Технология приготовления стекольной шихты

 

Качество изделий из стекла в значительной степени зависит от качества стекольной шихты. Старая поговорка: «Хорошо приготовленная шихта - это наполовину сваренное стекло» - остается действительной и сегодня. 

Шихтой называют однородную смесь предварительно подготовленных и отвешенных по заданному рецепту сырьевых материалов. Состав шихты должен обеспечивать заданный химический состав стекла. В настоящее время стекольная шихта может быть получена различными способами.

Наряду с традиционным (порошковым) методом составления шихты, впрочем, как показано ниже, имеющим ряд недостатков, находят использование новые способы подготовки. К таковым можно отнести гидротермальный, золь-гель методы и др.

Гидротермальный способ предусматривает получение смеси силикатов натрия (калия) и других компонентов стекла, содержащих Са, Мg, Al в виде растворов или суспензий. Смесь, получившую название «каназит», высушивают, гранулируют и используют для варки стекла. Создание «каназита» преследовало цель внести коренное изменение в обычную технологию шихтоприготовления, заключающееся в переходе от сухого смешивания твердых компонентов к перемешиванию их растворов либо суспензий, что обеспечивает высокую степень гомогенности смеси.

Один из вариантов технологической схемы производства «каназита», имеющего состав листового стекла, приведен на рис. 7.1.

В качестве основного сырьевого материала используются различные виды аморфного кремнезема (перлит, диатомит, трепел и др.), тонко измельченные (d £ 0,2 мм). Кремнезем вместе с NaOH (50%-ный водный раствор) помещают в автоклав и подвергают гидротермальной обработке при 150°С, в ходе которой образуются силикаты и гидросиликаты натрия. Полученная пульпа отфильтровывается (вакуум-фильтр) и поступает в мешалку для синтеза «каназита». Сюда же подаются осадки силикатов Са и Мg, получаемые в ходе кислотной обработки исходного карбонатного сырья (либо его обжига) с последующим взаимодействием с частью продуктов гидротермальной обработки кремнезема.

 

 

Рис. 7.1. Технологическая схема производства «каназита»

Соотношение Na₂O × n SiO₂, влажных осадков СаO × n SiO₂ и МgO × n SiO₂, подаваемых в мешалку при непрерывном перемешивании, определяется заданным составом стекла. Полученная после синтеза пульпа затем подается в распылительную сушилку, где обезвоживается и гранулируется.

Таким образом, в процессе подготовки шихты протекают реакции силикатообразования и достигается гомогенность смеси.

Повышенная реакционность подобной шихты обусловлена наличием в ней тонкодисперсных аморфных силикатов щелочных и щелочноземельных металлов, в связи с чем варка такой смеси полностью завершается при температуре на 200 - 300 ° С ниже в сравнении с рядовой технологией.

В последнее время появилось много публикаций о золь-гель методе. Золь-гель технология получения силикатных стекол основана на реакции химической полимеризации и состоит из трех основных стадий: синтеза геля, сушки и конверсии. Синтез геля может быть осуществлен за счет дестабилизации алкоголятов. Как правило, исходными продуктами для синтеза служат алкоксисиланы и алкоксиды различных металлов, в том числе минерального происхождения. Гидролиз кремнезема реализуется в кислой (НСl) либо щелочной средах (NH₄OH), причем процесс формирования геля может длиться от нескольких часов до недели, сушка аморфного геля - до нескольких дней. Стекла образуются из гелей при термообработке в интервале температуры 480 - 800 ° С. Метод позволяет получать сверхчистые и экстремально прочные, а также тугоплавкие стекла и, кроме того, содержащие компоненты, которые невозможно ввести обычными методами.

Преимущество золь-гель метода перед традиционным, таким образом, заключается в более высокой однородности и чистоте сырья, низкой температуре синтеза стекла, возможности получения новых материалов со специальными свойствами. Недостатки связаны с высокой стоимостью исходного сырья, возможностью образования пор и трещин, присутствием углерода в составе стекла, вредностью органики для здоровья человека и длительностью технологического процесса, что делает его малопригодным в случае производства массовых изделий.

К перечисленным способам можно добавить метод механохимической активации стекольных шихт, осуществляемый с целью ускорения гетерофазных реакций в ряде отраслей промышленности. Метод предусматривает тонкий помол твердых компонентов в различных мелющих агрегатах. Варка стекол, в особенности тугоплавких (высокоглиноземистых, боросилиатных), существенно ускоряется за счет механоактивации компонентов шихты.

Повышение химической активности измельченного кварцевого песка связано с разрушением кристаллической решетки кремнезема, разрывом связей и образованием аморфного слоя с развитой поверхностью. Это особое метастабильное состояние, характеризуемое повышенной величиной поверхностной энергии, которая обусловлена аккумуляцией затраченной на помол энергии (до 10%). Степень химической активации у кремнезема, как и степень дефектности его решетки, возрастает с увеличением времени помола сначала быстро, а затем постепенно замедляется.

Последние достижения в области механоактивации в стекольной индустрии состоит в том, что стекольная шихта подвергается диспергированию путем измельчения всех компонентов шихты до размера частиц £5 мкм, причем во время диспергирования шихта насыщается добавками (до 30%). При механическом измельчении компонентов шихты образуются свободные радикалы (некомпенсированные связи). При совместном измельчении всех компонентов шихты добавки, являясь временным компонентом, соединяют другие компоненты шихты между собой, тем самым создавая условия получения материала без свободных радикалов, с уровнем однородности, соответствующим дисперсности частиц смеси. Такая шихта не является уже активной для внешней среды. Таким образом, добавки выполняют (до спекания компонентов шихты) роль компенсатора валентных зарядов. Такая шихта имеет гомогенно-равновесный состав на молекулярном уровне. Преимущества предлагаемой технологии заключается в том, что при стекловарении исключается процесс гомогенизации стекломассы, на 100-150°С снижается температура варки, что удлиняет продолжительность кампании печи, поскольку процесс силикатообразования проходит при диспергировании шихты за счет ее дисперсности.

Однако широкое распространение новых технологий подготовки шихты сдерживается отсутствием аппаратурного сопровождения соответствующей производительности. В связи с этим обстоятельством производство таких массовых видов продукции, как листовое стекло, стеклотара, по-прежнему ориентируются на традиционный порошковый способ приготовления шихты как единственный, способный обеспечить требуемые объемы производства.

 

 

7. 1. Традиционная технология приготовления стекольной шихты (порошковый способ)

 

Как указано выше, новые методы подготовки и активации шихты имеют ограниченное распространение в связи с нерешенностью технических проблем и нередко отсутствием экономической целесообразности в использовании этих методов. Поэтому по-прежнему остаются актуальными вопросы повышения качества приготовления традиционной сыпучей шихты.

Сущность порошкового способа заключается в подготовке исходных сырьевых материалов в виде сухих порошков, их дозировании, смешивании, увлажнении с последующей подачей в стекловаренную печь.

Подготовка сырьевых материалов

 

Технологические процессы переработки сырья в составном цехе во многом определяются условиями его поступления на предприятия. Большое значение имеет объем поставок, влияющий на уровень однородности данного типа сырья, степень его измельчения, влажность и другие факторы.

Отсутствие системы централизованного снабжения отечественных стекольных предприятий сырьевыми материалами приводит к необходимости их подготовки, а иногда и обогащения в составных цехах. Таблица 7.1 резюмирует условия доставки, разгрузки и хранения различных видов сырья на стекольные предприятия.

 

Таблица 7.1