Сырьевые материалы и приготовление стекольных шихт

Накопленные к настоящему времени расчетные и эмпирические данные, а также современные представления о структурных факторах позволяют, с одной стороны, составить приближенную характеристику роли отдельных компонентов, оценить их вклад в то или иное свойство и с высокой степенью достоверности прогнозировать свойства стекол. С другой стороны, влияние соответствующих оксидов на свойства стекломассы и стекла определяет выбор соответствующих сырьевых компонентов для их внесения в стекольную шихту и соотношение компонентов.

Сырьевые материалы для производства стекла и ситаллов делят на две группы — главные и вспомогательные. Такое деление достаточно условно, так как многие вспомогательные сырьевые материалы при варке специальных стекол являются главными для этих составов.

С главными сырьевыми материалами в стекольную шихту вводят основные стеклообразующие оксиды (рис.6.5), образующие основу стекла и определяющие его свойства.

Оксид кремния — главная составная часть всех силикатных стекол. В обычных стеклах его концентрация превышает 70 %. Оксид кремния повышает вязкость стекломассы и способствует увеличению скорости машинного вытягивания, улучшает механические и химические свойства. С увеличением содержания 5/'0? возрастает тугоплавкость стекла и затрудняется гомогенизация, уменьшается показатель преломления, уменьшается ТКЛР и повышается термическая стойкость, уменьшается плотность, увеличивается склонность к кристаллизации.

В состав шихты SiO2 вводят в основном с кварцевыми песками, редко с кварцитами, жильным кварцем. Главное требование — максимальное содержание SiO2 (не ниже 95%) и минимальное содержание окрашивающих примесей (Fe203< 0,15 %).

Оксиды щелочных металлов играют роль плавней. В обычных стеклах их концентрация не превышает 14-15 %. Их влияние на свойства стекла проявляется в понижении температуры плавления и вязкости, уменьшении склонности к кристаллизации (кроме L/?0), понижении электросопротивления, уменьшении микротвердости. Снижение вязкости в области температур формования

Сырье для производства стекла и ситаллов

Рис. 6.5. Сырье для производства стекла и ситаллов

уменьшает скорость машинной выработки. Уменьшение поверхностного натяжения облегчает гомогенизацию стекломассы. Повышение ТКЛР затрудняет отжиг. Вводят оксид натрия в шихту в виде кальцинированной соды и сульфата натрия; оксид калия — при помощи поташа, содовопоташной смеси и селитры.

Оксид кальция вводят в состав обычных стекол в количестве 9—10%. СаО понижает температуру плавления и вязкость, повышает механические и химические свойства, усиливает склонность к кристаллизации, увеличивает показатель преломления, повышает плотность и тепловое расширение.

Вводят СаО в шихту в виде известняка и мела. Породы должны содержать не менее 53% СаО и не более 0,2 % оксидов железа.

Оксид магния в составы обычных стекол вводят в количестве до 5%. MgO понижает температуру плавления и склонность к кристаллизации, повышает поверхностное натяжение. Время провара и осветления увеличивается при содержании более 2% MgO. Кроме того, MgO повышает ТКЛР, но в меньшей степени, чем СаО. Вводят оксид магния в шихту в виде доломита СаС03 • MgC03.

Оксид алюминия применяют в производстве тарных, оконных, химико-лабораторных и других стекол. Его влияние на свойства проявляется в повышении температуры плавления, вязкости и температуры размягчения, повышении поверхностного натяжения, ухудшении проваривания стекломассы и ее гомогенизации, но он увеличивает химическую стойкость, механические свойства и теплопроводность, уменьшает тепловое расширение. Глинозем способствует стабилизации стеклообразного состояния, уменьшая склонность к кристаллизации.

Вводят оксид алюминия в виде полевых шпатов, пегматитов, каолина, полевошпатового и нефелинового концентратов.

Оксид бора применяют в производстве химически и термически стойких стекол (2—13 %). В203 понижает температуру плавления и вязкость, уменьшает тепловое расширение и повышает термостойкость, увеличивает химическую устойчивость, уменьшает поверхностное натяжение, одновременно возрастают механические свойства и падает склонность к кристаллизации. Борный ангидрид является уникальным компонентом стекол по своей флюсующей способности, свойству уменьшать склонность к кристаллизации, улучшать химические, электрические и термические характеристики.

Вводят в шихту борный ангидрид с помощью искусственных (борная кислота и бура) и природных соединений (ашарит, дато- лит).

Оксид бария вводят в состав баритовых кронов до 45 %, а в обычные стекла в концентрации 2—10 %. Он понижает температуру плавления и вязкость, увеличивает плотность и показатель преломления, ухудшает механические и химические свойства, повышает ТКЛР, но одновременно возрастает агрессивность расплава.

Оксид цинка применяют в производстве химико-лабораторных и оптических стекол. Концентрация ZnO в стеклах разных типов находится в пределах 2—12 %. Этот оксид повышает химическую стойкость, уменьшает ТКЛР, температуру плавления и вязкость, но вместе с тем увеличивает склонность к кристаллизации и агрессивность расплава.

Оксид свинца применяют в производстве оптических стекол (концентрация 2—65 %), хрусталя (17—34 %), легкоплавких глазурей и эмалей. Оксид свинца понижает температуру плавления и вязкость, повышает показатель преломления, понижает химическую стойкость и механические свойства, уменьшает склонность к кристаллизации, но также увеличивает агрессивность расплава.

Оксид циркония применяют в производстве химико-лабораторного стекла (3—13 %), щелочестойких (12—14 %) и других стекол. Он повышает температуру плавления и вязкость, химическую стойкость, плотность и механические свойства, показатель преломления, уменьшает ТКЛ Р.

К числу главных сырьевых материалов в стеклоделии относят и стекольный бой, который добавляют в шихту (до 25—30 %) в обязательном порядке для облегчения процесса стекловарения. Стекольный бой по химическому составу должен соответствовать составу основного стекла.

Вспомогательные сырьевые материалы подразделяют на красители, глушители, осветлители, обесцвечиватели, окислители, восстановители, ускорители.

Красители представляют собой соединения различных металлов, с помощью которых стеклу можно придать любую окраску. В качестве красителей применяют соединения марганца, кобальта, никеля, хрома, железа, меди, а также оксиды редкоземельных элементов. Количество красителей зависит от их химического состава и желаемого тона и составляет от долей процента до 5—7%.

Глушители — вещества, при введении которых стекло приобретает способность рассеивать свет (становится глушеным). В качестве глушителей применяют в основном соединения фтора и фосфора.

Осветлители — материалы, способствующие освобождению стекломассы от видимых газовых включений. К осветлителям относятся: селитра, оксиды мышьяка и сурьмы, сульфат натрия, фтористые и аммонийные соли, хлорид натрия.

Ускорители повышают скорость стекловарения и соответственно повышают производительность стекловаренных печей. В качестве ускорителей применяют фтористые соединения, аммонийные соли, оксид бора, оксид бария.

Обесцвечиватели обеспечивают повышение прозрачности стекла, устранение желтоватого или зеленоватого оттенка за счет перевода соединений железа из трехвалентной в двухвалентную форму. В качестве обесцвечивателей используют оксиды никеля, кобальта, селена, марганца.

Общие требования, предъявляемые к сырьевым материалам, включают: постоянство химического состава; минимальное содержание примесей, определенный гранулометрический состав и заданную влажность. В зависимости от вида и состояния исходных материалов их подвергают различным видам обработки (рис. 6.6).

Схема предварительной обработки сырьевых компонентов для производства стекла

Рис. 6.6. Схема предварительной обработки сырьевых компонентов для производства стекла

Песок. Необогащенный песок проходит сложную обработку, основная цель которой удаление оксидов железа до установленных нормами пределов. Для обезжелезивания применяют разные методы обогащения.

Промывку используют для глинистых песков, к которым предъявляются не слишком высокие требования по чистоте. Осуществляют промывку в классифицирующих конусах, гидромеханических классификаторах, гидроциклонах, при этом содержание оксида железа в песке снижается на 25—30%.

Промывка с оттиркой происходит в мешалках в течение 8—9 мин, при этом за счет трения песчинок друг о друга происходит «оттирка» глинистых и железистых примесей с поверхности зерен кварца, что позволяет удалить до 80—90% оксида железа.

Флотооттирку используют, если к песку предъявляются повышенные требования к степени его чистоты (содержание Fe203 не более 0,03—0,05%). Флотация основана на различной смачиваемости водой поверхности тех или иных материалов. При засасывании в пульпу пузырьков воздуха несмачиваемые водой минералы всплывают. Введение в пульпу флотоагентов приводит к тому, что все компоненты песка, за исключением кварца, становятся несма- чиваемыми, поэтому нежелательные примеси находятся в виде пены на поверхности и удаляются с нее. Очищенный песок при этом находится в донной части пульпы. Операцию проводят на флотационных машинах при активном перемешивании. Этот способ позволяет снизить содержание Fe203 до 0,02—0,04%.

Электромагнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железистых примесей и кварца. Зерна песка с разными магнитными свойствами движутся по различным траекториям и собираются в разные приемники. Этот вид обогащения осуществляют в индукционно-роликовых магнитных сепараторах.

Химические методы обогащения применяют в производстве оптических стекол. При этом оксидная пленка с поверхности кварцевых песчинок удаляется за счет ее растворения в растворах кислот или солей слабых кислот, например при обработке раствором щавелевокислого натрия.

После обогащения песок подвергают сушке и просеиванию. Если влажность песка превышает 4,5%, то он легко комкуется, в результате не удается добиться достаточной однородности шихты и легкости ее проваривания. Сушку осуществляют в сушильных барабанах при температуре 700°С.

Известняк, доломит и другие кусковые твердые и плотные материалы готовят по следующей схеме: дробление в щековых дробилках, сушка в сушильном барабане, тонкий помол в шаровых или аэробильных мельницах (возможно совмещение сушки и помола), грохочение, электромагнитная сепарация

Сода, поташ, сульфат натрия доставляют на завод в измельченном виде, упакованными в мешки. При хранении эти материалы могут слеживаться, поэтому при необходимости их измельчают в аэробильных мельницах или дезинтеграторах и просеивают через сито.

В бункера хранения все компоненты шихты подают в тонко- измельченном виде за исключением песка.

Важный компонент стекольной шихты — стеклобой предварительно тщательно промывают на ситах-трясучках, а затем дробят в щековых дробилках.

На стекольных заводах для подготовки шихты существуют специальные составные цеха с механизированными складами для раздельного хранения компонентов.

Приготовление шихты — одна из важнейших технологических операций. Шихта — это однородная смесь компонентов для стекловарения, которую готовят путем дозирования по заданному рецепту подготовленных сырьевых материалов и их тщательного перемешивания. Процесс приготовления шихты автоматизирован. От точности и тщательности подготовки исходных компонентов и их смешивания зависит качество сваренной стекломассы. Допустимые отклонения от заданного содержания компонентов в шихте устанавливают отдельно для каждого вида стекла, и обычно они не превышают ±0,5—1%. Дозирование производят порционными или роторными питателями. Смешивание производят в смесителях периодического действия: тарельчатых, барабанных, а также конусных бетономешалках. Влажность шихты рекомендуется поддерживать на уровне 4—5%. Влага благоприятно влияет на однородность шихты и позволяет избежать расслаивания и пыле- ния. Дополнительные возможности интенсификации процесса стекловарения дает агломерация стекольных шихт путем ее грануляции или прессования. В уплотненном материале возрастает теплопроводность, что сокращает время прогрева и компенсирует затраты на уплотнение.

Один из вариантов приготовления стекольной шихты представлен на рис. 6.7. Подготовленные сырьевые материалы хранятся в бункерах, установленных в один ряд. Под каждым бункером расположены автоматические весовые дозаторы, отвешивающие порцию компонента на движущийся ленточный транспортер. Весы поочередно отвешивают сырьевые материалы (за исключением сульфата натрия и угля), которые ссыпаются на транспортер, перемещающий сырье в смеситель, туда же подается вода для лучшей гомогенизации шихты. Сульфат и уголь дозируются на другой транспортер и перемешиваются в отдельном смесителе. Готовая сульфатно-угольная смесь поступает в общий смеситель, где ранее были смешаны остальные компоненты. Готовая шихта транспортером и элеватором подается в бункера. Через определенное время начинается новый цикл дозирования и смешения.

Схема приготовления стекольной шихты

Рис. 6.7. Схема приготовления стекольной шихты: 1,2,11 - бункера;

3,6,8,9 - транспортеры; 6,7 - смесители; 5 - дозатор воды, 10 - элеватор

Качество стекольной шихты можно определить даже по внешнему виду, например, по однородности ее окраски, однако 2—3 раза в сутки обязательно проводят химический контроль состава, при котором проверяют его однородность и соответствие заданной рецептуре. Для этого из разных мест бункера отбирают щупом (d= 10—12 мм и / = 50 см) три пробы, которые подвергают полному химическому анализу на содержание основных компонентов — соды, известняка, песка, сульфата. При этом могут использоваться как классические весовые методы анализа, так и экспрессные — комплексно-метрический с применением высокочувствительных реактивов, катионнообменный, рентгенографический и пр. По однородности шихту можно разделить на четыре класса — у четвертого самые высокие показатели: максимальные отклонения по песку, соде и сульфату — не более 1%, по мелу, известняку, доломиту — не более 0,5%. При больших отклонениях по однородности шихта бракуется.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >