Общие формулы для пересчета состава стекла и их примечание

Состав стекол обычно принято выражать в массовых и молярных процентах. Выражение состава стекол в массовых процентах является наиболее распространенным и удобным для заводской практики. Содержание отдельных оксидов в стекле определяется по формуле (3.1)

, (3.1)

где Р_i – содержание i-ого оксида в стекле, масс.%;

p_i – массовое содержание i-ого оксида в стекле, масс. ч.;

∑p_i – суммарное массовое содержание всех оксидов в стекле, масс. ч.

Состав стекла в молярных процентах выражают, как правило, в научных исследованиях, при расчетах свойств стекла по методу Аппена. Содержание отдельных оксидов в стекле в этом случае определяют по формуле (3.2):

, (3.2)

где N_i – содержание i-ого оксида, мол. %;

n_i – число молей i-ого оксида;

∑ n_i – сумма молей всех оксидов стекла.

3.1.1. Приведение химического состава к стопроцентному

Состав сырьевых материалов и стекла (химический состав) в большинстве случаев в сумме не составляет точно 100 %. Расчеты с химическим составом сырьевых материалов или стекол, не приведенных к 100 %, более затруднительны и кропотливы, чем с составом, приведенным к 100 %.

Для приведения состава к стопроцентному используется формула (3.3):

, (3.3)

где Р_i – содержание компонента (оксида) по анализу, мас. %;

∑Р_i – суммарное содержание компонентов (оксидов) по анализу, масс. %.

3.1.2. Пересчет состава сырьевых материалов на безугарный

При пересчете состава сырьевых материалов на безугарный из состава исключают выгорающие во время варки стекла соединения, например, CO₂, SO₃, H₂O и др.

Основные вещества сырьевых материалов, представляющие сложные соединения (Na₂CO₃, KNO₃, H₃BO₃, Na₂B₄O₇·10H₂O, Ba(NO₃)₂ и др.), пересчитываются на оксиды в соответствии со стехиометрией химических реакций. Вода и газы, которые удаляются в процессе варки, не включаются в состав сырьевых материалов. Сложные оксиды (PbO₂, Pb₃O₄), а также металлы (Al, Na, Pb) и катиона (Fe²⁺, Zn²⁺) пересчитываются на оксиды, которые образуются в стекле при варке.

Пример 1

Согласно ГОСТ 828-77 натрий азотнокислый технический (селитра натриевая) 1 сорта имеет химический состав (масс. %): NaNO₃ – 99,5; NaCl – 0,5.

В процессе варки из двух молекул NaNO₃ в стекле образуется одна молекула Na₂O

t J2x9sT0REmzkY5e8FdA3yXHI1nGGkeQwP8Ea6EkVMkLlQPhiDXr6vkgX6/l6no/yyd16lKd1PXrY VPnobpN9mNXTuqrq7Ecgn+VFKxjjKvB/1XaW/512LlM2qPKq7mujklv02FEg+/ofSUcRhHcfFLTT 7Ly1obqgB5BzdL6MXpiXX/fR6+0DsfoJAAD//wMAUEsDBBQABgAIAAAAIQDLye9t3AAAAAcBAAAP AAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sTI5NT8MwEETvSPwHa5G4oNYh/aAK2VRVoXBCVUO5u/GSRI3XUey2 yb/HiAM9jmb05qXL3jTiTJ2rLSM8jiMQxIXVNZcI+8/NaAHCecVaNZYJYSAHy+z2JlWJthfe0Tn3 pQgQdolCqLxvEyldUZFRbmxb4tB9284oH2JXSt2pS4CbRsZRNJdG1RweKtXSuqLimJ8Mwku+nW2+ HvZ9PBTvH/nb4rjl4RXx/q5fPYPw1Pv/MfzqB3XIgtPBnlg70SBMJtNpmCLMQYT6Lx4Q4vgJZJbK a//sBwAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABb Q29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAA AAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAFT14iQ4AgAAaAQAAA4AAAAAAAAAAAAA AAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAMvJ723cAAAABwEAAA8AAAAAAAAA AAAAAAAAkgQAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAACbBQAAAAA= "> 2NaNO₃ = Na₂O + N₂ + 2,5O₂

2 · (22,99 + 14,01 + 15,999 · 3) = 166,994 мас. ч. NaNO₃ дают (22,992 · 2 + 15,999) = 61,979 мас. ч. Na₂O, а 99,5 мас. % NaNO₃ дают Х мас. % Na₂O.

Отсюда содержание Na₂O в селитре натриевой равно

Х = 99,5 · (61,979 / 166,994) = 36,93 мас. %

Кроме того, в результате улетучивания и разложения NaCl парами воды при варке переходит в стекло оксид Na₂O, количество которого в 10 раз меньше по массе исходного количества NaCl.

Следовательно, 0,5 мас. % NaCl дают 0,05 мас. % Na₂O. Тогда суммарное содержание Na₂O в составе натрия азотнокислого технического, которое переходит в состав стекла, составляет

36,93 + 0,05 = 36,98 мас. %

Следовательно, химический состав натрия азотнокислого технического, пригодный для расчета шихты, выражается в виде оксида

Na₂O = 36,98 %.

Пример 2

По ГОСТ 6318-77 сульфат натрия технический имеет следующий химический состав (мас. %): Na₂SO₄ – 97,4; CaSO₄ – 0,15; Fe³⁺ - 0,01; Zn²⁺ - 0,90.

В соответствии с химической реакцией

Na₂SO₄ = Na₂O + SO₂ + 0,5O₂

(22,99 · 2 + 32,06 + 15,999 · 4) = 142,036 мас. ч. Na₂SO₄ дают (22,99 · 2 + 15,999) = 61,979 мас. ч. Na₂O, а 97,4 мас. % дают Х масс. % Na₂O, тогда

Х = 97,4 · (61,979 / 142,036) = 42,50 мас. % Na₂O

Согласно химической реакции

CaSO₄ = CaO + SO₂ + 0,5O₂

(40,08 + 32,06 + 15,999 · 4) = 136,136 мас. ч. CaSO₄ дают 40,08 + 15,999 = 56,079 мас. ч. CaO, а 0,15 мас. % CaSO₄ дают Y масс. % CaO, отсюда

Y = 0,15 * (56,079 / 136,136) = 0,06 мас. % CaO

Исходя из химической реакции

2Fe³⁺ + 1,5O₂ = Fe₂O₃

55,84 · 2 = 111, 68 мас. ч. Fe³⁺ дают (55,84 2 + 15,999 · 3) = 159,677 мас. ч. Fe₂O₃, а 0,01 мас. % Fe³⁺ дает Z масс. % Fe₂O₃.

Z = 0,01 (159,677 / 111,68) = 0,014 мас. % Fe₂O₃

По химической реакции

Zn²⁺ + 0,5 О₂ = ZnO

65,38 мас. ч. Zn²⁺ дают 65, 38 + 15,999 = 81,999 мас. ч. ZnO, а 0,90 мас. % Zn²⁺ дают U мас. % ZnO. Следовательно,

U = 0,90 · (81,379 / 65,38) = 1,12 мас. % ZnO.

После указанных пересчетов химический состав сульфата натрия технического, подготовленный для расчета шихты, выглядит следующим образом (масс. %): Na₂O – 42,59; CaO – 0,06; Fe₂O₃ – 0,014; ZnO – 1,12.

Сумма компонентов в химическом составе сырьевых материалов по данным нормативных документов всегда ниже 100 мас. %, т. к. не учитывает потери при прокаливании, летучие вещества и многие малые примеси. После рассмотренных выше пересчетов в большинстве случаев сумма компонентов становится еще меньше.

3.2. Расчет состава шихты по заданному составу стекла

При расчете стекольной шихты принимают, что в стекло переходят оксиды и фториды, а влага и газы улетучиваются. Расчеты шихты можно проводить на 100 массовых частей стекла или на 100 массовых частей кварцевого песка. Более распространен первый способ, т. к. он облегчает дальнейшие вычисления.

Исходными данными для расчета состава шихты служат:

1) Заданный химический состав стекла, масс. %;

2) Химические составы выбранных сырьевых материалов, мас. %;

3) Поправочные коэффициенты на улетучивание компонентов стекла при варке.

Заданный химический состав стекла должен быть приведен к 100 мас. %. В него не должны включаться компоненты, попадающие в стекло как нежелательные примеси в сырьевых материалах (Fe₂O₃, Al₂O₃ и др.), или компоненты, попадающие из атмосферы печи (SO₃).

Химические составы сырьевых материалов принимаются по данным нормативных документов: ГОСТ, ОСТ или ТУ. Химический состав каждого сырьевого материала должен быть представлен в виде оксидов или фторидов, переходящих в стекло. Поэтому данные нормативных документов при необходимости должны быть предварительно обработаны. (см. п. 1.4).

3.2.1. Расчет шихты из качественных сырьевых материалов

К качественным сырьевым материалам могут быть отнесены высшие сорта кварцевого песка, доломита, известняка, а также большинство технических сырьевых материалов. За редким исключением (доломит, борат кальция) они предназначены для введения в стекло какого-либо одного заданного оксида, содержание которого в них является высоким, а остальные примесные оксиды содержатся в незначительных количествах. Доломит и борат кальция предназначены для введения в стекла соответственно оксидов магния и бора, но одновременно с ними вводятся примерно такие же по массе количества оксида кальция. Если кварцевый песок содержит существенное количество примесного оксида алюминия, то он может рассчитываться как материал, с которым вводятся два заданных оксида кремния и алюминия. Шихты из качественных сырьевых материалов применяют в производстве оптических и хрустальных стекол, сортового стекла, художественных изделий, многих технических стекол, при лабораторных исследованиях по синтезу стекол.

Некоторые компоненты стекла заметно или сильно улетучиваются в процессе варки. Для компенсации потерь на улетучивание и обеспечения получения стекла заданного состава сырьевые материалы, содержащие такие компоненты, вводят в шихту в повышенных количествах. При расчетах шихты в таких случаях используют поправочные коэффициенты на улетучивание компонентов стекла (табл. 3.1). Расчет шихты на 100 мас. ч. стекла производится по выражению (3.4):

, (3.4)

где М_i – количество сырьевого материала в шихте, масс. ч.;

A_i – заданное содержание оксида в стекле, масс. %;

K_i – поправочный коэффициент на улетучивание оксида при варке;

P_i – содержание заданного оксида в сырьевом материале, масс. %.

Таблица 3.1