Технологическая схема производства волнистого шифера

Введение 

Пеностекло – экологически чистый материал, оно не выделяет никаких  вредных веществ, даже при нагревании, что не скажешь о других утеплителях. Пеностекло рекомендовано Минздравом для детских учреждений как теплоизоляционный материал.

Пеностекло прочный теплоизоляционный материал, но он удивительно легко обрабатывается всеми видами инструмента, для придания нужной формы. Монтаж пеностекла предельно прост, теплоизоляция клеиться всеми видами строительных смесей, и за счет своей ячеистой структуры достигается максимальное сцепление с поверхностью.

Благодаря производству пеностекла частично решается одна из актуальных экологических проблем – использование скопившегося на свалках большого количества бытового и промышленного стеклобоя. Запатентован способ переработки отходов производства для получения пеностекла.

 Пеностекло  – это экономия в затратах  на теплоизоляцию, снижение затрат на монтажные работы, увеличение полезного объема помещения, снижение нагрузок на фундамент и несущие конструкции, повышение безопасности жилья, а, значит, и спроса на него. Потому что как материал пеностекло идеально подходит для различных климатических условий.

В данном курсовом проекте рассмотрены сферы применения, потребительские свойства, отличительны особенности пеностекла; представлена технология производства пеностекла; изучены основные способы производства пеностекла; осуществлен подбор технологического оборудования. Приведены предписания по технике безопасности и охране окружающей среды.

                                                  Определение проекта

Производство стекла и изделий из него - большая, ёмкая  и постоянно развивающаяся отрасль. В течение последних лет спрос  на стекло растет быстрее, чем годовое  производство ВВП. 2004 год показал высокие темпы роста в мировом масштабе, стимулированный в основном Китаем, мировые мощности стекольного производства были заняты почти на 90 %. Спрос на стекло продолжает расти. Его рост является следствием экономического роста, а также изменениями в стандартах и требованиях безопасности, шумоглушения и энергосбережения.

Архитекторы и автомобилестроители  продолжают увеличивать долю использования  стекла в строительстве и автомобилях. Потребность в продукции с  добавленной стоимостью растет быстрее, чем первичной продукции, что расширяет спектр продукции и увеличивает общие продажи.

Рынок Европы, с учетом расширения на восток, за исключением  России, Украины и Беларуси, и  включая Турцию на юге, составляет более 8 млн. тонн стекла. Здесь работают 7 основных производителей флоат-стекла: Saint-Gobain, Pilkington, Asahi, Guardian, Sisecam, Euroglas и Sangalli, плюс два других производителя со своими линиями - Interpane и Scheuten. Европа является самым насыщенным рынком и имеет самую высокую пропорцию продукции с добавленной стоимостью.

Значение рынка стекла Китая быстро растет начиная с  начала 90-х годов. С тех пор, как  страна стала более открытой для  иностранных инвестиций и темпы  роста экономики значительно выросли. В начале 90-х Китай потреблял 1/5 мирового производства стекла, а теперь - 1/3. Ежегодный объем производства стекла в Китае на уровне 12 млн. тонн составляет 30% мирового производства листового стекла.

Стекольная промышленность Беларуси сегодня - это 1 предприятий, 11тысяч  работников. На экспорт поставляется половина продукции, в 2008 году - на 111 миллионов долларов. Основной потребитель Россия. Убыточных заводов в отрасли нет. Это производство, как показывает опыт существующих предприятий, рентабельное, рынок сбыта большой и, что особенно ценно, нам не нужно завозить сырье -- имеется собственное. В этом смысле выпуск изделий из стекла -- такое же перспективное направление для инвестиций, как лесопереработка, хранение и переработка сельхозпродукции.

И хотя во многом результатом  таких финансовых показателей является господдержка, но ввод новых производственных линий и большой интерес к сектору иностранного капитала - веское подтверждение неплохих перспектив данной отрасли.

Стекольная индустрия  Беларуси переживает период качественного  обновления. В 2006 году начата реализация масштабной программы ее развития на 2006-2010 гг., утвержденной Указом Президента Республики Беларусь № 351 от 25 мая 2006 г.

Главная задача - вывод отечественного стеклоделия на мировой уровень  и ведущие позиции в экономике  страны, увеличение экспортного потенциала. Техническое переоснащение и модернизация, технологическое совершенствование, ввод новых мощностей, результатом которых станут конкурентоспособность, соответствующие современным требованиям рынка качество и ассортимент продукции, глубоко затронут в предстоящие годы все промышленные предприятия данной отрасли. Объем инвестиций на повышение их технического уровня ориентировочно составляет 854,1 млрд рублей. Среди источников финансового обеспечения значатся собственные средства организаций и кредиты банков, бюджетные займы, финансовая помощь, оказываемая по решению Президента страны, ресурсы инновационного фонда, образуемого Министерством архитектуры и строительства. В результате реализации программы объемы производства предприятий стекольной отрасли за пятилетие вырастут в 3 раза.

Производство пеностекла является одной из подотраслей стекольной промышленности. И также как и сама отрасль является растущей и перспективной областью производства.

Впервые пеностекло было получено в Советском Союзе еще в тридцатые годы прошлого века известным ученым и специалистом в области стекла И.И. Китайгородскийм. Тогда на территории бывшего СССР работало четыре завода по производству пеностекла. Позже этот материал (по разным причинам) «был забыт».

1. Техническая и коммерческая характеристика продукции 

Пеностекло блочное

Впервые в мире о пеностекле как о строительном материале  упомянул в своем докладе академик И.И. Китайгородский на Всесоюзной конференции по стандартизации и производству новых материалов в Москве в 1932 году. Вскоре в СССР была предложена технология и намечены области применения пеностекла.

В 30-е годы прошлого века начаты интенсивные работы и получены патенты  на производство пеностекла во Франции, Чехословакии, США, Англии и Германии. В годы второй мировой войны исследования и технологические работы были свернуты повсеместно за исключением США. Это позволило Соединенным Штатам в период войны освоить крупнотоннажное производство пеностекла, преимущественно для нужд военно-морского флота, а затем на многие годы выйти в лидеры в производстве и исследованиях в данной технологии.

В результате планомерных  исследований в Советском Союзе  в 70-е годы работало четыре завода по производству пеностекла. Технология была хорошо отлажена и ее описания приводились в ряде изданий. Было восстановлено производство пеностекла в г. Константиновка, запущено его производство еще на трех стекольных заводах СССР: Ивотском, Кучинском, а также в Беларуси на Гомельском (в 1954 г.).

Нельзя сказать, чтоб о  пеностекле в тот период времени строители слышали только как о каком-то фантастическом материале. Общий объем выпускаемой продукции еще в начале 70-х годов превышал 100 тысяч кубометров в год, что в тот период времени было неплохим показателем. Материал пользовался заслуженным спросом и широко использовался в промышленности и строительстве, преимущественно на особо ответственных участках.

К сожалению, сложность поддержания  технологических параметров, приводившая к невысокому выходу товарного продукта, и высокая энергозатратность существовавшей технологии привели к нерентабельности и закрытию в период кризиса конца 80-х годов трех заводов, находившихся в России. Единственный функционирующий на сегодняшний день из существовавших в бывшем Советском Союзе заводов находится в Белоруссии – в Гомеле и не в состоянии расширять производство вследствие устаревшей технологии и оборудования.

В сложившийся обстановке происходит продвижение на рынке  России «классического» пеностекла, производимого по одинаковой «сухой» порошковой технологии в Белоруссии («Гомельстекло») и в Американским филиалом компании Pittsburg Corning в Бельгии с торговой маркой FOAMGLAS^®. Оба материала практически идентичны и используются, как правило, только в промышленности. Основными препятствиями широкого применения белорусских блоков и плит или американо-бельгийских блоков и плит марки FOAMGLAS^® в жилищном строительстве, по мнению немецких специалистов в области строительных материалов, являются:

1. паронепроницаемость;
2. присутствие в его ячеистой структуре сероводорода (токсичного газа с запахом «тухлых яиц»);
3. дороговизна (стоимость на европейском рынке составляет не менее 350€);
4. низкая плотность (~150-180 кг/м³) и соответственно прочность, не позволяющие его использование в качестве ограждающих конструкций.

С технологической точки  зрения производство блочного пеностекла также не лишено недостатков, а именно:

1. использование в качестве сырья только специального серосодержащего стекла и невозможность изготовления из несортового стеклобоя;
2. чрезвычайно низкая производительность процесса, связанная с необходимостью медленного охлаждения и длительного отжига вспененных блоков;
3. высокая доля отходов, связанная с необходимостью резки вспененных блоков;
4. высокая экологическая опасность производства, связанная с использованием соединений серы и с образованием пыли стекла на стадиях помола, вспенивания и резки блоков.

Помимо блочного пеностекла марки FOAMGLAS^® в последнее время на российском рынке активно продвигается пеностекло производства КНР, но при существенно более низких потребительских характеристиках и качестве материал имеет незначительно сниженную цену, что не позволяет ему в полной мере выйти на рынок.

В исходном варианте Теплостек  представляет собой гранулированное  пеностекло, но отметим, что использование в качестве связки гранул пеностекла пасты гидратированных полисиликатов, которая лежит в основе получения сырца-гранулята, и последующий обжиг позволяют получить блоки композиционного теплоизоляционного материала любой формы. В таких блоках поверхность гранул пеностекла покрыта тонкой пленкой стекла, которая одновременно является связкой.

Добавление к мелкогранулированному  пеностеклу Теплостек силикатной связки и повторный обжиг в печи позволяет получать пеностеклянные композиционные блоки любой формы с плотностью от 300 до 500 кг/м³ и использовать их как теплоизоляционно-конструкционный материал

Важно отметить, что полученным пеностеклянные композиционным блокам из материала Теплостек присущи все положительные свойства пеностекла, такие как низкая теплопроводность, экологическая и пожарная безопасность и другие, но эти блоки лишены вышеперечисленных недостатков классических пеностеклянных блоков.

Пеностекло гранулированное

Помимо блочного пеностекла промышленностью  освоено гранулированное пеностекло (пеностеклянный гравий) и пеностеклянный щебень (кусковое пеностекло). Последний материал представляет собой колотые пеностеклянные куски неправильной формы и о нем будет сказано ниже.

Что касается пеностеклянного  гравия, то материал производится в  незначительных объемах фирмой Пеностек (www.penostek.ru) и Пеноситал (www.penosytal.ru). Гранулированное пеностекло при насыпной плотности материала 170÷300 кг/м³ имеет низкое водопоглащение и относительно высокую прочность. Однако технология получения гранулированного пеностекла предполагает гранулирование сырца в сферические гранулы окатыванием исходного порошка при добавлении жидкой связки – обычно жидкого стекла. Особенностью процесса гранулирования порошковых материалов окатыванием является принципиальная невозможность стабильного получения мелких гранул (менее 2÷5 мм), что приводит к отсутствию на рынке гранулированного пеностекла с размерами зерен менее 5 мм. Эту особенность признают оба производителя российского гранулированного пеностекла. Поэтому гранулированное пеностекло не может быть использовано как заполнитель штукатурок и сухих смесей вследствие размера гранул. Из крупных гранул также сложно производить штучные изделия методом вибропрессования.

Другим недостатком известных  марок гранулированного пеностекла «Пеностек» и «Пеноситал» является невысокая влагостойкость. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что при изготовлении сырцовых гранул используется жидкое стекло в качестве связки порошка обычного стекла. Известно, что в жидком стекле повышено содержание Na⁺ относительно содержания оксида кремния SiO₂, в сравнении с обычным, нерастворимым, стеклом, что собственно и придает возможность получения раствора силиката. Разумеется, что используя такую связку для получения пеностекла, производители увеличивают содержание Na⁺ в готовом продукте – пеностекле, что приводит к его повышенной растворимости.

Повышенная растворимость  гранулированного пеностекла опасна еще  и тем, что при попадании на материал воды происходит образование  раствора щелочи, что не только нежелательно с экологической точки зрения, но и приводит к разрушению бетонных конструкций в случае использования гранулированного пеностекла в сочетании с цементом.

Естественно, что в случае получения материала Теплостек  проблема избыточного содержания Na⁺ отсутствует, т.к. материал получается термообработкой гидратированных полисиликатов, соответствующих как по составу, так и по отношению SiO₂/Na₂O обычному бытовому стеклу.

Но основным недостатком  производимого по известным технологиям  гранулированного пеностекла с коммерческой точки зрения остается узость рынка связанная с принципиальной невозможностью производства мелких гранул. Этот недостаток был частично преодолен немецкой фирмой Poraver, которая освоила технологию производства мелкогранулированного пеностекла с одноименным названием. 

3. Мелкогранулированное пеностекло «Poraver» 

Наиболее близким по техническим  характеристикам к предлагаемому  в данном проекте мелкогранулированному пеностеклу Теплостек является импортный материал – Поравер (Poraver® сайт www.porawer.com).

В Западной Европе, в частности, в Германии этот материал успешно используется уже несколько десятилетий, причем особенно заметный взлет спроса на него отмечается в последние годы, когда проблеме энергосбережения стали уделять самое пристальное внимание.

Сырьем для производства материала Poraver® является полученное из отходов стекло, которое по различным причинам, в первую очередь техническим, нельзя использовать в стекольной промышленности для производства новых стеклянных изделий.

Для получения материала Poraver® очищенные куски стекла перемалываются в мелкий стеклянный порошок. Затем в смесительной установке к порошку из стекла добавляют воду, связующее вещество и порофор (вспениватель). Придание сферической формы частицам полученной смеси из стекла осуществляется в дисковом грануляторе. После этого гранулят вспенивается во вращающейся печи при температуре около 900°C. Процесс вспучивания позволяет получить мелкопористый сферический гранулят кремово-белого цвета, внутри частиц которого заключены мелкие пузырьки воздуха.

Принципиальной отличительной особенностью технологии Poraver® от вышеупомянутого гранулированного пеностекла российского производства является получение мелких сырцовых гранул при окатывании. Этот эффект достигается за счет строгого контроля фракционного состава порошка стела и специальных поверхностно-активных добавок в связующую жидкость. Результатом помимо уменьшения размера гранул является существенное усложнение производственной линии и значительное увеличение стоимости продукта.

По завершении процесса охлаждения материал Poraver® просеивают и сортируют по величине гранул, хранят в крупнокамерном бункере и транспортируют клиентам в грузовиках с прицепом-цистерной для транспортировки сыпучих грузов, больших мешках.

Кроме того, специалисты выражают серьезные сомнения в соответствии действительности декларируемого на сайте метода получения сырцовых гранул окатыванием. В патентах, которые в действительности положены в основу технологии Poraver имеется описание реальной технологии и прямо указано, что получение мелких гранул осуществляется в распылительной сушилке. Причем хорошо известно, что данный вид сушилок является одним из самых энергозатратных и малопроизводительных. Кроме того, в вышеупомянутых патентах показано, что для получения высокодисперсной суспензии порошка стекла используется жидкофазный помол периодического действия, который также является крайне малопроизводительным процессом. Поэтому очевидна высокая стоимость получаемого материала, но, тем не менее, несмотря на это, Poraver  весьма востребован вследствие исключительных потребительских свойств.

Материал Poraver® обладает относительно небольшой массой. Также ему свойственны низкая теплопроводность, что позволяет использовать его в качестве утеплителя, хорошая прочность на сжатие при очень малом весе (легче воды), нейтральный запах, в связи с чем отсутствует необходимость в дорогостоящей герметичной изоляции, нечувствительность к воздействию влаги, хорошая газопроницаемость, высокая химическая стойкость (в том числе и к щелочам), хорошие звукоизоляционные свойства, большая долговечность (даже по прошествии нескольких десятилетий материал сохраняет свои полезные свойства — усталостные явления материала отсутствуют). Кроме этого, следует упомянуть и такой немаловажный момент, что, как и любое стекло, этот материал не горюч и не разрушается под воздействием низких температур. Некоторые технические характеристики материала Poraver^® приведены в таблице.

Характеристики  гранул Poraver^®

Следует обратить внимание, что приведенные выше характеристики мелкогранулированного пеностекла Теплостек близки к аналогичным для Поравера. Фактически по своим потребительским характеристикам Теплостек является аналогом Поравера, но полученным по иной, более производительной и менее затратной технологии. Поэтому, при описании рынка пеностекла, мы будем исходить из опыта Поравера, но имея ввиду, что экономический потенциал Тепостека выше вследствие существенно сниженной, по сравнению с Поравером, себестоимости и возможности выпуска материала узких фракций.

1. Обоснование выбора сырья, материалов и их техническая характеристика

Для производства пеностекла используют стекломассу, сваренную  из                следующих исходных материалов: кварцевого песка, полевого шпата, мела, доломита, соды и сульфата натрия.

Сырьем для производства пеностекла является специально наваренного из шихты гранулята 60 мас. %*, 40 % вторичного стеклобоя и 0,3 % газообразователя технического углерода (в виде сажи).

Химический состав стекла для варки  гранулята представлен оксидами, %: SiO2 – 72,1; Al2O3 – 2,00; CaO – 6,6; MgO – 4,0; Na2O – 14,80; SO3 – 0,5.

Для обеспечения заданного химического  состава используют следующие сырьевые материалы:

1) кварцевый песок (SiO2) – главный  стеклообразующий оксид. Кремнезем повышает вязкость стекломассы, улучшает механические и химические характеристики, повышает тугоплавкость стекла и затрудняет его гомогенизацию, уменьшает показатель преломления, ТКЛР и плотность.

Главное требование к пескам –  максимальное содержание диоксида кремния и минимальное содержание окрашивающих примесей. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато–зелёный зеленый цвета.

2) сода кальцинированная (Na2CO3) служит  для введения в состав стекла  оксида натрия (Na2O), играющего роль плавня в стекловарении, снижая тем самым температуру варки стекла, понижает вязкость стекломассы, уменьшает склонность к кристаллизации.

3) сульфат натрия (Na2SO4) так же  как и сода, служит для ввода  оксида натрия.

4) мел (CaCO3) служит для введения в состав стекла оксида кальция (CaO), который понижает температуру плавления и вязкость стекломассы, улучшает механические и химические свойства стекла, но усиливает склонность к кристаллизации, повышает плотность.

5) доломит (CaCO3•MgCO3) вводит в состав MgO и CaO. Оксид магния понижает температуру плавления и склонность к кристаллизации, повышает поверхностное натяжение, уменьшает время провара стекломассы. Снижает устойчивость стекла к действию воды.

6) полевошпатовый материал (R2O•Al2O3•6SiO2) используется для ввода в состав стекла оксида алюминия (Al2O3).

7) газообразователь технический  углерод (в виде сажи).

Стеклобой должен соответствовать  постоянному химическому составу  и минимальному содержанию примесей.

Требования к химическому составу сырьевых материалов предъявляются согласно соответствующим нормативным документам

2. Обоснование способа производства

Впервые способ получения пеностекла был разработан в 1932 г. в МХТИ им. Д. И. Менделеева. Промышленное производство пеностекла было осуществлено на константиновском заводе «Автостекло». 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.

Впервые одностадийный способ производства пеностекла был освоен на Гомельском стекольном заводе. Позднее аналогичный  цех был построен на заводе «Мос-керамика».

В настоящее время основной технологией  производства пеностекла является так называемая "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: кокс, антрацит, сажу, известняк, мрамор.

В результате нагрева до 800 - 900°С частицы  стекла размягчаются до вязко-жидкого  состояния, а углерод окисляется с образованием газообразных СО2 и СО, которые и вспенивают стекломассу. Механизм реакции газо- и пенообразования достаточно сложен и не ограничивается только реакцией окисления углерода кислородом воздуха, более важную роль играют окислительно-восстановительные процессы взаимодействия углерода с компонентами размягчённого стекла.

Производство качественного блочного пеностекла справедливо считается весьма технически непростой задачей. Причиной тому является сложность физико-химических процессов непосредственно при вспенивании, а также строгие требования к процессам фиксации и охлаждения (отжига) готовой пены. Так, например, фиксация усложняется тем, что стеклу не свойственно резкое твердение при охлаждении (подобно кристаллизации при переходе воды в лёд), а фиксация пеностекла может сопровождаться такими "мешающими" процессами, как экзотермические реакции в стеклянном расплаве, спонтанная кристаллизация (девитрификация) стекломассы, существенная неоднородность температурного поля в вспененном массиве и т.п. Правильно охладить вспененный блок также непросто - материал обладает крайне низким коэффициентом теплопроводности при известной хрупкости тонких стеклянных ячеек пены. В результате отжиг растягивается на 10-15 часов и накладывает существенные ограничения на высоту (толщину) отжигаемых блоков (допустимая скорость охлаждения обратно пропорциональна квадрату толщины).

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.

Сырьем при производстве пеностекла могут служить обычные материалы для стекольного производства, отходы от производства стекла и стеклобой изделий, вторичный стеклобой, собранный у населения или на предприятиях общественного питания.

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.

Процесс производства пеностекла начинается с варки стекла заданного состава  в ванной печи. Для получения теплоизоляционного пеностекла чаще всего применяют  стекла, близкие по химическому составу к составам листовых и тарных стекол с повышенным содержанием щелочных оксидов. Составы стекол, %: SiО2 -- 72-73; Al2О3 -- 0,5-2; CaО -- 6-8; MgО 1-4; Na2O -- 15,5-16,5; SO3 -- 0,3-0,5. Для некоторых специфических условий применения пеностекла могут применяться составы стекол, значительно отличающиеся от приведенных выше, например, боросиликатные и малощелочные. Так, для изоляции промышленных холодильных установок рекомендуется химически стойкое стекло следующего состава, %: SiО2 -- 71,6; Al2О3 -- 1,3; В2О3 -- 1,9; СаО -- 3,7; MgО -- 2,8; Na2O -- 12,7; SO3 -- 0,3; As2О3 -- 0,1; Sb2О3 -- 0,2.

Варку стекла проводят без осветления. Хорошо проварившуюся, но не осветленную  стекломассу гранулируют и направляют на помол. При использовании в качестве сырья стеклянного боя или стекловидных горных пород в технологии производства пеностекла отсутствуют варка стекломассы и грануляция.

Пеностекольную шихту составляют либо совместным помолом и смешиванием предварительно дозированного стекла и газообразователя, либо раздельным помолом компонентов шихты и последующим их смешиванием. Чаще применяют совместный помол и смешивание пеностекольной шихты. При совместном помоле стекла и углеродистых газообразователей, в особенности сажи, помол стекла значительно ускоряется вследствие действия углеродистых газообразователей как поверхностно-активных веществ. Помол и смешивание компонентов пеностекольной шихты производят в многокамерных трубчатых мельницах.