CC BY
34
© Р.Г. Мслконян, 2013
Р.Г. Мелконян
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УПЛОТНЕННОЙ СТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ
Рекомендуется стекольную шихту перед варкой стекла уплотнять различными методами, а именно гранулированием, окатыванием, таблетированием, брикетированием, экструдированием и прессованием, что позволит решить экологические проблемы ее использования, а именно, уменьшить загрязнение окружающей среды стекольной пылью и выбросами вредных компонентов в процессе варки стекла в стекловаренных печах.
Ключевые слова: стекольная шихта, стекло, уплотнение шихты, варка стекла, гранулирование, окатывание, прессование, брикетирование, экструдирование, гранулы.
Высокая вязкость стекломассы, низкая реакционная способность исходных сырьевых материалов (особенно кварцевого песка) препятствует эффективному введению процесса стекловарения. Существующий сухой способ приготовления стекольной шихты, независимо от качества её приготовления не в полной мере обеспечивает однородность её химического и зернового состава.
Известно, что взаимодействие компонентов шихты на первой стадии стекловарения протекает в твердой фазе, причем скорость реакции в смеси веществ, определяемая скорости диффузии ионов, в этом случае минимальна.
Идентичные затруднения имеются и на стадии стеклообра-зования, когда завершается растворение «остаточного кварцевого песка в силикатном расплаве. Образующиеся первичные силикатные расплавы растворяют зёрна кварцевого песка до насыщения пограничного слоя, вследствие чего постепенно замедляется процесс растворения и для обеспечения скорости диффузионных процессов приходится варить стекло при температуре на 400 0С выше, чем требуется химическими процессами.
Надо также отметить, что из-за разных удельных весов компонентов стекольной шихты в процессе ее транспорти-
ровки и загрузки в бункер при её подачи в стекловаренную печь происходит расслоение шихты, приготовленной «сухим» способом.
Возможные усовершенствования процесса стекловарения могут идти по следующим направлениям:
• снижение вязкости стекломассы путём повышения температуры варки;
• увеличение реакционной способности исходных природных сырьевых материалов;
• уплотнение стекольных шихт различными способами.
В представленной работе будут освещены способы уплотнения стекольных шихт, приготовленных «сухим» способом.
Исходная стекольная шихта представляет собой смесь большого числа перемешанных порошковых компонентов различной химической природы.
Современный уровень развития техники уплотнения позволяет получать продукт требуемой плотности и формы (гранулы, плитки, таблетки, брикеты и т.д.) из любых порошковых материалов или их композиций.
При уплотнении происходит процесс формирования твердых частиц определенных размеров, формы,, химического состава и заданных структурно — механических свойств, сопровождающейся изменением структуры вещества. Выбор методов и оборудования для уплотнения зависит от состава и свойств перебалтываемых шихт, требований к продукту и стеклоизде-лиям.
Особенность уплотнения стекольных шихт по сравнению с уплотнением , скажем, минеральных удобрений, состоит в том, что из-за большого числа разной химической природы и высоких требований к однородности шихты осуществляется уплотнение шихты, находящейся в твердом состоянии.
В большинстве случаев перед уплотнением её подвергают агломерации, при которой частицы сближаются (стихийно или направленно) и образуют агломерат. При уплотнении шихт с разными свойствами применяют различные технологии и аппаратуру.
В настоящее время процессы уплотнения по типу применяемого сырья классифицируют следующим образом:
• из смеси твердой и жидкой фаз — грануляцией порошков, с последующим упрочнением путем удаления жидкой фазы;
• из твердой фазы — прессованием таблеток, брикетов или плиток, которые непосредственно используют или дробят до фракции требуемой величины;
• из увлажненной шихты или шихты с пластифицирующими добавками формованием (экструзией) через порфированые приспособления и конвективной обработкой сформированных гранул;
• из смеси порошковой смеси и жидкого связующего в псев-досжиженном слое при одновременной сушке и охлаждении.
Уплотнение стекольных шихт и протекающие при этом химические взаимодействия происходят одновременно или последовательно. Следовательно, уплотненный продукт заданных размеров и формы может образовываться без изменения и с изменением размеров гранул, брикетов и т.д. по времени. Если для стекловарения требуется шихта узкого гранулометрического состава и с заданными структурно- механическими свойствами, то получаемые при уплотнении мелкие частицы или возвращают в процесс (ретурный процесс), или не возвращают (безретурный процесс). Эффективность методов уплотнения стекольных шихт зависит от механизма уплотнения, который определяется составом исходной шихты и применяемой аппаратурой.
Методы уплотнения и применяемое оборудование можно классифицировать следующим образом:
• окатывание (формование гранул путем наслаивания частиц) в тарельчатых и барабанных грануляторах;
• 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 слой исходной шихты, находящейся в псевдосжи-женном слое.
При уплотнении стекольных шихт исходный порошковый материал, прошедший стадию агломерации, меняет свою пер-
воначальную структуру. Последующие стадии обработки (прессование, окатывание и экструзия) приводят к структурному уплотнению перерабатываемых шихт. Под этим понимают процессы переработки шихт, придающие исходным материалам другую структуру и новые физико-механические свойства. Исходя из современных представлений от общих закономерностях процессов уплотнения порошковых материалов, уплотнение структуры, осуществляемое различными методами, характеризуется относительной плотностью (гт/г0, где гт,г0 — текущая и начальная плотность материала) на начальной и завершающей стадиях процесса уплотнения.
При структурном уплотнении стекольных шихт тонкодисперсные частицы под действием механических сил образуют гранулы или прессовки, методы получения которых можно разделить на следующие группы по классификации Б.В.Дерягина:
• сухая грануляция, протекающая без жидкой фазы с образованием гранул лишь под действием молекулярных и электростатических сил, а также при вдавливании частиц друг в друга или в гранулы при окатывании или формовании;
• граничная грануляция, осуществляемая в результате нахождения между частицами малого количества абсорбционных слоев жидкости. При этом различие свойств жидкости и частиц является причиной образования гранул;
• влажная грануляция, протекающая при взаимодействии сухих частиц с вводимой вязкой жидкостью, гидродинамика которой является определяющим фактором образования гранул без учёта свойств частиц и их молекулярных взаимодействий;
• грануляция за счет кристаллизационных структур, образующих «мостики» из твёрдого тела посредством сплавления, химической реакции, применения вязких связующих веществ, способных к отвердению (упрочнению) и кристаллизации растворенных веществ под действием сил тяжести или без них;
• прессование уплотнение, основанное на формировании макроструктуры прессовки (с плотной упаковкой) при значительной деформации дисперсной системы в условиях сдвига, сжатия или сжатия с одновременным сдвигом.
Аппаратура для описанных методов уплотнения характеризуется многообразием конструктивных решений, и её выбор, в первую очередь, определяется характеристиками шихт и механизмом уплотнения. Процесс уплотнения в общем виде осуществляется в три стадии: подготовка шихты, уплотнение (собственно структурообразование) и конвективная обработка.
На стадии подготовки обеспечивается однородность и необходимая степень подвижности уплотняемых шихт. Еще однородность шихт требуется для всех методов уплотнения, то степень подвижности шихты определяется выбранным методом уплотнения и конструкцией гранулятора. Если степень подвижности исходной шихты нельзя менять, то она определяет метод уплотнения и конструкцию гранулятора.
Таким образом, стекольные шихты существенно различаются по компонентному, гранулометрическому составам, физико-механическим характеристикам, а также по количеству химически — активных компонентов и их природе.
На отечественных стекольных заводах наиболее распространенным способом производства стекла является его варка с использованием порошкообразных шихт, которые имеют ряд существенных недостатков:
• пыление и улетучивание мелкодисперсных компонентов на всех стадиях подготовки шихты и загрузки в печь, приводящие к разрушению свода стекловаренных печей и снижению срока их службы;
• расслоение и слеживание шихты, затрудняющие гомогенизацию стекломассы и приводящие к образованию свилей и других пороков стекла;
• загрязнение окружающей среды вследствие большого количества выбросов пыли в атмосферу и др.
Одним из способов улучшения технологических свойств стекольных шихт является их уплотнение, основное назначение которого заключается в концентрации максимума их полезных свойств в минимуме объема.
В стекольном производстве наиболее распространенными способами уплотнения стекольных шихт являются:
• гранулирование методом окатывания в барабанных и тарельчатых грануляторах;
• прессование в таблетмашинах и на валковом прессе;
• экструзия в шнековых и комбинированных грануляторах (экструдерах);
• виброгранулирование и др.
Выбор способа уплотнения и технологических параметров процесса от многих факторов: компонентного и зернового состава шихт; количества и природы жидкой фазы; параметров работы формующего оборудования; требований к качеству стекла и т.д.
Именно с учетом с этим факторов должны вестись работы в области совершенствования технологии уплотнения стекольных шихт учеными, как в нашей стране, так и за рубежом.
Опыт создания централизованных заводов по производству гранулированной шихты за рубежом показал, что помимо повышения эффективности стекловарения решаются вопросы использования отходов других производств (измельченного песка, гидрооксида натрия), соблюдаются требования промышленной экологии.
Важными этапами производства изделий из стекла являются подготовка сырьевых материалов и приготовление стекольной шихты. Высокие требования, предъявляемые к шихте, как однородность химического состава, постоянство гранулометрического состава компонентов, отсутствие расслоения, загрязнения механическими примесями, пыления и улетучивания компонентов шихты на всех этапах транспортировки и варки, уменьшение энергозатрат на транспортировку часто делают процесс её подготовки определяющим при изготовлении стек-лоизделий высокого качества.
Применение порошковой шихты приводит к запыленности цехов, ухудшению условий труда и значительному повышению расхода сырьевых материалов при её составлении. Загрузка сыпучей шихты в печь вызывает потерю легколетучих компонентов, их выброс в атмосферу и уменьшение срока службы стекловаренных печей.
Для решения экологических проблем стекольную шихту необходимо уплотнять, получать её в виде гранул или брикетов. Уплотненная шихта даст возможность предварительно на-
гревать её перед варкой, сократить время процесса варки, увеличить мощность стекловаренных печей, что приведёт к экономии топливно-энергетических ресурсов.
1. Назаров В.И., Мелконян Р.Г., Калыгин В.Г. Техника уплотнения стекольных шихт — М.: Ёегпромбытиздат, 1985. — 126 с.
2. Панкова H.A., Михайленко Н.Ю. Стекольная шихта и практика её приготовления (Учебное пособие). — М.:РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1997. — С. 65—77.
3. Мелконян Р.Г. Аморфные горные породы и стекловарение. — М.: «НИА-ПРИРОДА», — 2002. — С. 41—67.
4. Крашенниникова Н.С., Казьмина О.В. Уплотнение как способ улучшения технологических шихт. (Монография) — Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2011. — 167 с.
5. Героименкова Ё.Г., Варданян С.М., Распертова З.И. Сырьевые материалы и современные методы приготовления стекольной шихты (Аналитический обзор), ВНИИМЕДПОЛИМЕР, — М.:ЦБНТИ, 1974. — 84 с. ЕШ
Мелконян Р.Г. — доктор технических наук, профессор, академик РАЕН, [email protected], Московский государственный горный университет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
