Теплоизоляционные материалы на основе отходов стекольного производства

На правах рукописи

Матинян симак самвелович

Теплоизоляционные материалы

на основе отходов стекольного производства

Специальность 05.23.05 – строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель:

Чл.-корр. РААСН, доктор технических наук, профессор Алоян Роберт Мишаевич ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Христофоров Александр Иванович ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет»
	советник РААСН, доктор технических наук, профессор Калашников Владимир Иванович ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» _____________________________________
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс», г. Орел

Защита состоится «24» декабря 2011 года в 10 часов на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.062.05 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20, ауд. Г-204 ( http://www.igasu.ru ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан «23» ноября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент Заянчуковская Н.В.

общая характеристика работы

Актуальность работы. Вопросы, посвященные созданию теплоизоляционных материалов, не нуждающихся при их производстве значительных затрат имеют большое теоретическое и прикладное значение. Чаще всего для теплоизоляции применяют легковесные огнеупоры и штучные изоляционные материалы. Их изготавливают путем обжига отформованных изделий, что требует значительных энергетических затрат, удлиняет технологический цикл и базируются на использовании дорогостоящих сырьевых компонентов. В большинстве случаев при их изготовлении применяются различные порообразователи, усложняющие технологию производства. Предприятия, выпускающие легковесный шамот – основной вид теплоизоляционного материала, не в состоянии покрыть потребность промышленности. Поэтому вопрос о производстве новой, более эффективной теплоизоляции является очень острым.

Среди перспективных материалов для тепловой защиты промышленных тепловых агрегатов, особое место принадлежит группе веществ, создаваемых на основе кремнезема, в том числе кварцевому стеклу. Кварцевое стекло обладает комплексом ценных физико-химических свойств: термостойкостью, огнеупорностью, химической и радиационной стойкостью, прозрачностью в широком диапазоне длин волн, высокими электроизоляционными свойствами.

Способы получения изделий из кварцевого стекла резко отличаются от методов, принятых в технологии обычного стекла. Последнее обусловлено исключительно высокой вязкостью расплава кремнезема и вместе с тем повышенной его летучестью. Эта проблема успешно решается применением принципов керамической технологии, вследствие чего устраняются ограничения в отношении величины и конфигурации изделий, получаемых материалов. Материал, получаемый на основе кварцевого стекла по керамической технологии – кварцевая керамика, по сравнению с кварцевым стеклом, обладает повышенными термостойкостью и теплоизоляционными свойствами.

Одним из перспективных направлений производства легких теплоизоляционных материалов на основе кварцевой керамики является применение метода самоуплотняющихся масс из отходов стеклолитейного производства с использованием явления вспучивания полистирола. Немаловажным фактором в этом случае является возможность применения для производства побочных продуктов самой стекольной промышленности, а также вторичное использование огнеупоров – боя шамота. Это снижает расход материалов и энергозатраты и способствует улучшению экологической обстановки. Комплексное применение отходов промышленности с целью получения новых теплоизоляционных материалов с регулируемыми свойствами на основе кварцевой керамики определяют актуальность данной работы.

Работа выполнена в соответствии с планом приоритетных направлений НИР ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет», а также развития науки и техники Правительства Российской Федерации №2727 1П-П8 от 21.07.1998 раздел «Технология реабилитации окружающей среды от техногенных воздействий».

Целью работы является разработка составов и технологии производства теплоизоляционных изделий на основе кварцевой керамики из материалов стеклолитейной отрасли по малоэнергоемкому способу с использованием отходов промышленности. Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:

- изучить специфику физико-химических процессов, происходящих при одновременном тепловом и силовом воздействии на кварцево-полистирольные и шамотно-кварцево-полистирольные массы при формовании, сушке и обжиге;

- найти зависимости между физико-механическими и теплофизическими характеристиками шамото-кварцево-полистирольных легковесов от технологических параметров;

- на основе статистической обработки результатов экспериментов построить математическую модель для оптимизации состава формовочной массы, технологических параметров производства готовых изделий и с целью прогнозирования свойств легковесов;

- дать технико-экономическое обоснование целесообразности и эффективности разработанной технологии.

Научная новизна

- обоснована и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности получения легковесных теплоизоляционных материалов на основе кремнеземистых отходов стекольного производства с использованием явления вспенивания полистирола в момент интенсивного электропрогрева формуемых масс;

- установлена целесообразность модификации свойств формовочной массы за счет введения в его состав шамота определенной дисперсности в качестве активного наполнителя многофункционального назначения, интенсифицирующего процесс вытеснения влаги в период формования композита;

- найдена зависимость между массопроводящими формовочной массы от количества и гранулометрического состава вводимого шамота;

- установлена взаимосвязь между однородностью и удобоукладываемостью формовочной массы от содержания пенополистирола, а также найден режим электроподогрева и его влияния на физико-механические свойства теплоизоляционных изделий на основе стеклоотходов;

- разработана математическая модель технологии производства, позволяющая произвести анализ влияния отдельных переделов, таких как формование, совмещенного с тепловым воздействием, сушка и обжиг и решить оптимизационную задачу.

Практическая значимость

- разработаны составы и технология производства высокопористого теплоизоляционного материала на основе отходов стеклолитейного производства. Получены материалы со средней плотностью 400-700 кг/м3, прочностью при сжатии 1,5-4,5 МПа и теплопроводностью при температуре 500-600 0С на горячей поверхности 0,11-0,18 Вт/м К.

- обоснованы возможности получения качественного теплоизоляционного материала при значительном сокращении времени сушки и обжига, сокращении количества брака.

- установлено, что утилизация отходов производства приведет к снижению площадей отведенных под отвалы, исключению расходов на их содержание, что в целом приведет к улучшению экологических условий местности.

Реализация результатов исследования

Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на Ивановском керамическом заводе (ОАО «Ивстойкерамика») в цехе экспериментальных исследований, выпущена опытная партия теплоизоляционного материала со средней плотностью 400-600 кг/м3 и прочностью при сжатии 3,5 МПа.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: XV Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» г. Иваново 2008 г., XVIII Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» г. Иваново 2011 г., V научная конференция аспирантов и соискателей, ИГАСУ, г. Иваново, 2007 г., VI научная конференция аспирантов и соискателей, ИГАСУ, г. Иваново, 2009 г.,

Публикации результатов

По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных трудов, включая материалы вузовских, международных научно-технических конференциях, а также 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся

- теоретические предпосылки и результаты экспериментальных исследований возможности получения теплоизоляционных изделий из отходов стекольного производства с использованием явления вспенивания полистирола;

- результат исследований механизма массопереноса в системе кварц-полистирол-шамот с образованием крупных пор, обуславливающих минимальное сопротивление перемещению влаги в процессе термической обработки;

- экспериментально установленные закономерности направленного формирования теплоизоляционных и физико-механических свойств легковеса на основе кварцевой керамики в зависимости от технологических параметров;

- математические модели и результаты оптимизации влияния основных рецептурных факторов на структуру, физико-механические и эксплуатационные свойства предлагаемого материала;

- новые составы теплоизоляционного материала со средней плотностью 400-700 кг/м3 и теплопроводностью 0,11-0,18Вт/мК;

- практические рекомендации по проектированию технологических линий по производству теплоизоляционных легковесов, а также результаты опытно-промышленной реализации результатов работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введение, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения, изложена на 140 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц, 44 рисунка, библиографический список из 127 наименований и приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов исследований, даны цель и задачи основных направлений исследования, представлены данные о структуре работы. Показана целесообразность использования технологии производства теплоизоляционных огнеупоров на основе отходов стеклолитейной промышленности и полистирола, с применением методов электропрогрева формуемой массы.

В первой главе диссертационной работы представлен критический анализ состояния зарубежной и отечественной теории и практики получения теплоизоляционных материалов, обладающих невысокой объемной массой. Установлено, что среди материалов для тепловой защиты промышленных тепловых агрегатов, особое место принадлежит группе материалов на основе кварцевого стекла, так как оно обладает комплексом ценных физико-химических свойств: термостойкостью, огнеупорностью, химической и радиационной стойкостью. Один из перспективных способов получения изделий на основе кварцевого стекла заключается в применении принципов керамической технологии.

Первые публикации, посвященные технологии изготовления огнеупорных теплоизоляционных материалов на основе кварцевой керамики, их свойствам и применению относятся к 1960 г. и связаны с именами таких ученых как П.П. Будников, Ю.Е. Пивинский, А.Г. Ромашин, Н.В. Соломин, Н.В. Голубева, Р.Я. Попильский, И.Е. Нишанова, И.Я. Гузман, Н.И. Прудников и др. Ими установлено, что получение кварцевой керамики возможно методом шликерного литья, полусухого прессования, горячего литья и обжига при температуре 1200-1300°С, а в качестве исходного сырьевого материала может применяться природный кристаллический и синтетический аморфный кремнезем, а также стекла на его основе. Для снижения средней плотности ими предложены методы подготовки шихты с использованием пенообразователей и рядя выгорающих добавок. Однако использование пеномасс усложняет технологию производства и приводит к неоднородности структуры материала. Выгорающие же добавки зольным остатком загрязняет спекаемую массу, что приводит к явлению локальной кристаллизации, приводящей к снижению физико-механических свойств изделий.

Нами было предположено, что применением в качестве выгорающей добавки беззольного материала, с заданным гранулометрическим составом, можно решить вышеуказанные недостатки и получить теплоизоляционные материалы с равномерной структурой, низкой средней плотностью и высокой прочностью. На роль такой добавки был выбран бисерный полистирол (ПСВ), с фракцией менее 0,5 мм, который при выгорании не создает золы, а такой размер фракции является некондиционным и относится к отходам производства, но при использовании в качестве выгорающей добавки позволяет формировать равномерную мелкопористую структуры материала. В качестве кремнеземистого компонента были использованы отходы стеклолитейного производства с содержанием кремнезема 95%.

Во второй главе выбран объект исследования и даны подробные характеристики применяемых материалов. Определены методы исследования основных физико-механических свойств полученного материала.

В главе представлена разработанная новая технология производства кварцевой керамики, включающая подготовку суспензии из тонкомолотого до размера менее 30 мкм кремнезема и алюмосиликатного наполнителя, в качестве которого был выбран бой шамота с содержанием алюминия более 60%, ее смешение с полистиролом и отливку в закрытую перфорированную форму. Формование велось по технологии формования массы при электроразогреве за счет явления вспучивания пенополистирола.

В третьей главе приведены теоретические и практические предпосылки получения теплоизоляционных материалов и изделий на основе кварцевой керамики. Процесс формования сырца с использованием явления вспенивания полистирола рассмотрен как фактор, обеспечивающий стабилизацию структурообразования и компенсатор усадочных явлений, а также как фактор, способствующий образованию более прочных контактов между частицами огнеупорной массы.

Сырец, сформованный из массы, содержащей оксиды кремния, относятся к капиллярно-пористым телам. Капиллярно-пористые свойства дисперсного кремнезема проявляются при его контакте с водой, поэтому для раскрытия механизма свойств композита было рассмотрено строение системы дисперсный кремнезем – вода. Показано, что четырехвалентный кремний всегда окружен четырьмя ионами кислорода и образует вместе с ним характерные для этого строения тетраэдры SiO4. Из них два тетраэдра SiO4 имеют общий ион кислорода. В процессе диспергирования как кристаллического, так и аморфного SiO2 происходит разрушение этих тетраэдров. На дисперсной поверхности появляются элементы, соответствующие следующему стехиометрическому составу [] и

Рассматривая кремнийсодержащую систему согласно учению П.А. Ребиндера установлено, что при диспергировании кремнезема в водной среде происходит прямое образование гидроксидных групп путем адсорбции ионов H+ и OH+ на поверхности кремнезема (SiO2). Количество связанной воды в виде первой мономолекулярной пленки адсорбированной на поверхности SiO2 определяется общей поверхностью вновь образованных частиц SiO2. Гидратация SiO2 в водной среде имеет ограниченный характер и зависит от поверхности взаимодействующих фаз. При этом частицы кварцевого составляющего в суспензии могут рассматриваться как соединение оксида кремния (SiO2) с ионизированной кремниевой кислоты. Ионы водорода входящие в дисперсионную среду заряжаются отрицательно, благодаря этому достигается устойчивость частиц кремнезема.

Частицы, находящиеся в дисперсном состоянии могут удерживать на своей поверхности сольватную оболочку, состоящую из значительного количества слоев воды. Сила, с которой внешние слои воды удерживают частицы находящиеся в дисперсном состоянии, уменьшается по мере удаления от поверхности. В случае, когда водоудерживающая сила неспособна дополнительно удерживать новые слои, эта вода становится свободной.

Исходя из выше изложенных представлений о строении формовочной массы, можно судить о возможности направленного изменения ее свойств с целью улучшения ее водопроводящих свойств путем модификации структурно-механических характеристик. Анализ различных технологий позволил выделить наиболее приемлемый эффективный способ по интенсификации водопроводящих свойств – стабилизацию суспензий за счет интенсивного механического перемешивания, позволяющего предельно уменьшить долю воды на поверхности твердых частиц при равных значениях вязкости и за счет уменьшения общей влажности введением отощающих крупнозернистых добавок шамота.

Окончательные физико-механические характеристики теплоизоляционных изделий из кварцевой керамики достигаются путем обжига. Установлено, что при спекании процесс формирования свойств может быть осложнен кристаллизацией. Образование в кварцевой керамике очагов кристобалита может привести к ее разрушению и возрастанию объемной массы, снижению пористости. На рис. 1 представлена зависимость пористости кварцевой керамики от температуры обжига.