ГЛАВА IX ЖИДКОЕ СТЕКЛО В ЭЛЕКТРОДНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ (1956 год)

ГЛАВА IX ЖИДКОЕ СТЕКЛО В ЭЛЕКТРОДНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ (1956 год)

Все известные промышленные марки стальных электродов для дуговой сварки и наплавки имеют в своем покрытии силикат натрия, вводимый в обмазочную массу в виде силиката натрия — раствора, называемого жидким стеклом
ЦНИИ МПС, Исследование технологии изготовления покрытых электродов.

Силикат натрия — электродный раствор поставляется для электродного производства силикатной промышленностью по ГОСТ 4419-48 *.

Силикат натрия — электродный раствор представляет собой водный раствор силиката щелочного металла — натрия.

Общий метод получения силиката щелочного металла состоит в нагревании до полного расплавления смеси окислов щелочных металлов или их углекислых солей с двуокисью кремния, взятых в соответствующих стехиометрических отношениях.

Силикат щелочного металла носит название растворимого стекла.

Общая формула растворимого стекла — силиката натрия

Жидкое стекло придает обмазочным массам пластические свойства, покрытиям — механическую прочность и влагостойкость, оказывает влияние на шлаки и повышает стабильность горения дуги при сварке.

Кроме того, жидкое стекло при наличии в электродном покрытии органических присадок замедляет их сгорание.

Наша промышленность применяет водные растворы силикатов щелочных металлов, главным образом натрия и в меньшем количестве— калия (табл. 71).

Таблица 71 Водные силикаты натрия и калия

Натриевое жидкое стекло по сравнению с калиевым обладает более высокой клейкостью и при изготовлении электродов на прессах высокого давления сообщает электродообмазочным массам лучшие пластические свойства.

Калиевое жидкое стекло в электродных покрытиях уменьшает глубину кратера при сварке, делает сварочную дугу более стабильной и уменьшает растрескивание электродного покрытия при сушке и прокалке.

Калиевое жидкое стекло применяется в электродных покрытиях в смеси с натриевым. При правильном подборе смеси стекол могут . быть использованы их преимущества, т. е., наряду с обеспечением необходимых пластических свойств электродообмазочных масс, уменьшается трещиноватость покрытия при сушке и прокалке электродов, обеспечивается необходимая прочность электродного покрытия, влагоустойчивость, повышается стабильность горения дуги при сварке.

Качество толстопокрытых электродов в большой степени зависит от свойств жидкого стекла, вводимого в электродообмазочные массы.

Решающее значение при производстве толстопокрытых электродов имеют модуль жидкого стекла, вязкость, плотность или удельный вес и скорость образования на поверхности раствора жидкого стекла пленки, т. е. скорость высыхания.

Модуль силиката щелочного металла является условной величиной, определяемой по формуле

а модуль силиката калия равен

От плотности и модуля жидкого стекла зависят последующие технологические свойства электродов.

Химический состав силикат-глыбы определяется по методике ГОСТ 917-41, а жидкого стекла — по методике ГОСТ 962-41.

Приблизительное ускоренное определение модуля жидкого стекла можно производить по табл. 72, устанавливая удельный вес раствора ареометром, a Na2О — титрованием сильно разбавленного раствора стекла децинормальной соляной кислотой в присутствии метилоранжа.

Таблица 72 Модуль жидкого стекла в зависимости от его удельного веса и содержания

Необходимо учитывать, что на поведение жидких стекол в электродных покрытиях большое влияние оказывает состав покрытия.

Практически установлено, что вязкость жидкого стекла при модуле его выше 2,0 увеличивается с увеличением модуля, но строгой зависимости или повторяющейся закономерности нет.

Вязкость жидкого стекла одной поставки зависит также от плотности и температуры раствора, при которой проводились испытания.

Наблюдаются резкие колебания вязкости при одном и том же модуле и одной плотности жидких стекол разных поставок (фиг. 93).

Фиг. 93. Графическое изображение вязкости модуля и плотности жидкого стекла, поступившего
на Московский электродный завод в течение января — февраля 1953 г.:
1—вязкость; 2 — плотность; 3—модуль.

Ниже приведены данные об изменении вязкости жидкого стекла в зависимости сур изменения температуры раствора (табл. 73 и 74).

Таблица 73 Изменение вязкости натриевых жидких стекол в зависимости от температуры (по материалам А. И. Жилина)

Фиг, 94. Вискозиметр Хеппдера:

Практически установлено, что Лучшими условиями для опрессовки электродов являются такие, при которых температура жидких стекол находится в пределах 19—20°.

При изменении плотности жидкого стекла изменяется его вязкость (табл. 75).

Таблица 74
Изменение вязкости жидкого стекла от температуры
(по материалам Московского электродного завода)

Таблица 75 Изменение вязкости жидкого стекла при снижении плотности раствора

Из табл. 75 явствует, что даже незначительное уменьшение концентрации раствора резко снижает вязкость растворенного жидкого стекла.

Вязкость раствора жидкого стекла зависит также от силикатного модуля и концентрации раствора (табл. 76).

Растворы силиката натрия (или жидкое стекло) в зависимости от величины модуля имеют при высыхании разную величину усадки и различные прочностные свойства.

Следует иметь в виду, что снижение величины усадки жидких стекол благоприятно сказывается на операциях провяливания и сушки электродов, уменьшая количество трещин на электродных покрытиях.

Наименьшую усадку при высыхании дают жидкие стекла с модулем 2,6—3,0.

Прочностные свойства натриевых жидких стекол выявляются испытанием на срез двух склеенных металлических пластинок, в зависимости от величины модуля жидкого стекла.

При разбавлении жидкого стекла водой частицы коллоида дополнительно гидратируются и раздробляются.

Для осветления раствора теплое жидкое стекло сливается в отстойные баки. После суточного отстоя оно становится более прозрачным.

Баки для хранения жидкого стекла периодически очищаются, так как па дне их скопляются частицы кремниевой кислоты. Эти частицы кремниевой кислоты, попадая в замесы обмазочной массы, ухудшают ее пластические свойства и приводят к появлению трещин в электродных покрытиях.

Кроме того, при длительном хранении жидких стекол больших плотностей (1,48—1,54) увеличивается их вязкость, очевидно, за счет укрупнения частиц коллоидной части раствора и выделения из него геля.

Для изготовления толстопокрытых электродов в зависимости от способа нанесения покрытия на электродные стержни и состава покрытия используются жидкие стекла с различными удельными весами от 1,3 до 1,54.

Фиг. 94а. График зависимости сухого остатка жидкого стекла от модуля и удельного веса раствора.

Жидкое стекло, как основной носитель влаги электродного покрытия, может быть причиной образования дефектов наплавленного металла и непостоянства качества электродов.

Постоянство качества электродов зависит от дозировки жидкого стекла определенной плотности и модуля. Дозировка жидкого стекла производится с учетом сухого остатка при крайне ограниченных колебаниях его в электродных покрытиях данной марки, с температурой 18—20°.

Сухой остаток жидкого стекла зависит от модуля и удельного веса раствора (фиг. 94а).

Жидкое стекло не рекомендуется хранить длительное время в открытых сосудах, так как оно под влиянием воздуха подвергается разложению.

СИЛИКАТ НАТРИЯ — ЭЛЕКТРОДНЫЙ РАСТВОР

Технические условия (по ГОСТ 4419-48*)

Стандарт распространяется на силикат натрия — раствор, применяемый в покрытиях электродов для электродуговой сварки.

Силикат натрия — раствор должен быть изготовлен автоклавным способом путем растворения содового силиката натрия —

глыбы или гранулята (ГОСТ 4-120-48) в воде под давлением 4-7 ат *.
* При изготовлении силиката натрия — раствора самим потребителем допускается растворение указанной глыбы или гранулята также и другим способом,

Химический состав, модуль и удельный вес силиката натрия — раствора должен отвечать следующим требованиям (табл. 77).

Таблица 77

Посторонние примеси, видимые невооруженным глазом, не допускаются.

Приемку, отбор проб, упаковку, маркировку, паспортизацию, хранение и транспортировку производят по ГОСТ 962-41 со следующими изменениями и дополнениями к нему:

а) При отборе проб для определения химического состава и удельного веса не допускается перемешивание силиката натрия — раствора с осадком.

б) В теплое время года допускается перевозка силиката натрия — раствора в цистернах.

в) В сертификате (паспорте) должен быть указан ГОСТ 4419-48.

г) Силикат натрия—раствор должен храниться в плотно закрытой таре при температуре окружающей среды не ниже 5°.

СИЛИКАТ НАТРИЯ ЭЛЕКТРОДНЫЙ — ГЛЫБА И ГРАНУЛЯТ

Технические условия (по ГОСТ 4420-48)

Силикат натрия электродный — глыба и гранулят представляют собой куски стекловидного, бесцветного или слабоокрашенного материала. Гранулят в виде кусков более 20 мм представляет собой зерна силиката натрия — глыбы, полученные путем быстрого охлаждения горячего расплава силиката натрия в воде или на воздухе.

Химический состав и модуль силиката натрия должны отвечать следующим требованиям (табл. 78).

Засоряющие примеси, видимые невооруженным глазом, не допускаются.

Таблица 78

Силикат натрия — глыба может длительно храниться на воздухе. Силикат натрия — гранулят поглощает воду при хранении в сыром складе и может слежаться в прочный монолит.

Калиевое жидкое стекло, или силикат калия — раствор, широкого применения в электродной промышленности не нашло из-за дефицитности сырья, идущего для его изготовления.

Основным сырьем для производства калиевого силиката — глыбы является поташ, получаемый из растений.

Московский электродный завод произвел выплавку силиката калия — гранулята в электропечи ЦНИИТМАШ на отходах, получаемых при производстве глинозема из нефелинового концентрата, содержащего в своем составе поташа около 91% и около 4% кальцинированной соды. Результаты выплавки пробной партии силиката калия — гранулята оказались вполне удовлетворительными. Силикат калия — гранулят легко разваривается в силикат калия — раствор или калиевое жидкое стекло, что дает возможность наладить выпуск калиевого жидкого стекла на базе дешевых отходов алюминиевой промышленности.

На Березниковском химическом комбинате калиевое жидкое стекло изготовляют мокрым способом, минуя изготовление силиката калия — глыбы или гранулята. сырьем для производства которого является едкое кали.

Калиевое жидкое стекло выпускается по техническим условиям МХП № 4668-47 и является смесью различных силикатов калия с содержанием некоторого количества посторонних примесей. Модуль калиевого жидкого стекла равен 2,7 -2,8 при удельном весе 1,45—1,55 и температуре 20°.

Для электродного производства является весьма важным получение жидких стекол, имеющих состав согласно ГОСТ 4419-48 * и наряду с этим обладающих определенной, заранее заданной вязкостью, скоростью высыхания и малой усадкой при сушке.

Так как промышленные сорта жидкого стекла могут поставляться только в соответствии с ГОСТ 4419-48 *, в котором не регламентированы три постедних показателя, необходимо найти пути для «исправления жидких стекол» в соответствии с предъявляемыми к ним производственными требованиями.

В связи с этим на Московском электродном заводе были проведены опыты по изучению влияния на эти показатели щелочей и различных солей.

При смешивании раствора жидкого натриевого стекла со щелочью было обнаружено, что по мере .увеличения щелочи вязкость жидкого стекла резко падает при одновременном уменьшении скорости его высыхания (фиг. 95).

И наоборот, при смешивании раствора натриевого жидкого стекла с поваренной солью вязкость жидкого стекла при увеличении количества вводимой соли заметно увеличивается при одновременном увеличении скорости образования пленки на поверхности раствора жидкого стекла (фиг. 96).

При последовательном воздействии на раствор жидкого стекла щелочью и солью можно добиться получения раствора жидкого стекла с определенной скоростью высыхания и вязкостью.

Более активно увеличивается вязкость жидкого стекла при смешивании раствора натриевого жидкого стекла с калиевой селитрой.

и закрывается герметически крышкой; затем производится медленный пуск острого пара под давлением 4—8 ат. У вращающегося автоклава пар пускается через полую цапфу, а у стационарного — через патрубок, соединенный с корпусом автоклава.

Прекращение впуска пара контролируется давлением и кипением воды в автоклаве.

Учитывая, что плотность раствора при охлаждении понижается, жидкое стекло из автоклава выпускают при удельном весе 1,45— 1,50. Тогда готовое жидкое стекло имеет удельный вес 1,48—1,52.

В процессе разварки силикат-глыбы периодически через пробный кран отбирается проба стекла и ареометром измеряется его концентрация.

После получения требуемой концентрации раствора производится последний пуск пара для улучшения перемешивания жидкого стекла.

Фиг. 100. Стационарный автоклав с паровой рубашкой для растворения силикат-глыбы:

Остаток неразварившейся глыбы во избежание застывания («закозлепия») после выпуска стекла тотчас же заливается горячей водой, и автоклав вновь догружается для следующей варки.

Растворение силикат-глыбы во вращающемся автоклаве идет быстрее, чем в стационарном вертикальном автоклаве. Процесс растворения силикат-глыбы продолжается обычно 3—5 час. и зависит от давления пара и чистоты силикат-глыбы, но силикат натрия — раствор получается мутным.

При растворении силикат-глыбы в автоклав с паровой рубашкой после загрузки глыбы заливается все количество необходимой по рецепту воды, затем в паровую рубашку пускается пар и через стенку нагревается вода в автоклаве до кипения.

Для растворения силикат-глыбы при атмосферном давлении (фиг. 101) в растворителе в него загружается порция силикат-глыбы или гранулята в металлической корзинке и заливается водой (по расчету применительно к размеру и типу растворителя). После этого растворитель закрывают деревянной крышкой и пускают через систему трубок острый пар под давлением 1,5—2 ат. Пар. проходя через воду и раствор стекла, частично конденсируется и доводит образовавшийся раствор до кипения.

После 2—3 час. кипения пар отключается и процесс растворения продолжается за счет аккумулированного в растворителе тепла.

Процесс разварки силикат-глыбы продолжается 18—20 час.

Если при пробном выпуске стекла плотность раствора окажется недостаточной, пар вновь пускается в растворитель и раствор доводится до кипения.

После выпуска жидкого стекла оставшуюся неразварившуюся в нем глыбу необходимо немедленно залить горячей водой, иначе она превратится в монолитную массу («козел»).

Раствор жидкого стекла может быть получен также в силнка-товарках путем разварки молотой растворимой натриевой силикат-глыбы без давления (фиг. 102).

В силикатоварку заливается положенное по рецепту количество чистой воды. Залитая вода нагревается до кипения при помощи

включенного обогрева.

Фиг. 101. Открытый растворитель для силикат-глыбы (эскиз):

Фиг. 102. Эскиз силикатоварки с мешалкой (без применения давления) для растворения молотой силикат-глыбы:

В кипящую воду небольшими порциями, при тщательном перемешивании, засыпается заранее отвешенная дробленая силикат-глыба. После засыпки всей глыбы бак силикатоварки закрывается крышкой. В процессе варки в силика-товарке необходимо поддерживать путем периодического доливания горячей воды постоянный уровень раствора.

Перемешивание раствора и нерастворенной силикат-глыбы осуществляется лопатками, вращающимися в горизонтальной плоскости через систему передач от электромотора.

Непрерывное перемешивание необходимо для более Полного растворения молотой силикат-глыбы и предотвращения «приваривания» разбухшей массы стекла к днищу бака силикатоварки. Для этого нижние лопатки мешалки помещают на одном уровне с днищем и придают им форму гребенок.

Скорость растворения силикат-глыбы зависит от тонины его помола: чем меньше фракция зерна, тем больше времени требуется на растворение силикат-глыбы (табл. 79).

Наряду с этим скорость растворения силикат-глыбы заметно увеличивается от повышения температуры воды выше 100°, от увеличения давления в сосуде, в котором она растворяется, от уменьшения кусков загружаемой глыбы и от усиления взаимодействия частиц силиката с водой путем размешивания.

При растворении силикат-глыбы во вращающихся автоклавах или силикатоварках раствор жидкого стекла получается мутным.

Поэтому такое жидкое стекло должно выстояться в течение нескольких суток.

Таблица 79 Зависимость скорости растворения силикат-глыбы от тонины помола

Если автоклав и растворитель используются непрерывно, они должны проходить очистку не реже 1 раза в декаду. При очистке этих аппаратов может быть обнаружена нерастворившаяся глыба; тогда рекомендуется произвести промывку их и вторичную раз-варку оставшейся силикат-глыбы.

Остатки неразварившейся глыбы извлекаются, и аппараты очищаются.

Растворимость силикат-глыбы снижается и при увеличении ее модуля при любом из способов ее растворения.

В промышленном изготовлении натриевой силикат-глыбы источником тепла до ее плавки в большинстве случаев является генераторный газ, вырабатываемый на твердом топливе.

Однако генераторный газ перед пуском его в плавильную печь часто имеет плохую очистку и в связи с этим загрязняет силикат-глыбу мелкодисперсными включениями.

Эти включения попадают в раствор жидкого стекла и загрязняют его. Загрязненное жидкое стекло при изготовлении толстопокрытых электродов способом опрессовки под высоким давлением влияет на появление трещин на электродных покрытиях во время провяливания и сушки электродов.

Засоренные дисперсными включениями водные растворы жидких стекол перед использованием их для изготовления обмазочных масс подвергаются операции «осветления».

В этих случаях жидкое стекло, доведенное при растворении силикат-глыбы до плотности 1,45—1,48, перекачивается или сливается в баки-отстойники, куда и добавляется чистая, не содержащая солей питьевая или дождевая вода. Плотность жидкого стекла снижается до 1,25—1,30.

В результате из-за возникновения гидролиза создаются благоприятные условия для выпадения из раствора основной массы взвешенных дисперсных примесей.

Отстой раствора жидкого стекла плотностью 1,25—1,30 продолжается 24—30 час.

Для сбора и удаления осадка, получившегося в результате «осветления» жидкого стекла, на дне бака-отстойника имеется грязевик с люком для очистки.

Осветленное жидкое стекло перекачивается в бак-выпариватель, в котором в результате испарения излишней воды жидкое стекло доводится до требуемой плотности.

Для того чтобы при сливании или перекачке осветленного жидкого стекла избежать попадания в бак-выпариватель отстоя, сливной патрубок бака-отстойника должен быть расположен на высоте 150—200 мм выше дна.

Практика производства жидкого стекла путем растворения силикат-глыбы в вертикальном автоклаве показала, что при условии слива жидкого стекла через патрубок, расположенный выше днища автоклава примерно на 200—250 мм, необходимость в «осветлении» стекла отпадает. Электродные обмазки, изготовленные на таком стекле, обладают достаточной пластичностью, и трещин в покрытии электродов не обнаруживается.

В силикат — раствор (жидкое стекло) для изготовления обмазочных масс, содержащих среднеуглеродистый или малоуглеродистый ферромарганец и ферорсилицнй в пределах 45—75%, рекомендуется вводить перманганат калия из расчета 3 г на 1 л жидкого стекла. Тогда порошки ферросплавов при смешивании с жидким стеклом, обогащенным перманганатом калия, дополнительно окисляются и обмазочная масса стновится более устойчивой против реакций между ферросплавами и жидким стеклом.

Присадка в раствор жидкою стекла щелочи NaOH (в пределах до 0,5%) уменьшает скорость высыхания обмазочной массы.

В целях улучшения пластических свойств обмазочных масс для покрытий типа УОНИ и для торможения реакции между жидким стеклом и ферросплавами могут быть рекомендованы добавки в сухую шихту кальцинированной соды Na2CО3. Кальцинированную соду следует добавлять в шихту электродного покрытия в воз-душно-сухом состоянии в количестве 0,4—0,5% по весу.

Водные растворы жидких стекол после их изготовления перекачиваются насосом в расходные баки электродного цеха или сливаются в железные бочки.

содержание .. 18 19 20 21 ..