Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы (стр. 40 )

В другой технологии фирмы «Корнинг» основное стекло варили с добавлением части щелочей в виде нефелинового сиенита, а вместо стеклобоя в шихту добавляли обрезки пеностекла вместе с селитрой. Добавка селитры и применение окислительной атмосферы в варочной печи гарантировали полное выгорание остатков углерода из отходов пеностекла. Так как процесс производства пеностекла требует определённого минимального содержания в стекле SO3, то в шихту вводили сульфат натрия, причём стекло не осветлялось. Затем стекломасса вытекала из выработочной части ванны при 980 °С на длинный транспортер из металлической сетки, где она быстро охлаждалась и стекло направлялось к дробилке. Стекольный порошок подавался в трубчатые мельницы, где стекло совместно с пенообразователем (активной сажей) размалывали кремневыми мелющими шарами. Готовую пенообразующую массу просеивали через вибросито с величиной отверстий 0,15 мм. Слой пенообразующей смеси в форме тщательно выравнивали для предотвращения образования неоднородностей в готовых блоках пеностекла. Перед заполнением пенообразующей смесью форму изнутри покрывали тонким слоем огнеупорного материала для предотвращения приклеивания блока пеностекла к форме. При вспенивании в печи смесь вначале спекалась в твердую, хрупкую массу, которая при дальнейшем нагревании растрескивалась на куски меньших размеров. Величину этих кусков необходимо регулировать соответствующим подбором режима печи (температура, время), т. к. при неравномерном спекании и растрескивании массы в блоке возможно образование больших полостей. При повышении температуры происходит вспенивание содержимого формы, которое в нужный момент прекращают снижением температуры. После повторного резкого нагрева формы, приводящего к освобождению блока, форму раскрывают, блок вынимают и сразу же переносят его в отжигательную печь. При предельно точной регулировке температуры печи общее время отжига блоков пеностекла толщиной 12,7 мм составляет 12 часов.

В способе производства пеностекла (пат. 63398 Чехословакия, опубл. 1936) с использованием карбоната кальция в качестве пенообразователя считалось возможным получение пеностекла с объемным весом 250-350 кг/м3 путем нагревания порошка стекла с добавкой 3 % карбоната кальция в закрытых формах при температуре 850 °С. При этом смесь порошка оконного стекла с 0,7 % молотого известняка и 0,7 % карбоната аммония нагревали в стальной форме в течение 75-140 мин при температуре 850-890 °С до вспенивания и полного заполнения пространства формы. После этого печь отключают и формы остывают до температуры 300 °С. При этой температуре их открывали, переносили в камеру с температурой около 300 °С, в которой пеностекло в течение 8 часов охлаждалось до температуры 20 °С. Полученное пеностекло имело ячейки диаметром от 3 до 5 мм относительно неравномерной структуры и обладало большим водопоглощением. Низкое качество пеностекла связано с восстановительной атмосферой в печи. Поэтому в дальнейшем перешли на пенообразующую смесь с пенообразователем-восстановителем в виде 0,5 % молотого кокса или активной сажи. При этом пенообразующую смесь приготовляли совместным помолом и перемешиванием в шаровой мельнице оконного стекла с добавкой 0,1-0,3 % активной сажи. Тонину помола регулировали так, чтобы минимально 90 % размолотого материала проходило через сито с величиной отверстий 0,06 мм. При вспенивании использовали стальные формы из листа, предохраняемого от действия высокой температуры напылением тонкого слоя алюминия, выжигаемого под защитным слоем жидкого стекла. Форму с тщательно разровненным слоем пенообразующей смеси помещали в печь при температуре 840 °С и выдерживали 60-90 мин до вспенивания. После короткого охлаждения на воздухе форму перекладывали в другую печь при температуре 620-660 °С, для того, чтобы пеностекло стабилизировалось. По истечении 20 мин форму вынимали, на воздухеизвлекали блок и помещали в отжигательную печь. При использовании вместо активной сажи в качестве пенообразователя 2 % чешуйчатого графита температура вспенивания при этом повышалась до 900 °С при одновременном увеличение времени вспенивания, приблизительно на 40-50 %, и снижении качества пеностекла.

В Чехословакии основным сырьём для получения пеностекла являлся [202] бой оконного стекла. В России средний состав листового оконного стекла (мас. %): SiO2 - 72; Al2O3 – 2; Fe2O3 – 0,1; CaO – 7; MgO – 4; Na2O – 14; K2O – 0,5; SO3 – 0,4. Состав тарного стекла (% по массе): зелёные бутылки - SiO2 - 72; Al2O3 – 2,5; Fe2O3 – 0,2; CaO – 6; MgO – 4; Na2O – 15; Cr2O3 – 0,1; SO3 – 0,24; обесцвеченное стекло - SiO2 - 73; Al2O3 – 2,5; Fe2O3 – 0,05; CaO – 6; MgO – 3,8; Na2O – 14,2; SO3 – 0,5. В качестве пенообразователя использовались добавки (0,1-0,3 %) активных видов сажи (из производства шин). Пенообразующая смесь готовилась совместным помолом и перемешиванием компонентов в шаровых мельницах. Использовались разборные формы (пат. 88625 Чехословакия, опубл. 15. 02. 1959), состоящие (рис. 50) из основной пластины 1, верхней крышки 2 и двух бортов 3. Пластина и крышка снабжены захватами 4, полученными в результате загибания вверх прямоугольных выступов. Края бортов согнуты под углом 45° и образуют фланцы 5, способствующие фиксации отдельных частей формы. Поверхность формы защищалась нанесением алюминия под защитным слоем жидкого стекла. Алюминий частично диффундирует в поверхностный слой листа и образует коррозионностойкую пленку.

Печь для вспенивания (пат. 92076 Чехословакии, опбл. 5. 10. 1959) состоит (рис. 51) из трёх последовательно расположенных зон: вспенивания 1, охлаждения 2 и стабилизации 3. Части 1 и 3 выполнены в виде шамотной клади, изолированной снаружи фасонным шамотным легковесом, а зона охлаждения-в виде кожуха с вентиляционными клапанами 4 наверху, внизу и по блокам. От зоны вспенивания 1 и зоны стабилизации 3, зона охлаждения отделена шамотной заслонкой 5, вплотную с крышкой проходящих форм. Причём подобные заслонки имеются и в начале зоны вспенивания и на конце зоны стабилизации. Формы 6 через печь перемещаются роликовым транспортером 7 и обогреваются горелками 8 сверху и снизу. Топочные газы проходят через печное пространство, омывая формы и отводятся в каналы 9 в своде печи, которые регулируются клапанами и шибером у входа в трубу. Зона охлаждения не отапливается. Блоки пеностекла отжигаются в конвейерной отжигательной печи общей длиной 25 м. Заданное распределение температуры в печном пространстве, безусловно, необходимое для отжига пеностекла, достигается созданием циркуляции топочных газов с помощью вентиляторов, размещённых в потолке туннеля.

Рис. 50. Разборная форма для производства пеностекла по двухстадийному способу

В печи для вспенивания форма нагревается в течение 30 мин до температуры вспенивания 830 °С и в течение последующих 20 мин пенообразующая смесь вспенивается и заполняет форму до крышки. Затем форму передвигают в зону охлаждения, где она в течение последующих 10-15 мин охлаждается до температуры 400-500 °С, при этом затвердевает поверхность пеностекла и в следующей зоне стабилизации при температуре 620-660 °С в течение 30 мин происходит выравнивание температуры внутри блока. Затем форму открывают и освободившийся блок пеностекла переносят в обжиговую печь. Причём на транспортёр печи блоки ставят на более узкую грань, а температура в начале печи колеблется от 530 до 750 °С. Медленное охлаждение в отжигательной печи до температуры 20 °С является весьма важной и сложной операцией и в зависимости от толщины блоков длится от 12 до 20 часов.

Процесс вспенивания продолжается на протяжении строго определённого времени, после чего температуру резко снижают. При резком возрастании вязкости пена становится устойчивой и в таком виде окончательно закрепляется. Затем блок или изделие из пеностекла постепенно охлаждают. Таким образом, в процессе пенообразования вся масса представляет пластичную систему с чрезвычайно высокой вязкостью, в которой равномерно распределён пенообразователь, выделяющий газ и создающий устойчивую и равномерную пену стекла.

Механизм образования пены в пеностекле до известной степени аналогичен механизму образования пены в высоковязких жидкостях. При этом под пеной подразумевают дисперсную систему различной устойчивости с развитой поверхностью раздела жидкость-газ, образующейся при пропускании газа через жидкость, при её кипячении или встряхивании. Пена до застывания является неустойчивой системой, стремящейся уменьшить до минимума поверхность раздела, т. е. поверхность плёнок пены.

При образовании пены основное значение имеют определённая вязкость жидкости и низкое поверхностное натяжение на границе жидкость-газ. Вязкость должна противодействовать разрыву пленки, а низкое поверхностное натяжение-способствовать её утоньшению. Поэтому для пенообразования недостаточно, чтобы жидкость имела только высокую вязкость, а её поверхностное натяжение, при высокой вязкости, должно быть низким.

Рис. 51. Печь для вспенивания при двухстадийном производстве пеностекла

Для жидкостей, способных вспениваться, различают 2 вида вязкости: внутреннюю вязкость или внутреннее трение; поверхностную вязкость, которая тормозит движение вещества на поверхности раздела жидкость-газ. В процессе пенообразования определяющую роль играют поверхностная вязкость и поверхностное сопротивление сдвигу. Устойчивость пены, в которой содержатся твердые частицы, зависит от концентрации пенообразователя, сродства между пенообразователем, аморфно-твердой фазой и её дисперсностью. Оптимальная дисперсность пенообразователя в наиболее устойчивых пенах находятся между коллоидной дисперсностью и дисперсностью грубых суспензий. Особенно устойчивые пены получаются в тех случаях, когда ПАВ имеют твердые поверхностные слои.

При термической обработке пеностекольной шихты в интервале температур, близких к началу размягчения стекла, сначала расплавляются и слипаются поверхностные слои крупинок, а внутренние слои этих крупинок остаются ещё аморфно-твердыми. При дальнейшем подъеме температуры, когда начинает проявляться действие пенообразователя в результате диссоциации или сгорания, вся система увеличивается в объеме – вспенивания. Основными факторами, обеспечивающими устойчивость пены до полного застывания пеностекла, являются: вязкость стекла; поверхностное натяжение; парциальное давление, развиваемое пенообразователем. Кроме этих факторов, в процессе образования пеностекла по принятой технологической схеме определенное значение имеют: зерновой состав стекольного порошка; зерновой состав пенообразователя; количество и природа пенообразователя; характер кривой диссоциации пенообразователя; условия предварительного подогрева шихты. Текстура пеностекла определяется совокупностью всех этих условий.