Смешивание компонентов стекольных шихт

Отвешенные в соответствии с заданным шихтовым составом компоненты подаются в смеситель для достижения однородности их смеси. Поскольку гомогенность стекломассы является решающим признаком качества изделий, то стадия смешивания имеет большое значение. Помимо этого, высокая гомогенность шихты позволяет снизить затраты на варку стекла.

Для быстрого достижения и сохранения однородности шихты при смешивании необходимо соблюдать следующие правила:

– сырьевые материалы должны иметь как можно более близкий гранулометрический состав. Одинаковая величина зерен позволяет снизить роль расслоения – одну из основных проблем, связанных с порошковым способом подготовки шихт;

– необходимым является увлажнение шихты, с тем чтобы снизить эффекты ее пыления и расслоения при транспортировке и загрузке в печь. Кроме того, доказано, что содержание влаги 1,5–2,0% в шихте способствует ускорению реакций силикато-, а значит, и стеклообразования.

Существует два принципиально различных типа смесителей:

а) периодического действия;

б) непрерывного действия.

В производстве стекольных шихт используются только первые, поскольку машины непрерывного действия не обеспечивают равномерного распределения компонентов по объему замеса, то есть ее однородности.

В свою очередь, смесители периодического действия разделяются на две группы:

– гравитационные;

– принудительного действия.

В первых смешиваемый материал благодаря вращению корпуса смесителя поднимается и затем падает вниз под действием силы тяжести, в итоге перемешиваясь. К этой группе смесителей относится широко используемый барабанный (конусный) смеситель типа Дрей-Слик (бетономешалка). Вращающиеся барабаны имеют недостаток, состоящий в агрегации мелкодисперсных фракций при пересыпании материала и налипании материала на стенки смесителя. Сложная система разгрузки увеличивает продолжительность цикла смешения.

Наибольшее распространение в стекольной промышленности получили тарельчатые смесители, относящиеся к смесителям принудительного действия. В них имеются вращающиеся вокруг вертикальной оси смесительные приспособления (мешалки), которые заставляют частицы материала перемещаться во всех измерениях по сложным траекториям. В таких смесителях не может происходить расслоение шихты, что имеет место при ее свободном падении, кроме того, агломерация частиц подавляется под механическим воздействием мешалок.

За рубежом широко используются тарельчатые смесители Эйриха противоточного типа (рис. 7.9). Такие смесители могут иметь от одной до четырех мешалок, располагаемых экцентрично в чаше (тарелка с бортом).

 

Рис. 7.9. Разновидности смесителя Эйриха

 

Направление вращения тарелки и крестовин противоположно. При этом малые мешалки осуществляют подачу материала к большим и вращаются быстрее последних. Важным является соотношение числа оборотов тарелки и основных мешалок. При значении этого соотношения 1: 5 достигаются оптимальные условия перемешивания. Емкость чаши таких смесителей варьирует в широких пределах: от 0,003 до 10,000 м³. При работе смесителя частицы шихты совершают движения по сложным траекториям, что обеспечивает быстрое достижение гомогенности смеси (Рис. 7.10).

Конструкции отечественных тарельчатых смесителей характеризуются наличием неподвижной чаши (рис. 7.11).

Рис. 7.10. Характер движения частиц шихты при работе тарельчатого смесителя с двумя мешалками

При этом перемешивание происходит в кольцевом объеме чаши за счет кругового вращения подгребающих и смешивающих лопастей с самостоятельным одновременным вращением их относительно внутренней поверхности кольцевой чаши. В итоге центральная часть чаши исключена из зоны перемешивания («мертвая зона»), что является недостатком подобных систем. Главный привод смесителя обеспечивает вращение траверсы, на которой укреплены две пары мешалок, две очистительные лопасти и подгребная лопасть около внутреннего стакана смесителя. Привод опирается на опорную плиту днища чаши. Траверса вращается относительно вертикальной оси со скоростью 20 об/мин. Мешалки вращаются от самостоятельных приводов, расположенных в корпусе траверсы. Одна пара мешалок расположена вблизи боковой стены смесителя, другая пара смещена ближе к центру. Это обеспечивает перекрытие площади смесителя смешивающимися лопастями, то есть создание активной зоны перемешивания. Направление вращения траверсы и мешалок совпадают, но скорости вращения мешалок отличаются, чем достигается непрерывное изменение скорости движения частиц и положительно сказывается на качестве перемешивания. Расположение лопастей мешалок обеспечивает перемешивание слоя материала в вертикальной плоскости, что позволяет перемешивать горизонтальные слои материала. При вращении мешалок частицы материала поднимаются и опускаются, а подгребная лопасть у внутреннего стакана подает материал к мешалкам.

Рис. 7.11. Смеситель стекольной шихты СМ-971:   1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – корпус; 4 – траверса; 5 – кронштейн поворота мешалок; 6 – мешалки; 7 – разгрузочный затвор; 8– выходной устройство; 9 – внутренний стакан; 10 – подгребная лопасть; 11 – загрузочное устройство

Существенными факторами, влияющими на качество стекольной шихты, являются очередность подачи сырьевых компонентов в смеситель и продолжительность их перемешивания. В соответствии с общепринятой методикой в отечественном стекловарении циклограмма приготовления шихты предусматривает загрузку песка в смеситель и его увлажнение, а затем поочередную подачу соды, других комкующихся материалов и малых добавок, содержание которых в рецепте составляет доли процента (уголь, красители стекломассы и др.). Одновременно в смеситель можно подавать полевой шпат. Загрузка соды на увлажненный в смесителе песок позволяет обеспечить более качественное перемешивание и предотвратить ее комкование.

Для смесителей различных типов время перемешивания изменяется от 2,5 до 4 мин. Продолжительность перемешивания определяется эффективностью перемешивающего устройства, физико-механическими свойствами сырьевых материалов, последовательностью загрузки и увлажнения песка и других компонентов стекольной шихты. В то же время скорость вращения мешалок должна быть оптимизирована и обычно определяется путем пробных испытаний. Слишком быстрое движение материала может приводить к расслоению, а слишком малая скорость перемешивания – к снижению производительности смесителя.

Как сказано выше, увлажнение шихты производится на стадии ее смешивания. Его производят чаще всего путем объемного дозирования воды и подачи ее в смеситель с помощью разбрызгивающих устройств. Наиболее целесообразно устанавливать в смесителе форсунки, а дозирование воды для увлажнения шихты осуществлять с помощью центробежных насосов, включение и отключение которых производится автоматически. Достигаемая при этом точность дозирования воды составляет около 0,5%.

Возможны следующие варианты увлажнения:

– предварительное увлажнение кварцевого песка и последующая подача в смеситель остальных компонентов;

– увлажнение шихты после предварительного ее смешивания в сухом виде.

Последний способ в настоящее время считается более целесообразным и включает цикл перемешивания сухой смеси в течение 20% от общей продолжительности перемешивания. Затем следует цикл подачи воды (30% от общего времени). В оставшееся время осуществляется стадия перемешивания влажной шихты, что существенно улучшает качество данного процесса (рис. 7.12).

Время сухого смешивания в данном случае намеренно увеличено, чтобы показать, что при превышении оптимальной продолжительности цикла наступает расслоение.

Рис. 7.12. Влияние сухого и мокрого смешивания на качество шихты

Влажность содо-сульфатных шихт обычно задают в пределах 4,5–5,0%. Меньшая влажность приводит к усилению расслоения и пыления, а большая – к снижению скорости варки и увеличению затрат энергии на испарение воды. Влага призвана создавать на поверхности тугоплавких компонентов шихты водные пленки, связывающие частицы между собой. Во-вторых, происходит частичное растворение щелочных компонентов, что в конечном итоге приводит к ускорению процессов силикато- и стеклообразования. Однако влага должна находиться в капельно-жидком состоянии. Этого никогда не наблюдается при комнатной температуре вследствие склонности соды и сульфата к образованию кристаллогидратов, что приводит к полному связыванию влаги. В итоге увлажненная шихта становится сухой со всеми вытекающими последствиями.

Таким образом, в процессе приготовления шихты необходимо создавать условия, препятствующие образованию кристаллогидратов соды и сульфата натрия.

Кальцинированная сода образует три гидратные стабильные формы в следующих интервалах температуры:

– декагидрат Na₂CO₃·10H₂O – менее 32°С;

– гептагидрат Na₃CO₃·7H₂O – 32–35,4°С;

– моногидрат Na₂CO₃·H₂O – 35,4–105,4°С;

– кальцинированная сода Na₂CO₃ – более 105,4°С.

Таким образом, чтобы обеспечить наличие капельно-жидкой влаги в шихте, ее температура должна превышать 35,4°С. При этом сода присутствует в шихте в виде моногидрата, что приводит к связыванию около 3% воды (при содержании соды в шихте близком к 20%), оставшиеся 1,5–2,0% воды присутствуют в капельно-жидком состоянии и обеспечивают вышеуказанные дефекты. Оптимальная температура шихты составляет 40–50°С. При более высокой температуре происходит быстрое испарение влаги, при меньшей – возможна опасность перехода через границу гидратации.

Указанная температура может обеспечиваться:

– нагревом шихты в специальных теплообменниках, использую-
щих, например, теплоту отходящих печных газов;

– использованием теплоты сырьевых материалов, поглощенной ими в процессе сушки. Чаще всего на эти цели идет кварцевый песок, подаваемый в смеситель с температурой 60–70°С;

– обязательным является использование горячей воды для увлажнения шихты (с температурой около 80°С).