Разработка технологии светотеплозащитного окрашенного в массе флоат-стекла на основе применения разных видов соды

Актуальность темы

В условиях современной рыночной экономики для успешного развития производства строительных материалов, в том числе стекла, необходимо опережающее развитие сырьевой базы и выбор путей наиболее эффективного их использования. Качество и свойства вырабатываемых стеклоизделий находятся в прямой зависимости от однородности стекломассы, которую, наряду с технологическими параметрами, определяют также применяемые сырьевые материалы, способы их обработки и подготовки шихты.

Основным источником щелочного сырья в технологии флоат-стекла является техническая кальцинированная сода, посредством которой в состав стекла вводится до 14 мае. % оксида натрия и которая является наиболее дорогостоящим компонентом стекольной шихты, существенно влияющим на его себестоимость. Стекольная отрасль — крупнейший потребитель кальцинированной технической соды. Так, в 2006 году стекольной промышленностью было использовано 1,4 млн. тонн щелочного сырья, а к 2010 году ожидается увеличение потребления до 40%. Мировая потребность в кальцинированной технической соде, оцениваемая в 33 млн. т/год, удовлетворяется на 60% по способу получения «Solvay process». Разработанный в России комплексный и безотходный гидрохимический метод производства соды из известняка и нефелиновых руд успешно реализован на «Ачинском глиноземном комбинате» для получения кальцинированной технической соды из нефелинового сырья, в качестве сопутствующего продукта при производстве глинозема. У нас в стране и за рубежом имеются публикации, указывающие на возможность использования нефелиновой соды в технологии стекла преимущественно тарного. Однако, отсутствует опыт ее применения в производстве высококачественного флоат-стекла, в частности, окрашенного в массе соединениями железа, кобальта и селена со специальными светотехническими свойствами.

Все исследования, направленные на выявление и изучение альтернативных щелочесодержащих материалов, улучшение их свойств и вовлечение в производство новых поставщиков сырья, являются перспективными и актуальными, так как устраняют дефицит и расширяют сырьевую базу стеклоделия, способствуя снижению себестоимости вырабатываемой продукции и одновременно решают экологический аспект проблемы.

Однако, замена одного из основных компонентов стекольной шихты связана с определенными трудностями такими, как разница в химическом составе и физико-химических свойствах щелочесодержащего сырья, непостоянство содержания примесных составляющих. Так, замена в составе шихты традиционной аммиачной соды марки «Б» («легкая») на марку «А» («тяжелая») или на нефелиновую (сода «АГК», сода «РУСАЛ») приведет к изменению качества и свойств шихты, изучение которых представляет научный и практический интерес. В связи с тем, что перевод технологии с одного вида соды на другой в условиях непрерывнодействующего производства должен производиться оперативно, без потери качества вырабатываемой продукции, рассматриваемая тема является весьма актуальной.

Цель работы заключалась в разработке научных основ и технологических приемов эффективного использования разных видов соды в непрерывнодействующем производстве окрашенного в массе светотеплозащитного флоат-стекла путем исследования их влияния на процессы шихтоприготовления, стекловарения и свойства стекломассы.

Для достижения поставленной цели в задачи исследований входило:

— проведение научно обоснованного поиска альтернативных щелочесодержащих материалов;

— проведение комплексных исследований физико-химических свойств разных видов соды и изучение их влияния на процессы шихтоприготовления, стекловарения и свойства стекломассы;

— построение математической зависимости качественных свойств стекла от компонентного состава применяемого щелочесодержащего сырья;

— разработка технологических приемов шихтоприготовления и стекловарения при использовании в производстве окрашенного в массе светотеплозащитного стекла разных видов соды;

— апробация технологических режимов в опытно-промышленных условиях с выработкой продукции на непрерывнодействующей флоат-линии.

Научная новизна заключается в том, что впервые:

1. теоретически обоснована и экспериментально выявлена принципиальная возможность применения в непрерывнодействующем производстве окрашенного в массе флоат-стекла разных видов соды, включая соду из нефелинового сырья, отличающуюся нестабильным содержанием основного вещества и примесных составляющих (сульфата и карбоната калия и оксида железа).

2. Разработан и обоснован механизм направленного регулирования свойств, качества и реакционной способности стекольной шихты, заключающийся в применении для каждого вида соды индивидуального режима шихтоприготовления, основывающегося на взаимосвязи химического и дисперсного составов соды со степенью ее влагопоглощения и гидратации.

3. Разработаны основные принципы управления процессом перевода технологии светотеплозащитного окрашенного в массе флоат-стекла с одного вида соды на другой в условиях непрерывнодействующего производства, заключающиеся в направленном изменении свойств шихты и окислительно-восстановительных условий стекломассы.

4. Установлена взаимосвязь вещественного состава соды с окислительно-восстановительными условиями в шихте и варочными свойствами стекломассы окрашенной соединениями селена, кобальта и железа.

5. Показана эффективность использования в технологии светотеплозащитного окрашенного в массе флоат-стекла таких параметров, как химическая потребность шихты в кислороде и содержание железа в вырабатываемом стекле в форме FeO в качестве показателей окислительно-восстановительных условий в шихте и в расплаве стекломассы и как средства для регулирования стабильности процесса стекловарения при работе на разных видах соды.

6. Разработано уравнение регрессии и построены линии регрессии, позволяющие управлять качеством осветления стекломассы, путем оптимизации состава шихты, основывающиеся на установленной взаимосвязи — «содержание сульфатной составляющей в соде „АГК“ -качество стекломассы — количество необходимого для подшихтовки сульфата натрия».

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. разработаны эффективные технологические приемы, позволяющие комплексно использовать разные виды соды в непрерывнодействующем производстве окрашенного в массе светотеплозащитного флоат-стекла;

2. разработаны для каждого вида соды индивидуальные режимы шихтоприготовления, обеспечивающие качество и реакционную способность шихты;

3. разработанная технология прошла испытания на лабораторных и опытно-промышленных установках и внедрена на промышленной флоат-линии производительностью 150 т стекломассы в сутки при производстве окрашенного в массе светотеплозащитного флоат-стекла;

4. установлено, что для повышения качества вырабатываемого флоат-стекла эффективным является применение при использовании соды «АГК» подшихтовки сульфатом натрия в количестве 1−7 кг/1000 кг шихты с целью повышения основности шихты до контрольного уровня (16−19 О2' /100 г шихты) и стабилизации процесса варки и светотехнических характеристик;

5. предложенный метод расчета необходимого для подшихтовки сульфата натрия и построенные линии регрессии, позволяют с достаточной надежностью управлять процессом осветления стекломассы;

6. на основании полученных результатов внесены изменения и дополнения в основной Технологический Регламент производства окрашенного в массе светотеплозащитного флоат-стекла в раздел, касающийся шихтоприготовления и стекловарения;

7. результаты исследований использованы в качестве практических рекомендаций Компанией «РУСАЛ» при модернизации технологии и выпуске нового вида улучшенной модифицированной кальцинированной технической соды из нефелинового сырья — соды «РУСАЛ», выход которой в 2006 г. составил более 55% от общего объема производства;

8. возможность использования кальцинированной технической соды из нефелинового сырья в качестве основного щелочесодержащего компонента стекольной шихты в производстве флоат-стекла одновременно решает вопрос сырья и экологии, так как в многотоннажном производстве используется побочный продукт получения глинозема. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии в непрерывнодействующем производстве окрашенного в массе светотеплозащитного флоат-стекла при применении соды «АГК» в качестве основного щелочесодержащего компонента составил 5,56 млн. рублей.

Диссертационная работа выполнена в Саратовском Государственном технологическом университете (СГТУ) и ОАО «Саратовский институт стекла» и является частью работ комплексных научно-исследовательских программ ГНКГ СИР «Промышленная экология Нижнего Поволжья».

Достоверность результатов работы подтверждается применением комплекса современных и взаимодополняющих методов: дериватографического и термогравиметрического, рентгенофазового анализов, микроскопии, стандартных методов испытания технологических, физико-химических и светотехнических характеристик, опытно-промышленными и промышленными испытаниями.

Внедрение результатов работы:

Разработанная технология внедрена в ОАО «Саратовский институт стекла» и с 1998 г. используется в качестве практического руководства на промышленной флоат-линии производительностью 150 т стекломассы в сутки, представляющей собой стекловаренную печь регенеративного типа, ванну с расплавом олова и печь отжига.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных научно-технических конференциях в ОАО «Саратовский институт стекла» (г. Саратов, 2000, 2003, 2006 гг.), в Саратовском Государственном Технологическом Университете «Композит-2001″ (Саратов, 2001, 2003, 2006 гг.), в Белгородском Государственном Технологическом университете им. В.Г. Шухова» (Белгород, 2003, 2005, 2006 гг.), на Международной научно-практической конференции «Наука и технология силикатных материалов — настоящее и будущее», (Российский Химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, 14−17 октября 2003 г.), на Международной выставке «Сибстройстекло» «Технологии, машины и материалы» (Новосибирск, 2003 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе в 2 изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 98 наименований отечественных и зарубежных источников и приложений. Текст диссертации изложен на 163 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 60 таблиц и 8 приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Экспериментально выявлена возможность комплексного применения в непрерывнодействующем производстве окрашенного в массе светотеплозащитного флоат-стекла разных видов соды, включая соду из нефелинового сырья, отличающуюся нестабильным содержанием основного вещества и примесных составляющих (сульфата и карбоната калия и оксида железа). На основании установленных закономерностей разработаны технологические приемы, позволяющие оперативно осуществлять переходы с одного вида соды на в условиях непрерывнодействующего производства.

2. Исследовано влияние способа получения соды и ее компонентного состава на качество шихты, варочно-выработочные, физико-химические, светотехнические свойства стекломассы.

3. Разработан механизм направленного регулирования свойств, качества и реакционной способности стекольной шихты, заключающийся в применении для каждого вида соды индивидуального режима шихтоприготовления, основывающегося на взаимосвязи химического и дисперсного составов соды со степенью ее влагопоглощения и гидратации.

4. Разработано уравнения регрессии и построены линии регрессии, позволяющие управлять качеством осветления стекломассы, путем дополнительного введения сульфата натрия.

5. Показана эффективность использования в технологии светотеплозащитного окрашенного в массе флоат-стекла таких параметров, как ХПК шихты и содержание железа в вырабатываемом стекле в форме РеО в качестве показателей окислительно-восстановительных условий в шихте и в расплаве стекломассы и как средства для регулирования стабильности процесса стекловарения.

6. Апробация разработанной технологии, включающей процессы шихтоприготовления, загрузки шихты, варки и выработки стекломассы при использовании в технологии разных видов соды, осуществлена в условиях опытно-промышленного производства ОАО «СИС» на газо-пламенной печи периодического действия, емкостью 600 кг.

7. Разработанная технология внедрена на промышленной флоат-линии ОАО «Саратовский институт стекла» производительностью 150 т/стекломассы в сутки при выработке окрашенного в массе светотеплозащитного стекла.

У различных номиналов толщин.

8. Результатами промышленных испытаний в течение 1998 — 2001 гг. доказано, что нестабильная по химическому составу кальцинированная техническая сода из нефелинового сырья, являющаяся сопутствующим продуктом при производстве глинозема из нефелиновой руды, может использоваться как основное щелочесодержащее сырье в производстве высококачественного флоат-стекла. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии в производстве окрашенного в массе флоат-стекла со специальными свойствами при применении соды «АГК» в качестве основного щелочесодержащего компонента составил 5,56 млн. рублей (Приложение 3).

9. По результатам исследований производителю соды «АГК» даны рекомендации, направленные на улучшение ее качества, в соответствии с действующими стандартами. Компания «РУСАЛ» внесла ряд изменений в технологию изготовления нефелиновой соды и в настоящее время компания наращивает мощности по производству улучшенной модификации кальцинированной технической соды из нефелинового сырья — соды «РУСАЛ», выход которого в 2006 г. составил более 55%.

Ю.Применение разработанных технологических приемов позволило при использовании в непрерывнодействующем производстве флоат-стекла со специальными светотехническими свойствами разных видов соды вырабатывать стабильную по качеству шихту и стекломассу и оперативно осуществлять перевод технологии с одного вида соды на другой без производства и снижения качества выпускаемой продукции.