CC BY
308
УДК 666.1
И. И. Шагиев, А. Ф. Дресвянников
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПЕСКА ДЛЯ СТЕКОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ключевые слова: кварцевый песок, комплексная оценка уровня качества, метод анализа иерархий, геометрическая модель
комплексной оценки, факторный анализ, анализ кварцевого песка.
С помощью различных статистических методов решена задача выбора кварцевого песка для стеклянной (хрустальной) посуды. Описаны методики метода анализа иерархий, геометрической модели комплексной оценки показателя качества, факторного анализа. Решена задача выбора кремнеземистого сырья для производства высококачественной стеклянной посуды на основе данных о песках Ташлинского месторождения.
Keywords: silica sand, a comprehensive assessment of the level of quality, analytic hierarchy process, a geometric model of a complex
assessment, factor analysis, analysis of quartz sand.
Various statistical methods for solving the problem of selecting silica sand for glass ware (vase, glass) are using. The methods of hierarchy analysis method, geometric model of integrated assessment of quality indicator, factor analysis are describes. The problem of sand choice for the production of high quality glassware based on the Tashlinsky field data are solved.
Кремнезем является главной составной частью промышленного стекла. Одной из его разновидности являются кварцевые пески.
Основное требование стекольной промышленности к кварцевому песку - его чистота, определяемая содержанием 8102 (не менее 95,0-99,8 %), а также вредных примесей А1203: (не более 0,1-4,0 %), Бе203 (не более 0,01-0,25 %) и других хромофоров; второе требование - гранулометрический состав (наиболее оптимальный размер зерен 0,1-0,5 мм) [1].
В промышленных условиях для массового производства стекол в качестве кремнеземсодержащего сырья используются так называемые стекольные пески, к которым предъявляется ряд требований [2, 3, 4]. Песок с геологической точки зрения - осадочная мелкообломочная, несцементированная горная порода, состоящая из зерен минералов размером 0,005-2,0 мм. По крупности частиц пески разделяют на [5]: тонкозернистые (0,005-0,1 мм); мелкозернистые (0,1-0,25 мм); среднезернистые (0,25-0,5 мм); крупнозернистые (0,5-1,0 мм); грубозернистые (1,02,0 мм). Кварцевые пески - обломочная, осадочная порода, представленная в основном зернами кварца (Тв - 7, р - 2650 кг/м3). В виде примесей в них могут присутствовать различные минералы легкой (слюдистые, глауконит и др.) и тяжелой (пирит, сидерит, сфен и др.) фракций. Согласно ГОСТ 22551-77 «Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности» [6] различают 15 марок стекольных песков, которые отличаются содержанием оксидов 81О2, Бех0у и А1203. По содержанию и характеру примесей пески для стекольной промышленности подразделяют на группы [3, 4]: чисто кварцевые (содержащие более 98 % 8102 и не более 1,5 % А12О3); глинистые и глинисто-полевошпатовые (содержащие 90-92 % 8102 и 1,5— 10 % А1203); кварц - полевошпатовые (8Ю2 -75-90 % и А1203 - 9%, также они содержат - много альбита). В составе легких фракций в кварцевых песках могут присутствовать глинистые (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды) и слюдистые (биотит, мусковит, флогопит, глауконит (продукт выветривания слюды)) минералы. В тяжелую фракцию входят оксиды, гидроксиды и сульфиды железа и
титана. Оксиды железа в песке могут присутствовать в следующем виде: в глинистой составляющей (до 65 % общего содержания железа) [2]; с тяжелыми минералами (до 50 %); в виде пленок и примазок (до 40 %); с легкими алюмосиликатами (до 10 %); в виде сростков и включений (до 25 %).
По объему производства силикатные стекла составляют более 90 % от всех видов стекольной продукции. Исходным сырьевым материалом для стекол крупнотоннажного производства являются стекольные пески, которые соответствуют ГОСТ 22551-77 и имеют ограничения по химическому составу (8Ю2 не менее 95 мас. %) и гранулометрии (0,8-0,1 мм) [4]. Российские стекольные заводы испытывают дефицит в кондиционном песке [4, 7, 8]. В песках примеси разделяют на вредные (в основном красящие соединения Бе, Мп, Т1, Сг), влияющие на спектральные и оптические характеристики стекла и невредные (соединения А1, Са, Mg, №, К и др.) Последние входят в основной состав стекла и требуется учет их содержания при расчете шихты. Например, состав листового стекла, получаемого фло-ат-методом, мас. %: 8102-72; ^0-14; Са0-9; Mg0-3,5; АЬ03-1,5; Бех0у не более 0,10 [9].
Кварцевые пески с минимальным количеством глинистых частей, считаются самыми чистыми. Глина - основной носитель железа. Для его устранения проводят обогащение песка.
Запасы высококачественных кварцевых песков, требующих обогащения, истощаются, поэтому при варке бесцветного бутылочного и листового стекла необходимо их обогащение с получением стекольных песков высоких марок. Выбор технологических схем обогащения определяется содержанием полезного компонента, наличием вредных примесей и форм их нахождения в песках [10].
Сухими способами обогащают пески с низким содержанием глинистых или илистых включений (до 1 %), так как при сухом рассеве они остаются в классе -0,1 мм. Наиболее простые мокрые схемы включают только промывку и классификацию по крупности. Их применяют для обогащения глинистых песков, в которых вредные рудные примеси концентрируются в тонких фракциях. Пески, в ко-
торых железо связано с глинистыми минералами и пленками гидроксидов железа, обогащают по схеме, включающей промывку, классификацию по крупности и механическую оттирку.
В зависимости от исходного содержания Бе203 после мокрого обогащения получают концентраты, соответствующие маркам ВС-050 или ВС-030 по ГОСТ 22551-77 с содержанием оксидов железа менее 0,050 % и менее 0,030 %, соответственно. До-обогащение песков, прошедших предварительное обогащение мокрыми способами и сушку, проводится методом сухой магнитной сепарации. Последнее в зависимости от содержания Ре203 в песке, поступающем на операцию сухого дообогащения, позволяет получать кварцевые концентраты марок ОВС-030, ОВС-025 и ОВС-020 с содержанием оксидов железа менее 0,030%, 0,025 % и 0,020 %, соответственно.
Благодаря применяемому методу магнитной сепарации получают сухие обогащенные кварцевые пески марок ООВС-015-1 и ОВС-020-В с наименьшим содержанием Бе203 и А1203 [1].
Вредными примесями для стекольного производства являются минералы тяжелой фракции, железистые пленки на кварцевых зернах, сростки кварца с темноцветными минералами [10].
Наличие оксидов алюминия, кальция, магния и следов титана в основном не действует на светопро-пускание стекол. Они, главным образом, находятся в виде силикатов, которые почти не вступают в реакцию с кислотами и выщелачиваются незначительно. Наличие указанных (табл. 1) элементов в кварцитах желательно, т. к. в шихту для варки стекол добавляют их соединения [11].
Таблица 1 - Влияние примесей в кварцевом песке на качество продукции
Примеси Характер действия примесей
Оксид железа (II) Придает стеклу синюю или зеленую окраску
Оксид железа (III) Придает стеклу желтовато-коричневую окраску
Оксид алюминия Повышает химическую стойкость и механическую прочность стекла и уменьшает склонность к кристаллизации стекла
Оксид железа + оксид титана Окрашивает стекло в желтый цвет и образует «мушки»
Кальций + оксид магния Увеличивает пористость, снижает прочность изделий и повышает водопоглощение
Оксид алюминия и железа Снижает скорость растворения силиката глыбы
Основные характеристики песка Изучение кварцевого песка включало в себя определение: размера зерен, доли глинистых частей, Бе203, 8Ю2, А1203, насыпной плотности, влажности.
Песок, используемый в производстве стекла, должен быть достаточно равномерным по зерновому составу. ГОСТ 22551 «Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для сте-
кольной промышленности» предусмотрено содержание зерен крупнее 0,8 мм в природном песке не более 5 %, обогащенном - не более 0,5 %. Количество зерен с размером меньше 0,1 мм в природном песке должно быть не более 15 %, в обогащенном -не более 5 %. На стекольных заводах требования к зерновому составу песков обычно более жесткие, поскольку основная масса зерен должна иметь размер от 0,1 до 0,4 мм [12].
Плотность кварцевого песка - это удельный вес вещества или объемный вес породы (грунта) содержащийся в единице объема песчаной смеси [13].
Насыпная плотность кварцевого песка -интегральная физическая характеристика, учитывающая весь комплекс фракций в составе песчаной смеси, включая воздух, содержащийся в пространстве между твердыми частицами сыпучего материала. Поэтому насыпная плотность кварцевого песка всегда ниже, чем истинный удельный вес или объемная масса песчаной смеси. С практической точки зрения, насыпная плотность кварцевого песка представляет интерес для производства, перевозки, продажи, строительства, изготовления изделий из него [14].
При этом крайне важен учет влажности песка. Влажность песка существенно влияет на его свойства, в частности на насыпную плотность.
В работе [15] представлена зависимость насыпной плотности от влажности (рис. 1). Песок меняет свой объем и соответственно насыпную плотность при изменении влажности в пределах 0 - 20 %. При влажности 3...10 % плотность влажного песка резко снижается по сравнению с плотностью сухого песка, поскольку каждая частица покрывается тонким слоем воды, и общий объем песка возрастает. При дальнейшем росте влажности вода входит в межзерновые пустоты, вытесняя воздух, а насыпная плотность песка растет. Изменение насыпной плотности при изменении влажности необходимо учитывать при дозировке песка по объему.
Рис. 1 - Зависимость насыпной плотности (кг/м3) от влажности (%)
Многообразие характеристик в ряде случаев не позволяет проводить оперативный выбор подходящего сырья, поэтому задачей исследования является разработка универсальных критериев, позволяющих комплексно оценивать и осуществлять выбор песка
для соответствующего производства. В этой связи целью исследования является выработка комплексного показателя качества песка, предназначенного для использования в стекольной промышленности.
Экспериментальная часть
Метод анализа иерархий (МАИ)
Очень часто при анализе интересующей структуры число элементов и их взаимосвязей настолько велико, что превышает способность исследователя воспринимать информацию в полном объеме.
При изучении сыпучих веществ приходится рассматривать большое количество показателей.
Чтобы узнать оптимальное количество факторов обычно использую метод анализа иерархий (МАИ), разработанный Т. Саати [16] в 80-х годах прошлого века. Суть метода заключается в попарном сравнении факторов между собой относительно друг друга по их влиянию на конечную цель. При этом влияние других факторов не учитывается. Для попарного сравнения факторов Т. Саати предложена специальная оценочная шкала, состоящая из пяти основных и четырех промежуточных суждений.
Основными этапами решения поставленной задачи, является построение иерархии, далее - определение веса элементов, для каждого из которых строится матрица векторов-столбцов.
Модель комплексного ПК
Методика комплексной оценки качества заключается в построении геометрической модели комплексного показателя качества [17]. Для этого используются наиболее важные единичные показатели песка, влияющие на качество конечного продукта при производстве стекла.
Факторный анализ
Факторный анализ - метод, позволяющий свести большое количество исходных переменных к значительно меньшему числу факторов, каждый из которых объединяет исходные переменные, имеющие сходный смысл.
В узком смысле под факторным анализом понимают методы выявления гипотетических (ненаблюдаемых) факторов, призванных объяснить корреляционную матрицу количественных наблюдаемых переменных [18].
При этом используется операция вращения - это способ превращения факторов, полученных на предварительном этапе, в более определенные. Результатом вращения является вторичная структура факторов [19].
Следует заметить, что варимакс - вращение -наиболее распространенный метод преобразования, при котором факторы остаются независимыми или ортогональными по отношению друг к другу, так что оценка испытуемых по одному фактору не коррелируют с оценкой по другим факторам [20].
Объект исследования
В качестве объекта исследования выбрали пески марок ОВС-020-В, ВС-030-В, ВС-040-1, С-070-1, Б-100-1, Б-100-2, ВС-050-1, ОВС-025-1А, ПБ-150-2, ООВС-015-1, добываемые промышленным спосо-
бом на Ташлинском месторождении в Сенгилеев-ском районе Ульяновской области [21].
Обсуждение результатов
Единичных показателей качества песка насчитывается порядка десяти: от размера зерен до угла естественного откоса. Для определения наиболее значимых показателей было проведено предварительное их исследование с помощью метода анализа иерархий (попарное сравнение).
По итогам анализа (табл. 2) получили результаты: наибольшее значение главного собственного вектора имеет место у размера зерна (0,26), влажности (0,2), доли глинистых частиц (0,16), насыпной плотности (0,1).
Таблица 2 - Матрица парных сравнений
Кроме технологических характеристик в таблицу основных характеристик кварцевого песка (табл. 3) включили данные химического состава, так как именно эти показатели оказывают влияние на свойства производимого предприятиями стекла.
По данным эмиссионного спектрального анализа установлено, что красящие стекло элементы (Си, Мп, Со, Сг, 8п) в исследуемых марках песка практически отсутствуют, в них содержится исключительно железо.
С помощью программы 8ш18Иса 8 проводили факторный анализ. По критерию Кейзера выбирали факторы, собственные значения которых больше единицы (табл. 4).
В первую очередь наибольшую нагрузку (вклад в конечный результат) оказывают показатели: размер зерен, содержание железа и насыпная плотность.
Во вторую очередь можно поставить такие показатели, как содержания 8Ю2 и А1203.
Результаты факторного анализа демонстрируют меньший вклад (нагрузку) таких характеристик песка, как доля глинистых частей и влажность, поэтому их можно не учитывать в дальнейших расчетах.
По итогам уменьшения переменных получили окончательную таблицу 6 наиболее значимых показателей.
Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №10 Таблица 3- Основные характеристики кварцевого песка
Размер Доля глин. Fe2Ü3 SÍO2 AI2O3 Насып. Влажность
зерен частиц плотность
ОВС-020-В 0,3 0,4 0,05 98,7 0,06 1420 0,5
ВС-030-В 0,3 0,4 0,05 99,3 0,06 1480 0,5
ВС-040-1 0,3 0,6 0,043 99,03 0,06 1396 0,5
С-070-1 0,3 0,4 0,07 98,6 0,064 1475 0,6
Б-100-1 0,3 0,5 0,10 98,5 0,07 1380 0,5
Б-100-2 0,5 0,5 0,14 99,4 0,084 1320 0,6
ВС-050-1 0,2 0,3 0,04 99,7 0,064 1410 0,5
0ВС-025-1А 0,3 0,4 0,052 99,1 0,12 1445 0,5
ПБ-150-2 0,3 0,5 0,07 98,5 0,06 1384 0,5
00ВС-015-1 0,5 0,5 0,035 99,5 0,09 1456 0,5
Таблица 4 - Факторным анализ показателей песка
Variable Factor Loadings (Unrotated) [Spreadsheet) Extraction: Principal components (Marked loadings are >,700000)
Factor 1 Factor 2
Размер зерен 0.70011 1 -0.511380 0.147260
Доля глинисгахчэстмц 0 576439
Железо 0.886236 0.177020
Кремний -0.096547 -0.80G390
Алюминий 0.156500 -0.774546
Наоыг плотность -0.748678 -0.152986
Влажность 0.622575 0.072395
Expl.Var 2,589073 1,593362
Prp.Totl 0,369982 0,227623
Таблица 6 - Значимые показатели качества песка
Размер зерен Fe2O3 SiO2 Al2O3 Насып. плотн.
0ВС-020-В 0,3 0,05 98,7 0,06 1420
ВС-030-В 0,3 0,05 99,3 0,06 1480
ВС-040-1 0,3 0,043 99,03 0,06 1396
С-070-1 0,3 0,07 98,6 0,064 1475
Б-100-1 0,3 0,10 98,5 0,07 1380
Б-100-2 0,5 0,14 99,4 0,084 1320
ВС-050-1 0,2 0,04 99,7 0,064 1410
0ВС-025-1А 0,3 0,052 99,1 0,12 1445
ПБ-150-2 0,3 0,07 98,5 0,06 1384
ООВС-015-1 0,2 0,035 99,5 0,09 1456
Используя вышеописанную методику, проводили комплексную оценку качества песка разных марок. В результате расчетов значений комплексного показателя качества выяснили, что наивысшее его значение имеет песок марки ООВС-015-1; его КПК составляет 20,35 (рис. 2).
Таким образом, при симплификации показателей качества песка получили результаты, свидетельствующие о необходимой информации о качестве песка, которая может использоваться при выборе сырья для нужд стекольной промышленности.
В результате применения предлагаемого подхода на конкретном примере осуществлен выбор марки песка Ташлинского месторождения, который имеет
наименьшие значения размера зерна и содержания железа, для производства высококачественной стеклянной посуды.
Рис. 2 - Оценка уровня качества песка разных
марок на основе геометрической модели.
Литература
1. Исследовательская группа ИНФОМАЙН. Обзор рынка кварцевого стекольного сырья в России. - Москва, 2013, - 184 с.
2. Гулоян, Ю.А. Физико-химические основы технологии стекла / Ю.А. Гулоян. - Владимир: Транзит-Икс, 2008. -736 с.
3. Панкова, Н.А. Стекольная шихта и практика ее приготовления: учеб. пособие / Н.А. Панкова, Н.Ю. Михай-ленко. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1997. - 79 с.
4. Парюшкина, О.В., Стекольное сырье России / О.В. Па-рюшкина, Н.А. Мамина, Н. А. Панкова, Г. М. Матвеев, М.: АО «Силикоформ», 1995. - 84 с.
5. Орлова, А.Г. Полевая практика по геологии и географии почв: метод. пособие для студентов 2 курса дневного и заочного отделений. Ч. 1 / авт.-сост. А.Г.Орлова; Перм. гос. пед. ун-т. - Пермь, 2008. - 36 с.
6. ГОСТ 22551-77. Песок кварцевый. Молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности. Технические условия. - Москва: Изд-востандартов, 1979. - 16 с.
7. Галустян, О.Г. Состояние и перспективы обеспечения нерудным сырьем предприятий стекольной отрасли: сборник докл. / О. Г. Галустян // Международный саммит «Стекло - 2007»: - М., 2007. - С. 36 - 41.
8. Семенов, А.А. Текущая ситуация на российском рынке стекольных кварцевых песков и прогноз развития рынка/ А.А. Семенов // Glass Russia .- 2010. - март. - С. 34 -35
9. Парюшкина, О.В. Проблемы обогащения кварцевого песка для стекольной промышленности / О.В. Парюшкина, Н.А. Мамина // Стеклянная тара. - 2011. - №1. -С.4 - 6.
10. Ширшов, С.А. Стекольные пески чулковского место-родения (московская область) / С.А. Ширшов // Вестник Самарского Государственного Университета. - 2005. -№1. - С. 177-193.
11. Сагарунян, А.М. Исследование процессов переработки кварцитов в кварцевый песок, / С.А. Сагарунян, А.Г. Арустамян, А.М. Саркисян, И.М. Макарин, А.С. Сагарунян // Химический журнал Армении. - 2006. № 6. - С. 457-463.
12. Савко, А.Д. Стекольные пески в аптских отложениях междуречья Дон-Ведуга / А.Д. Савко, В.П. Михин // Вестник Воронежского университета. Геология. - 2005. - № 1. - С. 152-167.
13. Колесников А.И. Плотность кварцевого песка / А.И. Колесников. - Днепропетровск, 2011. Режим доступа: http://kovka-dveri.com.
14. Красовский П.С. Технология конструкционных материалов : учеб. пособие / П. С. Красовский. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. - 227 с.
15. Влажность песка при подборе состава бетона. - Томск, 2016. Режим доступа: http://betonvtomske.ru
16. Саати, Т. Аналитическое планирование / Перевод с английского Р.Г. Вачнадзе, под редакцией И. А. Ушакова // Саати Т., Кернс К.. - М.: Радио и связь, 1991. 224 с.
17. Федюкин В.К. Методы параметрической оценки качества продукции // Вестник ИНЖЭКОНа. Серия Технические науки. - 2006. - № 3(12). - С. 154-159.
18. Буреева, Н.Н. Многомерный статистический анализ с использованием ППП "STATISTICA". Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Применение программных средств в научных исследованиях и преподавании математики и механики» / Н.Н Буреева. - Нижний Новгород, 2007. - 112 с.
19. Лоули, Д.Н. Факторный анализ как статистический метод. - М., Мир, 1967. - 60 с.
20. Отдел образовательных информационных технологий / Факторный анализ. - Ярославль, 2011. Режим доступа: http://cito-web.yspu.org
21. Каталог кварцевого песка. - Ульяновск, 2016. Режим доступа: http://deltakar.ru/catalog.
© И. И. Шагиев - магистрант кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КИИТУ, [email protected]; А. Ф. Дресвянников - д.х.н., профессор той же кафедры КHИТУ, [email protected].
© I. I. Shagiev - undergraduate student of Department of analytical chemistry, certification and quality management KNRTU, [email protected]; A. F. Dresvyânnikov - Dr.SC., Prof., the same Department, [email protected].
