Щелочноземельные и щелочные материалы

Щелочноземельное сырье. Основными щелочноземельными оксидами, входящими в состав стекла, являются оксид кальция СаО и оксид магния MgO.

Оксид кальция повышает химическую устойчивость стекла, облегчает процесс варки и осветления стекломассы. Вводят оксид кальция в стекло с помощью природных карбонатов кальция, известняка, мела и мрамора.

Известняк СаСO3 (приложение 4) - осадочная горная порода белого и светло-серого цвета. Природный известняк, используемый в стекловарении, должен содержать не менее 54 . 51 % по массе оксида кальция и не более 0,1 . 0,2 % оксидов железа. Поступает известняк на стекольные заводы в виде глыб.

Мел — мягкая осадочная порода белого цвета. Включения оксидов железа придают ему желтоватый оттенок, а глины — сероватый. Содержание СаО в меле должно быть не менее 54,3 %, а оксидов железа - не более 0,2 %. Известняки и мел, пригодные для стекольной промышленности, широко распространены в природе.

Мрамор - горная порода, содержит до 99 . 99,5 % CaCO3 и небольшое количество оксида железа - 0,015 %, характеризуется постоянством химического состава.

Оксид магния MgO улучшает ряд важных физико-химических свойств стекла. При замене оксида кальция оксидом магния повышается механическая прочность стекла, понижается коэффициент расширения стекла, уменьшается склонность стекла к кристаллизации. Вводят оксид магния в стекло природным материалом - доломитом CaCO3·MgCO3. Иногда MgO вводят магнезитом или доломитизированным известняком.

Доломит - твердая светло-серая осадочная порода, окрашиваемая соединениями железа в желто-коричневый цвет. По качеству природный доломит для производства стекла должен содержать: для высшего сорта не менее 19,5 % MgO, а для остальных сортов не менее 18 % по массе; содержание СаО соответственно не более 32 и 34 %; содержание Fe2O3 - 0,1 . 0,4 %.

Поступает доломит на стекольные заводы в виде глыб и поэтому его подвергают измельчению. Обогащенный доломит поступает в виде порошка. Перед введением его в шихту проводят контрольный просев.

Химический состав и основные месторождения известняков, мела и доломитов приведены в приложении 4.

Щелочное сырье. В состав стекла входят оксиды натрия Na2О и калия K2O. Присутствие оксидов щелочных металлов (приложение 5) в многокомпонентных стеклах понижает термическую и химическую устойчивость стекол, ослабляет их механические и диэлектрические свойства. Наряду с этим они способствуют снижению вязкости расплавов и температуры варки стекол.

Оксид натрия вводят в стекло через кальцинированную соду и сульфат натрия, а оксид калия - через поташ, содово-поташную смесь и селитру.

Кальцинированная сода Na2СO3 - основной материал для ввода в стекло оксида натрия. Сода представляет собой белый пылевидный порошок, который хорошо растворяется в воде. Согласно требованиям стандарта в прокаленной соде содержание Na2СO3 должно быть не менее 99 % по массе, остаточное содержание хлоридов — не более 0,8 %; Fe2O3 не более 0,02 %. В процессе варки стекла сода разлагается на Na2О и CO2; при этом из 106 мае. ч. соды получается 62 мае. ч. оксида натрия и 44 мае. ч. углекислоты или 58,5 % Na2O переходит в стекломассу и 41,5 % CO2 улетучивается в атмосферу печи.

Искусственную легкую соду получают по аммиачному методу. Сода отличается мелкодисперсностью (55 % частиц размером менее 0,1 мм), она малосыпуча, плохо перемешивается с другими компонентами шихты, слеживается и зависает в бункерах, сильно распыляется. Хранят соду в сухих закрытых складах или в силосах (банках). Гранулированная сода (размер гранул 0,1 . 1,2 мм) не имеет отмеченных выше недостатков.

Сульфат натрия Na2SO4 вводят в состав шихты от 5 до 15 % по массе Na2O взамен части соды. При варке стекла сульфат натрия разлагается очень трудно. Для того чтобы облегчить разложение сульфата натрия, в шихту вводят углеродистые восстановители (каменный уголь, древесные опилки). Неразложившийся сульфат натрия, обладая меньшей плотностью по сравнению со стекломассой, всплывает на ее поверхность, разрушая огнеупорную кладку стекловаренных печей.

Сульфат натрия вводят в состав шихты преимущественно не с целью замены кальцинированной соды, а как необходимый компонент для нормального течения варки стекла. При введении в стекло в малых количествах от 0,5 до 0,7 % по массе Na2O сульфат натрия ускоряет процесс осветления стекломассы.

Сульфат натрия бывает искусственный, образующийся как побочный продукт на заводах по производству соляной и азотной кислот, и природный, большие запасы которого находятся в Прикаспийском районе в заливе Кара-Богаз-Гол. Добывают сульфат натрия путем перекачки концентрированного раствора сульфата натрия в воде в специальные бассейны, где происходит выделение мирабилита Na2SO4·10H2О, а затем естественное его обезвоживание.

По техническим условиям природный сульфат натрия 1-го сорта должен содержать, % по массе: Na2SO4 не менее 96,5; Fe2O3 не более 0,01; NaCl не более 1; CaSO4 не более 0,8; влаги не более 3; нерастворимого осадка не более 1,5.

Поташ K2СO3 состоит из 68,2 % по массе K2O и 31,8 % CO2, искусственный белый материал, легко растворим в воде, гигроскопичен, комкуется. Хранят его в сухих помещениях в плотно закрытых емкостях. Поташ бывает кристаллический K2СO3·2H20 и кальцинированный K2СO3.

Для стекловарения применяют главным образом кальцинированный поташ, который по стандарту должен содержать не менее 98 % по массе K2СO3. Получают поташ из горных пород, содержащих хлористый калий (минеральный поташ), и из золы растений - подсолнечника, сахарной свеклы и других (растительный).

Введение в состав стекла оксида калия взамен оксида натрия придает стеклу блеск и прозрачность, улучшает оттенок стекла. В связи с этим его вводят в стекло в основном при производстве сортовой посуды, хрусталя, цветных и оптических стекол.

Химический состав щелочесодержащих сырьевых материалов приведен в приложении 5.