CC BY
347
УДК 666.1.022.8
ПРИМЕНЕНИЕ КВАРЦЕВОГО КОНЦЕНТРАТА В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА
Н.С. Крашенинникова, О.В. Казьмина, И.В. Фролова
Томский политехнический университет E-mail: kazmina@tpu.ru
Установлена принципиальная возможность использования кварцевого концентрата в производстве листового стекла. Рассмотрено влияние условий подготовки стекольной шихты с кварцевым концентратом на процесс варки и качество стекла. Установлено, что эффективным способом подготовки шихты на основе концентрата является уплотнение методом прессования, позволяющее увеличить скорость силикатообразования и получить стекла с заданными технологическими свойствами.
Кремнезем является основной составляющей большинства промышленных стекол. Его содержание в шихте составляет более 70 %. В качестве кремнеземсодержащего компонента стекольных шихт, кроме кварцевых песков, используют жильный кварц, кварцевые песчаники и кварциты.
В стекольном производстве предъявляются жесткие требования к качеству сырьевых материалов по их химическому, минералогическому и гранулометрическому составам. Основными критериями качества стекольного сырья является его химическая однородность, постоянство химического состава, а также ограниченное содержание в нем различного рода примесей.
В данной работе приведены результаты изучения возможности использования в производстве листового стекла кварцевого концентрата, получаемого при обогащении кварц-топазовых руд (месторождение Кемеровской области).
Сравнительный химический состав кварцевого концентрата и кварцевого песка, марки ВС-050-2, используемого в технологии производства листового стекла приведен в табл. 1 [1].
Кварцевый концентрат по содержанию оксида кремния удовлетворяет требованиям ГОСТ 2255177, предъявляемым к кремнеземсодержащему сырью марки ВС-050-2. Повышенное содержание оксидов железа и титана, относящихся к красящим примесям, может привести к изменению колера стекла и снижению его светопропускания.
Гранулометрический состав концентрата, определенный методом ситового анализа, представлен на рисунке. Из полученных данных видно, что концентрат относится к мелкодисперсным материалам, так как более чем на 75 % он представлен частицами размером менее 0,1 мм. Оптимальными для стекловарения считаются пески с размером частиц от 0,1 до 0,4 мм [1]. Известно, что доизмельчение песка способствует ускорению процесса варки стекла. Однако повышенное содержание в песке пылевидных частиц может увеличить зону варки.
Кроме того, в случае использования мелкодисперсных сырьевых материалов в составных цехах образуется большое количество высокодисперсной пыли (свыше 50 % пылинок размером менее 1 мкм), которая является наиболее опасной для человека по фиброгенному действию. Содержание свободного диоксида кремния в витающей пыли зависит от вида обрабатываемых материалов и колеблется от 0,2 до 20 % и реже от 20 до 70 % [2].
Рисунок. Гранулометрический состав кварцевого концентрата
Известно, что размер и форма зерен кварцевого песка оказывают существенное влияние на скорость варки и на количество пороков в стекле [1]. По установившейся практике наиболее пригодными для стекловарения считаются пески со средним размером зерен 0,15...0,4 мм. Использование тонкодисперсных кварцевых частиц (при размере зерен менее 0,1 мм) приводит к комкованию шихты и, следовательно, к замедлению стеклообразова-ния. Для уменьшения комкования требуется применять методы подготовки шихты, обеспечивающие равномерное взаимное распределение компонентов в смеси. Одним из таких способов подготовки шихты является уплотнение, которое позволяет значительно улучшить основные показатели работы стекловаренного цеха, а также успешно решать вопросы, связанные с улучшением условий труда и охраны окружающей среды [3].
Таблица 1. Химический состав кремнеземсодержащего сырья
Материал Содержание компонентов, мас. %
SiO2 А120з Fe20_3 P2O5 O ТО со Ti02 F C ппп
Кварцевый концентрат 96,4 2,36 0,15 0,01 0,01 0,1 0,6 0,01 0,35
Кварцевый песок Не менее 95,0 Не более 2,0 Не более 0,05 - - - - - -
Таблица 2. Составы стекольных шихт
Шихта Содержание компонентов в шихте, вес. ч.
Песок Кварцит Доломит Полевой шпат Сульфат натрия Сода
Промышленного состава 65,35 - 20,33 9,71 0,98 24,09
С заменой песка на концентрат
12 % 53,35 12 20,33 9,71 0,98 24,09
50 % 32,68 32,68 20,33 9,71 0,98 24,09
100 % - 73,03 20,72 1,65 1,03 25,26
Таблица 3. Результаты по уплотнению шихты методом окатывания и прессования
Шихта Метод уплотнения
Окатывание Прессование
Время гранулирования, мин Влажность гранул, мас. % Выход гранул, мас. % Прочность гранул на сжатие, МПа Прочность плиток на сжатие, МПа
сырых через 10 мин
Промышленного состава 15...20 23.24 70 0,15.0,20 0,28.0,30 2,2.3,8
С заменой песка на концентрат 12 % 15...20 23.24 72.75 0,15.0,20 0,25.0,30 2,5.3,7
50 % 20.25 24.26 90.95 0,18.0,20 0,30.0,35 4,5.5,2
100 % 20.25 25.27 95.97 0,13.0,20 0,25.0,29 0,8.1,1
В данной работе уплотнение осуществляли методом окатывания и прессования. Для этого готовили шихту промышленного состава и модельные шихты с 12, 50 и 100 % заменой песка на кварцевый концентрат, составы приведены в табл. 2.
Уплотнение методом окатывания осуществляли на тарельчатом грануляторе с диаметром тарели 0,5 м, скоростью вращения 38 об/мин и углом наклона 47°. Прессование проводили в металлической обойме цилиндрической формы на гидравлическом прессе при давлениях 10.15 МПа. Перед прессованием шихту увлажняли до 7 мас. %, подогревали до 50.60 °С и перемешивали в течение 0,5 мин. Результаты опытов по уплотнению стекольных шихт приведены в табл. 3.
Как видно из полученных данных, замена в составе шихты песка на концентрат приводит к увеличению выхода гранулированного продукта до 95.97 %, что свидетельствует о стабилизации процесса гранулообразования. Однако, из-за высокого влагосодержания (23.27 %) и низкой механической прочности гранул, в технологический процесс следует вводить операцию сушки, что связано с дополнительными энергозатратами.
Таблица 4. Составы шихт и стекла на основе песка и концентрата
Все образцы, полученные прессованием, имели достаточно высокую прочность, значения которой находились в интервале 0,8.5,2 МПа. Причем, максимальное значение прочности имели образцы из шихты с 50 % заменой песка на концентрат. Сравнительно низкая механическая прочность образцов из шихты со 100 % заменой песка на концентрат связана с недостаточным количеством влаги и неравномерным ее распределением в объеме образца, что приводит к уменьшению числа коагуляционных контактов, обеспечивающих начальную прочность образцов [4]. Увеличение влагосодержания шихты до 9 мас. %, а давления прессования до 20 МПа позволило получить образцы прочностью до 6,5 МПа.
Замена традиционных материалов в технологии стекла оказывает влияние не только на свойства и способ подготовки стекольных шихт, но и на процесс варки. Для проведения лабораторных варок готовили шихты промышленного состава и с заменой песка на концентрат. Расчеты рецептов шихт показали, что для сохранения состава стекла замена песка на концентрат не должна превышать 12 мас. %. При более высоком содержании концентрата в шихте количество оксида алюминия в стекле превышает допускаемое значение. Полная
Состав шихты, Содержание оксидов в стекле, мас. %
вес.ч. БЮг МагО СаО А1Д РеД
Шихта на основе кварцевого песка
Песок 65,35 64,77 - 0,16 0,14 0,05
Сода 24,09 - 13,79 - - -
Доломит 20,33 0,23 0,03 10,55 0,14 0,06
Полевой шпат 9,71 6,81 0,83 0,05 1,91 0,02
Сульфат натрия 0,98 - 0,43 - - -
Состав стекла по расчету - 71,81 15,08 10,76 2,19 0,14
Шихта на основе кварцевого концентрата (100 % замена песка)
Концентрат 73,03 70,41 - - 1,72 0,11
Сода 25,26 - 14,46 - - -
Доломит 20,72 0,24 0,03 10,75 0,14 0,06
Полевой шпат 1,65 1,16 0,14 0,01 0,32 -
Сульфат натрия 1,03 - 0,45 - - -
Состав стекла по расчету - 71,81 15,08 10,76 2,19 0,18
Таблица 5. Характеристики образцов стекла
Шихта Визуальный осмотр образцов стекла, отобранных при температуре
1250оС 1450 оС
Промышленного состава (порошкообразная) Непровар в виде отдельных зерен кварца, небольшое количество крупных пузырей Частичный непровар, крупные (> 0,8 мм) пузыри, зеленоватый оттенок
С заменой песка: 100 % (порошкообразная) Присутствие отдельных зерен кварца, большое количество мелких пузырей Отсутствие непровара, большое количество мелких (< 0,8 мм) пузырей, свиль, зеленоватая окраска
100 % (компактированная) Отсутствие непроваренных зерен кварца, сравнительно небольшое количество пузырей Отсутствие непровара, небольшое количество мелких пузырей (< 0,8 мм), зеленоватая окраска
12 % (компактированная) То же То же
замена песка концентратом требует корректировки рецепта шихты, а именно, изменения количества полевого шпата - основного источника оксида алюминия в стекле. Составы шихт и стекол, полученные расчетным путем представлены в табл. 4.
Стекла варили из порошкообразных и компак-тированных шихт. Варку стекла осуществляли в электрической печи со скоростью нагрева 5 град/мин. Максимальная температура варки составляла 1450 °С. Отбор проб для анализа проводили при температурах 1250 и 1450 °С. Время выдержки проб при данных температурах составляло во всех опытах 20 мин. Отобранные пробы стекла подвергали визуальному осмотру (табл. 5).
Результаты варок показали, что в пробах стекла, отобранных при 1240 °С, в случае использования порошкообразной шихты имеется непровар в виде отдельных зерен кварца и небольшое количество крупных пузырей, в то время, как в пробах стекла из компактированной шихты непровар отсутствует. Это указывает на увеличение скорости реакций си-ликатообразования в случае использования концентрата в составе стекольной шихты для производства листового стекла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парюшкина О.В., Мамина Н.А., Панкова Н.А., Матвеев ГМ. Стекольное сырье России. — М.: АО "Силинформ", 1995. —84 с.
2. Шапилова М.В., Барышников Ю.А. Охрана труда в производстве стеклянной тары и сортовой посуды. — М.: Легпромбы-тиздат, 1989. — 202 с.
Стадия осветления при варке порошкообразных шихт с концентратом протекает медленнее, о чем свидетельствует наличие в образцах стекла, отобранных при температуре 1450 °С, большого количества мелких пузырей. Значительно меньшее количество пузырей содержится в образцах стекла, сваренных из компактированной шихты со 100 % заменой песка на концентрат. Необходимо отметить, что эти образцы стекла приобретают более интенсивную зеленую окраску.
Таким образом, результаты проведенных исследований показали принципиальную возможность использования концентрата в технологии производства листового стекла. При этом в случае замены песка концентратом более чем на 12 % требуется проводить корректировку рецепта стекольной шихты. В качестве эффективного способа приготовления шихты на основе концентрата рекомендуется использовать уплотнение методом прессования, которое позволяет на 15.20 % снизить пыление шихты на всех стадиях ее подготовки и транспортировки, а также оказывает положительное влияние на процесс варки и качество стекла [3].
3. Мелконян Р.Г. Аморфные горные породы и стекловарение. — М.: НИА "Природа", 2002. —263 с.
4. Крашенинникова Н.С. Уплотнение стекольных шихт. Дис. ... канд. техн. наук. —Томск, 1990. —212 с.
