Капиллярно-кристаллизационная прочность компонентов стекольной шихты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский государственный технический университет - УПИ

Капиллярно-кристаллизационная прочность компонентов стекольной шихты

Дерябин В.А., д-р техн. наук, профессор,

Малыгина О.Л., аспирант, Фарафонтова Е.П.

Высокие требования, предъявляемые к шихте, такие как однородность химического состава, постоянство гранулометрического состава, отсутствие сегрегации, пыления и улетучивания компонентов делают процесс подготовки шихты определяющим при изготовлении стеклоизделий высокого качества. Применение порошковой шихты приводит к запыленности цехов и к значительному повышению расхода сырьевых материалов при ее составлении [1].

Одним из способов решения этой проблемы является увлажнение стекольной шихты. Возникающие при увлажнении капиллярные силы удерживают твердые частицы в определенном положении, противодействуя расслоению шихты. Увлажнение снижает унос пылевидных частиц шихты, а значит, стабилизирует состав стекла; увеличивает теплопроводность шихты, что способствует более быстрому и равномерному ее прогреву. В работах [2, 3] были опубликованы первые результаты анализа капиллярно-кристаллизационного взаимодействия частиц через прослойки однокомпонентных и многокомпонентных растворов натрийсодержащих соединений.

Работа является продолжением исследований взаимодействия компонентов стекольной шихты. Для изучения сил сцепления использовали модель капиллярного контакта «шарообразная стеклянная частица - жидкая прослойка - плоская стеклянная подложка». Силы сцепления измеряли при периодическом отведении частиц. Методика эксперимента описана в сообщении [3]. В данной работе исследовались силы взаимодействия применительно к калийсодержащим стекольным шихтам. Изучено поведение двух твердых стеклянных частиц, соединенных капиллярной прослойкой однокомпонентных растворов карбоната и сульфата калия, а также двухкомпонентного раствора карбоната натрия - карбоната калия при концентрациях 0,25, 0,50 и 1,00 моль/л. Соединения в двухкомпонентных растворах находились в равном соотношении. Для раствора сульфата калия выбраны концентрации 0,25 и 0,50 моль/л из-за его низкой растворимости в воде.

В процессе увлажнения образуются капиллярные прослойки между частицами песка, доломита и других нерастворимых компонентов, при взаимодействии с растворимыми компонентами также формируются жидкие прослойки. Изучено поведение капиллярно-кристаллизационных кривых зависимости силы сцепления от времени контакта для водных растворов карбоната калия, карбоната натрия и сульфата калия для шарообразной модельной частицы d = 2,6 мм. При концентрации раствора 0,25 моль/л параллельность капиллярного участка оси абсцисс проявляется в большей степени, чем для растворов повышенных концентраций, продолжительность испарения меньше. Однако начальная сила сцепления при небольшой концентрации выше, за исключением кривой f=f() для K₂SO₄ (с=0,50 моль/л). Для концентраций 0,50 и 1,00 моль/л нарастание силы происходит интенсивнее, по-видимому, с первых минут начинается кристаллизация, которая увеличивает прочность контакта. После достижения максимума сила сцепления иногда уменьшается, что можно объяснить, по-видимому, наличием остаточной жидкости не на стеклянных частицах, а на выделившихся кристаллах. Для сульфата калия характерно большее значение начальной силы и интенсивное нарастание силы сцепления со временем. Это связано с ограниченным растворением сульфата калия в воде ( 0,6 моль/л при температуре 20 С [4]).

Следовательно, с первых минут опыта идет выделение кристаллов из-за насыщения раствора. По сравнению с карбонатом сульфат калия способствует более сильному сцеплению частиц и начальная сила равна 4,5-5,0 мН. Сравнивая полученные кривые с данными по сульфату натрия [3], можно отметить, что ход обеих зависимостей имеет сходство, но значение начальной и максимальной сил сцепления для сульфата натрия значительно ниже, чем для сульфата калия. Поверхностное натяжение , поэтому с привлечением только капиллярной силы нельзя объяснить исходные различия прочности. Следовательно, присутствие сульфатов в стекольной шихте увеличивает вероятность закрепления частиц после перемешивания и увлажнения по сравнению с содой. Отмеченная особенность заполняет необходимость использования сульфатов ускорения и провара стекольной шихты.

Чаще всего при производстве стекла для ввода ионов натрия и калия используют соду и поташ. Для системы сода - поташ концентрация раствора не влияет на величину силы сцепления в начальный момент измерений и составляет ~ 3,0 мН (рис. 2). Для небольших концентраций в начальный период сила сцепления меняется незначительно. Для концентрации 1,00 моль/л на первой минуте опыта идет нарастание силы сцепления для большинства кривых. Для всех концентраций сила сцепления больше для опытов с меньшей начальной массой капли раствора.

стекольная шихта капиллярный

Рис. 1. Зависимость капиллярно-кристаллизационной прочности сцепления от продолжительности контакта для водных растворов Na₂CO₃, K₂CO₃, K₂SO₄ (масса жидкости в начальный момент времени равна 0,00455 г) при концентрациях а) 0,25 моль/л; б) 0,50 моль/л; в) 1,00 моль/л.

Рис. 2. Зависимость капиллярно-кристаллизационной прочности сцепления от продолжительности контакта для водного раствора Na₂CO₃ - K₂CO₃, масса раствора в начальный момент времени равна 0,00500 г.

В целом ход кривых полученных зависимостей соответствует изученным ранее [3]. Если сравнить с данными работы [2], то можно отметить ряд отличий, связанных в первую очередь с большим размером модельной шарообразной частицы (4,8 мм по сравнению с 2,6 мм в настоящей работе), различной массой капиллярной жидкости и разными методиками нанесения капли раствора. В наших опытах не удавалось обнаружить резкого увеличения прочности капиллярного контакта в заключительной фазе взаимодействия.

Выводы

Изучено капиллярно-кристаллизационное взаимодействие калий-содержащих компонентов стекольной шихты. Проведено сравнение с аналогичными зависимостями для натрийсодержащих компонентов. Выявлены новые закономерности, связанные с разной растворимостью компонентов, не отмеченные ранее. В частности, показано положительное влияние на закрепление компонентов шихты сульфатов щелочных металлов, широко используемых в качестве ускорителей варки.

Список литературы

1. Назаров В.И., Мелконян Р.Г., Калыгин В.Г. Техника уплотнения стекольных шихт. - М.: Легпромиздат, 1985. - 127 с

2. Дерябин В.А., Ворошилова И.Г., Шварц О.А. Капиллярно-кристаллизационная прочность компонентов стекольной шихты // Стекло и керамика. - 2001. - №9. - С.7-10.

3. Дерябин В.А., Фарафонтова Е.П., Малыгина О.Л. Особенности взаимодействия частиц стекольной шихты через прослойки двухкомпонентных растворов // Стекло и керамика. - 2005. - №2. - С.7-9.

4. Некрасов Б.В. Курс общей химии. - М.: Госхимиздат. - 1948

Размещено на Allbest.ru