Технологический расчет производства хрусталя

   Вспомогательные материалы

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

   В ряде случае количество изделий из стекла определяется в основном их колером и блеском. Это относиться к изделиям из бесцветного свинцового хрусталя и натрий-кальций-силикатного стекла, но имеет значение и для стеклянной тары, например, бутылок для водки. Светопрозрачность бесцветного стекла или цветовые оттенки (особенно зеленые, голубые или желтые) снижают качество изделий и в ряде случаев недопустимы, поэтому  в производстве бытовой посуды, художественных изделий и высококачественной бесцветной стеклотары большое внимание в первую очередь уделяют чистоте применяемого сырья и лишь потом - обесцвечиванию стекломассы.

  Примеси железа дают в зависимости от степени окисления желто-зеленый или сине-зеленый, а в присутствии серы - коричневый оттенок. Оксиды железа в стекле находятся в состоянии подвижного равновесия. Условия равновесия зависят от состава стекла, температуры варки, наличия в стекле окислителей и восстановителей.

  Химическое обесцвечивание осуществляется при вводе кислородосодержащих соединений: оксида мышьяка As₂O₃, селитра (натриевая и калиевая), а так же оксидов церия и марганца.

  При применении селитры значительная часть кислорода выделяется из нее до стадии стеклообразования и удаляется с печными газами. Для дополнительного ввода кислорода и рационального использования кислорода селитры, одновременно с ней вводят в стекло оксид мышьяка As₂O_3.Обесцвечивающее действие мышьяка объясняется тем , что при сравнительно низких температурах As₂O₃ окисляется до As₂O₅ освобождающимися из селитры кислородом. При высоких температурах As₂O₅ диссоциирует с выделением свободного кислорода.

  Благодаря окислительному действию соединений мышьяка равновесие между оксидами железа сдвигается в сторону образования трехвалентного железа. Но обесцвечивание стекломассы соединениями мышьяка имеет ряд недостатков ( соединения мышьяка токсичны и требуют ряд мер безопасности при введение их в шихту, образование пузырей, желтение стекла при воздействии солнечных лучей и т.п.).

  Для обесцвечивания стекла и получения стеклоизделий, устойчивых к действию различных излучений, применяют соединения церия. Для эффективного обесцвечивания стекла оксид церия необходимо вводить в количестве, в 3 - 5 раз превосходящим количество находящегося в стекле оксидов железа. Рекомендуется вводить в шихту от 1 до 2 кг оксида церия на 1 т песка. С этим количеством оксида церия необходимо вводить от 5 до 10 кг селитры, тогда достигается полное химическое обесцвечивание стекломассы и требуется очень небольшая добавка физического обесцвечивания.

  Сущность физического обесцвечивания заключается в том, что в состав стекол вводят небольшое количество специальных красителей, которые окрашивают стекло в цвет, дополнительный к цвету, создаваемому окидами железа. Применение физических обесцвечивателей всегда связано со снижением светопропускания стекла, в то время как при химическом обесцвечивании оно повышается. В качестве физических обесцвечивателей применяют селен и его соединения, оксиды никеля, кобальта, марганца, неодима и эрбия.

  Селен является одним из основных обесцвечивающих материалов при варке бессвинцовых стекол для изделий бытового назначения. Розовая окраска, создаваемая в стекле элементарным селеном, компенсирует сине-зеленую окраску, получающуюся от примесей железа. Значительным свойством селена перед другими обесцвечивателями является сравнительно малое снижение прозрачности стекла. Отрицательным свойством селена является его значительная летучесть. В свинецсодержащих составах образуется оранжевых селенид свинца, поэтому для обесцвечивания свинцовых хрусталей селен не применяют.

  Оксид никеля (II) придает калиевым стеклам фиолетовый цвет, который уравновешивает желтоватый оттенок, создаваемый оксидом железа. Обксид никеля применяется для обесцвечивания натриевых стекол. Ионы никеля обладают высокой поглощающей способностью, поэтому при образовании оксидом никеля снижается общая прозрачность стекол и часто проявляется серый оттенок .

  Оксиды кобальта (II) создающий синюю окраску, используют главным образом как дополнительный краситель для устранения желтоватого оттенка. Весьма интенсивный и устойчивый краситель, требует тщательной дозировки.

  Оксиды неодима и эрбия (III) окрашивают стекло в фиолетовый, пурпурный и розовые цвета, дополнительные к желто-зеленому, зеленому и их оттенкам.

  Наиболее эффективно обесцвечивание, когда стекломасса окрашена слабо, а содержание обесцвечивателей выбрано в зависимости от состава и условий варки стекла. Обесцвечиватели  необходимо тщательно отвешивать и обращать внимание на то , чтобы они хорошо распределялись в стекломассе. Для этого составляют обесцвечивающие смеси , в которых входят еще и  инертные материалы, вводимые в шихту в достаточно больших количествах ( мел, известняк, доломит, сода). При неправильном применении обесцвечивателей, изделия при эксплуатации уменьшают прозрачность, приобретают цветные оттенки после воздействия солнечных лучей или кратковременного интенсивного ультрафиолетового облучения. Это явление называется соляризацией. Устранить или уменьшить ее можно правильным применением обесцвечивателей, минимальным вводом элементов с различной степенью окисления, особенно мышьяка. Соляризацию можно устранить нагреванием изделий до температуры 350 - 400 градусов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  получение, контроль и транспортировка шихты 

Получение, контроль и транспортировка шихты

Отвешивание и смешивание материалов. На стекольных заводах для отвешивания сырьевых материалов используют весы разнообразных конструкций. По принципу действия весы бывают стационарными, отвешивающими только один сырьевой материал; подвижными, отвешивающими все материалы поочередно (весы-тележка, весы на монорельсе); стационарными автоматическими и полуавтоматическими, отвешивающими все сырьевые материалы поочередно (весы снабжены бункером, в который подаются материалы из расходных бункеров); автоматическими, устанавливаемыми под каждым бункером.

В настоящее время на крупных заводах сырьевые материалы отвешивают на автоматических весах, причем весы, транспортные средства и смеситель связаны системой автоматики, обеспечивающей их синхронную работу. Взвешенные в соответствии с рецептом шихты сырьевые материалы перемешивают в смесителях. Контейнерные смесители исключают операцию выгрузки шихты. Их целесообразно применять при малом объеме производства и варке небольших количеств различных стекол (например, при варке окрашенных стекол в Горшковой печи, свинцового хрусталя и т.п.)

Для приготовления шихты при механизированном производстве применяют тарельчатые смесители. В смесителях типа СТ сырьевые материалы через приемную воронку загружают на вращающуюся чашу-тарелку. Перемешивание материалов осуществляется при одновременном вращении чаши-тарелки и установленных с эксцентриситетом по отношению к оси смесителя лопастей или катков, имеющих самостоятельный привод. На стекольных заводах цикл смешивания в тарельчатых смесителях автоматизирован.

 

Рис. 1. Схема технологической линии приготовления шихты с линейным расположением бункеров сырьевых материалов

1 -- бункера сырьевых материалов;

2 -- автоматические весы;

3 -- сборочный конвейер;

4 -- бункер рукавного переключателя;

5 -- смеситель;

6 -- шнек;

7 -- вагонетка (кюбель, конвейер) для транспортировки шихты к стекловаренной печи;

8 -- расходный бункер;

9 -- элеватор.  

В автоматизированных линиях приготовления шихты применяется линейная система расположения бункеров сырьевых материалов, под которыми расположены стационарные автоматические весы. Один из примеров такой линии приведен на рис. 1. Из расходных бункеров 1 сырьевые компоненты после взвешивания на автоматических весах 2, ссыпаются сборочным конвейером 3 в бункер рукавного переключателя 4, из которого попадают в один из смесителей 5, где они перемешиваются и увлажняются. Из смесителя шихта выгружается в бункер шнека 6 и транспортируется элеватором 9, который пересыпает ее в расходные бункера 8, откуда она транспортируется к механизированному загрузчику стекловаренной печи вагонетками 7 или транспортером.

Возможна башенная компоновка дозировочно-смесительного отделения, при которой материалы после каждого отвеса направляются непосредственно в смеситель, что позволяет избежать лишней транспортировки шихты и пыления. На рис. 2 приведена технологическая схема высокопроизводительного цеха приготовления шихты для четырех печей, в которых варят стекло разных цветов с использованием кондиционных сырьевых материалов.

 

Рис. 2. Технологическая схема приготовления шихты с использованием башенного расположения бункеров сырьевых материалов для четырех стекловаренных печей

1 - стекловаренные печи;

2 - конвейеры;

3 - питатели;

4 - бункера шихты;

5 - подъемники;

6 - блок бункеров сырьевых материалов;

7 - автоматические весы;

8 -- сборный бункер;

9 -- смесители;

10 - промежуточные бункера сырьевых материалов;

11 - дробилка;

12 - бункера для красителей.  

На заводах, выпускающих небольшие партии бытовых изделий из различных стекол, для приготовления шихты целесообразно использовать контейнеры. Шихту с применением контейнеров можно приготовить на поточной линии (рис. 3). В этом случае контейнеры последовательно проходят первый и второй весовые участки и участок ручного ввода малых добавок (красители, обесцвечиватели и т.п.). Далее контейнеры подаются на участок смешивания шихты, закрепляются в специальных устройствах, вращаются в течение определенного времени, после чего транспортируются к стекловаренной печи.  

Рис. 3. Технологическая схема дозировочно-смесительного отделения с применением контейнеров

1 -- контейнер;

2 -- первый весовой участок;

3 -- распределительный щит;

4 -- второй весовой участок;

5 -- участок ручного ввода малых добавок;

6 -- участок подачи контейнера вилочным загрузчиком на участок смешивания;

7 -- участок смешивания материалов в контейнерах;

8 -- участок транспортировки контейнеров к стекловаренной печи;

9 -- щит управления;

10 -- бункера для сырьевых материалов;

11 -- бункера для песка и стекольного боя.

Контроль качества шихты. Готовую шихту контролируют на соответствие заданному химическому составу, влажность, однородность. Допустимые отклонения от заданного состава компонентов в отдельных отвесах не должны превышать по песку, соде, поташу ± 1%, по карбонатам кальция и магния, сурику, глету, влаге ± 0,5%. При работе автоматизированных линий требования по отклонениям состава компонентов шихты ужесточаются, что вызывает необходимость применения кондиционных сырьевых материалов. Применение быстродействующих рентгеновских анализаторов для экспресс-анализа шихты и стекла в сочетании с компьютерной системой расчетов по составу шихты, позволяют создать систему управления качеством шихты. Все расчеты проводятся на основе вводимых в компьютер данных по химическому составу стекла и компонентов шихты, их количеству, влажности, точности дозирования. При этом коррекция рецепта шихты должна проводиться при изменении состава сырьевых материалов с учетом того, что допустимые колебания содержания оксидов в стекле не должны превышать 0,2-0,3%.

  Транспортировка готовой шихты. Приготовленную шихту и стекольный бой подают к стекловаренным печам в контейнерах, кюбелях, бункерных вагонетках. При больших объемах подача шихты к стекловаренным печам осуществляется ленточными конвейерами. Возможна подача шихты пневматическим транспортом. При этом расстояние от места приготовления шихты до стекловаренной печи должно быть возможно более коротким. Поэтому для современных заводов, особенно стеклотарных, характерна единая компоновка дозировочно-смесительного отделения и машино-ванного цеха.

  Разработаны способы приготовления однородной шихты в результате проведения реакций силикатообразования в растворах. Впервые однородная шихта, соответствующая определенному составу стекла, была получена способом осаждения и низкотемпературных химических реакций. На основе использования этого принципа разработаны новые способы уплотнения, которые особенно эффективны для мелкодисперсных гидротермальных шихт.

  Гидротермальный способ приготовления шихты. Разработана технология гидротермального приготовления шихты с использованием горных пород, содержащих аморфный кремнезем. Сущностью технологии заключается в двукратной обработке измельченной породы слабыми щелочными растворами в автоклавах при температуре около 180 градусов. Свободный аморфный кремнезем породы на первой стадии обработки взаимодействует с гидроксидом натрия, образуя раствор трисиликата щелочного металла (жидкое стекло). Остаток породы подвергается вторичной щелочной обработке концентрированным раствором, что позволяет получить раствор метасиликата щелочного металла и осадок гидратированных алюмосиликатов. В раствор удается перевести около 80% SiO₂ породы. Силикаты щелочных щелочноземельных металлов (основные компоненты шихты) отличаются довольно высокой степенью чистоты, так как красящие вещества при гидротермальной обработке остаются в осадке щелочных алюмосиликатов. Наиболее выгодна комплексная переработка горных пород, при которой можно получить шихту для различных видов стекол, например, свинцового хрусталя и тарного стекла. Оптимальный вариант получения шихты для свинцового хрусталя обеспечивается при использовании KOH и Pb(NO₃)₂ . однако эти материалы дефицитны, поэтому обычно применяют NaOH, PbO, Pb₃O₄ и поташ. горную породу подвергают гидротермальной обработке только NaOH. Удаление оксида натрия из натриевого стекла осуществляется путем декарбонизации,т.е. взаимодействия с углекислым газом при вводе оксида углерода, или NaHCO₃ , (NH₄)₂CO₃.Схема гидротермального способа приготовления шихты свинцового хрусталя при комплексной переработке перлита: