Растворимое и жидкое стекло

Производство растворимых силикатов натрия и калия (силикат-глыбы)

Растворимые силикаты натрия и калия являются продуктами производства (товарной продукцией) стекольных заводов страны различного профиля — заводов по производству строительного и технического стекла, заводов по производству стеклотары. Общий объем производства силикат-глыбы превышает 700 ООО т в год. Из общего выпуска растворимых силикатов (силикат - глыбы) основное количество (свыше 90%) приходится на натрие­вую силикат-глыбу. Натриевая силикат-глыба является, как пра­вило, содовой, лишь в отдельных случаях в качестве натриевого компонента применяют сульфат натрия, в основном в смеси с со - дой. Полученная натриевая силикат-глыба в этом случае является содово-сульфатной.

Характеристика растворимых силикатов натрия и калия (си - Шкат-глыбы). Характеристика силикат-глыбы включает химиче­ский состав, определяющий содержание основных оксидов (R2O, Si02), силикатный модуль п (Si02/R20, мол.) и содержание примесных компонентов стекла (Fe203, А120з, CaO, SO3). Силикат- глыба характеризуется также видом исходного сырья (например, СоДовая, содово-сульфатная), внешним видом стекла, размерами кУсков стекла, отгружаемого стеклозаводами.

Растворимый силикат натрия изготовляется в соответствии сГОСТ 13079—81 двух видов: содовый и содово-сульфатный, при ^пользовании в качестве щелочного компонента шихты соответ - Ственно соды и смеси соды и сульфата натрия. По внешнему виду 9

Заказ 23

Растворимый силикат натрия представляет собой бесформен, ны( однородные прозрачные куски, не имеющие видимых механиче ских включений. Вследствие наличия примесей допускается слабої окрашивание: содовой силикат-глыбы в слабо-зеленый, желтова­тый или голубоватый цвет; содово-сульфатное стекло может иметь темно-зеленый или коричневый оттенок. Показатели химической состава выпускаемого промышленностью силиката натрия привС' дены в табл. 26.

При производстве силиката натрия высшей категории качеств' допустимое содержание примесных оксидов в стекле снижаете® для Fe203 + Al203 до 0,55%, для СаО — до 0,30%, для S03 — 0,25%.

Растворимый силикат калия в соответствии с ОСТ 21-3— должен представлять собой однородные прозрачные бесфорМ^ ные куски, не содержащие видимых механических включений, г", лубоватого, желтоватого или зеленоватого оттенка. ХимичесК" состав (в пересчете на прокаленное вещество) следующий (масс. %): Si02 — 65,5—69,1; СаО — не более 0,40; Al203+Fe203 — не более 0,60 (для покрытий электродов); Al203+Fe203 — не бо - лее 0,80 (для силикатных красок); S03 — не более 0,35; К2О — 30,9—34;5; Na20 — не более 1,0. Силикатный модуль 3,0—3,5.

Растворимый силикат калия применяют в основном для изго­товления жидкого стекла, используемого в производстве силикат­ных красок, покрытий сварочных электродов и других целей.

Силикат натриево-калиевый и калиево-натриевый растворимый в соответствии с ТУ 21-23-109—78 характеризуется соотношением Кг0:Ыа20= (75+1,25): (25±1,25) для калиево-натриевого и соот­ношением Na20:K20= (70±1,5): (30±1,5) для натриево-калиево - го стекла. Основная область применения — изготовление жидкого стекла для производства сварочных электродов. Нормы химиче­ского состава для таких видов силикатов (в пересчете на прокален­ное вещество) приведены в табл. 27.

Для натриево-калиевых силикатов суммарный модуль п по дан­ным раздельного определения К2О и Na20 рассчитывается по формуле

% Si02

0,967-% Na20 + 0,638-% К2О'

Где 0,967 и 0,638 — отношение молекулярных масс соответственно Si02/Na20 и 5і02/КгО; % S1O2; % Na20 и % К20 — массовая доля оксидов кремния, натрия и калия.

Сырьевые материалы. Кремнеземсодержащим компонентом для производства растворимых силикатов натрия и калия является кварцевый песок — тонкообломочная порода, состоящая преиму­щественно (>96%) из зерен кварца с размером частиц 0,15— 0,3 мм. Примесями кварца в песке являются минералы глин (као­линит, монтмориллонит и др.), щелочные алюмосиликаты (поле­вые шпаты, слюда и др.), железосодержащие минералы, карбо­натные примеси. Для производства силикат-глыбы вредными при­месями в песке являются минералы, повышающие сверх установ­ленных пределов содержание в щелочно-силикатном стекле таких компонентов химического состава, как А1203, Fe203, СаО. Ограни­чения по содержанию в стекле примесей связаны с их отрицатель­ным влиянием на процессы растворения силикат-глыбы в воде при производстве жидкого стекла. Кварцевый песок для силикат-глы­бы должен соответствовать требованиям ГОСТ 22551—77. В боль­шинстве случаев этому стандарту удовлетворяют природные пески без специального обогащения, однако иногда требуется обогаще­ние местных песков (например, их промывкой для снижения со­держания Fe203) или использование обогащенных песков, постав­ляемых централизованно.

Щелочесодержащими компонентами для производства содо - в°й, содово-сульфатной и калиевой силикат-глыбы являются соот - Ветственно сода, сульфат натрия и поташ.

Для производства содовой силикат-глыбы применяется сода, кальцинированная, (безводная) ЫагСОз по ГОСТ 5100—85Е, для содово-сульфатной силикат-глыбы — сульфат натрия Na2S04 в смеси с содой. Поташ К2СО3 — белый гигроскопичный порошок —. используется в кальцинированной (безводной) форме по ГОСТ 10690—73 для получения калиевой силикат-глыбы.

Для производства калиево-натриевой и натриево-калиевой си­ликат-глыбы может применяться содово-поташная смесь, содер­жащая свыше 93% К2СОэ-|-Ыа2СОз. Такая смесь является побоч­ным продуктом переработки нефелиновых руд и концентратов на глинозем. При производстве содово-сульфатной силикат-глыбы в состав стекольной шихты вводят кокс (коксовую мелочь), кото­рый выступает в роли восстановителя.

Процессы силикатообразования и формирования силикат - глыбы. Стекольная шихта для производства силикат-глыбы пред­ставляет собой механическую смесь соды с кварцевым песком для варки содовой силикат-глыбы, поташа с кварцевым песком — для калиевой силикат-глыбы и соды, сульфата натрия и кокса с квар­цевым песком для варки содово-сульфатной силикат-глыбы. Одно­временно с перемешиванием компонентов осуществляют неболь­шое увлажнение (до 4—6%) шихты.

Увлажнение шихты способствует образованию на поверхности кварцевых зерен равномерно распределенной пленки щелочных соединений, что благоприятно сказывается на процессах силикато­образования.

Силикатообразование и последующее формирование силикат - глыбы являются многостадийными. Эти последовательно и одно­временно протекающие высокотемпературные процессы взаимо­действия компонентов как в твердом, так и жидком (расплав­ленном) состоянии включают: удаление гигроскопичной влаги (при 110—120 °С) и влаги кристаллогидратной, сформировавшей­ся, в частности, при увлажнении шихты — при температуре выше 200 °С; полиморфные превращения кварца (а^р-кварц, 575 °С), сульфата натрия (а^р-ЫагЭО,!, 235 °С); термическую диссоциа­цию карбоната калия (410 °С); плавление компонентов шихты (Na2C03 — при 855 °С); твердофазное образование силикатов натрия и калия (800—900 °С); образование эвтектических распла­вов в системах R2O—Si02; формирование спеков силикатов щелоч­ных металлов и кварца; плавление образовавшихся спеков и раст­ворение кремнезема в щелочно-силикатном расплаве; формирова­ние стекломассы (1400 °С) и ее охлаждение.

Реакция силикатообразования при производстве содовой сили­кат-глыбы начинается при сравнительно низких температура* (380 °С) по схеме Si02+Na2C03^Na20-«Si02+C02. Полное связывание соды завершается при температурах 920—950 °С' Продукты реакции представляют собой спекшуюся массу высоко­основных силикатов натрия (метасиликата натрия), кремнезема и щелочно-силикатного стекла переменного состава.

Схема реакции силикатообразования при производстве калие;- В0Й силикат-глыбы: ЗЮг+КгСОз-^КгО-пБЮг+СОг. Наиболее интенсивно образование силикатов калия фиксируется в темпера­турном интервале 1000—1100 °С.

Специфика использования сульфата натрия в составе содово - сульфатной шихты связана с процессами его восстановления, которое обнаруживается начиная с 600 °С. Сульфит натрия при восстановлении сульфата не образуется, а схема восстановления описывается уравнениями [8]:

Na2S04 + 2C-+Na2S+2C02; Na2S+2C02->-Na2C03+C0S;

Na2S + COS-+Na2S2 + CO.

Интенсивное силикатообразование в сульфатсодержащих ших - тах наблюдается в интервале 850—900 °С по схеме *

Na2S04+Na2S + 2Si02-^2Na2Si03 + S02 + S.

Образовавшийся за счет реакций силикатообразования спек щелочных силикатов с кремнеземом при дальнейшем повышении температуры претерпевает физико-химические изменения, свя­занные с увеличением в системе количества расплава и растворе­нием в нем кремнезема. Избыточное количество кремнезема по отношению к сформировавшимся щелочным силикатам составляет около 30% массы исходного Si02. Наиболее низкая температура появления щелочно-силикатного расплава при варке содовой сили­кат-глыбы — 780 °С, что соответствует эвтектике дисиликат натрия — кварц.

Для растворения кварца в силикатном расплаве и формирова ния однородного расплава, отвечающего составу промышленной силикат-глыбы, требуется температура до 1250 °С. На этапе стек- лообразования остатки кварцевых зерен [8] медленно растворя­ются в вязком расплаве силикатов. Вокруг каждого зерна в резуль­тате растворения образуется пограничная зона с повышенным со­держанием Si02. По мере насыщения зоны растворение кварцевого зерна затормаживается. Удаление избыточного диоксида кремния из реакционной зоны происходит диффузионным путем под влия­нием градиента концентраций. Скорость диффузии Si02 в распла­ве, определяющая скорость стеклообразования, зависит от таких факторов, как температура процесса, вязкость силикатного рас­плава, его поверхностное натяжение, характеристика зерен кварца (размер, форма, наличие включений), условия перемешивания Расплава.

Осветление стекломассы (освобождение ее от видимых газо­вых включений, оставшихся после провара шихты или возникших Дополнительно) и ее гомогенизация (получение химически и физи­чески однородной массы) требуют дальнейшего повышения темпе­ратуры стекла до 1400 °С, при которой и происходит выработка стекломассы для получения силикат-глыбы.

Технология производства растворимых силикатов

Натрия и калия

Технологический процесс получения силикат-глыбы (раствори - мых силикатов натрия и калия) включает следующие переделы производства: 1) прием, складирование, подготовка сырьевых ма­териалов и приготовление стекольной шихты; 2) варка силикат - глыбы в ванной стекловаренной печи; 3) выработка и грануляция стекломассы, ее хранение и отгрузка. Ниже приведен пример ос­новных технологических решений цеха содовой силикат-глыбы производительностью 100 ООО т в год, по данным В. Н. Парицкого (Гипростекло). Технические показатели: мощность цеха обеспечи­вается ванной стекловаренной печью площадью варочной части 100 м2 и производительностью 280 т стекломассы в сутки. Годовая потребность в сырьевых материалах: кварцевый песок — 89 334 т, сода — 42 796 т, всего — 132 130 т. Пески применены в природном виде, без обогащения; кальцинированная сода — техническая. Топливо — природный газ.

В состав цеха силикат-глыбы входит два отделения: отделение варки и выработки силикат-глыбы; дозировочно-смесительное от­деление со складами сырья. Производство размещено в едином блоке по единому технологическому потоку: прием и хранение сырьевых материалов—>-подготовка сырья, дозировка и смеше­ние-кварка и выработка-охранение и отправка готовой про­дукции.

Шихта, подготовленная в дозировочно-смесительном отделе­нии в количестве 338 т в сутки, подается к ванной печи системой ленточных конвейеров. Химический состав сырьевых мате­риалов, %:

Si02 А12Оз CaO MgO Fe203 NajO NaCl

Песок 97,22 1,34 0,14 0,09 0,17 — —

Сода _____ 0,008 57,02 0,8

Расход сырьевых материалов на 100 кг стекла: песок — 75,6 кг, сода — 44,175 кг, всего — 119,775 кг.

Технологический процесс включает следующие операции (рис. 48). Песок поступает на склад цеха навалом в железнодорожных платформах и полувагонах, разгружается в траншеи склада, из которых забирается грейферным краном и штабелируется в напольном складе. Со склада в производство подается краном через бункера. Для сушки песка служат два сушильных барабана 02X10 м. Просев песка производят на ситобуратах СМ-237. Высушенный и просеянный песок хранится в бункерах над весовы­ми линиями.

Сода поступает навалом в крытых вагонах, в вагонах типа «хоппер» и в мешках в крытых вагонах. Выгрузка соды, поступаю­щей навалом в крытых вагонах, производится пневморазгрузчикоМ ТА-33 в силос, из хопперов — самотеком в бункера, расположен-

Песок

Ные под железной дорогой, откуда пневмовинтовыми насосами ^ в силос для хранения; разгрузка тарной соды в мешках — электро. погрузчиком на склад тарной соды. Из силоса сода системой шне. ков выдается на просев и в бункера над весовыми линиями.

Просеянная сода, высушенный и просеянный песок хранятся в бункерах над весовыми линиями. В каждой линии предусмотрена двое весов ДВСТ и два смесителя ВА-248. Подготовленная шихта элеваторами подается в бункера запаса и по мере надобности системой ленточных конвейеров — в бункера над загрузчиками шихты.

Для производства силикат-глыбы установлена ванная печь для варки стекломассы: печь непрерывного действия, регенеративная, с поперечным направлением пламени, тепловая мощность 10 кДж/ч, производительность 280 т/сут, площадь варочной части печи 100 м. Удельный съем стекломассы с 1 м2 варочной печи — 2800 кг/м2 в сутки, расход тепла на 1 кг сваренной стекло­массы — 1450 ккал/кг. Ширина варочного бассейна 7,8 м, глубина 1,4 м. По газовой среде выработочная часть полностью отделена от варочной.

Дно выработочной и варочной частей печи футеруется много­шамотным брусом, стена варочного бассейна — из бакора 33. Для футеровки агрегата предусмотрена также теплоизоляция из фос­фатного ячеистого бетона, перлитофосфатных плит, легковесного динаса. Основные технологические решения приведены на рис. 49 (план цеха) и рис. 50 (разрез /—/).

Ниже приводится пример основных технологических решений цеха содово-сульфатной силикат-глыбы производительностью 60 т/сут (21 700 т в год). Компоненты шихты: содово-сульфатная смесь, кварцевый песок, коксовая мелочь. Расход материалов на 60 т стекла (без учета потерь): содово-сульфатной смеси — 30,1 т, кварцевого песка — 44,5 т, коксовой мелочи — 3,3 т. Приготов­ленная для производства силикат-глыбы шихта подается конвейе­ром в бункеры над загрузчиком шихты. Сваренная в печи стекло­масса направляется по потоку в формовочный конвейер, куда подается вода. Силикат-глыба с формовочного конвейера по течке поступает в элеватор участка производства жидкого стекла.

Принципиальная технологическая схема производства сили­кат-глыбы приведена на рис. 51.

Процессы загрузки шихты в ванную печь, выработки силикат - глыбы механизированы и автоматизированы и представляют еди­ную поточную линию. Спуск стекломассы на холодный ремонт осуществляется через формовочный конвейер с получением гра - нулята и последующим его использованием (рис. 52). Конвейер состоит из тягового органа цепи, несущего органа пластин, элект­ромеханического привода, душирующего устройства, сливной 0°' ронки, лотка для спуска стекломассы. Производительность кон­вейера — 3 т/ч, потребляемая мощность — 4 кВт, расход водЫ 9 м3/ч. Схема печи приведена на рис. 53.

Ванная стекловаренная печь для производства силикат-глы­бы — непрерывного действия, регенеративная, с поперечным на­правлением пламени. Производител ьность печи — 60 т/сут, пло­щадь отапливаемой (варочной) части — 37 м2. Площадь студочно- выработочной части — 8 м2.

Ванная печь, отапливаемая мазутом, запроектирована с по­перечным направлением пламени и снабжена секционированной регенеративной системой для подогрева воздуха. Конструктивно печь делится на варочную и студочно-выработочную части, междУ которыми устанавливаются разделительные устройства: по газо­вой среде — экранирующая решетка из огнеупорного кирпича и по стекломассе — проток, охлаждаемый вентиляторным воздухом. По газовой среде выработочная часть может быть при необходи­мости полностью отделена от варочной и иметь отдельное отоп - аение, позволяющее независимо регулировать ее газовый режим. Между протоком и варочным бассейном предусмотрена предпро - точная камера для улучшения условий обслуживания протока и удлинения срока ее службы.

Варочная часть бассейна имеет в плане прямоугольную форму. Ширина бассейна 5,2 м, длина 7,9 м, глубина 1,08 м, длина отапли­ваемого зеркала стекла 7,1 м. По длине отапливаемого зеркала стекла расположены две пары горелок. Студочно-выработочная часть бассейна имеет в плане прямоугольник. Ширина бассейна '■2 м, длина 1,35 м, глубина 1,08 м. Выработочная часть отапли - 'ается одной форсункой.

Наиболее ответственные элементы кладки ванной печи выпол - Чены из высокостойких огнеупорных материалов — бакора и сте­кольного динаса.

В зоне максимального износа огнеупоров применено интенсив - йое воздушное охлаждение на уровне зеркала стекломассы по все - ^У периметру и в протоке. Предусмотрено применение эффектив­ен теплоизоляции: для стен варочного бассейна — газобетон на алк>мохромфосфатной связке, для свода печи — динасовый легко - йес, высокоглиноземистый материал. Предусмотрена автоматиче­ская стабилизация теплового и технологического режимов печи.

Дельный объем стекломассы с общей площади — 1210 кг/м2 сут.

Система автоматизированного управления режимом pauvr. ванной печи обеспечивает автоматический контроль следующИ), технологических параметров: температуры газовой среды пещ, температуры стекломассы, температуры отходящих дымовых Га! зов, температуры топлива и воздуха, подаваемого на горение давления в печи, разрежения отходящих дымовых газов, давления Мазута и воздуха для его распыления, расхода мазута, расхода воздуха на горение топлива, уровня стекломассы и др. Система автоматизированного управления механизмами линии выработкг силикат-глыбы предусматривает сигнализацию верхнего и нижнє го уровня в бункере шихты над загрузчиками и управления рабо той формующих конвейеров.

Контроль качества сырья и готовой силикат-глыбы включай определение влажности и химического состава песка, соды, пота ша, сульфата натрия и химического состава готовой силикат глыбы, контроль качества стекольной шихты, а также контроль внешнего вида и размеров кусков силиката натрия и калия.

Кварцевый песок ежемесячно контролируется на влажность, а 1 раз в 7—10 дней выполняется полный химический анализ песка с определением Si02, А120з, Fe203, MgO, СаО и пр. Сода и поташ ежемесячно контролируются на влажность, полный химический анализ и содержание основного вещества определяются 1 раз в 7- 10 дней (по ГОСТ 5100—85Е). Приготовленная. шихта контро­лируется ежесменно по щелочности и влажности.

Контроль качества готового силиката натрия и калия вклю чает полный химический анализ и определение силикатного мо­дуля каждой отгруженной партии.

Варка силикат-глыбы в газопламенных печах является наибо­лее распространенным технологическим процессом, однако она требует совершенствования. Газопламенные печи характеризуют­ся высоким расходом дефицитного газового топлива, низким теп­ловым КПД, неблагоприятными экологическими условиями произ­водства, связанными с возгонкой токсичных и вредных компонен­тов шихты при высокотемпературном обжиге, невысоким удельным съемом стекломассы.

Институтом стекла (ГИС) для производства калиевой силикат - глыбы разработана стекловаренная печь при электрическом обо­греве, в которой реализована электроварка стекла под слое» шихты. Варка стекла под слоем шихты улучшает тепловые харак­теристики печи, повышает производительность печи, исключает потери сырьевых компонентов на улетучивание, значительно уменьшает загрязнение окружающей среды продуктами сгорани' топлива и диссоциации стекольной шихты.

Разработанная электростекловаренная печь обеспечивает глУ; бинную варку стекла под слоем шихты, снабжена трехфазнЫ"' питанием электродов варочного бассейна, электроподогревом пр0' тока и выработочной камеры. Печь состоит из варочного бассейн3 прямоугольной формы со стержневыми боковыми электрода»"1 - ечение бассейна — 2800Х 1800 мм при глубине 1700 мм. Бассейн іСнащен шестью молибденовыми стержневыми электродами. Тем­пература стекломассы в варочном бассейне 1450 °С. Общая по­требляемая варочным бассейном мощность 700 кВт. Производи - гельность печи по стекломассе 12—15 т/сут. Выработка стекло­массы на гранулят осуществляется сливом на грануляционный,0нвейер, загрузка шихты механизированная.