Материалы и изделия из минеральных расплавов в зависимости от вида исходного сырья,можно разделить на следующие группы: стеклянные, каменные и шлаковые.
Изыскание новых материалов, более эффективных в техническом и экономическом отношениях, обладающих высокими физико-механическими свойствами (кислотостойкостью, водонепроницаемостью, сопротивляемостью истиранию и декоративными качествами), является важнейшей задачей промышленности строительных материалов. Одним из таких видов являются материалы, получаемые из минеральных расплавов.Для минеральных расплавов общим признаком является их силикатная природа, т. е. преобладание в их составе силикатов. Именно силикатным расплавам присуща способность переходить при быстром охлаждении в стеклообразное состояние.
Для стекла характерный признак — наличие ближнего порядка, т. е. существование упорядоченных групп, размер которых лишь немного превышает размер элементарной ячейки. Поэтому свойства стекла изотропны, т. е. одинаковы во всех направлениях. Вещество в стеклообразном состоянии гомогенно и не имеет определенной температуры плавления; постепенно размягчаясь при нагревании, стеклообразные вещества переходят в жидкое состояние. Характерным признаком стеклообразного состояния является также его неравномерность (метастабильность).
Получение изделий из минеральных расплавов также базируется на едином комплексе технологических операций — плавлении исходного сырья, формовании и термической обработки изделий с целью получения требуемой микроструктуры и физикохимических свойств. Минеральные расплавы в зависимости от вида исходного сырья можно разделить на следующие группы: стеклянные, каменные и шлаковые.
Стекольные расплавы
〈 Физико-химические основы получения изделий из стекольных расплавов.
〈 Материалы и изделия из стекольных расплавов
Каменное литье
〈 Материалы и изделия из каменного литья.
Сырьем для получения каменного литья служат горные породы магматического происхождения, преимущественно базальты и диабазы, обладающие пониженной вязкостью в расплавах. По своему химическому составу базальты более постоянны, а каменное литье из них обладает высокой химической стойкостью и прочностью на истирание. В качестве сырья для получения светлого каменного литья используют 45% кварцевого песка, 34% доломита, 21% мела или мрамора.
Кроме основных материалов в шихту для снижения температуры плавления добавляют 3% плавикового шпата и 0,8% оксида цинка для отбеливания расплава. Перед загрузкой в печь сырьевые материалы измельчают в заданном соотношении. Для плавки шихты применяют шахтные, ванные, вращающиеся электрические печи. Наиболее распространены ванные печи, работающие с небольшой примесью измельченных материалов. Плавку в ванных печах производят при температуре 1450°С.
Готовый расплав из ванны стекает в разливочный копильник, где охлаждается до температуры 1250 °С. Охлаждение расплава перед заливкой благоприятно сказывается на структуре отливаемых изделий и уменьшает количество усадочных дефектов (трещин, раковин). Для заливки расплава применяют формы (кокили) из чугуна или жароупорной стали (постоянные формы), из силикатных материалов (временные формы) и земляные (одноразовые формы).
Для уменьшения внутренних напряжений, возникающих при охлаждении, отливки подвергают кристаллизации и отжигу. Степень кристаллизации расплава изменяется в зависимости от свойств расплава и размеров изделий. Кристаллизацию и отжиг производят в специальных печах (муфельных, туннельных или камерных) при температуре 800…900°С, затем изделия перемещают в зону отжига, а оттуда на склад готовой продукции. Материалы из каменного литья обладают высокими прочностью, износостойкостью и стойкостью в химически агрессивных средах.
Изделия из каменного литья находят широкое применение в угольной, горно-обогатительной и металлургической промышленности для футеровки бункеров, течек, корпуса флотационных машин и т. д. Плитки из каменного литья с успехом заменяют металл; их используют для полов в цехах с агрессивными средами и для футеровки аппаратов, подверженных сильному истирающему воздействию. Изделия из каменного литья применяют на химических заводах в качестве футеровки травильных ванн, всевозможных отстойников.
Термозит
〈 Материалы и изделия из шлаковых расплавов
Степень использования отходов промышленности для производства строительных материалов и конструкций в настоящее время весьма низка. Так, в промышленном масштабе для изготовления строительных материалов применяют только незначительную часть расплавленных шлаков; основное же количество доменных шлаков текущего производства и отвальных шлаков почти не используют.
По данным Гипромеза, слив шлака в отвалы обходится ежегодно более чем в 10 млн. руб., а для организации отвалов необходимы значительные площади и капиталовложения до 1,5 руб. на 1 т сливаемого шлака. Вместе с тем огненно-жидкие шлаки металлургической промышленности служат ценным сырьем для получения различных материалов и изделий.
Производство изделий из шлаковых расплавов выгодно и экономично, поскольку не требует дополнительных затрат топлива, отпадает необходимость в специальных плавильных печах и значительно снижаются удельные капитальные вложения и себестоимость единицы продукции. Однако для обеспечения надлежащего качества выпускаемых изделий шлаковые расплавы нуждаются в обогащении специальными добавками, что несколько усложняет их производство.
Из огненно-жидких шлаков получают изделия для покрытий полов промышленных предприятий, облицовочные плитки, ис пользуемые в коррозионных средах, тюбинги для крепления горных выработок, легкие материалы — термозит, шлаковую вату и др.
Термозит представляет собой ячеистый материал, получаемый в результате вспучивания расплавленного шлака при быстром его охлаждении. Вспучивание шлака осуществляется в специальных машинах центробежным способом, на каскадных лотках или в бассейнах.
Рисунок-1.Технологическая схема производства термозита ( шлаковой пемзы):
1-жидкий шлак; 2-бункер;; 3-центробежная машина; 4-крыльчатка; 5-охлаждающий экран; 6-бункер для вспученного шлака; 7-транспортер; 8-привод крыльчатки; 9-насос для подачи воды.
При центробежном способе (рис. 1) расплавленный шлак сливают в приемный бункер, из которого затем подают в центробежную машину. Одновременно в последнюю поступает и вода. Расплавленный шлак под действием вращающейся крыльчатки распыляется, вспучивается парами воды и под действием центробежной силы отбрасывается на охлаждающий экран. Под охлаждающим экраном расположены приемный бункер и транспортер для удаления готового термозита.
При производстве термозита на каскадных лотках струя шлакового расплава, стекая с полки на полку, попадает между двух струй воды, которая, испаряясь, вспучивает расплав. Каскадный лоток (рис. 2) представляет собой металлическую четырехступенчатую конструкцию с наклонными полками, впереди которых расположены перфорированные трубы для подачи воды.
Рисунок-2.Схема каскадного лотка:
1-боковая стенка лотка; 2-перфорированные трубы; 3- магистральный водопровод; 4-каскады; 5- металлический корпус
Бассейновый способ заключается в том, что в металлический ящик размером 6×6 м поступает шлаковый расплав. В днище ящика имеются отверстияЮ а под ящиком специальные карманы, в которые под давлением поступает вода. Струи воды, подающиеся снизу, пронизывают слой расплавленного шлака и вспучивают его под действием образующегося пара и выделяющихся газов.
Насыпная плотность термозита 300…1100 кг/м³ в зависимости от размеров кусков и степени вспучивания. Щебень из термозита является хорошим заполнителем для легких термозитобетонов. при заливке расплавленного шлака в специальные формы можно получить изделия различного профиля и конфигурации. Для уменьшения напряжений и предотвращения образования трещин в период кристаллизации и последующего охлаждения изделий в формы перед их заливкой укладывают стальную арматурную сетку.
Проведенные исследования показывают что в местах размещения металлургических заводов и ближайших районах преимущественное применение в ограждающих и несущих легкобетонных конструкциях должна найти шлаковая пемза как весьма эффективный в экономическом отношении материал. Себестоимость шлаковой пемзы в 2…3 раза ниже керамзита. Соответственно в 1,5…2 раза ниже и уровень удельных капитальных вложений на ее производство.
Анализ фактических показателей производства и применения наружных легкобетонных стен на основе шлаковой пемзы и керамзита показывает, что стоимость 1 м² наружных шлакопемзобетонных стен является минимальной.
Шлаковая вата
Шлаковая вата представляет собой материал, состоящий из тончайших волокон, получаемых из расплавленных огненно-жидких доменных шлаков или других минеральных расплавов, у которых модуль кислотности больше единицы. При производстве шлаковой ваты (рис. 3) в вагранку загружают доменный шлак соответствующего состава и крупности (до 50…70 мм) и топливо, обладающее высокой механической и термической прочностями.
В качестве топлива используют кокс, антрацит, древесный уголь. При температуре 1200…1400 °С шлаковый расплав, вытекая через летку вагранки, раздувается струей пара и в камере осаждается в виде тонких нитей. Из камеры осаждения минеральная вата с помощью транспортера перемещается в камеру охлаждения и далее на пост изготовления матов.
На этом посту перемещаемый слой шлаковой ваты выравнивают, обклеивают бумагой или картоном, режут на куски заданной длины и отправляют на склад готовой продукции. Плотность матов 250…300 кг/м³, а теплопроводность 0,05 Вт/(м·°С). Изделия из минеральной ваты широко используют в качестве звуко- и теплоизоляционных материалов, они обладают высокой температуроустойчивостью и могут с успехом применяться для утепления всевозможных ограждающих строительных конструкций.
Рис. 3. Технологическая схема производства шлаковой ваты:
1 —щековая дробилка; 2 — просеивание дробленого щебня;3 — транспортер;4 — грохот; 5— бункера; 6 — вагонетки, транспортирующие смеси на склад; 7 — вентилятор для подачи воздуха в вагранку;8 — парафиновое масло;9 — весы;10 — вагранка; 11— бак с водой; 12 — камера охлаждения;
13 — вентилятор;14 — сопло подачи пара
〈 Ситаллы и шлакоситаллы
Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, получаемые из стекла в результате его полной или частичной кристаллизации.
Шлакоситалл — это стеклокристаллический материал, получаемый путем управляемой гетерогенной кристаллизации стекла, сваренного на основе металлургического шлака, кварцевого песка и некоторых добавок и характеризуемый мелкозернистой кристаллической структурой.
Экономика производства материалов и изделий из минеральных расплавов
Ассортимент производства в СССР материалов и изделий из минеральных расплавов достаточно широк. Особенно быстрое развитие в последние годы получили теплоизоляционные материалы, а также специальные виды строительного и технического стекла. Это объясняется большой экономической эффективностью изделий.
Материалы и изделия из каменных и стеклянных расплавов требуют значительно меньших затрат на содержание их при эксплуатации, не нуждаются в окраске и побелке, имеют хорошие декоративные качества, а расходы на чистку и мытье значительно ниже, чем уход за различного рода штукатуркой или другими отделочными материалами.
Замена металлических трубопроводов трубами из стекла (в пищевой промышленности) обеспечивает значительную экономию металла, снижает производственные расходы по их промывке, а также не влияет на вкусовые качества продуктов. Все это обусловило высокие темпы роста производства изделий из минеральных расплавов в истекшем пятилетии. Выпуск оконного стекла в 1985 г. составил 243 млн. м2, армированного — до 3,9 млн. м2, полированного —40,0 млн. м2.
Заводы оконного стекла характеризуются высоким уровнем концентрации (Саратовский, Гусевский, Салаватский и др.). Они оснащены мощными многомашинными системами вертикального вытягивания стекла и высокопроизводительными конвейерами для изготовления полированного стекла. Рост выпуска продукции в стекольной промышленности в последние годы осуществляется за счет совершенствования процессов стекловарения на основе повышения температуры варки стекла, увеличения площади варочных бассейнов стекловаренных печей, применения высокоустойчивых огнеупоров и внедрения новых высокопроизводительных технологических способов изготовления стекла.
Анализ себестоимости важнейших видов изделий стекольной промышленности свидетельствует о наличии значительных резервов снижения ее, особенно по оконному стеклу и закаленному неполированному плоскому стеклу. В общей структуре затрат на производство строительного и технического стекла наибольший удельный вес занимают сырье и материалы — 40,3% (в том числе 15,6% вспомогательные материалы), заработная плата — 29,2%, топливо и электроэнергия — 13,8%. На долю амортизации приходится 8,4%, прочих денежных расходов — 8,3%.
Важнейшим фактором увеличения выпуска продукции, повышения ее качества и снижения себестоимости является совершенствование процессов варки стекла. Повышение температуры варки с 1480 до 1550°С позволяет увеличить удельную производительность печей на 30…35% и улучшить качество в результате получения более однородной стекломассы. Другим важным средством интенсификации процессов стекловарения (на 12…15%) является применение химически активных добавок в шихту.
Принудительное бурление стекломассы в бассейнах ванных печей проточного типа с помощью сжатого воздуха позволяет повысить однородность стекломассы снизить на 10…15% потери от брака. Применение газоэлектрической и электрической варки стекла для выработки стеклянной тары повышает производительность проточных ванных печей на 30…50%. Автоматизация управления режимами работы стекловаренных печей дает возможность стабилизировать теплотехнические и технологические параметры, повысить качество продукции, уменьшить технологические отходы и улучшить условия труда.
Анализ работы печных установок показывает, что для эффективной эксплуатации печей наиболее выгодны высокие скорости машин при небольшой площади печи на 1 м ширины ленты. Так, на заводах оконного стекла наиболее высокие съемы с 1 м2 площади печи составляют 700…800 кг. Они достигнуты при больших скоростях (до 90…100 м/ч) и при площади печи 14… 16 м2 на 1 м2 ленты. Наоборот, печи с самой низкой производительностью (Сылвенский завод — 377 кг) имеют непропорционально большие площади печи — 21…25 м2 на 1 м2 ленты.
Значительные резервы снижения себестоимости строительного и технического стекла заключены в упорядочении топливоиспользования, снижении затрат на тепловую обработку и комплексной механизации трудоемких процессов. По данным института «Гипросталь», технико-экономическиепоказатели стекольной промышленности формируются под влиянием следующих факторов: повышение технического уровня производства стекла на основе внедрения новой техники и совершенствования технологии производства.
Применение дорогих огнеупоров повышенного качества; усложнение конструкций ванных печей; увеличение высоты машин ВВС; строительство более совершенных конвейеров двусторонней шлифовки и полировки стекла; внедрение высокопроизводительных механизмов и оборудования, обеспечивающих ликвидацию ручного труда на операциях резки, сортировки, группировки и упаковки стекла.
Создание полностью механизированной линии по производству листового стекла от загрузки шихты в печь до упаковки стекла; создание механизированных и автоматизированных линий по производству сталинита и триплекса, алюминированных зеркал, стеклопакетов и т. д.; увеличение мощности предприятий за счет установки высокопроизводительного оборудования — увеличения мощности стекловаренных печей путем интенсификации процессов варки стекла за счет повышения температур до 1580…1600°С; увеличение скорости вытягивания стекла и ширины ленты стекла; повышение скорости на конвейерах шлифовки и полировки стекла путем применения более эффективных шлифующих и полирующих материалов.
Блокировка цехов и совершенствование строительных решений (размещение резного и упаковочного цехов в первом этаже
идр.) позволяет снизить сметную стоимость строительных работ на 8… 10%. Основные цехи по варке, вытягиванию, обработке и складированию стекла размещаются в главном корпусе.
Предусматривается применение эффективных строительных конструкций и материалов, обеспечивающих снижение капитальных затрат; рациональная компоновка генерального плана заводов, блокировка производственных зданий и т. д. позволяют значительно сократить протяженность внутризаводских коммуникаций и затраты на их сооружение. В результате влияния отмеченных факторов имеют место дальнейшее снижение себестоимости производства, рост производительности труда.
В СССР выработан и внедряется способ безлодочного вытягивания стекла, применение которого позволяет улучшить качество продукции и повысить производительность печей на 12…15%. Выпуск армированного и узорчатого стекла, дающего мягкое рассеянное освещение, быстро возрастает. Однако его производство, в частности декоративного узорчатого стекла, покрытого аэрозольной пленкой, все еще является недостаточным.
Использование стеклопакетов для остекления оконных переплетов обеспечивает повышение уровня индустриальности остекления, снижение потерь тепла через оконный проем на 5…15%, значительное уменьшение трудовых затрат на строительной площадке, сокращение расхода древесины в 1,5…2 раза.
Использование стеклоблоков позволяет более чем в 2 раза снизить потери по сравнению с ординарным остеклением, улучшает звукоизоляцию. Приведенные затраты на 1 м2 светопрозрачного ограждения из стеклянных блоков на 1…1,5 руб. меньше обычного двойного остекления.
Применение ковров из мозаичных плиток обеспечивает ускорение процесса отделки железобетонных панелей в заводских условиях.