Варка
стекла. Процесс перехода порошкообразной
шихты при нагревании в стекломассу сопровождается
сложными физико-химическими превращениями
и проходит в несколько стадий. Важнейшие
из них:силикатообразование, стеклообразование,
дегазация (осветление), гомогенизация и студкастекломассы.
На первой стадии
— силикатообразования —
при нагреве шихты до 800 – 900 °С происходит
испарение влаги шихты, диссоциация углекислых
и сернокислых солей кальция, магния и
натрия с выделением газообразных продуктов
(СО2, SО2), взаимодействие
между компонентами шихты с образованием
силикатов, при этом появляется жидкая
фаза за счет плавления соды и эвтектических
смесей, и шихта превращается в спекшуюся
массу.
На второй стадии
— стеклообразования —
при повышении температуры до 1150 – 1200
°С завершаются реакциисиликатообразования,
образуется неоднородная по составу, пронизанная
большим количеством газовых пузырьков
стекломасса, а не прореагировавшие зерна
кварца, количество которых достигает
25 %, и другие компоненты растворяются
в силикатном расплаве. Процесс стеклообразования
протекает в 8 – 9 раз медленнее, чемсиликатообразование.
На третьей стадии
— дегазации —
при повышении температуры до 1400 – 1500
°С за счет снижения вязкости стекломассы
до 10 Па-с происходит ее дегазация и осветление,
при этом устанавливается равновесие
между растворенными газами и стекломассой,
а мельчайшие газовые пузырьки перестают
быть видимыми. Эта стадия наиболее продолжительна
по времени, так как газы из стекломассы
удаляются медленно.
На четвертой стадии
— гомогенизации —
происходит усреднение состава стекломассы
за счет интенсивного перемешивания поднимающимися
к поверхности пузырьками воздуха, что
необходимо для выработки стеклоизделий.
Процесс гомогенизации происходит параллельно
с дегазацией, но по времени несколько
дольше.
На последнем этапе
варки стекла — студке стекломассы —
происходит равномерное снижение ее температуры
на 200 – 300 °С. Этот этап является подготовительной
операцией к выработке стекломассы. При
выработке стекла вязкость стекломассы
должна быть не менее 100 Па-с, что соответствует
температуре 1150 – 1200 °С.
Для варки стекла применяют
печи периодического действия
(горшковые и ванные малой емкости) и непрерывногодействия
(ванные печи с большой производительностью).
В печах периодического действия
все стадии стекловарения протекают в
одном и том же рабочем объеме последовательно
одна за другой (в различное время), а в
ванных печах непрерывного действия
все процессы стекловарения происходят
одновременно, причем каждому из них соответствует
определенная часть рабочего объема печи.
В стекольной промышленности
широко применяют ванные печи различных
конструкций и размеров зависящих от состава
стекла, способа выработки, производительности
и др.
По способу передачи теплоты
стекломассе различают ванные печи пламенные
с различным направлением пламени, электрические
и пламенно-электрические, в которых сочетается
верхний пламенный нагрев с глубиннымэлектропрогревом стекломассы.
Применение электропечей для
варки стекла основано на свойстве стекломассы при
высоких температурах (свыше 1000 – 1100 °С)
проводить электрический ток с выделением
тепла.
Ванные печи непрерывного действия
применяют для варки и выработки листового,
сортового, тарного, посудного и другого
стекла. Они оборудованы механическими
загрузчиками и системами автоматического
контроля и регулирования. Особенностями
варки стекла в ванных печах непрерывного
действия являются постоянное перемещение
шихты и стекломассы от загрузочной части
к выработочной, а также варка стекломассы
в поверхностных слоях.
Бассейны ванных печей могут
быть разнообразными по конструкции, но
в любом бассейне имеются зоны загрузки,
варки стекла, осветления, студки и выработки,
в которых поддерживается определенный
температурный режим. Максимальную температуру
(1450 – 1500 °С) стекломасса имеет в начале
зоны осветления, расположенной в средней
части варочного бассейна. Регулирование
режима варки стекла облегчается при разделении
бассейна печи сплошными или решетчатыми
перегородками (экранами), заградительными
лодками и др., преграждающими путь непровареннойстекломассе.
Для поддержания постоянного
уровня стекломассы в бассейне в целях
обеспечения надлежащего режима питаниявыработочных машин
и предотвращения преждевременного разрушения
огнеупорного материала бассейна загрузка
шихты в ванную печь осуществляется непрерывным
способом. После варки и осветления стекломасса
поступает встудочную часть и далее в выработочные каналы,
ведущие к подмашинным камерам. Передвижение
стекломассы в бассейнах происходит в
связи с непрерывной выработкой стекла,
различными плотностями проваренной и непровареннойстекломассы,
разницей температуры по длине и ширине
бассейна, приводящей к возникновению
конвекционных потоков.
Для варки листовых стекол
применяют, как правило, регенеративные
печи непрерывного действия большой производительности
(до 250 т стекломассы в сутки) с поперечным
направлением пламени, с разделением между
варочной и выработочной частями заградительными
лодками. В электрических и пламенно-электрических
печах варка стекла осуществляется также
в несколько стадий (как в пламенных печах),
но все процессы протекают последовательно
в вертикальном направлении, и в результате
сильных конвекционных потоков процесс
варки протекает более интенсивно. Коэффициент
полезного действия электрических печей
в 3 – 5 раз выше, чем пламенных, вследствие
лучшего использования тепла и уменьшения
тепловых потерь, удельный съем стекломассы
высок — 1200 – 3000 кг/м2 в сутки.
Изготовление листового
стекла путем вытягивания производится при помощи специальных
машин (рис. 117). В нихполужидкое стекло
выдавливается через щель и при помощи
специальных вальцов вытягиваются листы.
Расплавленное стекло
при охлаждении твердеет не сразу, а постепенно
запустевает, образуя сначала вязкую массу.
Благодаря этому свойству стеклу в разогретом
состоянии можно придать любую форму. В
целях формовки стеклянных изделий применяют выдувание (бутылки,
электролампы), прессование (пуговицы), прокатку (зеркальное
стекло), вытягивание(листовое
стекло, стеклянные трубки и палочки).
Из стекла готовят
также тонкие стеклянные нити, идущие для
производства стекловолокна и тканей.
Стеклянные тканиприменяются в качестве
тепло- и электроизоляторов. Из стекловолокна
и пластмасс изготовляют стеклопластики, которые
по прочности не уступают стали.
3.3. Производство
цемента
Основным сырьем
для производства цемента являются известняк и глина, содержащая
оксид кремния (IV). Эти вещества тщательно
перемешивают и их смесь обжигают.
При повышенной
температуре между глиной и известняком происходят
сложные химические реакции. Простейшими
из них являются обезвоживание каолинита,
разложение известняка и образование силикатов
и алюминатов кальция:
Al2O3∙2SiO2∙2H2O → Al2O3∙2SiO2 + 2H2O↑
CaCO3 → CaO +CO2↑
CaO + SiO2 = CaSiO3
Образовавшиеся
в результате реакций вещества спекаются
в виде отдельных кусков. После охлаждения
их размалывают до тонкого порошка.
В зависимости от состава изготовляют
различные сорта цемента.
Одним из видов цемента является
портландцемент. Производство портландцемента
— сложный технологический и энергоемкий
процесс, включающий: а) добычу в карьере
и доставку на завод сырьевых материалов,
известняка и глины; б) приготовление сырьевой
смеси; в) обжиг сырьевой смеси до спекания
— получение клинкера; г) помол клинкера
с добавкой гипса — получение портландцемента; д) магазинирование готового
продукта. Обеспечению заданного состава
и качества клинкера подчинены все технологические
операции.
Приготовление сырьевой смеси
состоит в тонком измельчении и смешении
взятых в установленном соотношении компонентов,
что обеспечивает полноту прохождения
химических реакций между ними и однородность
клинкера.
Сырьевую смесь приготовляют сухим, мокрым и комбинированным
способами.
Сухой способ заключается в измельчении
и тесном смешении сухих (или предварительно
высушенных) сырьевых материалов, поэтому
сырьевая смесь получается в виде минерального
порошка, называемого сырьевой мукой.
Тонкое совместное измельчение известняка
и глины осуществляют в мельницах, в которых
совмещаются помол и сушка сырьевых материалов
до остаточной влажности 1– 2 %. Совмещение
сушки с дроблением и тонким измельчением
осуществляют подсушиванием сырья в дробилках
и сушкой сырья в мельницах тонкого измельчения.
Сушку производят отходящими газами печей,
при этом в мельнице можно перерабатывать
сырье с влажностью до 5 %, а при использовании
топки до 15 %. В последние годы в цементной
промышленности используют мощные валковые
мельницы-сушилки и мельницы самоизмельчения
«Аэрофол».
Мокрый способ приготовления сырьевой смеси
применяют, если мягкое сырье имеет значительную
влажность (мел, глины). Тонкое измельчение
и смешение исходных материалов осуществляют
в водной среде, поэтому сырьевая смесь
получается в виде жидкотекучей массы
— шлама с большим содержанием воды (35 – 45%).
Используется способность мягких горных
пород (глины и мела) легко распадаться
в воде на мелкие частицы. Глину перерабатывают
в водную суспензию в глиноболтушках. Иногда
глину перерабатывают в шлам непосредственно
в карьере и далее полученный шлам надлежащего
состава перекачивают на завод.
Второй компонент
сырьевой смеси — известняк, после дробления
направляется на совместный помол с глиняным
шламом в шаровую мельницу через весовые
дозаторы непрерывного действия с автоматическим
управлением, что позволяет выдерживать
точное соотношение между компонентами
сырьевой смеси (рис.16). Совместное измельчение
известняка, глины и корректирующих добавок
(например, пиритных огарков, содержащих Fe2O3) обеспечивает
тщательное смешение исходных материалов
и получение однородной сырьевой смеси.
Помол сырья производят до остатка на сите
№ 008 не более 8 – 10 %, следовательно, более
90 % частиц смеси имеет размер менее 80 мкм.
После мельниц известково-глиняный
шлам перекачивают насосами в вертикальные
и горизонтальные резервуары (шлам-бассейны);
в них корректируют и усредняют химический
состав шлама. Состав сырьевой смеси контролируюттеперь
с помощью автоматического рентгеноспектрометра,
обеспечивающего ежечасное определение
содержания CaO,SiO2, Fe2O3 и А12О3. По данным
анализа электронно-вычислительная машина
рассчитывает дозировку сырьевых компонентов,
исходя из получения сырьевой смеси заданного
состава, а также соответствующий режим
работы автоматических дозирующих устройств,
что позволяет отказаться от корректирования
при достаточном постоянстве состава
смеси.
Применение разжижителей шлама
(добавок СДБ и др.) позволяет снизить влажность
шлама, но не устраняет основной недостаток
мокрого способа производства цемента
— высокую энергоемкость процесса получения
клинкера.
Комбинированный
способ дает возможность на 20 – 30 %
снизить расход топлива по сравнению с
мокрым способом. Сущность этого способа
заключается в том, что приготовленный
шлам до поступления в печь обезвоживается
на специальных установках. Однако при
этом возрастает расход электроэнергии,
т. е. энергоемкость производства в целом
остается высокой.
Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром
способе производства осуществляется
в основном во вращающихся печах.
Шахтные печи применяют иногда только при
сухом способе.
Рисунок 18 - Схема помола сырьевых
материалов по мокрому способу в отрытом
цикле
1 – бункер известняка;
2 – бункер огарков; 3 – тарельчатый
питатель и весоизмеритель; 4 – питатель
глиняного шлама; 5 – ленточный конвейер;
6 – мельница; 7 – емкость перед насосом;
8 – насос; 9 – подача шлама в производство.
Рисунок 19. - Схема вращающейся
печи ; 7 – факел; 8 –
подача топлива через форсунку; 9 – клинкер;
10 – холодильник; 11 – опоры.1–сырьевая
шихта; 2 – горячие газы; 3 – вращающаяся
печь; 4 – цепные завесы, улучшающие теплообмен;
5 – привод; 6 – водяноеохлождение зоны
спекания
Вращающаяся печь представляет
собой длинный, расположенный слегка наклонно
цилиндр (барабан), сваренный из листовой
стали с огнеупорной футеровкой внутри
(рис.19). Длина печей 95 – 185 – 230 м,
Вращающиеся печи работают по принципу противотока.
Сырье в виде порошка (сухой способ) или
шлама (мокрый способ) подается автоматическим
питателем в печь со стороны ее верхнего
(холодного) конца, а со стороны нижнего
(горячего) конца вдувается топливо (природный
газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее
в виде 20 – 30-метрового факела. Сырье занимает
только часть поперечного сечения печи
и при ее вращении со скоростью 1 – 2 об/мин
медленно движется к нижнему концу навстречу
горячим газам, проходя различные температурные
зоны. Выдающийся советский ученый В. Н.
Юнг, разработавший основы теории обжига
клинкера, условно разделил вращающуюся
печь на шесть температурных зон в зависимости
от характера протекающих в них процессов.
Рассмотрим эти процессы, начиная с поступления
сырьевой смеси в печь, т. е. по направлению
с верхнего ее конца (холодного) к нижнему
(горячему),