Full Text

Введение Объем рынка термополированного и строительного стекла в Казахстане составляет около 35 млн м2 в год. Для удовлетворения спроса на эти изделия в г. Кызылорде завершается строительство стекольного завода мощностью 197 000 т в год [1]. Бюджет проекта составляет 42,1 млрд тенге, завод будет производить 197 тыс. т стекла в год, что позволит полностью покрывать внутренние потребности в 180 тыс. т в год. На заводе будет производиться промышленное листовое стекло толщиной от 2 до 12 мм, используемое в жилищном и гражданском строительстве. К преимуществам полированного листового стекла можно отнести [2-5]: · прочность; · не требуется осуществление качественного и регулярного ухода за поверхностью; · свойства не меняются со временем; · поверхность получается гладкой, глянцевой. Это позволяет сделать остекление привлекательным; · высокая светопропускная способность; · выбор различных вариантов толщины (от 3 до 18 мм). Экспериментальная часть Кварцевые пески и высококремнеземистые отходы В производстве листового стекла основным сырьем являются кварцевые пески [6-16]. В табл. 1 приведены химические составы кварцевых песков и высококремнезмистого сырья. Таблица 1 Химический состав кварцевых песков и высококремнеземистого сырья Table 1 Chemical composition of quartz sands and high-silica raw materials Сырье SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O Fe2O3 Прочие Кварцевый песок, «Сарышокы» 99,1 0,04 - - - 0,08 0,78 Кварцевый песок, «Мугоджар» 97,6 0,8 - - - 0,12 1,48 Кварцевый песок, «Талдыкорган» 96,4 0,6 - - 0,2 0,1 2,7 Карасорский 95,8 1,2 0,2 0,1 0,1 0,15 2,45 Айсаринский, Северо-Казахстанская область 97,6 0,9 - - - 0,08 1,42 ТОО «Tau-KenTemir», г. Караганда 97,2 0,2 0,36 - - 0,09 С 1,5-2,15 Кварцевая фракция обогащения каолина 97,5 1,6 - - 0,2 0,1 0,6 Кварциты 95,5 1,2 0,3 0,2 0,1 0,15 2,55 По химическому составу все указанные месторождения кварцевых песков удовлетворяют требованиям ГОСТ, за исключением содержания оксида железа. Для использования кварцевых песков в производстве листового стекла необходимо их обогащение. Обогащение кварцевого песка производится тремя способами: магнитное обогащение, промывка, флотооттирка [9-11]. Так, например, обогащением песка можно снизить содержание оксида железа с 0,12 до 0,05 %. Сырье, содержащее оксид алюминия и калия Имеются значительные запасы природного глиноземсодержащего сырья - полевого шпата, кварц-полевого шпата, пегматита и каолина. Кварц-полевошпатовый песок Белогорского горно-обогатительного комбината по ГОСТ 13451 марки КПШС-0,2-11,5 и КПШС-0,2-14,0 с содержанием А120311,5-15 % и щелочных оксидов натрия и калия 7-11 %. Высококачественное полевошпатовое сырье обнаружено в Хантауском, Майкульском месторождениях (Жамбылская обл.), в Костанайской (Бисембаевское и Маринское пегматитовые месторождения) и Акмолинской (Зерендинское месторождение) областях [17]. Представляет интерес каолин Алексеевский с высоким содержанием оксида алюминия (38,2 %) и низким содержанием оксида железа. Химический состав алюминийсодержащего сырья приведен в табл. 2. Сырье, содержащее оксиды кальция и магния СаО и MgO вводят в состав стекла посредством известняка, мела, мрамора и доломита (табл. 3). В Казахстане имеются достаточно большие запасы известняков и доломитов, среди которых месторождения «Каратау», «Талгар» и «Шиели». Таблица 2 Химический состав алюминийсодержащего сырья Table 2 Chemical composition of aluminum containing raw materials Сырье SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O K2О Fe2O3 Полевой шпат Хантау 61,4 20,8 0,21 0,14 5,94 4,81 0,46 Полевой шпат Бисембаево 62,0 21,1 0,14 0,02 6,42 4,5 0,41 Полевой шпат Кокшетау 62,1 21,4 0,12 0,06 6,52 4,2 0,52 Пегматит Костанайский 71,1 14,3 1,1 0,31 2,43 3,45 0,21 Кварц-полевошпатовый песок, Белогорск 73,5 14,2 0,81 0,41 3,56 5,42 0,24 Каолин Алексевский 48,1 38,2 0,3 0,1 0,15 1,9 0,41 Таблица 3 Химический состав известняков и доломитов Table 3 Chemical composition of limestones and dolomites Материал СаО MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 Прочие Известняк кусковой СаСО3 ГОСТ 23671-79 Известняк «Каратау» 54,6 0,58 1,4 0.9 0,2 0,3 Известняк «Талгар» 54,1 0,56 1,0 0,6 0,2 0,4 Известняк «Шиели» 54,1 0,56 1,0 0,6 0,24 0,5 Доломит кусковой СаМg(СО3)2 ГОСТ 23672-79 Доломит «Каратау» 31,4 19,8 0,9 0,45 0,3 0,2 Доломит «Шиели» 31,2 19,6 0,8 0,42 0,3 0,3 Кавдоломит, Россия 30,6 21,4 0,9 0,41 0,2 0,4 Запасы мела с содержанием карбоната кальция 94-98 % и незначительным оксида железа имеются в Мангистауской области. Сырье, содержащее оксиды натрия Кальцинированную соду планируют доставлять на завод из Стерлитамакского содового завода Республики Башкортостан. Поэтому с целью снижения импортозависимости в Казахстане запланировано строительство заводов в г. Павлодаре и в Жамбылской области по производству кальцинированной соды. В Казахстане имеются месторождения природного сульфата натрия в виде твердых отложений и рапы многочисленных озер. Основными отечественными месторождениями являются озера Аральской группы. Значительное количество сульфата натрия содержится в рапе озер Анж-Булат, Эбейты, Тениз и др. В качестве сырьевых материалов для изготовления листового стекла были использованы: кварцевый песок месторождения «Сарышокы» (Кызылординская обл., г. Казалинск), прошедший все стадии механического и химического обогащения, доломит, известняк ТОО «Казфосфат», кальцинированная сода (г. Стерлитамак, Россия), полевой шпат («Бисембаево»), сульфат натрия (г. Аральск, Кызылординская обл.) (табл. 4). Содержание оксида кремния как главного компонента в исходном кварцевом песке составляет 99,1 %, а красящего стекла оксида железа 0,08 %. Поэтому для снижения содержания в песке оксида железа применяли метод обогащения. Как показали исследования магнитная сепарация позволяет снизить содержание Fe2O3 с 0,08 до 0,06 %, промывкой с 0,08 до 0,05 %, флотоотиркой до 0,03 %. Таблица 4 Химический состав сырьевых материалов, применяемых при варке стекол Table 4 Chemical composition of the raw materials used in glass cooking Сырье SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O Fe2O3 K2O Кварцевый песок 99,8 0,04 - - - 0,05 - Доломит 0,9 0,4 31,4 19,7 - 0,15 - Известняк 2,0 0,8 53,18 0,4 - 0,1 - Кальцинированная сода - - - - 57,5 - - Сульфат натрия - - - - 41,3 - - Полевой шпат 62,0 21,1 0,14 0,02 6,42 0,41 4,5 Крупность кварцевого песка находится в пределах, не затрудняющих процесс варки стекла: содержание крупных зерен размером более 0,8 мм составляет 0,3 %, мелких зерен размером менее 0,1 мм - 3 %. Массовая доля тяжелой фракции плотностью более 2900 кг/м3 составляет - 0,2 %. По комплексным показателям песок соответствует марке ВС-030-1 по ГОСТ 22551-90. Массовый и молекулярный состав оконного стекла представлен в табл. 5. Таблица 5 Массовый и молекулярный состав оконного стекла Table 5 Mass and molecular composition of window glass SiO2 Al2O3 Fe2O3 ТіО2 CaO MgO Na2O K2O 72,63 1,48 0,04 0,02 8,42 3,9 12,96 0,29 71,90 0,86 0,04 0,02 8,92 5,76 12,37 0,18 Расчетный состав шихты на 100 кг стекломассы, кг: кварцевый песок, «Сарышокы» - 68,8; полевой шпат, «Бисембаево» - 7,05; доломит, ТОО «Казфосфат» - 19,85; известняк, ТОО «Казфосфат» - 3,65; кальцинированная сода, АО «БСК», Россия - 19,85; сульфат натрия, Аральск - 3,3. На рентгенограмме необогащенного кварцевого песка месторождения «Сарышокы» (рис. 1) четко фиксируется кварц (d/n = 1,5347; 1,8144; 1,9618; 2,1188; 2,2273; 3,1375; 3,3456; 4,2636). Кроме того, присутствует небольшое количество ортоклаза и микроклина с линиями d/n = 1,6183;2,1846; 2,4512. Судя по рентгенограмме, в составе исследуемых полевошпатовых пород (рис. 2) присутствуют альбит, олигоклаз (d/n = 6,407;4,421; 3,6717; 3,1814; 1,7189), анортит (d/n = 3,1375; 3,1814; 2,1188; 1,8009; 1,5727), ортоклаз (d/n = 3,9978; 3,7954; 3,1814; 2,9167; 2,1188; 1,7189). Экспериментальная варка стекла производилась в лаборотории ТОО «САФ» в г. Алматы. Температура варки стекла в газовой печи составляла - 1550-1570 °С. Газовая среда печи - аналогична стекловарению листового стекла, коэффициент избытка воздуха 1,1-1,2. Соотношение шихты и стеклобоя составляет 80 : 20. Было получено стекло белого цвета. Рис. 1. Рентгенограмма необогащенного кварцевого песка месторождения «Сарышокы» Fig. 1. Radiograph of the unenforced quartz sand of the Saryshoky deposit Рис. 2. Рентгенограмма полевого шпата Бисембаевского месторождения Fig. 2. Radiograph of feldspar of Bisembaevsky deposit Варку стекол для листового стекла также производили в высокочастотной электрической печи Южно-Казахстанского университета им. М. Ауэзова в корундизовом тигле емкостью 90 мл. Режим варки стекла - подъем температуры со скоростью 300°С / ч. Выдержка - 1 ч. Максимальная температура варки стекла 1550-1570 °С. Температура выработки стекла 1200-1250 °С. По результатам варки стекла установлено, что стекло белого цвета, без пузырей, свилей и других пороков. Обсуждение результатов Для определения свойств листового стекла были применены расчетные методы [18-20]. Был использован метод А.А. Аппена, позволивший определить: плотность (ρ), ТКЛР (α), модуль упругости (Е), поверхностное натяжение (σ). Результаты расчета свойств листового стекла были применены при расчете веса стекломассы, режима отжига, термической устойчивости. Плотность стекла (ρ) находили по уравнению (1) где ∑Рi - сумма содержания в стекле оксидов, мас. %; mi - содержание в стекле каждого оксида в мольных долях; Vi - усредненный парциальный коэффициент удельного объема соответствующего оксида. Для расчета остальных свойств использовали уравнение (2) где g - расчетная величина свойства; gi - усредненный парциальный коэффициент этого свойства для каждого оксида. Парциальные величины оксидов приведены в табл. 6. Результаты расчета плотности, температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), модуля упругости, поверхностного натяжения стекол приведены в табл. 7. Таблица 6 Парциальные коэффициенты оксидов Table 6 Partial coefficients of oxides Оксид Молярная масса Mi, кг/моль Молярный объем Vi, м3/моль Показатель преломления Средний ТКЛР α ∙ 107, К Модуль упругости Ei ∙ 1010, Н/м3 Плотность, г/см3 Поверхностное натяжение σ ∙ 10-3, Н/м Al2O3 101,9 40,4 1,520 -30 11,4 40,40 580 CaO 56,1 14,4 1,730 130 10,9 14,40 510 MgO 40,3 12,5 1,610 60 9,2 12,50 520 Na2O 62,0 20,2 1,590 395 5,95 20,20 295 Таблица 7 Результаты расчета физико-химических и механических свойств листового стекла Table 7 Results of calculation of physical, chemical and mechanical properties of flat glass Состав стекла Плотность, г/cм3 ТКЛР, a·10-7, оС Модуль упругости, МПа Поверхностное натяжение, Н/м Оксиды Pi ni Vi niVi ai nia E∙10-3 ni E σi ni σ SiO2 72,63 1,2093 26,25 31,74 33,6 40,63 6,59 7969 290 350,7 Al2O3 1,48 0,0145 40,40 0,59 -30 -0,44 11,40 165 580 8,4 Fe2O3 0,1 0,0006 - - 55 0,03 5,2 0,3 490 0,3 TiO2 0,02 0,0003 20,5 0,06 10 0,003 17,1 0,3 250 0,1 CaO 8,42 0,1501 14,4 2,160 130 19,51 11,15 1674 510 76,6 MgO 3,9 0,0968 12,50 1,21 60 5,81 9,20 890 520 50,3 Na2O 12,96 0,2081 20,20 4,20 395 82,20 5,95 1238 295 61,4 K2O 0,29 0,0031 34,1 0,11 465 1,44 4,1 0,2 - - ∑ 100 1,6828 - 40,07 - 149,18 - 11936 - 547,8 NSiO2 = 71,86 % 2,496 88,65 7093 325,5 Вязкость стекол является важнейшим свойством, определяющим ход варки, выработки, формования и отжига. Расчет вязкости стекла выбранного состава проводили по формуле t = A + B (PMgO + PCaO) + C + D, (3) где , PMgO + PCaO, - содержание соответствующих оксидов, мас. %; А, В, С, D - константы для расчета температур, соответствующих определенной вязкости. На основании полученных данных построена кривая зависмости логарифма вязкости стекол от температуры, lg η = f (t). Определены характеристические интервалы варки, выработки, формования, отжига и соответствующие им температуры. Интервал варки при изменении вязкости η = 10-102 Па∙с, составляет Δt = 1520-1220 = 300 °С. По этому показателю составы стекол относятся к «длинным стеклам». Интервал формования при вязкости η = 102-107 Па∙с составляет Δt = 1220-712 = 508 °С. Интервал стеклования при вязкости η = 108-1012 Па∙с составляет Δt = 662-530 °С. Верхняя температура отжига (ВТО) η = 1012 Па∙с, ВТО = 530 °С. Нижняя температура отжига (НТО) на 100-150 °С ниже ТВО, тогда НТО = 430 °С. График отжига стекла приведен на рис. 3. Согласно графику выдержка при температуре отжига 520 °С составляет 4 мин, постепенное охлаждение с 520 до 40 °С за 88 мин. Рис. 3. График отжига стекла Fig. 3. Glass annealing schedule Выводы В Казахстане имеется сырьевая база пригодная для производства листового стекла: кварцевых песков, кварцитов, отходов промышленности высококремнеземистого сырья, известняков, доломита, каолинов, полевошпатового сырья, сульфата натрия. Для использования в производстве стекла необходимо обогащение кварцевых песков и кварцитов. Также рекомендуется при варке стекла применять методы физического и химического обесцвечивания, позволяющие повысить степень белизны и светопропускание стекол.

About the authors

Zh. T. Suleimenov

M.H. Dulati Taraz Regional University

A. A. Sagyndykov

M.H. Dulati Taraz Regional University

E. A Abutalipov

M.H. Dulati Taraz Regional University

References

Statistics

Views

Abstract - 57

PDF (Russian) - 39

Refbacks

• There are currently no refbacks.