Поправочные коэффициенты на улетучивание компонентов

Компоненты стекла	Поправочный коэффициент	Примечание
Na2O	1,032	При введении через соду (Na2CO3)
Na2O	1,06	При введении через сульфат (Na2SO4)
K2O	1,12	-
ZnO	1,04	-
PbO	1,14	-
P2O5	1,075	Листовое стекло
B2O3	1,11	При содержании в стекле до 7%
B2O3	1,15	При содержании в стекле более 7%
Na2SiF6	1,30	-
2NaF · AlF3	1,30
F	1,30	С другими компонентами для обычных стекол
F	1,50	С другими компонентами для тугоплавких стекол
Se	1,90	-
Остальные	1,00	-

 

При введении одного заданного оксида с двумя различными сырьевыми материалами (например, K₂O вводится в свинцовый хрусталь поташом и селитрой) заранее устанавливаю, какое количество оксида вводится с каждым из двух сырьевых материалов.

Количество доломита, бората кальция и кварцевого песка определяют, исходя из заданного содержания в стекле тех оксидов, для введения которых они предназначены, т. е. MgO, B₂O₃, и SiO₂. После этого вычисляют, сколько вводится с этими материалами соответственно оксидов CaO и Al₂O₃, присутствующих в указанных выше сырьевых материалах в виде примесей. По разности между заданным содержанием оксидов в стекле и вводимым с указанными сырьевыми материалами устанавливают новое заданное содержание CaO и Al₂O₃, по уравнению (3.5):

, (3.5)

Исходя из нового заданного содержания A_i определяют количества сырьевых материалов (известняка, технического глинозема), необходимые для введения оставшейся части оксидов кальция или алюминия.

Дальнейшие расчеты выполняются в следующей последовательности. По рассчитанным количествам каждого сырьевого материала в шихте M_i определяют количества всех оксидов, включая примесные, переходящие в стекло с каждым сырьевым материалом. Вычисления выполняют по формуле (3.6):

, (3.6)

где P_ij – количества оксидов, переходящих в стекло из каждого сырьевого материала последовательно, масс.%;

α_ij – содержание оксидов последовательно в каждом сырьевом материале, масс. %;

K_i – поправочные коэффициенты на улетучивание оксидов.

Затем составляют сводную таблицу и суммируют вычисленные значения по каждому заданному и примесному оксиду. При этом получают так называемый расчетный химический состав, в котором сумма компонентов ∑P_ij = ∑A_{расч. i} > 100 мас. ч за счет вхождения в стекло примесных оксидов из сырьевых материалов.

Затем пересчитывают расчетный химический состав стекла на 100 мас. % и получают так называемый теоретический состав. Для пересчета используют выражение (3.7):

A_{теор. i} = A_{расч. i} · (100 / ∑_расч.), (3.7)

где A_теор. i – содержание заданных и примесных оксидов в теоретическом составе стекла, масс. %;

A_{расч. i} – суммарное количество компонентов в расчетном составе стекла, мас. ч.;

∑_расч – суммарное количество компонентов в расчетном составе стекла, масс. ч.

В теоретическом составе стекла, полученном из рассчитанной шихты, сумма всех оксидов ∑_теор. = ∑A_{теор. i} = 100 мас. %.

Поскольку расчет шихты проводится на 100 мас. ч. стекла, в заключение выполняют корректировку количеств сырьевых материалов в шихте по формуле (3.8):

МО_i = (М_i · 100) / ∑_расч., (3.8)

где МО_i – откорректированные количества сырьевых материалов шихты, масс. ч. на 100 мас. ч. стекла;

М_i – ранее определенные по выражению (3.4) количества сырьевых материалов, мас. ч.

Итогом расчета шихты должно быть выражение (3.9)

Q = MO₁ + MO₂ + … + MO_n, (3.9)

где Q – суммарное количество всех сырьевых материалов, масс. ч. на 100 мас. ч. стекла.

Состав шихты по выражению (2.7) необходимо знать для синтеза стекол, а также для расчета производственной программы составного цеха (участка).

По результатам расчета шихты определяются важные с технологической точки зрения показатели: выход стекла при стеклообразовании и угар шихты. Выход стекла при стеклообразовании В определяется из пропорции:

Q масс. ч. шихты дают 100 мас. ч. стекла

100 мас. ч. шихты дают B мас. ч. стекла, тогда выход стекла можно вычислить по формуле (3.10):

B = (10⁴ / Q) % (3.10)

Угар шихты У вычисляют по выражению (3.11):

У = (100 – B) % (3.11)

Пример 1. Расчет стекольной шихты

Заданный химический состав стекла, мас. %: SiO₂ – 62,0; Al₂O₃– 0,9; PbO – 19,5; K₂O – 14,6; Na₂O – 3,0. ∑P_i = 100; 8,0 мас. % K₂O вводится через поташ; 6,6 мас. % K₂O – через селитру.

Химический состав выбранных сырьевых материалов поле необходимых предварительных пересчетов сведен в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Химический состав сырьевых материалов, мас. %

Сырьевые материалы	Заданные оксиды	Примесные оксиды
SiO2	Al2O3	PbO	K2O	Na2O	Fe2O3
Кварцевый песок	98,5	0,6	-	-	0,3	0,03
Технический глинозем	-	98,9	-	-	0,4	0,03
Свинцовый сурик	-	-	97,0	-	-	0,003
Поташ	-	-	-	66,8	0,3	0,001
Селитра калиевая	-	-	-	46,5	-	0,005
Сода техническая	-	-	-	-	57,6	0,005

 

Поправочные коэффициенты на улетучивание оксидов:

SiO2	Al2O3	PbO	K2O	Na2O	Fe2O3
1,00	1,00	1,14	1,12	1,032	1,00

 

Вначале последовательно определяем количества каждого сырьевого материала в шихте по выражению (3.4).

Количество кварцевого песка в шихте

M₁ = (62,0 · 1,0 · 100) / 98,5 = 62,94 мас. ч

С вычисленным количеством кварцевого песка в стекло вводится

А_введ = 62,94 · (0,6 / 100) = 0,38 мас. % Al₂O₃

Следовательно, с помощью технического глинозема в стекло надо ввести Al₂O₃

А’ = 0,90 – 0,38 = 0,52 мас. % Al₂O₃

Тогда количество технического глинозема в шихте

M₂ = (0,52 · 1,0 · 100) / 98,9 = 0,53 мас. ч

Количество свинцового сурика в шихте

M₃ = (19,5 · 1,14 · 100) / 97,0 = 22,92 мас. ч

Количество поташа в шихте

M₄ = (8,0 · 1,12 · 100) / 66,8 = 13,41 мас. ч

Количество селитры калиевой в шихте

M₅ = (6,6 · 1,12 · 100) / 46,5 = 15,90 мас. ч

С вычисленным количеством кварцевого песка в стекло вводится

А_введ = 62,94 · (0,3 / 100) = 0,19 мас. % Na₂O

Следовательно, с помощью соды технической в стекло надо ввести

А’ = 3,0 – 0,19 = 2,81 мас. % Na₂O

Количество соды технической в шихте

M₆ = (2,81 · 1,032 · 100) / 57,6 = 5,03 мас. ч

Далее определяем количество оксидов, переходящих в стекло с каждым сырьевым материалом.

С кварцевым песком в стекло переходит:

Р _SiO2 = (62,94 · 98,5) / (1,0 · 100) = 62,00 мас. %

Р _Al2O3 = (62,94 · 0,6) / (1,0 · 100) = 0,38 мас. %

Р _Na2O = (62,94 · 0,3) / (1,032 · 100) = 0,19 мас. %

Р _Fe2O3 = (62,94 · 0,03) / (1,0 · 100) = 0,019 мас. %

С техническим глиноземом в стекло переходит:

Р _Al2O3 = (0,53 · 98,9) / (1,0 · 100) = 0,52 мас. %

Р _Na2O = (0,53 · 0,4) / (1,032 · 100) = 0,002 мас. %

Р _Fe2O3 = (0,53 · 0,003) / (1,0 · 100) = 0,0002 мас. %

Со свинцовым суриком в стекло переходит:

Р _PbO = (22,92 · 97,0) / (1,14 · 100) = 19,50 мас. %

Р _Fe2O3 = (22,92 · 0,003) / (1,0 · 100) = 0,0007 мас. %

С поташом в стекло переходит:

Р _K2O = (15,90 · 46,5) / (1,12 · 100) = 6,60 мас. %

Р _Fe2O3 = (15,90 · 0,005) / (1,0 · 100) = 0,0008 мас. %

С содой технической в стекло переходят:

Р _Na2O = (5,03 · 57,6) / (1,032 · 100) = 2,81 мас. %

Р _Fe2O3 = (5,03 · 0,005) / (1,0 · 100) = 0,0002 мас. %

Далее составляем сводную таблицу и определяем расчетный состав стекла (табл.3.3).

Таблица 3.3

Расчетный состав стекла

№ п/п	Сырьевые материалы	Переходят в стекло, мас. %
SiO2	Al2O3	PbO	K2O	Na2O	Fe2O3
	Кварцевый песок	62,0	0,38	-	-	0,19	0,19
	Технический глинозем	-	0,52	-	-	0,002	0,0002
	Свинцовый сурик	-	-	19,50	-	-	0,0007
	Поташ	-	-	-	8,0	0,04	0,001
	Селитра калиевая	-	-	-	6,6	-	0,008
	Сода техническая	-	-	-	-	2,81	0,0003
Расчетный состав	62,0	0,90	19,50	14,6	3,042	0,029
∑расч = 100,063

 

Сумма компонентов в расчетном химическом составе стекле оказалась выше 100 за счет вхождения в стекло оксида натрия из технического глинозема и поташа и примесей оксида железа из всех сырьевых материалов. Теоретический состав стекла получаем путем пересчета расчетного состава по выражению (2.5) и сравниваем между собой заданный, расчетный и теоретические составы.

 

	Заданный	Расчетный	Теоретический
SiO2	62,0	62,0	61,95
Al2O3	0,9	0,9	0,9
PbO	19,5	19,5	19,45
K2O	14,6	14,6	14,57
Na2O	3,0	3,042	3,21
Fe2O3	-	0,029	0,2
∑	100,0	100,063	100,0

Анализ химических составов стекол, их сравнение и оценка правильности выбранных сырьевых материалов рассматриваются в разделе 2.4.

Считая теоретический состав стекла, получаемого из выбранных сырьевых материалов, приемлемым, проводим корректировку состава шихты по выражению (2.6):

МО₁ = (62,94 · 100) / 100,063 = 62,90 мас. ч.

МО₂ = (0,53 · 100) / 100,063 = 0,53 мас. ч.

МО₃ = (22,92 · 100) / 100,063 = 22,90 мас. ч.

МО₄ = (13,41 · 100) / 100,063 = 13,40 мас. ч.

МО₅ = (15,90 · 100) / 100,063 = 15,89 мас. ч.

МО₆ = (5,37 · 100) / 100,063 = 5,36 мас. ч.

Q = ∑ МО_i = 120,98 мас. ч. на 100 мас. ч. стекла.

Таким образом, состав шихты, масс. ч. на 100 мас. ч. стекла, будет следующим:

Кварцевый песок 62,90

Технический глинозем 0,53

Свинцовый сурик 22,90

Поташ 13,40

Селитра калиевая 15,89

Сода техническая 5,36

Итого: 120,98

По выражению (2.8) определяем выход стекла при стеклообразовании

В = (10⁴) / 120,98 = 82,6 %

Угар шихты по формуле (2.9) составляет:

У = 100 – 82,6 = 17,4 %

 

3.2.2. Пример 2. Расчет стекольной шихты

Заданный химический состав стекла, мас. %: P₂O₅ – 61,86; Al₂O₃ – 6,54; K₂O – 9,91; ZnO – 20,82; CuO – 0,50; V₂O₅ – 0,37.∑P_i = 100.

Химический состав выбранных сырьевых материалов после необходимых предварительных пересчетов сведен в табл. 2.

 

Таблица 2

Химический состав сырьевых материалов, мас. %

Сырьевые материалы	Заданные оксиды	Примесные оксиды
P2O5	Al2O3	ZnO	K2O	CuO	V2O5	Fe2O3	MnO	Cr2O3	NiO	CoO
H3PO4	68,8				0,000005		0,00005	0,000005	0,000005	0,000005	0,000003
Al2O3							0,03
ZnO			99,7
K2CO3				67,48	0,00005		0,0003	0,0001	0,00005	0,00005	0,000005
CuO					99,9		0,02
V2O5

 

Поправочные коэффициенты на улетучивание оксидов:

P2O5	Al2O3	ZnO	K2O	CuO	V2O5	Fe2O3	MnO	Cr2O3	NiO	CoO
1,075	1,00	1,04	1,12	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00

Последовательно определяем количества каждого сырьевого материала в шихте по выражению (1).

Количество цинковой окиси ZnO в шихте:

M_ZnO = 20,82 · 1,04 · 100 / 99,7 = 21,72 мас. ч.

Количество окиси ванадия V₂O₅ в шихте:

М_V2O5 = 0,37 · 1 · 100 / 97 = 0,38 мас. ч.

Количество фосфорной кислоты H₃PO₄ в шихте:

М_H3PO4 = 61,86 · 1,075 · 100 / 68,8 = 96,66 мас. ч.

С вычисленным количеством фосфорной кислоты в стекло вводится:

А_введ = 122,44 · 0,000005 / 100 = 0,000006 мас. % CuO

Количество глинозема Al₂O₃ в шихте:

М_Al2O3 = 6,54 · 1 · 100 / 98 = 6,68 мас. ч.

Количество поташа K₂CO₃ в шихте:

М_K2CO3 = 9,91 · 1,12 · 100 / 67,48 = 16,45 мас. ч.

С вычисленным количеством поташа в стекло вводится:

А_введ = 16,43 · 0,00005 / 16,43 = 0,00005 мас. % CuO

Следовательно, с помощью окиси меди в стекло надо ввести CuO

А^’_введ = 0,5 – А_введ = 0,5 – 0,00005 - 0,000006 = 0,499944 мас. % CuO

Тогда количество окиси меди CuO в шихте:

М_CuO = А^’_введ · 1 · 100 / 99,9 = 0,499944 · 1 · 100 / 99,9 = 0,5 мас. ч.

Определяем количество оксидов, переходящих в стекло с каждым сырьевым материалом.

С фосфорной кислотой в стекло переходит:

Р_P2O5 = (96,66 · 68,8) / (1,075 · 100) = 61,86 мас. %

Р _Fe2O3 = (96,66 · 0,00005) / (1 · 100) = 0,00005 мас. %

Р_MnO = (96,66 · 0,000005) / (1 · 100) = 0,000005 мас. %

Р_CuO = (96,66 · 0,000005) / (1 · 100) = 0,000005 мас. %

Р_Cr2O3 = (96,66 · 0,000005) / (1 · 100) = 0,000005 мас. %

Р_NiO = (96,66· 0,000005) / (1 · 100) = 0,000005 мас. %

Р_CoO = (96,66 · 0,000003) / (1 · 100) = 0,000003 мас. %

С глиноземом в стекло переходит:

Р_Al2O3 = (6,68 · 98) / (1 · 100) = 6,55 мас. %

Р_Fe2O3 = (6,68 · 0,03) / (1 · 100) = 0,002 мас. %

С окисью цинка в стекло переходит:

Р_ZnO = (21,72 · 99,7) / (1,04 · 100) = 20,82 мас. %

С поташом в стекло переходит:

Р_K2O = (16,45 · 67,48) / (1,12 · 100) = 9,91 мас. %

Р_Fe2O3 = (16,45 · 0,0003) / (1 · 100) = 0,000049 мас. %

Р_MnO = (16,45 · 0,0001) / (1 · 100) = 0,000016 мас. %

Р_CuO = (16,45 · 0,00005) / (1 · 100) = 0,0000082 мас. %

Р_Cr2O3 = (16,45 · 0,00005) / (1 · 100) = 0,0000082 мас. %

Р_NiO = (16,45 · 0,00005) / (1 · 100) = 0,0000082 мас. %

Р_CoO = (16,45 · 0,000005) / (1 · 100) = 0,00000082 мас. %

С окисью меди в стекло переходит:

Р_CuO = (0,5 · 99,9) / (1 · 100) = 0,5 мас. %

Р_Fe2O3 = (0,5 · 0,02) / (1 · 100) = 0,0001 мас. %

С окисью ванадия в стекло переходит:

Р_V2O5 = (0,38 · 97) / (1 · 100) = 0,37 мас. %

Далее составляем сводную таблицу и определяем расчетный состав стекла.

 

 

 

Таблица Расчетный состав стекла	CoO	0,000003			0,00000082			0,00000382	∑ = 100,0122644
NiO	0,000005			0,0000082			0,0000132
Cr2O3	0,000005			0,0000082			0,0000132
MnO	0,000005			0,000016			0,000021
Fe2O3	0,00005	0,002		0,000049	0,0001		0,0022
V2O5						0,37	0,37
CuO	0,000005			0,0000082	0,5		0,5000132
K2O				9,91			9,91
ZnO			20,82				20,82
Al2O3		6,55					6,55
P2O5	61,86						61,86
Сырьевые материалы	Фосфорная кислота	Глинозем	Цинковые белила	Поташ	Меди окись	Ванадия окись	Расчетный состав

Сумма компонентов в расчетном химическом составе стекле оказалась выше 100 за счет вхождения в стекло оксида натрия из технического глинозема и поташа и примесей оксида железа из всех сырьевых материалов. Теоретический состав стекла получаем путем пересчета расчетного состава по выражению (2.5) и сравниваем между собой заданный, расчетный и теоретические составы.

 

Таблица 14

	Заданный	Расчетный	Технический
P2O5	61,86	61,86	61,8524
Al2O3	6,54	6,55	6,5492
ZnO	20,82	20,82	20,8174
K2O	9,91	9,91	9,9088
CuO	0,5	0,5000132	0,5
V2O5	0,37	0,37	0,37
Fe2O3		0,0022	0,0022
MnO		0,000021	0,000021
Cr2O3		0,0000132	0,0000132
NiO		0,0000132	0,0000132
CoO		0,00000382	0,00000382
∑	100,0	100,0122644	100,0

Анализ химических составов стекол, их сравнение и оценка правильности выбранных сырьевых материалов рассматриваются в разделе 2.4.

Считая теоретический состав стекла, получаемого из выбранных сырьевых материалов, приемлемым, проводим корректировку состава шихты по выражению (2.6):

 

МО_H3PO4= 96,66 · 100 / 100,012 = 96,65 мас. ч.

МО_Al2O3 = 6,67 · 100 / 100,012 = 6,68 мас. ч.

MО_ZnO = 21,72 · 100 / 100,012 = 21,72 мас. ч.

МО_K2CO3 = 16,45 · 100 / 100,012 = 16,45 мас. ч.

МО_CuO = 0,5 · 100 / 100,012 = 0,5 мас. ч.

МО_V2O5 = 0,38 · 100 / 100,012 = 0,38 мас. ч.

Q = 96,66 + 6,68 + 21,72 + 16,45 + 0,5 + 0,38 = 142,38 мас. ч. стекла

Таким образом, состав шихты, мас. ч. на 100 мас. ч. стекла будет слудеющим:

Фосфорная кислота	96,65
Глинозем	6,68
Цинковые белила	21,72
Поташ	16,45
Окись меди	0,5
Окись ванадия	0,38
∑	142,38

 

Определяем выход стекла при стеклообразовании

В = (10⁴ / 142,38) = 70,23 %

Угар шихты считаем по формуле (2.9) составляет:

У = 100 – 70,23 = 29,77 %