ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

РАСЧЕТЫ СОСТАВА ШИХТЫ

Состав стекольной шихты рассчитывают по заданно­му составу стекла в % по массе с учетом составов ис­пользуемых сырьевых материалов и стеклобоя. Расчет ведут на 100 частей стекла по массе.

Основы расчета состава шихты. Для расчета прини­мают, что из сырьевых материалов шихты в стекломассу переходят только оксиды, а влага и газы, образующиеся при химических реакциях в шихте, удаляются с продук­тами горения топлива, сжигаемого в печи. В составе стекла учитывают только некоторое количество S03, ос­тающееся после разложения Na2S04. По практическим данным, при расчете шихты его принимают до 0,5 % по массе.

Многие компоненты при температуре варки стекла частично улетучиваются, и для получения требуемого со­держания в составе стекла в шихту их вводят в некото­ром избытке. Необходимая добавка на улетучивание за­висит от вида материала и упругости его пара при раз­ных температурах; степень летучести компонентов воз­растает при увеличении содержания материала в шихте и повышении температуры печи. Можно для расчетов принимать следующие добавки компонентов на улетучи­вание в % по массе от их заданного содержания в соста­ве стекла: В203— от 11 (при содержании в стекле до 7 % по массе) до 15 (при более высоком содержании); РЬО—1,5—3; ZnO — порядка 4; КгО —5; Na20 — 1,5—3 для соды, 5 для сульфата натрия, 30 для кремне- фтористого натрия и криолита; фтор — от 30 (для обыч­ных стекол) до 50 (для тугоплавких, боросиликатных, бесщелочных и малощелочных). Эти значения даны для пламенных печей.

Расчет состава шихты заключается в решении систе­мы уравнений с несколькими неизвестными, причем чис­ло неизвестных зависит от количества сырьевых матери­алов, вводящих в состав стекла сразу несколько компо­нентов. Если стекло и применяемые сырьевые материа­лы являются многокомпонентными, число неизвестных и уравнений увеличивается, и в этом случае расчет шихты значительно усложняется. Для точных расчетов шихт многокомпонентных стекол системы уравнений решают с помощью электронно-вычислительных машин, а в ус­ловиях производства пользуются расчетами по методу постепенного приближения.

Во всех случаях расчеты надо начинать с тех компо­нентов стекла, которые вводятся в наименьшем числе материалов. Состав промышленной шихты рассчитывают с точностью до второго десятичного знака. Для расчета необходимо знать коэффициенты перехода оксидов в стекло из сырьевых материалов (см. приложение).

Примеры расчета состава шихты. Пример 1. Расчет состава ших­ты стекла простого состава. Простое стекло содержит в % по массе:

Si02—72,8; CaO—10; Na20—17; S03—0,2; 85 % оксида натрия введем содой, а 15 %—сульфатом Na. Восстановителем будет уголь, состав­ляющий 6 % от массы сульфата натрия. Химический состав сырьевых материалов возьмем из табл. 5.1. Si02 введем песком № 1, а СаО — мелом. Как видно, Si02 и СаО содержатся в песке, меле и сульфате натрия, a Na20 — в соде и сульфате натрия. Кроме того, используемые материалы (кроме соды) содержат также А1203, Fe203 и MgO, кото­рые перейдут в состав стекла. Поэтому получить точно заданный со­став стекла, содержащий только Si02, СаО, Na20 и SO3, не удаст­ся (для этого нужно было бы взять химически чистые сырьевые материалы).

Расчет начнем с Na20, которая вводится двумя материалами, и определим требуемое количество соды и сульфата натрия.

Сода. В составе соды Na20 содержится в основном веществе — Na2C03; оксид натрия также частично образуется из примеси NaCl в результате ее взаимодействия с влагой шихты по реакции 2NaCl+ +H204±Na20 + 2HCI. Однако ввиду малого содержания NaCl, а также его большой и непостоянной летучести этой реакцией мож­но пренебречь. Из Na2COj переходит в стекло 58,5 % по массе Na20, а из соды — с 98,7 % Na2C03: 58,5-0,987=57,7 % по массе Na20.

С содой необходимо ввести в стекло 85 % от заданного содер­жания Na20 в стекле, т. е. 17-0,85=14,3 % по массе Na20. Для этого потребуется соды (14,3-100)/57,7=25 кг. Примем, что 2% соды при варке улетучатся, тогда нужно взять добавку, равную 25-0,02=0,5 кг. Всего будет взято соды 25+0,5=25,5 кг. С содой войдут в состав стекла в % по массе: Si02 25-0,0005=0,01; А120з 25-0,0005 = 0,01; СаО 25-0,0008 = 0,02 (содержания Si02, А1203 и СаО в соде взяты из табл. 5.1).

Сульфат натрия. Этим материалом нужно ввести в состав стек­ла 17—-14,3 = 2,7 % по массе Na20. Из Na2S04 переходит в стекло 43,7 % Na20, а из сульфата натрия — 43,7-0,9447=41,3 % Na20. Ко­личеством Na20, образующимся из NaCl сульфата, пренебрегаем.

Для введения в состав стекла 2,7 % по массе Na20 потребуется сульфата натрия (2,7-100)/41,3=6,54 кг. Добавка на 5% улетучи­вания составит 6,54-0,05 = 0,33 кг, а всего сульфата натрия в шихте будет 6,54+0,33=6,87 кг.

В сульфате натрия содержатся CaS04 и MgS04, которые при разложении дадут в % по массе: СаО — 41,1 от CaS04, или 3.09Х Х0,411 = 1,27; MgO —33,5 от MgS04, или 0,45-0,335=0,15 %. Суль­фат натрия внесет в состав стекла в % по массе: Si02 6,54-0,0043 = = 0,03; А120з 6,54-0,0014=0,01; СаО 6,54-0,0127=0,08; MgO 6,54 X Х0,00151 = 0,01. Кроме того, принимаем, что в состав стекла из сульфата натрия перейдет 0,2 % по массе S03.

Для восстановления сульфата натрия вводим уголь с 90 % С, которого потребуется (6,87-0,06)/0,9=0,458=0,45 кг.

Песок и мел. Подсчитаем, сколько Si02 и СаО внесено содой и сульфатом натрия в % по массе: Si02 — 0,01+0,03=0,04; СаО — 0,02+0,08=0,10. Для получения требуемого количества в стекло нуж­но ввести в % по массе: Si02—72,8—0,04=72,76; СаО—10—0,1 = = 9,9. Оба эти компонента вводят и песком и мелом. Обозначим потребное количество песка х, а мела у; тогда баланс Si02 и СаО можно написать следующими уравнениями:

Si02 — 72,76 = х-0,9882 + у-0,0238; СаО — 9,90 = дг-0,002 + у-0,5417.

Решим эти уравнения, исключив у:

*-0,9882-0,5417+0238-0,5417 = 72,76-0,5417

— х-0,002-0,0238 — у-0,5417-0,0238 = — 9,9-0,0238

Ж-0,536 ± 0 = 39,179

Отсюда узнаем количество вводимого песка х:

Х=39,179/0,536=73,07 кг.

Песок введет в состав стекла в % по массе:

Si02 — 73,07-4,9882 = 72,2;

СаО — 73,07-0,002 = 0,15; А120373,07-0,0029 = 0,21;

MgO — 73,07-0,001 =0,07; Fe203 73,07-0,001 = 0,07.

Количество мела определяем из уравнения (2):

9,9 - 73,07-0,002 9,74

= 18 кг.

0,5417 0,5417

С мелом войдут в состав стекла в % по массе:

Si02—18-0,0238 = 0,43; СаО — 18-0,5417 = 9,74;

MgO — 18-0,0016 = 0,03; А1а03 — 18-0,004 = 0,07;

Fe^ — 18-0,0027 = 0,05.

Состав шихты сведем в виде табл. 5.2 и рассчитаем фактиче­ский состав стекла по данным табл. 5.3.

Состав стекла пересчитываем на 100 кг стекла по пропорции: 72,67 кг Si02 получается из 100,4 кг стекла; х кг Si02 получается из 100 кг стекла:

Х = (72,67-100) /100,4 = 72,38.

Аналогичный пересчет делаем для всех остальных компонентов.

Как видно, фактический состав стекла отличается от заданного, но сумма Si02+Al203+Fe203=72,8 %; т. е. заданному Si02, а сум­ма Ca0+Mg0 + Na20=27 %, т. е. заданной сумме Ca0+Na20.

Аналогично предыдущему рассчитываем расход шихты на 100 кг стекла: 100,4 кг стекла получаются из 123,9 кг шихты; 100 кг стекла получаются из у кг шихты:

У = (123,9-100)/100,4 = 123 кг.

Для получения 100 кг стекла необходимо (см. табл. 5.2 и 5.3): песка 123-0,5893 = 72,95 кг; мела 123-0,1455=17,9 кг; соды 123Х

X 0,206=25,38 кг; сульфата натрия 123-0,0555=6,83 кг; угля I23X X 0,0037=0,45 кг.

Для технологических расчетов нужно знать выход стекла из 100 кг шихты. Его рассчитывают по пропорции: из 123 кг шихты получают 100 кг стекла, из 100 кг шихты — х кг стекла. Отсюда

Х = (100-100)/123 = 81,2 кг, или (81,2-100)/100 = 81,2% по массе.

Разница между расходом шихты (100 кг) и выходом стекла (81,2 кг), равная 18,8 кг, или (18,8-100)/100= 18,8 % по массе, равна массе удаляющихся при варке стекла летучих компонентов шихты (газов, влаги). Эту разницу называют «угаром» шихты.

Пример 2. Расчет состава шихты листового стекла. Требуется рассчитать состав шихты листового стекла, вырабатываемого мето­дом вертикального безлодочного вытягивания. Заданный состав стек­ла в % по массе: Si02 —72,6; А120з — 1,5; Fe203 —0,1; СаО —8,2; MgO —3,5; Na20—12,9; КгО — 0,8; S03 —0,4; сульфатом натрия вводят 10 % от Na20 (по массе).

Ввиду заданного низкого содержания оксидов железа для ших­ты следует взять обогащенный песок, а также доломит и известняк. Оксид алюминия введем полевошпатовым концентратом, оксид ка­лия— нефелиновой содой. Так как в этом случае щелочные оксиды будут частично введены в стекло полевошпатовым концентратом, рас­чет количества потребной соды сделаем после определения необ­ходимого количества концентрата. Для точности сделаем расчет два или три раза, внося в него каждый раз поправку на неизбежные примеси.

Полевошпатовый концентрат. Первый расчет количества кон­центрата произведем по заданному количеству А120з, который и вво­дится в стекло концентратом. Концентрата потребуется (1,5-100)/ /15,1=9,95 кг. Такое количество концентрата введет в состав стек­ла в % по массе:

SiOa —9,95-0,758 = 7,54; Fe203— 9,95-0,0026 = 0,03;

СаО — 9,95-0,0010 = 0,01; MgO — 9,95-0,0014 = 0,01;

Na20 — 9,95-0,0490 = 0,49; K20 — 9,95-0,0368 = 0,37.

Теперь рассчитаем потребное количество песка с учетом количе­ства Si02, вводимого концентратом.

Песок. По первому расчету нужно ввести Si02—72,6—7,54 — = 65,06 %. Песка потребуется (65,06-100)/99,5=65,38 кг. Такое ко­личество песка введет в состав стекла в % по массе:

А1203 — 65,38-0,0016 = 0,4; Fe203 — 65,38-0,0003 = 0,02;

СаО —65,38-0,0006 = 0,04; MgО—65,38-0,0003 = 0,02;

Na20—65,38-0,0006 = 0,04; К2 О — 65,38-0,0005 = 0,03.

Сейчас нам известны количества СаО и MgO, вносимые концент­ратом и песком. Чтобы рассчитать потребное количество доломита и известняка, определим, сколько оксидов кальция и магния вносит в стекло природный сульфат натрия.

Сульфат натрия. С помощью этого материала вводим 10 % от 12,9% по массе Na20, т. е. 0,1-12,9=1,29% по массе Na20. Суль­фата потребуется (см. предыдущий расчет состава шихты стекла простого состава) 1,29-100/41,3=3,12 кг. Добавка на улетучивание составит 3,12-0,05=0,15 кг. Всего потребуется сульфата натрия на 100 кг стекла 3,12 + 0,15=3,27 кг. Сульфат натрия введет в состав стекла в % по массе:

Si02 — 3,12-0,0043 = 0,01; Аі20з — 3,12-0,0014 = менее 0,01;

СаО —3,12-0,0127 = 0,04; MgO — 3,12-0,0014 = менее 0,01.

Таким образом, всего в стекло введено в % по массе: СаО — 0,01+0,04-1-0,04=0,09; MgO — 0,01+0,02=0,03. Теперь можно рас­считать необходимые количества доломита и известняка по балансу СаО и MgO, вводимых обоими этими материалами.

Известняк и доломит. Обозначим неизвестное нам количество известняка х, количество доломита у. Этими материалами нужно ввести СаО и MgO в % по массе: СаО — 8,2—0,09=8,11; MgO-— 3,5—0,03=3,47. Баланс СаО и MgO:

СаО —8,11 = х-0,533 +0-0,3209;

MgO — 3,47 = лг-0,004 + 0-0,2053.

Исключаем у:

Дг-0,533-0,2053 + t/-0,3209-0,2053 = 8,11-0,2053 - лг-0,004-0,3209 + у-0,2053-0,3209 =-3,47-0,3209 лг-0,1081 ±0 = 0,5515

Отсюда количество известняка х=0,5515/0,1081 =5,1 кг.

Известняк введен в состав стекла в % по массе: Si02—5,1 х Х0,0018=0,01; АЦ03 —5,1-0,008=0,04; Fe203 — 5,1-0,0018=0,01; MgO — 5,1 -0,004=0,02; СаО — 5,1 -0,533=2,73.

Таким образом, доломита потребуется

(3,47 — 0,02) 100 у = — 16,8 кг.

20,53

Доломит введет в состав стекла в % по массе:

Si02 —16,8-0,0053 «0,09; А1а03— 16,8-0,0033 = 0,05;

Fea03 — 16,8-0,001 =0,02; СаО— 16,8-0,3209 = 5,39; MgO — 16,8-0,2053 = 3,45.

С известняком и доломитом в состав стекла войдут в % по массе: Si02 —0,19; А120з —0,09; Fe203 —0,03; СаО —8,11; MgO — 3,47.

Теперь можно по балансу Si02 и А1203 пересчитать потребное количество песка и полевошпатового концентрата. Расчет делаем заново, исходя из заданного содержания этих оксидов в стекле.

Песком и полевошпатовым концентратом нужно ввести в % по массе:

Si02 — 72,6 — (0,01 +0,19) =72,4; Ala03 — 1,5 — 0,09 = 1,41.

Баланс Si02 и А1203. Пусть w будет количество песка, z —количе­ство концентрата.

Si02 — 72,4 = ш-0,995 + г-0,758; А1203— 1,41 = да-0,0016 + г-0,151.

Исключаем г:

Ш-0,995-0,151 +2-0,758-0,151 = 72,4-0,151 ш-0,0016-0,758 — г-0,151-0,758 =— 1,41 -0,758 да-0,149 ±0 = 9,863

Отсюда w=9,863/0,149 = 66,19 кг. Песок введет в состав стекла в % по массе:

Si02 — 66,19 • 0,995 = 65,85; А1203 — 66,19 • 0,0016 = 0,11; Fe203 — 66,19-0,0003 = 0,02; СаО — 66,19-0,0006 = 0,04; MgO — 68,16-0,0003 = 0,02; №20 — 68,16-0,0006 = 0,04; К20 — 68,16-0,0005 = 0,03.

Тогда полевошпатового концентрата потребуется (по А120з)

(1,41—0,11) 100

Г = —---------- - Н—-------- = 8,61 кг.

15,1

Концентрат введет в состав стекла в % по массе: Si02 —8,61-0,758 = 6,52; Аі203—1,3; Fe203 — 8,61-0,0026 = 0,02; СаО —8,61-0,001 =0,01; MgO —8,61-0,0014 да 0,01; Na20 — 8,61-0,049 = 0,42; К20 — 8,61-0,0368 = 0,32-

Количество нефелиновой соды определяется по вводимому этим материалом оксида калия.

Введено в состав стекла песком и полевошпатовым концентратом 0,03+0,32=0,35 % КгО в пересчете на Na20. Необходимо ввести ие - фелнновой содой 0,8—0,35=0,45 % по массе KjO,

В нефелиновой соде содержится 8,7 % по массе КгО из К2СО3 и 1,04-0,54-1,52=0,85 % по массе КгО из K2SO4 (здесь 0,54 —коэф­фициент перехода КгО из K2SO4, а 1,52 — коэффициент пересчета К20 на Na20). Всего в нефелиновой соде содержится 8,7+0,85= =9,55 % по массе КгО (в пересчете на Na20).

Для ввода 0,45% КгО потребуется (0,45-100)/=9,55=4,72 кг нефелиновой соды. С этим материалом в состав стекла войдут в % по массе Si02+Al203—4,72-0,0015=0,007=0,01 (будем считать, что введется только Si02); Na20 — с учетом улетучивания: из Na2CC>3— 4,72-0,434-0,97= 1,98; из Na2S04 —4,72-0,031-0,437-0,95=0,06, а всего 1,98+0,06=2,04 Na20.

Всего в состав стекла сульфатом натрия, песком, полевошпато­вым концентратом и нефелиновой содой введено 1,29+0,04+0,42 + +2,04=3,79 % по массе Na20. Нужно ввести кальцинированной со­дой 12,9—3,79=9,11 % по массе Na20. Для этого потребуется каль­цинированной соды, содержащей 98,7-0,585 = 57,7 % по массе Na20:

(9,1Ы00)/57,7 = 15,8 кг.

Добавка на улетучивание будет 15,8-0,03=0,47 кг, а всего потребу­ется 15,8+0,47=16,27 кг кальцинированной соды.

Кальцинированная сода введет в состав стекла в % по массе: Si02 и AI2O3 — по 15,8-0,0005=0,01; СаО — 15,8-0,0008=0,01.

Для восстановления сульфата натрия примем уголь (антрацит) с 90 % по массе С в количестве, отвечающем введению 5 % угле­рода от массы сульфата. Его потребуется: (3,27-0,05)/0,9=0,18 кг.

Полученный состав шихты дан в табл. 5.4, расчетный состав стекла из шихты — в табл. 5.5.

Как видно, фактический состав стекла ничтожно отличается от заданного.

Расход шихты на 100 кг стекла составит

У = (100-121,33)/100,11 = 121,2 кг.

Таким образом, для получения 100 кг стекла потребуется ма­териалов (см. табл. 5.4): песка 121,14-0,5465 = 66,19 кг; доломита 16,8 кг; соды 16,27 кг; полевошпатового концентрата 8,61 кг; извест­няка 5,1 кг; нефелиновой соды 4,72 кг; сульфата натрия 3,27 кг; угля 0,18 кг.

Выход стекла из шихты составит (100-100)/121,2 = 82,5 кг, или 82,5 % по массе. Угар шихты 100—82,5=17,5 % по массе.