2. Расчет состава шихты по заданному составу стекла

При расчете стекольной шихты принимают, что в стекло переходят оксиды и фториды, а влага и газы улетучиваются. Расчеты шихты можно проводить на 100 массовых частей стекла или на 100 массовых частей кварцевого песка. Более распространен первый способ, т. к. он облегчает дальнейшие вычисления.

Исходными данными для расчета состава шихты служат:

1. Заданный химический состав стекла, масс. %;

2. Химические составы выбранных сырьевых материалов, мас. %;

3. Поправочные коэффициенты на улетучивание компонентов стекла при варке.

Заданный химический состав стекла должен быть приведен к 100 мас. %. В него не должны включаться компоненты, попадающие в стекло как нежелательные примеси в сырьевых материалах (Fe₂O₃, Al₂O₃ и др.), или компоненты, попадающие из атмосферы печи (SO₃).

Химические составы сырьевых материалов принимаются по данным нормативных документов: ГОСТ, ОСТ или ТУ. Химический состав каждого сырьевого материала должен быть представлен в виде оксидов или фторидов, переходящих в стекло. Поэтому данные нормативных документов при необходимости должны быть предварительно обработаны. (см. п. 1.4).

1. Расчет шихты из качественных сырьевых материалов

К качественным сырьевым материалам могут быть отнесены высшие сорта кварцевого песка, доломита, известняка, а также большинство технических сырьевых материалов. За редким исключением (доломит, борат кальция) они предназначены для введения в стекло какого-либо одного заданного оксида, содержание которого в них является высоким, а остальные примесные оксиды содержатся в незначительных количествах. Доломит и борат кальция предназначены для введения в стекла соответственно оксидов магния и бора, но одновременно с ними вводятся примерно такие же по массе количества оксида кальция. Если кварцевый песок содержит существенное количество примесного оксида алюминия, то он может рассчитываться как материал, с которым вводятся два заданных оксида кремния и алюминия. Шихты из качественных сырьевых материалов применяют в производстве оптических и хрустальных стекол, сортового стекла, художественных изделий, многих технических стекол, при лабораторных исследованиях по синтезу стекол.

Некоторые компоненты стекла заметно или сильно улетучиваются в процессе варки. Для компенсации потерь на улетучивание и обеспечения получения стекла заданного состава сырьевые материалы, содержащие такие компоненты, вводят в шихту в повышенных количествах. При расчетах шихты в таких случаях используют поправочные коэффициенты на улетучивание компонентов стекла (табл. 3.1). Расчет шихты на 100 мас. ч. стекла производится по выражению (3.4):

, (3.4)

где М_i – количество сырьевого материала в шихте, масс. ч.;

A_i – заданное содержание оксида в стекле, масс. %;

K_i – поправочный коэффициент на улетучивание оксида при варке;

P_i – содержание заданного оксида в сырьевом материале, масс. %.

Таблица 3.1

Поправочные коэффициенты на улетучивание компонентов

Компоненты стекла	Поправочный коэффициент	Примечание
Na2O	1,032	При введении через соду (Na2CO3)
Na2O	1,06	При введении через сульфат (Na2SO4)
K2O	1,12	-
ZnO	1,04	-
PbO	1,14	-
P2O5	1,075	Листовое стекло
B2O3	1,11	При содержании в стекле до 7%
B2O3	1,15	При содержании в стекле более 7%
Na2SiF6	1,30	-
2NaF · AlF3	1,30
F	1,30	С другими компонентами для обычных стекол
F	1,50	С другими компонентами для тугоплавких стекол
Se	1,90	-
Остальные	1,00	-

При введении одного заданного оксида с двумя различными сырьевыми материалами (например, K₂O вводится в свинцовый хрусталь поташом и селитрой) заранее устанавливаю, какое количество оксида вводится с каждым из двух сырьевых материалов.

Количество доломита, бората кальция и кварцевого песка определяют, исходя из заданного содержания в стекле тех оксидов, для введения которых они предназначены, т. е. MgO, B₂O₃, и SiO₂. После этого вычисляют, сколько вводится с этими материалами соответственно оксидов CaO и Al₂O₃, присутствующих в указанных выше сырьевых материалах в виде примесей. По разности между заданным содержанием оксидов в стекле и вводимым с указанными сырьевыми материалами устанавливают новое заданное содержание CaO и Al₂O₃, по уравнению (3.5):

, (3.5)

Исходя из нового заданного содержания A_i определяют количества сырьевых материалов (известняка, технического глинозема), необходимые для введения оставшейся части оксидов кальция или алюминия.

Дальнейшие расчеты выполняются в следующей последовательности. По рассчитанным количествам каждого сырьевого материала в шихте M_i определяют количества всех оксидов, включая примесные, переходящие в стекло с каждым сырьевым материалом. Вычисления выполняют по формуле (3.6):

, (3.6)

где P_ij – количества оксидов, переходящих в стекло из каждого сырьевого материала последовательно, масс.%;

α_ij – содержание оксидов последовательно в каждом сырьевом материале, масс. %;

K_i – поправочные коэффициенты на улетучивание оксидов.

Затем составляют сводную таблицу и суммируют вычисленные значения по каждому заданному и примесному оксиду. При этом получают так называемый расчетный химический состав, в котором сумма компонентов ∑P_ij = ∑A_{расч. i} > 100 мас. ч за счет вхождения в стекло примесных оксидов из сырьевых материалов.

Затем пересчитывают расчетный химический состав стекла на 100 мас. % и получают так называемый теоретический состав. Для пересчета используют выражение (3.7):

A_{теор. i} = A_{расч. i} · (100 / ∑_расч.), (3.7)

где A_теор. i – содержание заданных и примесных оксидов в теоретическом составе стекла, масс. %;

A_{расч. i} – суммарное количество компонентов в расчетном составе стекла, мас. ч.;

∑_расч – суммарное количество компонентов в расчетном составе стекла, масс. ч.

В теоретическом составе стекла, полученном из рассчитанной шихты, сумма всех оксидов ∑_теор. = ∑A_{теор. i} = 100 мас. %.

Поскольку расчет шихты проводится на 100 мас. ч. стекла, в заключение выполняют корректировку количеств сырьевых материалов в шихте по формуле (3.8):

МО_i = (М_i · 100) / ∑_расч., (3.8)

где МО_i – откорректированные количества сырьевых материалов шихты, масс. ч. на 100 мас. ч. стекла;

М_i – ранее определенные по выражению (3.4) количества сырьевых материалов, мас. ч.

Итогом расчета шихты должно быть выражение (3.9)

Q = MO₁ + MO₂ + … + MO_n, (3.9)

где Q – суммарное количество всех сырьевых материалов, масс. ч. на 100 мас. ч. стекла.

Состав шихты по выражению (2.7) необходимо знать для синтеза стекол, а также для расчета производственной программы составного цеха (участка).

По результатам расчета шихты определяются важные с технологической точки зрения показатели: выход стекла при стеклообразовании и угар шихты. Выход стекла при стеклообразовании В определяется из пропорции:

Q масс. ч. шихты дают 100 мас. ч. стекла

100 мас. ч. шихты дают B мас. ч. стекла, тогда выход стекла можно вычислить по формуле (3.10):

B = (10⁴ / Q) % (3.10)

Угар шихты У вычисляют по выражению (3.11):

У = (100 – B) % (3.11)