2.2 Применяемое сырье, его характеристика, обоснование химического состава и расчет шихты

Для производства пеностекла используют стекломассу, сваренную из следующих исходных материалов: кварцевого песка, полевого шпата, мела, доломита, соды и сульфата натрия.

Сырьем для производства пеностекла является специально наваренного из шихты гранулята 60 мас. %*¹, 40 % вторичного стеклобоя и 0,3 % газообразователя технического углерода (в виде сажи).

Химический состав стекла для варки гранулята представлен оксидами, %: SiO₂ – 72,1; Al₂O₃ – 2,00; CaO – 6,6; MgO – 4,0; Na₂O – 14,80; SO₃ – 0,5.

Для обеспечения заданного химического состава используют следующие сырьевые материалы:

1) кварцевый песок (SiO₂) – главный стеклообразующий оксид. Кремнезем повышает вязкость стекломассы, улучшает механические и химические характеристики, повышает тугоплавкость стекла и затрудняет его гомогенизацию, уменьшает показатель преломления, ТКЛР и плотность.

Главное требование к пескам – максимальное содержание диоксида кремния и минимальное содержание окрашивающих примесей. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато–зелёный зеленый цвета.

2) сода кальцинированная (Na₂CO₃) служит для введения в состав стекла оксида натрия (Na₂O), играющего роль плавня в стекловарении, снижая тем самым температуру варки стекла, понижает вязкость стекломассы, уменьшает склонность к кристаллизации.

3) сульфат натрия (Na₂SO₄) так же как и сода, служит для ввода оксида натрия.

4) мел (CaCO₃) служит для введения в состав стекла оксида кальция (CaO), который понижает температуру плавления и вязкость стекломассы, улучшает механические и химические свойства стекла, но усиливает склонность к кристаллизации, повышает плотность.

5) доломит (CaCO₃·MgCO₃) вводит в состав MgO и CaO. Оксид магния понижает температуру плавления и склонность к кристаллизации, повышает поверхностное натяжение, уменьшает время провара стекломассы. Снижает устойчивость стекла к действию воды.

6) полевошпатовый материал (R₂O·Al₂O₃·6SiO₂) используется для ввода в состав стекла оксида алюминия (Al₂O₃).

7) газообразователь технический углерод (в виде сажи).

Стеклобой должен соответствовать постоянному химическому составу и минимальному содержанию примесей.

Требования к химическому составу сырьевых материалов предъявляются согласно соответствующим нормативным документам и приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Характеристика сырьевых материалов

Наименование материалов	ГОСТ, ТУ	Характеристика материала, содержание оксидов
Кварцевый песок	ГОСТ 22551–77 Марка ВС–030–8	SiO2 не менее 99,0 % Fe2O3 не более 0,06 % Al2O3 не более 0,1 % СаO не более 0,5 %
Сода кальци –нированная	ГОСТ 5100–85 Марка ОКП21 311020 высшего сорта	Na2O–не менее 58,0%,
Натрий серно– кислый технический	ГОСТ 6318–77 Марка А Высший сорт	Na2O–не менее 43,4%,
Мел мелко–гранулирован–ный	ТУ 21 БССР 296–89 Высший сорт	CaCO3 не менее 54,3 %.
Доломит	ГОСТ 23672–79 Марка ДМ 2,0–0,10	MgO–20,5% CaO–29,5% SiO2–3,5% Al2O3–1,6%

75000 м³ – х кг годовго выпуска гранулята и газообразователя.

х = 11250 т/год – годовой выпуск гранулята и газообразователя

Рассчитаем потребность в стеклогрануляте:

11250 т/год.– 100 %

х т/год – 99,7 %

х = 11250·99,7/100 = 11216,25 т/ год.

Следовательно, потребность в газообразователе : 11250–11216,25 =33,75 т/год.

Расход сырьевого материала для выпуска готовой продукции сводим в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Расход сырьевого материала для выпуска готовой продукции

Материал	Необходимое количество в смену, кг.	Необходимое количество в сутки, кг.	Необходимое количество в год, кг.
Технический углерод (в виде сажи)	32,5	97,54	33750

Гранулят варят из шихты, представленной 60 % шихты и 40 % боя. Соответственно необходимо:

Шихты: 11216,25/(1–0,1178)·0,6=8187 т/год

Стеклобой: 11216,25 ·0,4=4486,5 т/год

Состав сырьевых материалов приведен в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Химический состав сырьевых материалов

Наименование материала	Необходимое кол–о, кг	Содержание компонентов, мас.%
		SiO2	Na2O 3	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3
Песок кварцевый	х1	99,0	–	0,5	–	0,1	0,06
Мел	х2	1,2	–	54,3	0,6	0,6	0,1
Доломит	х3	3,5	–	29,5	20,5	1,6	0,18
Сода кальцинированная	х4	–	58,0	–	–	–	–
Полевой шпат	х5	60,8	8,6	–	–	22,4	0,25
Сульфат натрия	х6	–	43,4	–	–	–	–
Стеклогранулят	100	72,1	2,0	6,6	4,0	14,80	–

Для получения 100 массовых частей стекла необходимо взять (х₁+ х₂ + х₃+ х₄ + х₅+ х₆) сырьевых материалов. Для определения требуемых количеств сырьевых материалов необходимо составить уравнения с учетом ввода определенного оксида с каждым сырьевым материалом. Из нашей таблицы видно, что SiO₂ содержится в песке, меле, доломите, полевом шпате. Тогда его вводится:

с песком кварцевым х₁∙99,0/100=0,99∙ х1 мас.ч;

с полевым шпатом х₆∙60,8/100= х₆∙0,608 мас.ч;

с доломитом х₃∙3,5/100=0,035∙х₃ мас.ч;

с мелом х₂∙1,2/100=0,012∙х₂ мас.ч;

Всего в стекло необходимо ввести 72,23 кг SiO₂.

В связи с этим уравнение для SiO₂ примет вид

SiO₂ : 72,23=0,99∙ х₁+ 0,608∙х₆+0,035∙х₃+0,012∙х₂ .

Аналогично составляют уравнения для других оксидов:

CaO: 6,6= 0,005∙х₁+0,543∙х₂+0,295∙х₃ ;

MgO: 4,0=0,006∙х₂+0,205∙х₃ ;

Na₂O: 14,80 – 0,74=0,058∙х₄+0,086∙х₅ ;

Na₂SO₄ : 0,74=0,434∙х₆ ;

Aℓ₂O₃ : 2,0=0,001∙х₁+ 0,006∙х₂+0,016∙х₃+0,224∙х₅ ;

Из этих уравнений определяем значения неизвестных:

Из уравнения для Na₂SO₄ найдем х₆

х₆=0,74/0,434=1,71мас.ч;

Для упрощения расчета исключим из уравнения для MgO составляющую 0,006∙х₂, полагая, что количество MgO, вносимое с мелом, незначительно. Тогда требуемое количество доломита составит:

х₃=4,0/0,205=19,51 мас.ч;

В уравнении для CaO по тому же принципу пренебрежем переменной 0,005∙х₁, тогда требуемое количество мела составит:

х₂=(6,6–5,75)/0,543=1,56 мас.ч;

В уравнении для Al₂O₃, для упрощения расчета исключим малозначительное составляющее 0,001∙х₁, тогда найдем необходимое количество полевого шпата:

х₅=(2–0,321)/0,224=10,321 мас.ч;

Из уравнения для Na₂O найдем необходимое количество соды:

х₄=(14,06–0,888)/0,58=22,71 мас.ч;

Из уравнения для SiO₂ найдем необходисое количество песка кварцевого:

х₁=(72,1–0,0187–0,683–6,275)/72,1=65,78 мас.ч.

Состав шихты на 100 массовых частей стекла приведен в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Состав шихты на 100 кг стекла

Наименование материала	Масса, масс.ч.
Песок кварцевый	65,75
Мел	1,56
Доломит	19,51
Сода кальцинированная	22,71
Полевой шпат	10,321
Сульфат натрия	1,71
Итого	121,59

Определим угар шихты. Выход стекла, %, определяется из пропорции:

121,59 мас. частей шихты– 100,0 мас. частей стекла;

100,0 мас. частей шихты – х частей по массе стекла,

откуда х=82,20 %.

Потери при стеклообразовании составляют 100,0–82,2=17,8 %

Для приготовления 8187 т/год шихты необходимо следующее количество сырьевых материалов:

Песок кварцевый:

65,75 кг – 100 кг

х – 8187000 кг

х=5382,95 т/год

Мел:

1,56 кг – 100 кг

х – 8187000 кг

х=127,72 т/год

Доломит:

19,51 кг – 100 кг

х – 8187000 кг

х=1597,28 т/год

Сульфат натрия:

1,71 – 100 кг

х – 8187000 кг

х=139,99 т/год

Сода кальцинированная:

22,71 кг – 100 кг

х – 8187000 кг

х=1859,27 т/год

Полевой шпат:

10,321 кг – 100 кг

х – 8187000 кг

х=844,98 т/год

Расход сырьевых материалов для выпуска продукции сводим в таблицу 2.7.

Таблица 2.7 – Расход сырьевых материалов для выпуска продукции.

Материал	Необходимое количество в смену, кг	Необходимое количество в сутки, кг	Необходимое количество в год, кг
Песок кварцевый	5185,89	15557,66	5382950
Мел	123,04	369,13	127720
Доломит	1538,8	4616,42	1597280
Сода кальцинированная	1791,2	5373,6	1859270
Полевой шпат	814,05	2442,14	844980
Сульфат натрия	134,86	404,59	139990
Вода	403	1209	418458

Расчет количества газообразователя в пеностекольной шихте:

100 кг пеностекольной шихты – 100 %

х кг газообразователя –0,3 %.

х=100·0,3/100=0,3 кг газообразователя в шихте.

Тогда гранулята в шихте 100–0,3=99,7 кг.