Пример расчета состава шихты для получения силикатного расплава.

Задание. Рассчитать состав шихты для производства минераловатных цилиндров марки М 200 на синтетическом связующем. Показатель гидролитической стойкости ваты pH должен находиться в пределах 4…5. Плиты изготавливают из ваты типа Б. Модуль вязкости расплава М_В не более 1,2. Плавление шихты производится в вагранке с холодным дутьём средней интенсивности. Давление воздуха подаваемого в вагранку 5180 Па. В качестве топлива используется кокс металлургический с теплотой сгорания Q^p_H 25320 кДж/кг.

Для составления шихт различных составов принимаем следующие сырьевые материалы: Шлак Макеевский, Гиббро Диабаз Оренбургский, Гиббро Диабаз Екатеринбургский, Долерит Усть-Нюринский. Химический состав сырьевых компонентов шихты приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав исходного сырья.

Сырьё	Содержание, % по массе	∑, %
SiO2	Al2O3	MgO	CaO	Fe2O3	R2O	ППП
K2O	Na2O
Шлак Макеевский
Гиббро Диабаз Оренбургский	49,6	17,9	6,6	7,1	15,8
Гиббро Диабаз Екатеринбургский	46,9	22,2	4,8	11,3		1,6	1,6		99,4
Долерит Усть-Нюринский	46,8	15,4	5,7	11,8	6,7	0,85	0,85	11,3 1,5+9,8	99,4

Приводим химические составы компонентов к 100%. Для этого за 100% принимаем сумму всех оксидов, а содержание каждого из них выражаем как неизвестную величину Х, например для диабаза Оренбургского.

97 – 100%

49,6 (SiO₂) – Х, откуда Х = 49,6/0,97 = 51,14

17,9 (Al₂O₃) – Х, откуда Х = 17,9/0,97 = 18,46

6,6 (MgO) – Х, откуда Х = 6,6/0,97 = 6,8

7,1 (CaO) – Х, откуда Х = 7,1/0,97 = 7,3

15,8 (Fe₂O₃) – Х, откуда Х = 15,8 /0,97 = 16,3

∑ = 51,14+18,46+6,8+7,3+16,3 = 100%

Диабаз Екатеринбургский

99,4 – 100%

46,9 (SiO₂) – Х, откуда Х = 46,9/0,994 = 47,2

22,2 (Al₂O₃) – Х, откуда Х = 22,2/0,994 = 22,4

4,8 (MgO) – Х, откуда Х = 4,8/0,994 = 4,8

11,3 (CaO) – Х, откуда Х = 11,3/0,994 = 11,4

11 (Fe₂O₃) – Х, откуда Х = 11/0,994 = 11

1,6 (K₂O) – Х, откуда Х = 1,6/0,994 = 1,6

1,6 (Na₂O) – Х, откуда Х = 1,6/0,994 = 1,6

∑ = 47,2+22,4+4,8+11,4+11+1,6+1,6 = 100%

Долерит Усть-Нюринский

99,4 – 100%

46,8 (SiO₂) – Х, откуда Х = 46,8/0,994 = 47,1

15,4 (Al₂O₃) – Х, откуда Х = 15,4/0,994 = 15,5

5,7 (MgO) – Х, откуда Х = 5,7/0,994 = 5,7

11,8 (CaO) – Х, откуда Х = 11,8/0,994 = 11,9

6,7 (Fe₂O₃) – Х, откуда Х = 6,7/0,994 = 6,8

0,85 (K₂O) – Х, откуда Х = 0,85/0,994 = 0,85

0.85 (Na₂O) – Х, откуда Х = 0,85/0,994 = 0,85

11,3 (ППП) – Х, откуда Х = 11,3/0,994 = 11,3

∑ = 47,1+15,5+5,7+11,9+6,8+0,85+0,85+11,3 = 100%

Расчёт химических составов сырьевых компонентов, приведенных к 100%, представлен в таблице 2

Таблица 2 – Химический состав исходного сырья в перерасчёте на 100%.

Сырьё	Содержание, % по массе	∑, %
SiO2	Al2O3	MgO	CaO	Fe2O3	R2O	ППП
K2O	Na2O
Шлак Макеевский
Гиббро Диабаз Оренбургский	51,14	18,46	6,8	7,3	16,3
Гиббро Диабаз Екатеринбургский	47,2	22,4	4,8	11,4		1,6	1,6
Долерит Усть-Нюринский	47,1	15,5	5,7	11,9	6,8	0,85	0,85	11,3

Приведя химический состав исходного сырья к 100%, разработаем возможные варианты состава шихт для их дальнейшего расчёта. Принцип формирования рабочих составов базируется на соединении кислых сырьевых компонентов, к которым относятся диабаз Оренбургский и диабаз Екатеринбургский. С компонентами основными, т.е. шлаком и долеритом.

Состав шихты 1. Шлак + диабаз Оренбургский.

Состав шихты 2. Шлак + диабаз Екатеринбургский.

Состав шихты 3. Шлак + долерит.

Количество подкисляющих добавок диабаза Оренбургского и диабаза Екатеринбургского в шихту на основе шлака и долерита рассчитываем по формуле:

(4)

Х – количество кислой сырьевой составляющей в шихте, %;

– сумма основных оксидов в основной составляющей шихты;

– сумма основных оксидов в кислой составляющей шихты;

– сумма кислых оксидов в кислой составляющей шихты;
– сумма кислых оксидов в основной составляющей шихты;

Расчёт сумм оксидов в сырьевых материалах приведен в таблице 3.

Таблица 3 – Расчёт сумм оксидов в сырьевых материалах

Оксиды	Молекулярная масса (М)	Шлак	Диабаз Оренбургский	Диабаз Екате- ринбургский	Долерит
% по массе	% по массе (М)	% по массе	% по массе (М)	% по массе	% по массе (М)	% по массе	% по массе (М)
SiO2	60,06		0,699	51,14	0,851	47,2	0,786	47,1	0,784
Al2O3	50,97		0,157	18,46	0,362	22,4	0,439	15,5	0,304
			0,856	69,6	1,214	69,6	1,225	62,6	1,088
Fe2O3	79,84		0,038	16,3	0,204		0,138	6,8	0,085
CaO	56,08		0,749	7,3	0,130	11,4	0,203	11,9	0,212
MgO	40,32		0,050	6,8	0,169	4,8	0,119	5,7	0,141
K2O	94,2		0,021			1,6	0,017	0,85	0,009
Na2O	61,99		0,016			1,6	0,026	0,85	0,014
			0,873	30,4	0,503	30,4	0,503	26,1	0,461

Пример расчёта

SiO2

60,06

0,699

51,14

0,851

47,2

0,786

47,1

0,784

Шлак - % по массе (М) = % по массе – 42 / 60,06 – Молекулярная масса (М) (SiO2) = 0,699

Диабаз О. - % по массе (М) = % по массе – 51,14 / 60,06 – Молекулярная масса (М) (SiO2) = 0,851

Диабаз Е. % по массе (М) = % по массе – 47.2 / 60,06 – Молекулярная масса (М) (SiO2) = 0,786

Долерит - % по массе (М) = % по массе – 47,1 / 60,06 – Молекулярная масса (М) (SiO2) = 0,784

Для расчёта процентного содержания компонентов шихты воспользуемся формулой (4), принимая модуль вязкости расплава за 1,2.

Шихта 1. Шлак + Диабаз Оренбургский

Х= 76,11%

Шихта 2. Шлак + Диабаз Екатеринбургский

Х= 76,43%

Шихта 3. Шлак + Долерит

Х= 77,81%

Состав 1	Состав 2	Состав 3
шлак	76,11	шлак	76,43	шлак	73,62
диабаз О.	23,89	диабаз Е.	23,57	долерит	26,38

В форме таблиц производим расчёт химического состава шихт и минерального волокна, полученного на их основе (4,5,6,7). Выполнение этих расчётов рассмотрим на примере вычисления содержания оксида SiO₂ в шлаковой и диабаз Оренбургской составляющей шихты (верхняя строка таблицы 4). В столбах таблицы «шлак» и «диабаз Оренбургский», обозначенных соответственно буквами «а» и «в», внесено массовое содержание оксида SiO₂. Для подсчёта содержания этого оксида в шлаковой составляющей шихты следует привести умножение процентного содержания SiO₂, в сырье на процентное содержание шлака в шихте 1 и разделить на 100,т.е. (42*76,11)/100 = 31,97 %. Аналогично для диабаза Оренбургского составляющего (51,14*23,89)/100 = 12,22 %. В столбец «всего» (с) вносим результат сложения 31,97+12,22 = 44,18. Массовое содержание SiO₂ в вате находим по формуле: (c*100): (100-ППП).

Таблица 4. Химический состав шихты 1 и минерального волокна

Оксиды	Содержание по массе, %
в сырье	в шихте	в вате
шлак (а)	диабаз О. (в)	шлаковая сос-ая (а*76,11):100	диабаз О. сос-ая (в*23.89):100	всего (с) (а+в)	(с*100): (100-ППП)
SiO2		51,14	31,97	12,22	44,18	44,18
Al2O3		18,46	6,09	4,41	10,5	10,5
Fe2O3		16,3	2,28	3,89	6,18	6,18
CaO		7,3	31,97	1,74	33,71	33,71
MgO		6,8	1,52	1,62	3,15	3,15
K2O			1,52		1,52	1,52
Na2O			0,76		0,76	0,76
ППП
					100,00	100,00

Таблица 5. Химический состав шихты 2 и минерального волокна

Оксиды	Содержание по массе, %
в сырье	в шихте	в вате
шлак (а)	диабаз Е (в)	шлаковая сос-ая (а*76,43):100	диабаз Е. сос-ая (в*23.57):100	всего (с) (а+в)	(с*100): (100-ППП)
SiO2		47,2	32,10	11,13	43,23	43,23
Al2O3		22,4	6,11	5,28	11,39	11,39
Fe2O3			2,29	2,59	4,89	4,89
CaO		11,4	32,10	2,69	34,79	34,79
MgO		4,8	1,53	1,13	2,66	2,66
K2O		1,6	1,53	0,38	1,91	1,91
Na2O		1,6	0,76	0,38	1,14	1,14
ППП
					100,00	100,00

Таблица 6. Химический состав шихты 3 и минерального волокна

Оксиды	Содержание по массе, %
в сырье	в шихте	в вате
шлак (а)	долерит (в)	шлаковая сос-ая (а*73,62):100	долерит сос-ая (в*23,68):100	всего (с) (а+в)	(с*100): (100-ППП)
SiO2		47,1	30,92	12,42	43,35	44,68
Al2O3		15,5	5,89	4,09	9,98	10,29
Fe2O3		6,8	2,21	1,79		4,13
CaO		11,9	30,92	3,14	34,06	35,11
MgO		5,7	1,47	1,5	2,98	3,07
K2O		0,85	1,47	0,22	1,7	1,79
Na2O		0,85	0,74	0,22	0,96	0,99
ППП		11,3		2,98	2,98
					100,00	100,00

Для каждого из рассчитанных химических составов минерального волокна по формуле (1) определяем модуль кислотности.

Состав 1. М_К¹ = (44,18+10,5):(33,71+3,15) = 1,48

Состав 2. М_К² = (43,23+11,39):(34,79+2,66) = 1,46

Состав 3. М_К³ = (44,68+10,29):(35,11+3,07) = 1,44

В соответствии с задание на расчет состава шихты минераловатные плиты должны изготовляться из ваты типа Б, для которой модуль кислотности находится в пределах 1,4…1,6. Из приведенных расчетов видно, что модули кислотности для составов шихт 1,2 и 3 соответствует требованиям стандарта на изготовление такой ваты.

В расчетах составов шихт содержание подкисляющей добавки было определено при предельном значении модуля вязкости М_В=1,2.

Гидролитическую стойкость для каждого состава минеральной ваты рассчитываем по уравнению (2),

Значение _РН определяют по эмпирическому уравнению

pН = 0,01946071 * SiO₂ + 0,90994582 * Al₂O₃ + 0,28320562 * Fe₂O₃ + 0,51046527 * CaO + 0,4838471 * MgO - 9,02384135 * Na₂O - 0,00641397 * SiO₂ * Al₂O₃ - 0,00894679 * SiO₂ * Fe₂O₃ - 0,00645071 * SiO₂* CaO - 0,00478888 * SiO₂ * MgO + 0,07300023 * SiO₂ * Na₂O + 0,00059407 * Al₂O₃ * Fe₂O₃ - 0,02441840 * Al₂O₃ * CaO - 0,03214473 * Al₂O₃ * MgO + 0,05624161 * Al₂O₃ * Na₂O - 0,00360419 * Fe₂O₃ * CaO + 0,00611083 * Fe₂O₃ * MgO + 0,09999105 * Fe₂O₃ * Na₂O - 0,00129062 * CaO * MgO + 0,12739919 * CaO * Na₂O + 0,115158375 * MgO * Na₂O

Состав 1.

pН₁= 0,01946071 * 44,18 + 0,90994582 * 10,5 + 0,28320562 * 6,18 + 0,51046527 * 33,71 + 0,4838471 * 3,15 - 9,02384135 * 0,76 - 0,00641397 * 44,18 * 10,5 - 0,00894679 * 44,18 * 6,18 - 0,00645071 * 44,18 * 33,71 - 0,00478888 * 44,18 * 3,15 + 0,07300023 * 44,18 * 0,76 + 0,00059407 * 10,5 * 6,18 - 0,02441840 * 10,5 * 33,71 - 0,03214473 * 10,5 * 3,15 + 0,05624161 * 10,5 * 0,76 - 0,00360419 * 6,18 * 33,71 + 0,00611083 * 6,18 * 3,15 + 0,09999105 * 6,18 * 0,76 - 0,00129062 * 33,71 * 3,15 + 0,12739919 * 33,71 * 0,76 + 0,115158375 * 3,15 * 0,76 = 4,82.

Состав 2.

pН₂= 0,01946071 * 43,23 + 0,90994582 * 11,39 + 0,28320562 * 4,89 + 0,51046527 * 34,79 + 0,4838471 * 2,66 - 9,02384135 * 1,14 - 0,00641397 * 43,23 * 11,39 - 0,00894679 * 43,23 * 4,89 - 0,00645071 * 43,23 * 34,79 - 0,00478888 * 43,23 * 2,66 + 0,07300023 * 43,23 * 1,14 + 0,00059407 * 11,39 * 4,89 - 0,02441840 * 11,39 * 34,79 - 0,03214473 * 11,39 * 2,66 + 0,05624161 * 11,39 * 1,14 - 0,00360419 * 4,89 * 34,79 + 0,00611083 * 4,89 * 2,66 + 0,09999105 * 4,89 * 1,14 - 0,00129062 * 34,79 * 2,66 + 0,12739919 * 34,79 * 1,14 + 0,115158375 * 2,66 * 1,14 = 5,06.

Состав 3.

pН₃= 0,01946071 * 44,68 + 0,90994582 * 10,29 + 0,28320562 * 4,13 + 0,51046527 * 35,11 + 0,4838471 * 3,07 - 9,02384135 * 0,99 - 0,00641397 * 44,68 * 10,29 - 0,00894679 * 44,68 * 4,13 - 0,00645071 * 44,68 * 35,11 - 0,00478888 * 44,68 * 3,07 + 0,07300023 * 44,68 * 0,99 + 0,00059407 * 10,29 * 4,13 - 0,02441840 * 10,29 * 35,11 - 0,03214473 * 10,29 * 3,07 + 0,05624161 * 10,29 * 0,99 - 0,00360419 * 4,13 * 35,11 + 0,00611083 * 4,13 * 3,07 + 0,09999105 * 4,13 * 0,99 - 0,00129062 * 35,11 * 3,07 + 0,12739919 * 35,11 * 0,99 + 0,115158375 * 3,07 * 0,99 = 5,09.

Произведенной расчет гидролитической стойкости показал, что из состава 3 можно получить особенно устойчивую (pH < 5) вату, которую можно использовать не только для производства изделий с применением синтетического связующего, но и без него, например, для прошивных матов.

Расчет поверхностного натяжения расплава производим по формуле (3), предварительно подсчитав молекулярное содержание оксидов. При расчете молекулярного содержания оксидов R₂O следует суммировать процентное содержание Na₂O и K₂O, находящихся в вате. Например, в составе 1 (таблица 4, столбец «в вате») суммарное содержание оксидов Na₂O и K₂O равно 2,28%. Тогда молекулярное содержание этих оксидов, обозначенное как М будет

Na₂O = (2,28 * 100): 61,99 = 3,678

Состав 1. Расчет молекулярного содержания оксидов.

M SiO₂ = (44,18 * 100): 60,06 = 73,56

M Al₂O₃ = (10,5 * 100): 101,94 = 10,3

M Fe₂O₃ = (6,18 * 100): 79,84 = 7,74

M CaO = (33,71 * 100): 56,08 = 60,11

M MgO = (3,15 * 100): 40,32 = 7,813

M Na₂O = (2,28 * 100): 61,99 = 3,678

H/м * 10^-3

Ơ₁=

= 458,77 H/_M * 10 ^-3

Состав 2. Расчет молекулярного содержания оксидов.

M SiO₂ = (43,23 * 100): 60,06 = 71,978

M Al₂O₃ = (11,39 * 100): 101,94 = 11,173

M Fe₂O₃ = (4,89 * 100): 79,84 = 6,125

M CaO = (34,79 * 100): 56,08 = 62,036

M MgO = (2,66 * 100): 40,32 = 6,597

M Na₂O = (3,05 * 100): 61,99 = 4,92

Ơ₂=

= 462,25 H/_M * 10 ^-3

Состав 3. Расчет молекулярного содержания оксидов.

M SiO₂ = (44,68 * 100): 60,06 = 74,392

M Al₂O₃ = (10,29 * 100): 101,94 = 10,094

M Fe₂O₃ = (4,13 * 100): 79,84 = 5,173

M CaO = (35,11 * 100): 56,08 = 62,607

M MgO = (3,07 * 100): 40,32 = 7,614

M Na₂O = (2,98 * 100): 61,99 = 4,42

Ơ₃=

= 462,9 H/_M * 10 ^-3

Таким образом, для производства минераловатных цилиндров марки М 200 на синтетическом связующем могут быть рекомендованы один состав шихт, содержащих % по массе:

Состав 1
шлак	76,11
диабаз О.	23,89

Минеральная вата, изготовленная из состава 2 и 3, содержащего шлак Макеевский и диабаз Екатеринбургский, а также шлак Макеевский и долерит, отличается от рекомендуемых составов повышенными показателями гидролитической стойкости и поверхностного натяжения расплава. Такой состав шихт может быть рекомендован для производства изделий без применения связующего.

2. Расчёт параметров работы вагранки

Дата добавления: 2015-09-05