Научно-технические основы высокоэффективных промышленных технологий и оборудование для производства стекольной шихты

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, связана с новой экономической и технической ситуацией в последнем десятилетии1 прошлого иначале нынешнего века. Рост производства стеклянной тары в 14 раз, листового стекла’в 1,7 раза вызвали необходимость расширения сырьевой базыс вовлечением «бедных» материалов, нуждающихся вг обогащениирасширение производства энергосберегающих, солнцезащитных, декоративных стекол с, покрытиями способствовало увеличению площадей остекления зданий, созданию фасадных конструкций, полов, лестничных маршей, потолков, что ужесточило требования к прочности, химической и оптической однородности стекла.

С другой стороны, в несколько раз повысились единичные мощности* производств (в 5−6 раз)" удельные съемы стекломассы (в, 3−6 раз), снизились удельные расходы топлива. Возможности ускорения варки стекла и улучшения качества изделий только интенсификации теплообмена ограничены, КПД стекловаренных печей приблизился к теоретическому, притом, что стекольная промышленность является одним из крупнейших потребителей энергоресурсов, и дальнейшее снижение энергоемкости производства актуально.

Важное значение имеет импортозамещение технологий и оборудования, т.к. отечественные технологии и оборудование значительно уступали западным.

Потребовался углубленный теоретический анализ, экспериментальные исследования, обобщение производственного опыта для разработки более эффективных технологий и оборудования для производства шихты.

Цель работы — создание научных основ высокоэффективной технологии стекольной шихты.

В рамках сформулированной цели решались следующие задачи:

1. Определение связи химической и механической однородности сырьевых материалов шихты и стекла и определение основных факторов, вызывающих отклонения состава шихты от рецепта.

2. Выявление* закономерностей физико-химических процессов, протекающих при хранении, транспортировке сырьевых материалов и шихты.

3. Физическое и математическое моделирование динамики процессов дозирования и усреднения (гомогенизации) сырьевых материалов, шихты, расплавленной стекломассы, взаимосвязи-между ними и их влияние на свойства стекла.

4. Создание теоретических основ, дозирования сырьевых материалов и методологии автоматизированного проектирования высокоточных и высокопроизводительных дозаторов.

5. Разработка компоновочных решений и основ проектирования новых и реконструкции действующих составных и массозаготовительных цехов и их широкая реализация в.промышленности.

Научная новизна работы.

Исследованиями динамики усреднения стекломассы в крупнотоннажных печах методом ввода флуоресцирующего индикатора, систематическими изучениями динамики изменения физико-химических свойств и состава стекла показано, что импульсное изменение химического состава шихты в крупнотоннажных печах приводит к изменению состава стекла с запаздыванием 2−3 суток, ступенчатое — 30 и более суток. Это определяет допустимые колебания содержания компонентов в шихте не более 1,0% в первом случае и 0,15% во втором.

Определено, что в процессе транспортирования и хранения шихты в ней происходит гидратация соды, сульфата и образование гелей кремниевых кислот: ниже 35 °C интенсивно образуются высоководные гидраты соды и сульфата, дефицит свободной Н2О приводит к пылению шихтывыше 50 °C образуются гели кремниевых кислот, что приводит к комкованию шихты, склеиванию ее частиц, пылению оставшейся шихтыналичие градиента скоростей во время транспортировки шихты, за счет вибрации конвейера, падение шихты с высоты создает условия для резкого роста центров коагуляции и усиления процесса комкования.

Показано, что фракционный состав стекольных песков неоднороден и 6580% нежелательных оксидов железа и алюминия содержится во фракциях +0,6 и -0,1- в значительной мере обогащение сводится к отсеву этих фракцийпредложен способ совмещенного процесса сушки и обогащения стекольных песков.

На основании математического и физического (стендового) моделирования процесса истечения, сыпучих материалов разработан метод проектирования дозаторов? по заданному классу точности и наибольшему пределу дозирования.

Выявлены и обобщены в виде математических моделей закономерности процесса дискретного двухстадийного дозирования, и обоснован метод дозирования частичными дозами, позволяющий при высокой производительности дозировать с высокой точностью.

Определены механизмы истечения сыпучих, слабо- * и сильнокомкующихся, гигроскопичных материалов, малых добавок. Установлено, что при столбовой загрузке и выгрузке бункеров дисперсия содержания основного оксида в сырьевом материале в 3−5 раз меньше, чем при послойной загрузке и разгрузке. При усреднении в смесителе шихты кривая смешения имеет экстремальный характер, дисперсия достигает минимума, а затем растет, т. е. происходит расслоение.

Установлены закономерности влияния режима загрузки шихты в стекловаренную печь на процессы варки, и предложен алгоритм управления картограммой поверхности стекломассы.

Практическая значимость работы и использование результатов работы в промышленности.

Разработаны высокоэффективные технологии и оборудование для обработки сырьевых материалов, приготовления стекольной шихты, и методы их проектирования, принципы реконструкции действующих и создания новых производств стекольной шихты.

Экспериментально установлено, что бой стекла обеднен щелочными и щелочеземельными, оксидами, и при его’использовании в качестве компонента шихты требуется корректировка ее рецепта. Предложен график корректировки рецепта, который используется на стекольных заводах.

Создано технологическое оборудование длясоставных цехов, включающие высокоточные дозаторы широкого класса сырьевых материалов и шихты, оборудование для транспортирования, усреднения, активации сырьевых материалов, их сыпучих и жидких смесей. Разработаны технологические линии — гибкие автоматизированные технологические комплексы приготовления стекольной шихты и сырьевых смесей для производства силикатных и других материалов. Разработан комплекс технической документации на новые технологии и оборудование, включая рабочие чертежи, технологические регламенты, инструкции, нормативные документы и т. д.

Осуществлено широкое внедрение указанных технологий и оборудования на более чем 50 стекольных предприятиях РФ и 12 стран ближнего и дальнего зарубежья.

Эффект от внедрения новых технологий и оборудования складывается из следующего: улучшение качества подготовки сырьяповышение производительности дозировочно-смесительных линийсокращение потерь сырьяуменьшение брака шихты и изделийповышение коэффициентов использования стекломассыснижение энергоемкости производстваповышение гибкости и надежности оборудованияснижение капитальных затрат при реконструкции и новом-строительствеимпортозамещениё. Только по 15 предприятиям экономический эффект составил более 48 млн. рублей.. Таким образом, внесен значительный. вклад в.решение комплекса важных народно-хозяйственных задач: а). повышение эффективности стекольной промышленности за счет внедрения новых отечественных технологий и оборудования, отвечающих мировому уровню, б) замещение импортного оборудования, в) обогащение и освоение низкокачественных источников сырья.

Методы исследований Результаты, включенные в диссертационную работу, получены, наоснове исследованийпроведенныхна высоком: научно-техническом уровне с использованием математического: моделирования, комплекса приборов, физико-химических методов анализа, включая флуоресцирующие индикаторы, современные приборы для измерения вязкости, плотности, химического состава материалов, оптической пирометрии, тензодатчики массы, приборы для замера скорости потока, давления, разряжения. 1, .

Достоверность научных положений обусловлена:

— корректностью математической формулировки задач моделирования^ процессов дозирования, смешения, транспортировки и хранения сырьевых материалов и шихты;

— применением современных приборных методов при постановке лабораторных, стендовых и промышленных экспериментов и обработке их результатов;

— соответствием результатов исследование приложениям этих. результатовпри создании новых и совершенствовании существующих технологий и оборудования.

Личный вклад автора Автору принадлежит постановка цели и задач исследования, теоретическое обоснование, — экспериментальная проверка научных' положений и выводов диссертации. Соискатель лично активно участвовал впостановкеи реализации задач по разработке новых технологий и, оборудования, технической: документации^{технологических} регламентов. Апробация работы и публикация материалов диссертации Материалы. диссертации неоднократно представлялись на Международных выставках: 01аз81ес (Дюссельдорф, Германия) в 1998;2008 гг.- Мир стекла- (г. Москва), 1996;2008 гг.- «Новые стекольные технологии», 19 982 008 гг., Киев, Н.Новгород. Ленинград. «• ¦

Результатыработы" обсуждены на Научно-техническом совете и семинарах Института стекла-, г. Москва, 2001;2005 гг.- на семинарах «Сырьевые материалы стекольной промышленности" — 200,7−2008 гг.-: на 6й Международной конференции: «Стеклотара и художественное стекло — XXI», г. Гусь-Хрустальный, 2003 г.- на Научно-технической конференциипо развитию стекольной промышленности в — Союзе архитекторов РФ, 2004 гна 8й Международной конференции «Стеклотара и художественное стекло — XXI», г. Гусь-Хрустальный, 2005 г.: на Международной научно-практическойконференции «Социально-эксэномические системы и процессы», г. Владимир, 2005 г.- нанаучно-практической конференции «Формирование социально-ориентированной экономики: волосы теории и практики», г. Владимир, 2007 г.- на Международных конференциях «Стеклопрогресс — XXI», Саратов, 20 082 010 гг.

По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе 1 монография, 27 работ в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией- 9 патентов.

За последние годы, 10−12 лет, стекольная промышленность России эволюционировала достаточно значительными темпами в сторону увеличения объема производства. Этот процесс, протекая в условиях сокращения или даже ликвидации одних подотраслей и развитием, практически возникновением, других подотраслей (развитие объемов производства тарного и листового строительного стекла и изделий из него: стеклопакетов, энергосберегающего, солнцезащитного, теплоизоляционных стекловолокнистых и пористых материаловсокращение и ликвидацию производства радиоламп, кинескопов, профильного — прокатного стекла, стеклоблоков).

Производство тарного стекла выросло с 1,1 млрд. бутылок (СССР 1985 г.) до 14 млрд. (РФ 2007 г.), листового стекла с 120 млн. м2(СССР 1985 г) до 200 млн. м2(РФ 2007 г.), темпы роста за последние 4 года жилищного строительства от 13, 5% до 24% и импорт 50 — 70 млн. м2. Не анализируя причины этих явлений, что не является задачей данной работы, отметим их влияние на требования, предъявляемые к стекольной шихте.

Непосредственно связанным с вышеизложенным является следующее:

— удельные съемы стекломассы с варочной части печи выросли с 1200 до л.

2400 кг/м2 (листовое стекло) и с 600 до 2500 кг/м без электроподогрева (тарное производство) — .

— удельные расходы топлива на кг сваренной стекломассы снизились с 2500 ккал/кг до 1400 ккал/кг (листовое стекло) и с 3000 ккал/кг до 950 ккал/кг (тарное производство);

— в связи с резким ростом общего объема производства стекла в производство начали вовлекать более бедные с точки зрения содержания основного вещества материалы;

— расширение производства — безопасного стекла, стеклопакетов, низко эмиссионного энергосберегающего и солнцезащитного декоративного стекла на базе технологий нанесения покрытий на поверхность стекла потребовали резкого увеличения однородности стекла и качества его поверхности.

Учитывая изложенное выше, достижение однородности стекла и больших съемов стекла из печи за счёт интенсификации конвекции и диффузии стекломассы, связанное с дополнительным расходом топлива, а также резкий рост цен на энергию, требования к однородности сырья и шихты возросли, и в рамках старых технологий и оборудования удовлетворение этих требований невозможно.

Сыпучие минеральные смеси служат исходным сырьем в производстве строительных материй, металлов, предметов быта. Такие смеси имеют различный химический, минералогический, гранулометрический состав. Их физико-химические и минералогические свойства меняются в широком диапазоне.

В то же время есть общие статистические закономерности, которые определяются огромным количеством составляющих частиц, различающихся по составу, который может колебаться от партии к партии в зависимости от места их добычи.

Эти общие закономерности поведения минеральных веществ порождают общность технологий приготовления их смесей, включающие измельчение, сушку, обогащение, дозирование, усреднение, гранулирование.

Можно без преувеличения утверждать, что к смесям, используемым для производства стекла (шихты), предъявляются наиболее жесткие требования по однородности, точности дозирования, условиям транспортировки и хранения.

Стекольная шихта является многокомпонентной смесью, в которой наряду с основными компонентами, составляющими проценты или даже десятки процентов состава, содержатся малые добавки от десятых до сотых долей процента. Эти добавки играют важную роль при варке стекла, формовании и отжиге изделий, окрашивании, химической устойчивости, термостойкости, прочности, пропускании и поглощении в различных областях спектра, твердости, устойчивости к радиации, адгезии поверхности к различным покрытиям и т. д.

Веществавходящие в состав шихты, содержит большинство элементов, таблицы Д. И. Менделеева. Основньгмихимическими соединениями промышленных стекол являются': силикаты, бораты, фосфаты, карбонаты, гидраты, оксиды, и т. д. С появлением промышленного производства оптоэлектронных систем, материалов с: сегнетоэлектрическими, — нелинейно-оптическими, спектрально-люминесцентными свойствами нашли применение соединения лантаноидов, элементов 6-го периода.

В. данной работе рассматриваются технологии шихты крупнотоннажных и среднетоннажных производств стекол: — листовых, тарных, оптических, медицинских,! электровакуумных (лампы, кинескопы), светотехнических, электротехнических (изоляторы), сортовых и лабораторных.

Технологические линии по производству, шихты перечисленных производств имеют производительность от десятков до тысячи тонн шихтыв. сутки. Такая линия может включать до 15 и более тензометрических дозаторов, протирочных устройств, агрегатов5 для производства премиксов (предварительной смеси малых добавок с одним из компонентов)., .

В зависимости, от производственных условий дозировочно-смесительные линии. имеют вертикальную, горизонтальную компоновку или комбинированную компоновку. В некоторых условиях целесообразно использовать линии с: автоматическими подвижными тензометрическими дозаторами (по производственной терминологии «весы-тележка»).

В работе последовательно рассмотрена роль основных компонентов сырьевых материалов в формировании структуры и. свойств стекла. Предметом анализа явилось влияние химического, гранулометрического и минералогического состава сырья на процессы варки стекла, формирование изделий из стекла, их термообработку и свойства.

Исходя из результатов анализа, теоретических и экспериментальных исследований, выполненных отечественными, зарубежными учеными и автором, сформулированы требования к сырьевым материалам и шихте.

Предметом рассмотрения в работе явились критерии для оценки качества сырья и шихты. Были предложены новые критерии, учитывающие всю совокупность последовательных операций обработки сырьевых материалов, задания рецепта смеси, измерение параметров процесса.

Исходя из результатов исследования статистической связи состава сырья, шихты, стекла, свойств изделий из стекла оценена допустимая погрешность дозирования. Установлено, что ни один из существовавших типов дозаторов на момент начала работы не может обеспечить необходимую точность дозирования при высокой надежности оборудования.

Разработаны методы моделирования процесса дозирования и методы проектирования дозаторов, основанных на новой дискретно-непрерывной технологии. Дозаторы этого типа сочетают высокую производительность непрерывного дозирования сыпучих компонентов и высокую точность дискретного стационарного дозирования. Ряд дозаторов обеспечивает дозирование легко сыпучих, ограниченно сыпучих, комкующихся и гигроскопичиных материалов.

Предложены технологии усреднения, транспортировки и хранения сырьевых материалов и шихты, обеспечивающие стабильность качества шихты.

Предложены принципы проектирования дозировочно-смесительных производств, включая системы аспирации.

Исследования, проведенные в работе, базируются на научно-технологической базе и практическом опыте отечественных и зарубежных исследователей: И. И. Китайгородского, С. И. Сильвестровича, П. Д. Саркисова, И. Б. Шлаина, H.A. Панковой, Е. И. Смирнова, B.C. Щукина, В. В. Классена, Г. Иебсена-Марведеля, А. Дитцеля.

В диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ закономерностей влияния химического состава сырьевых материалов на свойства стекла;

2. Установление зависимостей между химическим, гранулометрическим и минералогическим составом сырьевых материалов и качеством шихты;

3. Исследование влияние качества шихты на процессы варки стекла и свойства изделий из стекла (однородность, колебание плотности, прочность и т. д.);

4. Изучение физико-химических и механических процессов, протекающих в шихте при её транспортировке и хранении, выявление условий сохранения качества шихты;

5. Анализ влияния погрешностей расчёта рецепта шихты, химического состава сырья, точности дозирования сырьевых материалов, представительности отбора проб на качество шихты и формирование интегрального критерия качества шихты;

6. Моделирование механизма дозирования сырьевых материалов и разработка новой технологии дозирования, сочетающей достоинства непрерывного и дискретного (статического) методов дозирования, — высокие производительность и точность;

7. Исследование процессов усреднения сырьевых материалов и шихты с оценкой качества усреднения по статистическим критериям и разработка методов интенсификации усреднения;

8. На базе исследования физико-химических свойств шихты, процессов обогащения, усреднения сырьевых материалов и моделирования механизма этих процессов разработка методов проектирования систем подготовки сырьевых материалов и приготовления шихты, их аппаратурного оформления, проектирования и реконструкции производств стекольной шихты и других сыпучих смесей;

9. Широкое внедрение новых технологий и оборудования на заводах стекольной, бетонной, керамической и других отраслей промышленности.

Общие выводы по работе.

1. Показана связь нестабильности химического состава сырьевых материалов, шихты и стекла. Установлены основные факторы, вызывающие критические отклонения состава шихты от рецепта: нестабильность состава сырья и низкая точность дозирования.

2. На основе данных рентгенофлуоресцентного анализа образцов стекла, полученных при запуске индикатора Се02, систематического исследования плотности, коэффициента термического расширения, вязкости, изучена динамика усреднения стекломассы в крупнотоннажных печах. Установлено, что импульсное изменение состава шихты приводит к изменению состава стекла запаздыванием 2−3 суток, максимальное возмущение достигается через 6−10 суток и спад реакции через 12−30 суток.

3. Допустимые колебания состава шихты зависят от длительности нарушений. Импульсные отклонения состава от рецепта на 0,5−0,7% не оказывают существенного влияния на варку, при ступенчатых отклонениях допускается нарушение рецепта не более 0,2%.

4. Расширение сырьевой базы сопровождается вовлечением в производство стекла «бедных» песков прибрежно-морского, озерного и аллювиального происхождения (85% песков России) с повышенным содержанием нежелательных включений — оксидов железа и алюминия, 60−80% которых по данным наших исследований содержатся во фракциях +0,6 и -0,1 мм.

В связи с тем, что фракции озерно-морских и аллювиальных песков -0,1 мм содержат глинистую составляющую и не могут быть отсеяны, разработан метод сухого обогащения совмещенного с сушкой, путем вибрационного или аэродинамического псевдоожижения и горизонтальной транспортировки пылевидных фракций в пневмопоршневом режиме.

5. Химический состав боя стекла по содержанию щелочных и щелочноземельных оксидов отличается от рецепта шихты, и требуется корректировка состава шихты и температуры варки. Разработаны параметры корректировки для различных соотношений шихта/бой.

6. На основании математического моделирования и стендовых исследований процессов истечения сыпучих материалов разработан метод оптимального проектирования дозаторов частичных доз по заданному классу точности и НПД.

7. Установлено, что при столбовой загрузке и разгрузке бункеров сырья дисперсия химического состава снижается в 3−5 раз.

8. Проведен анализ шихты ведущих стекольных заводов по многомерному критерию, оценивающему вклад в стабильность ее состава 5 технологических факторов. Подтвержден вывод, сделанный на основе теоретических и экспериментальных исследований, о том, что наибольший вклад в качество шихты вносят стабильность состава сырья и точность дозирования.

9. На основании результатов исследования процессов гидратации соды, сульфата и образования гелей кремниевой кислоты в шихте при ее хранении и транспортировании убедительно показано, что они могут приводить к комкованию, пылению, слеживанию шихты. Определены условия ее хранения и транспортировки: температура 35±-5°С, недопустимость падения с высоты более 0,5 м, хранение не более 1 суток.

10. Установлено преимущество дискретно-непрерывного дозирования методом частичных доз. Достигнута точность дозирования 0,1% НПД, что соответствует мировому уровню. Определено, что оптимальным является режим дозирования порции сырья в 6 частичных дозах на двух скоростях — 2/3 на одной и 1/3 со скоростью в 2 раза ниже.

11. Разработаны технологии и оборудование для дозирования сыпучих, слабокомкующихся, комкующихся и гигроскопичных материалов, малых добавок. Для малотоннажных производств, вредных и опасных веществ разработаны подвижные дозировочные комплексы.

12. Разработана аппаратура совмещенного процесса сушки и обогащения стекольных песков.

13. Предложен метод, алгоритм и аппаратная реализация процесса управления распределения шихты по зеркалу стекломассы.

14. Разработана система аспирации, обеспечивающая улавливание до 99% пыли.

15. На базе разработанных технологий и оборудования предложены и реализованы принципы реконструкции действующих производств шихты, включающие оптимизацию условий разгрузки, хранения и обработки сырья, установку более точного и производительного дозировочно-смесительного оборудования, эффективную компоновку. Разработаны исходные параметры проектирования новых производств шихты, главными из которых являются производительность, рецепт, вид поставки сырья, его качество, запас, особенности генплана завода, степень освоения площадки, этапы пуска, перспективы развития.