Ячеистое стекло — высокопористый теплоизоляционный мате­риал ячеистой структуры, в котором равномерно распределенные поры разделены тонкими перегородками из стекловидного веще­ства. Свое второе название — пеностекло — материал получил благодаря внешнему виду, напоминающему застывшую пену.

Известно несколько способов получения ячеистого стекла: вве­дение в состав шихты веществ, обильно выделяющих газообраз­ные продукты в процессе варки стекла; продувание стекольного расплава воздухом или газами; вспучивание размягченного стек­ла под вакуумом в результате расширения воздуха, содержаще­гося в стекломассе; смешивание тонкодисперсного стекольного порошка с технической пеной и последующее закрепление пори­стой структуры стекломассы спеканием; спекание смеси, состоя­щей из порошкообразного стекла и газообразователя (порошко­вый способ).

В отечественной практике получил применение порошковый способ, который позволяет направленно регулировать свойства ячеистого стекла в широких пределах.

Виды и свойства ячеистого стекла: изоляционно - строительное, используемое для утепления ограждающих конст­рукции зданий; изоляционно-монтажное, применяющееся для изо­ляции установок глубокого и умеренного холода, промышленного оборудования и теплопроводов с рабочей темперагуроп до 400°С; влагозащитное, характеризующееся нодоноглощенпем за.%0 сут не более 1,8% їв) обьему; специальною назначения (Пеещелочнос п высококрсмпеземисюе, применяющееся для тепло - и элсктро- изоляцин приборов и аппаратов и характеризующееся высокой

Прочностью, термостойкостью, радиопрозрачностью (температура применения — до 600°С для бесщелочного ячеистого стекла и до 1200°С для высококремнеземистого); декоративно-акустическое (звукопоглощающее); фильтрующее, характеризующееся мелкой сообщающей пористостью.

Если два последних вида ячеистого стекла должны иметь от­крытую сообщающуюся пористость, то при производстве всех остальных видов стремятся получать мелкопористую структуру с замкнутыми равномерно распределенными порами.

В табл. 8.1 приведены основные свойства некоторых видов ячеистого стекла.

Таблица 8.1. Виды и основные свойства ячеистого стекла Показатель Виды ячеистого стекла Изоляциоино - сгроитсльнос Изолпционно - м шпажное Оссщелочиос Влагозащит­ное Средняя плотность Теплопроводность при 20"С, Вт/ (м °0 Прочность, МПа: при сжатии при изгибе Допустимая температура применения, °С 150... 250 0,06... 0,087 0,8... 2,0 0,5... 1,0 400 130 .160 0,055... 0,07 0,5... 0,8 0,3 ...0,4 От 400 До —160 350... 500 0,1 ...0,125 3... 5 1,0... 1,5 600 140.. 180 0,06... 0,07 0,6... 0,9 0.4 . 0,6

Характер пористой структуры ячеистого стекла направленно изменяют путем корректировки химического состава сырья, под­бора газообразователя, его дисперсности и расхода, а также пу­тем изменения режима спекания, влияя на интенсивность газо­образования и реологические свойства (вязкость) поризуемой стекломассы.

Для получения равномерно распределенной пористости необ­ходимым условием является равномерное распределение газооб­разователя в объеме исходной шихты.

Средняя плотность ячеистого стекла регулируется изменением температуры и продолжительности вспенивания, подбором газо­образователя, степенью дисперсности порошков стекла и газооб­разователя. Зависимость средней плотности от температуры вспе­нивания для различных газообразователей и от продолжительно­сти вспенивания, а также от дисперсности шихты приведена на рис. 8.1, а, б, в.

Изменяя технологические параметры, можно получать ячеис­тое стекло со средней плотностью от 130 до 800 кг/м3.

Прочность ячеистого стекла значительно выше, чем любого другого ячеистого материала из неорганического сырья Напри­мер, у ячеистого стекла и ячеистого бетона марки 300 коэффици­енты конструктивного качества соответственно равны 10 и 3,3. Это обт>ясняется более высокой плотностью и прочностью меж-
поровых перегородок, сформированных нз стекла. Зависимость прочности при сжатии (Rcж) ячеистого стекла от средней плотно­сти (рср) в пределах 150...700 кг/м3 может быть выражена фор­мулой, МПа:

Tf« = (0,2pcl.--20)(U. (8.1)

Водопоглощеиие ячеистого стекла зависит в основном от ха­рактера его пористой структуры: оно достигает 70. 80% (по объ-

Ему) у материала 'с сообщающейся пористостью и 1 ...10% с замк­нутой пористостью. Стойкость ячеистого стекла по отношению к длительному воздействию воды велика и определяется гидроли­тическим классом стекла. Гигроскопичность очень мала и исчис­ляется долями процента по объему.

Морозостойкость ячеи'стого стекла высока, если его поверх­ность защищена от увлажнения и, следовательно, от последую­щего деструктивного воздействия льда в поверхностных откры­тых порах.

Теплопроводность ячеистого стекла относительно невысока — 0,055...0,085 Вт/(м-°С). Этому способствуют стеклообразное стро­ение межпоровых перегородок, замкнутые мелкие поры изоляци­онно-строительного и изоляционно-монтажного ячеистого стекла.

Все виды ячеистого пекла характеризуются высокой бпостой - косгыо. Материал легко поддается механической обработке (пи­лению, шлифовке, сверлению и т. п.).

Физико-химические основы порошкового спо­соба производства изделий из ячеистого стек - л а заключаются в достижении соответствия между температу­рами перехода стекла в пиропластическое состояние и начала активного газообразования.

Технология изделии из ячеистого стекла, основанная на порош­ковом способе, предусматривает приготовление тонкодисперсной шихты, состоящей из порошков стекла и газообразователя, спека­ния шихты с одновременной ее поризацией, закрепление получен­ной пористой структуры н снятие температурных напряжений, возникающих в массиве изделия при изменении температуры.

Тонкая диспергация шихты (Sy = 4000...5500 см2/г) предопреде­ляет качество пористой структуры (чем тоньше помол компонен­тов, тем мельче пористость) и влияет на продолжительность спе­кания и газообразования (чем большая дисперсность шихты, тем быстрее протекают эти процессы).

Наиболее ответственным технологическим процессом является спекание и поризация материала. В это время протекает ряд физических и физико-химических процессов, требующих сочетания важнейших факторов, определяющих заданную направленность структурообразования. При температуре интенсивного газообра­зования стекломасса должна характеризоваться достаточной вяз­костью, обеспечивающей неразрывность образующихся пленок (межпоровых перегородок) и низким поверхностным натяжением, способствующим утончению этих пленок. Это соответствие обес­печивается температурой начала активного газовыделения (видом газообразователя) и химическим составом стекломассы, опреде­ляющим изменение ее реологических свойств при нагревании.

Практика показывает, что основные факторы, влияющие на устойчивость процесса вспучивания стекломассы, в своем количе­ственном выражении должны находиться примерно в следующих пределах: вязкость стекломассы при температуре ее вспучивания (720...930 °С) 2800...3500 Па-с; поверхностное натяжение должно быть близким к значению 3,5...Ю-3 Н/м, парциальное давление газовой фазы с повышением температуры должно нарастать на­чиная с температуры на 50...70°С выше температуры размягче­ния стекла, причем давление газовой фазы должно нарастать постепенно в широком интервале температур, совпадающем с температурным интервалом, обеспечивающим рабочую вязкость стекломассы.

При вспучивании стекломассы протекают различные процессы физического и физико-химического характера. Физическим про­цессом является размягчение частиц стекла; для большинства стекол это происходит при температуре 600°С. Вязкость стекла при этом велика и вспучивания практически не происходит. При дальнейшем повышении температуры снижается вязкость стекла и наблюдается спекание частиц (образование стекломассы) при некотором снижении объема — процесс физико-химический. При повышении температуры выше температуры начала размягчения стекольного порошка на 50...70 °С в случае использования угле - родсодержащего газообразователя идут химические реакции меж­ду сульфатом натрия, который содержится в стек те, и углеродом:

NaaSO< + 4C=NaaS + 4CO (8.2)

Дальнейшее повышение температуры интенсифицирует эту реакцию и одновременно снижает вязкость стекломассы, что при­водит к се вспучиванию за счет увеличении газовой фазы Наря­ду с этой реакцией происходит окисление углерода но схемам:

C-f 02 —♦ С02 /; 2СО - f 02 — 2С02 / (8.3)

При недостатке кислорода идет реакция восстановления с поглощением теплоты:

CO . 1-С. 2СО '

В качестве углеродсодержащих газообразователей в промыш­ленности применяют кокс, полукокс, антрацит, графит, карбид кремния.

С целью регулирования свойств ячеистого стекла и его порис­той структуры применяют в качестве газообразователя карбонат­ные породы (известняк, мрамор). В этом случае образование газовой фазы обеспечивается реакциями:

Замещения

СаСО, -S - Si02—CaSlOrj-)- С02 / (8.4)

Которая идет от 600 °С,

Разложения

СаС03 — СаО+СО, (8.5)

Которая начинается при температурах 795...818 °С.

Используют и некоторые другие газообразователн. основные виды которых приведены в табл. 8.2.

Таким образом, изменяя химический состав стекла, тонкость его помола, применяя различные вилы газообра ювателен, нап­равленно регу шруя режим спекания, можно в широких преде­лах изменять общую пористость, ее арактер и следовательно, свойства изделий из ячеистого стекла.

Весьма важным моментом в технологии ячеистого стекла является бездефектное закрепление пористой структуры ячеисто­го стекла. Это достигается применением специальных режимов охлаждения вспученной массы. Для предотвращения осадки вспученной стекломассы в первый период, когда она находится в пнропластнческом состоянии и пет опасности трещипообрлзова - нпя. ре <ко новышакм ее в>пмн и. п тем снижения іемисрагури па 150. 180'С Затем применяют медленный режим охлаждения (отжиг) с целью перевода стекла в твердое состояние и недопу-

Таблица 8.2. Виды газообразователей, применяемых в производстве Ячеистого стекла Гаэообразователь Температура сііекаїшн. С Необходимое Количество газообразова­теля, % по массе Строение пор ячеистого стекла Цвет ячеистого стекла Пиролюзит (МпОг) 680. .720 3,0 ... 5,0 Частично Фиолетовый 3,0 Замкнутые Л. штокнг. чыЛ нат­ 720 ... 5,0 Сообщаю­ Белый, се­ Рий (NaN03) .775 Щиеся Рый Известняк, Мрамор 760 . 0,5 ... 1,0 Преимуще­ Белый (СаСОз); Ственно сооб­ Щающиеся Карбид Кальция 750. .760 1,0 ... 1,5 Преимуще­ — Ственно замк­ Нутые Антрацит 770. .780 2,0 ... 3,0 Частично Табачно- Сообщающиеся Желтыи, ' мпо- Се рЫЙ Кокс 790. . 800 2,0 ... 3,0 Замкнутые Корнчнезып До черного Графит 850. .900 1.0 ..2,0 » Серый, чер­ Ный Карбид Кремния 850. .900 1.0 .. 3,0 » Серый (SiC)

Щения при этом термических напряжений, могущих привести к растрескиванию изделий.

Сырье для производства изделий из ячеистого стекла весь­ма разнообразно. В качестве сырья могут быть использованы следующие материалы: отходы стекольного производства; бой оконного или тарного стекла; гранулят из специального сварен­ного стекла; легкоплавкие горные породы, содержащие щелочи.

Использование боя стекла вследствие неоднородности его химического состава создает существенные трудности для полу­чения ячеистого стекла со стабильными заданными свойствами Высококачественное ячеистое стекло получают из гранулята спе­циально сваренного стекла. Однако прн этом требуются более дорогостоящие и дефицитные материалы. Снижение стоимости гранулята достигают путем замены кальцинированной соды и глинозема дешевыми щелочесодержащими горными породами и отходами производства — нефелинами, перлитами, андезитами, вулканическими пеплами, легкоплавкими озерными глинами, зо­лами ТЭС и др.

Хорошими свойствами обладают стекла, содержащие в своем составе, % по массе: Si02 — 60...72.5; Fe203 — 0...2.G; СаО —4.5.. 6,0; MgO — 1,5...2,5; NazO — 12,5... 15,0.

Гозообраяопатсли должны отвечать следующим основным тре­бованиям: температура выделения газа должна быть на 50 . "0°С выше температуры начала размягчения стекольного порошка; выделение газа должно происходить равномерно в количестве, обеспечивающем необходимое парциальное давление; не должны выделять токсичных продуктов; не быть дефицитными и дорого­стоящими. В табл. 8.2 приведены виды газообразователен, наи­более широко применяющихся при Ирой. то летне изделии И. і яче­истого стекла.

Выбор вида газообразователя зависит от температуры спека­ния и интервала вязкости стекла, от требуемого вида пористости и в некоторых случаях окраски изделий.

Технология изделий из ячеистого стек л а нмеег разновидности. При использовании стеклобоя процесс изготовле­ния изделий осуществляется по неполной технологической схеме. В этом случае отсутствуют стекловаренная печь и обслуживаю­щее ее отделение подготовки шихты. Технологический процесс начинается с отделения очистки и дробления стеклобоя.

Однако большинство заводов работает по полной технологи­ческой схеме, которая включает отделение подготовки сырья для получения стеклогрлиулнгії, отделение приготовления шихты, стекловаренную печь, отделение грануляции стекла, представля­ющее собой сетчатый конвейер, орошаемый водой, на который из летки выработочной части печи поступает стекольный расплав. За счет обильного орошения водой расплав быстро остывает, рас­падаясь на отдельные гранулы. Стекольные гранулы и газообра- зователь поступают в следующее отделение подготовки шихты для получения ячеистого стекла. Здесь гранулят и газообразова - тель подвергают дроблению в щековых или молотковых дробил­ках до частиц размером 1...3 мм и после дозирования они посту­пают на совместный помол в двухкамерную шаровую мельницу непрерывного действия с керамической или кремниевой футеров­кой и кремниевыми мелющими телами. Помол производят до по­лучения продукта с Sy от 4000 до 7000 см[3]/г.

Дальнейшие технологические операции: вспучивание стекло­массы и отжиг (охлаждение) изделий производят либо, в одной печи (одностадийный способ), либо в разных печах — печи вспу­чивания (вспенивания) стекломассы и печи отжига изделий (дву- стадийный способ).

При одностадийном способе формы из жаростойкой стали илн чугуна, наполненные шихтой, устанавливают на вагонетки, кото­рые поступают в туннельную печь, работающую по принципу прямотока. В этом случае тепловую обработку осуществляют по режиму, вариант которого приведен на рис. 8.2.

При двустадийном способе формы с шихтой поступают в печь вспенивания, где они нагреваются до температуры, обеспечива­ющей получение пористой структуры стекломассы, и затем доста­точно быстро охлаждаются до температуры 600...630°С с целью повышения вязкости стекломассы и фиксации полученной пори­стой структуры. Примерный режим работы печи вспенивания приведен п. і рік*. 8.3. По выходе н і печи блоки ні ячеистого стек­ла извлекают нз форм и направляют в печь отжига (лер) конпечерного типа, в которой они охлаждаются в течение 10... 12 ч по режиму, приведенному на рис. 8.4. Установку блоков на сет­чатый конвейер производят на ребро. Для обеспечения заданно­го режима отжига необходима принудительная циркуляция теплоносителя, что обеспечива­ется установкой вентиляцион­ных систем.

В промышленности осваива­ется конвейерный способ про­изводства блоков из ячеистого стекла (рис. 8.5). В этом слу­чае шихта подается на кон­вейер, выполненный из жаро­стойких элементов в внде под­донов с боковыми бортами. Поддоны соединены между со­бой встык и образуют желоб. По мере продвижения желоба вдоль печи, что обеспечивается специальным толкателем, ших­та нагревается и, вспениваясь, образует ленту ячеистого стек­ла, выравнивание верхней поверхности которой осуществляется специальными валиками. На выходе из печи, после стабилизации пористой структуры (после охлаждения до 600°С), лента пено-

И легче поддается механизации и автоматизации, особенно кон­вейерный. Дальнейшее развитие производства, очевидно, должно идти по пути создания высокопроизводительных автоматнзиро-

Ванных линий Немаловажным фактором, сдерживающим увели­чение объема выпуска этого весьма эффективного материала, является дефицитность и высокая стоимость сырья. Поэтому по-

Рпс. 8 5. Схема конвейерной установки: 1 — толкатель форм; 2 — поддон; 3 — бункер для шихты; 4 — на­правляющие для поддонов; 5 — рабочий капал печи; 6 — ьанал дли отсоса дымовых газов; 7 — верхний топочный канал; . — кол­лектор для отсоса дымопых газов; 9 — лента пепостсклв; 10 — отрезное устройство; // — блоки пеностекла; 12 — печь отжига; 13 — конвейер печп отжига; 14 — спнж. пе. чі. ноддопон; is - tjii - иель для возврата поддонов: 16 — шпалы из жаростойкой стали; /7 — тележка; 18 — горелка; 19 — приемник поддонов

Иск путей замены этого сырья дешевыми и недефнцнтнымн мате­риалами, и том числе отходами и побочными продуктами других о раслеп промышленности, является важной народнохозяйствен­ной задачей.