Завод по виробництву загартованого скла

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Кафедра технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей

«Завод по виробництву загартованого скла»

Зміст

1. Вступ.

2. Розрахунок виробництва

2.1 Розрахунок необхідної кількості машин ВВС

2.2 Вибір складу скла

2.3 Розрахунок фізико-хімічних властивостей скла згідно з його хімічним складом

2.4 Термічні властивості скла

2.5 Розрахунок кривої відпалу

2.6 Визначення температури загартування

2.7 Вибір і характеристика сировинних матеріалів

2.8 Розрахунок шихти

2.9 Складовий цех

2.10 Розрахунок площі під склад сировинних матеріалів

2.11 Розрахунок бункерів для сировинних матеріалів

2.12 Технологічна схема роботи складового цеху

2.13 Технічна характеристика обладнання складового цеху

2.14 Вибір і обґрунтування конструкції ванної печі

2.15 Фізико-хімічні процеси при варінні скла

2.16 Теплотехнічний розрахунок ванної печі

2.17 Розрахунок горіння палива

1. Вступ

Скло - один з найважливіших матеріалів, без нього не обходиться практично жодна зі сфер виробництва, транспорту, будівництва, зв'язку, жодна з галузей науки, жоден з напрямків медицини, жодна, нарешті, з галузей нашого повсякденного побуту. Як усі нові матеріали, скло в першій період після свого народження було предметом розкоші. Фактично з нього виготовляли тільки посуд, віконне скло, ювелірні вироби і стекла для різноманітних оптичних приладів. Однак у XIX столітті, скло вже грало дуже велику роль у технічному та культурному прогресі всього людства. Найбільші відкриття в галузі астрономії, мікробіології, зоології, ботаніки та медицини вдалося зробити завдяки створенню складних оптичних приладів, у яких найголовніші деталі - лінзи, були зроблені з скла. Скло володіє майже необмеженими можливостями для одержання світлофільтрів з виборчим світлопоглинанням і світловипусканням. Окрім скла, що пропускає ультрафіолетові промені, необхідно відзначити скляні світлофільтри для уявної частини спектру, тобто кольорові стекла. Ці стекла застосовують у світлової сигналізації, для художніх та ювелірних виробів.

За останні роки були розроблені спеціальні стекла, які мають високу стійкість по відношенню до лугів. Завдяки цьому скло все ширше використовують у хімічній промисловості. Розширюються галузі застосування піноскла - високоефективного тепло- і звукоізоляційного матеріалу з замалою об'ємною вагою. Скловолокно та скляні плівки застосовують для термо-, звуко- і електроізоляції. Великі перспективи відкриваються перед новими матеріалами - так званими склопластиками, у яких скловолокно та скляні плівки поєднуються з різноманітними зв'язуючими органічними речовинами. Склопластики не поступаються за міцністю сталі і в той же час легше її більш ніж чотири рази. З цього видно, що основним недоліком скла є його крихкість. Для подолання цього недоліку було розроблено технологію загартування скла. На сьогодні широко розповсюджено виробництво загартованого скла, яке застосовують поруч з триплексом та армуванням склом.

2. Розрахунок виробництва

У проекті, згідно завдання, завод випускає 5 млн. м² загартованого скла на рік. Протягом ванна піч 30 днів не працює (тривалість холодного ремонту). Тоді загальна кількість робочих днів ванної печі в році складає 365 - 30 = 335 днів.

Приймаємо наступні втрати скла у виробництві:

№ п/п	Назва операцій	Втрати, %
1	Хальтовка	0,1
2	Витягування	4,5
3	Відбортовка	4,2
4	Різання	2,2
5	Загартування	4,0
6	Транспортування і зберігання	1,0
Разом	16,0

Товщина готового скла - 6 мм. Вага 1 м² - 15 кг.

Розраховуємо продуктивність заводу в м² в добу, зміну, годину:

5000000 : 335 = 14925,37 м²;

14925,37 : 3 = 4975,12 м²;

4975,12 : 8 = 621,89 м².

Виражаємо виробничу програму в тонах:

у рік - 5000000 • 15 = 75000 тон;

у добу - 14925,37 • 15 = 223,88 тон;

у зміну - 4975,12 • 15 = 74,62 тон;

у годину - 621,89 • 15 = 9,33 тон.

2.1 Розрахунок необхідної кількості машин ВВС

Враховуючи дані передових заводів за швидкістю витягування скла безлодочним способом, приймаємо швидкість витягування стрічки скла 33 м/год. Максимальна продуктивність в добу при ширині 2,5 м складає:

М = 33 • 24 • 2,5 = 1980 м²/добу.

Поточний ремонт машин проводиться при кожному обновленні стрічки. Середній ремонт робиться через кожні 3 місяці під час зміни шамотного тіла. Капремонт машин проводиться протягом холодного ремонту ванной печі. Корисний час роботи машини протягом служби шамотного тіла 3 місяці:

2160 - 16 = 2144 год,

де 2160 - час роботи машин за 3 місяці,

16 - час простою при зміні шамотного тіла.

Коефіцієнт використання машин ВВС:

К = 2144 : 2160 = 0,99.

Дійсна продуктивність однієї машини з урахуванням відходів:

М? = М0•К•(100 - ц1)•(100 -)•(100 - ц3)/1003,

де К - коефіцієнт використання машин;

ц1 - кількість відходів на всіх стадіях вироблення, ц1 = 12,8;

ц2 - кількість відходів при різанні, ц2 = 2,2;

ц3 - кількість відходів при транспортуванні та зберіганні, ц3 = 1,0.

М? = 1980•0,99 (100-12,8)•(100-2,2)•(100-1)/1003 = 1654,97 м2/добу

Продуктивність однієї машини в рік:

1654,97•335 = 554415 м2/рік

Необхідна кількість машин:

N = 5000000/554415 = 9,02 ? 9 машин

Для забезпечення виконання виробничої програми застосовуємо 5 машин ВВС.

2.1.1 Добова потреба в шихті

В добу вариться скломаси:

С = Р•100/(100-в) = 134,32•100/(100-20) = 167,9 тон/добу

Р - вага готової продукції, т;

в - кількість бою, %.

При витраті на одну тону скломаси 1,21 т шихти. Потреба заводу в шихті за рік буде складати:

1,21•75000 = 90750 т/рік, а за добу: 90750/335 = 270,9 т/добу.

При співвідношенні шихта/бій рівному 80/20 потреба в бої складає:

270,9•0,2 = 54,18 т/добу.

2.2 Вибір складу скла

Вибір оптимальних складів представляє вельми складну задачу, оскільки різні оксиди, введені до складу скла, впливають індивідуальним чином, як на технологічні властивості скломаси, так на властивості затверділого тіла.

Для заводу вибираємо склад скла, %:

SiO2 - 72,6; Al2O3 - 1,8; CaO - 8,2; MgO - 3,5; Na2O - 13,4.

2.3 Розрахунок фізико-хімічних властивостей скла згідно з його хімічним складом

2.3.1 Щільність скла

D = ,

де a1…an - зміст оксидів у склі, %

d1…dn - коєфіціент щільності окремих оксидів у склі.

Щільність скла являє собою відношення маси скла до його об'єму:

D = = 2,253 г /см3

2.3.2 Модуль пружності

Під пружністю розуміють здатність тіла повертатися до своєї первинної форми після усунення зусиль, що викликають деформацію тіла. Розраховуємо по формулі:

Е = Р1Е1 + Р2Е2 + …+ РnEn,

де Р1, Р2, Рn - вміст оксидів в склі, %;

Е1, Е2, En - коєфіцієнт пружності.

Е = 72,6•70 + 1,8•40 + 8,2•70 + 13,4•60 + 3,7•30 = 7643 кг/см2

2.3.3 Міцність скла

Rp = P1R1 + R2 +…+ PnRn,

де R1, R2,…, Rn - питомі коефіцієнти міцності відповідних оксидів;

P1, P2,…, Pn - вміст оксидів у склі, %.

Rp = 72,6•0,03 + 1,8•0,05 + 0,2•8,2 + 0,01•3,7 + 0,02•13,4 = 8,54 кг/см2

2.3.4 Міцність скла при стисненні

Межа міцності при стисненні - це приватне від розподілу навантаження на площу поперечного перетину зразка. Розрахунок проводимо на основі рівняння адитивності.

Rсж = P1R1сж + P2R2сж +…+ PnRnсж,

де P1, P2,…, Pn - вміст оксидів у склі, %;

R1сж, R2сж,…, Rnсж - коефіцієнти міцності відповідних оксидів.

Rсж = 72,6•1,23 + 1,8•1,0 + 0,2•8,2 + 1,1•3,7 + 0,6•13,4 = 107,8 кг/см2

2.4. Термічні властивості скла

2.4.1 Теплоємність

Питомою теплоємністю називають кількість теплоти, що необхідна для нагрівання одиниці маси на 1 оС. Розрахунок ведемо по формулі:

С = ,

де С - теплоємність скла;

P1, P2,…, Pn - вміст оксидів у склі, %;

С1, С2,…, Сn - коефіцієнти теплоємності відповідних оксидів.

=

2.4.2 Теплопровідність скла

Теплопровідність - це здатність скла провести тепло. Теплопровідність скла вимірюється кількістю тепла, що проникає через одиницю площі поперечного перетину зразка в одиницю часу при температурному градієнті, рівному одиниці.

л = л1Р1 + л2Р2 +…+ лnРn,

де P1, P2,…, Pn - вміст оксидів у склі, %;

л1, л2,…, лn - парціальне значення теплопровідності оксидів.

л = 72,6•7,5 + 1,8•9,2 + 10•8,2 + 11,5•3,7 + 11,0•13,4 = 833,01 ккал/м•год•град

л = 833,01/1000 = 0,833 ккал/м•год•град

л = 0,833•1000/100•3600 = 0,0023 кал/см•сек•град

2.4.3 Температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР)

ТКЛР - це кількість, що характеризує розширення скла при нагріванні.

б = (б1Р1 + б2Р2 +…+ бnРn)•10-7,

де P1, P2,…, Pn - вміст оксидів у склі, %;

б1, б2,…, бn - парціальне значення ТКЛР оксидів.

б = (72,6•0,05 + 1,8•0,17 + 1,66•8,2 + 0,45•3,7 + 4,32•13,4)•10-7= 77,1 оС-1

2.4.4 Термічна стійкість

Розрахунок ведемо по формулі:

?t = ,

де ?t - інтервал температур, що витримуються склом без руйнування;

Rp - межа міцності скла при розриві і вигинанні;

у - коефіцієнт Пуасона, рівний 0,22;

б - коефіцієнт лінійного розширення;

Е - модуль пружності,

?t = оС.

2.5 Розрахунок кривої відпалу

Відпал скла характеризується інтервалом температур та часом відпалу. Це інтервал обмежений верхньою та нижньою температурою відпалу. Проектований склад скла: SiO2 - 72,6; Al2O3 - 1,8; CaO - 8,2; MgO - 3,7; Na2O - 13,4; Fe2O3 - 0,1.

Вища температура відпалу для скла складом: SiO2 - 73; Al2O3 - 3; CaO - 7; MgO - 2,5; Na2O - 14,5; Fe2O3 - 0 рівна tg = 560 оС.

1 % Na2O в межах 10-15 % знижує температуру відпалу на 4 оС: 4•(13,4-14,5) = 3,6 оС.

1 % CaO знижує температуру відпалу на 6,6 оС: 6,6•(8,2-7) = 7,32 оС.

1 % Al2O3 підвищує температуру відпалу на 3 оС: 3•(1,83-3) = -3,6 оС.

1 % MgO підвищує температуру відпалу на 3,5 оС: 3,5•(3,7-2,5) = 4,2 оС.

Fe2O3 в межах 0-5% не змінює температуру відпалу, значить температура відпалу рівна: 560 + 3,6 + 7,92 - 3,6 + 4,2 = 572,1 оС.

t від.вища = 572,1 оС.

Нижча температура на 100 оС нижче ніж вища. Отже вона рівна: tниж. = 472,1 оС.

В температурній області між вищою та нижчою температурами відпалу необхідно установити таку швидкість охолодження, при якій не можуть виникати залишкові напруги. Допустима швидкість охолодження розраховується по формулі:

,

де V - допустима швидкість охолодження;

k - теплопровідність скла;

Р - величина допустимих термопружних напруг;

м - коефіцієнт Пуасона;

l - півтовщина скла.

оС/мин.

Тривалість перебування стрічки скла в області відпалу: 100:20 = 5 хвил.

2.6 Визначення температури загартування

Температура, яка відповідає швидкому та повному зникненню напруг, є температурою загартування. Збільшення вмісту SiO2 та Al2O3 підвищує температуру загартування, а збільшення Na2O та K2O знижує її.

= Товідп + 80 оС = 572 +80 = 652 оС

Листове скло можна нагрівати і при більш високих температурах, ніж Tґз, хоча це і пов'язане зі збільшенням деформації. При цьому в'язкість значно знижується і лист скла легко приймає зігнуту форму, до того ж в місцях підвіски з'являється значне відтягання, тому тривалість витримки скорочують.

2.7 Вибір і характеристика сировинних матеріалів

Основними сировинними матеріалами для введення того або іншого оксиду до складу скла на даному заводі є кварцовий пісок, крейда, доломіт, сода, сульфат натрію, пегматіит.

Пісок.

Кварцовий пісок є основним сировинним компонентом для скляного виробництва. З піском в склі вводиться кислотний оксид SiO2, що є основним склоутворюючим оксидом. Якість кварцового піску характеризується його хімічним складом. Основною вимогою, що висувають до піску, є висока хімічна однорідність і високий процент вмісту кремнезему (98-99,8 %). Вміст оксидів заліза в піску для листового скла не повинен перевищувати 0,1 %, так як вони сильно знижують світлопрозорість.

Проектом передбачено застосування піску Пресноводського родовища наступного складу, %: SiO2 - 98,45; Al2O3 - 0,43; CaO - 0,58; MgO - 0,09; Fe2O3 - 0,13; п.п.п. - 0,11.

Крейда.

Для введення до складу скла оксиду кальцію застосовують крейду. Оксид кальцію додає склу механічну міцність і хімічну стійкість. Оксид кальцію вступає в реакцію з кремнеземом при порівняно низькій температурі, що також є цінною властивістю.

Проектом передбачено застосування крейди Слав'янського родовища наступного складу, %: SiO2 - 1,0; Fe2O3 - 0,6; CaO - 54,2; п.п.п. - 42,8.

Сода.

Сода є основним сировинним матеріалом для введення до складу скла Na2O. Проектом передбачено застосування соди кальцинової Красноперекопського комбінату наступного складу, %: Na2O - 58,5; SiO2 - 0,01; Fe2O3 - 0,003; п.п.п. - 41,87.

Доломіт.

Доломіт являє собою гірську породу, що складається в основному з мінералу і домішок. він характеризується твердою кристалічною структурою, розчиняється тільки в кислотах. За допомогою доломіту до складу скла вводяться лужноземельні оксиди CaO і MgO. Оксид магнію підвищує хімічну стійкість і механічну міцність скла, знижує схильність скла до кристалізації і розстеклування. SiO2 - 0,7; Al2O3 - 0,2; CaO - 32,0; MgO - 19,5; Fe2O3 - 19,5; п.п.п. - 47,55.

Пегматіт застосовується для введення в скляну шихту Al2O3. Оксид алюмінію знижує коефіцієнт термічного розширення скла, підвищує механічну міцність і збільшує твердість скла. Проектом передбачено застосування пегматіту Ніколаєвського родовища наступного складу, %: SiO2 - 75,0; Al2O3 - 14,5; CaO - 1,5; MgO - 0,3; Na2O+K2O - 7,5; Fe2O3 - 0,5.

Сульфат натрію.

Природний сульфат повинен бути білого кольору, містити не менше 96,5 % Na2SO4. Сульфат гігроскопічний, тому його зберігають в сухому критому приміщенні. Відомо, що для відновлення сульфату використовують вугілля. Застосовуємо сульфат натрію наступного складу, %: SiO2 - 1,0; Al2O3 - 0,1; Fe2O3 - 0,02; CaO - 0,5; Na2SO4 - 98,0 (де Na2O - 36,7).

Склобій.

Склобій вводиться для прискорення процесу варіння скла. Співвідношення бою та шихти повинно бути постійним і складати 80 % шихти і 20 % бою. За хімічним складом склобій повинен відповідати складу скла.

Таблиця 2.7 - Хімічний склад сировини

Найменування матеріалів	Вміст компонентів, %
	SiO2	Na2O	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	п.п.п.
Пісок	98,45	-	0,58	0,09	0,43	0,13	0,11
Крейда	1,0	-	54,2	-	-	0,6	48,2
Доломіт	0,7	-	3,2	19,5	0,2	0,05	47,5
Пегматіт	75,0	7,5	1,5	0,3	14,5	0,5	-
Сода	0,01	58,5	-	-	-	0,003	41,9
Сульфат натрію	1,0	36,7	0,5	98,1	0,1	0,02	0,7

2.8 Розрахунок шихти

Розрахунок заснований на заданому складі скла і сировинних матеріалах, що застосовуються. При розрахунку звичайно приймають, що сировинні матеріали, які входять в склад шихти, при варінні скла розпадаються, причому в скло переходять тільки оксиди, а волога і гази випаровуються. Частина газів і вологи поглинається, але кількість їх змінна, і тому потрібно враховувати тільки кількість SO3, який переходить до скла при розкладанні Na2SO4. Однак SO3 також не підлягає розрахунку оскільки він залежить не повністю від вмісту Na2SO4 в склі, але й від умов варіння.

В нашому випадку хімічний склад шихти складає, %: SiO2 - 72,8; Al2O3 - 1,8; CaO - 8,2; MgO - 3,7; Na2O - 13,4; Fe2O3 - 0,1.

Розрахунок доломіту.

До складу скла необхідно ввести 3,7 % MgO. Розрахунок ведемо по формулі:

3,7•21,7 / 19,5 = 18,8413 кг,

де 21,7 - теоретичний вміст MgO в доломіті;

4,576 - перевідний коефіцієнт доломіту на MgO.

З доломітом вводяться склоутворюючі оксиди:

SiO2 - 18,84•0,007 = 0,14 кг;

Al2O3 - 18,84•0,002 = 0,04 кг;

Fe2O3 - 18,84•0,0005 = 0,009 кг;

CaO - 18,84•0,32 = 6,03 кг.

Розрахунок крейди.

До складу скла необхідно ввести 8,2 % CaO. Розрахунок ведемо по формулі: 8,2 - 6,03 = 2,17 кг, 2,17•1,79•5,67 / 54,2 = 4,015 кг.

З крейдою вводяться: SiO2 - 4,015•0,01 = 0,0401 кг; Fe2O3 - 4,015•0,006 = 0,024 кг;

Розрахунок пегматіта.

До складу скла необхідно ввести 1,8 % Al2O3. Розрахунок ведемо по формулі: 1,8 - 0,038 = 1,76 кг, 1,76 / 0,145 = 12,14 кг.

З пегматітом вводяться: SiO2 - 12,14•0,75 = 9,105 кг; CaO - 12,14•0,015 = 0,182 кг. MgO - 12,14•0,003 = 0,036 кг. Fe2O3 - 12,14•0,005 = 0,06 кг.

До складу скла необхідно ввести 13,4 % Na2O. Розрахунок ведемо по формулі: 13,4•1,71•0,9•1,01 = 20,05 кг, З содою вводимо: SiO2 - 20,05•0,01 = 0,2 кг; Fe2O3 - 20,05•0,00003 = 0,0006 кг.

Розрахунок сульфату натрію.

Розраховуємо залишок Na2O, який необхідно ввести сульфатом натрію: 36,7 - 20,05 = 16,65 кг, 16,65•2,23•0,1•1,01 = 0,38 кг. З сульфатом натрію вводяться: SiO2 - 0,38•0,01 = 0,0038 кг; CaO - 0,38•0,005 = 0,0019 кг; Al2O3 - 0,38•0,001 = 0,0004 кг;

Розрахунок піску.

До складу скла необхідно ввести 72,8 % SiO2. Крім піску, SiO2 введено іншими матеріалами: 72,8 - (0,2 + 9,1 + 0,4 + 0,13) = 62,9 кг. З піском вводяться: CaO - 62,9•0,0058 = 0,37 кг; MgO - 62,9•0,00009 = 0,057 кг; Al2O3 - 62,9•0,0043 = 0,27 кг; Fe2O3 - 62,9•0,0013 = 0,082 кг;

Вугілля.

7 % вугілля беремо від всього сульфату: 3•1•7 / 100 = 0,22 кг.

Поправки до розрахунку.

Доломіт

3,7 - (0,036 + 0,057) = 3,607 кг

3,607 • 4,576 • 21,7 : 19,5 = 18,69 кг

SiO2 18,69 • 0,07 = 0,13 кг

CaO 18,69 • 0,32 = 5,98 кг

Al2O3 18,69 • 0,002 = 0,04 кг;

Fe2O3 18,69 • 0,0005 = 0,009 кг;

Крейда

8,2 - (0,18 + 0,37 + 5,98) = 1,67 кг

1,67 • 1,79 • 56 : 54,2 = 3,08 кг

SiO2 3,08 • 0,01 = 0,03 кг

Fe2O3 3,08 • 0,006 = 0,018 кг;

Пегматіт

1,76 - 0,27 = 1,48 кг

1,48 : 0,145 = 10,26 кг

SiO2 10,26 • 0,75 = 7,69 кг

CaO 10,26 • 0,15 = 1,54 кг

Fe2O3 10,26 • 0,005 = 0,05 кг;

MgO 10,26 • 0,003 = 0,03 кг

K2O+Na2O 10,26 • 0,0075 = 0,76 кг

Сода

13,4 - 10,76 = 12,64 кг

12,64 • 1,71 • 0,9 • 1,01 = 19,65 кг

SiO2 19,65 • 0,01 = 0,196 кг

Fe2O3 19,65 • 0,00003 = 0,0006 кг;

Пісок

72,8 - (0,196 + 7,69 + 0,03 + 0,13) = 64,68 кг

CaO 64,7 • 0,058 = 0,38 кг

Al2O3 64,7 • 0,0043 = 0,27 кг;

Fe2O3 64,7 • 0,0013 = 0,084 кг;

Таблиця 2.8 - Зведена таблиця сировинних матеріалів

Найменування матеріалів	Рецепт шихти на 100 в.ч.	Оксиди
		SiO2	Na2O	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3
Пісок	64,68	64,2	-	0,375	0,058	0,278	0,084
Крейда	3,08	0,031	-	1,67	-	-	0,018
Доломіт	18,69	0,13	-	0,59	3,645	0,037	0,003
Сода	19,65	0,002	11,49	-	-	-	0,00006
Пегматіт	10,26	7,695	0,769	0,153	0,03	1,487	0,051
Сульфат натрію	3,8	0,038	1,39	0,01	-	0,004	0,0008
Вугілля	0,22	-	-	-	-	-	-
Разом	120,76	72,8	13,4	8,2	3,73	1,8	0,14

Розрахунок кількості шихти

Шихта розраховується способом складення рівнянь.

Хімічний склад скла, %: SiO2 - 72,8; Na2O - 13,4; Al2O3 - 1,8; CaO - 8,2; MgO - 3,7.

Шихта розраховується на 100 вагових часток скломаси.

Вводимо наступні позначення:

кількість піску - Х1; кількість доломіту - Х2; кількість глинозему - Х3; кількість соди - Х4; кількість крейди - Х5.

Кількість SiO2 відповідно в піску - S1, у крейді - S2, в доломіті - S3, в технічному глиноземі - S4, соді - S5.

Кількість Na2O в соді - N1 і так далі.

Кількість CaO в піску - C1, в крейді - С2 і так далі.

Кількість MgO в доломіті - M1 і так далі.

Кількість Al2O3 в піску - А1, доломіті - А2.

Для того, щоб визначити кількість сировинних матеріалів, складаємо наступні рівняння:

72,8 = 0,991•Х1 + 0,0166•Х2 + 0,748•Х3 + 0,0001•Х4 + 0,012•Х5

3,7 = 0,0004•Х1 + 0,018•Х2 + 0,142•Х3 + 0•Х4 + 0,002•Х5

1,8 = 0,003•Х1 + 0,19•Х2 + 0,001•Х3 + 0•Х4 + 0•Х5

13,4 = 0•Х1 + 0•Х2 + 0•Х3 + 0,585•Х4 + 0•Х5

8,2 = 0,0005•Х1 + 0,3096•Х2 + 0,012•Х3 + 0,0005•Х4 + 0,545•Х5

Рішаємо ці рівняння на ЕОМ та знаходимо значення невідомих.

2.9 Складовий цех

Складовий цех складається з складу сировини і декількох відділів по обробці та просіву сировини і приготуванню шихти. Є важливою ланкою в технологічній схемі виробництва. У складовому цеху і складі сировини проектом передбачено:

Автоматизація процесів зважування і змішування шихти.

Максимальна механізація розвантажувальних робот.

Застосування пневмотранспорту.

2.10 Розрахунок площі під склад сировинних матеріалів

Для розрахунку площі складу необхідно передусім встановити кількість матеріалу кожного вигляду, що зберігається на заводі.

Кількість запасу матеріалів визначається по нормах МПСМ з розрахунку 30 днів.

Найменування матеріалу	Норма запасу, днів	Вмсота насипи, м	Насипна вага, т/м3	Втрати матеріалу, г/добу
Пісок	30	6	1,8	118,47
Крейда	30	4	1,7	5,58
Доломіт	30	6	1,7	5,58
Сульфат натрію	30	4	1,1	5,43
Сода	30	4	0,7	36,55
Пегматіт	30	5	1,6	13,17
Вугілля	30	3	0,9	0,388

Площа складу визначається по формулі:

F = d•l / j•h•nc,

де d - добова витрата матеріалу, т;

l - норма запасу на складі на добу;

j - насипна вага матеріалу, т/м3

h - висота насипу матеріалу;

nc - коефіцієнт корисної площі на складі.

Для піску F = 321,67 м2;

Для крейди F = 38,8 м2;

Для доломіту F = 94,22 м2;

Для соди F = 394,64 м2;

Для пегматіту F = 96,5 м2;

Для сульфату F = 58,3 м2.

Загальна площа складу з урахуванням 30 % на проїзди та проходи:

F = 1004,11 + 301,23 = 1305,34 м2.

2.11 Розрахунок бункерів для сировинних матеріалів

Всі оброблені сировинні матеріали або компоненти зберігаються в витрачальних бункерах складового цеху, що розраховані для зберігання запасу, прийнятого згідно з нормами:

Пісок - 2 доби; Крейда - 4 доби; Пегматіт - 2 доби;

Сульфат - 2 доби; Сода - 2 доби; Домоліт - 2 доби.

Бункери залізничні. Висота їх однакова, а довжина і ширина від об'єму. розрахунок об'єму бункерів ведеться по формулі:

V = d•S•t•c / j•n,

де d - часова витрата матеріалу, т;

S - кількість змін в доби;

t - тривалість зміни, год;

с - добовий запас, т;

j - об'ємна вага матеріалу, т/м3;

n - коєфіцієнт корисної місткості бункера.

Для піску V = 3,146•38•2 / 1,6•0,8 = 343,07 м3;

Для доломіту V = 1,25•38•2 / 1,4•0,8 = 44,12 м3;

Для крейди V = 0,41•38•2 / 1,6•0,8 = 12,43 м3;

Для соди V = 1,58•38•2 / 0,7•0,6 = 180,6 м3;

Для сульфату V = 0,804•38•2 / 1,5•0,8 = 32,16 м3;

Для пегматіту V = 0,26•38•1 / 1•0,8 = 78 м3.

2.12 Технологічна схема роботи складового цеху

Обробка піску.

Поступаючі на склад пісок грейферним краном подається в приймальний бункер, звідки човниковим живильником подається на транспортер, яким пісок подається в сушильний барабан. Після сушки, пісок, що має температуру нижче за 70 оС і вогкість 50 % подається елеватором на електромагнітний сепаратор. Поті поступає на сито-бурат 81 отв/см2, звідки подається в бункер готового піску.

Обробка доломіту.

Поступаючий на склад доломіт грейферним краном подається в приймальний бункер, звідки пластинчатим живильником в щекову дробилку. З дробилки доломіт транспортером подається в сушильний барабан, потім в польовий млин. Мелений доломіт елеватором подається на сито-бурат 81 отв/см2. Після просіву оброблений доломіт подається в бункер готового доломіту.

Обробка крейди.

Поступаюча на склад крейда грейферним краном подається в приймальний бункер, звідки пластинчатим живильником в щекову дробилку. З дробилки крейда траснпортується в сушильний барабан, потім поступає в дезінтегратор. Мелена крейда елеватором подається на сито-бурат 81 отв/см2. Після просіву оброблена крейда подається в бункер готової крейди.

Обробка пегматіту.

Збагачений пегматіт поступає на завод в паперових мешках і не вимагає додаткової обробки. Однак зазнає просіву через сито-бурат 64 отв/см2, встановленого в складі і подається пневмотранспортером в бункер готового пегматіту.

Обробка сульфату.

Поступаючий на склад сульфат розвантажується краном. Потім подається в бункер з човниковим живильником, звідки в сушильний барабан. Висушений сульфат подається елеватором на сито-бурат 64 отв/см2. Потім поступає в приймальний бункер і далі пневмотранспортером в бункер готового сульфату.

Обробка соди.

Сода на завод поступває в мішках або в цементовозах. Розвантажується з допомогою пневмотранспортера в приймач, потім човниковим живильником подається на сито-бурат 36 отв/см2. Просіяна сода поступає в бункер пневмовакуумної установки, потім в пневматичний живильник і в бункер запасу соди. Після просіву оброблена сода подається в бункер готової соди.

2.13 Технічна характеристика обладнання складового цеху

Сушильний барабан СМ 45А:

продуктивність - 2,5 т/рік;

діаметр барабана - 1600 мм;

довжина барабана - 800 мм

температура матеріалу на вході - 50-90 оС;

число оборотів - 4,6 об/хвил.;

довжина - 11,8 м;

ширина - 3,7 м;

висота - 4,2 м.

Елеватор ЕМ-160:

продуктивність - 8 м3/год;

швидкість руху стрічки - 0,5 м/с;

об'єм ковшу - 1,1 м3;

висота підйому - 35 м.

Сито-бурат СМ-237:

продуктивність - 7,5 т/год;

довжина барабану - 2500 мм;

діаметр великої основи - 1100 мм;

діаметр меншої основи - 730 мм;

Електромагнітний сепаратор:

кількість зворотів диску - 36 зворотів/хвил;

діаметр диску - 576 мм;

потужність магніту - 0,85 кВт;

потужність приводу - 0,25 кВт;

довжина - 3980 мм;

ширина - 950 мм;

висота - 1850 мм.

Щекова дробилка СМ-11А:

продуктивність - 18 м3/год;

розмір завантажувального отвору - 570350 мм;

розмір вивантажувального отвору - 95 мм;

довжина - 1650 мм;

ширина - 1744 мм;

висота - 1520 мм;

потужність приводу - 25 кВт.

Молоткова дробилка “Кира”:

продуктивність - 3 т/год;

кількість зворотів - 600 звор/хвил;

потужність двигуна - 8,8 кВт;

довжина - 300 мм;

ширина - 600 мм;

висота - 830 мм;

Гвинтовий живильник:

продуктивність - 6 т/год;

довжина - 1500 мм;

потужність - 1,5 кВт.

Мостовий електричний грейферний кран:

вантажопідйомність - 5 т;

проліт - 29 м;

висота підйому - 10 м;

швидкість підйому - 44 м/хвил;

місткість - 1,5 м3.

Бункер шихти:

місткість - 20-25 т;

вологість шихти - 5 %.

2.14 Вибір і обґрунтування конструкції ванної печі

Для варіння листового скла застосовуються ванні печі безперервної дії. Конструкція і розміри цих печей вельми різноманітні і в основному визначаються типом скла, способом формування, масштабом виробництва і рядом інших показників.

Стрічка скла формується з скломаси, що знаходиться в підмашинній камері. У цю скломасу занурюється шамотний брусок-поплавець. Скломаса, що протікає під поплавцем до цибулини, інтенсивно охолоджується холодильником і поступає в шахту машини ВВС.

2.14.1 Канал вироблення машин ВВС

Суть безчовникового способу витягнення зводиться до формування стрічки з вільної поверхні скломаси, тобто без застосування шамотної лодочки. При формування стрічки скла цим способом в підмашинній камері підтримують більш високу температуру скломаси, чим при човниковому способі (1020 - 1250 оС). Це запобігає небезпеці кристалізації і загасання стрічки, що сприяє збільшенню терміну роботи машини по витяжінню стрічки скла до 2000 і більше за годину.

2.14.2 Пристрій машини ВВС

Безлодочний спосіб пред'являє ряд особливих вимог до машини ВВС. Вони викликаються технологічними особливостями роботи машин:

високі температури в підмашинній камері і стрічки скла на вході в шахту;

великі швидкості витягнення;

більш значна різниця в температурах стрічки і бортів у шахті машини ВВС.

Підвищення швидкості вироблення скла зумовлює доцільність застосування машин ВВС висотою 10 м і з великою кількістю валиків. Велика висота необхідна для того, щоб стрічка, що перемішується з великою швидкістю могла бути добре випалена і охолоджена до температури 100 оС.

Машина ВВС розташована над вироботочною камерою і являє собою чавунну шахту прямокутного перетину. Машина підвішена на каркасі, не пов'язаному з каркасом печі. Шахту підвішують вертикально по осі підмашинної камери на кронштейнах, що спираються на металеві балки несучої конструкції. Між підмашинною камерою і машиною ВВС знаходиться з'єднувальна ланка (труна), виготовляють її з чавуна, кріпиться до шахти машини. У торцях машини її є зйомні приліки, розділені на три секції. У середній секції влаштоване оглядове вікно для спостереження за стрічкою. Дві інші секції служать для обслуговування машини під час оновлення стрічки.

2.15 Фізико-хімічні процеси, які відбуваються при варінні скла

Варіння скла - процес, що поєднує в собі складні фізичні, фізико-хімічні і хімічні реакції і явища, внаслідок яких механічна суміш сировинних матеріалів (шихта), перетворюється в складний розплав (скломасу) з певними фізико-хімічними властивостями. У реальних умовах виробництва окремі етапи цього процеси виділити важко. Процес скловаріння можна поділити на п'ять стадій:

Силікатоутворення;

Склоутворення;

Освітлення або дегазація;

Гомогенізація;

Остужування.

Кварц при нагріві проходить наступні стадії:

545 оС 270 оС 1480 оС 1710 оС

в-кварц > б-кварц > тридіміт > кристобаліт > tплав

Силікатоутворення

При невисокій температурі (менш 300 оС) в шихті відбуваються такі фізичні процеси, як випаровування вологи, поліморфні перетворення мінералів, термічне компонентів. При температурі до 780 оС ці реакції проходять в твердому стані. При температурі 780-880 оС в шихті з'являється розплав (рідка фаза), який починає взаємодіяти з кремнеземом, утворюючи силікати натрія, магнію та кальцію.

Склоутворення

Після закінчення процесів силікатоутворення, в розплаві залишається до 25 % вільного кремнезему, у вигляді зерен кварцу (піску). Ці зерна поступово розчиняються в силікатному розчині. Розчиненн якремнезему та силікатів являє собою стадію склоутворення.

Освітлення

В процесі освітлення газ із скломаси видаляється у вигляді пухирів (дегазація). Газоутворючи продукти в склі виділяються з сировинних матеріалів шихти при діссоціації, а також виділяється повітря, замкнутє в об'ємі зернистої шихти. Хімічний склад газів обумовлений складом реагуючих матеріалів, і часто є вуглекислим та сернистим газом, парами води, азотом і киснем. Гази в розплавленому склі знаходяться у вигляді пухирів різного розміру. Скломаса звільняється від газових пухирів в результаті їх видалення.

Гомогенізація

Обумовлюється розвитком взаємодії дифузії ділянок різноманітного хімічного складу - одержання максимально однорідної скломаси, що досягається використанням дрібних однорідних за розміром зерен, складних компонентв шихти і ретельним її змішувпанням. Гомогенізація звареної скломаси проходить в частині об'єму басейну вслід за освітленням.

Студка

Відбувається для збільшення в'язкості скломаси. При цьому температура знижується до величини, яка забезпечує необхідну вироботочну в'язкість. Для механічної виработки на лінії вона повинна бути 103 Па•с, а температура 200-300 оС.

Реакції в содово-сульфатній шихті

Реакції силікато- і склоутворення в содово-сульфатній шихті протікають складніше, ніж в содовій. Сульфат натрію спочатку відновлюється, а потім продукти відновлення взаємодіють з кремнекислотою, що призводить до утворення силікатів.

Хімічний процес скловаріння можна виразити:

Na2CO3 + CaCO3 +nSiO2 > Na2SiO3 + CaSiO3 + (n-2)SiO2 + 2CO2

MgNa2(CO3)2 + 2SiO2 >MgSiO3 + Na2SiO3 + 2CO2 (340-620 oC)

MgCO3 + SiO2 >MgSiO3 + CO2 (450-700 oC)

Частина карбонатів реагує з кремнеземом з утворенням подвійного карбонату, що з'являється при температурі нижче 600 оС.

CaCO3 + Na2CO3 > CaCO3Na2CO3 або CaNa2(CO3)2

Нестійкий подвійний карбонат при температурі 600-800 оС активно діє з кремнеземом.

CaNa2(CO3)2 + 2SiO2 > Na2SiO3 + CaSiO3 + 2CO2 ^ (585-900 oC)

CaCO3+ SiO2 > CaSiO3 + CO2 ^ (600-900 oC)

Na2CO3 + SiO2 > Na2SiO3 + CO2 ^ (700-900 oC)

При температурі 900 оС і вище CaCO3 розкладається і вступає в з'єднання з кремнеземом.

CaCO3 - СaO + CO2

СaO + SiO2 - CaSiO3 (1010-1150 oC)

Сульфат натрію є більш міцним хімічним сполученням ніж карбонати, тому реагує з кремнеземом з утворенням силікату натрію повільно та при більш високих температурах.

Na2SO4 + SiO2 - Na2SiO3 + SO2 + 1/2O2 до 1200 оС

Для прискорення реакції силікатоутворення в сульфатну шихту вводять відновник (вугілля) та підтримують в зоні плавління відновлювальну атмосферу. Розкладання сульфату натрію починається при 620 оС.

Na2SO4 + 2C > Na2S + 2CO2

Na2S + CaCO3 > Na2CO3 + CaS

Na2SO4 + Na2S + SiO2 > 2Na2SiO3 + S + SO2 865 oC

Na2SO4 + CaS + 2SiO2 > Na2SiO3 + CaSiO3+ S + CO2

Карбонат кальцію при нагріванні (865-1000 оС) диссоціює, а оксид кальцію з'єднується з кремнеземом.

2.16 Теплотехнічний розрахунок печі

Проектом передбачене застосування природного газу з єдиної системи газопроводу наступного хімічного складу, %: CH4 - 97,7; C4H10 - 0,006; C3H8- 0,12; C2H6 - 0,35; CO2 - 0,1; N2 - 0,67

В якості резервного палива передбачено коксодоменну природну суміш.

2.17 Розрахунок горіння палива

Розрахунок горіння палива проводиться з метою визначення витрати повітря, необхідного для горіння, кількість продуктів горіння, що утворюються, їх складу і температур горіння. З усіх вимог, що висуваються до різних видів палива, загальними є слідуючі:

при згоранні повинно виділятися значна кільіксть тепла на одиницю ваги об'єму;

паливо не повинне виділяти шкідливих газів, руйнуючих матеріал топок і печей;

паливо повинне бути дешевим і легко добуватися.

Вибір технологічного палива визначається особливостями технології виробництва і головним чином конструкцією теплового обладнання. Основні види технологічного палива, що застосовується в скляній промисловості - це природний газ, вугілля, нафта, горючі сланці.

Визначаємо склад робочого палива:

Cp =

де WP - вміст вологи в паливі - 1,1;

С2 - вуглець горючої маси палива, %

CH4Р = ;

N2Р =;

C3H8 =;

C2H6 =;

C4H10 = ;

CO2 = .

Для підрахунку теплоти згорання палива використовуємо формулу:

QнР = 358,2CH4 + 637,5 C2H6 + 1186,5C4H10 + 912,5C3H8

QнР = 358,2•96,6 + 637,5•0,34 + 1186,5•0,05 + 912,5•0,11 = 34978,6 кДж/м3

Теоретично необхідний для горіння росхід повітря:

= 0,0476 • (2CH4 + 3,5 C2H6 + 6,5C4H10 + 5C3H8)

= 0,0476 • (2•96,6 +3,5•0,34 + 5•0,11 + 6,5•0,05) = 9,41

Кількість потрібного кисню та азоту:

= 0,01 • (2CH4) = 0,01 • (2•97,7) = 1,95;

= 0,01 • (79/21•2CH4) = 0,01 • (79/21•2•97,7) = 7,35.

Дійсна кількість повітря, необхідна для повного згорання палива:

= б + ; б = 1,08;

= 1,08 + 9,41 = 10,16.

Об'єм окремих складаючих продуктів горіння:

= 0,98; = 8,03;

= 1,95; = 0,15.

Vп.ч. = 0,98 + 1,25 + 8,03 + 0,15 + 11,1

Визначаємо процентний склад продуктів горіння:

CO2 = (/ Vп.ч.)•100 = (0,98/11,1) •100 = 8,8;

Н2О = (1,95/11,1) •100 = 17,55;

N2 = (8,03/11,1) •100 = 72,3;

О2 = (0,15/11,1) •100 = 1,35.

Складаємо матеріальний баланс процесу горіння палива на 100 м3 газу

Прихід:

Природний газ

CH4 =

C2H6 =

C3H8 =

C4H10 =

CO2 =

повітря:

Разом: 1363,79

Витрати

Продукти горіння

Разом: 1384,26

Нев'язка, %: (100•10,47) / 1384,26 = 0,7 ? 1 %

При розрахунку горіння палива визначаємо теоретичну температуру, враховуючу тепловиділення без втрат та дійсну температуру газів:

де QнР - теплота згорання палива, кДж/м3;

cm, св, сп.ч. - теплоємкість палива, повітря, кДж/м3•град;

tm, tв - температура палива, повітря, град;

Vвg - дійснй витрати повітря, м3/м3;

Vп.ч. - об'єм продуктів горіння палива, м3.

 tg = з • tтеор,

де tg - дійсна температура горіння палива, С;

з - пірометричний коефіцієнт процесу горіння, 0,58 - 0,62

tg = 0,6 • 2773,8 = 1665 С.

2.17.1 Конструкційний розрахунок ванної печі

Варильна частина

Площу варильного басейну Fв визначаємо за формулою:

Fв = G / у,

де у - питомий об'єм скломаси з 1 м2 дзеркала варильної зони.

Залежить від температури варіння

G - продуктивність печі, кг/добу

Fв = 214300 / 1200 = 180 м2

Ширину печі варильної частини приймаємо 9 м, тоді довжина варильної частини печі буде:

L = F / N = 180 / 9 = 20 м.

Висота полум'яного простору для печей з поперечним полум'ям визначається в залежності від ширини басейну, розмірів вльоту та відстані від рівня скломаси до горілкового брусу 250 мм. Висота полум'яного простору 200 мм. Розміри вльотів горілок печі визначаються витратами газу на дану горілку. У ванних печах з поперечним полум'ям площа вльотів горілок складає 2,5 %, число пар горілок - 6.

Глибина басейну

Чим менш прозорість і вище в'язкість скломаси, тим менше може бути прийнята глибина басейну. Глибину студочної частини цих печей передбачається менше варильної на 0,2 - 0,3 мм. Вироботочна частина має меншу глибину і складає 1,2 м.

Зона освітлення

Площа зони освітлення зменшується зі збільшенням питомого об'єму скломаси і складає 50 % від всієї площі варильної частини:

Fосв. = 180 • 0,5 = 90 м2.

Студочна і виработочна зони

Розмір студочної і вироботочної зон басейну залежать від конструкції печі і способу виробки продукції. Для виробництва листового скла площа дзеркала студочної частини складає 118 % площі дзеркала варильного басейну:

Fст. = 180 • 1,2 = 216 м2.

Кількість печей при заданій річної продуктивності на заводі, що проектується:

N = Pг / (m • P);

де Pг - річна продуктивність, м2/рік;

m - число робочих днів в році з урахуванням ремонту;

Р - продуктивність однієї печі, м2.

N = 5000000 / (335 • 214300) ? 1.

Для виконання даної річної продуктивності знадобиться одна ванна піч.

2.17.2 Тепловий баланс печі

Витрати тепла на склоутворення:

gc = 1537•GCaO•Gm + 952•GNa2O•Gm + 3467•GNa2O•Gm + 2758•GMgOCaO•Gm;

gc = 1537•20,75•0,94 + 3467•20,72•0,94 + 2758•1,623•0,94+ 1537•8,2•0,94 = 199738.

Витрати тепла на нагрів 1 кг скломаси до t = 1580 С, при початковій температурі шихти tн = 20 С:

gм = 1,348 • 1580 - (0,94•0,963•20 + 0,28•0,756•1580) = 1947,6.

Витрати тепла на нагрів продуктів дегазації до t = 1580 С:

gг = Vп.д.•Gm•cп.ч.•tп.д.,

gг = 12,1• 0,94 • 88,7 • 1580 = 14628,

Теплота плавління скла:

gпл = 347•Gm•(1 - Gп.д.),

gпл = 347•0,94•(1 - 0,01•24) = 247,2.

Витрати тепла на випарування:

gвип = 2510 • VH2O • Pm,

gвип = 2510 • 0,94 • 0,047 = 110,9.

Загальні витрати тепла:

gх = 194,7 + 247,2 + 110,9 + 14628 = 16953,2

Зона варіння

Прихід тепла

Хімічне тепло від горіня палива:

Фізичне тепло палива:

Фізичне тепло повітря:

Тепло, що приноситься конвекційним потоком з зони освітлення:

Тепло вироботочного потока:

Витрати тепла на склоутворення:

Тепло, що втрачається з відходячими газами:

Втрати тепла з випромінюванням крізь засипний отвір:

Витрати тепла з випромінюванням во вльоти:

Q - втрати тепла в навколишнє середовище в зоні варіння

дном - g1 = 822,5;

стінами басейну - g2 = 893,8;

стінами полум'яного простору - g3 = 40;

сводом - g4 = 1157,6.

Разом витрати: Q = 43607,7 + 2737,9

Qприх = Qрасх

100,84 + 4933,62= 2737,9+ 13667,7

46598,3=43567,7

=0,93

Зона освітлення

Прихід тепла

Хімічне тепло від згоряння палива:

Фізичне тепло палива:

Фізичне тепло повітря:

Загальний прихід тепла:

Тепло, що втрачається з відходячими газами:



Витирати тепла на нагрів скломаси:

Витрати тепла з випромінюванням во вльоти:

Втрати тепла у навколишне середовище:

дном - g1 = 219,3;

стінами басейну - g2 = 8508;

стінами полум'яного простору - g3 = 30,8;

сводом - g4 = 625,1.

Qн = 9383,3

Разом витрати: Qрасх = 8865,8 + 9383,3 - 307 + 1737,9

Qприх = Qрасх

21966,2= 17942

=0,82

Загальні витрати палива

= + = 0,82 + 0,93 = 1,74 м3/сек

Визначаємо коефіцієнт корисної дії печі:

2.17.3 Аеродинамічний розрахунок ванної печі

Розрахунок димової труби:

Продукти горіння палива потрапляють з робочого простору печі у регенератори пеі, або регенератори для підігріву повітря, а потім в атмосферу крізь систему каналів та димову трубу. При розрахунку димової труби визначається її висота і діаметр:

hР = 260;

Dср = 4,8 м; Wср = 5,4 м/с; tср = 327 С

260 =

H

H = 51 м.

Висота труби приймається 51 м.

Розрахунок та підбір димососу:

При розрахунку печей треба підібрати необхідний вентилятор - димосос. За рохрахунком вибираємо вентилятор № 10.

Vt = Gст•Vо.г.•K•(273•tO2/273) = 4477,6•40,02•1,3•(273•1000)/273 = 98625,43 м3/год.

ht = K•hпеч; К = 1,12; hпеч = 386,6

ht = 1,12•386,6 = 433 Н/м2