Основы порошкового способа производства пеностекла

Сырьевые материалы

Для производства пеностекла используют стекло, сваренное из следующих исходных материалов: кварцевого песка, известняка, соды и сульфата. Можно также использовать отходы стекольного производства; бой оконного или тарного стекла; легкоплавкие горные породы, содержащие щелочи.

Сваренную в ванной печи стекломассу превращают в гранулы, для этого массу сливают на металлический конвейер и обильно орошают водой.

Отходы стекольного производства и бой стекла неоднородны по химическому составу, что затрудняет их переработку. Для снижения стоимости гранулята соду и глинозем можно заменять щелочесодержащими горными породами и отходами производства: нефелины, перлиты, андезиты, вулканические пеплы, легкоплавкие озерные глины, а также золы ТЭС и другие.

Химический состав стекла должен быть: SiO2 – 72-73%, CaO – 6-7%, MgO – 3-4%, Na2O – 14-16%, AL2O3 – 0.8-2%, SO3 – 0.4-0.5%.

В качестве газообразователей применяют вещества, выделяющие при нагревании газы: антрацит (1,5-2,0 % от массы), металлургический кокс 2-3%, ламповую сажу 0.2-0.5%, торфяной полукокс и мраморную крошку 1-1,5% и др. К ним предъявляются требования: температура выделения газа должна быть на 50-70ºС выше температуры размягчения стекольного порошка, равномерное выделение газа, не дефицитность, не токсичность, невысокая стоимость.

Выбор вида газобразователя зависит от температуры спекания и вязкости стекла, от характера пористости и окраски пеностекла.

2.2 Характеристика оксидной системы SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O

Для прогнозирования свойств вспученных алюмосиликатных материалов и получения пеностекол с заданными свойствами необходимо, прежде всего, осуществить выбор химического состава, основанный на знании влияния оксидов кремния, алюминия, кальция, магния, натрия и других оксидов на свойства стекла. Использование тройных диаграмм состояния таких систем как Na₂O-CaO-SiO₂, Na₂O-Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂, которые являются частными случаями системы SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O (где R – щелочной металл), представляется при этом целесообразным. Например, на рис. 2.1 и 2.2 приведены представляющие интерес диаграммы тройных систем SiO₂ – CaO – Fe₂O₃ и SiO₂ – Al₂O₃ – CaO.

Рисунок 2.1 – Диаграмма состояния системы SiO2 – CaO – Fe2O3

Рисунок 2.2 – Диаграмма состояния системы SiO2 – Al2O3 – CaO

На диаграммах состояния принято рассматривать преимущественно равновесия в системах «твердое – жидкость». Эти диаграммы, выражающие зависимость температуры, при которой находятся в равновесии те или иные фазы в системе, от состава, иногда называются фазовыми диаграммами.

Основной закон фазового равновесия Гиббса связывает число степеней свободы равновесной термодинамической системы с числом независимых компонентов системы и количеством равновесных фаз . Для многокомпонентных систем, на которые влияет только один внешний параметр (температура или давление), число степеней свободы определяется по закону Гиббса в виде

(2.1)

Для двухкомпонентных систем уравнение упрощается до вида:

, (2.2)

для трехкомпонентных систем – до вида:

. (2.3)

Если в системе присутствует одна гомогенная фаза (жидкая или твердая), то ; при равновесии двух фаз . Минимальная вариантность системы (инвариантность) возможна при равновесии трех фаз. На диаграмме состояния инвариантна тройная точка, когда в равновесии одновременно находятся три фазы. Сложные многокомпонентные системы принято рассматривать по частям.

Минимальная вариантность двухкомпонентной системы (инвариантность) возможна при равновесии трех фаз. Этот случай реализуется для эвтектической точки, когда расплав при затвердевании рассматривается как отдельная фаза.

Диаграммы состояния являются основой физико-химического анализа – метода исследования равновесия между жидкими и твердой фазами в системах. На оси ординат в таких диаграммах откладывается температура, а в поле диаграммы приводятся зависимости температуры начала и окончания кристаллизации расплавов различного состава. Основные принципы в физико-химическом анализе:

Принцип непрерывности: при непрерывном изменении параметров, определяющих состояние системы, свойства ее изменяются также непрерывно, но при условии, что не возникают новые фазы и не исчезают наличные. В последнем случае изменения происходят скачкообразно.

Принцип соответствия: каждой фазе или комплексу фаз равновесной термодинамической системы на диаграмме соответствует определенный геометрический образ. Например, для однокомпонентой системы область (поле) соответствует состоянию гомогенной, системы линия – равновесию двух фаз и точка – равновесию трех фаз (тройная точка).

Интерес может представлять зачастую не вся диаграмма, а ее часть. Так, отмечают, что сведения об областях стеклообразования и кристаллизации в системе SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O и о влиянии оксидов указанной системы на реологические свойства расплава относятся в основном к технологии получения пеностекол с использованием высокотемпературной варки стекла.В трехкомпонентной системе Na₂O-CaO-SiO₂ отмечается тройная эвтектика с самой низкой температурной кристаллизации 7250 С: 5,2% CaO; 21,3% Na₂O; 73,1% SiO₂ [2]. Участок диаграммы состояния данной системы, представляющий интерес для технологии стекла приведен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Участок диаграммы состояния системы Na2O-CaO-SiO2 по Мюрею и Боуну

Как видно из рисунка, в рассматриваемой части диаграммы состояния имеются три тройных химических соединения: 2Na₂O‧CaO‧3SiO₂; Na₂O‧2CaO‧3SiO₂ и девитрит Na₂O‧3CaO‧6SiO₂.

Наибольший интерес представляет состав в элементарном треугольнике NaSi₂-Si-NaCa₃Si₆ так как рассматриваемая часть весьма легкоплавка.