2.2.4.2. Шыны және шыны бұйымдарын өндіру

Шыны өндірісі мынандай технологиялық бөліктерді қамтиды: шикі заттарды дайындау (кептіру, майдалау,байыту); шыны шихтасын әзірлеп қорыту пешіне салу (өлшемдеу-дозалау, қүрамаларын-компоненттерін араластыру және пеш салмаласына жіберу); балқымадан шыны материалдары мен бұйымдарын шығару (қалыптау); сапалық көрсеткіштерін жақсарту үшін бұйымдарды термиялық, механикалық немесе химиялық тәсілдермен өңдеу.

Шикізат материалдарын дайындау. Дайындау сипаты шикі зат материалдарының табиғатына және арналуына байланысты. Кейбір материалдар тек майдалауды немесе химиялық біркелкілігін дұрыстау үшін құрамын орташалауды қажет етеді, ал басқалары, мысалы құм, көпшілігінде біршама күрделі дайындау опреациясынан (темірден ажырату) өтеді.

Ілеспе қосымшасының түріне байланысты құм байытудың мынандай тәсілдері бар: жуу, ысқылау, флотациялау², флотаысқылау^, магниттік бөлектеу (сепарациялау), химиялық өңдеу. Қолдануға оңды құм – орташа түйіршік мөлшері 0,15-0,4 мм.

Әк тасы, доломит, дала және балқығыш шпаттары және басқа ірі кесекті материалдарын өңдеу схемасы былай бейнеленеді: жарып ұсақтау; кептіру; диірменге тартып ұнтақтау: тас елегінде електеу (себу), аспаптарда темір ұнтағын магниттік жолмен бөлектеу сондай-ақ сақар, натрий сульфаты, сода, пегматит және т.б. ұнтақталынады.

Шыны қорытуына қолданатын шыны сынықтарын бөтен қоспалардан темірден, ірі кесектерден айырып, жуып, түйіршік мөлшері 10 мм дейінгі ірілікте шихтаға қосады.

Белгілі шыны құрамы үшін шыны шихтасын шикі заттар құрамын ескере есептейді. Шыныны вертикалдық тарту тәсілімен 100 кг шыныға шамамен есептегендегі шихта қүрамы 7.1- кестеде келтірілген.

Кесте 7.1. Қосылатын шыны сынығын есептемегенде шыныны вертикальмен жоғары тарта созу үшін шамамен есептегендегі шихта құрамы (100 шыныға)

Аталуы	Шыныны тік жоғары созу тәсілі
	қайықтық	қайықсыз
Кварц құмы Доломит Әктас Сода	61 18,2 2,2 3,9	64,3 18, 4 2 1,7
Натрий сульфаты Пегматит Көмір	2,5 10,4 0,5	2,5 10,4 0,5

Алдын-ала әзірленілген, берілген мөлшерлерінде өлшелінген шихта құрамы тарелка немесе барабан тәрізді араластырғыштарда жақсылап араластырылады. Дайындалынған шихта ылғалдылығы 4-7%-дай болуы керек, себебі сондай ылғалдылықта шихта агрегатталына бөлінбей қүрамы бойынша бір келкілігін сақтайды.

Шикі заттар материалдарының сапасыз дайындалынуы, шихта құрамының дұрыс есептелінбеуі, дәл өлшелінбеуі, араластыру сапасының төмендігі және шихтаның жіктелінуі шыны массасының сапасын нашарлатуы сөзсіз, сондықтан шихта сапасын жүйелі түрде тексеріп түрады.

Шихтаны балқыту жылдамдығы, соған сәйкес шынықорыту пешінің өнімділігі шихтаны пешке салу тәсіліне және салынған шихтаның қалыңдығына едәуір байланысты. Әсіресе шихтаны пешке беру тәсіліне көп көңіл бөлінеді: пешке салынған шихта үймесінің мөлшері және орны, берілу мерзімі, үйме арасындағы шыны массасының айналар аралығы және т.б. нақтылы шектерде тәртіптелінген.

Қазіргі шыны өнеркәсібінде шихтаны және шыны сынықтарын пешке салудың төрт тәсілі белгілі: шыны сынығын жұқа қабаттық тиеушілердің шеткі салмалылары (бункерлері) арқылы, ал шихтаны және шыны сынығын қабат-қабат бойында тиегіш бункеріне салу, бұл жерден шыны сынығымен біркелкі араласпаған шихта ванны пешіне келіп түседі; шыны сынығын шихтаның басқа құрамдарымен араластырғышта араластырып, оларды ванналық пешіне беру; роторлық тиегіштің көмегімен шихтаны шыны сынығының қабатына салу.

Қазіргі кездегі үлкен пештердегі тиегіш жеңінің ені бойынша бес- алтыдан тиегіштер орнатылған. Мұндай да шихтаны пештің ұзындығымен тізбектелінген үймелер тәрізді етіп тиейді, бүл технологиялық өте орынды болып саналады. Оның үстіне бірнеше тиегіштер болуының арқасында пештің ені бойынша оның әрбір бөлігіне берілетін шыны сынығының мөлшерін реттеуге мүмкіншілік туады.

Шихтаны пешке оқтын-оқтын биік үймелетіп салған жағдайда шыны массасының деңгейі ауытқып тұратын болады. Соның салдарынан біріншіден шыны былғанады, екіншіден пештің отқа берік қаптамасы бұзылып кетеді. Оның үстіне мезгіл-мезгіл биік үймелетіп салғанда пештегі температуралық тәртіпті өзгертіп жіберетіндей суық-ауа кіріп кетеді. Мұндай жағдайда үйменің іш жағына жылу бояу өтеді де шыны құралу процессі созылып кетеді.

Физикалық-химиялық шыны құралу процесстерін_;жылу алмастыруын және газтәрізді бөлінушілерін аластатуын алатын болсақ та шихтаның биік үймеленіп пешке салынуы пайдасыз екені дәлелденіп тұрады. Жұқалап салған жағдайда силикат құрылу және шыны массасының ашықтану процесстері тездетіледі, қорытылмаған түйіршіктердің тереңгі қабаттарына батып кететіндей құбылыс байқалмайды және газдарын аластату оңайға түседі. Механикаланған тәсілмен шихтаны пешке дамылсыз салғанда ванналық пештердің шынықорыту өнімділігі 10-15% асады.

Шыны қорыту процесінде осындай реттеуді қажет ететін өзгешелер көп. Шыны және шыны бұйымдар тиімділігін және сапасын жетерліктей қамтамасыз ету үшін оларды ескеркен ләзім.

Шыны қорыту – шихтаның сұйық шыны массаға көп сатылық өту процессі. Шыны шихтасын қыздыру барысында күрделі физикалық, химиялық және физика-химиялық процестер жүреді. Осы процестердің түріне және сипаттарына байланысты шыны қорытуды шартты түрде бес сатыға бөледі. Силикаттардың құрылуы, шыны құрылуы,ашықтанылуы (газдардан тазалануы), гомогенділенуі (біртектіленуі), тоңаздануы (суытылуы).

Силикаттық масса құрылу басында мынандай процесстер жүреді: ылғалдын булана бөлінуі; гидраттардың, тұздардаң газ бөліп шығара ыдыраулары; кремнеземдық материалдардың полиморфалық өзгеріске ұшырауы. Оны төмендегіше бейнелейді:

β-кварц -кварц тридимит кристобалит

(1710°С балқиды).

Кварц әрбір келесі модификациясына көшерде көлемі бойынша шетіней ұлғаяды. Температура көтерілген сайын шыны шихтасындағы шикі материалдар арасындағы химиялық реакция үдемелей түседі. 780°С жоғарғы температурада оңай балқитын тұздар мен эфтектикалар³ балқытылады. Бұдан былайғы мезгілде реакция қатты және сұйық күйіндегі заттар арасында жүреді.

Шихтадағы жүретін химиялық процесстер тек шыны қүрамына емес, сонымен қатар шихтаның құрамына да байланысты, демек шыны құрамы оған қандай материалдар түрінде еңгізіледі соған да байланысты. Мысалы натрий тотығы содамен немесе натрий сульфатымен енгізіледі_; соған сәйкес жүретін реакциялар да ерекше.

И.И. Китайгородскийдің пікірі бойынша үшқұрамнан тұратын (кремнеземнан SiO₂, кальций көмірқышқылынан СаСО₃ және көмірқышқылдық натрийден – содадан Na₂CO₃) ең қарапайым шихтада мынандай процесстер жүреді: көмірқышқылдық тұздар СаСО₃ және Na₂CO₃ 380°С температурасында қатты күйінде бір-бірімен қос тұз (қос карбонат) CaNO₂ (CO₃)₂ түзеді. Сосын бұл қос карбонат кремнеземмен SiO₂ әрекеттесуге кіріседі:

CaNa₂(CO₃)₂+2SiO₂ 600-830⁰C→Na₂SiO₃+CaSiO₃+2CO₂↑

Na₂CO₃+SiO₂ 720-900°C→Na₂SiO₃+CO₂↑

740-800°C эвтектиктердің Na₂CO₃-CaNa₂(CO₃)₂ құрылуы мен балқуы жүреді. Бұдан былайғы уақытта төмендегі реакциялар басталады:

қос карбонаттың CaNa₂(CO₃)₂ балқуы – t =813°C; натрий карбонатының Na₂CO₃ балқуы- t=855°C; кальций карбонатының ыдырауы СаСО₃↔СаО+СО₂ – t =912°C; қос карбонаттың ыдырауы CaNa₂(CO₃)₂↔CaO+Na₂O+2CO₂ – t =960°C; кальций силикатының қүрылуы CaO+SiO₂=CaSiO₃ – t =1010°C

Бұл процесстердің барлығы бірінің соңынан бір біртіндеп жүрмейді, қайта бір-бірімен қабаттасып жүреді. Сондықтан бір уақыттын, ішінде бірнеше реакциялар бірден жүретіні байқалады. Силикаттық масса құрылуының соңында шыны шихтасы ішінде газдық көпіршіктері бар шынымассасына айналады. Температурасы көтерілген сайын, шихта құрамдарының ұнтақтылығы жоғарылаған сайын және шихтаға шыны қорытуды тездететін заттардың (хлоридтерді, бораттарды және т.с.с.) еңгізілуіне сәйкес силикаттык масса құрылу жылдамдығы аса түседі.

Сульфаттық шихтағы реакциялар.

Содалық шихтадағыдан сульфаттық шихтада силикатқұралу реакциялары күрделілеу болады. Натрий сульфаты алдымен тотықсызданады, эвтетиктер құралады, натрий сульфатының және оның ыдырағандағы өнімдерінің қатысуларымен шихта құрамаларының өзара әрекеттесулері жүреді де содан силикаттар құралады.

Сульфаттық тотықсыздандырылуын тездету үшін әдетте шихтағы көміртегін, таскөмір немесе ағаш ұнтағы түрінде, табиғи тезекпен немесе таскөмір қоқысымен енгізеді.

Көміртегінің әсерімен 620°С натрий сульфаты натрий сульфидасына Na₂S дейін тотықсызданады:

Na₂SO₄+2C=Na₂S + 2 CO₂

t =500÷900⁰C натрий және кальций силикаттарының құрылулары жүреді:

Na₂S+Na₂SO₄+2SiO₂ 2Na₂SiO₂+S;

Na₂S+CaCO₃+Na₂SiO₄+3SiO₂ 2Na₂SiO₃+CaSiO₃+CO₂+SO₂+S

Құралған эвтектика Na₂S - Na₂SО₄740 °С балқиды, сондай-ақ сода мен натрий сульфатыда t=850°С балқиды. Ұшқыш заттардың бөлінуі t=1100°С бітеді.

Натрий сульфиді мен көміртегі жоғарғы температурада оттегімен тотықтанып реакциялардың қалыптағыдай жүруіне кедергі жасамайтындығынан аулақ болу үшін сульфаттың шихтадан шыны қорытарда пештің қорыту аймағында тотықсыздандырғыш ортаны қолдап отырады.

Егер шихтада су болатын болса онда NaОН пайда болуы мүмкін. Содадан көрі NaОН кремнеземмен күштілеу әрекеттеседі:

NaS+2H₂O→2NaOH+H₂S,

2NaOH+SiO₂→Na₂SiO₃+H₂O.

Сульфаттық ихтаны қорытқанда тотықсыздану тәртібін қатаң ұстауды қажет етеді. Тотықсыздандырғыш жетімсіз болғанда сульфаттың бір бөлігі шынымассасының бетіне сақар сияқты қалқып шығады, ал артық болғанда - темір сульфидісінің пайда болуына байланысты шынымассасының боялып кетуі мүмкін.

Сульфатты шихтада силикатқұрылуы қыйындау жүреді, жылу шығыны көптеу және шынықорыту процесстері ұзақтау болады. Температураны жоғарлатумен, шихтадағы шикі материалдардың ұнтақтығын асырумен оптимальдық шамада шихтаны, дымдандырумен және қорытуды тездететін қоспаларды қолдана отырып силикатқұрылу процессін едәуір жылдамдатады.

Шынықұралуы.Силикатқұрылу процессі соңында пайда болған балқымада силикаттардың құрамдарына кірмей қалып қалған құм түйіршіктері болады (өнеркәсіптік шыныда оның мөлшері 25-30% шамасындай). Осы құмның алдыңғы балқымада ерілу процессін шынықұрылуы деп атайды. Силикаттар балқымалары (қорытпасы) қою болатындықтан бұл процесс шабан жүреді. Шынықұрылу жылдамдығы құм түйіршігінің пішініне, ірілігіне және тазалығына, қорытындының қоюлық дәрежесіне, температура мен қысымдыққа, араласуына және т.с. факторларға байланысты.

Жарықтандыру (ашықтандыру). Шыны қорытқанда әрбір 100 кг шихта шамамен 4-5м газ бөліп шығарады. Осы газдың біразы көпіршік түрінде шынымассасында қалып қояды. Сондай-ақ шынымассасында ондағы еріген СО₂, SO₂, су булары және т.с. есебінде байланыса пайда болған көптеген газдар да болады. Белгілі бір жағдайларда шынымассасындағы еріген газдар көпіршік тәрізді шығып кетеді, біразы, керісінше шынымассасында еріп кетеді. Қалайда газ қалдығының аз болуына шынышылар әруақытта талаптанады. Шыны ашықтығы осы газдардан тазалану дәрежесіне байланысты. Шынымассасынан газ көпіршіктерін жылдамдата және қалайда толығырақ шығару мақсатымен шынықорыту пешінің температурасын 1500-1550°С дейін көтеріп шынымассасын сұйылтады. Сонымен қатар балқыманың беттік тартылысын азайту үшін шихта құрамына кейбір шынылар түріне қорытар кезде жарықтандырғыштар (сульфаттар, хлоридтер, аммонийлық тұздар, кушәлә (мышьяк деген мағынада), сурьма және т.б.) енгізеді. Бұл заттар жоғарғы температурада ыдырап, шынымассасында ірі түйіршікті газ көпіршіктерін құрайды. Ірі көпіршіктер шынымассасынан өздерімен бірге көптеген майда көпіршіктерін сыртқа ала шығады.

Шынымассасының ашықтануын тездету үшін кейде оны жасанды жолмен бұрқылдата қозғалтады (қысымдақтағы жаға ауамен, бумен немесе жылдамдата араластырумен).

Гомогендету - шынымассаның термиялық және химиялық біртектілігін, ондағы үймақтарды және гетерогендік біртекті емес қабаттарды аластауды қамтамасыз етуге негізделген. Бұл процесс шыныжарықтануымен қабаттасып өтеді.

Шынымассасының біркелкілік еместігі шихтаның түйіршік құрамы бойынша жетерліктей бірдей болмағандығынан, құрамдарының өзара жақсы араласпағандығынан немесе тасымалдаған мезгілде шихтаның жіктеліп кетуінен болуы мүмкін. Сондықтан шихта құрамы майда және түйіршіктері мөлшері бойынша мүмкіншілігінше бірдей болғаны жөн.

Тоңазыту (суыту) шынымассасын шыны материалдары мен бұйымдарын қалыптау үшін қажетті істік қоюлығын (ілініспелігін) қамтамасыз ететін температураға дейін салқындату деген мағынада. Суыту мезгілінде, шынымассасының жарықтануы мөлдірленуі аяқталады. Осы технологиялық сатыда жарықтанудан кейінгі шынымассасында тұрақтандырылған газдар теңбе-теңдік бұзылмағаны өте маңызды. Ол үшін суыту кезінде шынымасса температурасын жайлап және үздіксіз төмендетеді, ал пештегі газдық ортаның құрамы және қысымы өзгеріссіз болуы қажет. Бұлай болмаған жағдайда қалыптасқан газдар теңдігі бұзылып шыны кемістігі тудырылуы мүмкін.

Шынықорыту пештері. Шыныны құмыралық және ванналық пештерде қорытады. Ванналықтар мезгілдік және дамылсыз істейтін пештерге бөлінеді, құмыралық пеш тек мезгілдікпен істейді. Жағу тәсілі бойынша газдық құмыралық және ванналық электірлік кедергі және жоғарғы жиілік және т.б. пештеріне жіктеледі.

Құмыралық пештердің пайдалылық әсер коэффициенті 6-8 %, мезгілдік ванналық пештіке - 15, дамылсыз істейтіндіке -17÷18, электрикалық пештердіке- 60%. Мұндағы пайдалылық әсер коэффициенті шыны қорытуына кеткен жылдық шығынның жалпы жылылық шығынға қатынасына тең. Құмыралық пештерде шыны қорытуға кететін жылылық энергия 4,187·10⁷ , ал ванналық пештерде -7,2÷14,7·10⁶ Дж/кг.

Қазырғы кездегі ванналық пештердің өнімділігі тәулігіне 400т шыныға жетеді, электрикалық пештердіке - 80т/тәулік.

Шыны материалдары мен бұйымдарын қалыптау. Созу цилиндірлік біліктер арасында ығыстыра жаю, пресстеу, құйю, күптіре үрлеу және т.б. тәсілдері мен тиісті қоюлықтағы шынымассасынан қалыптайды. Қалыпталынған бұйымдар пішінін айнытпай ұстату үшін оларды тездете суытады. Осы мезгілде шынының жылуөткізгіштігі төмен болатындығынан бұйымдарда кернеу туғызатындай температура түсігі тіпті үлкен болады. Сондықтан бұйымды суытқаннан кейін оны міндетті түрде белгілі қыздыру температурасында біраз ұстап барып арнайы сатылық тәртіпте жайлап суытады (мұны өндірісте отжиг деп атайды): тездете шынымассасы қатая бастағанға дейін, өте баяу - шынының әлі созымталдық күйінен морттық күйіне өткенге дейін және тағы тездете нормалдық температурасына дейін. Бұл опрерацияны бұйымды қалыптайсала бірден жүргізеді немесе жұмсара бастағанға дейінгі температураға қыздырғаннан соң жасайды.

Материалдар мен бұйымдарды қалыптау мезгіліндегі шынымассасының температуралық аралығын, температуралық қалыптау аралығы деп атайды. Қалыптау процессінің маңызды сипаттамасы-шынымасса қоюлығының істік аралығы және осы аралықтағы уақыт.

Қалыптау процессінде шыныбетінің тартылуының да маңызы аз емес. Мысалы, жоғары глиноземдық шикі заттан үстіндік (беттік) тартылу үлкен болғанда шыныүрлеу, құбырмен шыныны күптіру қиынға соғады; созғанда немесе пресстегенде шыны беті тартылып, бұйым пішіні өзгеріп шығады, ал бұрыштары және қырлары доғалданып қалады. Өнеркәсіптік шынылардың үстілей тартылуы 0,22-0,38 н/м аралығында болады және температураны өзгерту арқылы оны қажетті шамаға өзгертіп отыруға болады.

Шыны бұйымдарын еркін және түйіспелі тәсілдерімен қалыптайды. Еркін (немесе оны қайықсыз тәсіл деп те атайды) тәсілімен қалыптағанда қатайғанға дейін шынымасса ешқандай нәрсенің үстіне жанаспайды, мысалы жазық шынылар осылайша жасалады. Түйіспелі (тиіспелі) тәсілде бұйымдар қалыптағышпен бетпе - бет тиістіріліп қалыпталынады. Бірақ мұнда бұйымның беті кейде тегіс болмай қалуы мүмкін, сондықтан бүл тәсіл ұқыптықты талап етеді.

Айналмалы дене пішіндегі бұйымдарды – цилиндірлерді, құбырларды радиотехникалық бұйымдарды және т.б. жасау үшін сыртқа тепкіш күш әсерімен центрифугалаумен қалыптау тәсілі пайдаланады. Бұл тәсіл, бойынша шынымассасын қалыптың түбіне салады да оны үлкен жылдамдықпен (800-1200 аин/мин) айналдырады. Центірден тепкіш күш әсерімен қабырға қалыңдығы бірыңғай тиісті пішіндегі бұйым алынады.