Применяемое сырье, его характеристика и расчет состава шихты

Для производства широкогорлой стеклянной тары принимается следующий химический состав стекла, %: SiO₂ – 73,12; Al₂O₃ – 2,32; CaO – 11,03; Na₂O+K₂O – 13,16; Fe₂O₃ – 0,07; MgO – 0,9; SO₃ – 0,3.

Для производства широкогорлой тары будем применять следующие сырьевые материалы.

Кварцевый песок состоит из зёрен кварца и примесей (глина, полевошпа­товые породы, уголь, соединения железа и другие). В составе всех песков встре­чается наиболее вредная примесь оксид железа, окрашивающая стекло в зелёный или жёлтый цвет. Допустимая концентрация оксида железа: 0,05 – 0,15%. В кварцевых песках присутствуют также красящие оксиды хрома Сr₂О₃ и титана TiO₂. Оксид хрома окрашивает стекло в зеленый цвет, а диоксид титана в присутствии железа – в жёлтый цвет. Содержание в кварцевом песке Сг₂О₃ не должно превышать 0,0001%, a TiO₂ – 0,05%. Кварцевый песок – источник главного стеклообразующего оксида для стекла. Кремнезём повышает вязкость стекломассы, улучшает механиче­ские и химические характеристики, повышает тугоплавкость стекла и затрудняет его гомогенизацию, уменьшает показатель преломления, ТКЛР и плотность, повышает термостойкость, увеличивает склонность к кристаллизации.

Мел – мягкая осадочная порода белого цвета. Включения оксидов железа придают ему желтоватый оттенок, а глины – сероватый. Содержание СаО в меле должно быть не менее 54,3%, а оксида железа – не более 0,2%. Мел служит для введения в состав стекла оксида кальция (СаО), который понижает температуру плавления и вязкость стекломассы, улучшает механические и химические свойства стекла, но усиливает склонность к кристаллизации, повышает плотность и тепловое расширение.

Сода кальцинированная – основной материал для ввода в стекло оксида натрия. Сода представляет собой белый пылевидный порошок, который хорошо растворяется в воде. Согласно требованиям стандарта в прокаленной соде содержание Na₂CO₃ должно быть не менее 99 %, остаточное содержание хлоридов – не более 0,8%; Fe₂O₃ не более 0,02%. В процессе варки стекла сода разлагается на Na₂O и СО₂; при этом из 106 мас. ч. Соды получается 62 мас. ч., оксида натрия и 44 мас. ч. углекислоты или 58,5% Na₂O переходит в стекломассу и 41,5% СО₂ улетучивается в атмосферу печи. Na₂O играет роль плавня в стекловарении, снижает температуру варки стекла, понижает вязкость стекломассы, уменьшает склонность к кристаллизации.

Сульфат натрия вводят в состав шихты в количестве 4 – 5 % Na₂O взамен части кальцинированной соды. При варке стекла сульфат натрия разлагается очень трудно. Для того чтобы облегчить разложение сульфата натрия, в шихту вводят углеродистые восстановители. Неразложившейся сульфат натрия, обладая меньшей плотностью по сравнению со стекломассой, всплывает на её поверхность, разрушая огнеупорную кладку стекловаренных печей.

По техническим условиям природный сульфат натрия первого сорта должен содержать, %: Na₂SO₄ не менее 96,5; Fe₂O₃ не более 0,01; NaCl не более 1; CaSO₄ не более 0,8; влаги не более 3; нерастворимого осадка не более 1,5.

Оксид алюминия вводят в стекло через безводный или водный глинозем, каолин, глину, полевой шпат и нефелин.

При добавлении полевого шпата в состав натриево–кальциевого стекла скорость варки замедляется, особенно при низких температурах, а также несколько задерживается скорость осветления. Если в материалах шихты содержится большое количество окиси кальция и небольшое ще­лочей, глинозем содействует провару и осветлению стекломассы.

Полевой шпат снижает коэффициент расширения стекла, что обусловливает повышенную термическую стойкость, повышает химическую стойкость стекла, улучшает механическую прочность и увеличивает твердость стекла; при содержании до 3% улучшает однородность стекла, уменьшает склонность к кристаллизации; несколько повышает вязкость натриево–кальциевых стекол при замене SiО₂ и более значительно при замене Na₂О или СаО.

Химические обесцвечиватели: селен металлический, оксид кобальта. Селен (Se) является хорошим обесцвечивающим средством при введении совместно с оксидом кобальта (Co₂O₃). Красителем служит пигмент красный железоокисный (Fe₂O₃).

Характеристика принятых сырьевых материалов приведена в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Характеристика применяемых сырьевых материалов

Наименование сырья	ГОСТ или ТУ	Характеристика	Поставщики
Песок кварцевый, марки: ВС–030–В ВС–040–1 ВС–050–1	ГОСТ 22551–77	Содержание: SiO2 не менее 98,5 %, Fe2O3 0,05 %, Al2O3 не более 0,6%. Влажность не более 7 %	Гомельский Горнообогатительный комбинат
Мел мелкогранулированный Высший, первый сорт	ТУ 590118065007–2004	Содержание CaCO3 не менее 90,86 % Fe 2O3 + Al2O3 не более 2,3% Влажность не более 4,0 %	ОАО «Красносельскстрой материалы», Беларусь
Глинозём, марки Г–0 Г–00	ГОСТ 30556–98	Содержание SiO2 не более 0,03 %, Fe2O3 не более 0,05 %, R2O не более 0,3 %, ППП не более 1,2 %, Al2O3 не менее 98,3 %	ОАО «РУСАЛ Бокситогорск», ОАО «БелСода», г.Минск, ОАО «Сибирско–Уральская алюминиевая компания»
Сульфат натрия	ГОСТ 21458–75	Содержание Na2SO4 не менее 98,5 % Влажность не более 0,05 %	Группа компаний «ХИМПЭК»

Продолжение таблицы 2.3

Сода кальцинированная, техническая Марка А, сорт высший, первый, второй – гранулированная	ГОСТ 5100–85	Содержание Na2CO3 не менее 98,5–99,4% Влажность не более 0,5 %, ППП не более 7,0 %	ПАО «Крымский содовый завод», г. Красноперекопс, ОАО «Сода», г. Стеклитамак
Селен Марка СТ–1	ГОСТ 10296–79	Содержание селена не менее 99,0 % Содержание воды не более 1,5 %	ОАО «Уралэлектромедь», ООО «Гранд», Россия
Мука известняковая (доломитовая), класс 4, марка А, гр. 1	ГОСТ 14050–93	Содержание СаО+МgО не менее 85,0, влажность не более 1,5 %	ОАО «Доломит», г.п.Руба Витебская область
Доломит Марка ДМ–20–0,10	ГОСТ 23672–79	Содержание МgО – 20%, СаО – 31%, Fe2O3 не более 0,1%, SiO2 не более 2,0%, Al2O3 не более 1,5%, влажность не более 0,5%	ОАО «Доломит», г.п.Руба Витебская область
Полевой шпат Марки: ПШС–0,30–21 ПШС–0,25–21 ПШС–0,20–21	ГОСТ 13451–77	Содержание Al2O3 не менее 21%, Fe2O3 не более 0,3%, Na2O + К2O не менее 13,0%, SiO2 не более 62,0%, влажность 1,0%	ОАО «Вишневогорский горнообогатительный комбинат», Россия
Стеклобой	ТУ 05544466.418–95	Не допускается: наличие тугоплавкого и армированного стекла, зеркал, угля, шлака, кирпича, камней.	Собственный (обрат–ный) и покупной, поступающий с баз системы «Вторсырье» и от потребителей данной продукции.
Оксид кобальта, марка Ч	ГОСТ 4467–79	Массовая доля кобальта 71 – 74 %	ОДО «Медконхим», г.Минск

Расчет шихты производим методом уравнений. Для этого составляем балансовые уравнения по каждому оксиду. Принимаем через обозначения необходимое содержание песка кварцевого в шихте – х₁, соды кальцинированной – х₂, сульфата натрия – х₃, глинозема – х₄, мела – х_5.

При технических расчетах шихты промышленных варок необходимо предусмотреть введение осветлителя. Наиболее распространенный осветлитель промышленных стекол – сульфат натрия. Количество Na₂O вводимого через Na₂SO₄, составляет 0,3%. Химический состав исходных сырьевых материалов приведен в таблице 2.4

Таблица 2.4 – Химический состав исходных сырьевых материалов

Сырьевые материалы	Содер–жание в шихте масч.	Содержание оксидов, %
SiO2	Na2O	CaO	MgO	Al2O3	Fе2O3	ППП
Песок кварцевый	Х1	99,3	–	–	–	0,04	0,03
Сода кальцинированная	Х2	–	58,11	–	–	–	–
Сульфат натрия	Х3	–	43,49	–	–	–	–
Полевой шпат	Х4	60,97	16,62	1,05	0,65	20,53	0,18
Мел	Х5	0,76	–	53,34	–	0,2	0,2

Расчет производим на 100 мас.ч. стекла.

SiO₂ вводится: с песком кварцевым, полевым шпатом и мелом. С песком кварцевым вводится – 0,993х₁ SiO₂; с полевым шпатом – 0,6097х₄; с мелом – 0,0076х₅. Тогда уравнение SiO₂ имеет следующий вид:

73,12 = 0,993х₁ + 0,6097х₄ + 0,0076х₅

Аналогичным образом составляем уравнения баланса по остальным основным оксидам:

– для Al₂O₃: 0,0004х₁ + 0,2053х₄ + 0,002х₅ =2,32

– для СаО: 0,0105х₄ + 0,5334х₅ = 11,03

– для R₂О: 0,5811х₂ + 0,1662х₄ = 13,16–0,5 (без сульфата)

– для Nа₂О: 0,4349х₃ = 0,5 (вводимый через сульфат)

– для Fe₂O₃: 0,0003х₁ + 0,0018х₄ + 0,002х₅ + 0,935х₆ = 0,35

В итоге расчета системы уравнений получим следующий расчетный состав шихты, мас.ч.:

песок кварцевый 66,85

сода кальцинированная 18,70

сульфат натрия 1,15

полевой шпат 10,79

мел 20,97

Определение расчетного состава стекла на основе состава шихты и сырьевых материалов проводим путем нахождения количества оксидов, вводимых в стекломассу каждым из компонентов.

С кварцевым песком вносят следующие оксиды, мас.ч.:

SiO₂ = 66,85 ∙ 99,3 / 100 = 66,38

Al₂O₃ = 66,85 ∙ 0,04 / 100 = 0,03

Fe₂O₃ = 66,85 ∙ 0,003 / 100 = 0,002

Аналогично определяется содержание оксидов, вносимых остальными компонентами в стекломассу. Полученные данные сводим в таблицу 2.3.

С учетом улетучивания необходимо принять содержание, мас.ч.:

соды кальцинированной х₂ = 18,70 ∙ 100 / (100–3,2) = 19,32

сульфата х₃ = 1,15 ∙ 100 / (100–5) = 1,21

Se вводится сверх 100% 0,2 грамма в зависимости от колера стекломассы. Оксид Co так же вводится сверх 100% 0,5 грамма в зависимости от колера стекломассы. Уголь вводится в количестве 5% от содержания сульфата, что составляет 0,06 мас.час.

Таблица 2.5 – Составы шихт и стекол по результатам расчета

Состав шихты	Содержание оксидов, %
Сырьевые материалы	Обозначение	Содержание, мас.ч.	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	Fe2O3
Песок кварцевый	Х1	66,20	66,38	0,03	–	–	–	0,02
Сода кальцинированная	Х2	19,32	–	–	–	–	11,23	–
Сульфат натрия	Х3	1,21	–	–	–	–	0,53	–
Полевой шпат	Х4	10,79	6,77	2,21	0,11	0,07	1,59	0,02
Мел	Х5	20,97	0,16	0,04	11,19	–	–	0,04
Масса шихты	118,49	–	–	–	–	–	–
Расчетный состав стекла	73,12	2,29	11,3	0,07	13,55	0,08
Заданный состав стекла	73,12	2,32	11,3	–	13,16	–
Отклонение расчетного состава от заданного		–0,03		0,07	0,19	0,08

Определим угар шихты, исходя из того, что из 118,49 мас.ч. шихты (с учетом потерь на улетучивание) получаем 100 мас.ч. стекла. Соответственно из 100 мас.ч. шихты получим стекла:

100 ∙ 100 / 118,49 = 84,40 мас.ч.

Потери при стеклообразовании (угар шихты) составят:

100 – 84,40 = 15,60 мас.ч.

Дата добавления: 2015-08-21