CC BY
152
УДК 666.189.3
ВЛИЯНИЕ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ ПОРООБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПЕНОШЛАКОСТЕКЛА
Е.А. Яценко, Б.М. Гольцман, В.А. Смолий, А.С. Косарев
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И.Платова, Новочеркасск, Россия Аннотация
Разработана технология синтеза пеностекла на основе шлаковых отходов тепловых электрических станций -пеношлакостекла. Исследовано влияние вида и количества первичных и вторичных порообразователей (плавней) на структуру и свойства получаемого материала. Выбраны наилучшие порообразователи и их оптимальные соотношения. Сделан вывод о применимости разработанных составов при производстве пеношлакостекла. Ключевые слова:
теплоизоляция зданий, шлаковые отходы, пеностекло, порообразователи.
INFLUENCE OF PRIMARY AND SECONDARY FOAMING AGENTS ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE FOAMED SLAG GLASS
E.A. Yatsenko, B.M. Goltsman, V.A. Smolii, A.S. Kosarev
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia Abstract
The technology of synthesis of foam glass based on thermal power plants slag waste - foamed slag glass - has been developed. The influence of the type and the quantity of primary and secondary foaming agents (fluxes) on the structure and properties of the resulting material, has been investigated. The best foaming agents and its optimal ratios have been chosen. Conclusion of the applicability of the developed compositions in the production of foamed slag glass, has been made. Keywords:
thermal insulation of buildings, slag waste, foam glass, foaming agents.
Современная проблема чрезмерного потребления природных энергоносителей в России связана, в первую очередь, с большими потерями тепла при отоплении зданий, обусловленными низкими теплоизоляционными свойствами применяемых строительных материалов. Таким образом, для минимизации тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий в гражданском и промышленном строительстве, а также в системах транспортирования тепла необходимо применение качественных теплоизоляционных материалов.
Наиболее широко в настоящее время распространены органические утеплители (пенополистирол, пенополиуретан, изделия на их основе), обладающие рядом преимуществ: дешевизна, хорошие изоляционные свойства, низкая плотность. Однако данный вид материалов обладают также и рядом существенных недостатков - чрезвычайная горючесть, выделение дыма и токсичных соединений при горении, невозможность утилизации, низкая химическая стойкость и срок эксплуатации и т.д. Таким образом, поиск эффективных экологически безопасных негорючих теплоизоляционных материалов является весьма актуальным.
Одним из самых перспективных теплоизоляционных материалов является пеностекло - ячеистое стекло со структурой пены. Полученное изделие является по составу чистым стеклом. Вследствие этого, ему свойственны все преимущества стеклоизделий: влаго- и паронепроницаемость, полная пожаробезопасность, стабильность размеров под воздействием высоких температур, устойчивость к воздействию грызунов, вредителей и бактерий, простота монтажных работ, экологическая чистота и многие другие. Срок эксплуатации пеностекла практически неограничен, а физические свойства не меняются с течением времени, как и у обычных стеклоизделий. Основным недостатком пеностекла является его высокая цена, связанная с использованием в качестве основного сырья боя стекла. Работы по замене стекла на другие виды материалов ведутся по всему миру, при этом особое внимание уделяется различным промышленным отходам.
Из всего спектра отходов можно особо выделить шлаковые отходы, образующиеся при сжигании угля на ТЭС. Шлаки являются прекрасным вторичным сырьем, прошедшим первичную термическую обработку, со стабильным химико-минералогическим составом. Сравнительный анализ шлаковых отходов и промышленого стекла представлен в табл. 1. Использование шлаковых отходов ТЭС в производстве стекломатериалов обосновано также их аморфной структурой, обусловленной принципом их выработки. При сжигании угля, тугоплавкая неорганическая часть в виде расплава стекает под котел (камеру сгорания), где резко охлаждается с получением стеклообразной структуры.
596
Таблица 1. Химический состав сырьевых материалов
Материал Химический состав*, мас. %
SiO2 AI2O3 Fе2Oз СаО MgO К2О Na2O
Шлак 57.5 23.0 10.8 1.9 1.2 3.6 0.9
Стекло 71.2 2.70 0.8 3.4 7.6 0.8 13.2
*Оксиды, содержание которых менее 0.2%, не указаны.
В связи с этим нами была разработана технология получения пеностекла с частичной заменой исходного стеклобоя на шлаковые отходы ТЭС - пеношлакостекло [1]. Был установлен ряд оптимальных составов, на основе которых могут быть получены материалы и изделия конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного назначения. Использование шлака при этом составляло от 20 до 50 мас. %.
Формирование структуры пенолакостекла протекает за счет способности стекла при нагревании образовывать пластичную массу, быстро твердеющую при резком охлаждении. Формирование пористой структуры происходит за счет введения в шихту материалов-порообразователей, разлагающихся при высоких температурах с образованием газов, создающих поры в пластичной стекломассе. Согласно литературным данным [1], различные виды порообразователей ведут к различным типам пористой структуры, однако данные по совместному использованию различных порообразователей отсутствуют.
Кроме того, в составах с высоким содержанием шлака соответственно возросло содержание тугоплавкого оксида алюминия, затрудняющего процессы спекания и вспенивания. В целях устранения его негативного влияния в составы с высоким содержанием шлака (50 мас. %) были дополнительно введены материалы-плавни, повышающие реакционную способность смеси при термической обработке и являющиеся, по сути, вторичными порообразователями. Таким образом, целью исследования явилось изучение влияния вида и количества первичных и вторичных порообразователей на структуру и свойства пеношлакостекла.
Производство образцов пеношлакостекла осуществлялось стандартным порошковым способом. Исходные сырьевые материалы - стекло, шлаковые отходы ТЭС, твердые порообразователи - были предварительно высушены при 120 °С. Полученные сухие порошки измельчались до размера частиц менее 420 мкм (сито № 028). Из составленных шихт с дополнительным 2%-м увлажнением были сформованы образцы в виде кубов с длиной грани 20 мм и массой 10 г. Затем образцы загружались в печь для термической обработки согласно рис. 1.
Рис. 1. График синтеза пеношлакостекла:
1 - нагрев; 2 - вспенивание; 3 - резкое охлаждение со стабилизацией структуры; 4 - отжиг
По достижении комнатной температуры образцы извлекались из печи и подвергались механической обработке (опиловке) до придания им формы правильного параллелепипеда. Далее у образцов заданной формы была определена масса, после чего на основе полученных данных проводились расчеты объема, средней плотности и коэффициентов вспенивания и поризации. Затем полученные образцы подвергались распиливанию надвое для определения их внутренней структуры.
597
Исходя из литературных данных [2], для исследований были выбраны следующие виды порообразователей: антрацит, мел, глицерин. При этом в чистом виде глицерин испаряется практически сразу после загрузки образца в печь с образованием стекловидного спека. Поэтому в состав порообразующей смеси на основе глицерина вводилось натриевое жидкое стекло, образующее при температурах 700-900°С эвтектики, позволяющие стабилизировать структуру материала. Смесь «глицерин:жидкое стекло=1:1», в дальнейшем называемая глицериновой смесью, и была использована в качестве порообразователя.
Для проведения качественного анализа были разработаны одинарные, двойные и тройные смеси при равных соотношениях порообразователей в каждой смеси. В табл.2 представлены все разработанные варианты порообразующих смесей.
Таблица 2. Составы смесей порообразователей
Порообразователь Количество порообразователя, %, в порообразующей смеси образца, №
1 2 3 4 5 6 7
Антрацит 100 - - 33 50 50 -
Мел - 100 - 33 50 - 50
Г лицериновая смесь - - 100 33 - 50 50
Далее по пять образцов каждого из разработанных составов были подвергнуты термической обработке согласно температурно-временным режимам (рис.1) при температурах вспенивания 850, 875, 900, 925°С. Внутренняя структура полученных образцов приведена на рис.2.
850 °С
875 °С 900 °С 925 °С
[in ill irq 'li i|li|j|iii|lii]T!il:iii|i |ir l rifim и ||Гehi:i ■' I rililinil is illipinn inn: iriij:i:nr|lil;1;r si;Hi|H| l|i..........iiiiJIi’fiiMinf l|ii(i'h(ii:ii«IfcIII г ,'i г n riliiil . ir‘,i
o 1 г з ч s 6 t в 9 io ir ib в n js ;s n a :з га г\ гг гз гч гз « л гв гз зо з> зг зз зч 35
Рис. 2. Внутренняя структура образцов пеношлакостекла с применением первичных порообразователей
Различные виды порообразователей ведут к образованию различных типов пористости. Вследствие этого установить качественные и количественные характеристики пористости разрабатываемых материалов на основе смесей различных порообразователей невозможно. Этим фактором затрудняется также определение реакционной способности, т.е. количества непрореагировавших и качества прореагировавших участков образца методом кипячения.
Поэтому оценка влияния вида и количества первичных порообразователей на структуру и свойства пеношлакостекла осуществлялась при помощи коэффициента вспенивания (КВ) - параметра, показывающего, во сколько раз увеличился объем образца после термической обработки, - и коэффициента поризации (КП), показывающего, во сколько раз уменьшилась плотность образца после термической обработки за счет реакций порообразования и рассчитываемого по формулам (1) и (2) соответственно. Результаты определений приведены в табл.3 и на рис.2. Каждая записанная величина является средним арифметическим результатов измерений пяти образцов.
Коэффициент вспенивания КВТ = VT / V (1)
Коэффициент поризации КПТ = d / dKT , (2)
где Vj - конечный объем образца после термической обработки при температуре вспенивания Т, см3; Vii - начальный объем образца до термической обработки, 8 см3, йн - начальная плотность образца до термической обработки, йн = тн / Vн = 10 10-3 / 8 10-6 = 1250 кг/м3; й?кт - конечная плотность образца после термической
обработки при температуре вспенивания Т, кг/м3.
598
Таблица 3. Влияние первичных порообразователей на свойства пеношлакостекла
№ состава Средний объем образцов, см3 Коэффициент вспенивания (КВ) Средняя плотность образцов, кг/м3 Коэффициент поризации (КП)
К V т/ 900 V к К92^ КВ850 КВ875 КВ900 КВ925 d850 ик d8/5 “к d 900 ик d925 ик КП850 КП875 КП900 КП925
i 11.3 11.3 11.1 11.0 1.41 1.41 1.39 1.38 798 818 791 838 1.57 1.53 1.58 1.49
2 14.4 14.3 12.3 14.2 1.80 1.78 1.54 1.77 688 657 705 667 1.82 1.90 1.77 1.87
3 43.2 48.4 40.0 34.0 5.40 6.05 5.00 4.25 227 202 226 179 5.52 6.18 5.54 6.98
4 15.7 18.4 18.5 13.9 1.97 2.30 2.31 1.73 612 537 518 533 2.04 2.33 2.41 2.35
5 11.1 11.6 11.3 9.2 1.39 1.45 1.41 1.15 850 843 879 937 1.47 1.48 1.42 1.33
6 17.6 23.0 22.0 17.8 2.21 2.87 2.75 2.22 530 434 417 425 2.36 2.88 2.99 2.94
7 20.2 21.1 18.8 16.1 2.53 2.64 2.35 2.01 482 453 494 506 2.59 2.76 2.53 2.47
Из таблицы 3 и рисунка 2 явно видно, что наилучшим типом порообразователя является глицериновая смесь, позволяющая получить образцы с КВ и КП = 5...7. Наихудшую вспенивающую способность демонстрируют образцы на основе антрацитового порообразователя (КВ, КП ~ 1.4), т.е. практически полное отсутствие порообразования.
Для качественного анализа влияния вторичных порообразователей-плавней на структуру и свойства пеношлакостекла с повышенным содержанием шлаковых отходов был выбран ряд материалов-плавней, применяемых в силикатной промышленности [3], которые в количестве 10 мас. % были добавлены в шихту. После этого сформованные из шихты образцы подверглись термической обработке при температурах 850 и 900°С. Результаты представлены в табл.4 и на рис.3.
Таблица 4. Качественный анализ влияния плавней на структуру материала
Вид материала-плавня Плотность, кг/м3, при температуре синтеза, °С
850 900
K2CO3 989 1094
Pb3O4 1442 1485
H3BO3 614 446
Li2CO3 995 929
NaF 596 -
Рис. 3. Внутренняя структура образцов пеношлакостекла с применением вторичных порообразователей
Из таблицы 4 и рисунка 3 видно, что наибольшую реакционную способность проявил фторид натрия NaF. Пористость образцов с его применением отличается высокой равномерностью. Чрезмерная активность NaF ведет также к высокой степени деформации образца при термообработке вплоть до расплавления при 900°С, что крайне нежелательно.
Вторым по активности материалом является борная кислота H3BO3. Образцы с ее применением отличаются сравнительно низкой плотностью и стабильностью размеров. Недостатком данного плавня является неравномерная пористость образцов, ведущая к дефектам структуры.
Исходя из полученных данных, было проведено дополнительное исследование влияния смеси «NaF+H3BO3» на реакционную способность пеношлакостекла. Исследование установило, что оптимальное соотношение «NaF:H3BO3»=6:4. Данное соотношение характеризуется равномерной пористостью,
свойственной NaF, при отсутствии чрезмерной деформации образцов.
Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что оптимальным первичным порообразователем для производства пеностекла на основе шлаковых отходов - пеношлакостекла - является
599
глицериновая смесь. Оптимальным вторичным порообразователем-плавнем для производства пеношлакостекла с повышенным содержанием шлака является смесь «NaF:H3BO3»=6:4.
Работа выполнена в ЮРГПУ(НПИ) им. М.И.Платова при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Соглашение №14.574.21.0124 (RFMEFI57414X0124).
Литература
1. Physical-chemical properties and structure of foamed slag glass based on thermal power plant wastes / E.A. Yatsenko, V.A. Smolii, A.S. Kosarev et al. // Glass and Ceramics. 2013. Т. 70, № 1-2. С. 3-6.
2. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975. 248 с.
3. Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов: учеб. пособие / А.П. Зубехин,
С.П. Голованова, Е.А. Яценко [и др.]; под ред. А.П. Зубехина. М.: КАРТЭК, 2010. 309 с.
Сведения об авторах
Яценко Елена Альфредовна,
д.т.н., Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, г.Новочеркасск, Россия, e_yatsenko@mail.ru Г ольцман Борис Михайлович,
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И.Платова, г.Новочеркасск, Россия, boriuspost@gmail.com Смолий Виктория Александровна,
к.т.н., Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И.Платова, г.Новочеркасск, Россия, vikk-toria@mail.ru Косарев Андрей Сергеевич,
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И.Платова, г.Новочеркасск, Россия, zmeelov-86 @mail.ru
Yatsenko Elena Alfredovna,
Dr.Sc. (Engineering), Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia,
e_yatsenko@mail.ru
Goltsman Boris Mikhailovich,
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, boriuspost@gmail.com Smolii Victoria Aleksandrovna,
PhD (Engineering), Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, vikk-toria@mail.ru
Kosarev Andrey Sergeevich,
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, zmeelov-86 @mail.ru
600
