Производство воздушной извести



Воздушной или строительной известью называется бессиликатный вяжущий материал на основе оксида и гидроксида кальция. Различают три вида воздушной извести: кипелка (негашеная известь) – оксид кальция СаО, пушонка (гашеная известь) – гидроксид кальция Са(ОН)2, известковое тесто, получаемое гашением пушонки избытком воды, состава Са(ОН)2·nН2О.

Помимо строительства кипелка и пушонка используются в производстве хлорной извести, для умягчения воды и очистки продукции в сахарном производстве.

Схватывание и затвердевание известкового теста (раствора) состоит из двух одновременно протекающих процессов: испарения воды и кристаллизации гидроксида кальция с образованием сростков кристаллов, и карбонизации гидроксида кальция до карбоната кальция:

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О.

Скорость реакции карбонизации возрастает при повышении концентрации оксида углерода(IV) в воздухе, что используется на практике для ускорения процесса схватывания известкового раствора. Схватывание в обычных условиях протекает весьма медленно, так как образующийся на поверхности слой карбоната кальция препятствует диффузии воздуха.

Сырьем для производства воздушной извести служат кальциево-магниевые карбонатные породы: мел, известняк, доломит. Технологический процесс производства извести состоит из операций обжига сырья, гашения продукта обжига (кипелки) и утилизации выделяющегося при обжиге оксида углерода(IV).

Обжиг карбонатного сырья представляет обратимый гетерогенный эндотермический процесс термической диссоциации карбоната кальция, описываемый уравнением:

СаСО3 ↔ СаО +СО2 + ΔН,  ΔH = 177.9 кДж.

На практике, для ускорения процесса, обжиг ведут при температуре около 1200 оС.

Для обжига карбонатного сырья используют печи различной конструкции: шахтные, в которых сырье смешивается с твердым топливом (кокс), вращающиеся трубчатые, циклонно-вихревые и кипящего слоя, обогреваемые сжиганием газообразного топлива. Производительность печей различна. Максимальной производительностью обладают трубчатые (1000 т/сутки) и шахтные (600 т/сутки).

Гашение кипелки (оксида кальция) представляет гетерогенный экзотермический процесс, протекающий по уравнению:

СаО + nН2О = Са(ОН)2 (n - 1)Н2O.

В зависимости от соотношения оксида кальция и воды могут быть получены два продукта гашения: при n - 1 – гидроксид кальция (пушонка), при п > 1 - известковое тесто.

Тепловой эффект реакции гашения до пушонки составляет 53.2 кДж. Для гашения извести используются в этом случае известегасильные агрегаты-гидрататоры барабанного типа периодического и непрерывного действия.

Утилизация оксида углерода(IV) в производстве воздушной извести экономически целесообразна потому, что газ обжиговых печей содержит до 30 % оксида углерода, что при значительном объеме производства воздушной извести позволяет получить значительное количество ценного побочного продукта. Для этой цели обжиговый газ после очистки обрабатывают раствором карбоната калия, поглощающим оксид углерода:

СО2 + К2СОЗ + Н2О = 2 КНСО3

Образовавшийся гидрокарбонат калия разлагают нагреванием до 80 оС:

2 КНСО3 = К2СОЗ + СО2 + Н2О.

Выделившийся оксид углерода(IV) сушат и используют в газообразном, жидком или твердом состоянии, а регенерированный раствор карбоната калия вновь направляют на хемосорбцию оксида углерода.

Производство стекла

Стеклами называются переохлажденные расплавы смесей оксидов и бескислородных соединений с высокой вязкостью, обладающие после охлаждения механическими свойствами твердого тела.

В структуре стекла существуют аморфная и кристаллическая фазы, находящиеся в состоянии неустойчивого равновесия. Вследствие весьма высокой вязкости стеклянного расплава скорость кристаллизации его мала и равновесие почти полностью сдвинуто в сторону аморфной фазы, то есть стекло имеет преимущественно аморфную структуру. Поэтому стеклам присущи специфические свойства, характерные для аморфных тел: отсутствие четкой температуры плавления и переход из твердого состояния в жидкое в некотором интервале температур, который характеризуется температурой размягчения, а также изотропность оптических свойств.

Состав силикатных стекол может быть выражен общей формулой:

nR2О · mRO · рR2О3 · q2,

где: n, m, р, q – переменные величины; R2О – оксиды щелочных металлов (Na2О, К2О, Li2O); RO – оксиды щелочноземельных и других двухвалентных металлов (СаО, ВаО, MgO, РbО, ZnO, SrО, FeO); R2O3 – кислотные оксиды (Аl2О3, В2О3, Fе2O3);  RO2 – оксид кремния SiO2, составляющий до 75 % массы.

Всем стеклам присущи некоторые общие свойства: прозрачность, низкая теплопроводность, диэлектрические свойства, высокая химическая стойкость к кислотным реагентам. Cвойства стекол зависят от их состава, от соотношения основных и кислотных оксидов.

Оксиды щелочных металлов снижают вязкость, температуру размягчения, механическую прочность и твердость стекол. Оксиды щелочноземельных металлов позволяют регулировать вязкость стеклянных расплавов в заданных пределах. Кислотные оксиды повышают механическую прочность, термическую и химическую стойкость стекол.

По назначению стекла делятся на строительное, тарное, бытовое, художественное (хрусталь, цветное стекло), химическое, оптическое и специального назначения. Простейшее силикатное стекло имеет состав, описываемый формулой: Na2О·СаО·6SiO2. В табл. 11.2 приведен состав некоторых сортов стекол.

 

Таблица 11.2

Состав стекол

Тип стекла

Содержание оксидов, % масс.

SiO2 Аl2О3 СаО MgO Na2О К2О РbО
Строительное 70-73 1.5-2 8-10 3-4 14-15 - -
Тарное 69-72 3-4 9-10 2-4 15-16 - -
Химическое 68-70 3-5 6-8 1-2 8-10 5-6 -
Оптическое 47-65 - - - - 6 45
Хрусталь 55-77 - - - - 10-13 30-35
Пирекс 81 2 0.5 - 4.5 - -

Сырьем для производства стекол служат разнообразные природные и синтетические материалы. По их роли образовании стекла они делятся на пять групп:

Стеклообразователи, создающие основу стекла: оксиды кремния и свинца(II), карбонаты натрия, калия и кальция, сульфаты натрия и бария, борная кислота, бура, оксид алюминия.

Красители, придающие стеклу необходимый цвет: оксиды и соли металлов, образующие в стекле коллоидные растворы: меди(I), железа(II), кобальта(II), хрома(III), хлорида золота; сульфата меди(II) и др.

Глушители, делающие стекло матовым и молочным: оксиды мышьяка(III), олова(IV), сульфид олова(II) и др.

Обесцвечиватели, устраняющие желтую и зеленоватую окраску стекла: оксид марганца (IV) и др.

Осветлители, удаляющие из стекломассы газовые включения: нитрат натрия, хлорид аммония, оксид мышьяка(III) и др.

В химическое стекло и в стекло пирекс входит также оксид бора(III).

Процесс производства стеклянных изделий показан на рис. 11.5.

 

Рис. 11.5. Принципиальная схема производства стеклянных изделий

В подготовку компонентов сырья входят операции промывки, сушки, измельчения, классификации и брикетирования веществ. Подготовленные таким образом материалы смешивают в нужных пропорциях для образования однородной смеси – шихты, поступающей на стадию высокотемпературной обработки – варку стекломассы. Все материалы, используемые в стекловарении, должны быть чистыми, однородными по химическому составу и не превышать допустимого предела влажности.

Варка стекломассы – это совокупность сложных физико-химических процессов, протекающих в гетерогенной системе через стадии собственно варки, осветления (гомогенизации) массы и ее охлаждения. Эти процессы начинаются в твердой фазе до расплавления шихты и продолжаются в расплаве. Скорость процесса варки в значительной степени зависит от скорости диффузии компонентов как в твердой, так и в жидкой фазах. В твердой фазе протекают реакции образования силикатов, в жидкой при температуре 1200-1240 оС – процессы стеклообразования, В табл. 11.3 представлена последовательность процессов, протекающих при варке стекломассы с изменением температуры.

Таблица 11.2

Процессы при варке стекломассы

Температура, оС Процессы, протекающие в шихте
до 300 Удаление влаги и органических веществ
до 400 Образование двойных солей из карбонатов: СаСО3 + Na2CO3 ↔ CaNa2(CO3)2, MgCO3 + NaCO3 ↔ MgNa2(CO3)2
340-900 Силикатообразование: MgNa2(CO3)2 + 2SiO2 = MgSiO3 + Na2SiO3 + 2CO2 MgCO3 + SiO2 = MgSiO3 + CO2 CaNa2(CO3)2 + 2SiO2 = CaSiO3 + Na2SiO3 + 2CO2
780-880 Появление жидкой фазы за счет образования эвтектик различного состава: Na2SiO3· SiO2, MgSiO3· SiO2, CaNa2(CO3)2· Na2(CO3), MgNa2(CO3)2· Na2(CO3)
980-1150 Образование жидкой стекломассы за счёт растворения в расплаве образующихся силикатов магния и кальция: MgO + SiO2 = MgSiO3,  CaO + SiO2 = CaSiO3
1200-1240 Стеклообразование
1400-1500 Гомогенизация и осветление, удаление газов
1200 Охлаждение (стужка) стекломассы до приобретения ею нужной вязкости

Для варки стекломассы используют стекловаренные печи различной конструкции. Максимальной производительностью обладают ванные печи пламенного типа непрерывного действия. В них шихта разогревается факелами пламени сгорающего в печи газа, направленными перпендикулярно движению шихты.

Теплосодержание газов, выходящих из печи, утилизируется в регенераторах и используется для подогрева воздуха и сгорающего газа. Производительность подобных печей составляет 300 т/сутки. Помимо печей пламенного типа, для варки стекломассы применяют электрические печи сопротивления и печи с комбинированным газоэлектрическим нагревом шихты.

Методы формования стеклянных изделий из стекломассы весьма разнообразны и зависят от их вида и назначения. В каждом методе выбирают определенные температурные и временные условия, обеспечивающие оптимальное значение вязкости стекломассы, которая зависит от температуры и возрастает по мере охлаждения расплава. В зависимости от состава стекломассы формование изделий производят в интервале температур 800-1100 оС.

Важнейшими методами формования изделий являются следующие:

- вытягивание на автоматических машинах лодочного и безлодочного типа со скоростью от 80 до 110 м/час (листовое стекло, трубы);

- выдувание и прессвыдувание на прессвыдувочных машинах (тарная и химическая посуда, колбы электроламп);

- прессование на автоматических прессах (линзы, стеклянные блоки, бытовые изделия);

- отливка в формы (архитектурно-строительные детали, художественные изделия);

- прокат с одновременным отжигом для снятия напряжений и шлифовкой (толстое листовое стекло).

Из специальных видов стеклянных изделий широкое применение нашли следующие:

- закаленное (небьющееся) стекло, получаемое термической обработкой в печах обычного стекла с последующим охлаждением его обдувкой воздухом;

- пеностекло (пористое стекло), получаемое сплавлением стеклянного порошка с порообразователями (MnО2, СаСО3, кокс) при 800 оС и используемое в качестве конструкционного тепло- и звукоизоляционного материала;

- стеклянное волокно (текстильное и теплоизоляционное), получаемое продавливанием стекломассы через фильтры или методом дутья путем расчленения струек стекломассы паром на отдельные волокна.

Стеклянное волокно применяется для изготовления тканей (фильтры, электроизоляция) и теплоизоляции (вата, войлок).

Производство ситаллов

Ситаллами (силикат + кристалл) называются материалы из полностью или частично равномерно закристаллизованного стекла или шлака (шлакоситаллы). Термин предложен И.И. Китайгородским и происходит от сочетания слов «стекло (силикат») и «кристалл». Ситаллы относятся к новым материалам и применяются в промышленных масштабах с начала 60-х годов ХХ столетия.

Ситаллы имеют мелкокристаллическую структуру с размерами кристаллов менее 1 мкм. Содержание кристаллической фазы в них достигает 96 %, а аморфной фазы не более 50 %.

Состав ситаллов весьма разнообразен: наиболее распространены литиевые ситаллы Li2О – Аl2O3 – SiО2, отличающиеся высокой термостойкостью и малым коэффициентом термического расширения; магниевые ситаллы MgO – Аl2O3 – SiО2, обладающие, помимо этих свойств, оптической и радиопрозрачностью, кальциевые, цинковые, кадмиевые и марганцевые ситаллы состава: Ме – Аl2O3- SiО2, где Ме = Са, Zn, Cd, Мn, характеризующиеся высокой диэлектрической постоянной, термостойкостью и прозрачностью для видимого и инфракрасного излучения.

Для всех ситаллов характерны высокая (до 1450 oС) температура плавления, малая пористость и газонепроницаемость, химическая и термическая стойкость, высокая твердость и механическая прочность, по которой некоторые образцы («пирокам») в девять раз превосходят стекла, малый коэффициент термического расширения, износоустойчивость.

Ситаллы и шлакоситаллы применяют для изготовления строительных деталей (плитки, ступени, подоконники), труб, подшипников, работающих без смазки до 500 оС, поршней и цилиндров двигателей внутреннего сгорания, режущих элементов буров, обкладки шаровых мельниц, обтекателей ракет. Получают их теми же методами, что и стекло. Ситаллы (шлакоситаллы) получают регулируемой принудительной кристаллизацией стекла или шлакомассы путем внесения в расплав катализаторов кристаллизации. Катализаторы создают во всем объеме стекломассы центры кристаллизации и вызывают интенсивный и равномерный рост кристаллов в аморфной стекломассе. В качестве катализаторов кристаллизации используются металлы в коллоидном состоянии (золото, медь, серебро, платина), фториды и фосфаты некоторых металлов, оксид титана(IV).

Технологический процесс получения ситаллов (шлакоситаллов) из стекла или шлака складывается из пяти последовательных операций.


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 753;