ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОГРАНУЛЯТА ДЛЯ ПЕНОСТЕКЛА
MIXTURE FOR MAKING QUENCHED CULLET FOR FOAMED GLASS

Традиционная технология производства пеностекла включает в себя помол стеклобоя с газообразователем, формование изделий и их вспенивание при температуре 720-900°C. Поскольку в качестве основного сырья в производстве пеностекла используется стеклобой, чаще поставляемый из разных источников и имеющий соответственно разный химический состав, пеностекло, изготовленное из разнородного стеклобоя, также имеет нестабильные физико-химические характеристики. Поэтому для повышения качества производимого пеностекла целесообразно в качестве исходного сырья использовать стекло, сваренное в ванных стекловаренных печах из специально приготовленной шихты.
Известен состав шихты, включающий кварцевый песок, известняк (возможна замена на доломит или мел), соду и сульфат натрия [1]. Использование этой шихты, близкой по составу к шихте для производства оконного стекла и бесцветной стеклотары (исключение составляет отсутствие глиноземосодержащего сырья), предполагает традиционную технологию двухстадийного производства пеностекла с предварительной варкой стекла в стекловаренной печи.
Предварительная варка стекла позволяет получить при последующих технологических операциях пеностекло с определенными и стабильными физико-химическими свойствами, чего невозможно достигнуть при использовании собираемого стекольного боя, имеющего разнородный химический состав.
2
3
Недостатком этого состава шихты является отсутствие сырья, содержащего один из основных окислов AlO, применяемых при варке стекла, а также относительно большой расход чистого кварцевого песка и высокие энергетические затраты при варке стекла в стекловаренной печи. Также шихта этого состава при традиционной влажности 4,5-5,0% плохо компактируется из-за однородности гранулометрического состава кремнеземосодержащего сырья, а при влажности 7-10% (такое содержание влаги повышает компактируемость смеси) сильно налипает на транспортирующие ленты конвейеров и элеваторов, стенки смесителя, бункеров и другое технологическое оборудование. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является шихта для изготовления стеклогранулята для пеностекла, содержащая кремнеземосодержащую породу, кальцинированную соду и доломит[2] Причем в качестве кремнеземосодержащей породы в данной шихте используется кремнеземосодержащее сырье с содержанием оксида кремния не менее 83 мас.% и размером фракции менее 0,1 мм при следующем соотношении компонентов, масс.%: кремнеземосодержащая порода (кварцевый песок, маршалит, диатонит, опока) - 60…68, кальцинированная сода - 19…23, доломит - 13…16.
Недостатком данного состава является необходимость предварительного просеивания кремнеземосодержащего сырья через сито с размером ячеек 0,1 мм, что в промышленных объемах производства выполнить сложно из-за быстрого засорения мелкоячеистой сетки. При этом все просеиваемое сырье должно быть высушено до влажности 0,5%, что, например, для диатомита с его нанопористой структурой выполнить практически невозможно. Также при просеивании кремнеземосодержащего сырья может возникать большое количество отходов более крупных фракций материала. Кроме того, термическая обработка смеси при температуре 850-900°C с выдержкой при максимальной температуре в течении 30 мин, хотя и позволяет частично получить стеклообразный спек, не гарантирует полного расплавления кремнезема даже в лабораторных условиях.
Наличие остаточного кремнезема в полученном спеке резко снижает качество изготавливаемого из него пеностекла и, очевидно, требует дополнительных энергетических затрат на получение гомогенной стекловидной фазы, которую в производстве можно эффективно получить лишь в стекловаренной печи при более высоких температурах.
3
Другим очевидным недостатком данной шихты является ее мелкодисперсный состав и, особенно, кремнеземосодержащего сырья, которое при традиционной технологии увлажнения быстро комкуется, придавая неоднородность смеси, приготавливаемой в промышленных смесителях. Также полная замена кварцевого песка с гранулометрией 0,1-0,63 мм на мелкодисперсный диатомит и другие материалы с насыпным весом 0,35-0,6 т/м приводит к снижению итогового насыпного веса шихты, что затрудняет ее транспортирование и загрузку в стекловаренную печь.
Предлагаемое же компактирование шихты на валковом прессе не дает плотной упаковки материалов смеси из-за мелкодисперсного состава кремнеземосодержащего сырья, составляющего основу данной шихты.
Отсутствие сульфата в этом составе шихты снижает эффективность последующего процесса ценообразования при взаимодействии углеродосодержащего вспенивателя с измельченным стеклогранулятом.
Решаемая задача - расширение сырьевой базы кремнеземосодержащего сырья и снижение энергетических затрат на технологический процесс изготовления стеклогранулята для производства пеностекла.
Этот технический результат достигается тем, что в шихте для изготовления стеклогранулята для пеностекла, включающей 60-63% кремнеземосодержащего сырья, 19-23% кальцинированной соды, 13-16% доломита, дополнительно содержится 0,45-1,0% сульфата натрия, а в качестве кремнеземосодержащего сырья используют 30-35% кварцевого песка влажностью 0,5% и размером фракции 0,1-0,63 мм и 28-33% диатомита влажностью 15-30% и размером фракции менее 0,1 мм.
Преимуществом предлагаемого состава шихты является частичная замена кварцевого песка с влажностью 0,5% и размером фракции 0,1-0,63 мм на диатомит влажностью 15-30% и размером фракции менее 0,1 мм. Частичная замена кварцевого песка на диатомит, имеющий нанопористую структуру, насыщенную влагой, позволяет существенно увеличить процессы теплопередачи тепла внутрь частиц диатомита и снизить температуру варки стекла. При этом снижение температуры варки является как результатом развитой внутренней поверхности пористых частиц диатомита, так и результатом активной гидрации кремнезема, происходящей на большой поверхности внутренних пор диатомей (скелетов древних водорослей), состоящих из аморфного кремнезема и составляющих основу диатомита.
Наличие 15-30% внутренней влаги в частицах диатомита при варке стекла приводит к тому, что уже при температуре 50°C во время гидратации кремнезема образуются золи и гели кремниевых кислот. При температуре 200°C начинается частичное силикатообразование, а при температуре 750°C - образование эвтетик, появление жидкой фазы сплавленных эвтетик и образование сложных силикатов. Стеклообразование завершается при температуре 1250-1350°C, что на 100-150°C ниже температуры аналогичных процессов, происходящих в шихте, приготавливаемой на основе кварцевого песка.
Другим преимуществом данного состава шихты по сравнению с аналогом и прототипом, в которых кремнеземосодержащее сырье имеет преимущественно однородную гранулометрическую структуру (размер частиц либо меньше 0,1 мм, либо находящийся в интервале 0,1-0,63 мм), является то, что 30-35% кремнеземосодержащего сырья имеет размер частиц 0,1-0,63 мм", а 28-33% кремнеземосодержащего материала состоит из частиц с размером менее 0,1 мм.
3
Шихта только на основе кварцевого песка имеет насыпную плотность 1,3-1,4 т/м, позволяющую эффективно загружать ее в стекловаренную печь с помощью наиболее широко применяемых конструкций загрузчиков шихты. Но эта шихта при требуемой влажности 4,5-4,7% практически не компактируется.
3
Шихта на основе только диатомита компактируется несколько лучше, но имеет низкую насыпную плотность 0,5-0,6 т/м, что затрудняет процесс загрузки ее в стекловаренную печь, приводит к активному уносу шихты, требует увеличения объемов бункеров запаса шихты и приводит к частым зависаниям и образованиям сводов.
3
3
Сочетание же в составе шихты кремнеземосодержащего сырья на основе кварцевого песка и диатомита позволяет не только получить насыпную плотность шихты равную примерно 0,7-0,8 т/м, но и - достигнуть более плотной упаковки разнородных по размеру частиц песка, диатомита и других компонентов при компактировании шихты на валковом прессе. Это в свою очередь повышает прочность частиц скомпактированной шихты, увеличивает ее насыпную плотность примерно до 1,0-1,1 т/м и улучшает ее процессы хранения и транспортирования. Также при разнородных по размеру частицах кремнеземосодержащего сырья снижается требуемое давление прессования, что дополнительно снижает энергетические затраты.
Существенным преимуществом предлагаемого состава шихты является и то, что используемый диатомит имеет влажность 15-30%. Использование диатомита с такой влажностью обусловлено тем, что при 15-30% влажности вся влага практически находится внутри пор диатомей и материал сохраняет хорошую и стабильную сыпучесть при стабильном угле естественного откоса равном примерно 40° [3]. При такой влажности диатомита не образуются комки, он хорошо дозируется и лучше хранится. Кроме того данное процентное содержание влаги в диатомите позволяет обеспечивать конечную влажность шихты 4,5-4,7% при обычной (без гранулирования и компактирования) технологии ее приготовления и - влажность шихты 7-10% при компактировании. Причем концентрация всей влаги происходит внутри пор частиц диатомита, что улучшает процесс смешивания компонентов шихты и исключает комкование, так как операция увлажнения шихты непосредственно водой не производится, а поверхностная влага практически отсутствует даже при достижении конечной влажности шихты 7-10%. Этот положительный эффект позволяет осуществлять длительное хранение шихты (несколько суток) без изменения ее фактической влажности, сыпучести и без комкования.
2
2
3
Дополнительным преимуществом данного состава шихты по сравнению с прототипом является многокомпонентный химический состав диатомита, в котором наравне с SiO присутствует AlO и другие стеклообразующие окислы, которые в чистом кварцевом песке отсутствуют.
Кроме того, наличие сульфата натрия в шихте позволяет получать газонасыщенное стекло, которое при последующем изготовлении пеностекла легче вспенивается.
Шихту готовят смешением материалов в указанных соотношениях и при необходимости компактируют на валковом прессе. В первую очередь в смеситель загружают кварцевый песок и диатомит, которые в течение 30-40 с предварительно перемешивают. Тем самым с помощью диатомита влажностью 15-30% производится условное увлажнение песка, так как вся вода сконцентрирована во внутренних порах диатомей. Далее загружают остальные материалы и в течение 2-3 минут производят окончательное перемешивание смеси.
При компактировании полученную смесь подают в валковый пресс, в котором под давлением валков часть влаги, сосредоточенной внутри пор частиц диатомита, а также золи и гели, образовавшиеся в результате гидратации кремнезема, выдавливаются на поверхность диатомей и прочно связывают между собой частицы компактированной шихты, активизируя одновременно их химическую активность. В дальнейшем приготовленная шихта загружается в ванную стекловаренную печь, в которой варится стекло. На выработке стекло сливается в гранулятор, в котором формируются гранулы. Далее стеклянные гранулы сушатся и складируются перед транспортированием непосредственно в производство пеностекла.
Сущность изобретения поясняется примерами, в которых приведены результаты измерений свойств шихты, полученной при разном процентном содержании кварцевого песка и диатомита и разной влажности диатомита.
Пример 1.
В таблице 1 приведен состав №1 шихты.
Расход материалов дан из расчета на 100 кг стекломассы с учетом угара шихты.
Таблица 1
Наименование материала
соотношение материалов, %
вес сухого материала, кг
влажность, %
вес влажного материала, кг
насыпной вес, т/м<sup>3</sup>
Кварцевый песок
35
43,52
0,5
43,74
1,6
Диатомит
28
34,82
15
40,04
0,35
Кальцинированная сода
20
24,87
0,5
24,99
1,0
Доломит
16,5
20,51
0,5
20,61
1,5
Сульфат натрия
0,5
0,62
1,0
0,63
1,4
Шихта
100
124,34
4,56
130,01
0,72
3
3
Полученная шихта имеет итоговую влажность 4,56% и насыпной вес 0,72 т/м. Влажность соответствует требованиям к содо-сульфатной шихте для производства листового стекла и бесцветной стеклотары. Шихта имеет относительно невысокую насыпную плотность, которая при компактировании повышается до 0,8-0,9 т/м. Шихта слегка склонна к пылению и должна загружаться в стекловаренную печь с герметичными загрузочными карманами с помощью шнековых или эжекторных (плунжерно-поворотных) загрузчиков шихты.
При варке стекла из этой шихты температура варки снижается на 120°C по отношению к варке стекла из шихты, приготовленной на основе кварцевого песка.
Пример 2.
В таблице 2 приведен состав №2 шихты, в которой увеличено процентное содержание диатомита при той же исходной влажности диатомита.
Таблица 2
Наименование материала
соотношение материалов, %
вес сухого материала, кг
влажность, %
вес материала с учетом влаги, кг
насыпной вес, т/м<sup>3</sup>
Кварцевый песок
30,0
37,31
0,5
37,50
1,6
Диатомит
33,00
41,03
15
47,18
0,35
Кальцинированная сода
20,00
24,87
0,5
24,99
1,0
Доломит
16,50
20,51
0,5
20,61
1,5
Сульфат натрия
0,50
0,62
1,0
0,63
1,4
Шихта
100,00
124,34
5,28
130,9
0,66
3
Увеличение итоговой влажности шихты за счет увеличения процентного содержания диатомита дополнительно снижает температуру варки стекла еще на 10-20°C, но итоговая насыпная плотность шихты, равная 0,66 т/м, приводит к существенному пылению при компактировании шихты.
Пример 3.
При почти равных пропорциях песка и диатомита и увеличении влажности диатомита до 25% насыпная платность практически не меняется по сравнению с примером №2, а влажность шихты увеличивается до 8% (таблица 3).
Таблица 3
Наименование материала
соотношение материалов, %
вес сухого материала, кг
влажность, %
вес влажного материала, кг
насыпной вес, т/м<sup>3</sup>
Кварцевый песок
32
39,78
0,5
39,98
1,6
Диатомит
31
38,55
25
48,19
0,35
Кальцинированная сода
20
24,87
0,5
24,99
1,0
Доломит
16,5
20,51
0,5
20,61
1,5
Сульфат натрия
0,5
0,62
1,0
0,63
1,4
Шихта
100
124,34
8,01
134,4
0,67
Повышение влажности шихты до 8% улучшает компактируемость шихты, но дополнительные затраты на выпаривание воды из шихты в процессе стекловарения не позволяют дополнительно снизить температуру варки стекла.
Дополнительно прочность компактируемой шихты можно увеличить за счет повышения влажности диатомита до 30%.
Пример 4.
В таблице 4 приведен состав шихты №4, имеющий оптимальную влажность и насыпную плотность для компактирования.
Таблица 4
Наименование материала
соотношение материалов, %
вес сухого материала, кг
влажность, %
вес влажного материала, кг
насыпной вес, т/м<sup>3</sup>
Кварцевый песок
35
43,52
0,5
43,74
1,6
Диатомит
28
34,82
30
45,27
0,35
Кальцинированная сода
20
24,87
0,5
24,99
1,0
Доломит
16,5
20,51
0,5
20,61
1,5
Сульфат натрия
0,5
0,62
1,0
0,63
1,4
Шихта
100
124,34
8,77
135,24
0,7
Дальнейшее повышение влажности диатомита, хотя и приведет к повышению насыпной плотности шихты, но резко снизит качество приготавливаемой смеси за счет активного комкования шихты и резкого снижения сыпучести диатомита.
3
Таким образом, изменяя соотношение кварцевого песка и диатомита, а также влажности диатомита можно получать как обычную сыпучую шихту с влажностью 4,5-5% и насыпной плотностью 0,7-0,72, так и компактированную шихту с влажностью 8-9% и насыпной плотностью после компактирования 1-1,2 т/м.
Последующая варка стекла из подобной шихты существенно снижает энергетические затраты. А замена части кварцевого песка более дешевым сырьем - диатомитом не только снижает себестоимость шихты, но и ускоряет процессы стекло и силикатообразования при более низких температурах.
Источники информации
1. Ф. Шилл. Пеностекло. - М.: Стройиздат, 1965 г., с.9-35
2. Патент РФ №2361829, Кл. C03C 11/00, опубл. 27.11.2008 г.
3. А.В. Беляков, И.А. Карнаущенко, Е.П. Волкова и др. Подготовка шихты для повышения температуры службы теплоизоляции на основе диатомита. - Техника и технология силикатов. №4 2010 г., с.2-5.