Научная статья на тему 'Применение кварцевого концентрата в производстве листового стекла'

Применение кварцевого концентрата в производстве листового стекла Текст научной статьи по специальности «Производство неметаллических изделий»

CC BY
656
117
Поделиться

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Крашенинникова Н. С., Казьмина О. В., Фролова И. В.

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.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Крашенинникова Н.С., Казьмина О.В., Фролова И.В.,

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Применение кварцевого концентрата в производстве листового стекла»

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. %

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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.