Шихта для получения стекла
Владельцы патента RU 2494982:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к составам шихт для получения стекла. Технический результат изобретения заключается в улучшении экологии окружающей среды, удешевлении производства стекла за счет утилизации отходов тротилового производства. Отход тротилового производства - это сульфитный щелок и сульфатосодержащая зола. Шихта для получения стекла содержит следующие компоненты, мас.%: кварцевый песок - 46,6-48,1; мел - 2,8-2,9; доломит - 10,5-10,7; каолин - 0,9-1,1; сульфатосодержащую золу - 21,1-22,0; сульфитный щелок - 16,2-16,8 (40-50%-ный раствор). 2 табл.
Изобретение относится к составам шихт для получения бесцветных, окрашенных в массе и других видов стекол, и может быть использовано для изготовления изделий промышленного и декоративно-художественного назначения, а также в производстве керамических изделий.
Сырьевые материалы, которые применяются для изготовления стекла, подразделяются на главные и вспомогательные. К главным сырьевым материалам относятся вещества, с помощью которых в стекло вводятся кислотные, щелочные и щелочноземельные оксиды, являющиеся основой состава современных стекол. К вспомогательным сырьевым материалам относятся различные вещества, которые применяются для улучшения качества стекломассы, ее окрашивания и глушения, а также для ускорения времени ее изготовления (Бутт Л.М., Поляк В.В. Технология стекла. - М.: Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960, с.67).
Основу химического состава силикатных промышленных стекол - оконных, архитектурно-строительных, тарных и других - составляют различные сочетания оксидов Na2O, CaO, SiO2. Кроме того, для снижения склонности к кристаллизации и повышения химической стойкости стекол в их состав дополнительно вводят оксиды магния и алюминия. Так, например, еще в середине 30-х годов И.И. Китайгородским было разработано и внедрено в промышленность алюмомагнезиальное стекло состава, мас.%: SiO2 71,5-72; Al2O3 1,5; CaO 8-8,5; Na2O 15; MgO 3,5 (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М., Стройиздат, 1983, с.211).
Для введения в состав стекла оксида натрия используют карбонат натрия или сульфат натрия. В связи с этим, существуют два варианта стекольных шихт, содержащих сульфат натрия.
Сульфатная шихта - оксид натрия целиком или в количестве более 25% вводится в шихту с помощью сульфата натрия (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М., Стройиздат, 1983, с.106). Однако процесс изготовления стекла из сульфатной шихты становится более продолжительным и требует более высоких температур. В этом случае для ускорения процесса силикатообразования и снижения температуры прибегают к предварительному разложению сульфата натрия до оксида натрия. Для этого в стекольную шихту вводят некоторое количество каменного или древесного угля, древесных опилок или стружек (Технология стекла. Бутт Л.М., Поляк В.В. - М., Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960, с.64) или каких-либо органических веществ (П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. Растворимое стекло (получение, свойства и применение). - М., Гос. изд. литературы по строительным материалам, 1956, 444 с.), действующих в качестве восстановителей сульфата натрия. К способу получения стекла из сульфатной шихты прибегают в случае необходимости снижения стоимости производства продукции, поскольку исходный сульфат натрия является дешевым заменителем соды. Недостатками получения стекла по сульфатному способу являются сложность технологического процесса, необходимость использования дополнительного углеродного топлива и снижение качества получаемой продукции.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототип) является содово-сульфатная шихта, используемая в настоящее время для получения стекла. В этом случае в стекломассу вводится 80-95% оксида натрия с помощью кальцинированной соды, остальное с помощью сульфата натрия, который играет роль осветлителя (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М., Стройиздат, 1983, с.106). Основным недостатком изготовления стекла из подобной шихты является относительно высокая стоимость соды и ее дефицитность, поскольку сода является сырьем, имеющим огромный спрос со стороны различных отраслей промышленности (Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас: Справ. пособие. - М.: Высш. шк., 1992. с.46) и необходимость использования дополнительного углеродного топлива.
Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в утилизации отходов тротилового производства и удешевлении производства стекла.
Технический результат достигается тем, что в шихте для получения стекла, включающей кварцевый песок, кальцийсодержащие и щелочесодержащие компоненты, ускоряющие, осветляющие и восстанавливающие добавки в качестве щелочесодержащих компонентов, ускоряющих, осветляющих и восстанавливающих добавок используют отходы тротилового производства - сульфатосодержащую золу и сульфитный щелок при следующем соотношении компонентов, мас.%: кварцевый песок 48,1-46,6; мел 2,8-2,9; доломит 10,5-10,7; каолин 0,9-1,1; сульфатосодержащая зола 21,1-22,0; сульфитный щелок 16,2-16,8 (40-50%-ный раствор).
При очистке тротила-сырца (Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ, Химия, 1973. - 688 с.) образуются десятки тысяч тонн сульфитного щелока, содержащего натриевые соли сульфокислот несимметричных изомеров тротила, нитрофенолов, нитрокислот, нитрит и нитрат натрия, соду, сульфат и сульфит натрия, сульфид и хлорид натрия. Гидролиз натриевых солей, присутствующих в сульфитном щелоке приводит к тому, что величина pH его раствора повышается до 9,0-9,5, что соответствует слабощелочным средам. По принятой в настоящее время технологии сульфитный щелок после предварительного упаривания до 30-40%-ной концентрации по твердому остатку, направляют на сжигание, а образующуюся золу в отвал. Под воздействием атмосферных осадков она превращается в токсичные стоки, загрязняющие грунтовые воды, что приводит к существенному ухудшению экологической обстановки.
Утилизация отходов крупнотоннажного химического производства путем их использования при получении стекла позволяет улучшить экологическую обстановку в районах производства тротила и значительно удешевить производство стекла без применения дополнительного углеродного топлива.
Процесс приготовления шихты и изготовления стекла заключается в следующем. Отход производства тротила - сульфитный щелок после предварительного упаривания до 40-50%-ной концентрации по твердому веществу и проведения химического анализа смешивается с необходимым количеством кремнезема. Внесение воды с раствором щелока в шихту способствует ее увлажнению, что, наряду с присутствием слабых щелочей в растворе, приводит к образованию на поверхности частиц кварцевого песка равномерно распределенной пленки щелочных соединений, а это, в свою очередь, благоприятно сказывается на процессах силикатообразования. Кроме того, увлажнение сырьевых материалов оказывает также благоприятное влияние и на однородность шихты (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М., Стройиздат, 1983, с.65). Температура сульфитных щелоков должна составлять 50-60°C. Подготовленный таким образом кремнезем смешивают с остальными измельченными компонентами шихты, одним из которых является отход производства тротила - сульфатосодержащая зола. Стоит отметить, что благодаря существующей технологии обезвреживания сульфитных щелоков методом сжигания, образующаяся сульфатосодержащая зола представляет собой тонкодисперсную однородную композицию, не требующую дополнительного измельчения. Типичный химический состав сульфатосодержащей золы приведен в таблице 1.
Полученную шихту загружают в тигли, которые подают в печь при температуре 1100-1200°C. Варку стекла осуществляют в горшковых печах при температуре 1500-1600°C. Благодаря наличию в шихте карбонатов натрия и магния химические процессы в шихте начинаются при сравнительно низких температурах (330-350°C).
| Таблица 1 | |
| Химический состав сульфатсодержащей золы-отхода тротилового производства | |
| Компонент | Содержание компонентов, % |
| Сульфат натрия | 76,49 |
| Карбонат натрия | 18,35 |
| Сульфид натрия | 2,19 |
| Хлорид натрия | 1,44 |
| Углерод | 1,29 |
| Влага | 0,16 |
При 780-880°C происходит появление жидкой фазы за счет эвтектик силикатов магния и натрия с кремнеземом и двойных углекислых солей с Na2CO3 (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М., Стройиздат, 1983, с.107). Однако наличие в составе отходов различных солей натрия (ускорителей варки) приводит к появлению легкоплавких соединений, расплавы которых образуются раньше (Технология стекла. Бутт Л.М., Поляк В.В. - М., Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960, с.132-133).
Непосредственное участие в реакциях восстановления сульфата натрия принимают участие углерод (в виде сажи), который присутствует в сульфатосодержащей золе (от 1,5 до 5%), а также органические восстановители, внесенные в шихту в составе сульфитного щелока и газообразные продукты его разложения CO, H2, CH4 и т.п., которые создают восстановительную атмосферу в шихте. Стоит отметить, что присутствующие в золе и щелоках сульфид натрия (до 3-4%) и пары воды, ускоряют процессы образования силикатов. Это связано с образованием едкого натра, который взаимодействует с кремнеземом энергичнее, чем сода:
Na2S+2H2O=2NaOH+H2S;
2NaOH+SiO2=2Na2SiO3+H2O.
Восстановление сульфата натрия начинается при 740-800°C по реакции:
Na2SO4+2C=Na2S+2CO2
При 865°C начинаются процессы силикатообразования:
Na2SO4+NO2S+2SiO2=2Na2SiO3+SO2+S;
CaO+SiO2=CaSiO3.
Освещение стекломассы и ее гомогенизация требуют повышения температуры стекломассы до 1500-1600°C). (Химическая технология стекла и ситаллов. Артамонова М.В., Асланова М.С., Бужинский И.М. и др. Под ред. Н.М. Павлушкина. - М., Стройиздат, 1983, с.104-110). Присутствие небольших количеств сульфата натрия и хлорида натрия в стекломассе способствуют ее осветлению и гомогенизации, после чего проводится процесс студки, когда температура массы снижается (на 300-400°C) до температуры, необходимой для формования изделий.
В таблице 2 приведен состав стекольных шихт для получения алюмомагнезиальной стекломассы:
| Таблица 2 | ||
| Состав стекольных шихты | ||
| Компонент шихты | Содержание компонента, масс.% | |
| 1 | 2 | |
| Кремнезем | 46,6 | 48,1 |
| Сульфатсодержащая зола | 22,0 | 21,1 |
| Мел | 2,8 | 2,9 |
| Доломит | 10,7 | 10,5 |
| Каолин | 1,1 | 0,9 |
| Сульфитный щелок | 16,8 (40-50%-ный раствор) | 16,2 (40-50%-ный раствор) |
Как видно из табличных данных суммарное содержание отходов тротилового производства в составе шихты используемой для получения стекла по данному изобретению составляет около 40%, что значительно удешевляет весь процесс и позволяет полностью утилизировать отходы тротилового производства.
Шихта для получения стекла, включающая кварцевый песок, кальцийсодержащие и щелочесодержащие компоненты, ускоряющие, осветляющие и восстанавливающие добавки, отличающаяся тем, что в качестве щелочесодержащих компонентов, ускоряющих, осветляющих и восстанавливающих добавок используют отходы тротилового производства - сульфатосодержащую золу и сульфитный щелок при следующем соотношении компонентов, масс.%: кварцевый песок 46,6-48,1; мел 2,8-2,9; доломит 10,5-10,7; каолин 0,9-1,1; сульфатосодержащая зола 21,1-22,0; сульфитный щелок 16,2-16,8 (40-50%-ный раствор).
