Slon13.cc → Стекловарение → Расчёт шихты
Счёт ведут на 100 массовых частей стекла. Принимают, что в стекломассу переходят только оксиды, а влага и углекислота уходят с продуктами горения. Разница между засыпанной шихтой и снятым стеклом называется угаром и у обычного натрий-кальций-силикатного состава лежит в пределах 16,9–18,8 %.
СПРАВКА ПОД РАСЧЁТ
Всё, что подставляется в баланс, — это доля целевого оксида в сырье, помноженная на содержание основного вещества в партии. Молярное отношение даёт верхнюю границу, паспорт партии — рабочую цифру.
Один моль Na₂CO₃ массой 106 частей отдаёт 62 части Na₂O, то есть 58,5 %. Сода с 98,7 % основного вещества даёт уже 57,7 %, а сода с 96 % — 56,15 %. Плитка ниже собрана Slon13 cc по паспортным составам сырья.
Расчёт на бумаге безопасен, варка — нет. Стекломасса держится при 1450–1580 °C, сульфатная пена и щелочные пары разъедают дыхательные пути, а сухой молотый песок и доломит дают кремнезёмную пыль — прямой путь к силикозу при работе без респиратора и местного отсоса. Осветлители и обесцвечиватели отдельного разговора: триоксид мышьяка и селен ядовиты, их дозируют только в лаборатории, а не «на глаз» у смесителя.
Остановитесь на цифрах навески и передайте дальше: подбор осветлителей, окислительно-восстановительный режим и первую варку по новому рецепту ведёт технолог-стекловар с заводской лабораторией. Домашняя печь на дровах и муфель на 1000 °C для стекольной шихты не годятся — состав не проварится, а мышьяксодержащие добавки в быту недопустимы.
ПОРЯДОК ДЕЙСТВИЙ
Правило одно: начинают с компонента, который вводится наименьшим числом материалов, иначе неизвестных станет больше, чем уравнений. Промышленную навеску считают до второго знака после запятой и повторяют цикл два-три раза, каждый раз внося поправку на примеси предыдущего шага.
Глинозём приходит одним материалом, поэтому его берут первым: 1,5 % Al₂O₃ при 15,1 % в концентрате дают 9,95 кг. Вместе с ними в стекло войдут 7,54 % SiO₂, 0,49 % Na₂O и 0,37 % K₂O — эти доли вычитают из заданий следующих шагов.
Сульфатом вводят фиксированную долю Na₂O — обычно 4–15 %. На 1,29 % Na₂O нужно 3,12 кг сульфата плюс 5 % на улетучивание, итого 3,27 кг. Уголь с 90 % углерода берут из расчёта 5–6 % от массы сульфата, в примере — 0,18 кг.
Два материала вводят два оксида, значит нужны два уравнения. После вычета примесей остаётся ввести 8,11 % CaO и 3,47 % MgO; решение даёт 5,1 кг известняка и 16,8 кг доломита. Оксид магния другим сырьём в этом составе не приходит, поэтому доломит считают по MgO.
Теперь известно, сколько кремнезёма занесли карбонаты, и расчёт повторяют: 72,4 % SiO₂ и 1,41 % Al₂O₃ распределяются между песком с 99,5 % SiO₂ и концентратом. Выходит 66,19 кг песка и 8,61 кг концентрата — против 9,95 кг первого приближения.
Сода закрывает разницу: 12,9 % минус 3,79 %, введённые сульфатом, песком, концентратом и нефелиновой содой, оставляют 9,11 % Na₂O. При переходе 57,7 % это 15,8 кг, а с добавкой 3 % на улетучивание — 16,27 кг.
Суммарная навеска 121,14 кг даёт 100 кг стекла: коэффициент расхода 1,21, выход 82,5 %, угар 17,5 %. Если сумма оксидов в проверочном пересчёте разошлась с заданием больше, чем на 0,2–0,3 %, цикл повторяют.
РАЗОБРАННЫЕ НАВЕСКИ
Три классических рецепта на одинаковой базе — по 100 массовых частей стекла. Разница между суммой навески и сотней и есть тот самый угар, из-за которого шихты всегда засыпают больше, чем снимают стекломассы.
Состав SiO₂ 72,8 / CaO 10 / Na₂O 17 / SO₃ 0,2. Сульфатом введено 15 % щелочи. Выход стекла 81,2 %, угар 18,8 % — максимум среди трёх рецептов из-за высокой доли соды.
Состав с Al₂O₃ 1,5 и K₂O 0,8: глинозём даёт шпат, калий — нефелиновая сода. Выход 82,5 %, угар 17,5 %. Расход шихты на 100 кг стекла — 121,2 кг.
Система из пяти уравнений решается определителями. Коэффициент расхода шихты 1,2239. Отклонения по оксидам вышли 0,01–0,2 % при допуске 0,2–0,3 % — рецепт принят.
ЧТО ЛОМАЕТ РЕЦЕПТ
Технологические отходы флоат-линии дают в среднем 12–20 % от выработанной стекломассы, поэтому собственным боем соотношение выше 20–30 % не закрыть. Стабильную варку обеспечивает доля выше 30 %, а типовая заводская закладка — 25–30 %.
Покупной бой меняет не только тепло, но и цвет. При варке бесцветного стекла в бое допускают до 1 % тёмно-зелёного и до 10 % зелёного — дальше идут полосы и разводы. Смешанный городской бой тянет керамику, металл и жиры, и это уже не вопрос расчёта, а вопрос сортировки.
В расчётах суточного расхода принимают угар 18–18,6 %: при соотношении шихта:бой 80:20 и производительности 150 т/сут в печь идут 142 т шихты и 30 т боя.
ЧТО ПОДСТАВЛЯТЬ ВМЕСТО ПАСПОРТА
Пока паспорта партии нет, в расчёт берут предельные значения стандарта — так навеска гарантированно не окажется завышенной по железу. Марку песка выбирают по допустимому Fe₂O₃: цифра в шифре — это тысячные доли процента оксида железа.
Перед смесителем сырьё готовят под расчёт, иначе паспортные проценты не сойдутся с фактом. Из песка снимают железистые включения магнитной или флотационной очисткой и просеивают, известняк дробят, соду только рассеивают, а бой обязательно гранулируют — крупный кусок в шихте даёт неоднородность стекломассы и брак партии.
ВОПРОС — ОТВЕТ
Потому что карбонаты разлагаются: углекислота и влага уходят с продуктами горения, а в стекло попадают только оксиды. Разницу называют угаром, и у типовых составов он держится в пределах 16,9–18,8 %. Отсюда коэффициент расхода шихты около 1,21–1,24, который Slon13 советует считать заново при каждой смене рецепта.
Сульфат натрия работает как осветлитель, поэтому его долю задают отдельно — в разобранных примерах это 4, 10 и 15 % от всего Na₂O. Больше сульфата — выше расход тепла: на 1 кг обычного стекла уходит около 650 ккал, а при высокой сульфатной нагрузке около 700 ккал.
Уголь — восстановитель для сульфата, в стекло он не переходит. Берут антрацит с 90 % углерода в количестве 5–6 % от массы сульфата: при навеске 6,87 кг сульфата это 0,45 кг угля. Без восстановителя сульфат разлагается плохо и даёт пену на зеркале стекломассы.
Подбор идёт последовательно и повторяется два-три раза с уточнением примесей — так считают вручную. Метод уравнений сводит все оксиды в систему и решается определителями или на машине. Результат сходится: 122,39 кг против 121,14 кг навески на одинаковый по сути состав. Slon13 cc держит оба варианта в одном конструкторе.
Только если отклонение превысило точность анализа и подтвердилось двумя-тремя проверками. Допустимые колебания в сырье считают через отношение содержания оксида в сырье к его содержанию в стекле: для песка это 99/72 ≈ 0,41 %, для доломита по CaO — 32/6,6 ≈ 0,97 %.
Да, и конструктор Slon13cc это делает: сначала считается навеска на 100 частей стекла, потом из потребности вычитается доля, которую закрывает бой. Помните, что бой меняет тепловой режим — при доле выше 25 % расход топлива снижают на 1–1,5 % на каждые следующие 5 %.
Обратным пересчётом: по навескам и составам сырья собирают фактический состав стекла и приводят его к 100 %. Отклонения не должны выходить за 0,2–0,3 % по основным оксидам. Если сумма разошлась сильнее, цикл повторяют — в справочнике Slon13cc это шестой шаг регламента.