ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ

На качество стекольной шихты большое влияние оказывает подготовка сырьевых материалов, включающая основные технологические операции: измельчение, растаривание, разрыхление, сушку, классификацию и обогащение [38]. Количество сырьевых материалов для выпуска стекольных изделий и их состав чрезвычайно велики.

По характеру обработки, проводимой в составных цехах стекольных заводов, материалы можно разделить на природные — песок, доломит, мел, известняк, сульфат натрия и др. и на продукты химической промышленности — сода, сурик, цинковые белила и др.

Природные материалы поступают на завод, как правило, в необработанном виде (без предварительного измельчения и обогащения), где их подвергают специальной обработке (например, для песка — промывка в гидромеханических классификаторах; химическое обезжелезивание реагентами; оттирка пленки гидроокислов железа в мешалках; флотация — очистка от железосодержащих и глинистых примесей во флотационных машинах; флотооттир- ка — сочетание флотации, промывки и оттирки; магнитная сепарация в магнитных сепараторах; сушка в сушильных барабанах, классификация на барабанных многогранных (сита-бурат) или вибрационных грохотах).

Доломит и известняк подвергают дроблению в щековых дробилках, а затем сушке (в том числе и мел перед дроблением) в сушильных барабанах при температуре Т < 4000 °С. Доломит, мел и известняк после сушки измельчают в молотковых дробилках или шаровых мельницах. Одновременная сушка и помол материалов с размером кусков до 20 • 10^-3 м могут осуществляться в аэромобильных мельницах с последующим контрольным просевом готового продукта.

Первичное дробление сульфата натрия производится на валковых дробилках, сушка — в сушильных барабанах при Т < 7000 °С,

измельчение — в молотковой дробилке с последующим контрольным просевом.

Сода и обработанный сульфат после растаривания на специальных растаривающих машинах просеиваются и поступают в бункер для хранения.

Стекольный бой после предварительной сортировки подвергается мойке в специальных боемойках или грохотах в струе воды. После дробления в молотковой дробилке готовый бой отправляют в бункер хранения.

Для транспортировки сырьевых материалов используют различные транспортные средства: ленточные и вибрационные транспортеры, ковшовые элеваторы, шнеки, питатели различных конструкций и др. Для транспортировки порошкообразных материалов используют пневмотранспорт.

Продукты химической промышленности обычно доставляют на заводы полностью подготовленными для ввода в шихту. Огромное значение имеет их точное дозирование по массе, а также обеспечение гомогенности шихты при смешивании компонентов.

На стекольных заводах для отвешивания сырьевых материалов и добавок используют стационарные или подвижные автоматические (или полуавтоматические) весы. Весы, транспортные средства и смесители связаны системой автоматики, обеспечивающей их синхронную работу. Допустимые отклонения по заданному составу шихты не должны превышать 0,5—1%.

Для смешивания шихты используют тарельчатые смесители, в которых материал через приемную воронку загружается на вращающуюся чашу-тарель. Смешивание материалов осуществляется за счет одновременного вращения чаши-тарели и установленных эксцентрично оси смесителя лопастей или катков, имеющих индивидуальный привод. Процесс автоматизирован.

Для стекольной промышленности более целесообразна технология централизованной подготовки сырьевых материалов на местах их добычи. На стекольные заводы при этом будет поступать обогащенное сырье постоянного химического состава. Вместо составного цеха может быть организовано дозировочно-смесительное отделение, и технологический процесс будет полностью автоматизирован.

Технология централизованной подготовки, например, песка при этом включает: сортировку исходных песков, дезинтеграцию и удаление крупных фракций, механическую или акустическую оттирку

первичных шламов и пленок гидрооксидов железа, удаление шлама с выделением в отвал частиц размером 0,1 • 10^_3 м, флотацию, обезвоживание, фильтрацию и сушку флотационного концентрата.

К числу технологических способов повышения качества стекольной шихты, а следовательно, направлений по созданию и совершенствованию специального оборудования следует отнести: тонкий помол шихты и ее компонентов; увлажнение шихты водой, щелочными растворами или ПАВ; уплотнение шихты различными способами: гранулированием, компактированием или предварительным спеканием (фриттование) [40].

Выбор указанных способов повышения качества шихты обусловлен предъявляемыми требованиями:

отсутствие расслоения (сегрегации) в процессе хранения и транспортировки;

минимальное агрегирование и слеживание; наличие минимального количества пылящих фракций; отсутствие фракций более 2 • 10^_3 м; влагосодержание не более 3—5% [50].

Установлено, что измельчение частиц песка до размера 100 • 10^_6 м ускоряет процессы стеклообразования, повышает однородность шихты и уменьшает ее склонность к сегрегации. Более тонкое измельчение зерен песка приводит к ее агрегированию и ухудшению стеклообразования.

Проведенные исследования [44] показывают, что тонкое измельчение всей шихты является эффективным средством повышения производительности варки стекла, а скорость этого процесса возрастает с увеличением дисперсности шихты.

Перспективным направлением активации реакционных свойств кварцевого песка является обеспечение зернам микродефектной структуры, которые в процессе нагрева в печи раскрываются и увеличивают количество контактирующих поверхностей между реагирующими компонентами шихты.

Использование для этих целей предварительного измельчения материалов в пресс-валковых измельчителях [56—60] с последующим домолом в струйных мельницах (вихреакустических диспергаторах) [61] при звуковых или сверхзвуковых скоростях обеспечивает зернам более активированную поверхность, чем в вибрационных мельницах. Скорость стекловарения при использовании активированного песка возрастает на 10—30%.

Увлажнение стекольной шихты является эффективным способом устранения ее расслаивания, снижения пыления и потерь с

износом отдельных компонентов в ванной печи. Использование щелочных растворов и некоторых поверхностно-активных веществ (ПАВ) не только обеспечивает вышеуказанные факторы, но и способствует ускорению твердофазовых реакций за счет проникания их в микротрещины и обволакивания поверхности частиц. Кроме того, ПАВ снижают поверхностное натяжение увлажняющего раствора и способствуют гомогенизации шихты.

Оптимальная влажность готовой шихты в зависимости от ее состава находится в пределах 2—7%. Ввод воды в шихту целесообразно осуществлять за счет предварительного увлажнения песка и дальнейшей гомогенизации смеси.

Уплотнение стекольной шихты обеспечивает однородность гранулометрического состава сформованных материалов, устранение сегрегации отдельных компонентов при транспортировке и загрузке шихты в печь, ускорение процесса стекловарения.

Различают следующие способы уплотнения шихты (рис. 6.1):

гранулирование в тарельчатых или барабанных грануляторах;

компактирование (прессование) на таблеточных машинах, вальцовых (брикетных) и валковых прессах;

экструзия (продавливание пластичной массы через каналы матрицы) в шнековых, плунжерных или комбинированных грануляторах;

диспергирование жидкости (раствора, расплава или суспензии) на исходный слой шихты, находящейся в псевдосжиженном слое [46-50, 59, 62-67].

Процессы уплотнения, как правило, осуществляются в три стадии: подготовка шихты (увлажнение), уплотнение (структурооб- разование) и конвективная обработка (сушка).

На установке для грануляции методом прессования (рис. 6.2) [47] под высоким давлением (до 90 т/см) исходная порошковая шихта поступает в загрузочный бункер 3, затем в винтовой питатель 1 и после смешивания со связующим элеватором 2 направляется в валковый пресс 6 с подпрессовщиком 5 и приводом 4. Прессованная плитка подается в дробилку 7 и после измельчения поступает на классификацию в грохот 8. В грохоте плитка делится на товарную фракцию, раздробленную плитку и мелкую фракцию. Раздробленная плитка крупных размеров снова поступает в дробилку 9 и после измельчения элеватором возвращается на классификацию по размерам.

Товарная фракция поступает на склад или в печь. Нетоварная фракция (мелкий продукт и отсев) через винтовой питатель 1 эле-

Рис. 6.1. Схемы установок с тарельчатым (а], барабанным [б] и экструзионным [в] грануляторами:

• 1 — гранулятор; 2 — дозатор щелочного раствора; 3 — бункер для шихты;
• 4 — питатель; 5 — смеситель; 6 — конвейер для транспортировки компонентов к смесителю; 7 — бункера для компонентов; 8 — участок отвешивания;
• 9 — бункер для стекольного боя; 10 — конвейер для транспортировки гранулированной шихты; 11 — загрузчик; 12 — печь; 13 — сушилка;
• 14 — охлаждающий конвейер; 15 — резервуар для воды; 16 — двухлопастной

насос; 17 — промежуточная фильера; 18 — разбрызгивающее устройство;

19 — тепловая рубашка; 20 — питающие вальцы; 21 — пресс; 22 — выходная фильера; 23 — устройство для равномерного распределения влажных гранул на ленте сушильного конвейера; 24 — сушильный конвейер; 25 — гранулы шихты

ватором 2 возвращается в валковый пресс. В схеме предусматривается возможность подачи жидкого технологического связующего винтовым питателем 1.

Для некоторых видов стекольных шихт предлагается прессованную плитку сразу подавать в стекловаренную печь, исключив стадии дробления и рассева (рис. 6.3).

Необходимость последних двух стадий определяется типом шихты и условиями производства.

В рассмотренных схемах прессованный продукт получается в виде плитки высокой плотности, которая затем дробится и делит-

Рис. 6.2. Схема уплотнения стекольной шихты методом прессования

Рис. 6.3. Схема питания стекловаренной печи прессованной шихтой:

• 1 — стекловаренная печь; 2 — лоток; 3 — прессованная шихта; 4 — валки; 5 — воздухоотводящий патрубок; 6 — подшипниковый узел;
• 7 — шнековый предуплотнитель ся на фракции. Таким образом, данный метод грануляции стекольной шихты состоит их трех основных стадий: механического уплотнения, дробления и классификации, что выгодно отличает его от других методов грануляции.

Диаметр тарели тарельчатого гранулятора (см. рис 6.1) составляет, как правило, более 1200 • 10^_3 м, частота ее вращения — 0,33— 0,7 с^-1 (см. рис 6.1, а) [38].

Технология гранулирования шихты с применением барабанного гранулятора (см. рис 6.1, б) включает подачу сырьевых материалов в смеситель, смешивание и увлажнение шихты, подачу увлажненной массы в гранулятор, гранулирование, резкое охлаждение гранул при их транспортировке. При экструзионном способе гранулирования (рис 6.1, (?) шихту увлажняют и переводят в пластическое состояние, дополнительно перемешивают и загружают в ленточный пресс, где смесь уплотняется и под давлением выходит через фильеры в виде гранул цилиндрической формы. Для повышения пластичности материала и прочности гранул в прессе может быть осуществлен дополнительный подогрев. Прочность готовых гранул повышается при сушке.

Многочисленные исследования по гранулированию и компак- тированию стекольных шихт позволили установить оптимальные условия их формования [38, 40, 46, 47, 49].

Оптимальная влажность гранулируемой стекольной шихты (с использованием в качестве связующего жидкого стекла) составляет 14—17%. При использовании тарельчатого гранулятора с диаметром тарели 850 • 10^-3 м, углом ее наклона 35—55°, частотой вращения 9—35 мин^-1 прочность сформованных гранул (при времени динамического воздействия в тарели 5—10 мин) достигает 2 МПа, а удельная производительность гранулятора — 200— 400 кг/(ч • м²) площади поверхности тарели. Кондиционный размер гранул составляет (5—15) • 10^_3 м [40].

Качественное получение гранул возможно при достаточной степени пластичности стекольной шихты (20—25) и удельной поверхности 950 г/см² и более. Это может быть достигнуто при введении пластификаторов (сульфитно-спиртовой барды, гидратной извести, жидкого стекла в растворе и др.).

При использовании гранулированной стекольной шихты производительность ванной печи с площадью варочной части 53 м² возрастает на 40% (с 130 до 180 т/сут). Наилучшие результаты получены при варке влажных гранул. При сушке гранул их прочность (при остаточной влажности W_QCT = 3%) возрастает в 2—3 раза.

Наибольшей прочностью обладают гранулы, полученные при добавлении в шихту в качестве связующего растворимого стекла (4,2-6,2 масс. %).

Применение компактированной стекольной шихты обеспечивает увеличение площади контакта спрессованных частиц, что интенсифицирует твердофазовое спекание и повышает теплопроводность шихты (0,43 Вт/(м • К) вместо 0,3 Вт/(м • К) для сырьевого материала).

Давление прессования стекольной шихты в вальцовом прессе может достичь 100 МПа. Оптимальная влажность формования 6—8%. В качестве связующего используются вода, жидкое стекло, пушонка из Са(ОН)₂ или Мп(ОН)₂, известковое молоко и др.

При использовании компактированной шихты (в валковом прессе) длительность стекловарения сокращается на 30% или температура варки снижается на 50—80 °С.

Вызывает определенный интерес пиропластическое прессование стекольной шихты, являющеесся одним из способов экономии топливно-энергетических ресурсов.

Предварительное спекание (фриттование) стекольной шихты также является одним из технологических приемов совершенствования процесса подготовки шихты к стекловарению.

Агрегаты для предварительного подогрева стекольной шихты можно подразделить на установки с механическими распределителями и установки шахтного противоточного типа.

Подогрев предварительно спрессованных таблеток может осуществляться в шахтном теплообменнике, установленном над варочным бассейном. Для подогрева таблеток используется теплота отходящих из печи газов. Перед попаданием в ванную печь шихта нагревается до 900—1000 °С за счет конвективного теплообмена с отходящими газами и излучением нагретой до 1400 °С внутренней поверхности стенок шахты и бассейна печи [40].