原料颗粒级配对玻璃配合料混合均匀性的影响.doc

原料颗粒级配对玻璃配合料混合均匀性的影响*钱达兴马福定王彦博姜宏王桂荣韩新生高向伟摘要研究了砂岩、白云石、石灰石的粒度分布的变化对玻璃配合料混合均匀性的影响。结果证明：砂岩中200目以下细粉含量的增加将降低配合料的均匀性，而减少砂岩中40目以上的粒子可提高配合料的均匀性。白云石与石灰石粒度的增大会明显降低混合的均匀性。根据所研究的结果，笔者提出了与我国实际情况较适合的砂岩、白云石和石灰石原料间颗粒级配的建议。关键词玻璃配合料混合颗粒级配The Influence of the Grain Size Distribution of Raw Materials on Mixing Homogeneity of Glass BatchQian DaxingMa FudingWang Yanbo(Tongji University)Jiang HongWang GuirongHang XinshengGao Xiangwei(Luoyan Glass Factory)AbstractThe effect of the grain size distribution of quartz sand, dolomite and limestone on mixing homogeneity of glass batch was inves tigated. The results showed that while the content of over-ground quartz powder in the batch was increaed, the mixing homogeneity would be poor, and removing the size of 0.6mm in quartz sand would improve the homogeneity of the batch; and in creasing the grain size of dolomite and limestone would deteriorate mixing homog eneity. On the basis of the researching,put a proposal for the size distribution of quartz sand, dolomite and limestone suitable for our situation was presented .Key wordsGlass batchMixingGrain size distribution0前言玻璃制造中，正确地选用原料，制备高质量的配合料，是高效率熔制优质玻璃和降低热能消耗的先决条件。但这一点往往容易被人们忽视。玻璃生产的两个混合器的理论认为：配料车间是一个固体混合器，玻璃熔窑是一个液体混合器，前后串联在一起。只有这两个混合器都很好地完成各自的职能时，才能达到真正的高效优质的生产水平1。在原料问题上，国内普遍存在着重化学组成、轻粒度分布的倾向。在现代化玻璃生产中，原料化学组成控制、粒度控制和COD值(衡量氧化还原势的指标)控制被列为高效玻璃生产的三个关键要素2。国外从60年代起开始调整硅砂的颗粒分布，从70年代起逐步放大石灰质原料的颗粒度，现在又将COD值列入玻璃配合料质量控制指标。目前，国内的许多玻璃厂都先后仿照国外的经验，对砂岩、白云石、石灰石、长石的粒度控制作了调整。但由于没有从粉体混合机理的高度结合本厂的实际进行研究分析，并采取相应的技术措施，平板玻璃的质量同国外先进厂家相比仍然存在着显著的差距。究其原因，首先就是某些原料的粒度调整引起了配合料混合均匀度的下降。以洛阳玻璃厂浮法一线为例，调整原料的控制粒度后，配合料的合格率只达到80%，在这种情况下，要提高平板玻璃的质量是不可能的。本文以洛阳玻璃厂使用的原料为对象，研究了主要原料砂岩、白云石、石灰石的粒度变化对配合料均匀性的影响，提出了砂岩、白云石、石灰石等原料之间较好的粒度级配范围，对原料粒度分布改变后应注意的问题阐述了笔者的观点。1玻璃配合料的基本问题玻璃原料经混合成为配合料的过程属于固体物料混合的范畴。对固体粒子混合的内在实质的科学研究还只是近三四十年的事，有些观点已趋于一致，许多观点仍处于学术观点的探索过程之中。固体粒子的混合过程是一个随机过程。由于不同物料性质上的差异，这种混合只能达到一种被称为不完全随机混合的状态。这种混合状态不是唯一的，具有不确定性。这一特点决定了对固体物料混合均匀程度的评定不能只用一个样品的均匀度来判断，而要用统计的方法。影响固体粒子混合的因素是复杂的，除了物料的固有性质之外，还有一些外部因素，如混合设备、操作工艺条件等等。一般来说，如果外部条件确定之后，物料本身的性质对混合均匀程度起着决定性的作用。这些性质包括物料的粒度和粒度分布、密度(或比重)、粒子形状、粒子的表面特性、静电现象、流动能力、抗结团能力等等，其中粒度、粒度分布和密度(或比重)是最主要的。对于玻璃配合料来说，由于各种原料的比重相差并不大(见表1)，因此，粒度和粒度分布对玻璃配合料混合均匀性起决定性的作用。表1玻璃主要原料的比重原料名称砂岩纯碱长石白云石石灰石芒硝比重2.62.52.62.92.72.7此外，由于各种原料在熔制阶段的行为特点不同：有的反应快，有的反应慢；有的易熔(如纯碱)，有的难熔(如砂岩)；有的增大粘度，有的降低粘度，也有的在低温增大粘度、在高温降低粘度；有的浸润性好，有的浸润性差等，故在决定原料的粒度时，要兼顾这些影响。 2实验2.1原料与设备全部采用洛阳玻璃厂实际使用的原料。砂岩、白云石、石灰石为天然矿物原料。纯碱、芒硝为化工原料。有关原料的粒度分布见表2。表2砂岩、白云石、石灰石的粒度分布孔径688101014141616202040408080100100120120150150200200砂岩5.0559.9714.998.773.662.564.99白云石0.764.2214.1815.310.28.6218.7812.0815.86石灰石0.32.8210.8614.4211.3611.3222.9218.587.42国内市场上没有可供实验室使用的小型强制式混合机，我们自制了一台TJQH-10型混合机。其容量为10L，转速为3070r/min，可调。实验中取每分钟35转。其工作原理与国内玻璃厂普遍使用的QH型混合机相同。图1是TJQH-10型混合机工作原理示意图。 图1TJQH-10型混合机的工作原理与结构示意图1-外筒体2-内筒体3-涡桨托臂4-涡桨5-电动机6-加料口7-卸料口2.2配料使用洛阳玻璃厂浮法一线的配料单。在砂岩、白云石、石灰石三种原料中，固定两种原料的粒度分布，考察第三种原料粒度改变和混合均匀性之间的关系。具体的实验方案见表3、表4和表5。表3砂岩粒度改变方案2040408080100100120120150150200200(目)(目)(目)(目)(目)(目)(目)S15.0559.9714.998.773.662.564.99S24.2650.4912.637.383.082.1620S34.7856.8114.28.313.472.4310S45.3263.1315.789.233.852.690S55.4664.8716.219.493.9700S65.6967.5416.899.88000S76.3274.9518.130000S8063.1615.799.243.852.75.26表4白云石粒度改变方案68810101414181820204040100100200200(目)(目)(目)(目)(目)(目)(目)(目)(目)S90.767.0927.3136.2728.570000S101.069.9338.2450.7700000S112.1520.1777.68000000S120.32.8210.8614.4211.3611.3222.9218.587.42表5石灰石粒度改变方案68810101414181820204040100100200200(目)(目)(目)(目)(目)(目)(目)(目)(目)S131.79.4531.7534.7522.850000S142.212.2541.1544.400000S153.9722.0374000000S160.764.2214.1815.310.28.6218.7812.0815.862.3配合料制备流程按照洛阳玻璃厂浮法一线的配料单分别称取各种原料。称量工具用ATZ-4型弹簧秤，最大量程4kg，最小称量50g。煤粉用电子天平称取。启动混合机，待达到规定转速后，按照砂岩、水、纯碱、芒硝和煤粉、长石、石灰石、白云石的顺序加料。芒硝和煤粉先在研钵中人工混合均匀。水以雾状计量加入。混合一定时间，卸料。2.4配合料均匀性的测量和比较所有的配合料制备均采用相同的工艺制度。通过比较在相同条件下各副配合料达到的均匀性来分析评定原料粒度分布改变所带来的影响。配合料的均匀性用电导法测定。电导率用DDS-11A型电导率仪测量每副配合料随机抽取7只试样。将试样置于130的烘箱中烘干2h。用分析天平准确称取2.000g，置于100ml烧杯中。用量筒准确量取去离子水100ml，加入烧杯中，待试样中的纯碱、芒硝完全溶解后，在30的恒温水浴槽中恒温，测定电导率。根据标准曲线查得Na2O的浓度，进而计算出配合料混合的均匀度。取样点就设在混合机的放料口。每个方案均作重复试验。 3结果与分析3.1标准曲线按照配料单中Na2CO3和Na2SO4的比例，配制不同浓度(以Na2O计)的溶液。用盐酸(分析纯)标定浓度。准确量取100ml，测定30时的电导率，得Na2O浓度C和电导率K的关系，结果见图2。根据由标准曲线求得Na2O的摩尔浓度，按照公式H=0.1CM/2N即可求得配合料混合均匀度，式中：H为均匀度(%)；C为Na2O的摩尔浓度(mol/l)；M为Na2O的分子量；N为Na2O在配合料中的含量(%)。图2Na2O浓度C和电导率K的标准曲线图2的结果表明，在Na2O浓度为0.0220.045mol/l的范围内，Na2O浓度和电导率之间存在着良好的线性关系，采用最小二乘法可得一元回归方程C=0.1435K-0.06333，式中：C为Na2O的摩尔浓度(mol/l)，K为电导率。其相对误差小于0.1%。该标准曲线可以用来测定配合料中Na2O的含量。表6标准曲线误差分析表K的测定值0.7250.6920.6590.6220.591C的测定值0.04090.03560.03130.02600.0217C的计算值0.04070.03590.03130.02600.0215C的相对误差0.1%表中：K为电导率，/cm；C为氧化钠的浓度，mol/l。 3.2混合时间采用1#试验方案(即洛阳玻璃厂的生产实际)，按照前述的顺序，将各种原料依次投入混合机。加料结束即开始计时，分别于0.5、1.5、2、2.5、3时从放料口取样分析，结果见图3。图3的实验结果说明，玻璃原料的混合过程是混合和分料同时进行的过程。在混合前期，混合作用占主导地位，分料的作用很弱，反映在配合料的均匀性随时间很快提高。随着时间的延长，分料的作用渐渐增强，配合料均匀性提高趋于缓慢。当混合进行到一定程度，配合料的均匀性不再提高，而是在一个数值附近上下波动，且波动的范围非常窄。这时，混合作用和分料作用达到平衡，配合料达到了在此条件下能达到的最佳均匀性。在本实验的条件下，加料结束再混合5min时，能争取到最好的混合均匀度。图3混合时间与均匀性的关系3.3砂岩的粒度分布与混合均匀性的关系图4反映了配合料的均匀性与砂岩中200目以下细粉含量的关系。这一结果说明：随着砂岩细粉含量的增加，配合料的均匀性下降；细粉含量越高，均匀性下降的速率越大。这是由于细粉在少量存在的条件下容易结团时，砂岩的表观粒径增大。同时，由于混合过程中物料间摩擦可能产生的静电现象也使细粉易于相互吸附或被吸附在较大颗粒的表面，从而不能被混合均匀。细粉含量越高，这些现象就越严重。根据实验中观察，当砂岩中细粉含量为10%时，混合时产生大约15%的料团，料团的粒径在1.52mm。这些现象实际上导致砂岩粒径变大，使配合料混合均匀性变差。如果这些料团在熔制中没能充分解体分散，就会形成粉料结石。以往的生产实际证明，这种现象是相当多的。此外，从熔制的角度来看，由于细粉的熔化速度较快，会使硅酸盐形成阶段结束后产生的初始玻璃液的粘度增加，使较大石英颗粒的溶解速度变得更慢，延长了石英颗粒的溶解时间，也恶化了玻璃液的均化性能。图4砂岩中细粉含量对混合均匀性的影响图5是砂岩的粒径控制下限与配合料混合均匀性的关系。它实际上反映了砂岩的细粉粒径的变化对混合均匀性的影响。这个结果表明：在玻璃配合料中，砂岩的粒度分布存在一个最佳的控制范围，超出这个范围，配合料混合的均匀性都会变差。在本实验的条件下这个最佳控制范围在100150目之间。一般来说，平板玻璃配合料中，砂岩占近60%，纯碱约占17%，白云石约占14%，石灰石约占4%5%，长石约占2%3%，芒硝约占5%6%。因此，砂岩粒度分布对混合均匀性有重要的作用。此外，砂岩是难熔物质，从熔制的角度来看，只要不引起结团，砂岩的粒度宜细一些。图5砂岩粒径控制下限对混合均匀性的影响图6说明白云石最小控制粒径的增大会使配合料的均匀性恶化，尤其是当白云石的粒度大于18目时，配合料的均匀性有较大幅度下降。图7说明石灰石粒度的增大也对配合料的均匀性产生不利的影响，但其影响程度比白云石要小。这取决于这两种原料在配合料中所占的份额。在本实验的配方中，白云石所占的份额约是石灰石的3倍，从而使白云石粒度变化对配合料均匀性的影响要比石灰石来得大。值得注意的是，尽管这两种原料粒度的增大会降低配合料的均匀性，但是国外一些工厂已将石灰质原料的增大控制粒径增大到22.5mm。其原因是石灰质原料粒度的加粗，能够减少石灰质原料的细粉粘附在石英颗粒表面的可能性，从而有利于硅酸盐反应过程中初生液相对石英的润湿和包围，提高熔化速率。同时在熔制后期生成大量的CO2气体有利于玻璃液的澄清与均化3。因此，在确定这类原料的合适粒度分布时，应该注意到其对配合料均匀性带来的负面影响，不能过分增大这类原料的粒度。图6白云石粒径控制下限对混合均匀性的影响图7石灰石粒径控制下限对混合均匀性的影响4结论在平板玻璃配合料中，控制砂岩的粒度分布，使80120目粒级占大部分，并严格150目以下细粉和40目以上粗颗粒的含量，能有效地