Требования к кварцевым пескам по основному веществу и чистоте

СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Кварцевый песок

В стеклоделии используются кварцевые пески с содержанием более 95% кремнезема, называемые стекольными. Требования, предъявляемые к ним по содержанию основного вещества и степени чистоты, зависят от типа выпускаемой про­дукции и регламентированы табл. 5.1.

Таблица 5.1

Требования к кварцевым пескам по основному веществу и чистоте

ГОСТ 22557 классифицирует стекольные кварцевые пески на 15 марок, различающихся содержанием основного вещества и примесей, прежде всего оксидов железа. Например, кварцевый песок марки ВС- 030-В содержит не менее 98, 5% SiO₂, не более 0, 03% Fe₂O₃, не более 0, 05% TiO₂ и менее 0, 4% А1₂O₃.

Примеси в песках могут присутствовать в различной форме:

– в виде отдельных зерен (это могут быть зерна легких алюмосиликатных материалов, полевого шпата, слюды, глауконита и др., либо тяжелых рудных и нерудных материалов: сфен, хромит, циркон);

– в виде пленок на зернах кварца (гидрогетит, гидрогематит и др.);

– в виде внутризеренных включений либо твердых растворов с кремнеземом.

Соответственно в каждом случае требуются определенные способы обогащения сырья, причем атомы железа, внедренные в кристаллическую решетку кварца, практически удалить невозможно. Количественное распределение оксидов железа в кварцевых песках по группам примесей приведено ниже:

– с глинистой и пылевидной песчаной фракцией (< 0, 01 мм) – до 65%;

– в виде поверхностных пленок – до 50%;

– с тяжелыми минералами – до 50%;

– с легкими алюмосиликатами – до 10%;

– в виде внутризеренных включений – до 25%;

– в виде твердых растворов – до 3%.

Отсюда следует, что особое внимание при обогащении кварцевых песков следует уделять удалению тонкодисперсных песчаной и глинистой фракций, а также тяжелых минералов.

Кварцевый песок (наряду с доломитом) является основным источником загрязнения шихты примесями, и решение проблемы повышения его качества является ключевой для стекольной индустрии. При этом важно не столько количественное содержание Fe₂O₃ в песке, а то, в каком виде соединения железа присутствует в нем.

Исследование отечественных месторождений кварцевого песка показало следующее:

1. Существуют значительные отличия песков по содержанию Fe₂О₃ в разных слоях по толщине залегания (от 0, 02 до 0, 20%). Добыча таких песков должна производиться не вертикальным способом или намывом, а горизонтальным послойным (ярусным).

2. Основная часть Fe₂O₃ сосредоточена в мелкодисперсной глинистой составляющей песка и в крупных кусках глины. Включения обоих типов являются не только одним из основных источников Fe₂O₃, но и приводят к дестабилизации состава песка по содержанию SiО₂ (до 2–3%), А1₂О₃ (до 1–1, 5%), Cr₂O₃, TiO₂.

3. В составе песка содержатся слюда, полевой шпат, другие щелочные алюмосиликаты и «тяжелые» фракции, содержание Fе₂Оз в которых колеблется от 10 до 60%.

4. В песке присутствуют зерна кварца, прочно «сросшиеся» с железосодержащей пленкой и зернами железосодержащих минералов.

Как правило, все четыре источника Fe₂O₃ существуют одновременно, но вклад каждого из них в общее содержание Fе₂О₃ в добытом песке различен для разных месторождений. В зависимости от этого определяется специализация месторождения и способы обогащения кварцевого песка.

В случае преобладания четвертого источника Fe₂О₃ в песке экономически и экологически нецелесообразно, а часто и невозможно, производить его глубокое обогащение. Обычно в этом случае ограничиваются мерами по усреднению песков двумя способами: механическим перемешиванием и воздушной классификацией. Последняя обеспечивает также удаление части тяжелой фракции, содержание которой в добытом песке может колебаться от 1, 5 до 20%. Пески подобных месторождений могут быть использованы как для производства бес­цветных (Fe₂O₃ около 0, 1%), так и окрашенных изделий из стекла

Традиционным способом обогащения стекольных песков является флото-оттирочный, достоинством которого является его универсальность.

Сущность традиционной технологии флото-оттирки кварцевых песков состоит в следующем:

1. Стадия грохочения для отсева частиц размером более 0, 8 мм;

2. Приготовление пульпы (соотношение вода / песок – 1: 1, 5) и подача ее во флотационную машину, состоящую из последовательно расположенных камер с мешалками для перемешивания пульпы с одновременной подачей в нее воздушной струи.

3. Подача в 2–3 последние камеры сульфатного мыла (пенообразователь) для отделения тонкодисперсных и примесных минералов в мыльную пену с последующим удалением ее с поверхности жидкости в канализацию.

4. Подача в последнюю камеру соды для оттирки с поверхности песчинок железосодержащих пленок (сода снижает прочность их сцепления с зернами).

5. Подача пульпы с отмытым песком на реечный классификатор для отделения твердой фракции от жидкости.

6. Обезвоживание (центрифуги, вакуум-фильтры) и сушка песка в сушильном барабане.

В ходе процесса флото-оттирки песок очищается от зерен тяжелых и легких минералов, глины и поверхностных пленок, обогащенных оксидами железа, в результате чего для кварцевых песков большинства отечественных месторождений их содержание может быть снижено до 0, 02–0, 05%.

В последнее время все более широкое распространение при обогащении кварцевых песков получают «сухие» методы, достоинством которых является экономичность при высоком качестве продукта

Обогащения и классификации сухого песка основаны на принципе разделения частиц по массе в воздушном потоке.

В зависимости от источников Fе₂О₃, минералогического и гранулометрического состава загрязнений, коэффициент обогащения может составлять 1, 7 – 2, 5 раза с выходом наиболее чистой фракции в количестве от 50 до 80%. Коэффициент обога­щения определяет степень понижения содержания всех соединений железа в материале после его обогащения (в пересчете на Fe₂O₃).В соответствии с этим определением, при содержании соединений железа в исходном песке около 0, 08%, обогащенный продукт (50 – 80% от исходного количества песка) будет содержать (0, 047– 0, 032%) Fе₂О₃. Одновременно с уменьшением содержания Fe₂О₃ снижается количест­во А1₂О₃, Сr₂О₃, СаО, MgO, SO₃ и др. в обогащенной фракции, резко уменьшается количество фракций с размером более 0, 4 мм и менее 0, 1 мм. Уровень сни­жения Al₂O₃, Сr₂О₃, СаО, MgО, SО₃ зависит только от типа источника Fе₂О₃, минералогических и гранулометрических характеристик, способов добычи и транспортирования сырья.

Таким образом, для каждого месторождения необходимо подбирать ре­жимы обогащения, но пески любых месторождений поддаются обогащению.

Установка для сухого обогащения песка состоит из горизонтального канала переменного сечения длиной не более 10 метров и не менее 7 метров. Ка­нал имеет начальное сечение (1, 0–1, 2м)х(1, 0–1, 2м) и конечное (1, 5–1, 7м)х(1, 5–1, 7м). Установленная мощность вентилятора для создания воздушного потока составляет 7, 5 кВт. Высота подины канала от пола регламентируется высотой сборных бункеров и принимаемой системой транспортировки песка в накопительные бункера, из которых обогащенный песок должен подаваться на погрузку. В систему установки по обогащению сухого песка входят также питатель для регулируемой подачи сухого песка (например, тарельчатый питатель) и циклоны для сбора «пыли».

В процессе «сухой» очистки песка достигается еще ряд важных результатов:

– увеличивается однородность песка по гранулометрии и химическому составу;

– происходит очистка песка от части Сr₂Оз и TiO₂;

– стабилизируется содержание SO₃;

– получаемые в результате переработки «хвосты» являются прекрасным сырьем для цветной тары любого назначения.

Сушку песка целесообразно производить не в традиционных сушильных барабанах, а в установках «кипящего слоя», широко применяемых в химических отраслях. Применение таких установок позволяет сократить:

а) производственные площади в 2—3 раза;

б) потребление газа на 30%;

в) электроэнергии на 30—50%.

Расчетная эксплуатационная стоимость сушки песка в сушильном барабане и его обогащение в воздушном потоке составляет 120 руб./т (в ценах 2001 г). Сушка песка в кипящем слое наиболее экономична по затратам энергии и занимаемой площади, позволяет дополнительно снизать затраты на обогаще­ние песка. В процессе работы установки происходит частичное обогащение песка за счет уноса глинистых частиц с размерами менее 50 мкм и интенсивного механического взаимодействия отдельных частиц песка друг с другом.

При доминации в песке Fe₂О₃ в виде единичных зерен экономическая и экологическая целесообразность глубокого обогащения песка при использовании технологии «сухого» обогащения резко возрастает. Коэффициент обогащения достигает 20.

Схематическая установка для обогащения песка в воздушном потоке представ лена на рис. 5.1. Основные характеристики установки: производительность сушилки по сухому песку – 10 тонн/час; исходная влажность – 7%; расход природного газа на сушилку, не более – 90 н.м³/час; расход электроэнергии – 120 кВт; количество установленных классификаторов – 2; производительность каждого классификатора – 5 тонн/час

Рис. 5.1. Схема установки для сушки и обогащения песка:

1 – сушилка песка; 2 – топка; 3 – грохот; 4 – питатель; 5 – элеватор; 6 – бункер

высушенного песка; 7 – циклоны; 8 – напорный вентилятор; 9 – вытяжной вентилятор; 10 – бункер пыли; 11 – задвижки для регулирования расхода горячего агента; 12 – газовая горелка; 13 – задвижки регулирования первичного и вторичного воздуха; 14 – затвор для герметичной разгрузки пыли; 15 –выгрузка пыли; 16 – вентилятор классификатора; 17 – классификатор

В состав технологической линии глубокого «сухого» обогащения входят:

– система добычи, транспортировки, накопления, первичного усреднения и отсева;

– сушка песка в сушильном барабане или в аппарате «кипящего» слоя;

– вторичный просев песка;

– обогащение и классификация песка в потоке вентиляторного воздуха;

– контрольный просев песка;

– магнитная сепарация;

– подготовка песка к отгрузке.

Обязательное условие глубокого «сухого» обогащения – совместное применение классификации песка в воздушном потоке и магнитной сепарации. Это позволяет снизить содержание Fe₂O₃ в большей степени, чем при одной магнитной сепарации, и сократить затраты на магнитную сепарацию.

Метод глубокой «сухой» очистки был использован при обогащении проб песка разных месторождений, находящихся на расстоянии 150–2000 км от г. С.-Петербурга (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Как подчеркнуто выше, для стабильной работы печей и формующего оборудования важно не только абсолютное содержание оксидов в стекле, но и, главным образом, стабильность состава. Уровень допустимых и фактических отклонений состава отечественных кварцевых песков представлены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Уровень колебаний химического состава по кремнезему до ±1, 0%, глинозему – до 0, 35%, Fe₂O₃ – до 0, 03%, характерный для необогащенных песков, приводит к неоднородности стекломассы, как химической, так и термической, и, как следствие, к нарушению технологического процесса формования, снижению производительности, снижению сортности изделий.

Использование обогащенного кондиционированного сырья обеспечивает повышение качества шихты и является непременным условием увеличения съемов стекловаренных печей и повышения качества стекла, В качестве примера могут служить кривые оптических искажений флоат-стекла, полученного в идентичных условиях, но из материалов разного качества (рис. 5.2). Стекломасса, полученная из шихты на основе обогащенного песка, имеет лучшую химическую однородность, поэтому полученное стекло имеет меньшую степень опти­ческих искажений, чем стекло, сваренное на необогащенном сырье.

Отклонения содержания оксидов железа в песке, даже обогащенном, сверх допустимых особенно сильно влияют на стабильность работы систем (варка, формование), резко влияет на качество закаляемого стекла, вызывая повышение брака и понижение технико-эксплуатационных показателей.

Важное значение для стекловарения имеет гранулометрический состав

кварцевого песка, определяя в первую очередь скорость провара стекломассы Время растворения зерен кварцевого песка связана с его размерами следующим отношением:

τ ≈ ,

где d – диаметр зерна.

Наиболее пригодными для стеклоделия являются пески с размерами зерен в диапазоне 0, 1–0, 4 мм. Чем мельче зерна песка, тем в общем случае выше скорость стеклообразования. Форма зерен также влияет на процесс растворения в расплаве. Зерна окатанные с неразвитой реакционной поверхностью плавятся медленнее, чем угловатые либо имеющие трещины.

За рубежом практикуется полное удаление из кварцевого сырья зерен с размером более 0, 5 мм. Так, бельгийская фирма «Glaverbel», один из ведущих производителей листового стекла, использует кварцевый песок, содержащий не более 4% фракций +0, 6мм и не более 4% частиц фракции –0, 12 мм. Примерно таковы же требования к гранулометрии песков в стекольной индустрии США: не более 1% фракции +0, 39 мм и 15% фракции –0, 149 мм. Отечественными нормами предусматривается просев песка через сито с сеткой 08–03 (количество отверстий на 1 см² – 81). Таким образом, в шихту поступают частицы с размерами до 0, 8 мм, что ведет к ухудшению качества провара стекла, увели­чению продолжительности варки, повышенному расходу топлива. Таким образом, размер песка решающим образом влияет на производительность стекловаренных печей, в связи с чем следует ужесточать требования к кварцевому песку для стекольной промышленности. Желательно использовать кварцсодержащее сырье с размером частиц в пределах 0, 1–0, 5 мм.

Применение в шихте мелких фракций песка (< 0, 1 мм) ведет к появлению мошки, затрудняет осветление стекломассы

Кроме того, мелкие фракции песка содержат большое количество тяжелых минералов (магнетит, гематит, лимонит, рутил, циркон, ильменит и др.), снижающие его качество вследствие тугоплавкости и окрашивания (табл. 5.4)

Таблица 5.4

Содержание вредных примесей в мелких фракциях песка

Практикующаяся в настоящее время высокотемпературная варка стекла (> 155°C) обеспечивает растворение практически всех примесных минералов в стекле. Однако кварцевый песок может быть засорен искусственно при его транспортировке, например, хромитами, что приводит к появлению пороков в стекле. Количество мелких фракций в необогащенных песках достигает 15%, в связи с чем после удаления в ходе обогащения необходимо предусмотреть их использование для других производств, например, для литейного.

В последнее время проявляется тенденция обогащенный песок высушивать практически до нуля, затеривать в водонепроницаемую и в таком виде поставлять потребителю. Такое сырье загружается сразу в бункера ДСЛ, в ито­ге упрощается технологический процесс, исключается зависание песка в бунке­рах, улучшаются условия дозирования, повышается точность взвешивания, что способствует постоянству состава шихты, кроме того, снижаются расходы на транспортирование.