4.7. Расчет затрат тепла на варку стекла

Затраты на варку стекломассы определяются статьями расхода:

• на диссоциацию карбонатов и превращения в шихте;

• на образование силикатов;

• на нагрев и плавление остаточного кремнезема;

• на плавление стеклобоя;

• на испарение влаги.

Расход тепла на диссоциацию сырьевых материалов и превращения в шихте составляет около 2 % от суммы всех затрат.

Расчет затрат тепла на варку проводят по методу Матвеевых-Френкеля.

Образование силикатов. В процессе варки в зависимости от химического состава имеет место образование следующих силикатов:

Формула для расчета расхода тепла на образование силикатов

, кДж/кг,          (4.4)

где    Q_i – удельный расход тепла на варку силикатов, в кДж, на 1 кг оксида разложения (Na₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, K₂O, BaO, PbO);

P_i – мас. % Na₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, K₂O, BaO, PbO.

При расчете расхода тепла на варку стекломассы из смеси шихты и боя расчет ведется по формуле

, кДж/кг,          (4.5)

где    В – % боя в навариваемой стекломассе, мас. %.

Нагрев и плавление свободного кремнезема. При варке стекла из шихты и боя используется формула

, кДж/кг,          (4.6)

где    Q_плSiO2 тепло на нагрев и плавление SiO₂, принимается по данным табл. 4.1 в зависимости от максимальной температуры варки;

M_SiO2 – молекулярная масса SiO₂;

y – количество свободного SiO₂ в мольных долях на 100 кг стекла:

,          (4.7)

где    P_i – масса оксидов SiO₂, Na₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, K₂O, BaO, PbO;

M_i – молекулярная масса соответствующих оксидов.

Если стекло варится за счет смеси шихты и боя, то формула

, кДж/кг,          (4.8)

где    В – количество стекла, навариваемого за счет боя, мас. %.

Таблица 4.1

Удельные расходы тепла на варку силикатов при разных температурах

Нагрев стеклобоя. Расход тепла на нагрев стеклобоя рассчитывают по формуле

, кДж/кг стекла,          (4.9)

где     – средняя удельная теплоемкость стекломассы, кДж/кг град;

t_М – максимальная температура варки, ºС.

Средняя удельная теплоемкость стекломассы рассчитывается по методу Шарпа-Гинтнера по формуле

, ккал/кг,          (4.10)

где    P_i – cодержание оксида в мас. долях;

a_i, с_i – коэффициенты Шарпа-Гинтера (см. табл. 4.2)

Для расчетов формулу (4.10) целесообразно преобразовать:

, кДж/кг,          (4.11)

где    P_i – содержание отдельных окислов в стекле, мас. %.

После подстановки в формулу (4.9) она примет вид

, кДж/кг.          (4.12)

Испарение влаги из шихты. Расход тепла на испарение влаги из шихты рассчитывают по формуле

, кДж/кг,            (4.13)

где     – теплота испарения влаги, 2500 кДж/кг влаги;

W – количество теплоты в шихте, мас. %;

H – угар шихты, мас. %;

B – количество стекломассы, навариваемой из боя, %.

Суммарные затраты тепла на варку стекла из смеси шихты и боя

.          (4.14)

Таблица 4.2

Молекулярная масса и коэффициенты Шарпа – Гинтнера

Расчет расхода шихты в зависимости от количества обратного боя

В практике стекольной технологии с целью ускорения варки стекла в шихту вводят в среднем от 25 до 50 % стекольного боя.

В условиях производства часто приходится определять количество шихты, которое необходимо загружать в печь в единицу времени, в зависимости от необходимого количества стекломассы и вводимого боя. Для этой цели удобно пользоваться следующей формулой:

,          (4.15)

где    q – количество шихты в кг, загружаемой в печь в единицу времени;

n – угар шихты в %;

p – количество вводимого в печь стеклобоя в % веса шихты;

m – количество стекломассы в кг, получаемой в единицу времени.

Задание 4

1. Выполнить задания для самоконтроля

2. Выполнить расчет

Расчет тепла на варку стекла

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Расставьте в правильной последовательности основные стадии процесса стекловарения:

А) осветление;

Б) гомогенизация;

В) силикатообразование;

Г) студка;

Д) стеклообразование.

2. Установите соответствие между названиями и химическими реакциями, протекающими на стадии силикатообразования:

Твердофазовые реакции	Реакции разложения	Реакции в жидкой фазе

3. Какая из пяти стадий процесса стекловарения является лимитирующей?

4. От чего зависит скорость растворения кварцевых зерен на этапе стеклообразования?

1) от размера зерен;

2) от температуры;

3) от формы зерен;

4) от состава;

5) от поверхностного натяжения;

6) от вязкости.

5. Во сколько раз увеличится время растворения кварцевого зерна при изменении его размера с 0,1 мм до 0,5 мм? Используйте формулу (4.2).

6. Перечислите источники газов в стекломассе.

7. Как изменится скорость подъема газового пузырька при увеличении его размера с 0,01 мм до 1 мм? Используйте формулу (4.3).

8. Назовите основные способы интенсификации процессов гомогенизации стекломассы.

9. Перечислите отличительные особенности процесса варки содо- и сульфатсодержащих стекольных шихт.

10. Пользуясь данными табл. 3.9 и 4.3, определите расход тепла на плавление свободного кремнезема; на образование силикатов; на испарение влаги.

11. Пользуясь данными табл. 3.9 и 4.3, рассчитайте количество свободного кремнезема после завершения реакций силикатообразования.

12. Установите соответствие между видами и названиями пороков стекломассы:

1) мошка;

2) камни;

3) пузыри;

4) свили;

5) кристаллы;

6) шлиры.

стекловидные включения	газовые включения	кристаллические включения

13. Как называются пузыри, образующиеся в результате неполного удаления газообразных продуктов разложения шихты?

14. Перечислите названия «камней кристаллизации», которые чаще всего выделяются в промышленных стеклах.

15. Укажите причины возникновения первичных пузырей:

1) неправильная дозировка осветлителей;

2) высокое содержание растворенных в стекломассе газов;

3) повышение температуры в зоне выработки;

4) недостаточная продолжительность стадии осветления.

16. Какая информация необходима технологу для устранения пороков стекломассы?

Таблица 4.3

Исходные данные к заданию 10 и 11

Задание для расчета

Расчет тепла на варку стекла

Пользуясь данными табл. 1, выполните расчет затрат тепла на варку для заданных составов. Номер задания соответствует номеру студента в списке группы и определяет состав стекла.

Исходные данные к заданию

Таблица 1

Составы промышленных стекол, масс %