Применение природного кремнеземсодержащего сырья в стекольной промышленности Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 666.122.2

Д.В. Гербер*, Н.Ю. Михайленко

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 3 * e-mail: den.gerber@ya.ru

ПРИМЕНЕНИЕ ПРИРОДНОГО КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ В СТЕКОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Показана возможность и энергетическая эффективность замещения традиционно используемых сырьевых материалов кремнеземсодержащей горной породой. Уровень физико-химических свойств полученных стекол соответствует уровню основных эксплуатационных свойств тарного стекла на основе традиционного сырья.

Ключевые слова: кремнеземсодержащая горная порода, энергоэффективность, шихта, тарное стекло.

В настоящее время в стекольной промышленности наметилась тенденция использования нетрадиционных сырьевых материалов - местных песков, горных пород, доменных шлаков, отходов обогащения руд. Эта тенденция характерна для производства крупнотоннажных видов стекол и в первую очередь обусловлена истощением запасов природного кондиционного сырья, а также стремлением производителей снизить

себестоимость выпускаемой продукции.

В частности, для замены кварцевых песков в ряде случаев возможно использовать кремнеземсодержащие горные породы, широко распространенные на территории Российской Федерации [1, 2]. Внедрение такого сырья в стекловарение позволяет снизить себестоимость выпускаемой продукции за счет снижения стоимости стекольной шихты, а также иногда за счет интенсификации стекловарения.

В настоящей работе возможность и перспективность замены традиционного стекольного сырья нетрадиционным

продемонстрирована на примере

высококремнеземистой горной породы (ВКП) осадочного происхождения.

Химический состав породы представлен главным образом кремнеземом и

кальцийсодержащими соединениями (табл. 1), что является предпосылкой для частичной или полной замены кварцевого песка и кальцийсодержащего сырья (доломит, мел, известняк) в рецепте стекольной шихты на ВКП.

Оксиды щелочных элементов, магния, алюминия, присутствующие в составе породы в небольшом количестве, являются безвредными примесями в стекловарении и не лимитируют процесс варки стекла, но должны быть учтены при расчете шихты.

Оксид железа относится к сильным красителям и при указанном содержании исключает использование породы при получении бесцветных стекол. Однако в производстве

окрашенных стекол, например, тарных, его присутствие в сырье представляется желательным с точки зрения экономии вводимых красителей для достижения заданного цветового тона стекла.

Таблица 1.

Химический состав высококремнеземистой _породы (ВКП)*

Компонент Массовое содержание, % Компонент Массовое содержание, %

SiO2 84,9 Na2O 0,85

AhO3 1,1 К2О 0,13

P2O5 2,49 Fe2O3 0,54

CaO 8,69 TiO2 0,06

MgO 0,83 SO3 0,38

SrO 0,03 &2O3 <0.01

* По данным элементного анализа в пересчете на

оксидный состав, приведенный к 100 %

Полиминеральный состав породы представлен совокупностью доминирующих

кремнеземсодержащих фаз - а-кварцем, кристобалитом, тридимитом, а также кальцийсодержащими фазами - гипсом (двуводный сульфат кальция), кальцитом (карбонат кальция) и гидроксиапатитом (апатитоподобный гидрофосфат кальция) (рис. 1). В небольшом количестве обнаружены щелочные алюмосиликаты из группы полевых шпатов -микроклин, ортоклаз. Гало в области малых значений углов 20 свидетельствует о присутствии аморфной фазы.

Таким образом, по минералогическому составу порода отличается от традиционного кремнеземсодержащего сырья, используемого в стекольной промышленности, присутствием наряду с кристаллическим кварцем полиморфных модификаций кремнезема - тридимита и кристобалита, а также водных и безводных кальцийсодержащих минералов и аморфной фазы. Для оценки возможности и особенностей варки

шихт на основе нетрадиционного сырья в лабораторных условиях синтезировали несколько серий стекол. При выборе химических составов стекол исходили из требований ГОСТ Р 520222003 [3]. Шихты экспериментальных стекол (маркировка стекол «П») составлялись на основе ВКП : кварцевый песок в рецепте этих шихт отсутствовал, для дошихтовки составов по другим компонентам использовали традиционное

стекольное сырье - доломит, мел, соду, сульфат натрия.

Для проведения сравнительных исследований также синтезировали эталонные стекла аналогичных составов (маркировка стекол «К») на основе кварцевого песка и другого традиционного сырья, применяемого на стекольных заводах России.

52 54 56 Угол, градус

Рис. 1. Рентгенограмма высококремнеземистой породы ВКП V - а-кварц; т - а-тридимит; о - р-кристобалит; + - кальцит; х - гипс; * - гидроксиапатит

Стекла варили в корундовых тиглях вместимостью 100 мл при температурах 1400 -1500 °С в лабораторной электрической печи с карбидкремниевыми нагревателями и

автоматическим регулированием температуры и в шамотных тиглях вместимостью 500 мл в тигельной печи с газопламенным обогревом.

Визуальная оценка варочной способности изученных стекол свидетельствует о том, что все

шихты склонны к стеклообразованию при температурах 1450 - 1500 °С (рис. 2).

При оптимальных условиях варки получены стекла удовлетворительного качества, без непровара, хорошо осветленные, без признаков кристаллизации, со слабым цветовым оттенком. Взаимодействие расплава стекломассы с материалом тигля (корунд, шамот) не отмечается.

1400 °С

серия "К"

№рчя "П"

120 Время.

1425 О

серия "К"

120 Время, I

1450 С

серия "К"

I 2О Время. I

Энвргопотрвбпений, квт-ч

1ИО°С

серия "К"

Серия "П"

120 Время. I

Рис. 2. Визуальная оценка стекол при различных температурно-временных режимах варки непровар, много «мошки» отсутствие непровара, много «мошки»

отсутствие непровара, немного «мошки» отсутствие непровара, качественное осветление

Эксперименты по синтезу стекол при продемонстрировали интенсифицирующее

различных температурно-временных режимах влияние породы ВКП на процесс стекловарения -варки с постоянной фиксацией энергозатрат при использовании нетрадиционной шихты

получение качественной осветленной

стекломассы без непровара достигается при пониженной температуре и более короткой выдержке расплава по сравнению с традиционной шихтой.

Так, хорошо проваренные и осветленные стекла серии «П» получены в лабораторных условиях при 1425 °С и выдержке 60 мин

(энергетические затраты 28,7 кВт-ч), в то время как для получения качественных расплавов серии «К» в этих же условиях требуется температура не менее 1500 °С (энергетические затраты 37,1 кВт-ч). Таким образом, при использовании нетрадиционной шихты энергетические затраты на стекловарение снижаются не менее чем на 20 %.

Гербер Денис Владимирович аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Михайленко Наталья Юрьевна к.т.н., профессор, заместитель заведующего кафедрой химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Мелконян Р. Г. Аморфные горные породы - новое сырье для стекловарения и строительных материалов. - М.: НИА Природа. - 2002.- 264 с.

2. Кремнистые породы СССР/ под ред. У. Г. Дистанова. -Казань: Татарское кн. изд-во. - 1976. -412 с.

3. ГОСТ Р 52022-2003. Тара стеклянная для пищевой и парфюмерно-косметической продукции. Марки стекла. - М. -2003.

Gerber Denis Vladimirovich*, Mikhaylenko Natal'ya Yur'evna

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: den.gerber@ya.ru

APPLICATION OF NATURAL SILICA CONTAINED RAW MATERIALS IN THE GLASS INDUSTRY.

Abstract

It was demonstrated the possibility of replacement and energy efficiency of the substitution traditional raw materials by the silica-containing rock. The level of physical and chemical properties of the resultant glass corresponds to the basic operational characteristics of container glass based on traditional raw materials.

Key words: silica-containing rock, energy efficiency, charge, container glass