Полезные ископаемые

 

         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),