CC BY
322
УДК 666.12
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ВАРКИ СТЕКЛА ИЗ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПЛОТНЕНИЯ СТЕКОЛЬНЫХ ШИХТ
Р.Г. Мелконян1, О.В. Суворова2, Д.В. Макаров3, И.С. Кожина2
1 Московский государственный горный университет, Москва, Россия
2Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия
3Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия Аннотация
На примере использования техногенных отходов для получения черного и декоративного стекол показана возможность интенсификации процесса стекловарения за счет уплотнения шихты. Определены технологические характеристики уплотнения: влажность, удельное давление прессования. Представлены результаты исследований стадий варки стекла из сыпучей и уплотненной шихт. Показано, что в результате повышенной химической активности использование уплотнения шихты кварц-пегматит-карбонатного состава приводит к температурному опережению протекания физико-химических процессов при варке стекла в среднем на 100°С. На стадии осветления стекломассы за счет уплотнения шихты методом прессования удается сократить время изотермической выдержки на 40-50%.
Ключевые слова:
стекольная шихта, уплотнение, гранулирование, таблетирование, стекловарение, силикатообразование, стеклообразование, осветление.
BY-PRODUCT BATCH COMPACTION IN ENHANCING
THE GLASS MELTING PROCESS USING TECHNOGENIC RAW MATERIALS
R.G. Melkonyan1, O.V. Suvorova2, D.V. Makarov3,1.S. Kozhina2
Moscow State Mining University, Moscow, Russia
21. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia
3Institute of Industrial Ecology of the North of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia Abstract
Glass melting enhancement via batch compaction has been tested in black and decorative glass production from byproducts. The compaction process parameters, such as humidity and specific molding pressure, have been determined. Findings on glass melting from loose and molded batches at different stages are presented. It hs been shown that boosting of the chemical activity in molded batch of the quartz-pegmatite-carbonate composition brings about a 100oC temperature advancement of the physical-chemical processes during the glass melting. At the refining stage, using the batch compaction method has allowed to diminish the time of isothermal exposure by 40-50%.
Keywords:
glass charge, compacting, granulation, pelletizing, glass cooking, silicate formation, glass formation, fining.
Известно, что процесс приготовления стекольной шихты является определяющим при производстве высококачественных стеклоизделий. Применение сыпучей шихты на производстве приводит к запыленности цехов, ухудшению условий труда, значительному завышению расхода сырьевых материалов при ее составлении. Кроме того, загрузка такой шихты в печь увеличивает потерю легколетучих компонентов и их выброс в атмосферу, ухудшая экологическую обстановку на территории предприятия и близлежащих районов, а также уменьшает срок службы стекловаренных печей [1-3].
Многие из этих проблем решаются применением уплотнения стекольной шихты и ее использованием в виде гранул, брикетов, таблеток и др. Уплотненная шихта не имеет недостатков сыпучей. Однако мнения специалистов в вопросах оценки эффективности применения уплотненной шихты для варки расходятся. Одни исследователи подтверждают ускорение варки на 25-50%. Иного мнения придерживаются специалисты, которые установили, что на начальной стадии варки скорость растворения кремнезема значительно больше у уплотненной шихты, чем у сыпучей. Однако к концу варки скорости растворения почти одинаковы и процесс варки заканчивается практически одновременно. Вероятно, эффективность процесса варки стекла на основе уплотненной шихты зависит от большого количества факторов, в том числе природы и гранулометрического состава материалов, удельного давления прессования, влажности и др. [2-4].
Как показала практика стекольного производства, технология уплотнения стекольных шихт, успешно функционирующая в условиях одного производства, чаще всего не может быть перенесена на производства
568
других видов стекол без корректировки основных технологических параметров процесса, а в ряде случаев без проведения дополнительных исследований. Кроме того, стремление стекольных производств перейти на местное сырье требует новых технологических решений, позволяющих использовать некондиционные природные и техногенные сырьевые материалы без существенных изменений технологии варки и негативного влияния на качество стекла.
В связи с этим стояла задача исследовать эффективность уплотнения шихты из техногенного сырья Кольского полуострова при получении стеклокристаллических материалов.
Под уплотнением обычно понимают такую стадию технологического процесса, которая позволяет получить продукт в виде зерен определенного размера, формы и прочности. Основное назначение уплотнения заключается в концентрации максимума полезных свойств материалов в минимуме объема. Известны и широко применяются в производственной практике различные способы уплотнения дисперсных материалов: гранулирование методом окатывания, экструзия, таблетирование, прессование и другие методы.
В настоящей работе основное внимание уделено определению эффективности уплотнения шихты методами окатывания и таблетирования. Рассмотрено влияние уплотнения шихты на процесс варки стекла.
В качестве объекта исследования в данных экспериментах использовали шихту для получения черного стекла [5]. Сырьевыми компонентами являются: эгириновый концентрат, получаемый при переработке апатитонефелиновых руд, кварц и карбонатит из вскрышных пород Ковдорского месторождения комплексных руд при следующем соотношении компонентов, мас. %: эгириновый концентрат 73, кварц 15, карбонатит 12.
С целью установления оптимальных условий получения гранулированной шихты проведена серия опытов с различными видами связующего и способами изготовления гранул. В экспериментах в качестве связующего опробованы вода, растворы жидкого стекла (ЖС), сульфитно-спиртовой барды (ССБ), поливинилового спирта (ПВС), каолин и плитонит.
Критерием оценки качества была выбрана механическая прочность гранул. Первоначально прочность проверяли по методу сбрасывания образцов на мраморную плиту с высоты 300, 400, 500 мм [3]. Прочность оценивали по числу сбрасываний гранул, не вызывающих их разрушения. Для гранул, которые выдержали испытание на сбрасывание, механическую прочность оценивали по сопротивлению раздавливанию, которое рассчитывали как среднеарифметическое значение раздавливающей нагрузки на 10 гранул фракции крупностью 5-10 мм.
Неудовлетворительно с образованием большого количества осыпи гранулируются шихты с водой, каолином и особенно с плитонитом. Прочность таких гранул недостаточная. В обычных условиях стабильно проходит процесс гранулирования шихт с ЖС, ССБ, ПВС. Количество осыпи не превышает 2-3%. Гранулы получаются мельче и ровнее. Результаты испытаний гранул на раздавливание представлены в табл.1.
Таблица 1. Механическая прочность гранул
№ Связующее Содержание Прочность гранул, Прочность гранул,
п/п связующего, мас. % кг/гран МПа
1 ЖС 10 Рассыпались -
2 12 5.12 0.23
3 14 26.0 2.02
4 15 67.4 5.60
5 16 44.6 4.06
6 18 54.2 6.64
7 20 140.0 15.30
8 30 Не формуются -
9 ССБ 10 17.6 2.60
10 15 23.0 3.80
11 20 30.0 4.54
12 ПВС 5 11.0 0.12
13 10 3.75 0.39
14 15 15.5 1.35
15 20 21.5 2.15
Прочность на сжатие гранул, используемых в промышленной печи, должна составлять не менее 1.7 МПа [2]. Это значение достигается при введении в состав черного стекла от 14% ЖС, 10% ССБ и 20% ПВС.
Внешний вид материала, полученного в турболопастном смесителе-грануляторе при скорости вращения смесительного ротора 900-2800 об/мин и увлажнении шихты 10-12%, представлен на рис.1.
К сожалению, способы гранулирования стекольных шихт обладают рядом существенных недостатков, прежде всего связанных с высокой влажностью и низкой механической прочностью гранул. Кроме того, гранулы, полученные при разных условиях, отличаются по крупности, влажности, однородности, прочности и другим характеристикам.
569
Рис.1. Гранулированная шихта состава черного стекла крупностью, мм: +5 (а); +3 (б); +2 (в); +1 (г); +0.63 (д); +0.25 (е)
б
в
Анализ полученных результатов показал, что для достижения оптимальной прочности гранул шихты эгиринового состава необходимо применение связующего ЖС, ССБ, ПВС. Однако применение некоторых добавок требует корректировки рецепта шихты, режима варки стекла и т.д.
При исследовании эффективности процесса уплотнения стекольной шихты методом прессования установлены оптимальные условия получения таблеток шихты эгиринового состава. Критерием оценки качества была выбрана прочность образцов на сжатие и их плотность, а критерием оптимизации - давление прессования и влажность шихты. Показано, что при низких давлениях прессования (12.5-25 МПа) максимальной прочности образцы достигают при увлажнении 12 % (рис.2). Дальнейшее увеличение влажности приводит к снижению прочностных характеристик образцов. При повышенных давлениях прессования (50-150 МПа) оптимальная влажность шихты составляет 9%. Получены зависимости плотности и прочности прессовок влажностью 9% от удельного давления прессования (рис.3). Плотность и прочность материала растут до значений 2.56 г/см3 и 2.8 МПа соответственно по мере увеличения удельного давления прессования до 100-150 МПа. Дальнейшее увеличение давления не приводит к заметному улучшению характеристик.
Рис. 2. Зависимость прочности на таблеток от влажности шихты
Rc*, МПа р, г/см3
2,65 2,6 2,55
2,5 2,45 2,4 2,35 2,3 2,25
0 50 100 150 200 250 300 350
Давление прессования, МПа
сжатие Рис. 3. Зависимость плотности и прочности таблеток от удельного давления прессования
Изучение влияния уплотнения стекольных шихт методом таблетирования на интенсификацию процесса варки стекла проводили с применением дифференциально-термического и термогравиметрического (ДТА и ТГ), рентгенофазового (РФА) анализов и высокотемпературной микроскопии. Использовали шихту состава декоративного стекла, содержащую, мас. %: кварц 30, пегматит 30, мел 30, бура 10 [6]. Критерием степени завершенности стадий стекловарения являлись размеры и количество непрореагировавших зерен кварцевого песка в силикатном расплаве.
При исследовании процессов, происходящих на стадии силикатообразования, методами ДТА и ТГ выявлено, что высокотемпературным (600-800°С) эндотермическим эффектам соответствуют потери массы для сыпучей шихты - 10.1%, для уплотненной - 13.3%. Большее значение потери массы для уплотненной шихты, вероятно, связано с повышенной ее химической активностью.
При изучении стадии стеклообразования по результатам сравнительных варок стекла установлено, что использование уплотненной шихты приводит к температурному опережению протекания физико-химических
570
процессов примерно на 100°С (табл.2). Это подтверждается и результатами РФА образцов, полученных при разных температурах. Результаты сравнительных исследований скорости исчезновения кристаллических фаз при нагревании сыпучей и таблетированной шихт приведены на рис.4. Как видно, интенсивности рефлексов, соответствующих кварцу во всем интервале температур, у уплотненных шихт значительно меньше, чем у сыпучих, а при 1300°С рефлексы кварца таблетированной шихты исчезают полностью, что подтверждает повышенную химическую активность этих шихт на стадии стеклообразования. По результатам РФА для таблетированной шихты стадия стеклообразования заканчивается при 1200-1300°С.
Таблица 2. Результаты сравнительных варок стекла из сыпучей и таблетированной шихты
Температура, °С Степень провара
сыпучая шихта таблетированная шихта
900 Спек рыхлый непрочный, рассыпается. Видны отдельные зерна исходных компонентов Плотный спек. Начало остекловывания. Незначительная пористость
1000 Плотный спек. Начало остекловывания. Незначительная пористость Уплотнение образца. Уменьшение пористости
1100 Уменьшение образца в объеме. Большее остекловывание Плотноспеченная оплавленная таблетка
1200 Неосветленное стекло с частицами непровара и множеством пузырей Стекло сваренное, но не осветленное
1300 Прозрачная стекломасса с единичными непроваренными частичками (1-3 мм), пузырями и мошкой Прозрачное проваренное стекло. Небольшое количество пузырей (0.7-1.3 мм) и мошки
1400 Прозрачное стекло с множеством мошки Прозрачное стекло с небольшим количеством мошки
1450 Проваренное стекло с меньшим количеством мошки Практически осветленное стекло
Применение уплотнения шихты способствует также интенсификации осветления стекла. Скорость осветления определялась по визуальной оценке состояния стекломассы. Результаты сравнительных варок представлены в табл.3.
Рис.4. Интенсивности (отн. ед.) основных рефлексов кварца d=4.23; 3.34; 1.815 (d, А) сыпучей (слева) и таблетированной (справа) шихты декоративного стекла при различных температурах (°С)
Таблица 3. Результаты сравнительных варок стекла на стадии осветления
Время выдержки при 1450°С, мин Степень осветления стекломассы
сыпучая шихта таблетированная шихта
Без выдержки Неосветленное стекло (множество пузырей и мошки) с частицами непровара Неосветленное стекло с единичными частицами непровара
10 Неосветленное стекло (множество мошки) с частицами непровара Неосветленное стекло с меньшим количеством частиц непровара
20 Неосветленное стекло с частицами непровара Неполностью осветленное стекло, немного мошки
30 Неосветленное стекло с частицами непровара. Количество мошки уменьшается Несколько пузырей, мошки
40 Мошки заметно меньше, но есть частички непровара Полностью осветленное стекло
50 Несколько мелких частичек непровара и мошки То же
571
Сравнительная оценка скорости протекания процессов на стадии осветления (1450°С) показала, что наблюдаются различия в поведении шихт при варке. В случае использования уплотненной шихты в стекломассе уже после 20 мин выдержки наблюдается практически полный провар и через 30 мин -полностью осветленное стекло, в то время как в случае с сыпучей шихтой непровар остается и после 50 мин выдержки. Следовательно, уплотнение шихты позволяет существенно интенсифицировать процесс осветления стекла. За счет уплотнения шихты методом таблетирования удается сократить величину времени изотермической выдержки при температуре варки на 40-50%.
Увеличению скорости варки стекла в значительной степени способствуют лучшие теплофизические свойства уплотненных стекольных шихт: теплопроводность сыпучей шихты составляет 0.190 Вт/м К, таблетированной - 0.310 Вт/мК.
Литература
1. Шапилова М.В., Тимофеева И.Т. Охрана атмосферного воздуха в стекольной промышленности. М.: Легпромбытиздат, 1992. 175 с.
2. Назаров В.И., Мелконян Р.Г., Калыгин В.Г. Техника уплотнения стекольных шихт / под общ. ред. проф. О.С. Чехова. М.: Легпромбытиздат, 1985. 176 с.
3. Мелконян Р.Г. Аморфные горные породы и стекловарение. М.: НИА Природа, 2002. 266 с.
4. Крашенинникова Н.С., Казьмина О.В. Уплотнение как способ улучшения технологических свойств стекольных шихт // Вопросы теории и практики. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 168 с.
5. Пат. 2049746 Рос. Федеарция, МПК6 С03С 3/097, 4/02. Черное стекло / Макаров В.Н., Локшин Э.П., Суворова О.В; Ин-т химии и технологии редких элементов и минер. сырья Кол. науч. центра РАН. № 93033768/33; заявл. 01.07.1993; опубл. 10.12.1995, Бюл. № 34.
6. Пат. 2151751 Рос. Федерация, МПК7 С03С 10/06, 3/087. Декоративное стекло / Макаров В.Н., Суворова
О.В., Макаров Д.В. и др.; Ин-т химии и технологии редких элементов и минер. сырья Кол. науч. центра РАН. № 99101981/03; заявл. 27.01.1999; опубл. 27.06.2000, Бюл. № 18.
Сведения об авторах
Мелконян Рубен Г арегинович,
д.т.н., Московский государственный горный университет, г.Москва, Россия, mrg-kanazit@mail.ru Суворова Ольга Васильевна,
k. т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН,
г. Апатиты, Россия, suvorova@chemy.kolasc.net.ru Макаров Дмитрий Викторович,
д. т.н., Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, makarov@inep.ksc.ru Кожина Ирина Семеновна,
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, suvorova@chemy.kolasc.net.ru
Melkonyan Ruben Gareginovich,
Dr.Sc. (Engineering), Moscow State Mining University, Moscow, Russia, mrg-kanazit@mail.ru Suvorova Olga Vasilievna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, suvorova@chemy.kolasc.net.ru Makarov Dmitry Victorovich,
Dr.Sc. (Engineering), Institute of Industrial Ecology of the North, Apatity, Russia, makarov@inep.ksc.ru Kozhina Irina Semenovna,
l. V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, suvorova@chemy.kolasc.net.ru
УДК 661.183.2
УГЛЕРОДНЫЕ АДСОРБЕНТЫ КАК ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
В.М. Мухин
ОАО «ЭНПО “Неорганика”», Электросталь, Россия Аннотация
Прогрессирующее загрязнение окружающей среды сделало экологическую безопасность важной составляющей национальной безопасности в целом. Сегодня практически вся планета и особенно районы массового проживания людей подвержены серьезным экологическим угрозам, главными из которых являются: радиационное загрязнение территорий; угнетение почв кислотными дождями; загрязнение почв химическими веществами и пестицидами;
572
