Поскольку данный проект предусматривает строительство цеха стеклокомпозитной плитки на Новоалександровском стеклотарном заводе, было бы нецелесообразно отклоняться от состава стекла производимого заводом, поэтому выбран состав стекла БТ - 1, при этом, в отличие, от заводской технологии навариваемое стекло не будет обесцвечиваться химическими обесцвечивателями.

Состав стекла БТ - 1 по ОСТ 21 - 51 - 82, мас. % :

К такому типу стекла предъявляется ряд требований:

- высокая скорость варки, позволяющая достичь максимальных удельных съемов стекломассы на ванных печах непрерывного действия при температуре 1530 ⁰ С;

- придание стеклу необходимых физико-механических свойств и химической устойчивости соответствующей 2 - 3 гидролитическим классам.

Остановились на следующем составе стекла мас. % :

Входящий в состав стекла Na₂O уменьшает температуру варки, снижает поверхностное натяжение, в результате быстрее происходят диффузионные процессы и массообмен.

Количество MgO - 4%, так как при более высоком его содержании резко увеличивается вязкость стекломассы и уменьшается химическая устойчивость стекла.

Поскольку химическая устойчивость изделия должна быть на уровне 2 -3 гидролитического класса в составе стекла присутствуют Al₂O₃, SiO₂ и CaO.

3.3 Выбор сырьевых материалов

Состав стекла для производства стеклокомпозитной плитки позволяет использовать сырьевые материалы, применяемые на ОАО "ЮгРосПродукт". Это экономически выгодно, поскольку поставки сырья отлажены, нет необходимости расходов на доставку каких-либо новых видов сырья. Нет необходимости в строительстве нового составного цеха, а используются мощности уже действующего. Все это позволяет сделать вывод о правильности использования заводского сырья для производства стеклокомпозитной плитки.

Сырьевые материалы следующие: песок кварцевый, доломитовая мука, сода, сульфат. Селитра, селен и оксид кобальта, применяемые для химического обесцвечивания тарного стекла применяться не будут из-за нецелесообразности их введения в состав стеклогранулята.

Кремнезем является главной составной частью промышленных стекол. Около 95 % всех производимых стеклоизделий получают на основе силикатных стекол, концентрация кремнезема в которых составляет 53 - 75 % и более. Оксид кремния повышает вязкость стекломассы, понижает ТКЛР, плотность. Для ввода SiO₂ в стекло применяем кварцевый песок Спасского месторождения Благодарненского района марки С - 70. Применение этого песка обусловлено близостью месторождения и полной пригодностью для производства стеклокомпозитной плитки. Химический состав песка, по ГОСТ 22551 - 77, мас. %:

Оксиды кальция и магния вводятся в состав стекла доломитом. Доломит - твердая светло-серая, плотного строения осадочная горная порода, окрашиваемая примесями в желто-коричневый цвет. Доломит снижает термический коэффициент линейного расширения, повышает механическую прочность. Применяется доломитовая мука Владикавказского месторождения поступающая с ООО "ТИС", имеющая следующий химический состав, мас. %:

Оксид натрия в состав стекла вводится через кальцинированную соду. Сода представляет собой белый пылевидный порошок низкой насыпной плотности. Она хорошо растворяется в воде и при этом выделяет теплоту. Легко расслаивается в шихте, а также при транспортировке и загрузке в печь сильно распыляется. В связи с этим соду уплотняют. Применяют на заводах в основном два способа уплотнения: механическое уплотнение и перекристаллизацию. Оксид натрия вводят в состав стекла для снижения температуры варки стекла. Используется кальцинированная сода с Березниковского содового завода Пермской области, имеющая химический состав, по ГОСТ 5100 - 85, мас. %:

Сульфат натрия в стеклоделии используется для осветления стекломассы, а также для частичной замены соды при введении оксида натрия. Используется сульфат натрия, поступающий на завод с ОАО "Волжский Оргсинтез" город Волгоград, имеющий химический состав по ГОСТ 6318 - 77, мас. %:

Оксид алюминия входящий в состав стекла увеличивает температуру варки стекломассы, повышает химическую устойчивость, поверхностное натяжение и температуру размягчения, повышает термический коэффициент линейного расширения. Оксид алюминия вводится техническим глиноземом, поступающим с ОАО "Металлург" город Пикалевск, имеющим химический состав, мас. %:

3.4 Расчет состава шихты

Расчет физико-химических свойств стёкол - важная часть исследований химии стекла.

Наиболее распространённым и точным методом расчёта свойств, учитывающим реальную структуру стёкол, является метод А.А. Аппена. Метод позволяет рассчитать: плотность (с), показатель преломления (n_Д), среднюю дисперсию (Дn), ТКЛР (б), модуль упругости (Е), модуль сдвига (G_i), диэлектрическую проницаемость (Э).

Плотность стекла (с) находим по уравнению:

;

где ?Р_i - сумма содержания в стекле оксидов, мас.%;

m_i - содержание в стекле каждого оксида в мольных долях;

V_i - усреднённый парциальный коэффициент удельного объёма соответствующего оксида [ ].

Для расчёта остальных свойств используем уравнение:

;

где g - расчетная величина свойства;

g_i - усредненный парциальный коэффициент этого свойства для каждого оксида [ ].

Выбранный состав стекла в массовых и мольных процентах представлен в таблице 15.

Таблица 15

Состав стекла в массовых и мольных процентах

Парциальные величины элементов берем из таблицы 16.

Таблица 16

Парциальные величины компонентов

Расчет плотности стекла.

Так как содержание SiO₂ составляет более 67 мол.%, рассчитываем его парциальный молярный объем:

,

Расчёт показателя преломления.

Вычислим для SiO₂ парциальное число показателя преломления:

,

Расчет ТКЛР.

Вычислим для SiO₂ парциальное число ТКЛР:

,

К^-1

Расчет модуля упругости.

Рассчитаем парциальное число для модуля упругости SiO₂:

,

Расчет диэлектрической проницаемости.

Расчет вязкости.

Расчёт вязкости стекла выбранного состава проводим по методу Охотина. Охотин представляет зависимость температуры при определённой вязкости от состава стекла в следующем виде:

,

где х - содержание Na₂O;

у - содержание СаО + 3% МgO;

z - содержание Al₂O₃;

А, В, С, D - постоянные, соответствующие определенной вязкости [ ].

На основании полученных данных можно построить кривую lg з = f(t) (рис. 3).

Определяем характеристические интервалы и соответствующие им температуры.

Верхняя температура отжига з = 10¹² Па•с, Тв.о. = 556⁰С.

Нижняя температура отжига на 100 - 150⁰С ниже Тв.о., Тн.о.= 450⁰С

Интервал стеклования з = 10⁸ - 10¹² Па•с, Дt = 662 - 556⁰С.

Интервал спекания з = 10³ - 10⁶ Па•с, Дt = 1042 - 764⁰С

Интервал формования: з = 10² - 10⁷ Па•с, Дt = 1220 - 712 = 508⁰С.

Данный состав относится к "длинным стеклам".

Интервал варки з = 10 - 10² Па•с, Дt = 1433 - 1220 = 213⁰С.

Температурная зависимость вязкости стекла состава (мас. %)

72,5 SiO₂, 7,0 CaO, 4,0 MgO, 14,0 Na₂O, 2,5 Al₂O₃

Рис. 3

3.6 Расчет производственной программы

Определяем размеры варочного бассейна печи - длину, ширину и глубину, отдельные размеры пламенного пространства, площадь и конфигурацию студочной и варочной частей.

Площадь варочной части печи, м²:

где I - производительность по стекломассе, кг/сут;

К - удельный съем стекломассы, кг/м²сут., принимаем К = 2400 кг/м²сут.

Выбираем ширину варочной части печи, b = 4,5 м.

Длина варочной части печи определяется по формуле:

Соотношение длины и ширины 8,33/4,5 = 1,76:1.

Это соотношение укладывается в необходимое соотношение для печей с подковообразным направлением пламени (2 - 1,5): 1.

Глубина варочного бассейна зависит от свойств стекломассы, качества огнеупоров, технологических условий. Глубина варочного бассейна 0,7 м.

Устанавливаем два загрузочных кармана. Длина загрузочного кармана

l_з.к. = 1,2 м, ширина b_з.к. =0,4 м.

Пламенное пространство.

Ширину пламенного пространства принимаем на 100 - 300 мм шире бассейна для вынесения наружу металлических опор:

Высота пламенного пространства:

Длина пламенного пространства:

Радиус свода печи:

Печи с подковообразным направлением пламени имеют одну пару горелок.

4. Теплотехническая часть

4.1 Расчет горения топлива

В качестве топлива для проектируемого цеха используется природный газ Ставропольского месторождения.

Состав газа в об.%:

Газ сжигается с коэффициентом расхода воздуха б = 1,2.

Воздух идущий на горение, нагревается до температуры 1100^оС.

Принимаем содержание влаги в газе 1,0%.

Пересчитаем состав сухого газа на влажный рабочий газ:

где W^В - содержание влаги в газе, %.

Состав влажного рабочего газа, об.%:

Определяем теплоту сгорания газа по формуле:

Теоретически необходимое количество сухого воздуха находим по формуле:

Приняв влагосодержание атмосферного воздуха d =10г/кг, находим теоретически необходимое количество атмосферного воздуха с учетом влажности по формуле: действительное количество воздуха при коэффициенте расхода воздухаб = 1,2 находим по формулам:

сухого воздуха ;

атмосферного

Определяем количество и состав продуктов горения при б = 1,2 по формулам:

Общее количество продуктов горения составляет:

Определяем процентный состав продуктов горения:

Материальный баланс процесса горения на 100 нм³ газа при б = 1,2 приведен в таблице 18.

Таблица 18

Невязка баланса составляет:

Расчет теоретической и действительной температуры горения.

Общее число продуктов сгорания равно:

где i_х - тепло, получаемое в результате сгорания топлива;

i_t - тепло, получаемое в результате подогрева топлива (т.к. топливо не подогреваем i_t = 0);

i_в-х - тепло, получаемое в результате подогрева воздуха.

где С_в - теплоемкость сухого воздуха, кДж/м³•С^о;

t_В - температура подогрева воздуха, ^оС.

Таким образом,

По i - t диаграмме определяем теоретическую температуру горения,

t_теор = 2270^оС

Для определения действительной температуры сгорания рассчитаем:

где з_Т - коэффициент учитывающий потери в окружающую среду, принимаем равным 0,67.

По i - t диаграмме определяем действительную температуру горения,

t_{действ.}= 1920^оС

4.2 Теплотехнический расчет стекловаренной печи

Конечная цель этого расчета - определение количества топлива, которое необходимо сжигать для поддержания заданного технологического режима. Расход топлива определяется из уравнения теплового баланса для варочной части печи.

4.2.1 Приходная часть теплового потока

Приходный поток, поступающий при сгорании топлива:

где Х - удельный расход топлива, м³/с.

Тепловой поток, поступающий с воздухом, нагретым в регенераторе:

где V_б - расход воздуха для горения 1м³ топлива, м³;

С_в - удельная теплоемкость воздуха при температуре нагрева, кДж/(м³•с);

t_в - температура нагрева воздуха, ^оС.

Общий тепловой поток:

4.2.2 Расходная часть теплового потока

Тепловой поток, расходуемый на процессы стеклообразования:

где n - теоретический расход теплоты на варку 1 кг стекломассы, кДж/кг;

g - съем стекломассы, кг/с;

g = 90 т/сут.= 1,042 кг/с.

Тепловой поток, уходящий из рабочей камеры с дымовыми газами:

где V_д - объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 м³ (или 1 кг) топлива, м³ V_д = 12,468 м³;

t_д - температура уходящих из рабочей камеры дымовых газов, ^оС;

С_д - удельная теплоемкость дымовых газов при температуре t_д, кДж/(м^3оС), С_д = 1,60 кДж/(м^3оС).

Тепловой поток, теряемый при излучении:

где С_о - коэффициент излучения, Со = 5,7 Вт/(м²К⁴);

ц - коэффициент диафрагмирования зависит от формы отверстия и толщины стенки;

F - площадь отверстия через которое происходит излучение, м²;

Т₁ и Т₂ - абсолютные температуры соответствующие температурам излучающей среды и среды воспринимающей излучение К.

Излучение через загрузочный карман происходит в щели между аркой загрузочного кармана и верхним обрезом бассейна. Отверстие принимаем прямоугольное, и толщину арки равной 0,425 м. Тогда Н/д = 0,3/0,425 = 0,7, ц = 0,6.

Принимаем температуру в зоне засыпки шихты t₁ = 1320 ⁰С и температуру окружающей среды t₂ = 20 ⁰С

Площадь излучения:

Для двух влетов 1,2•2 = 2,4 м². Высота влетов 0,6 м, толщина арки 0,3:

Н/д = 0,6/0,3 = 2, тогда ц = 0,7, t₁ = 1530^оС, t₂ = 1400^оС.

Тогда:

Определяем тепловой поток, теряемый при излучении:

Общий тепловой поток, теряемый на излучение из зоны варки равен:

Тепловой поток, теряемый на нагрев обратных потоков стекломассы:

где n - коэффициент потока, представляющий собой отношение количества стекломассы поступившей в выработочную часть к вырабатываемой. Принимаем n = 1, поскольку вырабатывается посредством грануляции вся стекломасса.

Тепловой поток, теряемый в окружающую среду через огнеупорную кладку:

где

t_вн - температура внутренней поверхности кладки, ^оС;

t_окр - температура окружающей среды, ^оС;

д - толщина кладки;

л - коэффициент теплопроводности огнеупора данного участка;

б_г - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки окружающему воздуху.

Принимаем размеры варочной части печи:

длина бассейна l_в.ч. = 8,33 + 0,25 = 8,58 м;

ширина бассейна b_в.ч. = 4,5 + 0,25 = 4,75 м;

длина пламенного пространства l_пл.пр. = 8,53 + 0,5 = 9,03 м;

ширина пламенного пространства b_пл.пр. = 4,6 +0,25 = 4,85 м.

Площадь варки определяем по формуле:

Площадь загрузки:

Площадь дна:

Площадь стен бассейна:

Площадь пламенного пространства:

Площадь свода определяем по эскизу.

где l_в.ч. - длина варочной части, м;

L - длина дуги ас, м.

Эскиз свода представлен на рис.4.

Эскиз свода

Рис. 4.

Определяем потери тепла через дно.

Плотность теплового потока зависит от температуры внутренней поверхности кладки и термического сопротивления r.

где д₁ - толщина шамотного бруса, д = 0,3 м;

л₁ - коэффициент теплопроводности шамота,

температура дна Т = 1530 - 70^.2 = 1390 ⁰ С.

Тогда g = 3,92 кВт/м² [ ].

Рассчитаем тепловой поток, теряемый в окружающую среду через стены бассейна.

Стены выполнены из бакорового бруса д₂ = 0,4 м, в качестве теплоизоляции используем алюмохромофосфатный огнеупор: д₃ = 0,125 м и л₃ = 0,541 Вт/м^оС.

Теплопроводность бакорового бруса определим по уравнению:

Средняя температура стен бассейна равна: (1530 +1390) / 2 = 1460 ⁰С.

g₂ = 4,35 кВт/м² (приложение 3) [ ].

Определяем тепловой поток, теряемый в окружающую среду через стены пламенного пространства, выполненные из динаса, д₂ = 0,5 м. Теплопроводность динаса определим по уравнению:

r₄ = 0,249, g₄ = 4,5 кВт/м² (приложение 3) [ ].

Определяем тепловой поток, теряемый в окружающую среду через свод, выложенный из динаса (д₅ = 0,3м и л₅ = 2,011 Вт/м^оС), легковесного шамота (д₇ = 0,3 м). Теплопроводность легковесного шамота определим по уравнению:

g₅ = 2,59 кВт/м²;

Потери теплового потока с выбивающимися газами:

Неучтенные потери (связанные с износом печи):

Составляем уравнение теплового баланса:

52962,384Х = 2585,97 + 31519,1Х + 340,95 + 514,02 + 1588,87Х + 5296,238Х

14558,18Х = 3440,94

Х = 0,236.

Тепловой баланс в таблице 19.

Таблица 19

Тепловой баланс печи

Невязка:

4.3 Расчет технико-экономических показателей

Общий КПД печи:

КПД по химической теплоте топлива:

Расход теплоты на варку 1 кг стекломассы:

Расход условного топлива:

Топливный эквивалент природного газа:

На 1 кг стекломассы расходуется топлива: 0,227•1,2 = 0,272м³, следовательно, на 1 т стекломассы расходуется 272 м³ условного топлива.

4.4 Расчет регенераторов

Регенераторы относятся к теплообменным устройствам периодического действия. Насадки поочередно нагреваются и охлаждаются горячими дымовыми газами или холодным воздухом (периодичность 20 - 30 мин.).

Для ванных стекловаренных печей на 1 м поверхности зеркала варочной части печи поверхность нагрева насадки должна составлять 25 - 35 м². Таким образом, общая площадь нагрева регенератора:

Удельная поверхность нагрева насадки:

Объем насадки регенератора:

Поскольку имеется две горелки, будет две камеры регенератора и две насадки. Объем каждой насадки:

Принимаем следующие размеры насадки:

Длина насадки l_нас. = 2,3 м;

Ширина насадки b_нас. = 2,55 м.

Находим высоту регенератора:

Высота подсводного пространства:

Общая высота регенератора:

Объем сводного пространства над насадкой:

Сечение поднасадочного канала:

Скорость воздуха принимаем за 1,5 м/с.

Стрела подъема свода канала:

Площадь прямоугольного сечения:

Высота прямоугольной части поднасадочного канала:

4.5 Аэродинамический расчет регенератора

4.5.1 Расчет площадей сечения

Расчет площади сечения клапана производится по формуле:

; где

V_в - объем воздуха, V_в = 2,645 м

W - допустимая скорость воздуха на данном участке, W = 3,3 м/с.

Принял размеры прямоугольного клапана: ширина - 1 м, высота - 0,8 м.

Канал между клапаном и регенератором рассчитывают при скорости движения воздуха 2,3 м/с.

Размер канала: ширина - 1,15; высота - 1м.

Сечение поднасадочного канала F₃ = 1,76 м²; ширина канала - 1,4 м; высота - 1,25 м.

При расчете площади сечения шахты горелок принимают температуру воздуха 1125 ⁰С.

Скорость воздуха - 2,3 м/с. Площадь сечения шахты горелки составит:

При расчете площади сечения горизонтальных каналов горелок принимают повышение температуры воздуха на 25⁰С, то есть 1150⁰С и скорость воздуха 3,3 м/с, тогда

а площадь сечения горизонтальных каналов горелок

При расчете площади сечения влетов горелок принимают температуру воздуха 1200⁰С; скорость воздуха должна соответствовать длине факела, то есть длине пламенного пространства печи. Она равна 8,33 м/с, тогда

Определим площадь сечения влетов.

Сечение канала отводящего дымовые газы на дымовую трубу, рассчитывают по скорости 2,3 м/с и объему дымовых газов 2,94 м³/с:

Схема движения воздуха и распределения температур

Рис. 5

4.5.2 Расчет потерь давления на преодоление местных сопротивлений

Вход в клапан V_в = 2,645 м³/с;

Воздух входит в клапан при температуре 20⁰С

Площадь сечения клапана F = 0,8 м².

Скорость на участке (действительная)

Плотность воздуха при температуре 20⁰С

Коэффициент местного сопротивления - 0,5 по приложению 1 [ ], тогда потеря давления на преодоление местного сопротивления равна:

Поворот в клапан:

= 2 (приложение 1) [ ].

Поворот канала к регенератору:

F = 1,15м²;

= 1,2 (приложение 1) [ ].

Поворот в поднасадочный канал:

F = 1,76 м²;

= 0,2 (приложение 1) [ ].

Поворот и вход в насадку:

F = 1,15 м²;

= 2 (приложение 1) [ ].

Насадка:

Рассчитывают среднюю температуру воздуха в насадке регенератора:

Площадь свободного сечения насадки

где

F_н - площадь свободного сечения насадки, м²;

f - площадь свободного сечения 1 м² насадки(м²/м²);

l_н и b_н - соответственно длина и ширина насадки, м.

Площадь свободного сечения насадки типа Лихте равна

Коэффициент местного сопротивления насадки определяют по уравнению (приложение 1) [ ]:

Выход из насадки:

F = 2,47 м²;

= 2 (приложение 1) [ ].

Вход в шахту горелки:

= 0,1 (приложение 1) [ ].

Поворот в горизонтальный канал горелок:

= 0,3 (приложение 1) [ ].

Влет в печь:

= 1 (приложение 1) [ ].

Сумма местных сопротивлений на пути движения воздуха равна:

Р₁ = 3,78 + 15,12 + 4,7 + 0,35 + 8,6 + 10,2 + 5,5 + 0,07 + 0,41 + 8,33 =57,1 Па.

4.5.3 Определение геометрического давления

Геометрическое давление определяют по формуле:

где

H - высота участка;

- плотность воздуха при температуре, средней на данном участке.

Всю высоту подъема воздуха разбивают на два участка высотой H₁ и H₂и рассчитывают геометрическое давление на этих участках.

Высота поднасадочного канала

Высоту от насадки до оси влета принимают равной 1,35 м, тогда:

Запас давления

Вывод: запас давления вполне достаточен для нормальной работы печи.

5. Контроль производства и качества продукции

Под качеством готовой продукции понимают технический уровень изделия и качества его изготовления. Организация контроля качества - это система технических и административных мероприятий, направленных на обеспечение производства продукции полностью соответствующей требованиям нормативно-технической документации[ ].

На предприятии должно быть организовано активное повседневное наблюдение за качеством шихты стекломассы и готовой продукции.

Для наблюдения за качеством изделий на предприятии должен быть установлен следующий контроль:

- химического состава стеклогранулята не реже одного раза в 15 дней

- постоянство состава;

- качество спекания и отжига стеклокомпозитной плитки;

- механическая прочность;

- плотность плитки;

- водопоглощение;

- внешнего вида.

В соответствии с этими требованиями проектом предусмотрены следующие службы по контролю качества производства: цеховая лаборатория, центральная заводская лаборатория (ЦЗЛ) и отдел технического контроля (ОТК).