Материалы и изделия из минеральных расплавов

Изыскания новых материалов, более эффективных в техническом и экономическом отношении, обладающих высокими физико-механическими свойствами (кислотностью, водонепроницаемостью, сопротивляемостью истиранию) и декоративными качествами, являются важнейшей задачей промышленности строительных материалов. Одним из таких видов являются материалы, получаемые из минеральных расплавов.

Получение изделий из минеральных расплавов также базируется на едином комплексе технологических операций; плавление исходного сырья, формирование и термическая обработка изделий с целью получения требуемой микроструктуры и физико-химических свойств.

Минеральные расплавы в зависимости от вида исходного сырья можно разделить на следующие группы: стеклянные, каменные и шлаковые.

Физико-химические основы получения изделий из стекольных расплавов

Для удовлетворения потребности отраслей народного хозяйства разработаны сотни видов стекол различных составов. Как правило, современные промышленные стекла содержат не менее пяти компонентов, а специальные технические — более десяти.

Изменение химического состава стекольного расплава позволяет эффективно регулировать прочностные, тепло-физические, диэлектрические, химические и другие свойства стекла. Так, повышение химической стойкости и механической прочности достигается за счет увеличения в составе стекла Si0₂, Аl₂0₃ и СаО; замена части Si0₂ на РbО придает стеклу повышенный блеск; введение в состав фторидов позволяет получить глушенное стекло и т, д.

Разнообразие свойств стекол обусловливает и разнообразие используемого сырья. Все сырьевые материалы, применяемые для варки стекла, делят на главные и вспомогательные. Первые вводят в состав шихты необходимые для данного стекла основные и кислотные оксиды, вторые придают стекломассе специфические свойства, облегчают ее варку и выработку.

Главные стеклообразующие оксиды вводят в состав шихты со следующими видами сырья: Si0₂ с кварцевыми песками или песчаниками; СаО и MgO — с известняками и доломитами; Аl₂0₃ — с пигментом или полевым шпатом; Na₂0 — с содой; Са₂0 — с паташом; В₂0₃ — с буром; РbО — с суриком и т. д. Основное требование, предъявляемое ко всем видам сырья, — чистота и однородность по составу. Особенно жесткие требования предъявляют к чистоте кремнезем-содержащего сырья, составляющего до 70% шихты.

К вспомогательным материалам относятся вещества, создающие восстановительную или окислительную среду в стекольной шихте и печной атмосфере, ускоряющей процессы стеклообразования и обесцвечивания стекломассы, и красители. В качестве восстановителя применяют антрацит и кокс, окислителей — нитраты натрия или калия, оксиды мышьяка и сурьмы. Ускоряют процесс стеклообразования добавкой сульфата натрия, кремнефтористого и фтористого натрия.

Красителями стекла являются соединения металлов, растворимые в стекломассе или образующие в ней взвешенные микрочастицы металлов и их соединений.

Обязательным компонентом шихты является стекольный бой. Стекольную шихту готовят путем дозирования по заданному рецепту сырьевых материалов и тщательного их перемешивания. Смешение шихты производят в смесителях периодического действия: тарельчатых, барабанных, а также конусных.

Важнейшими стадиями процесса варки стекла являются силикатообразование, осветление, гомогенизация и студка стекломассы. Сущность каждой стадии сводится к следующему.

На первой стадии силикатообразования по мере нагревания шихты из нее испаряется влага, обезвоживаются гидраты, термически разлагаются некоторые соли (например, нитраты). При 300-400 °С в шихте начинается взаимодействие карбонатов и сульфатов с образованием двойных солей и легкоплавких эвтектик. При дальнейшем повышении температуры в реакции вступают песок и глиноземные материалы с образованием различных силикатов. Одновременно вследствие плавления некоторых солей и эвтектик в шихте появляется расплав, интенсифицирующий взаимодействие компонентов. Уже при температуре порядка 800 ⁰С взаимодействие компонентов шихты заканчивается, выделение газов прекращается. За счет жидкой фазы, образующейся при плавлении соды и эвтектических примесей, происходит спекание шихты. Однако значительная часть кремнезема (до 25%) остается в свободном состоянии. Для обычных натриево-кальциевых стекол стадия силикатообразования завершается при 800-900 ⁰С.

На второй стадии стеклообразования при повышенных температурах происходит плавлении массы, избыточные зерна кварца и возникшие ранее силикаты растворяются в расплаве. К концу второй стадии при температуре 1100—1200 °С шихта представлена прозрачной, но неоднородной но составу стекломассой, пронизанной множеством газовых пузырей.

На стадии осветления происходит удаление газов из расплава; крупные пузыри поднимаются на поверхность и лопаются, а мелкие растворяются в расплаве. Для обычных стекол осветление заканчивается при температуре 1400-1500 °С.

Структура стекломассы в процессе варки очень неоднородна. Для выравнивания ее химического состава, ликвидации свили и гетерогенных слоев стекломасса проходит стадию гомогенизации. В печах периодического действия она осуществляется перемешиванием стекломассы, в печах непрерывного действия — длительным выдерживанием ее в зоне высоких температур, а также бурлением стекломассы сжатым воздухом. Процессу гомогенизации способствует также перемешивание массы газовыми пузырями в процессе осветления. Осветление и гомогенизация — самые длительные стадии варки стекла.

Завершающая стадия процесса стекловарения — студка — заключается в повышении вязкости стекломассы до пределов, допускающих формирование изделий, за счет снижения температуры до 1000—1200 °С.

Для промышленных стекол, вырабатываемых механическими способами, стекломассу получают в непрерывно действующих стекловаренных ванных печах, а для некоторых специальных видов стекол — в печах периодического действия (горшковых или ванных).

Материалы и изделия из стекольных расплавов

Наибольшее распространение получили материалы и изделия из стекольных и расплавленных масс. Эти материалы в виде стекла со всеми его разновидностями, а также в виде стеклянных изделий нашли широкое применение в строительстве, архитектуре, санитарной технике, пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Стекло — материал, обладающий комплексом разнообразных, не присущих другим видам строительных материалов свойств, характерными из которых можно считать светопропускание и хрупкость. Свойства стекла зависят от многих факторов: состава, режима теплообработки, состояния поверхности, размеров образца и других.

Листы асбестоцементные. плоские применяют для производства стеновых панелей, плит покрытий, сантехкабин, перегородок, устройства транспортных галерей, вентиляционных шахт, подвесных потолков, для внутренней и наружной облицовки жилых и общественных зданий. Листы прессованные и непрессованные могут выпускаться неокрашенными и окрашенными эмалями, на белом и цветных цементах, гладкими и тиснеными, а в зависимости от назначения — обрезными и необрезными.

Изделия асбестоцементные стеновые выпускают для наружной и внутренней облицовки стен, как стеновые панели и перегородки. Для наружной облицовки стен применяют серые и цветные тисненые изделия, цветные прессованные плитки; для внутренней облицовки используют листы, в которых лицевая сторона окрашена водонепроницаемыми цветными эмалями и лаками.

Трубы асбестоцементные производят напорные, безнапорные и вентиляционные; применяют для сетей водопровода и теплофикации, нефте- и газопровода.

Короба асбестоцементные прямоугольного сечения предназначены для устройства вентиляции воздуха производственных, вспомогательных и бытовых помещений, промышленных, жилых и гражданских зданий.

Доски асбестоцементные электротехнические дугостойкие (АЦЭИД) служат для изготовления деталей, панелей, щитов и оснований электрических аппаратов и машин, подвергающихся действию высоких температур и электрического разряда.

Из асбестоцемента производят специальные асбестоцементные изделия. К ним относятся крупногабаритные фигурные листы, применяемые для сводчатых покрытий, градирен, зерносушилок и пр.

Производство асбестоцементных изделий

В настоящее время существует три способа производства асбестоцементных изделий: мокрый способ — из асбестоцементной суспензии, полусухой — из асбестоцементной массы, сухой — из сухой асбестоцемент ной смеси. Наиболее широкое распространение получил мокрый способ. Два других применяют только в опытных установках.

Технологическая схема производства асбестоцементных изделий мокрым способом состоит из следующих основных процессов: складирование и хранение основных материалов, составление смески асбеста из нескольких сортов и марок, распушка смески асбеста, приготовление асбестоцементной массы, силосование (складирование) асбестоцементной массы, формование асбестоцементных изделий (облицовочные листы и кровельные плитки дополнительно прессуются), предварительное твердение отформованных изделий, механическая обработка изделий, твердение изделий, складирование.

Для изготовления изделий устанавливают состав смески асбеста.

Распушка асбеста определяет в значительной мере качество продукции. Различают три вида распушки: сухую, мокрую и полусухую.

При сухом способе распушку производят на бегунах и пушителях. В бегунах разминаются пучки асбеста, нарушается связь между волокнами, а в пушителе (дезинтеграторе) происходит дальнейшее расщепление размятых пучков на отдельные волокна. Окончательно же распушиваются волокна асбеста в аппарате для приготовления асбестоцементной массы — голлендере.

При мокром способе распушки асбест замачивают в воде 3—5 дней, затем смеску разминают на бегунах. Вода проникает в микрощели и оказывает расклинивающее действие, вследствие чего волокна распушиваются легче и лучше. Увлажнение асбеста повышает эластичность волокон, что увеличивает сопротивление излому при обработке на бегунах.

В настоящее время для обминания асбеста все больше распространение получает валковая машина. В отличие от бегунов эта машина выпускает высококачественный обмятый асбест непрерывным потоком.

Формование является наиболее важным процессом в производстве асбестоцементных изделий. Формуют изделия на листоформовочных и трубоформовочных машинах. Ли-стоформовочная машина состоит из металлической ванны, в которую непрерывно по желобу подается жидкая асбестоцементная масса. В ванну помещен полый каркасный барабан (сетчатый цилиндр), обтянутый металлической сеткой. Асбестоцементная масса тонким слоем осаждается на поверхности металлической сетки барабана, частично на ней обезвоживается за счет фильтрации воды сквозь сетку и при вращении снимается с барабана, равномерно размещаясь на движущейся ленте. Асбестоцементная масса, перемещаясь на ленте, проходит через вакуум-коробку, где обезвоживается, затем переходит на вращающийся форматный барабан, навивается на него концентрическими слоями и уплотняется.

При изготовлении листовых асбестоцементных изделий навитую на форматный барабан массу определенной толщины разрезают и снимают с барабана. Полученные листы разрезают на листы установленного размера и подают в пропарочные камеры. Листы, предназначенные для волнировки, после снятия с форматного барабана разрезают на форматы и укладывают в формы на волнистые металлические прокладки.

Твердение асбестоцементных листовых изделий, изготовленных на портландцементе, происходит в две стадии. Первая — предварительное твердение в пропарочных камерах периодического действия (ямных или туннельных) при температуре 50—60 °С в течение 12—16 часов. После пропаривания листовые изделия освобождают от металлических прокладок и подвергают механической обработке (обрезке кромок, пробивке отверстий и т. п.). Окончательно отформованные листы направляют в утепленный склад, где происходит вторая стадия твердения в течение не менее семи суток. Асбестоцементные изделия, изготовленные на песчанистом портландцементе, после формования направляют в автоклавы для запарки при температуре 172—174 °С и рабочем давлении 0,8 МПа. По достижении необходимой прочности изделие подвергают механической обработке.

При изготовлении асбестоцементных труб технологический процесс распушки асбеста и приготовления асбестоцементной массы аналогичен процессу производства листовых материалов.

Асбестоцементные трубы подвергают механической обработке: у всех труб обрезают концы, а у водопроводных — обтачивают; часть труб разрезают на кольца, из которых вытачивают муфты для соединения водосточных, канализационных и дымоходных труб.