Разработка технологии изготовления стеклогранулята для производства пеностекла

Пеностекло обладает уникальным комплексом физико-химических свойств и по совокупности технических характеристик является наиболее эф­фективным и перспективным теплоизоляционным материалом, однако его использование и производ­ство в России и республиках бывшего Советского Союза до сих пор остается крайне ограниченным. При этом рост объемов выпускаемой продукции и ввод в эксплуатацию новых производственных мощностей сдерживается не отсутствием современ­ных технологий и соответствующего оборудования, а все еще более высокой удельной стоимостью пе­ностекла по сравнению с другими композиционны­ми материалами, применяемыми в строительной индустрии. Также при организации рентабельного производства пеностекла возникает ряд проблем, которые во многом обусловлены недостаточным количеством дешевого и в то же время качествен­ного стеклобоя, что связано не только со значи­тельным потреблением собственных отходов стекла непосредственно на предприятиях стекольной про­мышленности, но и с неразвитой системой центра­лизованного сбора стеклобоя и с отсутствием в большинстве регионов предприятий по его перера­ботке и утилизации.

Поэтому при больших объемах производства для повышения качества пеностекла целесообразно в качестве исходного сырья использовать специ­ально синтезированное стекло, сваренное в ванных печах из шихты, приготовленной на основе деше­вых и недефицитных компонентов, к которым мож­но отнести отсевы гранитного щебня [2], маршалит, опоку, цеолит и другие природные материалы опал-кристобалитовой группы [3]. Из них особый инте­рес для стекольной промышленности представляет диатомит - рыхлая или слабосцементированная осадочная порода, образованная в юрский период морскими и озерными отложениями панцирей древних ископаемых водорослей (диатомей). имеющих нанопористую структуру и состоящих более чем на 80 % из аморфного кремнезема, при­годного для применения в качестве полного или частичного заменителя дефицитного кварцевого песка при производстве стеклянной фритты, пено­стекла и других видов стекол [4].

В ЗАО «Стромизмеритель» для группы компа­ний DIAMIX, в состав которой входят научно-технический центр, диатомовый комбинат и круп­нейшее в Европе Инзенское месторождение диато­мита в Ульяновской области, разработан техноло­гический проект завода, предусматривающий ис­пользование этого сырьевого материала для изго­товления стеклогранулята, являющегося промежу­точным продуктом в производстве высококачественного пеностекла по порошковой технологии. В соответствии с проектом строительство и пуск за­вода по производству 100 т стеклогранулята в сутки должны осуществляться в одну очередь на свобод­ных площадях диатомового комбината, расположенного в непосредственной близости от карьера по добыче диатомита. Согласно архитектурно-строительным и технологическим решениям основ­ные производственные подразделения и участки завода скомпонованы на небольшой территории размером 52x102 м (рис. 1) и включают в себя: при­емное отделение /; транспортную галерею 2 диато­мита; участок обработки 3 диатомита; дозировочно-смесительную линию 4; цех выработки 5 стеклогранулята; дымовую трубу б; транспортную гале­рею 7 и силосный склад готовой продукции 8.

В соответствии с технологией диатомит влаж­ностью 37 - 50 % с карьера, удаленного от диато­мового комбината на расстояние не более 1 км, по­ставляется автомобильным транспортом в прием­ное отделение завода, где ссыпается в бункер 1 (рис. 2), оснащенный одновальным глинорыхлителем 2, предназначенным для дробления крупной фракции материала.

Далее предварительно измельченный диатомит пластинчатым питателем 3 перегружается на галерейный ленточный конвейер 4, оборудованный подвесным магнитным сепа­ратором 5 для удаления фер­ромагнитных включений, и транспортируется в промежу­точный бункер 6, расположен­ный на участке обработки диатомита. Поскольку влаж­ный диатомит при транспортировании и промежуточном хранении склонен к комкова­нию и образованию устойчивых конгломератов различной формы, выгрузка его из бун­кера 6 и повторная дезинтеграция комьев также произво­дятся пластинчатым питате­лем 7 и двухвальным рыхлителем 8, установленными пе­ред подачей обрабатываемого материала в прямоточный сушильный барабан 9. Высу­шенный до конечной влажно­сти 5 % диатомит ссыпается из барабана в молотковую дро­билку 10, где окончательно измельчается до частиц разме­ром менее 1 мм, и с помощью элеватора 11 подается на вибрационное сито 12 для фрак­ционирования, в результате ко­торого фракция более 1 мм воз­вращается на домол, а рабочая фракция посредством элеватора 13 и рукавного переключателя 14 направляется в один из двух накопительных бункеров 15, 16. В эти же бункеры может загру­жаться и мелкодисперсная пыль из аспирационной системы, со­стоящей из группы циклонов 17, рукавного фильтра 18 и дымососа 19, создающего разрежение в сушильном барабане.

Последующая подача материалов в тензометрические весовые дозаторы 10, 11, 12, 13 произво­дится соответствующими винтовыми питателями загрузки, установленными под двухвальными рых­лителями 14, 15 и вибрационными днищами 16, 17, 18, активизирующими и стабилизирующими исте­чение компонентов шихты из расходных бункеров.

Операция компактирования не только увеличи­вает насыпную массу легкой шихты, приготовлен­ной на основе диатомита, но и повышает ее хими­ческую активность, а также снижает пыление и унос легких фракций при загрузке шихты в стекло­варенную печь.

Из стекловаренной печи 1 (рис. 4) стекломасса по выработочному каналу 2 непрерывной струей сливается на водоохлаждаемый лоток 3, с которого она попадает на гранулятор 4, представляющий со­бой двухуровневый скребковый конвейер, поме­щенный в ванну с водой (возможно использование и барабанных грануляторов). От резкого перепада температур, вызванного контактом с водой, стек­ломасса интенсивно охлаждается и рассыпается на мелкие гранулы, имеющие размер не более 5-8 мм. Увлажненный стеклогранулят с остатками капельной влаги из гранулятора перегружается на ленточ­ный конвейер 5 и поднимается элеватором 6 на бо­лее высокую отметку для загрузки материала в трехступенчатый теплообменный аппарат 7 с на­клонными жалюзийными решетками (разработка Уральского федерального института имени первого Президента России Б. Н. Ельцина). Данная установ­ка работает следующим образом. Двигаясь вниз под действием силы тяжести по жалюзийным решеткам, разреженный слой материала интенсивно про­дувается восходящим потоком дымовых газов, от­бираемых из стекловаренной печи (температура сушильного агента на входе в аппарат составляет около 300 °С). Противоточное трехступенчатое движение влажного стеклогранулята и горячих ды­мовых газов способствует эффективному конвек­тивному теплообмену и существенно (по сравне­нию с сушкой в сушильном барабане) снижает удельный расход теплоносителя.

Отработанный сушильный агент с температу­рой 115 °С попадает в циклоны 8,где очищается от мелкодисперсной пыли, и далее с помощью дымо­соса 9 сбрасывается через дымовую трубу в атмо­сферу. А высушенный материал с нижнего обреза последней решетки через разгрузочное окно посту­пает на галерейный ленточный конвейер 10 и спо­мощью элеватора 11, рукавного переключателя 12 и конвейера 13 распределяется по силосным банкам 14, 15, 16 склада готовой продукции. Из банок, имеющих общий объем 450 м³, стеклогранулят от­гружают в автомобильный транспорт и контролируют платформенными тензометрическими весами 17.

Тем не менее, учитывая острую потребность стекольной промышленности в стеклобое и нехватку качественного стеклобоя для производства высококачественного пеностекла со стабильными физико-химическими характеристи­ками, разработку данного проекта, который прохо­дит в настоящее время Государственную эксперти­зу, и последующее строительство завода по произ­водству стеклогранулята можно считать своевре­менным и весьма актуальным.

Наряду с разработкой проектной документации завода по изготовлению стеклогранулята специали­сты ЗАО «Стромизмеритель» синтезировали не­сколько составов шихты на основе диатомита (два состава шихты, способ приготовления шихты и технологическая линия запатентованы), провели пробные лабораторные плавки стекла, а также вы­полнили некоторые исследования физико-химических свойств полученных образцов пено­стекла. Основная направленность исследований была связана с расширением сырьевой базы кремнеземосодержащего сырья и снижением энергетических затрат на технологический процесс изготов­ления стеклогранулята для производства пеностек­ла. Так, в ходе сравнительных экспериментов по смешиванию, компактированию и плавлению ших­ты, приготовленной на основе различных видов кремнеземосодержащего сырья (наличие в дозиро­вочно-смесительной линии двух надвесовых бунке­ров для этих материалов позволяет варьировать со­ставом), выявлено, что шихта, в которой в качестве кремнеземосодержащего компонента используется кварцевый песок, имеет насыпную плотность 1,3 -1,4 т/м³ , позволяющую эффективно загружать ее в стекловаренную печь с помощью наиболее широко применяемых конструкций загрузчиков шихты. Но эта шихта при требуемой влажности 4,5 - 4,7 % практически не компактируется и без использова­ния дорогостоящих связующих материалов не гра­нулируется.

Шихта, в которой кварцевый песок полностью заменен диатомитом, лучше компактируется и пла­вится при меньших температурах, но имеет сравни­тельно низкую насыпную плотность 0,5 - 0,6 т/м , что затрудняет процесс загрузки ее в стекловарен­ную печь, приводит к активному уносу легких фракций в процессе варки стекла и требует при за­данной производительности увеличения объемов смесителей и бункеров запаса шихты. Кроме того, подобная шихта склонна к частым зависаниям и образованиям сводов при ее промежуточном хране­нии. Поэтому авторы предложили и исследовали следующий состав шихты для изготовления стекло­гранулята, включающий (массовое содержание): 19 - 23 % кальцинированной соды, 13 - 16 % доло­мита, 0,45 - 1,0 % сульфата натрия, 30 - 35 % квар­цевого песка влажностью 0,5 % и размером фрак­ции 0,1 - 0,63 мм и 28 - 33 % диатомита влажно­стью 15 - 30 % и размером фракции менее 0,1 мм.

Преимуществом предлагаемого состава шихты является то, что частичная замена кварцевого песка на диатомит, имеющий нанопористую структуру, насыщенную влагой, позволяет исключить процесс увлажнения шихты в смесителе, существенно уско­рить процессы передачи теплоты внутрь частиц диатомита и снизить температуру варки стекла. При этом снижение температуры варки является резуль­татом как развитой внутренней поверхности порис­тых частиц диатомита, так и активной гидратации кремнезема. Наличие внутренней влаги в частицах диатомита при варке стекла приводит к тому, что уже при температуре 50 °С во время активизации реакций гидратации кремнезема образуются золи и гели кремниевых кислот. При температуре 200 °С начинается частичное силикатообразование, а при температуре 750 °С - образование эвтетик и жидкой фазы сплавленных эвтетик, а также появление сложных силикатов. Стеклообразование завершается при температуре 1250 - 1350 °С, что на 100 - 150 °С ниже аналогичных температур тепловых процессов, проис­ходящих в шихте, приготавливаемой с использовани­ем кварцевого песка.

Таким образом, разработка технологии изго­товления стеклогранулята из шихты, приготовлен­ной с использованием диатомита, позволяет полу­чить исходное сырье для производства пеностекла со стабильными физико-химическими характери­стиками, снизить себестоимость получаемой про­дукции и повысить энергоэффективность техноло­гии изготовления пеностекла.

Канд. техн. наук В.В. ЕФРЕМЕНКОВ, д-р техн. наук В.Е. МАНЕВИЧ, Р.К. СУББОТИН (e-mail: stromizmeritel@rambler.ru)

Группа компаний "Стромизмеритель" (Россия, г. Нижний Новгород)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Бобкова Н.М., Баранцева С.Е., Трусова Е.Е. Пеностекло на основе отходов гранитных отсевов Микашевичского ме­сторождения // Стекло и керамика. 2007. № 2. С. 13-16. Bobkova N.М., Barantseva S.Е., Trusova Е.Е. Production of foam glass with granite siftings from the Mikashevichi deposit // Glass and Ceram. 2007. V. 64. N1-2. P. 47 - 50.

3. Казьмина О.В., Верещагин В.И., Абияка А.Н. и др. Тем­пературные режимы получения гранулята для пеностеклокристаллических материалов в зависимости от состава ших­ты // Стекло и керамика. 2009. № 5. С. 26 - 29.

Kaz'mina О.V., Vereshchagin V. I., Abiyaka А. N. et al. Tem­perature regimes for obtaining granular material for foamed crystal glass materials as a function of the batch composition /7 Glass and Ceram. 2009. V. 66. № 5 - 6. P. 179 - 182.

4. Маневич В.E., Субботин P.К., Никифоров E.А. и др. Диатомит - кремнеземосодержащий материал для стекольной промышленности // Стекло и керамика. 2012. № 5. С. 34 - 39.

5. Киселев В.Н. Стекловаренная печь для производства стек­лобоя // Стеклянная тара. 2008. № 3. С. 10 - 11.