Волокнистые теплоизоляционные материалы

Волокнистые и тканевые теплоизоляционные материалы имеют [87] плотность волокон практически равную плотности массивных образцов, но изделия, состоящие из волокон или содержащие волокна, имеют объемную (кажущуюся) плотность значительно более низкую, чем плотность массивного материала. Это свойство используется для создания сверх теплоизоляционных материалов и уменьшения потерь тепла. Волокнистые материалы классифицируются: по длине волокна – на длинноволокнистые с непрерывным волокном (прямонитейные) и штапельные (изогнутые) с коротким волокном; по агрегатному состоянию – кристалловолокнистые (называемые «усами» или «вискерсами») и микростеклокристаллические.

Каолиновая вата – является бинарной системой глинозем-кремнезем и производится из природных глин и каолинов. Химический состав каолинового волокна изменяется в следующих пределах (%): 43,0-54,0 Al₂O₃; 43,0-54,0 SiO₂; 0,6-1,8 Fe₂O₃; 0,1-3,5 TiO₂; 0,1-1,0 CaO; 0,08-1,2 B₂O₃; 0,2-2,0 K₂O + Na₂O. Такие волокна относятся к штапельным, представляют собой высокотемпературное стекло и их получают расплавлением шихты в гарниссажных руднотермических печах с последующим раздувом энергоносителями на множество струй. В зависимости от вида энергоносителя различают пародутьевой (используют пар с давлением 0,6-1,2 МПа) и газоструйный (используют сжатый воздух) способы. Для улучшения структуры волокна, повышения гладкости поверхности стеклонитей и уменьшения пылеобразования в перегретый распыливающий пар подается ПАВ (эмульсол). Если необходимо получить длинные волокна с относительно низким содержанием неволокнистых включений, то используют центробежную технологию распыления струи расплава поверхностью быстро вращающегося диска диаметром 300 мм и скоростью вращения 4200 об/мин.

Слой массы слабоориентированных волокон с неволокнистыми включениями («корольками») называют каолиновой ватой. Из каолиновой ваты изготавливают различные изделия, из числа которых наибольшее применение получили плиты, получаемые введением связок (поливинилацетатных дисперсий по ГОСТ 18992-73, карбамидных смол, латексов, глины, бентонита и других). Сушка изделий производится горячим воздухом с температурой на выходе из сушила 170-180 °С, до остаточной влажности не выше 1 %. Полимеризация связующего, происходящая при сушке, повышает механическую прочность изделий, а плотность находится в пределах 280-320 кг/м³.

При производстве картона и бумаги из ваты исходным материалом служит каолиновая вата (85-92 %), волокнистый асбест (5-10 %), крахмал или поливинилацетатная дисперсия (3-5 %). При объемной плотности 700-1000 кг/м³ коэффициент теплопроводности картона составляет l = 0,15-0,27 Вт/(м×К) (при t = 800-1000 °С). Также из ваты изготавливают текстильные изделия – ровницу (нитевидный продукт), шнур, фетр, пряжу, ткани и ленты. В качестве исходных материалов используют каолиновую вату, а для повышения прочности вводят хлопковое волокно или стальную проволоку диаметром 0,1 мм.

Изделия из волокнистых материалов подразделяют на - мягкие, полужесткие и жесткие. Благодаря гибкости применение мягких или ковровых волокнистых изделий, по сравнению с жесткими, более технологично и эффективно. Рулонный материал получают из пухового волокна путем уплотнения в непрерывном рулоне с плотностью 50-250 кг/м³ и толщиной от 6 до 50 мм. Гибкий, мягкий неуплотненный ковер ваты сверху и снизу покрывают стеклотканью, прошивают кварцевыми нитками (т.н. прошивные маты) или приклеивают. Необходимо учитывать, что при нагревании маты дают усадку, величина которой зависит от температуры и от содержания Al₂O₃ в волокнах. Свойства коалинового волокна и изделий на его основе регламентируется требованиями ГОСТ 23619-79.

Основой промышленности теплоизоляционных материалов является производство теплоизоляционных изделий из минеральной ваты. На территории России расположено 69 предприятий и цехов по производству таких изделий. Общее количество технологических линий — 122. Суммарная установленная (проектная) мощность предприятий — около 12 млн. м³ в пересчете на изделия плотностью 100 кг/м³.

Некоторые предприятия, к сожалению, до сих пор выпускают материалы, которые нельзя отнести к современным. Это, прежде всего, минераловатные плиты на битумном связующем. К уходящим в прошлое минераловатным утеплителям следует также отнести изделия, диаметр волокна в которых превышает 7-8 мкм, а в качестве связующего используются экологически вредные вещества. Очевидно, что даже в условиях ожидаемого повышенного спроса эти материалы не будут востребованы, а мощности этих производств не будут расти.

Среди наиболее широко применяемых сегодня как в индустриальных строительных конструкциях, так и в дополнительной изоляции зданий распространены такие волокнистые утеплители, как: плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем (ГОСТ 9573-96 и ТУ 762-010-04001485-96) марок П75, П125, П225; изделия из стеклянного волокна (ТУ 5763-002-00287697-97) марок П45, П45Т, П6О, П75. Для утепления кровли, чердачных перекрытий наряду с указанными изделиями применяются также минераловатные плиты повышенной жесткости на синтетическом связующем (ГОСТ 22950—95), плиты минераловатные гофрированной структуры (ТУ 5762-001-05299710-94) марок П175ГС, П200ГС.

Такую продукцию выпускают сегодня многие отечественные заводы: АО «Термостепс» (Тверь, Ярославль, Салават, Омск, Пермь), АО «Комат», ЗАО «Минвата» (г. Железнодорожный), Назаровский ЗТИМ, фирма «Изорок» (г. Бокино), Челябинский АКСИ, «Флайдерер-Чудово» и др. К сожалению, следует констатировать, что номенклатура отечественных плитных утеплителей расширяется медленно и все еще скудна. Рынок России испытывает недостаток в плитных утеплителях повышенной жесткости для утепления фасадов зданий. Имеющиеся изделия не обладают необходимыми свойствами по влагостойкости, сопротивлению на расслаивание. Практически отсутствуют жесткие негорючие плиты малой толщины для изоляции кровель и полов.

При кажущемся обилии волокнистой теплоизоляции объем выпуска конкурентоспособной продукции, наиболее полно отвечающей требованиям современного строительства, недостаточен. В основном такая продукция выпускается предприятиями, оснащенными импортным оборудованием. Выправляя это несоответствие в структуре производства утеплителей, целый ряд отечественных пред­приятий, таких, например, как АО «Флайдерер-Чудово», АО «Термостепс», АКСИ, ЗАО «Минвата» и др., в последние годы значительно улучшили качество и номенклатуру своей продукции. Наиболее общим для всех заводов страны путем вывода производства волокнистых утеплителей на новый качественный уровень является перевод процесса получения волокна с доменных шлаков на минеральное сырье.

Анализ применяемых в отечественной и зарубежной практике сырьевых материалов показывает, что наиболее качественную, долговечную минеральную вату, соответствующую мировому уровню, можно получать из шихт на основе горных пород габбро-базальтового типа. Небольшая добавка карбонатных пород (известняков или доломитов) доводит их модуль кислотности до 1,7-2,5. Использование этого сырья дает возможность получать минеральное волокно и изделия на его основе, обладающие повышенными эксплуатационными свойствами (химически и водостойкие, температуростойкие), с высокими физико-механическими и теплотехническими показателями. К числу наиболее перспективных сырьевых материалов следует отнести: базальт месторождения «Мяндуха» (Архангельская обл.), кондопожские габбро-диабазы и порфириты (Карелия), горные породы Урала, габбро-диабаз Круторожинского месторождения (Оренбургская обл.), васильевские (Кемеровская обл.), назаровские (Красноярский край), свиягинские (Приморский край) базальты, габбро-диабаз татаканский, базальтовый туф морозовский (Приморский край), ортоамфиболитта-рынахский (район БАМа), меланократовый габбро-норит (Приморский край). Большая часть этих пород пригодна для применения в качестве однокомпонентной шихты. Путем специальной термообработки можно получать кристаллизующееся минеральное волокно с рабочей температурой применения до 1000 °С.

Переход на производство минеральной ваты из горных пород габбро-базальтовой группы, как это делают все ведущие фирмы мира, а не из доменных шлаков позволит существенно увеличить срок эксплуатации утеплителей из минеральной ваты, повысить их температуро- и водостойкость. С этой целью «Теплопроект» разработал «Кадастр сырья для производства минераловатных изделий на основе горных пород». С помощью этого документа отрабатываются такие составы шихт на основе отечественного сырья, которые по своим характеристикам соответствуют шихтовым составам ведущих европейских фирм: «Партек» (Финляндия), «Роквул» (Дания), «Сен-Гобен» (Франция). Такие шихты используют на Тверском комбинате «Изоплит», Пермском заводе теплоизоляционных изделий, Самарском ЗТИ. С середины 1999 года Волгоградский ЗТИ приступил к массовому производству тонкого волокна и изделий на основе базальта при использовании ваграночного процесса.

Ведущие мировые фирмы-производители минераловатной продукции в качестве основного сырья используют базальтовые породы. Это позволяет получать высококачественную минеральную вату. В настоящее время на всех предприятиях отрасли доля базальтовых пород в используемой шихте увеличена до 25-30 %. Это означает, что модуль кислотности ваты составляет в этих случаях не менее 1,5.

Важным элементом в технологических линиях производства волокнистых материалов и изделий, оказывающих воздействие на конечные свойства утеплителей, являются плавильные агрегаты. Из 122 технологических линий по производству минераловатных изделий 103 оснащены коксовыми вагранками, 17 линий — ванными печами, 2 линии — электропечами. В производстве стекловолокна и изделий используют ванные печи на газе или жидком топливе, а в производстве тонкого базальтового и супертонкого волокна — электропечи с графитовыми или молибденовыми электродами или индукционные печи. При этом производительность коксовых вагранок — 2-2,5 т/ч по расплаву, ванных печей минераловатного производства — 1,6-2,5 т/ч, электропечей — до 5 т/ч, ванных печей производства стекловолокна — 0,8-1,5 т/ч, печей базальтового производства — от 200 кг в сутки до 200 кг/ ч.

Около 60 % всех теплоизоляционных материалов из минеральных волокон выпускают при получении расплава в коксовых вагранках, которые являются сегодня основными плавильными агрегатами. На большинстве отечественных предприятий эксплуатируется устаревшее плавильное оборудование. Практически все коксовые вагранки работают без горячего и кислородного дутья, что, в свою очередь, не дает возможности получить расплав требуемой (1400-1450 °С) температуры, а, следовательно, и нужной вязкости.

АО «Термостепс» совместно с НТТП «Газовые печи» (г. Пенза) разработали и внедрили на Волгоградском заводе теплоизоляционных изделий (филиале АО «Термостепс») принципиально новый, не имеющий мирового аналога плавильный агрегат — коксогазовую вагранку для плавления всех видов сырья, в том числе базальтовых и других тугоплавких пород. Практически по всем технико-экономическим показателям она значительно превосходит вагранки, работающие на коксе. Эксплуатация газовой вагранки показала эффективность нового плавильного агрегата, позволяющего:

• снизить удельный расход тепла на 1 тонну расплава на 15-20 %;

• получить температуру расплава 1500 °С, а следовательно, необходимую для его переработки вязкость;

• отказаться от установки к газовой вагранке системы подогрева воздуха или системы кислородного дутья, что значительно удешевляет строительство, повышает надежность и облегчает эксплуатацию;

• использовать в качестве сырья вместо шлаков не только базальтовые, но и другие тугоплавкие породы и тем самым получить теплоизоляционные материалы с новыми свойствами;

• снизить вредные выбросы в атмосферу в 8-10 раз по сравнению с коксовыми вагранками и отказаться от дополнительной установки к газовой вагранке системы дожига оксида углерода:

• сократить время вывода вагранки на рабочий режим с 3-4 часов до 45-60 минут;

• полностью автоматизировать процесс плавления.

Иностранные фирмы-производители оборудования для теплоизоляционной промышленности проявили большой интерес к созданной в АО «Термостепс» газовой вагранке. С одной из этих фирм («Гамма-Мекканика», Италия) подписано соглашение о сотрудничестве по изготовлению и реализации этих плавильных агрегатов в России и за рубежом. Весной 2002 года в Самаре на заводе АО «МТЛ-Термостепс» введена в эксплуатацию вагранка такого типа, изготовленная в Италии.

Решение вопросов улучшения качества и расширения номенклатуры волокнистых утеплителей тесно связано с совершенствованием узла волокнообразования. Наиболее распространенным в России способом переработки минеральных расплавов в волокно является центробежно-дутьевой способ. При реализации этого способа раздува пленка расплава, образующаяся на вращающемся диске, раздувается паром, выходящим из кольцевого коллектора через несколько сотен отверстий. Однако этот способ не позволяет получить волокно нужного качества. Диаметр волокна составляет от 8 до 12 мкм. Расход пара на центробежно-дутьевых центрифугах достигает 1,5-2 т/ч на одну центрифугу.

Мировая практика производства минераловатных изделий показывает, что ведущие фирмы мира производят вату на многовалковых центрифугах. Диаметр волокна при этом снижается до 4-6 мкм. Свойства утеплителя значительно улучшаются, например с 25-30 до 10-15 % снижаются потери расплава с неволокнистыми включениями, исключается применение пара.

В среднем по Российской Федерации многовалковые центрифуги составляют 26 % от общего количества волокнообразующих устройств. Это объясняется тем, что на большинстве заводов страны из-за стесненных условий существующих цехов весьма проблематично вписать новые узлы волокнообразования в существующие линии. Решая эту проблему, Теплопроект разработал принципиально новую малогабаритную камеру отдува волокна. Это позволило на ряде заводов АО «Термостепс» в короткое время реконструировать более 80 % узлов волокнообразования. Работа по замене старых центрифуг, новыми продолжается.

Отечественные многовалковые центрифуги успешно работают на комбинате «Изоплит» и Екатеринбургском ЗТИ. В 1997-2000 годах введены в эксплуатацию многовалковые центрифуги СМТ-183А производства АО «Строммашина». Такие центрифуги внедрены на пермском, самарском, волгоградском, кемеровском, ярославском и омском заводах. Стоимость новой центрифуги, включая проект привязки, составляет 4-5 млн. руб.

Работы ученых и практиков последних лет позволяют утверждать, что значительная часть технологических переделов минераловатного производства имеет опробованные в отечественной промышленности решения современного уровня. В то же время в этой технологической цепочке остается открытым очень важный вопрос, связанный с разработкой, изготовлением и внедрением в промышленность современной камеры тепловой обработки (полимеризации), способной по «сухому» способу обеспечить на одной быстро переналаживаемой линии поточное производство плитного утеплителя различной заданной плотности (до 250 кг/м²) и различной толщины (от 40 до 250 мм). Именно такие камеры тепловой обработки обеспечили передовым фирмам мира прогресс и опережение в производстве минераловатных утеплителей. В последние годы Теплопроект провел большую работу по созданию такого отечественного оборудования, им разработана рабочая документация на камеру тепловой обработки, которая смонтирована на Хабаровском заводе «Стекловолокно».

Одной из важнейших проблем на сегодняшний день является бережная перевозка и хранение утеплителей. Сохранить их эксплуатационные характеристики можно, используя такой известный прием, как упаковка изделий в различные пленки. Так, на ряде заводов АО «Термостепс» внедрены несколько моделей отечественных установок по механизированной упаковке плитных и рулонируемых материалов в полиэтиленовую (термоусадочную) пленку. Предлагаемые отечественные установки в 10-15 раз дешевле аналогичных зарубежных и обеспечивают хорошее качество упаковки. Изделия в такой упаковке не только хорошо хранятся и транспортируются, но также могут быть с успехом уложены в конструкцию.

Важным элементом как новых, так и известных волокнистых утеплителей является качественное и экологически безопасное связующее. Практически все известные виды связующих, применяемых в отечественной теплоизоляционной промышленности, были разработаны 15-20 лет назад. В те годы основная часть минераловатных изделий использовалась на промышленных объектах, где срок их службы определялся временем капитального ремонта оборудования и не был велик. Сегодня, когда основная часть утеплителей применяется в строительстве, к связующим предъявляются такие повышенные требования, как неизменность структуры, стабильность геометрических размеров и теплофизических свойств на весь срок эксплуатации.

В последние годы появился целый ряд предложений по модификации известных связующих и новые предложения. Так, на комбинате «Изоплит» (Тверская область) проводятся работы по модификации связующего и приданию изделиям водоотталкивающих свойств. Теплопроектом проведены работы по использованию в качестве связующих силанов. Разработана технология приготовления многокомпозиционного состава на силанах. По показателю водопоглощения полученные образцы находятся в пределах, регламентированных мировыми стандартами.

На Лианозовском электромеханическом заводе в цехе базальтового волокна испытано новое, экологически чистое связующее на основе солей алюминия с аммиачной водой. Преимуществами нового связующего являются отсутствие в его составе вредных веществ и возможность использования его при температуре до 1000 °С. На этом заводе выпускаются плиты на новом вододисперсном нетоксичном связующем «Ирикс-45» по ТУ 2386-008-00249567—99, разработанном ГУП НИПИ «Научстандартдом» и опробованном совместно с Теплопроектом. Связующее представляет собой суспензию антисептирующих и огнезащитных добавок в пленкообразующей дисперсии. Основными достоинствами связующего «Ирикс-45» являются неограниченная растворимость его водой, длительный гарантированный срок хранения (6 месяцев при температуре от 5 до 40 °С), низкая температура отвердения пленки (не более 130 °С). Однако высокая скорость пленкообразования и твердения не позволяют пока применить это связующее наиболее распространенным способом — впрыскиванием в камеру волокноосаждения. Поэтому такое связующее опробовано только в линии, где смачивание ковра производят методом пролива, и в гидромассе.

Ряд заводов России в качестве связующего применяет бентонитовую глину. Технология его приготовления заключается в помоле бентонитовой глины, приготовлении шликера с добавлением кальцинированной соды, суточном пропаривании смеси при 90 °С до образования гелеобразного бентаколлоидного связующего. Отформованные на конвейере плиты вакуумируются, а затем подвергаются сушке при 300 °С и тепловой обработке при 550-600 °С. Образуется водонерастворимый керамический черепок, связывающий волокна. Полученные плиты выгодно отличаются от аналогов на синтетическом связующем негорючестью и экологической чистотой. Связующее обеспечивает стабильность эксплуатационных свойств до 700 °С и отсутствие вредных газовыделений практически до температуры плавления (1200 °С). В случае применения таких плит при обычных температурах, например в жилищном строительстве, в гидромассу при формовании вводят кремнийорганические гидро-фобизаторы, которые придают плитам водоотталкивающие свойства.

К новым волокнистым теплоизоляционным материалам, которые разрабатывает «Теппопроект» в последние годы, следует отнести «Пласт-мигран» и волокнистые изделия на кожевенных отходах (разработанные МГСУ и осваиваемые на опытном заводе «Теплопроекта»). Объединяет эти два материала то, что оба они предназначены для жилищного строительства, экологически чисты и технологичны в монтаже.

Пластмигран представляет собой материал, состоящий из минера-ловатных гранул и пыли полистирола. Эта смесь помещается в перфорированную металлическую форму любой конфигурации и продувается паром. Вспенивающаяся полистирольная пыль прочно связывает волокно. Опытное оборудование изготовлено и смонтировано на Щуровском комбинате «Стройдеталь» (Московская область).

В нашей стране все шире производятся и используются в строительстве такие недавно экзотические материалы, как тонкое и супертонкое волокно. Эти материалы находят все большее применение в огнезащите строительных конструкций, в изоляции инженерного и промышленного оборудования. Однако широкому внедрению этих качественных материалов в строительство и промышленность препятствуют дороговизна оборудования (платиновые фильеры), высокая энергоемкость и малая производительность традиционного двухстадийного процесса (50-200 кг в сутки).

В «Теплопроекте» ведутся работы по созданию технологии и оборудования для получения супертонкого волокна непосредственно из минеральных расплавов в одностадийном процессе (эжекционно-акустическим способом). Новая технология получения супертонкого волокна обеспечивает в 10-15 раз более высокую производительность, чем дуплекс-процесс. Она дает возможность отказаться от применения драгоценного металла и существенно сократить энергозатраты. При этом используется энергия акустических колебаний в дутьевой эжекционно-акустической головке конструкции «Теплопроекта». Такая дутьевая головка не нуждается в специальном охлаждении, поскольку при ее работе возникает экзотермический эффект. Давление энергоносителя снижено с 0,7-1 до 0,3-0,45 МПа, а его расход на 1 т волокна — с 8 до 2-4 т (в сравнении с дутьевой головкой ВНИИСПВ, применяемой в производстве муллитокремнеземистого волокна).

Дутьевая эжекционно-акустическая головка комплектуется несколькими легко заменяемыми резонаторами, каждый из которых позволяет получать колебания определенной частоты и амплитуды, наиболее соответствующие вязкости перерабатываемых расплавов. Различные модификации дутьевой эжекционно-акустической головки дают возможность вносить обусловленные технологией изменения в процесс волокнообразования. Например, в ходе процесса можно осуществлять подачу в факел раздува дополнительного топлива, горячих топочных газов, замасливающих составов, связующего и т. п. Варьируя параметрами акустического поля, можно получать волокна с заданными свойствами, а процесс волокнообразования существенно интенсифицировать. Эффективность дутьевых головок Теплопроекта заключается в снижении материало- и энергозатрат на волокнообразование. Производительность эжекционно-акустических головок на разных расплавах варьирует от 50 до 350 кг/ч (у головки с вихревым резонатором). Выход волокна из расплава составит не менее 92 %, содержание неволокнистых включений и корольков в вате — не более 8-10 %, а в отдельных случаях — до 5 %.

На Лианозовском электромеханическом заводе в цехе базальтового волокна производят жесткие плиты из гидромассы, которую готовят из супертонких базальтовых волокон и экологически чистого связующего — солей алюминия с аммиачной водой. Плиты рекомендуются к применению во всех видах строительства, включая жилищное, в качестве закладного утеплителя в каркасных конструкциях стен, перегородок, перекрытий, а также при организации огнезащиты стальных дверей и других конструкций.

Для производителей базальтового волокна представит интерес новая разработка АО «Судогодское стекловолокно» — ванная плавильная печь с погружными молибденовыми электродами. Имея небольшие габариты (3,2х1,5х1,6 м) и установленную мощность трансформаторов 250 кВ·А, печь обеспечит производительность до 200 кг/ч расплава. Это позволит выпускать до 25 тыс. м³ в год рулонных матов плотностью 25-50 кг/м². Наряду с малыми габаритами и расходом электроэнергии на плавление, печи данной конструкции не требуют дорогостоящих систем очистки и рекуперации отходящих газов, позволяют легко регулировать температуру расплава, выдавать калиброванную струю на переработку в волокно.

К волокнистым теплоизоляционным материалам, получившим развитие в России в последние годы, следует отнести стекловолокно. В стране имеется 7 заводов по производству стекловолокнистых утеплителей. Самым крупным и современным является ОАО «Флайдерер-Чудово», выпускающее продукцию мирового качества на оборудовании германского концерна «Флайдерер». В 2000 году «Теплопроект» детально исследовал эксплуатационные характеристики продукции этого завода и выпустил альбом рекомендаций по использованию утеплителей АО «Флайдерер-Чудово» в различных строительных конструкциях.

Продукция других относительно небольших производств ограничивается товарным стекловолокном, прошивными матами или матами на синтетическом связующем. Развитие в стране производства этого прогрессивного материала сдерживается отсутствием надежного отечественного оборудования и стабильной научной школы по стекловолокну. Теплопроект приступил к проектированию линии стекловолокна, используя как собственные представления о процессе, так и зарубежные наработки.

Новым шагом на пути совершенствования волокнистых рулонных материалов является «Термозвукоизол», к производству которого приступило АО «Судогодское стекловолокно». Строительная фирма «Корнев и К⁰» предложила упаковывать холстопрошивное полотно в надежную защитную оболочку, в качестве которой используется «Лутрасил-материал», состоящий из прочного, легкого монофиламентного полипропиленового синтетического волокна. «Лутрасил» не пропускает пыль и не отсыревает. Оболочка из «Лутрасила» сохраняет свои свойства до 130-150 °С.

Пеностекло

Для получения ячеистого или пеностекла используют следующие способы: 1) спекание стекольного порошка в смеси с газообразователями, с последующим отжигом; 2) вспучивание расплавленной стекломассы, продувкой воздухом или газами; 3) вспенивание перед спеканием на холоду измельченного стекла пенообразующими веществами (например, 1-2 %-ным мыльным корнем) и закрепление полученной ячеистой структуры стабилизаторами (например, 3-4 %-ным жидким стеклом); 4) вспенивание размягченного стекла под вакуумом; 5) введением в силикатные расплавы тонкоизмельченных добавок, вспучивающихся в интервале температур расплава в жидком или пластично-вязком состоянии.

Для вспенивания стекла используют два наиболее эффективных способа: первый основан на вспенивании расплавленной стекломассы, а второй - на смешении стекольного порошка и пенообразователя с последующим вспениванием в процессе постепенного нагревания спёкшейся массы стекла. Первый способ может осуществляться при температурах стекломассы 1100-1200 °С, а второй – при температурах 700-800 °С для обычного стекольного порошка и при температурах 950-1150 °С для порошков стекла, полученного из глин, нерудных ископаемых или горных пород [201].

По второму способу тонкомолотый порошок стекла тщательно перешивают с пенообразователем. Полученная смесь засыпается в формы или формируется в виде брикетов и затем нагревается. При температуре около 600 °С пылинки стекольного порошка слипаются и образуют полости, в которых замкнут пенообразователь. При дальнейшем повышение температуры поверхностные плёнки стекла начинают растягиваться под влиянием газов, выделяемых пенообразователем.

Пеностекло производят [202] спеканием смеси мелкого стекольного порошка с добавками газообразователей, например, известняка, доломита, мелкого углерода, графита. Предпочтительный состав стекла (мас. %): SiO₂ - 72-73; Al₂O₃ - 0,5-1; CaO – 6-6,5; MgO – 3,5-4; Na₂O – 15,5-16,5; SO₃ - 0,3-0,5. Для получения пеностекла с замкнутыми порами применяют углеродистые газообразователи (кокс, активная сажа, чешуйчатый графит, карбид кремния). При этом температура вспенивания 780-950 °С, например, для сажи и кокса – 780-850 °С, а для графита и карбида кремния – 800-950 °С. Для получения пеностекла с сообщающимися порами применяют известняк с температурой вспенивания 750-780 °С. Для изготовления пеностекла с равномерной структурой и малым объёмным весом применяют стеклопорошок с тонкостью помола, определяемой полным прохождением сквозь сита с 2500-6400 отв/см². Обычно содержание газообразователя – 1-2 %, а при повышении до 3-5 % и более, получается пеностекло с неравномерной крупнозернистой структурой [203].

Относительно мелкомасштабное производство пеностекла экономически оправдано лишь при использовании порошкового метода. При этом смесь тонко измельчённого стекла и пенообразователя нагревают в огнеупорных, обычно металлических формах до спекания и вспенивания. Полученные таким образом блоки пеностекла затем медленно отжигают в формах в той же туннельной печи, в которой проводилось пенообразование (одностадийный способ), или же после извлечения из форм во второй туннельной печи при температуре 600 °С (двухстадийный способ). Отожженные блоки затем обрабатывают резанием и шлифованием до точных размеров.

По одностадийной технологии производства пеностекла тщательно перемешанную пеностеклянную шихту (95-99 % стеклянного порошка с удельной поверхностью 6000-7000 см²/г и 5-1 % газообразователей, например, сажи с удельной поверхностью 100 000 см²/г) нагревают в тиглях или металлических формах до температуры вспенивания и выдерживают при этой температуре заданное время, а затем резкое и далее медленное охлаждение и отжиг по заданной температурной кривой. При этом порошок (из боя оконного или тарного стекла) смешивают или проводят совместный помол с сажей, например, в многокамерных трубчатых мельницах. Шихту засыпают в формы из легированной стали с крышкой, разравнивают и уплотняют. Перед засыпкой шихты внутреннюю поверхность формы покрывают антипригарной меловой или каолиновой пастой. Причём в формы засыпают до 4-5 кг шихты.

Двухстадийный способ производства пеностекла включает: 1) нагрев и вспенивание при температуре 800-850 °С (нагрев – 60 минут, вспенивание 20-30 минут); 2) охлаждение за 15-20 минут; 3) стабилизация при 600 °С в течение 30-40 минут; 4) отжиг и охлаждение (до 30 °С) со скоростью 1-1,5 °С /мин от 600 до 500-450 °С и со скоростью 0,6-0,7 °С /мин - до охлаждения. Для получения жесткого пеностекла тонкоизмельченный порошок стекла смешивают с FeS и нагревают выше 600 °С с вспениванием за счет выделения H₂S.

Технология производства пеностекла (пат. 786818 Франция, опубл. 1934; пат. 67056 Чехословакия, опубл. 10. 03. 1940) объёмным весом 350-450 кг/см³ осуществляется путём нагревания порошковой смеси стекла, содержащего 0,3-0,4 % SO₃, с восстановителями (углерод или карбид кремния) в закрытых огнеупорных формах при температуре 800-900 °С. В пенообразующую смесь рекомендовалось вводить сульфат натрия, а также тальк, гидрат силиката натрия, или трепел, которые при температурах размягчения стекла выделяют гидратную воду или воздух из своих пор. Предполагалось, что полученное таким образом пеностекло должно иметь равномерно расположенные и отделённые друг от друга ячейки. Данный принцип получения пеностекла с нагреванием порошковой смеси стекла и углеродистого вещества используется и на современных заводах.

В технологическом процессе производства пеностекла [203] использовался стекольный порошок с размером частиц 0,09 мм, к которому в качестве пенообразователя примешивался известняк, антрацит и уголь. Пенообразующая смесь нагревалась в огнеупорных формах в течение 20-40 минут до температуры 900-950 °С. Пеностекло с объёмным весом 290-600 кг/м³ имело поры диаметром от 0,5 до 5 мм (т.е. достаточно неравномерные по величине, что характерно для пенообразующей смеси с известняком). Авторы установили, что для получения меньшего объемного веса пеностекла нельзя вводить в форму меньшее количество пенообразующей смеси и необходимо ее как можно тоньше измельчать. Затем авторы отказались от использования в качестве пенообразователя известняка и пеностекло вырабатывалось из порошковой смеси тонко размолотого стекла и кокса. При этом в шаровой мельнице размалывался кокс, который затем добавляли к стеклобою в другую мельницу, в которой производили одновременный помол и перемешивание пенообразующей смеси. Пенообразующую смесь в формы из жароупорной стали дозировали взвешиванием, а сам процесс производства пеностекла протекал в две стадии: в раздельных агрегатах для вспенивания и отжига вспененных блоков. В первой стадии в печи для вспенивания в формах формировались блоки пеностекла, которые затем при температуре 600-700 °С вынимались из форм и отжигались в отжигательной печи. При этом в форму размером 475х380х120 мм отвешивали от 5 до 6 кг пенообразующей смеси. Формы, нагретые до 300 °С (за счет предыдущего вспенивания), после заполнения пенообразующей смесью закрывали крышками и помещали в туннельную печь для вспенивания, где в течение 3 ч протекали следующие процессы: нагрев до температуры вспенивания 860 °С, собственно вспенивание и охлаждение до 600 °С. При этой температуре формы, вышедшие из печи для вспенивания, открывали и блоки пеностекла сразу же перегружали в отжигательную печь. Освободившиеся формы очищали, покрывали защитным покрытием против приклеивания стекла и возвращали к входу туннельной печи для нового заполнения пенообразующей смесью. Общая длинна туннельной печи для вспенивания составляла 17 м и разделена на две зоны, отапливаемые горелками, и третью зону охлаждения – без горелок. Сделан вывод [203], что из всего тепла для получения собственно пеностекла использовалось только 2,1 %. Общий расход тепла на производство 1 м³ необработанного пеностекла составлял (7,96-9,34)×10⁶ кДж/м³, причём 83 % расходовалось в печи вспенивания, а остальные 17 % в печи для отжига. Отмечается [203], что путём увеличения веса пенообразующей смеси в формах (380х475х120 мм) с 4-х до 7,5 кг объёмный вес пеностекла можно регулировать в пределах 176-393 кг/м³; оптимальным считалось количество смеси 5-6 кг, при этом вырабатывалось пеностекло с объёмным весом 260 кг/м³, с равномерными замкнутыми порами диаметром 4-6 мм, а коэффициент теплопроводности колебался в интервале 0,061-0,083 Вт/(м×град).

Дальнейшие работы по производству пеностекла осуществлялись (Стекло и керамика, 1959, № 12) в СССР по двухстадийному способу в раздельных печах для вспенивания и отжига и по одностадийному способу, т.е. вспенивание и отжиг производили в одной печи. Использовались различные усовершенствования: формы, отлитые из жароупорной стали ЭИ-316, располагались в печи на подставках и друг друга не касались; блоки, извлеченные после окончания процесса вспенивания из форм, отжигались в конвейерной муфельной печи; блоки ставили на конвейер на более узкую грань. При использовании одностадийного способа требуется большое количество жароупорной стали для изготовления одного комплекта форм, однако, срок службы форм более длительный, чем при двухстадийном способе производства, главным образом в результате их медленного нагревания и охлаждения.

На Гомельском заводе проводились исследования по производству пеностекла на бесконечном конвейере без применения форм [203]. При этом дозирование пенообразующей смеси, вспенивание и отжиг пеностекла осуществлялись автоматически в одном цикле. Питатель подавал из бункера пенообразующую смесь в виде непрерывного слоя определенной толщины и ширины в желоб, составленный из отдельных деталей из жароупорных сталей, тесно прилегающих друг к другу. Длина этих деталей 1,6 м, а ширина желоба – 1 м. Желоб толкателем постепенно передвигался в туннели печи для вспенивания. При этом пенообразующая смесь постепенно нагревалась, спекалась и вспенивалась. В конце печи поверхность образовавшегося пеностекла выравнивалась пружинными роликами. По выходу из печи от бесконечной ленты пеностекла ножом отрезались отдельные блоки, которые сразу же специальным устройством ставились в отжигательную печь с верхним и нижнем отоплением, на более узки