Экспериментальные работы по технологии известково-кремнеземистых теплоизоляционных материалов

В последние годы в ряде стран наблюдается бурный рост производства тепло изоляционных изделий, способ получения которых основан на силикатном твердении смеси извести, кремнеземого держащих веществ и воды в процессе автоклавной обработки. Эти материалы обладают весьма ценными свойствами, в полной мере выявившимися сравнительно недавно в результате больших успехов в исследовании гидротермального синтеза, пришедших, в свою очередь, к коренному усовершенствованию технологии. По стандарту США известково-кремнеземистые теплоизоляционные изделия должны иметь объемный вес не более 176 кг/м3, предел прочности при изгибе не менее 3,5 и допустимую температуру применения не ниже 650°

У нас в промышленных масштабах выпускается только один из видов таких материалов — вулканит Однако и он по качеству не в потной мере отмечает высоким требованиям к изделиям предназначенным для специальных теплоизоляционных работ В настоящей статье сообщаются основные результаты исследований, проведенных в этом направлении институтом Теплопроект в 1958—1959 гг Технологический процесс изготовления известково кремнеземистых изделий ела таете-. из операций по подготовке исход ных материалов (извести, кремнезсмосо- держашнх веществ и асбеста), смешивания их с водой, гидротермальной об работки смеси и сушки. Как показали исследования форма кремнезема не оказывает существенного влияния на свойства получаемых изделий но во многом влияет на технологические операции. В

наших работах в качестве кремнеземос держащих веществ применялись кварц песок, маршал н др. Однако основные исследования проводились с известково-диатсмовыми известково-песчаными композициями.

Весьма существенное влияние на весь технологический процесс и свойства готовых изделий оказывает их объемный вес который однозначно определяется начальным водосодержаинем смеси При тепловой обработке по описанному даже методу начальное влагосодержанпе IV в зависимости от требуемого объемного веса изделий.

Формула применима в интервале изменения объемного веса от 150 до 400 кг/м3.

Результаты исследований, описанных в настоящей статье, в основном относятся к изделиям с объемным весом от 300 до 400 кг/м3. В опытах использовались маломагнезиальная, медленногасящаяся, иизкоэкзотермическая известь Краснопресненского комбината строительных материалов активностью от 70°/о до 80%, диатомит Инзенского месторождения с содержанием Si02—77%, кварцевый песок с содержанием SiCb— 90%, асбест шестого сорта марки Кб-30. Известь применялась ь негашеном виде, что во всех случаях обеспечивало получение материала с прочностью в 1,5—2 раза более высокой, чем при работе на гашеной извести.



При опытах с известково диатомовыми материалами помол извести производился в лабораторной вибромельнице М-30. Увеличение времени помола с 4 мин. (проход через сито 10 000 отв/см2—86%) до 10 мин. (проход— 97%) увеличивает прочность материала иа 15—20%. Важное значение имеет также подготовка асбеста. Установлено, что при двухстадийной обработке его (на бегунах и в ролле) прочность материала получается выше, чем при одностадийной (только на бегунах) в среднем на 20%. В связи с выводами некоторых исследований об отрицательном влиянии тонкого измельчения диатомита на прочность изделий были проведены специальные опыты с разной длительностью помола диатомита в виб- ромельиице Они показали, что тонкость измельчения диатомита не оказывает существенного влияния на прочность изделий.

Для получения однородной суспензии диатомита, извести и асбеста в воде было применено вибросмешивание в лабораторной вибромельнице без шаров, что привело к повышению прочности примерно на 40% по сравнению достигаемой при тщательном смешивании вручную. Эксперименты производились с известково диатомовой смесью состава известь — 20%, диатомит -С51 , асбест 15°о, вода—285%. В смесь добавлялся гипс в количестве 3—6% от веса сухих веществ По нашим наблюдениям положительное влияние гипса тем сильнее, чем короче процесс тепловой обработки и чем ниже давление пара.

Тепловая обработка известково-кремнеземистых смесей обычно проводится путем запаривания в автоклаве при давлении около 8 атм и последующей сушки. Длительность автоклавной обработки и сушки достигает 40 50 час.

В институте Теплопроект разработан метозапаривания и сушки таких материалов в одном аппарате. Это позволяет сократить длительность тепловой обработки в несколько раз при значительном уменьшении энергозатрат. Сущность метода заключается

В первой серии опытов смесь загружалась в аппарат, давление в нем повышалось до заданной величины и смесь подсушивалась до влажности 25%. Затем делалась выдержка без сушки в течение 2,5; 5; 8; 11; 16 и 24 час, а вслед за ней сушка при том же давлении пара. Во время сушки температура нагревателя была равна 300’. Результаты этих опытов показаны в табл. 1. Наибольшие величины отношения предела прочности при изгибе к объемному весу материала были получены после запаривания при давлении 3 атм в течение 2,5 час. и при давлении 10 атм — в течение 11 час. Однако наибольшие прочности, получаемые с увеличением длительности запаривания до 1 суток, мало отличаются от величин прочности. (табл. 2).

Следовательно, тепловлажностная обработка сушкой под давлением. Получаемый при этом материал имеет такую же прочность как и при длительном запаривании.

Тепловая обработка заканчивается выпуском пара из аппарата В период снижения давления пара перепад давления в материале может оказаться - а- столько значительным, что приведет к разрешению материала. Мы нашли, -то скорость снижения давления не должна превышать 0,5 атм мин.. если конечная влажность изделии не больше 20%.

Желаемая интенсивность сушки в наших опытах достигалась путем изменения температуры корпуса аппарата В одной серии опытов температура нагревателя быта 200, 250°, ЗССР. Плита имела ТОЛЩИНУ 5 см. При температуре нагревателя 300’ сушка до стандартной влажности 20% продолжалась меньше 4 час., а при температуре нагревателей 200° превышала 6,5 чае. Средине величины скорости сушки за весь опыт, включая и период нагрева аппарата, представлены в табл. 3.


Данные табл. 3 получены при давлении пара 8 атм; при более высоком давлении за счет увеличения времени подъема давления скорость сушки.

Особенностью описанного метода является то. что весь пар, образуют при сушке материала, получается в аппарате под высоким давлением, легко может быть использован.

Для изготовления изделии предлагаемым методом требуются специальные аппараты Но н обычные автоклавы быть использованы путем размеривания внутри них нагревательных панелей, обогреваемых жидкостями с высокой температурой. Для изготовления скорлуп можно применить аппараты малого диаметра представляющие собой требы, закрываемые с торцов крышками и обогреваемые снаружи дымовыми газами, высококипящей жидкостью или паром. Обрабатываемая смесь заливается непосредственно в аппарат, а из него выгружаются уже готовые скорлупы. Температура теплоносителя в этих аппаратах должна быть равна 250—450°.

Новый метод тепловой обработки имеет следующие преимущества по сравнению с обычным:

1) длительность обработки уменьшается в несколько раз;

2) расход тепла сокращается в 1,5 раза, а в случае использования вырабатываемого аппаратами пара—примерно в 8 раз;

3) требуемое давление в аппарате снижается с 8—15 до 1—3 ати;

4) намного сокращаются производственные площади, капиталовложения и себестоимость материала.

При опытах с известково-песчаными материалами исследовалось влияние тонкости помола песка, содержания извести в смеси и длительности тепловлажностной обработки при давлении 8.5—9 атм на свойства изделий.

Тепловая обработка производилась как методом, описанным выше, так и обычным методом запаривание в лабораторном автоклаве и сушка в сушильном шкафу. Для этой цели был использованы лабораторный вертикальный автоклав с внутренней генерацией пара (рис. 2)

Эта конструкция автоклава, в отличие от обычно применяемой, позволяет полностью исключить влияние радиации стенок на изделия и. таким образом, достаточно хорошо воспроизвести условия, характерные для производственных автоклавов, нагреваемых паром от внешнего источника.

В автоклав загружали 6 образцов размером 290X180X50 мм. После автоклавной обработки образцы высушивались в сушильном шкафу.

При тепловой обработке путем сушки под давлением характер твердения известково-песчаных изделий существенно отличается от известково-диатомовых. Если, как уже отмечено выше, для изделии на диатомите тепловую обработку целесообразно производить путем интенсивной сушки с самого начала процесса, то, применяя известково песчаные смеси, приходится вначале некоторую выдержку без сушки, так как в противном случае возникают усадки, приводящие к значительному снижению прочности. Оптимальный режим тепловой обработки этим методом для известково-песчаных смесей следующий: подъем давления в аппарате за счет испарения воды из материала с возможно большей скоростью, выдержка без сушки при давлении 8,5—9 атм в течение 4 час, сушка при этим давления и температуре корпуса аппарата ЗОН’ до полного высыхания изделий, СПУСК давления со скоростью — 0,5 атм/мин.

Скорость н динамика процесса СУШКИ как известково-песчаных, так и известково-диатомовых смесей практически одинаковы Разница в характере твердения объясняется более высокой химической активностью Si02 диатомита по сравнению с Si02 кварцевого песка.

При тепловой обработке обычным методом (автоклавная обработка) применялся следующий тепловой режим: подъем давления 1,5—2 час. выдержка при 8,5—9 атм — 8 час., спуск давления — 2 час.

В наших опытах применялся совместный помол извести н песка, обеспечивающий наибольшую прочность изделий.

Также как и для известково-диатомовых изделий асбест распушивался на бегунах и в ролле. Результаты исследований (установление влияния содержания асбеста в смеси на прочность изделий) представлены на рис. 3. Как видно из кривых, в изделиях с объемным весом 320—380 кг/м3 наибольшая пион-


На рис. 4 показаны кривые зависимости прочности изделии от удельной поверхности песка и от молярного отношения СаО к Si02. Каждая кривая относится к определенной величине отношения — в смеси.



Кривые, представленные на рис. 1, получены при тепловой обработке изделий в автоклаве и последующей сушке в сушильном шкафу. При тепловой обработке по разработанному нами методу совмещенной запарки — сушки получаются практически аналогичные зависимости.

Опытами установлено, что наибольшая прочность изделий с объемным весом от 300 кг/м3 ДО 400 кг/м3 при тепловой обработке по указанным выше режимам получайся удельной поверхности песка около 3 000 кг/м2.

В лабораторных опытах, также ка и для известково-диатомовых смесей нами применялось вибросмешивание.

Наши опыты показали, что при нагреве известково-кремнеземистых изделий до 650° не происходит сколько- нибудь существенных изменении в структуре материала, а прочность почти не снижается. Некоторые фирмы в США в настоящее время выпускают такие изделия с допустимой температурой применения до 850°.

Для своей теплопроводности эти изделия выгодно отличаются от волокнистых материалов, ячеистых бетонов или бетонов с легкими заполнителями. Благодаря микропористой структуре коэффициента теплопроводности с повышением температуры происходит у них медленнее, чем у других.

Известково-кремнеземистые водоустойчивы: в кипячении воде. После воды прочность их составляет 70—90% от первоначального, а после высушивания вновь возрастает до прежней величины