3. Расчет состава шихты

Приготовление шихты выполняют на традиционном оборудовании. Трудности процесса связаны с разнообразием составов стекол, малым объемом шихты для мелких партий изделий и огромной номенклатурой используемых материалов. Как правило, каждый материал имеет несколько кондиций (марок) по качеству: технический, чистый, чистый для анализа, химически чистый, особо чистый для производства оптического стекла. Для получения оптического стекла используются кварцевые пески лучших месторождений с содержанием оксида кремния примерно 99% и оксида железа не больше 0,4%.

Выбор сырьевого материала определяется, с одной стороны, его стоимостью, с другой – требованиями к данному стеклу.

Состав, принятый для стекла каждой марки, обеспечивает получение установленных ГОСТ 3514-94 оптических констант при соблюдении некоторых средних условий производства. При любом отступлении от них оптические постоянные отклоняются от номинальных значений. Это определяет чрезвычайно жесткие требования к точности и качеству приготовления шихты.

1. Общие формулы для пересчета состава стекла и их примечание

Состав стекол обычно принято выражать в массовых и молярных процентах. Выражение состава стекол в массовых процентах является наиболее распространенным и удобным для заводской практики. Содержание отдельных оксидов в стекле определяется по формуле (3.1)

, (3.1)

где Р_i – содержание i-ого оксида в стекле, масс.%;

p_i – массовое содержание i-ого оксида в стекле, масс. ч.;

∑p_i – суммарное массовое содержание всех оксидов в стекле, масс. ч.

Состав стекла в молярных процентах выражают, как правило, в научных исследованиях, при расчетах свойств стекла по методу Аппена. Содержание отдельных оксидов в стекле в этом случае определяют по формуле (3.2):

, (3.2)

где N_i – содержание i-ого оксида, мол. %;

n_i – число молей i-ого оксида;

∑ n_i – сумма молей всех оксидов стекла.

1. Приведение химического состава к стопроцентному

Состав сырьевых материалов и стекла (химический состав) в большинстве случаев в сумме не составляет точно 100 %. Расчеты с химическим составом сырьевых материалов или стекол, не приведенных к 100 %, более затруднительны и кропотливы, чем с составом, приведенным к 100 %.

Для приведения состава к стопроцентному используется формула (3.3):

, (3.3)

где Р_i – содержание компонента (оксида) по анализу, мас. %;

∑Р_i – суммарное содержание компонентов (оксидов) по анализу, масс. %.

2. Пересчет состава сырьевых материалов на безугарный

При пересчете состава сырьевых материалов на безугарный из состава исключают выгорающие во время варки стекла соединения, например, CO₂, SO₃, H₂O и др.

Основные вещества сырьевых материалов, представляющие сложные соединения (Na₂CO₃, KNO₃, H₃BO₃, Na₂B₄O₇·10H₂O, Ba(NO₃)₂ и др.), пересчитываются на оксиды в соответствии со стехиометрией химических реакций. Вода и газы, которые удаляются в процессе варки, не включаются в состав сырьевых материалов. Сложные оксиды (PbO₂, Pb₃O₄), а также металлы (Al, Na, Pb) и катиона (Fe²⁺, Zn²⁺) пересчитываются на оксиды, которые образуются в стекле при варке.

Пример 1

Согласно ГОСТ 828-77 натрий азотнокислый технический (селитра натриевая) 1 сорта имеет химический состав (масс. %): NaNO₃ – 99,5; NaCl – 0,5.

В процессе варки из двух молекул NaNO₃ в стекле образуется одна молекула Na₂O

2NaNO₃ = Na₂O + N₂ + 2,5O₂

2 · (22,99 + 14,01 + 15,999 · 3) = 166,994 мас. ч. NaNO₃ дают (22,992 · 2 + 15,999) = 61,979 мас. ч. Na₂O, а 99,5 мас. % NaNO₃ дают Х мас. % Na₂O.

Отсюда содержание Na₂O в селитре натриевой равно

Х = 99,5 · (61,979 / 166,994) = 36,93 мас. %

Кроме того, в результате улетучивания и разложения NaCl парами воды при варке переходит в стекло оксид Na₂O, количество которого в 10 раз меньше по массе исходного количества NaCl.

Следовательно, 0,5 мас. % NaCl дают 0,05 мас. % Na₂O. Тогда суммарное содержание Na₂O в составе натрия азотнокислого технического, которое переходит в состав стекла, составляет

36,93 + 0,05 = 36,98 мас. %

Следовательно, химический состав натрия азотнокислого технического, пригодный для расчета шихты, выражается в виде оксида

Na₂O = 36,98 %.

Пример 2

По ГОСТ 6318-77 сульфат натрия технический имеет следующий химический состав (мас. %): Na₂SO₄ – 97,4; CaSO₄ – 0,15; Fe³⁺ - 0,01; Zn²⁺ - 0,90.

В соответствии с химической реакцией

Na₂SO₄ = Na₂O + SO₂ + 0,5O₂

(22,99 · 2 + 32,06 + 15,999 · 4) = 142,036 мас. ч. Na₂SO₄ дают (22,99 · 2 + 15,999) = 61,979 мас. ч. Na₂O, а 97,4 мас. % дают Х масс. % Na₂O, тогда

Х = 97,4 · (61,979 / 142,036) = 42,50 мас. % Na₂O

Согласно химической реакции

CaSO₄ = CaO + SO₂ + 0,5O₂

(40,08 + 32,06 + 15,999 · 4) = 136,136 мас. ч. CaSO₄ дают 40,08 + 15,999 = 56,079 мас. ч. CaO, а 0,15 мас. % CaSO₄ дают Y масс. % CaO, отсюда

Y = 0,15 * (56,079 / 136,136) = 0,06 мас. % CaO

Исходя из химической реакции

2Fe³⁺ + 1,5O₂ = Fe₂O₃

55,84 · 2 = 111, 68 мас. ч. Fe³⁺ дают (55,84 2 + 15,999 · 3) = 159,677 мас. ч. Fe₂O₃, а 0,01 мас. % Fe³⁺ дает Z масс. % Fe₂O₃.

Z = 0,01 (159,677 / 111,68) = 0,014 мас. % Fe₂O₃

По химической реакции

Zn²⁺ + 0,5 О₂ = ZnO

65,38 мас. ч. Zn²⁺ дают 65, 38 + 15,999 = 81,999 мас. ч. ZnO, а 0,90 мас. % Zn²⁺ дают U мас. % ZnO. Следовательно,

U = 0,90 · (81,379 / 65,38) = 1,12 мас. % ZnO.

После указанных пересчетов химический состав сульфата натрия технического, подготовленный для расчета шихты, выглядит следующим образом (масс. %): Na₂O – 42,59; CaO – 0,06; Fe₂O₃ – 0,014; ZnO – 1,12.

Сумма компонентов в химическом составе сырьевых материалов по данным нормативных документов всегда ниже 100 мас. %, т. к. не учитывает потери при прокаливании, летучие вещества и многие малые примеси. После рассмотренных выше пересчетов в большинстве случаев сумма компонентов становится еще меньше.