Способ получения пеностекла

 

Изобретение относится к области переработки промышленных отходов, в частности отходов производства кинескопов, и предназначено для получения пеностекла, используемого в промышленности строительных материалов в качестве теплоизоляции. В конце процесса мокрого измельчения исходных компонентов осуществляют стабилизацию свойств образованной суспензии путем введения флокулянта в количестве 0,05-1% от общей массы стекла. После измельчения суспензию выдерживают при постоянном перемешивании и высушивают до порошка с влажностью 7-10%. Термическую обработку порошка после формования проводят последовательно при температурах 680-720^oС, а затем 740-850^oС. Технический результат изобретения - возможность комплексной переработки стеклобоя цветных кинескопов различных марок. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к производству пеностекла на основе стеклобоя цветных кинескопов. Может быть использовано в промышленности строительных материалов широкого назначения.

В основу изобретения положена техническая задача утилизации стеклобоя цветных кинескопов путем использования его при производстве пеностекла.

В настоящее время в связи с удорожанием энергоносителей, а также в целях сокращения потерь тепла в зимний период и поступлений тепла в летний период в здания и сооружения необходимо существенное повышение сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций, что может быть обеспечено производством теплоизоляционных материалов и, в первую очередь, попутно решая проблему защиты окружающей среды от загрязнения отходами - стеклобоем цветных кинескопов. Решение данной проблемы актуально, поскольку на практике отходы стеклобоя могут накапливаться на заводских складах и на других свободных территориях.

Существующие способы по тем или иным причинам не полностью решают проблему стеклобоя кинескопов, что приводит к его накоплению в больших количествах на заводских складах и других свободных территориях.

Так известен способ получения сырья на основе стеклобоя производства цветных кинескопов, включающий дробление стеклобоя до размеров 150-150 - 70-70 мм, сортировку на конусный, экранный и смешанный стеклобой, раздельное измельчение конусного и экранного стеклобоя до фракции не более 40 мм с последующей грубой очисткой от металлических включений, при этом раздельную механическую обработку конусного и экранного стеклобоя осуществляют в течение 1 - 5 ч, с последующей грубой отмывкой с виброотделением гранул регенерированного стеклобоя. Образовавшийся шлам оборотной системы водоснабжения со смешанным стеклобоем используют в качестве добавки при производстве строительных материалов [1].

Согласно изобретению, фракции стекла менее 70-70 мм от исходного стеклобоя кинескопов остаются в качестве вторичных отходов, что примерно составляет 30-40 % от его общего количества и должны быть направлены на дополнительную переработку при изготовлении строительных материалов, которая в свою очередь требует организации сложного отдельного производства, что не всегда возможно и рентабельно. А, во-вторых, реализация технологического процесса требует применения ручного труда, что снижает его производительность.

Поэтому этот способ комплексно не решает проблем полной утилизации всего количества имеющегося стеклобоя, что в конечном итоге приводит к значительному его накоплению, особенно при крупносерийном или массовом производстве.

Известен и способ получения пеностекла путем измельчения стеклобоя кинескопов, перемешивания, формования, вспенивания и охлаждения. В этом способе используют только стеклобой экранов цветных кинескопов, позволяющий обеспечивать вспенивание материала за счет химического разложения органических соединений, входящих в состав люминофора, нанесенного на экран кинескопа, и взаимодействия напыленного на экран алюминия со щелочью, появляющейся при увлажнении молотой стекольной массы за счет выщелачивания, т.е. перехода окислов щелочных и щелочноземельных элементов в раствор. При этом высушенные образцы вспенивают в интервале от 750 до 950^oC, охлаждение - от 600 - 620^oC до 250 - 300^oC ведут со скоростью 0,7-1^oC в минуту [2].

Недостаток этого способа заключается в малой степени использования стеклобоя цветных кинескопов, обусловленной применением лишь экранного стекла, что приводит к накоплению отходов, а следовательно, к увеличению складских помещений и затрат на их содержание и хранение.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения пеностекла, который выбран в качестве прототипа. Данный способ включает приготовление суспензии мокрым измельчением исходных компонентов, созревание суспензии за счет выдержки ее на воздухе, формообразования и термическую обработку полученного пеностекла. Температурный режим термообработки пасты: спекание при 600 - 780^oC в течение 30 мин, вспенивание при 870^oC в течение 30 мин, резкое охлаждение до 500^oC. Отжиг ведут от 520^oC в течение 8,5 ч [3].

Однако и этот способ не лишен недостатков, один из которых заключается в том, что не в полной мере решена проблема агрегативной устойчивости суспензии, так как при выдержке суспензии на воздухе происходит медленная коагуляция ее частиц, осаждение и уплотнение осадка, что вызывает трудности в осуществлении технологического процесса получения пеностекла.

Более того, хотя этот способ и близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату он, однако, не может быть использован при переработке стеклобоя кинескопов даже одной марки, так как предназначен для реализации только с одним составом стекла с получением однородной пасты за счет образования геля поликремниевых кислот суспензии.

А поскольку стекло экрана и конуса даже одной марки кинескопа имеет различный состав компонентов, то получить гель поликремниевых кислот в этом случае при созревании суспензии крайне сложно из-за различного протекания коллоидно-химических процессов для каждого состава частиц стеклобоя. Поэтому решение задачи по устранению существующей проблемы полной переработки отходов производства кинескопов стало возможным за счет технологического воздействия на суспензию превращением ее в порошок и предложенных режимов термической обработки пеностекла.

Технический результат изобретения, выражающийся в осуществлении комплексной переработки стеклобоя различных марок цветных кинескопов, а также кинескопов, вышедших из строя в процессе эксплуатации, обеспечивается тем, что в конце процесса мокрого измельчения исходных компонентов осуществляют стабилизацию образованной суспензии путем введения в ее состав флокулянта в виде полиакриламида (ПАА) в количестве от 0,05 до 1% от общей массы стеклобоя, а созревание сопровождают постоянным интенсивным перемешиванием состава компонентов. После чего готовую суспензию высушивают до порошка с влажностью 7-10%, при этом термическую обработку после формования порошка проводят при 680 - 720^oC в течение 15-25 мин и при 740 - 850^oC в течение 20-30 мин, а стабилизацию и выдержку суспензии на воздухе осуществляют в течение 1,5-2 ч.

Мокрое измельчение исходных компонентов суспензии ведут в течение 17-18 ч.

Сравнение этих отличительных признаков заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию изобретения "новизна".

Сущность предлагаемого технического решения также не является очевидной, поскольку использование в способе смеси стеклобоя экранов и конусов цветных кинескопов, стабилизация суспензии перед ее выдержкой путем введения в состав ПАА, сопровождение выдержки суспензии непрерывным ее перемешиванием, последующее высушивание готовой суспензии до порошка, загружаемого затем в формы для последующего вспенивания и отжига, составляют новую неизвестную ранее совокупность признаков, обеспечивающих получение более высокого уровня технического результата и дополнительного положительного эффекта в виде расширения сырьевой базы для производства пеностекла и утилизации отходов.

Все это позволяет утверждать, что предлагаемое техническое решение обладает новыми свойствами, а следовательно, и изобретательским уровнем. Промышленная применимость способа не вызывает сомнения, так как в результате проведенных лабораторных исследований получены положительные результаты и в настоящее время идет подготовка выпуска пеностекла в производственных условиях.

На схеме изображена технологическая последовательность реализации способа получения пеностекла (фиг. 1).

Способ осуществляют следующим образом.

Исходные компоненты - дробленый стеклобой цветных кинескопов размерами ≤ 5 мм, отсев сколов зерна при дроблении, тонкодисперсная пыль стекла, сошлифованная с поверхности стеклобоя кинескопов, совместно с углеродсодержащей и щелочной добавками в дозированном соотношении поступают на мокрый помол в шаровую мельницу, в которую в необходимом количестве подается и вода. Общая влажность полученной смеси составляет от 35 до 50%. Мокрое измельчение в шаровой мельнице исходных компонентов производится при соотношении материал: шары 1:1,5 и продолжается в течение 17-18 ч.

Как показывают результаты проведенных исследований, влияние продолжительности измельчения на помол стекольной шихты (фиг. 2), величина фракции исходных компонентов после 18 часов помола практически не изменятся. Эффективность мокрого измельчения исходных компонентов объясняется прежде всего тем, что вода является одним из наиболее поверхностно-активных веществ по отношению к кремнезему. Эффективность мокрого измельчения исходных компонентов в шаровых мельницах обусловлена адсорбционным понижением прочности, насыщением ненасыщенных связей измельчаемых материалов, дезагрегирующим действием воды, большей удельной энергией ударов шаров и меньшим демпфирующим действием суспензии по сравнению с порошками в слое.

Для обеспечения устойчивости суспензии, т.е. способности сохранять текучесть и однородность при длительной выдержке (не расслаиваться) после мокрого измельчения исходных компонентов, когда величина фракций остается практически постоянной (неизменной), производят стабилизацию ее свойств посредством добавления в состав флокулянта, в частности полиакриламида (см. фиг. 2, участок кривой линии между 18 и 20 позициями).

Улучшение однородности и текучести суспензии после введения в ее состав полиакриламида обусловлено активированием поверхностного взаимодействия дисперсной фазы с дисперсной средой. Полиакриламид вводят в состав суспензии в количестве 0,05-1,0% от общей массы стеклобоя, а весь процесс стабилизации проводят в течение 1,5-2 ч.

Опытным путем установлено, что при мокром измельчении исходных компонентов прекращение изменения величины фракций суспензии происходит за 17-18 ч помола, а полная стабилизация ее свойств после добавления полиакриламида наступает к 19-20 ч после начала осуществления технологического процесса приготовления суспензии.

Результаты опыта подтверждаются также расчетом показателя устойчивости суспензии (расслаивания ее составных частей), который определяется по формуле где U - показатель устойчивости суспензии, а V_и.с. и V_св. - объем соответственно испытуемой суспензии и отделяющейся связки (части).

Результаты определения устойчивости суспензии в зависимости от времени измельчения исходных компонентов и стабилизации приведены в таблице.

Из таблицы следует, что максимальная стабильность суспензии при сохраняющейся одинаковой тонине помола частиц наступает в течение 20 ч и это время принято за оптимальное технологическое время измельчения и стабилизации суспензии.

Дальнейшее продолжение измельчения и стабилизации суспензии нецелесообразно, так как приведет к снижению производительности процесса и излишним энергетическим затратам.

Добавление ПАА менее 0,05% не оказывает никакого воздействия на стабилизацию свойств суспензии и является достаточным в пределах 1,0%. Добавление ПАА более 1,0% нецелесообразно по экономическим соображениям.

Наличие ПАА в суспензии с pH щелочной среды ≥ 10 способствует ускорению ее стабилизации.

Дальнейшее улучшение качественного состава суспензии (устойчивости) обеспечивается выдержкой ее на воздухе в течение 1,5-2 ч с целью дополнительного насыщения CO₂ из окружающей среды, при этом осуществляют непрерывное гравитационное перемешивание. Подготовленная подобным образом суспензия стекла, углеродсодержащего газообразователя и щелочной добавки, например Na₂CO₃ или NaOH, в количестве 1-6% от общей массы медленно коагулирует на воздухе вследствие взаимодействия компонентов золя с CO₂ атмосферы, при этом не происходит седиментации частиц стекла. Суспензия такой консистенции не оседает в насосах, трубопроводах, емкостях и дозаторах.

Исследования влияния щелочных добавок Na₂CO₃ или NaOH на степень устойчивости суспензии показали, что оптимальным их содержанием следует считать соответственно равными 3,2 и 2,5% массы стеклобоя.

В стекле экрана и конуса даже одной марки кинескопов содержатся различные соединения, и это обстоятельство не позволяет получать гелеобразную, готовую к формообразованию массу. Поэтому в технологический процесс заложено изготовление пеностекла путем вспенивания порошкообразной однородной массы, в силу чего готовую суспензию подвергают предварительной сушке при температуре 200 - 250^oC (определено экспериментально) до порошка с влажностью от 7 до 10%.

Нижний предел влажности высушенного порошка не позволяет ему распыляться в окружающую среду, а верхний - не слеживаться (не комковаться) при длительном хранении.

Полученный порошок после дозирования загружается в формы для вспенивания, которое осуществляется в два этапа, первый проводят в течение 10-20 мин при температуре 680-720^oC, для газообразования при разложении химических соединений, а второй проводят при 740 - 850^oC в течение 15-25 мин для непосредственного вспенивания заформованного материала. Вспененное стекло подвергают быстрому охлаждению до 600^oC и осуществляют стабилизацию температуры по объему пеностекла при 540-580^oC в течение 10-20 мин. Отжиг ведут от 540-580^oC до 250-270^oC со скоростью ≤ 0,9^oC в минуту. Нижняя температура охлаждения 40 ± 10^oC.

Отожженные блоки пеностекла отправляются на механическую обработку, а затем на склад.

Пример конкретной реализации способа.

Реализация способа получения стекла проводится в оптимальных весовых дозах материалов и режимах (фиг. 1).

Исходные компоненты - дробленый стеклобой размерами ≤ 5 мм, отсев сколов стекла и тонкодисперсная пыль после предварительной обработки дозируются в количестве 3000 кг и загружаются в шаровую мельницу. Туда же добавляются и 150 кг Na₂CO₃ или 115 кг NaOH, а также 24 кг сажи и 1,05 м³ воды. Мокрое измельчение перечисленных компонентов продолжается в течение 18 ч до величины фракций 0,63 мкм, затем в полученную суспензию добавляют 6 кг полиакриламида и ведут дальнейшую обработку в течение 2 ч без изменения величины фракций частиц исходных компонентов. Готовая суспензия (шликер) из шаровой мельницы сливается в пропеллерные мешалки с объемом резервуара ≈8 м³, через вибросито с сеткой N 0355, где происходит ее выдержка в течение 2 ч. Обработанная суспензия из резервуаров выдержки перекачивается мембранным насосом через магнитный сепаратор и вибросито в расходный резервуар, в котором находящаяся суспензия постоянно перемешивается. Из расходного резервуара суспензия подается в сушильный барабан насосом под давлением 0,3-0,4 мПа, в котором она высушивается при температуре 200-250^oC до порошка влажностью 7-10%. Порошок из сушильного барабана ленточным элеватором через вибросито подается в бункер хранения, где вылеживается для усреднения перед дозированием в формы не менее чем 8 ч. Из бункеров хранения шихта системой ленточного конвейера и элеватора загружается в расходный бункер, снабженный автоматическим дозатором, а затем дозируется в формы объемом 0,064 м³ строго определенные порции шихты, массой 11,5 кг. Перед засыпкой шихты внутренние поверхности формы покрываются каолиновым шликером, предотвращающим прилипание блоков к формам. Формы с шихтой закрываются крышками и посредством гидротолкателя загружаются в печь для вспенивания, которое осуществляется при температуре 680 - 720^oC в течение 10-20 мин, а затем температура поднимается до 740 - 850^oC с выдержкой в течение 15-25 мин. Отжиг готового пеностекла производится в туннельной печи с подвижным сетчатым подом. Подогрев блоков пеностекла проводят до температуры 540-580^oC и выдерживают в течение 10-20 мин, средняя скорость снижения температуры до 260^oC выдерживалась ≈ 0,8^oC в минуту. Нижняя температура отжига составляла 45^oC.

Отожженные блоки пеностекла с транспортирующей ленты печи перегружаются в металлические решетчатые контейнеры и передаются к опиловочному станку, где опиливаются до заданных размеров, укладываются в штабеля на поддонах и вывозятся на склад готовой продукции. Пыль подается в шаровые мельницы, что позволяет получить экологически чистые условия производства пеностекла.

Полученное пеностекло обладает следующими характеристиками: Плотность - 125-180 кг/м³ Прочность - 0,6-1,85 мПа Прочность на сжатие - 0,78-2,5 мПа Водопоглощение - 0,4-2,2% Теплопроводность - 0,058-0,079 Вт/мк Данный способ позволяет произвести полную утилизацию отходов производства кинескопов и получить ценный теплоизоляционный материал - пеностекло, потребность которого в строительстве достаточно велика.

Источники информации 1. Патент Российской Федерации N 2104972, C 03 C 1/00, опубликован 20.02.98 г. Способ получения сырья на основе стеклобоя производства кинескопов.

2. Авт. св. СССР N 885166, C 03 C 11/00, опубл. 30.11.81 г. Способ получения пеностекла.

3. Авт. св. СССР N 1744071, C 03 C 11/00, опубл. 30.06.92 г.

Формула изобретения

1. Способ получения пеностекла, включающий приготовление суспензии мокрым измельчением исходных компонентов, ее выдержкой на воздухе, доведение готовой суспензии до отвержденного состояния и проведение формования с последующей термообработкой, отличающийся тем, что после мокрого измельчения исходных компонентов осуществляют стабилизацию образованной суспензии введением в состав флокулянта, а созревание суспензии сопровождают постоянным интенсивным ее перемешиванием, после чего готовую суспензию высушивают до порошка влажностью от 7 до 10%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что влажность суспензии выбирают в пределах 35-55%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что мокрое измельчение исходных компонентов осуществляют в течение 17-18 ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве флокулянта используют полиакриламид в количестве от 0,05 до 1% от общей массы стекла.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержку суспензии на воздухе и ее стабилизацию проводят в течение 1,5-2 ч.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку порошка после формования проводят при 680-720^oС в течение 10-20 мин, а затем при 740-850^oС с выдержкой в течение 15-25 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3