Влияние технологических факторов на свойства безобжигового пеношамот-силикат-натриевого теплоизоляционного материала. Часть 1

  Формирование высокопористой структуры пеношамот-силикат-натриевой композиции в нашем случае будет складываться из таких сложных процессов как: придание вяжущих свойств силикат-натриевой шамотной композиции путем обводнения силикат-натриевого составляющего, т.е получение безводного силиката натрия (БСН), предварительным нагревом (80–90°С) непосредственно в композиции; введение пены в обводненную высоковязкую жидкостекольную композицию для получения устойчивой высокопористой силикат-натриевой пеномассы и окончательное упрочнение высокопористой структуры под действием тепла (180–200°С).
   При изучении вяжущих свойств пеношамот-силикат-натриевой композиции мы стремились установить зависимость прочности материала от таких технологических факторов, как: количество БСН в материале и его кремнеземистого модуля; дисперсность и равномерность распределения; исходная влажность формовочных масс, вид тонкодисперсного твердого компонента; его соотношение с БСН по массе; режим тепловой обработки. Установление этих зависимостей позволяет разработать рациональные технологические приемы, обеспечивающие полноту использования свойств Na2SiO3.
   Ранее проведенные нами исследования [1] показали, что растворимость БСН во многом зависит от его кремнеземистого модуля, т. е. соотношения SiO2:Na2O. Низкомодульные БСН (кремнеземистый модуль не более 2) легко растворяются в воде, но создают нестойкие по отношению к воде клеевые контакты. Кроме того, высокое содержание в них щелочного компонента предопределяет весьма невысокую огнеупорность материала, изготовленного из него. Наоборот, высокомодульные БСН (кремнеземистый модуль более 3) характеризуются низкой растворимостью даже при высоких температурах и давлениях. Однако в нашем случае, когда растворение БСН осуществляется непосредственно в пеношамот-силикат-натриевой композиции, этот процесс происходит более интенсивно и, следовательно, появляется возможность применения высокомодульного БСН.

   В табл. 1 приведены показатели свойств силикат-натриевого вяжущего, изготовленного из БСН (кремнеземистый модуль 2,6–3,0), и минерального наполнителя (шамота), взятых по массе в соотношении 1:4 с Sуд = 2500 см2/г. Откуда следует, что огнеупорность вяжущего при применении модуля БСН от 2,6 до 3,0 повышается на 300°С при незначительном уменьшении его прочности. Следовательно, возможно применение высокомодульного БСН для изготовления жаростойких вяжущих.
   Тем не менее, в нашей работе для дальнейших исследований будет использован БСН (силикат-глыба) с кремнеземистым модулем 2,8–2,9, производство которого налажено нашей промышленностью.
   Общеизвестно, что при снижении средней плотности обжиговых высокопористых пеношамотных изделий необходимо уменьшать долю шамота и глины в пеномассе и увеличивать количество технической пены. С другой стороны, для обеспечения устойчивости пеномассы во времени и образования каркаса из твердых компонентов при сушке необходимо покрыть всю поверхность пузырьков пены определенным слоем твердых компонентов. Снижения их расхода можно достичь только в случае соответствующего увеличения удельной поверхности шамота и глины. Поэтому, например, при получении изделий марки ШЛБ-0.8 шамот измельчают до удельной поверхности 5500...6000 см2/г, а изделия марки ШЛБ-0.4 можно получить лишь в случае увеличения удельной поверхности шамота до 8000...9000 см2/г [2].
   В нашем случае увеличение дисперсности материалов, входящих в пеномассу, кроме вышеуказанных моментов будет благоприятно влиять на все последующие технологические процессы, т. е. на растворение и равномерное распределение твердого силиката натрия в объеме пеномассы. Известно, что малое количество материала, особенно находящегося в твердой фазе (в нашем случае это БСН), равномерно распределить в большом объеме очень трудно.
   На рис. 1 приведены результаты влияния тонкости помола компонентов пеношамот-силикат-натриевой композиции на его прочность. При одинаковой средней плотности (400 кг/м3) и составе (шамот : силикат натрия, % по массе 80:20) максимальная прочность 1,75 МПа достигается при удельной поверхности композиции 3000–4000 см2/г.
   Одновременно исследовалась однородность пеношамот-силикат-натриевой шамотной композиции на БСН, изготовленном совместным помолом связки (наполнитель – 80% и БСН – 20%) и при раздельном помоле компонентов связки (табл. 2).

   В результате исследований выявлен высокий уровень однородности смеси независимо от концентрации БСН в композиции. При этом количество силиката натрия вводимого в пеношамот-силикат-натриевую композицию в этом случае будет определяться не технологическими параметрами производства, а только фактором склеивания (омоноличивания) для достижения заданных значений первоначальной (технологической) прочности и эксплуатационной несущей способности материала. Такой подход к оптимизации концентрации силиката натрия в пеношамот-силикат-натриевой композиции открывает реальные возможности существенного снижения содержания омоноличивающего компонента.
   Другими важными технологическими факторами, влияющими на полноту растворения БСН состоящего из тонкомолотого шамота и силиката натрия, в процессе предварительного разогрева при одновременном перемешивании композиции, являются: температура, вода затворения и продолжительность перемешивания.
   На рис. 2 приведены зависимости концентрации выхода NaOH и SiO2 в водном растворе композиции от температуры. Концентрация NaOH и SiO2 в жидкой фазе раствора с увеличением температуры от 20 до 900С во всех режимах перемешивания увеличивается. При повышении температуры перемешивания более 900С, при принятых значениях В/Т, равных 0,45 и 0,6, и времени перемешивания от 6 до 15 минут, невозможно выделить фильтрат из раствора для определения концентрации NaOH и SiO2, так как смесь обезвоживается и твердеет (процессы растворения при температурах предварительного разогрева смеси более 900С не исследовались).
   Концентрации SiO2 и NaOH, в зависимости от температуры (рис. 2, графики красный и черный), составляют:

  


Эти результаты согласуются с аналогичными данными концентрации SiO2 и NaOH, полученными в работе [3] для шамот-силикат-натриевой композиции. Большие значения содержания SiO2 и NaOH в растворе объясняются интенсификацией растворения тонкомолотого силиката натрия с аморфной частью кремнезема шамота в процессе перемешивания с предварительным разогревом смеси, что связано с достаточным количеством воды и интенсивным перемешиванием при действии высоких температур.
   Результаты исследований по определению зависимости концентраций SiO2 и NaOH в жидкой фазе растворной смеси от температуры предварительного разогрева показывают, что наибольшая интенсивность растворения достигается в интервале температуры от 80 до 90°C при времени перемешивания 6 минут и В/Т, равном 0,6.
   Таким образом, проведенные исследования влияния температуры, воды затворения, продолжительности перемешивания на полноту растворения тонкодиспергированного Na2SiO3 в процессе предварительного разогрева шамот-силикат-натриевой композиции до введения пены, позволили оптимизировать эти технологические факторы, следовательно установить оптимальные их режимы для придания вяжущих свойств силикат-натриевой композиции.
   Соблюдение этих условий при изготовлении шамот-силикат-натриевой композиции и последующего ее твердения позволяет надежно регулировать формирование структуры, одновременно физико-химические процессы, происходящие при сушке и нагреве до высоких рабочих температур эксплуатации композиции.
   Однако установление этих зависимостей позволяет разработать лишь рациональные технологические приемы, обеспечивающие полноту растворения Na2SiO3 в силикат-натриевой композиции.
   Существенное влияние на окончательное формирование структуры и основные свойства силикат-натриевой композиции будет оказывать процентное содержание в нем силиката натрия. С этой целью было исследовано влияние количественного соотношения композиционного вяжущего (совокупность тонкомолотых шамота и силиката натрия) и мелкозернистого шамотного заполнителя на прочность шамот-силикат-натриевой композиции.
   Принимая за основу мелкозернистый шамотный заполнитель, исследователи исходили из следующих теоретических положений.
   Во-первых, жаростойкие материалы на мелком заполнителе обладают более благоприятной структурой с равномерно распределенными порами, что обеспечивает более высокую термическую стойкость, а также прочность при высоких температурах.
   Во-вторых, заполнители в жаростойких материалах следует рассматривать как химически активные компоненты, которые, взаимодействуя с вяжущим при высоких температурах, образуют окончательную их структуру с определенными свойствами.
   В жаростойких мелкозернистых бетонах весьма рациональны трехфракционные смеси заполнителя. В исследовательской работе использовали шамот следующих фракций: 3; 0,6 и менее 0,1 мм. За основу принималось шамот-силикат-натриевое композиционное вяжущее. Количественное соотношение между отдельными фракциями определялось с использованием статистических методов.
   По результатам исследований и экспериментальным данным, характеризующим зависимости прочности Rсж и средней плотности rср от водотвердого отношения, был принят оптимальный состав шамот-силикат-натриевой композиции (табл. 3).

   Таким образом, результаты исследований, направленных на разработку безобжигового жаростойкого пеносиликат-натриевого теплоизоляционного материала, показали, что управлять основными свойствами шамот-силикат-натриевой композиции можно путем изменения ряда технологических факторов. К ним относятся: содержание силикат натрия и равномерное распределение в композиции, тонкость помола компонентов (3000–4000 см2/г); количество воды затворения (В/Т=0,45–0,6); температура предварительного разогрева (90°С) и время перемешивания (6 мин.).