1.2 Описание существующих способов производства пеностекла

Впервые способ получения пеностекла был разработан в 1932 г. в МХТИ им. Д. И. Менделеева. Промышленное производство пеностекла было осуществлено на константиновском заводе «Автостекло». До 1956 г. производилось пеностекло по двухстадийному способу: вспенивание блоков в формах осуществлялось в туннельной печи, а их отжиг — в отжигательной печи. Этот способ был малопроизводителен и требовал дополнительных трудоемких операций по извлечению блоков из форм. Переход на одностадийный способ, по которому оба технологических процесса — вспенивание и отжиг — совмещены в один, позволил значительно увеличить производительность установок и снизить себестоимость продукции.

Впервые одностадийный способ производства пеностекла был освоен на Гомельском стекольном заводе. Позднее аналогичный цех был построен на заводе «Мос–керамика».

В настоящее время основной технологией производства пеностекла является так называемая "порошковая": тонкоизмельчённое силикатное стекло (частицы 2–10 мкм) смешивается с газообразователем (обычно – углеродом), получившаяся однородная механическая смесь (шихта) в формах, либо на конвейерной ленте поступает в специальную туннельную печь. Для получения теплоизоляционного пеностекла со средней плотностью 160–180 кг/м³ применяют порошки стекла с удельной поверхностью около 6000 см²/г и углеродистые газообразователи с такой же или значительно большей удельной поверхностью: кокс, антрацит, сажу, известняк, мрамор.

В результате нагрева до 800 – 900°С частицы стекла размягчаются до вязко–жидкого состояния, а углерод окисляется с образованием газообразных СО₂ и СО, которые и вспенивают стекломассу. Механизм реакции газо– и пенообразования достаточно сложен и не ограничивается только реакцией окисления углерода кислородом воздуха, более важную роль играют окислительно-восстановительные процессы взаимодействия углерода с компонентами размягчённого стекла.

Производство качественного блочного пеностекла справедливо считается весьма технически непростой задачей. Причиной тому является сложность физико-химических процессов непосредственно при вспенивании, а также строгие требования к процессам фиксации и охлаждения (отжига) готовой пены. Так, например, фиксация усложняется тем, что стеклу не свойственно резкое твердение при охлаждении (подобно кристаллизации при переходе воды в лёд), а фиксация пеностекла может сопровождаться такими "мешающими" процессами, как экзотермические реакции в стеклянном расплаве, спонтанная кристаллизация (девитрификация) стекломассы, существенная неоднородность температурного поля в вспененном массиве и т.п. Правильно охладить вспененный блок также непросто – материал обладает крайне низким коэффициентом теплопроводности при известной хрупкости тонких стеклянных ячеек пены. В результате отжиг растягивается на 10–15 часов и накладывает существенные ограничения на высоту (толщину) отжигаемых блоков (допустимая скорость охлаждения обратно пропорциональна квадрату толщины).

Технология производства пеностекла включает в себя: подготовку стеклянного порошка заданной гранулометрии, введение и размешивание добавок пенообразователя, вспенивание смеси при повышенной температуре с получением блоков, отжиг и механическую обработку блоков пеностекла. Технология предусматривает поточное производство с высоким уровнем механизации и автоматизации, отсутствие промышленных отходов и выделений вредных веществ.

Сырьем при производстве пеностекла могут служить обычные материалы для стекольного производства, отходы от производства стекла и стеклобой изделий, вторичный стеклобой, собранный у населения или на предприятиях общественного питания.

Еще одной важной особенностью технологии производства пеностекла является возможность использовать различные виды энергии: природный газ, мазут, электроэнергия для вспенивания стекла, что дает возможность организовать производство в различных регионах страны и выбора наиболее экономически эффективного источника энергии для данного региона.

Процесс производства пеностекла начинается с варки стекла заданного состава в ванной печи. Для получения теплоизоляционного пеностекла чаще всего применяют стекла, близкие по химическому составу к составам листовых и тарных стекол с повышенным содержанием щелочных оксидов. Составы стекол, %: SiО₂ — 72–73; Al₂О₃ — 0,5–2; CaО — 6–8; MgО 1–4; Na₂O — 15,5–16,5; SO₃ — 0,3–0,5. Для некоторых специфических условий применения пеностекла могут применяться составы стекол, значительно отличающиеся от приведенных выше, например, боросиликатные и малощелочные. Так, для изоляции промышленных холодильных установок рекомендуется химически стойкое стекло следующего состава, %: SiО₂ — 71,6; Al₂О₃ — 1,3; В₂О₃ — 1,9; СаО — 3,7; MgО — 2,8; Na₂O — 12,7; SO₃ — 0,3; As₂О₃ — 0,1; Sb₂О₃ — 0,2.

Варку стекла проводят без осветления. Хорошо проварившуюся, но не осветленную стекломассу гранулируют и направляют на помол. При использовании в качестве сырья стеклянного боя или стекловидных горных пород в технологии производства пеностекла отсутствуют варка стекломассы и грануляция.

Пеностекольную шихту составляют либо совместным помолом и смешиванием предварительно дозированного стекла и газообразователя, либо раздельным помолом компонентов шихты и последующим их смешиванием. Чаще применяют совместный помол и смешивание пеностекольной шихты. При совместном помоле стекла и углеродистых газообразователей, в особенности сажи, помол стекла значительно ускоряется вследствие действия углеродистых газообразователей как поверхностно–активных веществ. Помол и смешивание компонентов пеностекольной шихты производят в многокамерных трубчатых мельницах.

Вспенивание — один из наиболее важных процессов в технологии пеностекла, влияющих на структуру и свойства пеностекла. Его вспенивают в специально предназначенных для этого термических печах. Для проведения вспенивания пеностекольную шихту засыпают в формы из легированной стали, которую накрывают крышкой, зеркально повторяющей ее очертания. Кроме этого типа форм в производстве пеностекла применяют и другие виды форм. Перед засыпкой пеностекольной шихты внутреннюю поверхность формы покрывают меловой или каолиновой пастой. После засыпки поверхность шихты разравнивают, а в некоторых случаях шихту в форме уплотняют путем вибрации, предотвращающей прилипание пластичной стекломассы к стенкам форм в процессе вспенивания. В формы засыпают до 4–5 кг пеностекольной шихты. Вспенивание, отжиг и охлаждение пеностекла можно производить одностадийным и двухстадийным способами. При одностадийном способе вспенивание пеностекольной массы, отжиг и охлаждение блоков производят в формах в непрерывно действующей туннельной печи. При двухстадийном способе блоки пеностекла после завершения вспенивания извлекают из форм и направляют на отжиг и охлаждение в печь отжига, аналогичную печам для стеклоизделий. Наиболее распространен двухстадийный способ. Он требует меньшего числа форм, облегчает автономное регулирование температурного режима вспенивания, улучшает условия отжига пеностекольного блока.

При двухстадийном способе пеностекольная шихта в металлических формах проходит термическую обработку по следующему режиму. В печи вспенивания при 800–850°С шихта нагревается и вспенивается. Под действием высокой температуры происходит размягчение частиц стеклянного порошка и его спекание. Газы, выделяющиеся при сгорании или разложении газообразователя, вспучивают вязкую стекломассу. Нагрев длится около 60, вспенивание — 20–30 мин. Затем формы с пеностеклом резко охлаждают в течение 15–20 мин. . При охлаждении образуется материал с ячеистой структурой. Дальнейший процесс стабилизации при 600°С длится 30–40 мин. Таким образом, через 125–150 мин термическая обработка в печи вспенивания заканчивается, пеностекольные блоки извлекают из форм и помещают в лер отжига. Отжиг и охлаждение пеностекольных блоков до 30°С весьма длительный и ответственный этап термической обработки пеностекла.

В отличие от массивного стекла температуру при отжиге пеностекольных блоков нужно снижать вначале быстрее, затем медленнее. От 600 до 500–450°С может быть принята скорость 1–1,5 °С/мин, затем до полного охлаждения (до 30°С) — 0,6–0,7°С/мин.

Более рациональным и экономичным является отжиг пеностекла, осуществляемый в три этапа с трехкратным изменением скорости охлаждения. Скорость охлаждения на первом этапе термообработки (650–560°С) может меняться в достаточно широких пределах от 1 до 5 °С/мин и более. Основную роль в отжиге пеностекла играет второй этап термообработки (560–480°С), скорость охлаждения на нем не должна превышать 0,5–2 °С/мин. Напряжения, образовавшиеся на третьем этапе термообработки (480–30°С), носят временный характер и поэтому могут достигать предела прочности на растяжение слоев пеностекла. Поэтому скорость охлаждения на третьем этапе можно принять от 1 до 5°С/мин. Медленное охлаждение (отжиг) способствует равномерному остыванию изделий по всему объему. Поэтому в них не возникают внутренние напряжения, не образуется трещин.

При одностадийном способе, вспенивание и отжиг осуществляется в одной печи, и режим отжига соответствует вышеописанному. Двухстадийный способ подразумевает проведение вспенивания и отжига в отдельных печах с транспортировкой изделий по воздуху. В результате имеет место резкое изменение температуры (термоудар) в верхнем интервале отжига (при 650°С), которое может привести к разрушение изделий. Для сохранения прочности изделий, продолжительность перекладки не должна превышать 3 минуты.

Блоки пеностекла после отжига поступают на обработку для придания им прямоугольной формы путем спиливания неровностей и шлифования поверхностей.

Пеностекло можно также производить в виде непрерывной ленты в печи вспенивания длиной около 20 м. Шихту засыпают в лотки, изготовленные из жаростойкой стали, выполненные в виде поддонов шириной 1000 мм и длиной 1600 мм; причем по длинной стороне имеются выступы высотой 100 мм, которые образуют боковые стенки желоба. Формы устанавливают на направляющие и с помощью толкателя продвигают вдоль печи.

В результате последовательной стыковки лотков вдоль печи вспенивания образуется сплошной желоб или периодически перемещаемая подложка, на которой вспенивается лента пеностекла. Ленту пеностекла по выходе из печи распиливают на блоки, затем они поступают на отжиг. Освобожденные от пеностекла поддоны при помощи роликового конвейера, проходящего под печью, перемещаются обратно к загрузочному концу печи вспенивания.