карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла и способ его получения

Формула изобретения

1. Карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла, включающий, по крайней мере, один силикат щелочного металла, источник оксида кальция и источник оксида магния, отличающийся тем, что в качестве источника оксида кальция содержит химически осажденный карбонат кальция, в качестве источника оксида магния содержит химически осажденный гидроксид и/или силикат магния при следующем массовом содержании компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2 О	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО	9,0-17,0
осажденный гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2	22,0-56,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3	0,003-0,10
вода	3,0-25,0

2. Карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит одну или несколько целевых добавок, применяемых в стекловарении, при следующем массовом содержании компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2 О	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО	9,0-17,0
осажденный гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2	22,0-54,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3	0,003-0,10
вода	3,0-25,0
целевые добавки	0,05-8,0

3. Карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла по п.2, отличающийся тем, что в качестве одной или нескольких целевых добавок, применяемых в стекловарении, используют одно или несколько соединений или простых веществ, выбранных из группы, включающей: красители, стеклообразователи, окислители, восстановители, осветлители, обесцвечивающие добавки, газообразователи, глушащие добавки, ускорители варки стекла, или различные смеси указанных соединений или простых веществ.

4. Карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла по п.3, отличающийся тем, что целевые добавки используют в количествах, обеспечивающих их эквивалентное и необходимое содержание в готовом стекле заданного состава в пересчете на соответствующие оксиды элементов, но в пределах 0,05-8,0% от массы материала.

5. Карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что массовое соотношение силиката щелочного металла, источника оксида кальция и источника оксида магния в продукте в пересчете на соответствующие оксиды металлов преимущественно находится в пределах Me₂O:CaO:MgO=(3,4-3,9):(2,0-2,8):1,0.

6. Карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что представляет собой порошок или гранулы сферической или полусферической формы, или чешуйки, или брикеты цилиндрической формы.

7. Способ получения карбонатно-силикатного синтетического сырьевого материала для производства стекла, включающего источник оксида кальция, источник оксида магния и по крайней мере один силикат щелочного металла или смеси силикатов щелочных металлов, путем смешения и взаимодействия по крайней мере одного силиката щелочного металла с источником оксида кальция и источником оксида магния при повышенной температуре, отличающийся тем, что в качестве силиката щелочного металла используют растворимый силикат щелочного металла (силикат-глыбу) с силикатным модулем в пределах 2,5-3,6 или жидкое стекло по крайней мере одного щелочного металла с силикатным модулем в пределах 1,8-4,0, преимущественно в пределах 2,0-3,5, и массовой долей диоксида кремния в пределах 18-36 мас.%, и осуществляют последовательное или одновременное взаимодействие растворимого силиката щелочного металла (силикат-глыбы) или жидкого стекла с водным раствором гидроксида по крайней мере одного щелочного металла, с химически осажденным карбонатом кальция в качестве источника оксида кальция и оксидом и/или гидроксидом магния в качестве источника оксида магния при температуре 50-120°С с последующей кристаллизацией и/или гранулированием продукта и его сушкой, или с одновременным гранулированием и сушкой продукта, осуществляемыми известными способами, с получением продукта со следующим массовым содержанием компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Me2 O	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО	9,0-17,0
осажденный гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2	22,0-56,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3	0,003-0,10
вода	3,0-25,0

8. Способ получения карбонатно-силикатного синтетического сырьевого материала по п.7, отличающийся тем, что после смешения и взаимодействия химически осажденного карбоната кальция и оксида и/или гидроксида магния с по крайней мере одним силикатом щелочного металла в реакционную смесь при температуре в пределах 50-120°С вводят одну или несколько целевых добавок, применяемых в стекловарении, и после получения однородной массы осуществляют кристаллизацию или гранулирование продукта и его сушку с получением продукта с массовым содержанием компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2 О	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО	9,0-17,0
осажденный гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2	22,0-54,0
железо в пересчете на оксид железа Fe2O3	0,003-0,10
целевые добавки	0,05-8,0
вода	3,0-25,0

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве жидкого стекла по крайней мере одного щелочного металла используют натриевое жидкое стекло или его смесь с калиевым жидким стеклом в массовом соотношении в пересчете на оксиды натрия и калия, необходимом для получения стекла с заданным массовым соотношением оксидов натрия и калия.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве источника оксида кальция и источника оксида магния используют смесь химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния, образующуюся при выделении и промывке твердой фазы суспензии, полученной при содово-каустической очистке рассола хлорида натрия или хлорида калия от ионов кальция и магния, или смесь химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния с отдельно полученным оксидом и/или гидроксидом магния.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве смеси химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния используют смесь со следующим массовым содержанием компонентов, мас.%:

карбонат кальция СаСО3	45,0-82,0
гидроксид магния Mg(OH)2	10,0-30,0
хлорид натрия	0,05-0,6
железо в пересчете на оксид железа Fе2O3	0,003-0,05
вода	остальное

Описание изобретения к патенту

1. Область техники

Изобретение относится к стекольной промышленности и, в частности, к карбонатно-силикатному синтетическому сырьевому материалу, включающему по крайней мере один силикат щелочного металла, осажденный карбонат кальция и источник оксида магния, и к способу его получения. Предлагаемый карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал используется для производства бесцветных, окрашенных в массе и других специальных видов стекол, а также в строительной промышленности и в производстве керамических изделий.

2. Уровень техники

Производство стекла различных марок характеризуется значительными затратами топливно-энергетических ресурсов, поэтому одними из приоритетных направлений развития промышленного стекловарения являются снижение энергетических затрат и интенсификация процессов варки стекла на разных стадиях. В связи с этим поиск и использование новых синтетических сырьевых материалов (ССМ), обеспечивающих повышенную реакционную способность стекольной шихты, ускорение процессов стекловарения и высокое качество целевой продукции являются одной из актуальных задач в современной технологии стекла.

Известен способ получения сырьевого концентрата для производства стекла и керамики, заменяющего кальцинированную соду и поташ и представляющего собой гранулированные частицы кремнезема, покрытые силикатами натрия и калия [Патент РФ № 2152363, МПК⁷ С03В 1/00, С03С 1/02]. Способ заключается в смешении кремнезема с водными растворами гидроксидов натрия и калия при их соотношении (3-4):1 с последующим упариванием смеси при 100-200°С в течение 1-1,5 ч и заключительной термообработкой смеси при 350-550°С.

Недостатками этого способа являются: весьма высокие температуры получения сырьевого концентрата; значительное содержание в нем исходного кварцевого песка; относительно низкая реакционная способность получаемого концентрата, что обусловливает сравнительно небольшое снижение энергозатрат при использовании данного концентрата в производстве стекла и керамики; а также замена только двух сырьевых компонентов стекла - соды и поташа.

Известен способ получения смешанных силикатов, применяемых в производстве стекла, путем двухстадийного превращения исходных галогенидов щелочных металлов, например натрия или калия, и/или щелочноземельных, например магния или кальция, и/или редкоземельных металлов, например церия, в соответствующие сульфаты и затем превращения полученных сульфатов металлов при взаимодействии с кремнеземом в соответствующие силикаты [Заявка Франции № 2830528, МПК⁷ С03В 1/00, С01В 33/32, С01В 33/24 или заявка WO 03/031357, МПК⁷ С03В 5/235].

Недостатками этого способа являются относительная сложность и многоступенчатость технологического процесса, связанные с превращением галогенидов металлов сначала в сульфаты, а затем в силикаты, а также высокие энергетические затраты, необходимые для реализации этого процесса.

Известен способ получения комплексного синтетического сырья для стекольной промышленности под общим названием каназит, представляющего собой натриево-кальциевый силикат [Авт. свидетельство СССР № 662493, МКИ С01В 33/20, С03С 3/00; Мелконян Р.Г. Основные направления совершенствования технологии подготовки стекольной шихты. В сб. Труды Международной научно-практической конференции «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее», том 3. М.: РХТУ, 14-17 октября 2003. М.: Изд. НПО «Информатизация образования», 2003, с.30-35. Мелконян Г.С., Бабаян З.А., Мелконян Р.Г. Гидротермальный химический способ производства стекла. В сб. Труды Международной научно-практической конференции «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее», том 3. М.: РХТУ, 14-17 октября 2003. М.: Изд. ЦПО «Информатизация образования», 2003, с.209-211]. Способы получения синтетического материала типа каназит включают: (а) гидротермальную щелочную обработку кремнеземсодержащего природного сырья (перлита, инфузорита, диатомита, сиенита, трепела); (б) разделение полученной пульпы на твердую алюмосиликатную фазу и раствор метасиликата натрия или жидкого стекла; (в) частичную карбонизацию метасиликата натрия до образования твердого осадка карбоната натрия; (г) удаление карбоната натрия быстрой фильтрацией при 2-7°С; (д) получение метасиликата кальция взаимодействием метасиликата натрия с гидроксидом кальция; (е) выделение метасиликата кальция путем фильтрации суспензии от раствора едкого натра; (ж) автоклавную обработку при высокой температуре смеси обогащенного кремнеземом раствора силиката натрия с метасиликатом кальция с получением натриево-кальциевого силиката, в общем случае отвечающего эмпирической формуле Nа₂О·СаО·6SiO₂ ; (и) сушку и грануляцию продукта. За счет уменьшения содержания СаО или Na₂O в продукт могут вводиться в эквивалентных количествах BaO, ZnO, PbO, K₂O и другие оксиды. На стадии (а) в качестве исходной щелочи возможно использование гидроксида натрия или гидроксида калия в зависимости от типа целевой стекольной шихты.

Основными недостатками указанных способов получения каназита являются многостадийность процесса, относительно низкий коэффициент использования исходной щелочи, связанный с удалением едкого натра при фильтровании суспензии на стадии (е), наличие дополнительных стадий (в) и (г) - частичной карбонизации раствора метасиликата натрия и фильтрации карбоната натрия для увеличения содержания диоксида кремния в получаемом натриево-кальциевом силикате.

Известен также способ гранулирования исходного материала путем смешения на первой стадии силикатного (кварцевого) песка с гидроксидом натрия и связующей жидкостью, например жидким стеклом, с добавлением в случае необходимости воды, и добавлением к полученной смеси на второй стадии несиликатных сыпучих материалов природного происхождения, таких, например, как магнезит и известняк, после чего смесь перемешивают в течение не менее 60 секунд и формируют гранулы или брикеты заданного размера [Заявка Японии № 1201032, опубл. 14.08.1989. МПК⁴ С03В 1/00].

Недостатками этого исходного материала являются: высокое содержание в нем реакционноспособного едкого натра, который в процессе варки стекла способен активно взаимодействовать с материалами футеровки стекловаренных печей и разрушать их, снижая ресурс работы печей; наличие в данном материале источников оксида кальция и оксида магния в наиболее инертных формах - в виде карбонатов кальция и магния природного происхождения, содержащих, кроме того, значительное количество оксида железа Fе₂О ₃ и других хромофорных примесей, а также высокое содержание в материале силикатного (кварцевого) песка в качестве основного источника диоксида кремния, что обусловливает относительно низкую реакционную способность целевого материала. Все это не позволяет заметно снизить энергетические затраты на производство стекла при использовании данного материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ получения синтетических силикатов кальция и/или магния или смешанных кальциево-магниевых силикатов, смешанных натриево-кальциевых, натриево-магниевых или натриево-магниево-кальциевых силикатов путем реакции источников кальция и/или магния, например оксидов, гидроксидов или силикатов кальция и/или магния, с источником диоксида кремния, в качестве которого используют песок или кварц, или растворимый силикат натрия - безводный или в гидратированной форме, с последующей термообработкой смеси при температуре в пределах 110-1100°С или при 100-700°С [Патент США № 6287997, опубл. 11.09.2001. МПК⁷ С03С 06/08]. Полученные по этому способу синтетические силикаты кальция, магния или различные смешанные силикаты используются в виде шариков или цилиндрических гранул в производстве стекла или литой керамики.

Основными недостатками этого способа являются: необходимость использования в процессе либо относительно дефицитных природных силикатов кальция и/или магния, либо оксидов или гидроксидов кальция и/или магния, предварительно полученных гашением кальцинированного доломита, кальцинированного доломитного известняка и/или кальцинированного высококальциевого известняка; относительно высокие энергозатраты на проведение процесса, связанные с необходимостью термообработки получаемых смесей при температурах 100-700°С или 110-1100°С; а также относительно высокая массовая доля оксида железа Fе ₂О₃ в целевом продукте - как правило, более 0,10% вследствие использования природных источников оксида кальция и оксида магния с достаточно высоким содержанием оксида железа Fе₂О₃ и других примесей. Задачами предлагаемого изобретения являются: разработка высококачественного, экономичного и эффективного многокомпонентного ССМ, содержащего диоксид кремния, по крайней мере один силикат щелочного металла и источники оксида кальция и оксида магния и полностью заменяющего сразу три традиционных сырьевых компонента стекольной шихты - соду, доломит и мел или известь, и характеризующегося низким содержанием железа в пересчете на оксид железа Fе₂O₃, а также разработка способа получения указанного ССМ для производства стекла, расширение сырьевой базы процесса и снижение материальных и энергетических затрат на получение целевого продукта.

3. Раскрытие изобретения

Поставленная цель достигается тем, что карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла, включающий по крайней мере один силикат щелочного металла, источник оксида кальция и источник оксида магния, в качестве источника оксида кальция содержит химически осажденный карбонат кальция, в качестве источника оксида магния содержит химически осажденный гидроксид и/или силикат магния при следующем массовом содержании компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2О -	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО -	9,0-17,0
гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO -	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2 -	22,0-56,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3 -	0,003-0,10
вода-	3,0-25,0.

По другому преимущественному воплощению предлагаемый карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал для производства стекла дополнительно содержит одну или несколько целевых добавок, применяемых в стекловарении, при следующем массовом содержании компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2О -	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО -	9,0-17,0
гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO -	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2 -	22,0-54,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3 -	0,003-0,10
вода -	3,0-25,0,
целевые добавки -	0,05-8,0

Согласно другому преимущественному воплощению предлагаемый ССМ в качестве одной или нескольких целевых добавок содержит одно или несколько соединений или простых веществ, выбранных из группы, включающей: красители, стеклообразователи, окислители, восстановители, осветлители, обесцвечивающие добавки, газообразователи, глушащие добавки, ускорители варки стекла или различные смеси указанных соединений или простых веществ.

Предлагаемый карбонатно-силикатный синтетический сырьевой материал содержит целевые добавки преимущественно в количествах, обеспечивающих их эквивалентное и необходимое содержание в готовом стекле заданного состава в пересчете на соответствующие оксиды элементов, но в пределах 0,05-8,0% от массы материала.

Согласно преимущественному воплощению, массовое соотношение по крайней мере одного силиката щелочного металла, источника оксида кальция и источника оксида магния в предлагаемом ССМ в пересчете на соответствующие оксиды металлов находится в пределах Ме₂О:СаО:MgO - (3,4-3,9):(2,0-2,8):1,0.

Предлагаемый по любому воплощению ССМ преимущественно представляет собой порошкообразный продукт или гранулы сферической или полусферической формы, или чешуйки, или брикеты цилиндрической формы.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе получения карбонатно-силикатного ССМ для производства стекла, включающего источник оксида кальция, источник оксида магния и по крайней мере один силикат щелочного металла путем смешения и взаимодействия силиката щелочного металла с источником оксида кальция и источником оксида магния при повышенной температуре в качестве по крайней мере одного силиката щелочного металла используют растворимый силикат щелочного металла (силикат-глыбу) с силикатным модулем в пределах 2,5-3,6 или жидкое стекло по крайней мере одного щелочного металла с силикатным модулем в пределах 1,8-4,0, преимущественно в пределах 2,0-3,5, и массовой долей диоксида кремния в пределах 18-36 мас.%, и осуществляют последовательное или одновременное взаимодействие растворимого силиката щелочного металла (силикат-глыбы) или жидкого стекла с водным раствором гидроксида по крайней мере одного щелочного металла, химически осажденным карбонатом кальция в качестве источника оксида кальция и химически осажденным гидроксидом и/или оксидом магния в качестве источника оксида магния при температуре 50-120°С с последующей кристаллизацией и/или гранулированием продукта и его сушкой, или с одновременным гранулированием и сушкой продукта, осуществляемыми известными способами, с получением продукта со следующим массовым содержанием компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2О -	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО -	9,0-17,0
гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO -	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2 -	22,0-56,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3-	0,003-0,10
вода-	3,0-25,0.

Согласно одному из воплощений предлагаемого способа получения карбонатно-силикатного ССМ после смешения и взаимодействия источников оксида кальция и оксида магния с силикатом по крайней мере одного щелочного металла в реакционную смесь при температуре в пределах 50-120°С вводят одну или несколько целевых добавок, применяемых в стекловарении, и после получения однородной массы осуществляют кристаллизацию и/или гранулирование продукта и его сушку с получением продукта со следующим массовым содержанием компонентов, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2О -	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО -	9,0-17,0
силикат или гидроксид магния в пересчете на MgO -	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2 -	22,0-54,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3 -	0,003-0,10
целевые добавки -	0,05-8,0
вода-	3,0-25,0.

Согласно одному из преимущественных воплощений предлагаемого способа в качестве жидкого стекла по крайней мере одного щелочного металла используют натриевое жидкое стекло или его смесь с калиевым жидким стеклом в массовом соотношении в пересчете на оксиды натрия и калия, необходимом для получения стекла с заданным массовым соотношением оксидов натрия и калия.

По одному из воплощений предлагаемого способа в качестве источника оксида кальция и источника оксида магния используют смесь химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния, образующуюся при выделении и промывке твердой фазы суспензии, полученной при содово-каустической очистке рассола хлорида натрия от ионов кальция и магния, или смесь химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния с отдельно полученным оксидом и/или гидроксидом магния.

Согласно одному из преимущественных воплощений предлагаемого способа в качестве смеси химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния используют смесь со следующим массовым соотношением компонентов, мас.%:

карбонат кальция СаСО 3 -	45,0-82,0
гидроксид магния Mg(OH)2 -	10,0-30,0
хлорид натрия -	0,05-0,6
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3 -	0,003-0,05
вода -	остальное.

Предлагаемый карбонатно-силикатный ССМ принципиально отличается от выявленных аналогов тем, что представляет собой высокооднородную смесь соединений четырех или более стеклообразующих элементов: кремния, по крайней мере, одного щелочного металла (обычно, натрия), а также кальция и магния, причем в качестве соединения щелочного металла выступает по крайней мере один силикат щелочного металла, в качестве источника СаО выступает химически осажденный карбонат кальция, а в качестве источника MgO выступает химически осажденный гидроксид магния и/или силикат магния, при этом массовое содержание компонентов в продукте распределяется следующим образом, мас.%:

силикат щелочного металла в пересчете на оксид Ме2О -	15,0-27,0
осажденный карбонат кальция в пересчете на СаО -	9,0-17,0
гидроксид и/или силикат магния в пересчете на MgO -	4,0-8,0
диоксид кремния в составе силикатов в пересчете на SiO2 -	22,0-56,0
железо в пересчете на оксид железа Fе2О3 -	0,003-0,10
вода -	3,0-25,0.

Химический состав предлагаемого ССМ и массовое соотношение компонентов в нем являются оптимальными для достижения максимального эффекта снижения энергетических затрат на производство стекла с применением данного материала. Такой эффект обусловлен в первую очередь тем, что в предлагаемом ССМ вводимые элементы натрий (калий), магний и кремний представлены в виде соответствующих силикатов или в виде однородной смеси силикатов натрия (калия) и магния с реакционноспособными химически осажденными карбонатом кальция и гидроксидом магния, имеющими псевдоаморфную структуру и высокую удельную поверхность дисперсных частиц. Вследствие этого предлагаемый ССМ проявляет высокую химическую активность по отношению к кварцевому песку (диоксиду кремния) - основному компоненту стекольной шихты и определяет повышенную реакционную способность самой шихты в энергоемких процессах силикатообразования. Это в свою очередь определяет возможность снижения температуры варки стекла на 50-300°С и существенное повышение производительности стекловаренных печей при использовании предлагаемого ССМ вместо традиционных сырьевых материалов. Следует также отметить, что предлагаемый ССМ содержит оптимальное количество воды - в пределах 3,0-25,0%, преимущественно в составе кристаллогидратов силикатов (гидросиликатов), что также способствует ускорению процессов силикатообразования и более эффективному осветлению стекломассы.

Предлагаемый способ позволяет существенно упростить технологию получения карбонатно-силикатного ССМ за счет того, что взаимодействие исходных сырьевых компонентов осуществляют одновременно или последовательно в одном реакторе и при более низких температурах (50-120°С), а также позволяет снизить трудоемкость процесса и энергетические затраты на производство ССМ и целевого стекла.

Химизм предлагаемого способа получения ССМ заключается в осуществлении следующих реакций, протекающих последовательно или параллельно (например, для жидкого стека с силикатным модулем, равным 3):

Предлагаемый способ получения ССМ принципиально отличается от известного прототипа тем, что осуществляют одновременное или последовательное взаимодействие растворимого силиката щелочного металла (силикат-глыбы) с силикатным модулем в пределах 2,5-3,6 или жидкого стекла по крайней мере одного щелочного металла с силикатным модулем в пределах 1,8-4,0, преимущественно в пределах 2,0-3,5 с водным раствором гидроксида щелочного металла, химически осажденным карбонатом кальция и химически осажденным гидроксидом магния и/или оксидом магния при температуре в пределах 50-120°С, причем гидроксид щелочного металла используется в таком массовом соотношении к исходному жидкому стеклу и гидроксиду и/или оксиду магния, чтобы образующийся материал - ССМ после завершения взаимодействия по реакциям (1)-(6) не содержал свободного гидроксида щелочного металла, а представлял собой однородную смесь карбоната кальция с метасиликатами щелочного металла (натрия) и магния, или с ди- и полисиликатами щелочного металла (натрия) и магния, или с силикатами щелочного металла (натрия, калия) и гидроксидом и/или метасиликатом магния. Если в условиях синтеза ССМ происходит полное взаимодействие гидроксида магния с метасиликатом натрия по реакции (4), то образующийся гидроксид натрия вступает во взаимодействие с силикатами натрия по реакциям (1), (2) или (7), то есть при заданном массовом соотношении компонентов обеспечивается связывание всего количества гидроксида щелочного металла с образованием смеси ортосиликата и метасиликата щелочного металла, и, возможно, но необязательно, с некоторым содержанием ди- и трисиликатов щелочного металла.

Снижение температуры процесса ниже 50°С технически нецелесообразно, поскольку при этом снижается скорость взаимодействия гидроксидов кальция и магния с силикатами щелочных металлов, или скорость гидратации оксида магния с образованием гидроксида магния и соответственно увеличивается продолжительность процесса. Повышение температуры процесса на стадии взаимодействия выше 120°С также технически нецелесообразно, поскольку приводит к необходимости использования аппаратов, работающих под относительно высоким избыточным давлением, или к преждевременному удалению воды из материала.

Известно, что в качестве целевых добавок в стекловарении используются соединения, которые можно условно классифицировать по следующим группам:

- соединения стеклообразующих элементов, например оксиды и силикаты алюминия, бора и другие;

- соединения, ускоряющие варку стекла (ускорители), например соединения аммония, нитраты калия и сульфаты натрия;

- соединения или вещества элементов-красителей, например соединения хрома, железа, празеодима, кобальта, меди, марганца, никеля, неодима, кадмия, серебра, церия, титана, селена, золота, эрбия, а также элементные селен и золото;

- соединения элементов-глушителей, например соединения фтора, фосфора, серы, олова;

- обесцвечивающие соединения (обесцвечиватели), например соединения селена, кобальта, никеля, марганца, неодима, эрбия, церия, мышьяка, нитраты натрия и калия;

- соединения-осветлители, например сульфат натрия, сульфат бария, сульфат аммония, хлорид натрия, хлорид аммония, оксид церия, оксид сурьмы, оксид мышьяка, хлорат натрия, а также другие хлориды, бромиды, иодиды металлов и их различные комбинации, или комбинации оксидов мышьяка или сурьмы с нитратами щелочных и щелочноземельных металлов;

- окисляющие соединения, например нитраты щелочных или щелочноземельных металлов, соединения мышьяка, оксид церия;

- соединения или вещества восстановители, например, углерод (уголь), соединения олова(II).

В предлагаемом ССМ в качестве одной или нескольких целевых добавок, применяемых в стекловарении, могут использоваться соединения, выбранные из указанных выше групп. Причем в зависимости от назначения и марки целевого стекла соответствующим образом варьируется природа и содержание целевой добавки или добавок.

Таким образом, совокупность существенных признаков, включающая взаимодействие силиката щелочного металла (натрия) с водным раствором гидроксида щелочного металла (натрия), гидроксидом и/или оксидом магния и карбонатом кальция и, возможно, но необязательно, с целевыми добавками, применяемыми в стекловарении, при температуре 50-120°С, с последующей сушкой и/или грануляцией полученного ССМ, обусловливает достижение ожидаемого технического результата - упрощение технологии получения ССМ за счет сокращения общего числа технологических стадий, повышение до 100% коэффициента использования гидроксидов щелочных металлов при синтезе силикатов и создание общего и универсального способа получения ССМ на основе силикатов щелочных и щелочноземельных металлов.

4. Осуществление изобретения

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие предлагаемый ССМ и способ его получения, которые, впрочем, никоим образом не ограничивают объем притязаний, определенный формулой изобретения и настоящим описанием.

Пример 1 (типовая методика).

В лабораторный реактор, выполненный из нержавеющей стали, снабженный мешалкой и рубашкой, загружают 457,16 г натриевого жидкого стекла с массовой долей Nа₂О - 10,53% и массовой долей SiO ₂ - 30,6% (силикатный модуль 3,0) и прибавляют к нему 65,72 г водного раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 47,2% и нагревают смесь до температуры 50°С. К полученному раствору силикатов натрия прибавляют 100,0 г смеси химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния следующего состава (мас.%): СаСО₃ - 79,46%; Mg(OH)₂ - 20,08%; NaCl - 0,13%; Fе₂О₃ - 0,03%; H₂O - 0,30%, и 8,38 г химически осажденного гидроксида магния с массовой долей Mg(OH)₂ 99,0% при температуре в пределах 50-120°С. Указанную смесь химически соосажденных СаСО₃ и Mg(OH) ₂ получают путем фильтрования и промывки сгущенной шламовой суспензии, образующейся при очистке рассола хлорида натрия от ионов кальция и магния содово-каустическим методом, с последующей сушкой промытого продукта.

Реакционную массу выдерживают при температуре в пределах 50-120°С в течение 1-3 часов и затем подвергают кристаллизации в тонкой пленке. Кристаллизованный продукт сушат при температуре 105-150°С и при необходимости измельчают. Получают 346,23 г ССМ в виде порошка или чешуек размером до 5 мм; состав продукта приведен в таблице. Массовая доля Fе ₂О₃ в продукте составляет 0,04%.

Пример 2.

Синтез проводят по методике примера 1, исходя из 465,83 г натриевого жидкого стекла с массовой долей Na₂O 14,66% и массовой долей SiO₂ - 28,4% (силикатный модуль 2,0) и 9,35 г водного раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 46,2%. К полученному раствору при температуре 60-100°С прибавляют 100,0 г смеси химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния следующего состава (мас.%): СаСО₃ - 75,25%; Mg(OH)₂ - 24,25%; NaCl - 0,30%; Fe₂O₃ - 0,03%; H₂O - 0,20%, и 6,36 г химически осажденного гидроксида магния с массовой долей Mg(OH)₂.

Смесь выдерживают при перемешивании и температуре в пределах 60-100°С в течение 1-3 часов и затем подвергают кристаллизации в тонкой пленке. Кристаллизованный продукт сушат при температуре 150-160°С и измельчают. Получают 320,0 г ССМ в виде порошка, состав которого приведен в таблице. Массовая доля Fе₂О₃ в продукте составляет 0,05%, массовая доля NaCl - 0,09%. Массовое соотношение Na₂O:СаО:MgO составляет 3,4:2,0:1,0.

Пример 3.

Синтез проводят по методике, описанной в примере 1, исходя из 350,12 г жидкого натриевого стекла с массовой долей Na₂O 16,92% и массовой долей SiO₂ - 29,5% (силикатный модуль 1,8) и 9,37 г водного раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 46,2%. К полученному раствору при температуре 60-100°С прибавляют 100,0 г смеси химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния следующего состава (мас.%): СаСО₃ - 80,20%; Mg(OH) ₂ - 18,40%; NaCl - 0,50%; Fе₂О₃ - 0,02%; Н₂О - 0,50%, и 3,48 г технического оксида магния с массовой долей MgO 96,0%, полученного методом термогидролиза раствора хлорида магния. Реакционную смесь выдерживают при перемешивании и температуре в пределах 80-100°С в течение 2 часов и затем подвергают гранулированию и сушке при температуре 140-150°С. Получают 288,0 г ССМ в виде гранул диаметром до 4 мм, состав которого приведен в таблице. Массовая доля Fe₂O ₃ в продукте составляет 0,02%, массовая доля NaCl - 0,25%. Массовое соотношение оксидов Na₂O:СаО:MgO в ССМ составляет 3,9:2,8:1,0.

Пример 4.

Синтез проводят по методике, описанной в примере 1, исходя из 681,9 г жидкого натриевого стекла с массовой долей Na20 9,67% и массовой долей SiO₂ - 35,6% (силикатный модуль 3,8) и 9,25 г водного раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 46,8%. К полученному раствору при температуре 80-120°С прибавляют 100,0 г смеси химически соосажденных карбоната кальция и гидроксида магния следующего состава (мас.%): СаСО₃ - 80,20%; Mg(OH) ₂ - 18,40%; NaCl - 0,50%; Fе₂О₃ - 0,02%; Н₂O - 0,50%, и 6,27 г технического оксида магния с массовой долей MgO 96,0%, полученного методом термогидролиза раствора хлорида магния. Реакционную смесь выдерживают при перемешивании и температуре в пределах 80-120°С в течение 1,5 часа и затем подвергают гранулированию и сушке при температуре 140-150°С. Получают 433,5 г ССМ в виде гранул диаметром до 4 мм; состав приведен в таблице. Массовая доля Fе₂O₃ в продукте составляет 0,07%, массовая доля хлорида натрия - 0,12%. Массовое соотношение Na₂O:СаО:MgO в ССМ составляет 3,7:2,4:1,0.

Другие примеры предлагаемого карбонатно-силикатного ССМ и условия его получения приведены в таблице. Полученные по изобретению синтетические материалы представляют собой порошкообразные вещества или чешуйки, или сферические или полусферические гранулы, или брикеты цилиндрической формы, характеризуются высокой химической и физической однородностью и низким содержанием железа в пересчете на оксид железа (если целевой ССМ не включает целевые добавки, представляющие собой соединения железа или металлическое железо).

Все полученные по предлагаемому изобретению материалы были испытаны в лабораторных условиях в стекловаренной печи периодического действия в качестве многокомпонентного сырья для получения различных видов стекла с одновременным исключением из состава стекольной шихты таких традиционных сырьевых материалов, как кальцинированная сода, доломит, мел или известь. Кроме того, при использовании ССМ, содержащих целевые добавки, обычно применяемые в стекловарении, из состава стекольной шихты исключались указанные целевые добавки, которые вводятся отдельно при помощи специальных дозаторов. Сравнительные испытания показали, что при использовании новых ССМ сокращается общая продолжительность приготовления стекольной шихты, поскольку происходит смешение ССМ только с необходимым количеством песка или с песком и ограниченным количеством целевых добавок.

Полученные сравнительные испытания показали, что использование предлагаемых ССМ позволяет снизить температуру варки листового стекла примерно на 50-300°С по сравнению со стандартной стекольной шихтой, снизить продолжительность осветления стекломассы и соответственно снизить энергетические затраты на производство стекла. Кроме того, использование предлагаемых ССМ позволяет получать стекло более высокого качества, о чем свидетельствует достигаемое меньшее количество дефектов на единицу поверхности вырабатываемого стекла.

Из представленных примеров следует, что использование предлагаемого карбонатно-силикатного ССМ позволяет снизить энергетические затраты на производство стекла, затраты на шихтоприготовление, повысить производительность стекловаренных печей и качество целевого продукта, а также упростить технологию производства. Разработанный способ получения предлагаемого материала представляет собой достаточно эффективную и универсальную технологию получения, позволяющую относительно просто, экономично и стабильно синтезировать многокомпонентный продукт и четко контролировать состав и свойства самого ССМ и целевого стекла.

Таблица
Примеры синтетического сырьевого материала (ССМ) для производства стекла и условия его получения
№ п/п	Массовая доля компонента в предлагаемом ССМ, %	Температура получения, °С	Целевая добавки или добавки	Исходный источник MgO
Na2O	CaO	MgO	SiO2	Fе2О3	вода	добавка
1	20,84	12,86	5,66	40,41	0,04	7,54	-	50-120	-	Mg(OH)2
2	22,39	13,17	6,58	41,34	0,05	5,41	-	60-100	-	Mg(OH)2
3	21,74	15,60	5,57	35,86	0,02	8,76	-	80-100	-	MgO
4	15,99	10,37	4,32	56,00	0,07	5,00	-	80-120	-	MgO
5	23,33	14,43	6,31	22,64	0,03	17,82	-	60-80	-	Mg(OH)2
6	15,06	9,00	4,13	52,77	0,07	10,22	-	70-90	-	Mg(OH)2
7	24,49	12,25	6,12	44,10	0,01	3,02	-	80-90	-	Mg(OH)2
8	18,05	10,83	5,16	33,32	0,04	24,03	-	80-90	-	Mg(OH)2
9	27,00	16,58	7,31	26,23	0,05	9,30		90-100	Na2SO 4	MgO
10	25,82	16,00	7,03	25,02	0,04	9,11		100-120	NaNO3	MgO
11	15,00	9,73	4,05	52,54	0,06	10,81		80-90	Se, NaNO3	Mg(OH)2
12								80-90	C,	Mg(OH)2
13								90-120	Fe,	MgO
14								90-100	Na3BO 3,	MgO
15								80-90	Аl(ОН)3	Mg(OH)2
16								70-80		Mg(OH) 2