Основные составляющие технологического процесса получения стекла и стеклоизделий

Основные составляющие технологического процесса получения стекла и стеклоизделий

Приготовление шихты
Сырьевые материалы
Сырьевые материалы для производства стекла и стеклоизделий условно делят на две группы: основные и вспомогательные.
Основные материалы содержат оксиды, образующие основу стекла и определяющие его свойства. Вспомогательные материалы представляют собой вещества, которые вводятся для изменения характеристик стекла и ускорения процесса стекловарения (красители, обесцвечиватели, глушители, окислители и восстановители, ускорители варки). Сырьевые материалы могут быть также разделены на природные и синтетические. В стеклоделии в основном применяют природные материалы: кварцевый песок, известняки, доломиты, нефелины, полевые шпаты. Остальные материалы, как правило, синтетические: кальцинированная сода (карбонат натрия), поташ (карбонат калия), свинцовый сурик и глет (оксиды свинца), красители и др. Качество сырьевых материалов (химический и гранулометрический составы, примеси и т.п.) регламентируются соответствующими государственными стандартами и техническими условиями, которые периодически пересматриваются и уточняются.

Основные материалы
Кремнеземсодержащие материалы. Основным материалом для ввода в стекло SiO2 является кварцевый песок. Качество песков оценивают по их химическому и зерновому составу. Главное требование к пескам — максимальное содержание SiO2 и минимальное содержание окрашивающих примесей. Для стекловарения применяют пески, содержащие не менее 95% кремнезема и регламентируемое количество окрашивающих примесей, среди которых наиболее распространенными являются оксиды железа. В песках могут содержаться также оксиды титана, ванадия, хрома и сульфиды. При производстве изделий из различных стекол предъявляются различные требования к химическому составу кремнеземсодержащего сырья. Основные из них приводятся в таблице 1:

Таблица 1. Требования к содержанию SiO2 и Fе2О3 в кремнеземсодержащих материалах для различных стекол

Вид стекла
Содержание, %
SiO2 (не менее)
Fе2О3 (не более)
Оптическое
99,8
0,01
Свинцовый хрусталь
99,8
0,01-0,015
Полированное и техническое
98,5
0,03-0,07
Оконное
95,0
0,05-0,15
Тарное
95,0
0,05-0,25

Пески с повышенным содержанием примесей обогащают (целесообразно делать на месте добычи), чтобы получить содержание примесей в указанных количествах. Содержание в песках красящих примесей при производстве высококачественных бытовых изделий из свинцового хрусталя и бесцветных Nа-Са-Si- стекол не должно превышать, %: V2О5 — 0,05; TiO2 — 0,05; Сr2О3 — 0,0001, сульфидов — 0,01-0,001.
При варке стекла важно учитывать размеры зерен песка, особенно количественное соотношение зерен по размерам. В производстве листового стекла, тары и бытовой посуды рекомендуется применять кварцевые пески, в которых содержание фракций размером 0,1-0,5 мм составляет 85-90%. Для ускорения процесса стек-лообразования необходимы мелкие пески с равномерным гранулометрическим составом. Для ускорения процесса варки лучше применять песок с зернами остроугольной формы, так как в этом случае увеличивается реакционная поверхность по сравнению с зернами сферической формы. Для оптического и кварцевого стекол применяют природный, например, жильный кварц высокой чистоты. В последнее время диоксид кремния стали производить искусственно — преимущественно для производства особо чистого кварцевого стекла. Синтетический SiO2 при этом получают следующими способами:
1) парофазным синтезом из тетрахлорида кремния в водородно-кислородном пламени по реакции:

2) прямым окислением тетрахлорида кремния в кислородной низкотемпературной плазме:

3) из геля SiO2 путем его высушивания, термообработки и плавления при 1800°С;
4) выращиванием чистых искусственных кристаллов кварца (в автоклавах при повышенных температурах и давлениях) с последующим термодроблением и кислотной промывкой.
Первые два способа совмещают с наплавлением блоков кварцевого стекла.
Глиноземсодержащие материалы. Ввод Аl2О3 в натрий-кальций-силикатные стекла снижает температурный коэффициент линейного расширения, повышает химическую устойчивость, улучшает механическую и термическую прочность. В производстве листового стекла и стеклотары для ввода Аl2О3 обычно применяют многокомпонентные глиноземсодержащие материалы. В большинстве случаев для ввода Аl2О3 используют концентраты полевошпатовых, пегматитовых и нефелиновых горных пород.
В состав высококачественных стекол Аl2О3 вводят чаще всего чистым техническим глиноземом и иногда гидратом глинозема.
Борсодержащие материалы. Введение в состав стекла незначительного количества (до 2%) оксида бора значительно облегчает варку и осветление стекла, снижает температуру варки, улучшает физико-химические свойства стекла, например, термическую и химическую стойкость.
Оксид бора вводят борной кислотой Н3ВО3, бурой Na2В4О7 . 10Н2О и боратом кальция. Массовое соотношение борного ангидрида и оксида кальция в борате кальция составляет 1,22-1,24.
Натрийсодержащие материалы. Основными материалами для ввода в стекло оксида натрия являются карбонат натрия (сода), сульфат натрия и нитрат натрия (селитра). Карбонат натрия содержит 58,5 Nа2О и 41,5% СО2, температура его плавления 854°С. Технический карбонат натрия для производства стекла должен содержать не менее 95% Nа2СО3 и не более 1% NaCl. В производстве бытовой посуды содержание Fе(ОН)3 ограничивается 0,01-0,02%. Частичным заменителем карбоната натрия может служить сульфат натрия, который обычно применяют в производстве стеклянной тары. Температура плавления сульфата натрия 884°С. Разложение Na2SО4 происходит при температуре 1200-1220°С с большим трудом, поэтому требуется ввод восстановителя.
Оксид натрия частично можно ввести и с горными породами, используемыми для ввода других оксидов, например Аl2О3 (нефелины, полевые шпаты, трахиты и т.п.).
Натриевую селитру применяют для ввода от 1 до 6% Nа2О. Роль натриевой селитры определяется ее окисляющим действием.
Из-за более высокой стоимости селитры по сравнению со стоимостью другого натрийсодержащего сырья, ее применение ограничено.
Калийсодержащие материалы. Оксид калия, введенный в натрий-кальций-силикатное стекло взамен оксида натрия, улучшает его оптические и выработочные характеристики, химическую устойчивость, цветовые характеристики. Сырьем для ввода К2О являются поташ (карбонат калия) и селитра (нитрат калия). Для повышения качества стекла необходимо, чтобы содержание в поташе красящих примесей и сульфата калия было минимальным. Так при варке свинцового хрусталя, когда вводят 12-15% К2О с поташом, содержание оксидов железа в поташе не должно превышать 0,002-0,003%, оксидов хрома — 0,0005%, а сульфат калия вовсе недопустим.
Нитрат калия (селитру) применяют как окислитель для введения от 1 до 6% К2О.
Кальцийсодержащие материалы. Оксид кальция, ускоряя реакции силикатообразования, облегчает варку и осветление стекла, улучшает выработочные характеристики и повышает его химическую устойчивость. Оксид кальция вводится обычно с карбонатом кальция СаСО3, содержащим 56% СаО и 44% СО2. Из минералогических разновидностей карбоната кальция на стекольных заводах применяют известняк, мел, мрамор и известковый шпат. В этих минералах содержится до 90-98% СаСО3, остальную часть составляют примеси (SiO2, Аl2О3, МgО, Fе2О3 и органические вещества). СаО вместе с МgО можно вводить с доломитом СаСO3 . МgСO3.
При производстве бытовой посуды содержание оксидов железа в меле и доломите не должно быть более 0,04%. Однако некоторые месторождения мела, известняка и доломита характеризуются примесями оксида железа до 0,3%, что отражается на колере стекла.
В составы высококачественных стекол рекомендуется вводить оксид кальция с боратом кальция.
Магнийсодержащие материалы. Оксид магния улучшает кристаллизационные характеристики стекла, снижает ТКЛР. В качестве сырья для введения в стекло обычно используют доломит СаСО3 . МgСO3. Природные доломиты всегда содержат примеси песка, глинозема и железа. Постоянство состава и минимальное содержание вредных примесей (соединений железа) имеют важное значение для производства бытовой посуды и обесцвеченной стеклотары.
В качестве материалов для ввода МgО могут быть также применены (при условии постоянства состава) магнезит МgСО3, доломитизированный известняк и др.
Стронцийсодержащие материалы. Оксид стронция при замене части щелочноземельных оксидов улучшает выработочные характеристики, оптические свойства и химическую устойчивость стекла. Можно вводить до 6% оксида стронция в стекло для бытовых изделий и обесцвеченных бутылок, особенно малой вместимости. Оксид стронция можно ввести в стекло с карбонатом стронция SrСО3 (стронцианитом) и сульфатом стронция SrSО4 (целестином). Основное требование к этому сырью — малое содержание оксидов железа. При условии использования чистого сырья оксид стронция может вводиться в состав бессвинцовых хрусталей для бытовых изделий.
Барийсодержащие материалы. При введении небольших количеств ВаО ускоряется варка, улучшаются выработочные характеристики, особенно при механизированном формовании. ВаО повышает показатель преломления и плотность. Для ввода в стекло оксида бария наиболее подходящим сырьем является карбонат бария ВаСО3 или минерал витерит, могут также применяться нитраты и сульфаты. С карбонатом бария вводится 77,7% ВаО, а с нитратом бария — 58,6% ВаО.
Свинецсодержащие материалы. Оксид свинца является основным компонентом оптических и хрустальных стекол и определяет их высокие оптические свойства. Для введения в стекло РbО используют свинцовый сурик Рb3О4 и свинцовый глет РbО. При разложении сурика выделяется кислород, который осветляет стекломассу и поддерживает окислительную среду. Преимуществами использования свинцового сурика перед свинцовым глетом являются отсутствие примесей металлического свинца и минимальная возможность восстановления оксидов свинца.
Содержание красящих примесей в свинецсодержащем сырье должно быть минимальным: оксидов железа — не более 0,001%, соединений никеля, кобальта, меди — до 0,0001%.
Комплексным сырьем для ввода оксида свинца и кремнезема является силикат свинца с содержанием: РbО 70-71 %, SiO2 20-21 %. Силикат свинца представляет собой продукт промышленной переработки свинцовых кеков, содержание красящих примесей в нем превышает допустимые пределы. Материал может быть рекомендован для производства цветных стекол.
Цинксодержащие материалы. Добавка оксида цинка в стекло снижает температурный коэффициент линейного расширения, увеличивает коэффициент преломления и химическую устойчивость. Оксид цинка является обязательным компонентом селенового рубинового стекла. Для введения в состав шихты оксида цинка используют цинковые белила (промышленное название оксида цинка).

Вспомогательные материалы
Красители и обесцвечиватели. Наибольшую группу вспомогательных материалов представляют красители, которые являются соединениями различных металлов и распределяются в стекле на ионном, молекулярном и коллоидном уровнях. Малые количества некоторых красителей служат физическими обесцвечивателями.
Глушители. Для глушения обычно применяют фториды и фосфаты. Соединения фтора могут быть введены с фторидом кальция СаF2, кремнефторидом натрия Na2SiF6, криолитом ЗNаF . АlF3 и хиолитом 5NaF . АlF3. Соединения фосфора применяют в виде костной муки, фосфата кальция Са3(РО4)2, гидрофосфата натрия Nа2НРО4 . RН2О, апатита Са4(СаF)(РО4)3 или Са4(СаСl)((РО4)3. Учитывая, что соединения фтора загрязняют окружающую среду, более широко стали применять глушение стекла соединениями фосфора. Заглушенность стекол также достигается за счет кристаллизации соединений (например, ZnS в группе глушеных сульфидноцин-ковых стекол), а также введения в сваренную стекломассу тугоплавких соединений (Аl2О3, ZrО2) или пузырьков газов N2, О2. Реже для глушения используют соединения олова (SnО, SnO2, SnСl2 . 2Н2О), мышьяка (Аs2О3) и сурьмы (Sb2О3). Глушение может быть также достигнуто применением составов стекол, склонных к фазовому разделению (ликвации).
Окислители и восстановители. Применяют при варке стекла для создания окислительных или восстановительных условий. При варке свинцовых оптических стекол и свинцового хрусталя необходимо создать окислительные условия для предотвращения восстановления оксидов свинца. Окислительная среда играет важную роль при обесцвечивании и повышении теплопрозрачности стекол, содержащих оксиды железа.
В качестве окислителей применяют нитраты (NaNО3, КNО3), оксиды мышьяка, марганца, церия и др. При варке тарных стекол с сульфатом натрия восстановители вводят для ускорения разложения Na2SО4 и окрашивания в янтарный цвет. Восстановительные условия создают при варке медного рубина.
В качестве восстановителей используют углеродсодержащие вещества (опилки, уголь, мазут), соединения олова, виннокаменную соль.
Ускорители. Среди ускорителей варки стекла особое место занимают фториды, которые способствуют появлению жидкой фазы при более низких температурах и увеличивают скорость процесса силикатообразования. Фториды снижают температуру завершения реакций силикатообразования на 100-200°С Считается, что добавка 0,5-1% F ускоряет процессы гомогенизации и осветления стекла на 15-18%. В качестве ускорителя варки обычно применяют кремнефторид натрия Nа2SiF6.
Однако фториды разрушают огнеупорный материал стекловаренных печей. При содержании более 1,5% они усиливают кристаллизацию стекломассы и, вследствие сильной летучести, вместе с дымовыми газами поступают в окружающую среду. Следовательно, применение фторидов требует правильной оценки экономических факторов и факторов охраны окружающей среды.
Ввод 1,5% В2О3, гидроксидов натрия и калия, окислителей ускоряет процесс варки на 15-16%.
К числу ускорителей варки можно также отнести осветлители, которые при высоких температурах способствуют освобождению стекломассы от крупных и мелких пузырей.
Некоторые компоненты шихты (например, сульфат натрия, нитраты натрия и калия) являются осветлителями. Другие осветлители (например, оксиды мышьяка, сурьмы, церия, хлорид натрия, сульфаты натрия и бария, фториды) вводят в состав шихты специально. Для бесцветных стекол сульфаты натрия и бария не являются основными компонентами шихты. Их вводят в состав шихты до 0,7%. В зависимости от состава стекла и съемов стекломассы в шихту вводят 0,05-0,5% оксидов мышьяка и сурьмы. Хлорид натрия вводят в шихту в количестве 0,5-1%. В качестве ускорителей применяют также соли аммония в количестве 0,25-1% массы шихты: нитраты NН4NО3, сульфаты (NН4)2SО4, хлориды NН4Сl. Значительным ускоряющим действием обладают доменные шлаки и материалы на их основе (калумит), которые применяются в производстве окрашенной стеклянной тары.

Комплексные недефицитные материалы
К комплексным недефицитным материалам относятся различные горные породы, стекольный бой, отходы металлургического и обогатительного производства.
Горные породы (нефелиновые сиениты, трахиты, перлиты, полевые шпаты, пегматиты) можно использовать в производстве листового стекла и стеклянной тары для ввода в шихту отдельных оксидов (Аl2О3) и в качестве частичных заменителей карбоната и сульфата натрия.
Существенными недостатками указанных горных пород являются непостоянство их химического состава и содержание довольно большого количества оксидов железа. Поэтому при выборе той или иной горной породы для промышленного использования существенное значение приобретают способы усреднения и поддержания постоянства химического состава.
Для нефелиновых сиенитов характерно значительное содержание Аl2О3 и щелочных оксидов. В производстве стеклянной тары обычно применяют нефелиновый концентрат, являющийся продуктом обогащения горной породы и характеризующийся сравнительно постоянным химическим и зерновым составами. Химический состав концентрата, %: SiO2 42-45; Аl2О3 28-35; NaО + К2О 17-19; СаО 1,2-2,5; Fе2О3 3-3,5; Р2О5 0,2-0,3.
Полевые шпаты бывают калиевые — ортоклазы К[АlSi3О8], натриевые — альбиты Nа[АlSi3О8], калиево-натриевые — микроклины (К,Nа)[АlSi3О8], кальциевые — анортиты Са[АlSi3О8]. Помимо основных компонентов полевые шпаты обычно содержат различные примеси. Путем обогащения отходов гравитации полевых шпатов получают кондиционный полевошпатовый концентрат. Примерный состав концетрата, %: SiO2 65-68; Аl2О3 18,3-21,6; Nа2О — 7,65; К2O 4-8; Fе2О3 0,6; МgО О,01.
Пегматиты — природная смесь 75% полевого шпата и 25% кварца. На стекольных заводах применяют обогащенный пегматит. Состав карельского пегматита, %: SiO2 72-79; Аl2О3 13-19; СаО 1,07-1,14; Fе2О3 0,1-0,6; МgО 0,3-0,4; Nа2О + К2О 6-7.
Каолины Аl2O3.2SiO2.2Н2O (Аl2О3 39,5%; SiO2 46,5%; Н2О 14%) содержат различные примеси, в стекольной промышленности их применяют после обогащения.
Отходы применяются в производстве некоторых изделий, например, стеклянной тары при условии постоянства состава. Можно использовать отходы, получаемые при обогащении полезных ископаемых, а также отходы металлургического, химического и других производств (табл. 2).

Таблица 2. Химический состав отходов производств

Вид отхода
Содержание компонента, %
SiO2
Аl2O3
Fе2О3
Сr2О3
СаО
МgО
P2О5
SО3
Потери
при прока-
ливании
Шлак металлургический
Доменный
феррохромовый
35-38
25-30
12-15
5-10
0,5-1,5
0,2-0,4
5-15
40-43
48-54
601-
5-15



Фосфогипс
(в производстве удобрений)
15,33
0,56
0,41
28,4
3,37
34,7
17,24
Борогипс (в производстве борных соединений)
25,8
1,3
2
27,6
0,18
34,8
6,66
Отработанный катализатор
(в производстве каучука)
5-15
70-85
10-20
2,5 К2О
Отходы электрохимической обработки алюминиевых сплавов
0,78
41,4
0,2
0,45
2,14
10,4
Na2О
44,9
Примечание. В состав доменного шлака входит еще 0,6-2,5 % S2–; в борогипс — 1,6% В2О3.

Стекольный бой. Для облегчения процесса варки стекла и экономии материальных и энергетических ресурсов в стекловаренные печи загружают 20-50% стекольного боя. Стекольный бой применяют также при наварке бассейна печи после холодного ремонта или окончания ее строительства. Загружаемый в печь стекольный бой должен быть чистым, свободным от загрязняющих примесей. Целесообразно использовать бой одинакового состава с применяемым стеклом. Это условие соблюдается в производстве бытовой посуды, где получается значительное количество отходов после отделения колпачка и листового стекла. Однако в производстве стеклянной тары, особенно окрашенной, иногда вводят бой стекол различного химического состава и цвета, часто загрязненный различными примесями. Такой бой ухудшает технологические и экономические показатели производства, снижает эксплуатационные характеристики стеклянной тары. В последнее время использованию и подготовке стеклобоя в производстве стеклотары уделяется большое внимание. При этом решаются технологические, экономические и экологические проблемы. Организуется централизованный сбор стеклобоя, его тщательная очистка и измельчение. Все большее количество стеклотарных заводов использует повышенное содержание стеклобоя, вплоть до 100%.

Подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты
Сырьевые материалы для приготовления шихты должны быть соответствующим образом подготовлены. Подготовка сырьевых материалов предусматривает измельчение, растаривание, разрыхление, сушку, сортирование (просев) и обогащение.
Очевидно, что полная подготовка сырьевых материалов на каждом заводе нецелесообразна, так как усложняет компоновку складов и составного цеха, увеличивает себестоимость продукции, ухудшает условия труда и экологическую обстановку. Целесообразнее готовить и обогащать сырьевые материалы на централизованных базах, в местах их добычи. На стекольные заводы при этом будет поступать обогащенное сырье постоянного химического состава, что позволит стабилизировать технологические процессы варки и выработки изделий и улучшить их качество. Тогда на заводе вместо составного цеха с полной подготовкой сырьевых материалов будет организовано дозировочно-смесительное отделение и составление шихты может быть полностью автоматизировано.
В качестве примера можно привести технологию централизованной подготовки песка для стекольной промышленности. Технология включает следующие операции: сортирование (просев) исходных песков, дезинтеграцию и удаление крупных фракций, механическую или акустическую оттирку первичных шламов и пленок гидроксидов железа, удаление шлама с выделением в отвал частиц размером 0,1 мм, срлотацию с применением анионных реагентов, обезвоживание, фильтрацию и сушку флотационного концентрата.
Для правильного приготовления шихты необходимо применять обогащенные и подготовленные материалы; точно отвешивать сырьевые материалы по рассчитанному составу шихты; тщательно перемешивать сырьевые материалы до полной однородности; подавать и загружать шихту, исключая возможность ее расслаивания.
Основное требование к шихте — высокая степень однородности. Однородная шихта облегчает процесс стекловарения и исключает ряд пороков и дефектов в готовом стекле и стеклоизделиях. Для обеспечения однородности шихты важное значение имеют ее влажность и зерновой состав сырьевых материалов. Зерна сырьевых материалов должны иметь определенный размер, так как от этого зависит возможное расслоение шихты и равномерность растворения при варке. При одинаковом размере зерен компонентов шихта расслаивается тем больше, чем крупнее зерна. Небольшое количество влаги (3-5%) благоприятно влияет на однородность шихты. Воду подают непосредственно в смеситель или увлажняют песок при его взвешивании.

Окончание статьи читайте в журнале «ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ» № 3/2006

Ю. А. Гулоян,
Технология стекла и стеклоизделий
Комментарии
Loading
E-Mail:
следить за ответами
Окна
Металлопластиковые окнаАлюминиевые окнаДеревянные окна
Стеклопакеты
Услуги
Ремонт оконМонтаж пластиковых оконУтепление фасадовУстройство откосов
Аксессуары
ПодоконникиМоскитные сеткиОтливыВертикальные шторы-жалюзи
Двери
Входные двериМежкомнатные двериПротивопожарные двериАвтоматические двери
Фасады
Светопрозрачные фасадыЗимние садыАлюминиевые фасадыНавесные фасады
Системы (бренды)
ПрофилиФурнитураОборудованиеСтекло и заполнениеАрмирующие профилиУплотнителиКрепежПрограммное обеспечение
Энергоэффективность
Калькулятор энергоэффективности окон
Подбор окон по энергоэффективности
Статьи об энергоэффективности
Калькулятор окон
Расчет стоимости окон
Расчет ветровых нагрузок на окна
Расчет энергоэффективности
Рейтинг, Рейтинг сайтов
Акции и скидки
Видео
Выставки
Карты
Новости
Объекты
Профильные системы
© 2019 OKNA.ua, ООО «Экодар». Все права защищены. Пользовательское соглашение
Карта сайта okna.ua