Производство изделий из ячеистого стекла

Саратовский государственный  технический университет

Строительно-архитектурно-дорожный институт 
 

Кафедра  П С К 
 
 
 

Производство  теплоизоляционных  изделий 

из  ячеистого стекла порошковым способом 

Пояснительная записка к курсовому проекту  по дисциплине

«Технология изоляционных строительных материалов и изделий» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Саратов – 2011   г.

Реферат 

    Данный  курсовой проект состоит из пояснительной  записки, состоящей из 45 листов печатного текста, включающей 8 таблиц, основанной на 3 литературных источниках, и 4 интернет – ресурсах.  Графическая часть состоит из 1 листа формата А1 (План и разрезы формовочного цеха). 

    Ключевые  слова: ячеистое стекло (пеностекло), стеклянный бой, газообразователь – каменноугольный кокс, пеностекольные блоки. 

    Целью данного курсового проекта было запроектировать технологическую  линию  по производству пеностекольных блоков производительностью 1 млн. м3 в год. В работе произведен аналитический обзор информации по производству изделия и технологические расчеты.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

Реферат

Введение…………………………………………………………………………...4

  1. Анализ существующих технологий производства изделий
    1. Номенклатура, характеристика изделия…………………………...5
    2. Состав сырьевой смеси…………………………………………….10
    3. Выбор и обоснование технологического способа

      производства………………………………………………………..12

    1. Новое в производстве изделия…………………………………….15
  1. Технологическая часть
    1. Режим работы предприятия……………………………………….17
    2. Расчет производительности предприятия………………………..19
    3. Подбор состава сырьевой смеси…………………………………..22
    4. Расчет потребности предприятия в сырьевых материалах……...23
    5. Выбор технологического оборудования…………………………25
    6. Расчет складов сырьевых материалов……………………………28
    7. Разработка технологии производства ……………………………29
  2. Контроль производства и качества выпускаемой продукции…………32
  3. Охрана труда на предприятии……………………………………………34
  4. Теплотехнический расчет ограждающей конструкции………………...37

Заключение……………………………………………………………………….40

Список  литературы………………………………………………………………41

Приложение 1. Примеры применения пеностекольных блоков для

                         теплоизоляции в строительстве……………………………….42 
 
 
 
 

Введение 

          Пеностеклом называют пористый  материал, получаемый из смеси тонкоизмельченного стекла и газообразователя. Благодаря наличию пор, заполненных воздухом и другими газами, пеностекло обладает хорошими теплоизоляционными свойствами.

           По изоляционным свойствам пеностекло  не уступает таким изоляционным  материалам как газобетон, пеногипс и другие. По водопоглощению и механической прочности пеностекло намного их превосходит.

           Пеностекло, имея неорганический  состав, устойчиво к действию  гнили, микроорганизмов, грызунов, характеризуется постоянством объемной  массы в период эксплуатации  и противостоит действию большинства  химических реагентов. Этим оно  выгодно отличается от большинства  природных и искусственных изоляционных  материалов.

           В строительстве обычное пеностекло  находит применение в качестве  эффективной теплоизоляции, цветное  пеностекло может применяться  как акустический и облицовочный  материал. Отходы производства пеностекла в виде крошки или соответствующим образом подготовленного гранулята могут быть использованы в качестве засыпочной изоляции, как наполнитель в производстве изоляционных изделий, легких декоративных бетонов.

          Применение в строительстве пеностекла  позволяет уменьшить толщину  ограждающих конструкций, снизить  расход основных строительных  материалов и массу конструкций,  индустриализировать работы, удешевить  стоимость строительства, снизить  эксплуатационные расходы, в частности,  затраты на отопление зданий. 
 
 
 

  1. Анализ  существующих технологий производства изделий
    1. Номенклатура, характеристика изделия
 

     Ячеистое  стекло (пеностекло) - высокопористый ячеистый материал, получаемый спеканием тонкоизмельченного стеклянного порошка и газообразователя. Строение пеностекла напоминает твердую мыльную пену. Ячейки имеют сферическую или гексагональную форму, их размер может быть от 0,1 до 5 мм. При среднем диаметре ячейки 2 мкм толщина стенок ячеек варьируется в интервале от 20 до 100 мкм. В зависимости от технологии производства пеностекло обладает открытой или закрытой пористостью. Пористость различных видов пеностекла колеблется от 80 до 95%. Цвет материала - от светлокремового до черного (обычно зеленоватосерый), но в зависимости от состава стекла и примесей может приобретать практически любые цвета. Как всякое стекло, нерастворимо в воде, устойчиво к действию большинства кислот и органических растворителей, выдерживает высокие температуры. Основные уникальные свойства пеностекла в сравнении с традиционными теплоизоляционными материалами заключаются в низкой теплопроводности при высокой прочности и удобстве обработки и монтажа, при экологической безопасности и долговечности.

     Пеностекло - это стеклянная пена, т.е. ячеистый неорганический материал. Оно экологически безопасно как обычное стекло. Экологическая чистота пеностекла позволяет его широко использовать в пищевой и фармацевтической промышленности. Кроме того, само производство пеностекла имеет экологическую  направленность, т.к. позволяет использовать любой стеклобой и отходы стекольного  производства, а применение пеностекла позволит отказаться от экологически опасных теплоизоляционных материалов, например, асбестосодержащих, или экологически вредного и пожароопасного пенопласта и др.  

     Пеностекло - это экологически чистая стеклянная пена, не содержащая органических соединений. Именно поэтому, этот материал недоступен для грызунов и не может являться укрытием для насекомых. Таким образом, пеностекло может быть достаточно эффективным  при строительстве складов, хранилищ пищевых продуктов, дач, коттеджей, изоляции холодильных камер и  т.п.

     Преимущества  пеностекла перед другими теплоизоляционными материалами:

  1. Прочность

Пеностекло  уникально тем, что является абсолютно  несжимаемым материалом. Более того, менее прочный, чем пеностекло, теплоизоляционный  материал требует анкерного и  штыревого крепления к несущей  конструкции сооружения тем самым, увеличивая количество инородных высокотеплопроводных включений, создающих дополнительные "мостики холода". Пеностекло может  нести часть нагрузки за счет собственных  физических свойств, позволяя в некоторых  случаях не применять дополнительных металлических креплений, уменьшающих  сопротивление теплопередаче теплоизоляционного слоя.

  1. Стабильность размеров блоков

Пеностекло  состоит исключительно из стеклянных ячеек и поэтому не дает усадки и не изменяет с течением времени  геометрические размеры строительных конструкций под действием веса эксплуатационных нагрузок. Это позволяет сохранить эксплуатационные свойства теплоизоляционного слоя.

  1. Устойчивость к химическому и биологическому воздействию

Стекло, из которого состоит пеностекло, не разрушается химическими реагентами (за исключением плавиковой кислоты), не является питательной средой для  грибка, плесени и микроорганизмов, не повреждается корнями растений.

        Стойкость к химическому и биологическому воздействию особенно важна при использовании пеностекла в замкнутом, невентилируемом пространстве кровли, стен, цоколя и фундамента. Отсутствие органики позволяет гарантированно избежать ситуаций, связанных с разрушением и деструкцией теплоизоляционного материала под влиянием биологически активной среды.

  1. Негорючесть и огнестойкость

Пеностекло  является негорючим материалом, не содержащим окисляющихся компонентов. Технология производства пеностекла такова, что готовое изделие получается в результате изготовления в печах  при температуре, близкой к 1000°С, поэтому при нагревании пеностекла до высоких температур оно лишь плавится как обычное стекло, без выделения токсичных газов или паров. Этот фактор важен для противопожарных свойств конструкции.

  1. Влагонепроницаемость, водостойкость и негигроскопичность

Так как  пеностекло состоит из замкнутых (не герметично) ячеек, оно практически  не впитывает влагу и не пропускает влагу, и, следовательно, создает дополнительный гидробарьер. При повреждении гидроизоляции  не допускает распространения воды, как в вертикальном, так и в  горизонтальном направлении.

  1. Экологическая чистота и санитарная безопасность

Экологическая и санитарная безопасность пеностекла позволяет осуществлять утепление  ограждающих конструкций не только для помещений, в которых необходима повышенная чистота воздуха (здания образовательного и медицинского назначения, спортивные сооружения, музеи, высокотехнологичные  производства и т.п.), но и для зданий со специальными санитарно-гигиеническими требованиями (пищевая и фармакологическая  промышленность, бани и сауны, бассейны, кафе, рестораны, столовые и т.п.). Кроме  того, из-за наличия микроотверстий в стенках пузырей, изготовленные  из него строительные конструкции имеют  не только хорошую теплоизоляцию, но также и способность "дышать". Это особенно важно для создания комфортабельного микроклимата в жилых помещениях.

           Наряду с преимуществами ячеистое  стекло имеет и недостатки:

  • дорогостоящее производство;
  • больший вес по сравнению с другими видами теплоизоляционных материалов (ввиду высокой плотности пеностекла);
  • для изготовления скорлуп или блоков требуется дополнительное оборудование, что ведет к увеличению стоимости блочного пеностекла.

     Пеностекло  выпускают в виде:

- плит (блоков) размерами (мм): длина 125 - 1200; ширина 125 - 600; толщина 20, 40, 60, 80, 100, 120 (рис.1);

- цилиндров для термоизоляции труб. Толщина стенки цилиндра (скорлупы) 50 мм. Внутренний диаметр 57 – 219 мм (рис.2);

- самостоятельного  засыпного материала (гранулированное  пеностекло) (рис.3).

 

                   Рисунок 1.                                Рисунок 2.                                Рисунок 3.              

        Пеностекольные блоки                Цилиндры для труб                  Гранулированное  

                                                                                                                          пеностекло                                                               

        В зависимости от назначения  пеностекло подразделяется на:

  • изоляционно-строительное, применяемое для изоляции стен и кровли жилых, общественных и промышленных зданий;
  • изоляционно-монтажное - для утепления установок с отрицательными температурами, промышленного оборудования и трубопроводов;
  • влагозащитное с водопоглощением не более 2% по объему;
  • легкое для изоляции строительных конструкций и оборудования;
  • гранулированное для засыпной теплоизоляции;
  • как наполнитель пенопластов.

     Таблица 1.

Основные  характеристики теплоизоляционного пеностекла

ТУ5914-001-73893595-2005

Марка по плотности Средняя плотность кг/м3 Предел  прочности, МПа (кг/см2), не менее Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К), не более Водопоглощение  по объему, % Паропроницаемость, мг/(м*ч*Па) Морозостойкость, циклов, не менее
При сжатии При изгибе
100 100-120 0,5 (5) 0,1 (1) 0,043  
2 – 20		  
0 – 0,2		  
50
150 121-170 0,7 (7) 0,2 (2) 0,053
200 171-220 1,2 (12) 0,3 (3) 0,063
250 221-270 1,7 (17) 04 (4) 0,073
 
 

         Примеры применения теплоизоляции из пеностекла представлены в Приложении 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Состав  сырьевой смеси
 

          Для производства пеностекла используют стекломассу, сваренную из следующих исходных материалов: кварцевого песка, известняка,  соды и сульфата натрия. Можно использовать отходы стекольного производства; бой оконного или тарного стекла; гранулят специально сваренного стекла; легкоплавкие горные породы с повышенным содержанием щелочей - трахит, сиенит, нефелин, обсидиан, вулканический туф.

           В качестве газообразователей применяют материалы, отвечающие следующим требования:

- температура   выделения газа должна быть  на 50 – 700 выше температуры размягчения стекольного порошка;

- равномерное  выделение газа в количестве, обеспечивающем нужное давление;

- недефицитность;

- нетоксичность;

- невысокая  стоимость.

           Таким условиям отвечают: углеродистые  вещества – антрацит, кокс, полукокс, ламповая сажа; карбонаты – известняк,  мрамор, мел; карбиды кальция и  кремния; пиролюзит; селитра.

          Выбор вида газообразователя  зависит от температуры спекания  и интервала вязкости стекла, а также от требуемых характера  пористости и окраски пеностекла. Виды основных газообразователей,  используемых в производстве  пеностекла приведены в табл.2. 
 
 
 
 
 

                                                  Таблица 2.

Виды  газообразователей, применяемых в  производстве пеностекла

 
Газообразователь		 Температура спекания,

0С

 Количество  газообразова-теля, % Строение  пор пеностекла  
Цвет  пеностекла
Пиролюзит 680 – 720 3 – 5 Частично замкнутые Фиолетовый
Азотнокислый  натрий 720 3 – 5 Сообщающиеся Белый,

серый

Известняк,

мрамор

 760 – 775 0,5 – 1 Преимуществ. сообщающиеся Белый
Карбид  кальция 750 – 760 1 – 1,5 Преимуществ. замкнутые  
Антрацит 770 – 780 2 – 3 Частично сообщающиеся Табачно-желтый до темно-серого
Кокс 790 – 800 2 – 3 Замкнутые Коричневый  до черного
Графит 850 и выше 1 – 2 Замкнутые Серый, черный
Карбид  кремния 850 и выше 1 – 3 Замкнутые Серый
 

       В данном курсовом проекте в качестве сырья используют стеклобой соответствующий ГОСТ Р52233-2004 для второго сорта, в качестве газообразователя применяется каменноугольный кокс в количестве 3% .

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Выбор и обоснование  технологического способа  производства 
 

     Впервые способ получения пеностекла был  разработан в 1932 г. в МХТИ им. Д. И. Менделеева. До 1956 г. производилось пеностекло по двухстадийному способу: вспенивание блоков в формах осуществлялось в туннельной печи, а их отжиг — в отжигательной печи. Этот способ был малопроизводителен и требовал дополнительных трудоемких операций по извлечению блоков из форм. Переход на одностадийный способ, по которому оба технологических процесса — вспенивание и отжиг — совмещены в один, позволил значительно увеличить производительность установок и снизить себестоимость продукции.

     В настоящее время основной технологией  производства пеностекла является порошковая: тонкоизмельчённое силикатное стекло (частицы 2–10 мкм) смешивается с газообразователем (обычно – углеродом), получившаяся однородная механическая смесь (шихта) в формах, либо на конвейерной ленте  поступает в специальную туннельную печь. Для получения теплоизоляционного пеностекла со средней плотностью 160–180 кг/м3 применяют порошки стекла с удельной поверхностью около 6000 см2/г и углеродистые газообразователи с такой же или значительно большей удельной поверхностью.

     Технология  производства пеностекла включает в  себя: подготовку стеклянного порошка  заданной гранулометрии, введение и  размешивание добавок пенообразователя, вспенивание смеси при повышенной температуре с получением блоков, отжиг и механическую обработку  блоков пеностекла. Технология предусматривает  поточное производство с высоким  уровнем механизации и автоматизации, отсутствие промышленных отходов и  выделений вредных веществ.

     Еще одной важной особенностью технологии производства пеностекла является возможность  использовать различные виды энергии: природный газ, мазут, электроэнергия для вспенивания стекла, что дает возможность организовать производство в различных регионах страны и выбора наиболее экономически эффективного источника энергии для данного региона.

     Вспенивание — один из наиболее важных процессов  в технологии пеностекла, влияющих на структуру и свойства пеностекла. Его вспенивают в специально предназначенных  для этого термических печах. Вспенивание, отжиг и охлаждение пеностекла можно производить одностадийным  и двухстадийным способами. При  одностадийном способе вспенивание  пеностекольной массы, отжиг и охлаждение блоков производят в формах в непрерывно действующей туннельной печи. При  двухстадийном способе блоки  пеностекла после завершения вспенивания  извлекают из форм и направляют на отжиг и охлаждение в печь отжига, аналогичную печам для стеклоизделий. Наиболее распространен двухстадийный  способ. Он требует меньшего числа  форм, облегчает автономное регулирование  температурного режима вспенивания, улучшает условия отжига пеностекольного  блока.

     Оба способа имеют свои преимущества и недостатки. Одностадийный способ является более простым с точки  зрения самого производства и оборудования; формы в этом случае вследствие их более медленного нагревания и охлаждения имеют более продолжительный  срок службы. Однако необходимое количество форм для одной садки вследствие длительного времени отжига пеностекла намного больше, чем при двухстадийном  способе.

     Двухстадийный способ производства по сравнению с одностадийным имеет следующие преимущества:

     – Минимальное время вспенивания;

     – Совершенная регулировка процесса вспенивания в самостоятельной  хорошо управляемой печи, включая  спекание пенообразующей смеси и  стабилизацию вспененных блоков;

     – Полное использование пространства отжигательной печи за счет расстановки  блоков на узкую сторону с минимальными зазорами между отдельными блоками;

     – Совершенное управление процессом  отжига путем отжига блоков без форм в специально сконструированной  отжигательной печи с регулируемым и равномерным отводом тепла  от поверхности блоков;

     – Минимальное количество форм, которые  после окончания процесса вспенивания  сейчас же возвращаются в производство, не проходя длительного цикла  отжига с пеностеклом.

     В соответствии с современным состоянием техники двухстадийным способом может быть произведено действительно  более качественное, чем одностадийным, пеностекло, прежде всего с более  однородной структурой и более низким объемным весом. Поэтому двухстадийный способ производства пеностекла наиболее совершенный по сравнению с одностадийным, так как пеностекло получается высокого качества при хороших технико–экономических показателях. В данном курсовом проекте рассматриваем двухстадиный способ производства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        

    1. Новое в производстве изделия
 

        В ходе выполнения курсового проекта был произведен патентный поиск с глубиной  15  лет. Были найдены следующие технические решения:

  1. Номер патента: RU 2255060

    Название патента: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА

    Реферат:

Изобретение относится к производству строительных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности. Способ получения пеностекла включает предварительную  термообработку при температуре  ниже температуры вспенивания исходной смеси, получаемой из порошка стеклобоя, углеродсодержащего газообразователя и водного раствора силиката натрия и/или калия, нагрев до температуры  вспенивания, выдержку при этой температуре  до завершения процесса пенообразования  и последующее охлаждение. Исходную смесь получают при температуре  не выше 7000С путем последовательного перемешивания водного щелочного раствора силиката натрия и/или калия, порошка стеклобоя и углеродсодержащего газообразователя, затем смесь обрабатывают при температуре 450-5500С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, полученный продукт после охлаждения измельчают, а затем нагревают до температуры вспенивания из диапазона 750-8300С, при этом ингредиенты при получении исходной смеси выбирают в соотношении, мас.%: водный щелочной раствор силиката натрия и/или калия 30-70, порошок несортированного стеклобоя 25-65, углеродсодержащий газообразователь 4-9. Технические результат: получение качественного пеностекла с низкими трудо- и энергозатратами.

  1. Номер патента: RU2237031

Название патента:  СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО  БЛОЧНОГО  ПЕНОСТЕКЛА 

    Реферат:

Использование: производство пеностекла, высокоэффективного теплоизоляционного материала, широко используемого в строительстве. Технический результат – исключение механической обработки блоков и  отсутствие токсичного сероводорода в  порах пеностекла. Способ включает приготовление порошкообразной  смеси стекла и газообразователя, нагрев смеси в металлической  форме в печи вспенивания до пенообразования  полученной композиции и отжиг. В  смесь дополнительно вводят минеральное  поверхностно-активное вещество в количестве 3-5 мас.%, используют карбонатные газообразователи и металлические формы, у которых  перед печью отжига освобождают  крышку и одну из стенок, делая их подвижными, предотвращая раздавливание  блока в печи отжига. Отжиг осуществляют за счет тепла, запасенного металлом форм и блоками пеностекла. Непосредственное вспенивание ведут при 750±10°С в  течение 20-30 мин, скорость снижения температуры  в печи отжига в интервале 550-50°С составляет 0,7 - 0,8°С/мин.

  1. Номер патента: 2149146

    Название патента: ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА

    Реферат:

Изобретение относится к химическому составу  шихты для производства пеностекла и может быть использовано в производстве строительных материалов. Шихта для  получения пеностекла содержит молотое  стекло и карбонатный пенообразователь. Кроме того, стекло дополнительно  содержит поверхностно-активную добавку - высококремнеземистую глину. Содержание компонентов в стекле, мас. %: карбонатный  пенообразователь 1,5 - 2,0, высококремнеземистая глина 4,5 - 6,0; молотое стекло - остальное. Технической задачей изобретения  является расширение сырьевой базы за счет использования глин и боя  оконного и тарного стекла, уменьшение водопоглощения при одновременном  снижении температуры вспенивания, а также увеличение ресурса работы форм и печи вспенивания.

  1. Технологическая часть

     2.1. Режим работы предприятия 

      Завод по производству теплоизоляционных  изделий из ячеистого стекла, проектируемый в данном  курсовом проекте состоит из склада сырьевых компонентов, сырьевого цеха, формовочного цеха и склада готовой продукции. Формовочный цех, в свою очередь, состоит из следующих отделений: помольное, формовочное, печное.

      Формовочный цех и склад сырьевых компонентов работают по режиму непрерывной рабочей недели при трехсменной работе.

      Режим работы сырьевого цеха и цеха готовой  продукции принимаем двухсменный с 248 рабочими днями в году.

      Расчетный годовой фонд времени работы технологического оборудования в часах, на основании которого рассчитывается производственная мощность предприятия в целом и отдельных линий установок, определяется по формуле:

      Вр = СрЧКи,

где  Вр –годовой фонд времени работы технологического  оборудования, ч;

       Ср - количество рабочих суток в году;

       Ч – количество рабочих часов  в сутки;

       Ки -  среднегодовой коэффициент использования технологического оборудования. Обычно он принимается равным 0,9-0,92. При прерывной рабочей неделе с двумя выходными днями при двухсменной работе К принимается равным 0,943.

Производство изделий из ячеистого стекла