本发明涉及泡沫玻璃生产
技术领域：
，具体涉及一种高性能泡沫玻璃及其原料和制备方法。
背景技术：
：现有技术中，生产泡沫玻璃通常采用“粉末二步烧成法”，即先把原料碎玻璃和辅料发泡剂等一起磨细并混合成均匀的配合料粉，再把配合料粉装入耐热钢模盒内，一起放进发泡窑内加热，使配合料熔融、发泡膨胀充满模盒，然后迅速冷却，使熔融的泡沫体外壳固化后，从模盒中取出，放入另一台退火炉中进行缓慢冷却(退火)，消除应力，制成泡沫玻璃毛坯；最后采用机械切割等方法，把毛坯加工成各种规格形状的成品。目前泡沫玻璃成品的标准，国际上通行ASTMC552，国内为JC/T647，主要技术数据如下表1。表1通常将达到或超过ASTMC552技术指标要求的称为高性能泡沫玻璃。技术实现要素：本发明提供了一种高性能泡沫玻璃及其制备方法，对平板玻璃碎料以及泡沫玻璃废料加以利用，通过调整各组分的配比，得到性能达到或超过ASTMC552技术指标的高性能泡沫玻璃。一种高性能泡沫玻璃，所述高性能泡沫玻璃的密度为98～180kg/m3，抗压强度0.63～1.72MPa，导热系数0.039～0.056W/m.k。本发明提供的高性能泡沫玻璃的各项指标达到或超过ASTMC552技术指标，具有低密度，低导热系数，高抗压强度等优点。进一步优选，所述高性能泡沫玻璃的密度为150～180kg/m3，抗压强度1.56～1.72MPa，导热系数0.050～0.056W/m.k。本发明还提供了一种生产所述的高性能泡沫玻璃的原料，泡沫玻璃原料的重量份组成如下：本发明提供的泡沫玻璃原料中，除了普通的钠硅钙玻璃成分外，还引入了特殊功能成分，例如，SO3、Fe2O3、ZnO、MnO等，能够改善泡沫玻璃的孔洞结构，使泡沫玻璃具有高抗压强度、低导热系数、低容重等优异性能。在玻璃生产加工过程中，经常会产生很多碎玻璃，将碎玻璃作为生产原料，不但可以实现废物利用，还能加速玻璃的熔制过程，降低玻璃熔制的热量消耗，进而降低玻璃的生产成本和增加产量。本发明中，泡沫玻璃原料中各组分的性质以及作用详述如下：a、平板玻璃碎料为了使玻璃成分尽量稳定，本发明选用价廉易得的平板玻璃碎料，在满足产品质量要求的前提下，平板玻璃碎料的用量应尽可能多，本发明中，平板玻璃碎料的加入量约为泡沫玻璃原料总重量的20％～30％。平板玻璃碎料的粒度应比其它原料的颗粒度大很多，以有助于防止泡沫玻璃原料分层，并使熔融加快。平板玻璃碎料的粒度通常采用20～50mm。使用平板玻璃碎料时，应进行清洗、捡选、除去杂质等预处理，同时，也必须取样，进行化学分析，根据化学成分进行泡沫玻璃原料的配料调整。b、泡沫玻璃废料在泡沫玻璃生产加工过程中，会产生很多废边角料，随意丢弃废边角料，不但会降低产品利用率，提高生产成本，而且还会污染环境。泡沫玻璃废料与玻璃的成分完全相同，打成粉末后，可与其他原料形成均匀的泡沫玻璃原料，不但可以废物利用，而且能够降低生产成本，提高玻璃成分的稳定性和均匀性。在满足产品质量要求的前提下，泡沫玻璃废料的用量也可以尽量多，本发明中，泡沫玻璃废料的加入量约为泡沫玻璃原料总重量的20％～25％。所述泡沫玻璃废料采用粉末状，粒径≤5mm。c、石英砂石英砂又名硅砂，主要提供SiO2。SiO2相对分子质量60.09，密度2.4g/cm3，熔点1710℃，是形成玻璃的主体物质，也是构成玻璃的骨架，SiO2的空隙间充满着其他氧化物，使泡沫玻璃具有的一系列的优良性能。泡沫玻璃的多种性能，例如透明度、机械强度、化学稳定性和热稳定性等，都由SiO2提供，玻璃的粘度、热稳定性和化学稳定性都随着SiO2含量的增加而提高。d、长石长石用于向泡沫玻璃中引入氧化铝成分。Al2O3相对分子质量101.94，密度3.99g/cm3，熔点2050℃。在泡沫玻璃中引入适量Al2O3能够降低玻璃的析晶倾向，提高化学稳定性，且能增加玻璃的机械强度，除此之外，Al2O3还能改善玻璃的成型性能，使玻璃液变得柔和，好操作。e、纯碱纯碱用于提供泡沫玻璃原料中的氧化钠。Na2O相对分子质量61.98，密度2.27g/cm3。由于Na2O的熔点很低，粘度很小，化学性质活泼，是理想的助熔剂，能显著降低玻璃粘度，增加玻璃液的流动性，并能改善玻璃的析晶倾向。f、钾碱钾碱用于提供泡沫玻璃原料中的氧化钾。K2O相对分子质量94.20，密度2.32g/cm3。K2O的许多性质与Na2O相似，在泡沫玻璃原料中用1～1.5％的K2O代替Na2O，能够显著降低析晶倾向，改善玻璃成型性能，此外K2O还能增加玻璃光泽，改善制品质量。g、白云石白云石主要提供泡沫玻璃原料中的氧化钙和氧化镁。CaO相对分子质量56.08，密度2.62g/cm3，熔点2570℃。CaO能提高泡沫玻璃的化学稳定性和机械强度，适量CaO在高温时可降低玻璃粘度，有利于玻璃的熔化和澄清。MgO相对分子质量40.32，密度3.65g/cm3，熔点2800℃。MgO在许多方面具有与CaO类似的性质，如降低高温粘度，提高化学稳定性。MgO克服了CaO的缺点，当用MgO代替相同数量的CaO时，能改善玻璃的析晶性能，使成型温度范围变宽，有助于玻璃的熔化和成型。h、氧化铁粉氧化铁粉主要提供泡沫玻璃原料中的氧化铁。Fe2O3相对分子质量159.70，密度5.12g/cm3。Fe2O3能使玻璃强烈着色，降低玻璃的透明度和透热性，增加了玻璃上下层温差，降低窑底耐火材料的侵蚀，能提高泡沫玻璃的抗压强度，降低泡沫玻璃的热传导率。i、芒硝芒硝主要提供泡沫玻璃原料中的硫酸钠。Na2SO4相对分子质量142.04密度2.68g/cm3，熔点884℃。在高温时，分解放出气体SO3起到澄清作用。生产泡沫玻璃时，SO3与发泡剂一起化学反应和热分解，产生足够数量的气体，在泡沫玻璃中形成稳定均匀的气孔。j、氧化锌粉氧化锌粉主要提供泡沫玻璃原料中的氧化锌。ZnO俗名锌氧粉或锌白，为白色六角晶体或粉末，相对分子质量81.37，密度5.606，熔点1975℃。ZnO是一种碱土性氧化物，用作助熔剂，可增加泡沫玻璃的透明度和抗张力变形，提高玻璃的化学稳定性，降低热膨胀系数。k、锰粉锰粉主要提供泡沫玻璃原料中的氧化锰，MnO相对分子质量70.94，密度5.09，熔点1650(℃)，能使玻璃着色，提高泡沫玻璃的抗压强度，降低泡沫玻璃的热传导率。将上述十一种原料按照比例混合成均匀的玻璃配合料，玻璃配合料在窑炉中熔化后烘干，得到泡沫玻璃原料，泡沫玻璃原料与发泡剂以一定的配比关系混合后，利用球磨机磨成粉料，该粉料经过发泡和退火即可得到高性能泡沫玻璃。本发明对于泡沫玻璃生产方法的改进主要在于，原料的组分构成，以及各组分的用量比例，对于生产方法的其他部分，均可采用现有技术，例如，发泡前粉料的粒径，发泡以及退火的温度和时间等。各组分的粒径如果没有特殊限定，以便于混合均匀为目的，进行粒径的选择。本发明中，如果粒径有限定，均指对数均粒径的限定。本发明中，各组分之间相互配合，使制备的泡沫玻璃具有优异的性能，优选地，泡沫玻璃原料的重量份组成如下：进一步优选，泡沫玻璃原料的重量份组成如下：泡沫玻璃原料的制备过程可以采用现有技术，称量原料的各组分并混合均匀，得到配合料，配合料会经过一系列非常复杂的过程，变成合格的泡沫玻璃生产原料，包括一系列的物理过程(配合料加热、配合料脱水、熔化晶相转变、挥发等)、化学过程(固相反应、化合物分解、硅酸盐的形成等)和物理化学过程(共熔体的生成、固熔、液体间溶解、玻璃液与炉气和气泡间的作用、玻璃液与耐火材料间的作用等)。根据泡沫玻璃原料在制备过程中的不同变化可以将玻璃的熔制过程分为：硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷却等五个阶段。以下具体描述泡沫玻璃原料的具体制备过程：A、硅酸盐形成硅酸盐的形成一般在熔制过程初期的加热阶段(800～900℃)进行。配合料入窑后，在高温下迅速发生一系列的变化过程，包括脱水、盐类分解、气体逸出、多晶转变、复盐生成、硅酸盐生成等，最终得到由硅酸盐和剩余二氧化硅组成的不透明烧结物。B、玻璃形成由硅酸盐和剩余二氧化硅组成的不透明烧结物继续加热到1200℃左右，所生成的硅酸盐(通常为硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝、硅酸镁等)及剩余的二氧化硅开始熔化，经吸附溶解和扩散，形成不含固体颗粒的液态透明体，通常在1200～1250℃范围内完成玻璃液的形成过程，此时的玻璃液在化学组成和性质上是不均匀的。C、玻璃液澄清玻璃液形成阶段结束后，熔融体中包含有许多气泡，玻璃液的澄清即是指从玻璃液中去除可见气体夹杂物、清除气孔组织的过程。当温度升高时，玻璃液的粘度会大大降低，使气泡大量逸出，因此玻璃液的澄清阶段一般需在1400～1500℃的高温下进行。D、玻璃液均化在玻璃形成阶段结束后，玻璃液中仍然带有与主体玻璃化学成分不同的不均匀体，消除这种不均匀体的过程称为玻璃液均化。玻璃液均化包括化学均匀和热均匀两个方面。玻璃液的均化实际上在玻璃液形成时就已经开始，然而主要还是在澄清后期进行，与澄清混在一起，没有明显的界限，但均化的结束通常在澄清之后，玻璃液的均化主要通过不均匀体的溶解与扩散、玻璃液的对流以及因气泡上升而引起的搅拌等方式进行。E、玻璃液冷却欲使均化后的玻璃液达到成型所需的粘度，必须对玻璃液降温，此即为玻璃液的冷却阶段。本发明还提供了一种所述的高性能泡沫玻璃的生产方法，包括以下步骤：将所述的泡沫玻璃原料和发泡剂混合制成粉料后，依次经发泡、退火得到所述高性能泡沫玻璃。作为优选，所述发泡剂为碳黑，泡沫玻璃原料和碳黑的重量比为99.5～99.8:0.3～0.5。作为优选，泡沫玻璃原料和碳黑的重量比为99.6:0.3～0.5。碳黑是一种无定形碳，为轻、松而极细的黑色粉末，比表面积非常大，优选地，所述碳黑的比表面积为90～120m2/g，原生粒径为20～30nm。本发明使用平板玻璃碎料、泡沫玻璃废料、少量常见矿物以及化工原料来调整泡沫玻璃的化学成分，使得到的泡沫玻璃达到甚至超过ASTMC552的技术指标要求，不仅可以实现废物利用，减少环境污染，还能降低生产成本，提高产量。附图说明图1为本发明泡沫玻璃原料的生产设备示意框图。具体实施方式实施例1～6各实施例中，泡沫玻璃原料的重量份组成如表2所示。表2各实施例中，泡沫玻璃原料与碳黑的重量份配比为99.6：0.4，各实施例中采用的碳黑的技术指标如表3所示。表3各实施例中的泡沫玻璃原料采用如图1所示的设备进行生产，如图1所示，平板玻璃碎料、泡沫玻璃废料、石英砂、长石、白云石、纯碱设置单独的料仓，其余原料(包括钾碱、芒硝、氧化铁粉、氧化锌粉)置于小料仓中，各原料经由配合料皮带机输送至混合机中混合均匀，然后经由窑头料仓进入玻璃熔窑中，玻璃熔窑的供热装置包括：依次连接的煤气发生炉、空气煤气交换器和蓄热室，蓄热室的热量输送至玻璃熔窑，以维持窑温，玻璃熔窑中产生的废气经由废气排放装置(例如烟囱)排出，玻璃熔窑内烧制完毕的物料经过水淬烘干等工艺，得到泡沫玻璃原料。下面对各设备进行详细说明：1、配料计量系统采用失重秤自动配料系统。在玻璃行业经常要进行多种物料的连续配料，通常使用失重秤。由于失重秤秤体是基于斗式秤的结构，能直接进行砝码标定，通过对秤斗各瞬间重量的测试计算出实际排料量，再进行闭环调整，可以达到很高的控制精度。流程：各种原料→电子称量→自动混料→检测→提升窑头料仓→进窑熔化。2、煤气发生炉通过单段式煤气发生炉来制备煤气，产生热源熔化配合料。煤气发生炉为连续制气的全水套结构，来自鼓风机的空气与炉体产生的蒸汽混合成饱和空气作为气化剂，经止回阀通过煤气炉底部进入煤气炉内。块煤经过破碎、筛选，粒度30-60mm。煤气炉内产出的煤气经过重力除尘器、旋风除尘器除尘后，通过煤气管道输送至蓄热室、窑池来熔化配合料。2.1、煤气发生炉工艺流程首先利用提煤机将煤加入加煤机，然后通过加煤机将煤加入煤气发生炉炉膛，蒸汽及空气作为气化剂自炉底进风箱鼓入炉内，在发生炉内，煤与气化剂在高温条件下发生氧化、还原反应，产生煤气。炉出煤气首先进入重力除尘器，利用灰尘自身重力沉降，进行初步除尘，然后进入旋风除尘器，通过离心力的作用除去大部分煤粉及灰尘。经旋风除尘后的热煤气经若干沉降室、隔断水封，通过热煤气管路送往玻璃窑炉使用。2.2、煤气发生炉结构2.2.1、加煤机加煤机采用双钟罩式、机械式加煤，此种结构能有效防止煤气泄露。加煤时，双钟罩封闭，卷扬机构拉动小车将煤加入加煤机上仓，然后小车靠自重回落，同时下钟罩封闭，上钟罩打开，煤落入加煤机下仓，然后上钟罩关闭，下钟罩打开，煤全部落入炉内，最后关闭下钟罩，完成一次加煤。2.2.2、炉主体炉主体由炉盖、水夹套、炉篦、底盘装置、进风箱等部件所组成。炉盖由钢板焊接而成，内衬耐火保温浇注料。水夹套与集汽包相连，上下形成软化水自然循环系统，软化水首先进入集汽包，由集汽包下降到水套中，受热后产生汽、水混合物，由上升管到集汽包，经汽水分离装置分离出蒸汽用于做气化剂。水套内的用水，只有在停供软化水而暂时维持生产的情况下，才能允许短时间使用自来水。底盘装置包括棘轮和灰盘。2.2.3、清灰装置清灰采用双灰刀，两侧清灰，出灰均匀，能有效防止由于出灰不均所造成的偏炉运行，所提供灰刀为双向螺旋面胎具冲卷成形，能有效降低出灰阻力。大灰刀采用犁式除灰刀，传动平稳可靠、除灰顺畅，清灰机为液压双侧驱动，棘轮棘爪结构，液压站控制摆动液压缸作往复运动，从而使棘爪驱动棘轮完成灰盘步进，达到清灰的目的。3、窑炉玻璃窑炉是熔制玻璃的热工设备，通常由耐火材料构成。利用燃料的化学能、电能或其它能源产生的热能，造成可控的高温环境(分布和气氛)，使玻璃配合料在其中经过传热、传质和动量传递过程，完成物理和化学变化，经过熔化、澄清、均化和冷却等阶段，为生产提供一定数量和质量的玻璃液。玻璃窑炉在玻璃生产中起着十分重要的作用，常被称为玻璃工厂的“心脏”。各实施例采用煤气马蹄焰窑炉生产高性能泡沫玻璃原料。3.1、马蹄焰窑的工作原理马蹄焰窑的结构与一般火焰玻璃池窑的构造比较接近，可分为熔制、热源供给、余热回收和排烟供气四大部分。相应于玻璃熔制过程，池窑窑体沿长度方向分成熔化部(包括熔化带和澄清带)、冷却部(或工作部)和成型部。熔化部是进行熔化、澄清、均化的部分，用火焰表面加热配合料的熔化部可分为上下两部分，其上部为火焰空间，下部为窑池。冷却部是将熔化好的玻璃液进一部均化和冷却的部分，也是将玻璃液分配给各成型部的地方。为了供给热源，设置在玻璃池窑前端的燃料燃烧结构叫小炉。即火焰喷出的地方。为了提高窑内火焰温度，设置了烟气余热回收设备。马蹄焰窑余热回收设备主要采用蓄热室。为使窑炉工作连续，正常，有效地进行，设置了一整套排烟供气系统，包括：交换器、烟道、鼓风机、总烟道和烟囱等。3.2、池窑3.2.1、熔化池面积熔化部窑池面积按已定的窑规模(日产量)和熔化率(常用K表示)来估算F熔＝Q/K式中，F熔为熔化面积m2；Q为出料量t/d。熔化率是指窑池每平方米熔化面积每昼夜熔化原料液的量，单位为kg/(m2·d)或t/(m2·d)。各实施例采用熔化池面积为35m2。3.2.2、长宽比熔化池面积确定后，还要确定熔化池的长和宽。在马蹄形火焰转弯处常形成一定的气漩，产生强烈的混合作用。可获得一个明显的热点，有助于玻璃液的澄清，因此要求火焰在窑长的2/3处转弯，并要求在整个火焰马蹄形流动过程中都处于燃烧状态，使窑宽两侧的温度保持均匀。各实施例采用的马蹄焰窑的池宽为5m，池长为7m。3.2.3、窑池深度确定合理的池深，必须综合考虑到颜色，粘度，熔化率，产品质量，燃料种类，池底砖质量，池底保温层情况等因素。对于烧煤气池窑，由于火焰的辐射强度大，底层的温度相应升高，再加上池底保温，底层温度更高，如不适当加深窑池深度，会加快池底砖的侵蚀，为了提高熔化率，也要求加大池深，增加池内玻璃液的重量，以保持一定的周转量。各实施例采用的马蹄焰窑的池深为1.5m。3.2.4、池壁池壁确定后就要进行池壁砖材的选择和池壁砖的排列。池壁砖材的选择十分重要，直接影响到窑炉的寿命。玻璃液的主要侵蚀为横向砖缝处，因此应尽量避免在高温区域出现横向砖缝，通常采用整块大砖立砌。窑池池壁采用电熔锆刚玉砖。上部液面处为减轻蚀损应采用人工冷却装置，如风冷或水冷。3.2.5、池底常用的池底结构比较简单，不采用保温结构，用单层粘土大砖即可。随着熔制温度的提高，出料量的增加，炉龄的延长，更主要的为了减少散热损失，节约能源，熔窑池底采用复合池底结构，即粘土大砖的上面设防护层和耐磨层。防护层用锆英石捣打料或电熔锆刚玉捣打料，厚度为30mm，耐磨层在防护层上面，保护捣打料层，直接接触玻璃液，用120mm的无缩孔电熔锆刚玉砖。3.2.6、流液洞流液洞的形状呈扁平长方形，这样降温大，流过玻璃液的质量好。流液洞的宽度控制着流过玻璃液的均匀性，越宽越均匀，而对温降值的影响甚微，洞窄则不均匀，且使玻璃液流速加快，砌砖蚀损加剧。马蹄焰窑的洞宽为400mm。流液洞的高度控制着玻璃液的质量，越低质量越好，而温降值也越大，因此，需注意勿使洞内的玻璃液凝固并符合成型温度的要求，综合考虑各种因素，马蹄焰窑的洞高在400mm。3.2.7、火焰空间火焰空间是指玻璃液面以上，由胸墙、前后墙和大碹包围着的充满火焰的空间，火焰空间充有来自热源供给部分的炽热的火焰气体(可能包含部分未燃物)，在火焰空间内，火焰气体将自身热量传给玻璃液、胸墙和大碹。火焰空间应使燃料完全燃烧，保证供给熔化、澄清所需的热量(尚留有一定余量)，并应尽量减少向外界散热。火焰空间的长度与窑池相等，宽度比窑池宽200mm(每侧宽出200mm)，对马蹄焰窑来说这是为了能牢固地托住胸墙并使火焰覆盖液面而不烧蚀胸墙。3.2.8、工作部工作部作用是将熔化好的玻璃液进一步均化冷却，同时将玻璃液分配给各成型部。工作部亦分为上部空间与窑池两部分，几何形状较多，但结构与熔化部大体相同，且简单些。3.3、余热回收部分马蹄焰窑炉主要采用蓄热室进行余热回收。3.3.1、蓄热室传热过程分析蓄热室为周期性换热设备，属周期性不稳定温度场，传热过程为不稳定传热，工作特点类似于逆流换热器，故通常将蓄热室看作逆流式换热器来对整个周期进行传热分析，从而使问题简化。发生炉煤气池窑的蓄热室是一个用空心筒子砖构成的加热室，它的主要作用是回收废气热量，预热空气和煤气，工作原理是将烟气的热量通过格子砖的蓄热作用，传给空气和煤气。当高温烟气流经蓄热室格子砖表面时，将热量传递给格子砖，此时砖的温度逐渐升高。当换成空气和煤气流经格子砖表面时，蓄积在砖内的热量则传给空气和煤气，从而达到预热的目的，提高热能利用率和减少废气排放。3.3.2、结构设计设计内容包括空气烟道、炉条碹、格子砖、蓄热室顶碹、风火隔墙、热修门等。3.4、排烟供气系统为使池窑工作连续，正常有效地进行，设置一整套排烟供气系统，它包括：交换器、空气烟道、鼓风机、总烟道和烟囱等。对比例1仅使用废玻璃作为原料生产泡沫玻璃。性能表征各实施例与废玻璃的理化指标测试结果见表4。表4成分实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6废玻璃SiO264±258±257±258±268±259±272.5±2Al2O35.0±15±14.7±15±14.0±15±11.2±0.4CaO5.0±16.6±18.5±16.2±15.0±16.1±18.2±1MgO3.6±0.54.2±0.54.7±0.53.8±0.52.2±0.54.1±0.54.0±1Na2O13.5±112.5±112.9±114.5±111.8±111.3±112.5±1K2O1.8±0.43.1±0.41.5±0.42.8±0.41.2±0.42.8±0.41.5±0.4Fe2O32.7±0.43.3±0.43.3±0.42.4±0.43.2±0.44±0.40.1±0.02ZnO2.5±0.43.2±0.42.4±0.43.3±0.42.8±0.44±0.4/SO30.7±0.13.1±0.14.0±0.13.0±0.10.6±0.12.7±0.1/MnO1.2±0.11.0±0.11.0±0.11.0±0.11.2±0.11.0±0.1/总和100100100100100100100各实施例与对比例1的性能测试结果见表5。表5由表5可以看出，采用本发明提供的方法制备的泡沫玻璃已经达到或超过ASTMC552标准要求，各项指标远优于对比例1。当前第1页1 2 3