Химический состав сырьевых материалов

Химический состав стекла для производства стеклогранулята

Задан следующий состав стекла, %:

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	SO3
72,5	2,5	0,1	7,0	4,0	14,0	0,2

 

Выбор сырьевых материалов

Кремнезем является главной составной частью промышленных стекол. Около 95 % всех производимых стеклоизделий получают на основе силикатных стекол, концентрация кремнезема в которых составляет 53 – 75 % и более. Оксид кремния повышает вязкость стекломассы, понижает ТКЛР, плотность. Для ввода SiO₂ в стекло применяем песок местного месторождения Белгородского района марки С – 70. Применение этого песка обусловлено близостью месторождения и полной пригодностью для производства стеклокомпозитной плитки. Химический состав песка, по ГОСТ 22551 – 77, мас. %:

SiO2	Al2O3	Fe2O3	Влага
98,5	0,39	0,067	до 5

 

Оксиды кальция и магния вводятся в состав стекла доломитом. Доломит – твердая светло-серая, плотного строения осадочная горная порода, окрашиваемая примесями в желто-коричневый цвет. Доломит снижает термический коэффициент линейного расширения, повышает механическую прочность. Применяется доломит, имеющий следующий химический состав, мас. %:

 

CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3
31,7	19,6	1,06	0,46	0,054

 

Оксид натрия в состав стекла вводится через кальцинированную соду. Сода представляет собой белый пылевидный порошок низкой насыпной плотности. Она хорошо растворяется в воде и при этом выделяет теплоту. Легко расслаивается в шихте, а также при транспортировке и загрузке в печь сильно распыляется. В связи с этим соду уплотняют. Применяют на заводах в основном два способа уплотнения: механическое уплотнение и перекристаллизацию. Оксид натрия вводят в состав стекла для снижения температуры варки стекла. Используется кальцинированная сода с Березниковского содового завода Пермской области, имеющая химический состав, по ГОСТ 5100 – 85, мас. %:

Na2CO3	NaCl	Fe2O3
97,5	0,8	0,008

Сульфат натрия в стеклоделии используется для осветления стекломассы, а также для частичной замены соды при введении оксида натрия. Используется сульфат натрия, поступающий на завод с ОАО «Волжский Оргсинтез» город Волгоград, имеющий химический состав по ГОСТ 6318 – 77, мас. %:

Na2SO4	NaCl	Влага
97,5	0,3	0,1

 

 

Оксид алюминия входящий в состав стекла увеличивает температуру варки стекломассы, повышает химическую устойчивость, поверхностное натяжение и температуру размягчения, повышает термический коэффициент линейного расширения. Оксид алюминия вводится техническим глиноземом, поступающим с ОАО «Металлург» город Пикалевск, имеющим химический состав, мас. %:

Al2O3	Na2O	Fe2O3
98,5	0,6	0,1

 

Расчет состава шихты

Шихтой называется однородная смесь предварительно подготовленных и отвешенных по рассчитанному рецепту сырьевых материалов.

При расчете шихты принимают, что в стекло переходят оксиды и фториды, а влага и газы улетучиваются. Исходными данными для расчета шихты служат: заданный химический состав стекла, химические составы выбранных сырьевых материалов, поправочные коэффициенты на улетучивание компонентов стекла при варке [33].

Химический состав стеклогранулята, мас. %:

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	SO3
72,5	2,5	0,1	7,0	4,0	14,0	0,2

 

Для введения этих элементов используются сырьевые материалы:

SiO₂ – кварцевый песок;

Al₂O₃ – технический глинозем;

CaO и MgO – доломит;

Na₂O – кальцинированная сода, сульфат натрия.

Пересчитаем кальцинированную соду на оксиды:

Na₂CO₃ = Na₂O + CO₂

106 г/моль – 62 г/моль

97,5 мас.% – Х; Х = 57,03 мас.%

Пересчитаем сульфат натрия на оксиды:

Na₂SO₄ = Na₂O + SO₃

142 г/моль – 62 г/моль

99,5 мас.% – Х; Х = 43,43 мас.%

Пересчитаем хлорид натрия на оксиды, учитывая, что в кальцинированной соде его насчитывается – 0,8 мас.%, а в сульфате – 0,3 мас.%:

2 NaCl = Na₂O

117 г/моль – 62 г/моль

0,8 мас.% – Х₁; Х₁ = 0,42 мас.%

0,3 мас.% – Х₂; Х₂ = 0,16 мас.%

Итого содержание оксида натрия в соде:

57,03 + 0,42 = 57,45;

в сульфате: 43,43 + 0,16 = 43,59.

Состав сырьевых материалов представлен в таблице 1

Таблица 1

Химический состав сырьевых материалов

Сырьевые материалы	Содержание оксидов, мас.%
SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	Fe2O3
Песок	98,5	0,39	-	-	-	0,067
Доломит	1.06	0,46	31,7	19,6	-	0,054
Сода	-	-	-	-	57,45	0,008
Сульфат	-	-	-	-	43,59	-
Глинозем	-	98,5	-	-	0,6	0,1

 

Для определения количества сырьевых материалов в шихте составляем систему уравнений, вводя следующие обозначения:

Х₁ – содержание песка;

Х₂ – содержание доломита;

Х₃ – содержание соды;

Х₄ – содержание сульфата;

Х₅ – содержание глинозема, мас. ч. на 100 мас. ч. стекла.

Учитывая, что сульфата вводится 10% от количества соды, получим:

98,5 Х₁ + 1,06 Х₂ = 72,5

0,39 Х₁ + 0,46 Х₂ + 98,5 Х₅ = 2,5

31,7 Х₂ = 7,0

19,6 Х₂ = 4,0

57,45 Х₃ + 43,59 Х₄ + 0,6 Х₅ = 14,0

43,59 Х₄ = 14

Полученную систему уравнений решаем на ЭВМ по программе Shihta, получаем решения, мас. ч. стекла:

 

Песок Х₁ = 73,77;

Доломит Х₂ = 21,45;

Сода Х₃ = 21,91;

Сульфат Х₄ = 3,21;

Глинозем Х₅ = 2,15.

Сумма 122,5

С учетом потерь соды на улетучивание (3,2 мас.%) ее содержание в шихте составит: 21,91 х 1,032 = 22,16 мас. ч.

С учетом потерь сульфата на улетучивание (5 мас.%) его содержание в шихте составит: 3,21 х 1,05 = 3,27 мас. ч.

Определим содержание оксидов, вводимых в стекло сырьевыми материалами, мас.%:

С песком:

SiO₂ – 73,37 х 0,985 = 72,27

Al₂O₃ – 73,37 х 0,0039 = 0,29

Fe₂O₃ – 73,37 х 0,00067 = 0,049

С доломитом:

SiO₂ – 21,45 х 0,0106 = 0,23

Al₂O₃ – 21,45 х 0,0046 = 0,099

CaO – 21,45 х 0,317 = 7,00

MgO – 21,45 х 0,196 = 4,00

Fe₂O₃ – 21,45 х 0,00054 = 0,012

С содой:

Na₂O – 22,16 х 0,5745 = 12,73

Fe₂O₃ – 22,16 х 0,00008 = 0,002

С сульфатом:

Na₂O – 3,27 х 0,4359 = 1,425

С глиноземом:

Al₂O₃ – 2,15 х 0,985 = 2,12

Na₂O – 2,15 х 0,006 = 0,0129

Fe₂O₃ – 2,15 х 0,001 = 0,002

Составляем сводную таблицу 2 и вычисляем расчетный состав стекла.

Таблица 2

Сводная таблица расчета шихты

Сырьевые материалы	Переходят в стекло оксиды, мас. ч
SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	Fe2O3
Песок	72,27	0,29	-	-	-	0,049
Доломит	0,23	0,099	7,0	4,0	-	0,012
Сода	-	-	-	-	12,73	0,002
Сульфат	-	-	-	-	1,425	-
Глинозем	-	2,12	-	-	0,0129	0,02
Расчетный состав стекла	72,5	2,509	7,0	4,0	14,17	0,0652
Сумма оксидов в расчетном составе стекла, мас. ч. 100,24

Содержание железа в стекле:

0,049 + 0,002 + 0,12 + 0,002 = 0,0652.

Сопоставим расчетный, теоретический и заданный составы стекол. Результаты в таблице 3.

Таблица 3