стекольная шихта

ЮРГПУ (НПИ)

Кафедра ТКС и ВВ

Расчет стекольной шихты

№ 1

Цель работы: получить практические навыки в расчете стекольной шихты.

Приборы и материалы: сырьевые материалы, фарфоровая ступка и пестик, аллундовый (шамотный) тигель, весы, силитовая электрическая печь, средства индивидуальной защиты.

Краткая теория

Стекольной шихтой называется однородная смесь предварительно подготовленных и отвешенных по заданному рецепту сырьевых материалов.

Сырьевые материалы для производства стекла делятся на две группы: главные и вспомогательные.

Главные материалы - это материалы, посредством которых в стекломассу вводятся оксиды: кислотные (стеклообразователи), щелочные и щелочноземельные (модификаторы). Стеклообразователи- оксиды, способные самостоятельно образовывать стекло. Это SiO2 , B2O3, P2O5 и др. Модификаторы- оксиды, не способные самостоятельно образовывать стекла. Они входят в структуру стекла, разрывая и упрощая сетку стекла и определяя его свойства.

Вспомогательные материалы - это добавки, улучшающие свойства стекла или облегчающие варку: осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители и ускорители варки.

Главные материалы вводятся следующими сырьевыми компонентами.

Кремнезем SiO2 . Для большинства стеклоизделий основным сырьевым компонентом является кварцевый песок, содержание которого в шихте составляет 60…70% и выше. Для производства стеклоизделий используются кварцевые пески с содержанием SiO2 не менее 96%.

Борный ангидрид В2О3 . Исходным материалом для введения В2О3 в шихту является борная кислота Н3ВО3 и бура Nа2B4O7∙10H2O, чаще- кальцинированная безводная бура Nа2B4O7 . При расчете шихты необходимо учитывать летучесть буры и борной кислоты. Температура плавления буры – 747°С.

Глинозем Аl2О3 вводят в состав стекла с помощью технического оксида алюминия, гидроксида алюминия Аl2О3∙3Н2О, полевых шпатов, пегматитов, каолинов и др., а также отходов горнообогатительных фабрик — полевошпатового и нефелинового концентратов. Полевые шпаты бывают калиевые (ортоклазы, микроклины K2О∙Al2О3∙6SiО2), натриевые (альбиты Na2О∙Al2О3∙6SiО2), кальциевые (анортиты CaO∙Al2O3∙ 6SiО2).

Каолины Al2O3∙2SiO2∙2H2O (A12O3 39,5 %; SiO2 46,5 %; H2O 14 %) применяют для стекловарения после обогащения (Fe2O3 0,4—1,0%)

Фосфорный ангидрид Р2О5 вводят в состав стекла в виде солей фосфорной кислоты, преимущественно солей кальция, натрия (суперфосфат, костяная мука и пр.). Применяют также фосфаты аммония, апатитовый концентрат и др.

Диоксид циркония ZrО2 вводят в состав стекла в виде циркона или диоксида циркония. Циркон ZrSiО4 — природный минерал, который добывают из россыпей горных пород. Цирконовый концентрат содержит, %: ZrО2 - 64,5; SiО2 - 31,5; TiО2 - 2; Fe2О3 - 0,5. Из циркона получают диоксид циркония.

Диоксид титана TiО2 вводят в стекло через искусственный продукт TiО2, получаемый из титансодержащих минералов (сфена, титаномагнетита, ильменита), а также из титанистых шлаков.

Оксид цинка ZnO вводят в стекло посредством цинковых белил, в которых содержится не менее 96 % оксида цинка.

Оксид свинца РbО2 вводят в стекло посредством свинцового глета (желтый оксид свинца) и свинцового сурика (красный оксид свинца). При варке стекла сурик разлагается (2Рb3О4→6РbО+ О2) на РbО (97,7:%) и О2 (2,3 %). Выделяющийся при этом кислород помогает осветлению стекломассы.

Оксид натрия Na2О в состав стекла вводят через кальцинированную соду и сульфат натрия. Сода Na2CО3 бывает кристаллической Na2CO3∙10H2O и безводной Na2CО3. В стекловарении применяют главным образом безводную соду, которая содержит 58,5 % Na2О и 41,5 % СО2. Кроме того, соду подразделяют на искусственную, природную, легкую, тяжелую. Природная сода применяется редко, потому что она содержит до 15—20% загрязняющих примесей: сульфата натрия, хлористого натрия и др.

Оксид калия К2О вводят в состав стекла при помощи поташа (К2CO3), содовопоташной смеси и селитры KNО3.

Поташ К2СО3 состоит из 68,2 % К2О и 31,8 % СО2. Поташ должен содержать не менее 98 % К2СО3, имеет вид белого порошка, растворимого в воде, легко поглощающего влагу из воздуха. Различают поташ кристаллический К2СО3∙2Н2О и кальцинированный К2СО3. В стеклоделии применяют преимущественно кальцинированный поташ.

Оксид лития Li2О вводят в стекло посредством искусственного углекислого лития Li2СОз и природных минералов лепидолита LiF∙KF∙Al2О3∙3SiО2, сподумена Li2О∙Al2О3∙4SiО2 и др. В лепидолите содержится 6 %, в сподумене —8 % Li2О.

Углекислый литий должен содержать: Li2CО3 не менее 65 %, сульфатов в пересчете на SO4 не более 1,5 %, хлоридов не более 1 % и R2O3 не более 0,5 %.

Оксид кальция СаО вводят в состав стекла посредством карбоната кальция (известняк, мел, мрамор).

Известняк — осадочная горная порода белого цвета или окрашенная соединениями железа в разные оттенки: зеленоватый, желтый, бурый, красноватый и др.

Известняки, используемые в стекловарении, должны содержать не менее 53 % оксида кальция и не более 0,2 % оксида железа (для сортовой посуды не более 0,03%). Мел — мягкая осадочная порода белого цвета, иногда слегка окрашенная примесями. Содержание основного вещества должно быть не менее 98%. Мрамор — горная порода, отличается высоким содержанием СаСО3 до 99 - 99,5 %, постоянством состава и небольшим количеством оксида железа до 0,015 %.

Оксид магния MgO вводят в состав стекла преимущественно посредством доломита и может быть введен магнезитом или доломитизированным известняком.

Доломит CaCО3∙MgCО3 — природный двойной карбонат кальция и магния, горная порода, в которой кроме основного вещества содержатся примеси (SiО2, A12О3, Fe2О3). В зависимости от вида и концентрации примесей доломит окрашен в желтый, бурый, серый цвет. Допускаемое содержание оксидов железа, %, не более: для оконного стекла 0,3, технического 0,1, сортового 0,05.

Оксид бария ВаО вводится в стекло посредством разных солей бария (сернокислый, углекислый, азотнокислый). Сернокислый барий BaSО4 встречается в природе в виде минерала барита (тяжелый шпат). Применение ограничено вследствие трудностей разложения без восстановителей. При повышении концентрации в шихте (более 5 %) добавляют восстановитель (4—7 %). В стекло переходит 65,6 % ВаО.

Углекислый барий ВаСО3 встречается в природе в виде минерала витерита. В стеклоделии применяется также искусственный ВаСО3. В стекло переходит 77,7 % ВаО. Азотнокислый барий Ba(NО3)2, применяемый при производстве оптических стекол (баритовые кроны), содержит 58,6 % ВаО.

Вспомогательные материалы:

Глушители — вещества, при введении которых стекло приобретает способность рассеивать свет (становится непрозрачным). Глушители которые делятся на три группы по способу глушения:

─ кристаллические — с выделением кристаллической фазы;

─ ликвационные —дисперсионные;

─ газовые — за счет газовой фазы.

Наиболее интенсивными являются глушители, образующие кристаллическую фазу. Важнейшим глушителем с кристаллизацией при обжиге является диоксид титана TiO2 (с показателем преломления анатаза и рутила соответственно n=2,52 и 2,76). При обжиге необходима кристаллизация TiO2 в виде анатаза, обладающего равномерной мелкокристаллической структурой. В случае же кристаллизации рутила выделяются крупные, неравномерно расположенные кристаллы желтоватого цвета, обладающие повышенной окрашивающей способностью. В шихту TiO2 как глушитель вводят в количестве 16–20 %, причем пригодным для варки белых эмалей является технический продукт с содержанием TiO2 не менее 98 %. TiO2 снижает вязкость эмали, повышает кислотостойкость и блеск. Наилучшее глушение эмали TiO2 наблюдается в присутствии В2О3, Al2O3 и Р2О5.

Помимо TiO2, к дисперсионным глушителям относятся SnO2, ZrO2, CeO2, MoO3, соединения мышьяка, ZnS, Sb2O3.

ZrO2 встречается в природе в виде минералов — бадделеита ZrO2 и циркона ZrO2SiO2, применяется в качестве кристаллизующегося глушителя, главным образом, в фосфатсодержащих эмалях. ZrO2 (n=2,4), помимо глушения, улучшает химическую и термическую стойкость, тугоплавкость и блеск покрытий. Обычно ZrO2 сочетают с Al2O3, SiO2, Al2O3SiO2. Его введение повышает температуру плавления и щелочестойкость эмали.

Классическим дисперсионным глушителем является SnO2 (коэффициент преломления n=2,06). Это глушитель, который почти не растворяется в расплавленной эмали. Те же незначительные его количества, которые растворяются, частично снова выделяются, улучшая химическую стойкость и прочность эмали. SnO2 придает эмали слабый оттенок цвета слоновой кости и используется, прежде всего, для просветления керамических красок в производстве ювелирных изделий.

СеО2 как дисперсионный глушитель применяется редко, только в специальных эмалях ввиду склонности к переходу в Се2О3, при этом окраска из желтовато-белой переходит в желтовато-коричневую.

К дисперсионным глушителям на основе сурьмы относятся антимонат натрия NaSbO3, придающий кремовато-белый цвет покрытию.

К глушителям, глушащим за счет выделения газовой фазы, относятся многочисленные фтористые соединения. Их глушащее действие проявляется как в виде интенсификаторов кристаллизации, так и за счет образования газовой фазы.

CaF2 — плавиковый шпат, применяемый в качестве флюса, является слабым глушителем. Представляет собой мелкозернистый материал с незначительными количествами примесей силикатов, известкового шпата, оксидов железа. Глушащее действие CaF2 базируется на взаимодействии с Na2O при выделении кристаллов фторида натрия.

Ввиду опасности угара фторидов их нельзя вводить в сильно измельченном виде. Общим для всех фторидов является то, что они обладают слабым глушащим действием и самостоятельно, как правило, не применяются. В общем случае они увеличивают ТКЛР, улучшают блеск, снижают температуру начала размягчения. Из-за отрицательного влияния фтора на состояние окружающей среды в эмалировочной промышленности существует тенденция к исключению или значительному уменьшению применения фтористых компонентов или соединений, либо к установке специальных аппаратов, улавливающих фтор.

К вспомогательным материалам относятся также активаторы сцепления эмали с металлом — оксидные и сульфидные соединения. К оксидным активаторам сцепления относятся оксиды кобальта, никеля, меди, молибдена, ванадия. Из оксидов кобальта наиболее применимы СоО — серого цвета и Со2О3 — черного цвета, из оксидов никеля: NiO — зеленого цвета и Ni2O3 — черного цвета. Наиболее эффективен оксид кобальта в количестве до 1 %. Оксиды никеля действуют слабее и их вводят в 3–4 раза больше, но чаще всего используют совместно оксиды кобальта (0,3–0,5 %) и никеля (0,5–2 %).

МоО3, а также молибдаты аммония, кальция и бария применяют в сочетании с Sb2O3 в качестве активаторов сцепления при безгрунтовом белом эмалировании (1–2 % МоО3, 1–4 % Sb2O3). V2O5 применяется как адгезионное средство при эмалировании хромоникелевых сталей.

К сульфидным активаторам адгезии относятся As2S3 и As2S5, их применяют в сочетании с другими адгезионными средствами.

Окислители вводят в шихту эмали для окисления органических примесей в расплаве и создания окислительных условий, способствующих получению окраски или ее нейтрализации, например, для перевода иона Fe2+ в ион Fe3+.

В качестве окислителей используют натриевую и калиевую селитры (NaNO3 и KNO3), пиролюзит MnO2, в отдельных случаях используют и нитрат бария Ba(NO3)2. Нитраты, помимо окислительной роли, выполняют еще и роль плавней.

Красители стекла представляют собой соединения переходных и редкоземельных тяжелых металлов. С помощью красителей стеклу можно придать любую окраску. На окрашивание стекла влияет тип красителя, его концентрация, режим марки и окислительно-восстановительные условия. Один и тот же краситель в зависимости от условий варки и концентрации может сообщать стеклу разный цвет. На интенсивность и оттенок окрашивания стекла влияет также его состав.

Ход работы:

Расчет сырьевых компонентов шихты:

Расчет шихты ведут исходя из суммарного количества компонента, вносимого всеми сырьевыми материалами.

Кроме того, большинство сырьевых материало содержат летучие вещества, удаляющиеся в процессе стекловарения (вода, газообразные составляющие). Поэтому такие сырьевые материалы должны быть в избытке. При расчете шихты следует учитывать поправку на улетучивание некоторых компонентов (сода).

Таблица 1 – Химический состав сырьевых материалов.

Результаты исследования:

Вариант № 6.

Содержание оксидов, % (по массе):

– 30,0 %

– 14,8 %

– 7,1 %

– 3,8 %

– 5,0 %

– 2,0 %

– 34,0 %

– 5,3 %

Приводим состав стекла и каждого сырьевого компонента к 100 %:

– х₁ песка;

– х₂ буры и х₃ борной кислоты;

–х₅ поташа;

– х₄ соды кальцинированной;

– х₇ углекислого бария;

– х₆ известняка;

– х₉ сурика свинцового;

– х₈ оксида свинца.

Составляем систему уравнений:

99,05х₁ + 0,22х₅ + 1,42х₆ + 1,03х₇ + 0,53х₈ + 0,23х₉ = 29,41

0,12 х₁ + 54,45х₆ = 1,96

15,0х₂ + 0,43х₃ + 58,5х₄ + 0,52х₅ = 3,73

0,12 х₂ + 66,30х₅ = 6,96

35,12 х₂ = 4,51

56,03 х₃ = 10,0

97,7 х₉ = 33,33

77,20 х₇ = 4,9

98,42 х₈ = 5,2 =>

Х₁ = 0,2708

Х₂ = 0,1284

Х₃ = 0,1785

Х₄ = 0,0286

Х₅ = 0,1047

Х₆ = 0,0354

Х₇ = 0,0635

Х₈ = 0,0528

Х₉ = 0,3411

Решая систему уравнений и умножая полученные данные на 100, а также учитывая улетучивание соды в количестве 3,2% имеем следующий состав шихты на 100 массовых частей стекломассы, масс.ч:

Песка = 27,08,

Буры = 12,84,

Борной кислоты = 17,85,

Соды = 2,86,

Поташа = 10,48,

Известняка = 3,54,

Углекислого бария = 6,35,

Оксида цинка = 5,28,

Сурика свинцового = 34,11.

ИТОГО = 120,38.

Таблица 1.

Теоретический состав стекла и шихты.

Вывод: В ходе выполнения работы были получены практические навыки в расчете стекольной шихты.

С Работу выполнил

Студент ХТФ 4-10

Бушнова Ольга

Работу проверил

доцент к.т.н.

Рябова А. В.

Дата