ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ РУЧНОЙ СВАРКИ

Подготовка жидкого стекла к применению

Практикой установлено, что использование свежеприготовлен­ных растворов жидкого стекла обычно не обеспечивает стабильное получение обмазочных масс с требуемыми свойствами. В результа­те затрудняются процессы опрессовки и термообработки электро­дов. Особенно заметно это проявляется при изготовлении электро­дов с основным покрытием. Непосредственно после варки жидкого стекла, особенно во вращающихся автоклавах, в нем содержится значительное количество взвеси, состоящей из мелкодисперсных частиц Si02 и других оксидов.

Посторонние частицы делают жидкое стекло мутным, искажают истинные значения плотности, вязкости и модуля. Помимо этого, они отрицательно влияют на структуру стекла, для стабилизации которой требуется определенное время. В процессе хранения рас­творов жидкого стекла даже в герметически закрытых сосудах про­исходит процесс, называемый старением. Он связан с полимериза­цией (укрупнением) кремнекислородных соединений и повышени­ем вязкости. Поэтому для стабилизации свойств жидкого стекла рекомендуют их осветлять и применять только после выдержки в течение определенного времени.

В процессе отстаивания происходит самопроизвольное выделе­ние из раствора нерастворившихся частиц силикат-глыбы, продук­тов коррозии аппаратуры, нерастворимого остатка, случайных ме­ханических примесей и примесных соединений, образовавшихся в ходе растворения. Химический состав осадка для натриевой глыбы соответствует (в пересчете на прокаленное вещество) ориентиро­вочно 80 85% Si02, 4-6% Na20, 2-3% (Fe203+Al203), 2-3% CaO. Фазовый состав такого осадка (шлама) включает водные формы аморфного кремнезема, остатки силикатного стекла, гидросилика - ты кальция, гидрооксид железа, гидроалюмосиликаты натрия пере­менного состава, кристаллический кварц [43].

В промышленности применяют следующие основные способы получения осветленных жидких стекол.

1. После варки жидкого стекла в автоклаве до плотности 1,34-1,38 г/см3 и вязкости не более 100 сП (0,1 Пас) его фильтру­ют на вакуум-фильтрах или фильтрах специальной конструкции. Фильтрацией обеспечивают глубину очистки от примесей, недо­стижимую отстаиванием. Практически прозрачный раствор полу­чают за счет полного удаления из жидкого стекла примесей, и прежде всего аморфного кремнезема. Высокая исходная вязкость растворов жидкого стекла и наличие в нем примесей коллоидного размера затрудняют фильтрацию жидкого стекла при атмосферном давлении и делают ее непроизводительной.

Схема одной из конструкций фильтра показана на рис. 76. Такой фильтр состоит из стационарного сосуда 1 с поднимающейся и пово­рачивающейся крышкой 3. На крышке имеется патрубок 4 для про­дувки фильтра воздухом и манометр. Внутри аппарат снабжен на­борным пакетным фильтром 2 с горизонтально расположенными фильтрующими элементами. Обогрев фильтра осуществляется горя­чей водой через кожух 5. Давление фильтрации 0,4 МПа. На фильт­рацию жидкое стекло поступает через штуцер 6 и распределяется равномерно на поверхности фильтра, фильтрат выходит через патру-

Рис. 76. Фильтр для фильтрации жидкого стекла: 1 — стационарный сосуд; 2 — наборный пакетный фильтр;

3 — крышка;

4 — патрубок для продувки воздухом;

5 — кожух для обогрева горячей водой; 6 — штуцер для подачи жидкого стекла; 7 — патрубок для фильтрата;

8 — патрубок для вывода остаточного фильтрата

бок 7. Давление в фильтре создает насос. Остаточный фильтрат вы­водится через патрубок 8 с помощью сжатого воздуха или газа.

Фильтровальная установка 2ЛВАвж-20У с площадью фильтру­ющих элементов 20 м2 работает при температуре 75-85 °С и давле­нии 0,3-0,4 МПа, обеспечивая производительность 1 т/ч. Схема обычного рамного фильтр-пресса показана на рис. 77.

Чистое, отфильтрованное жидкое стекло выпаривают в специ­альных выпаривателях при температуре 85-95 °С. Более высокая температура может привести к выпадению на нагревающих поверх­ностях осадка Si02, что будет нарушать передачу теплоты жидкому стеклу, а также приведет к снижению его модуля. Жидкое стекло выпаривают до необходимой плотности и вязкости, после чего пе­рекачивают в емкости, предназначенные для хранения.

Обязательным условием выпаривания жидкого стекла является его перемешивание как с целью усреднения тепловых потоков в вязкой жидкости, так и для обеспечения испарения воды с поверх­ности раствора. Выпарка жидкого стекла затруднена из-за образо­вания на поверхности раствора пленки, которая разрушается толь­ко при перемешивании. Выпарные аппараты обогреваю т снаружи и оснащают механической мешалкой. В таких аппаратах невозможно обеспечить большую поверхность испарения, поэтому их произво­дительность невелика, а тепловые затраты на испарение значитель­ны. Применение аппаратов специальной конструкции с высокой поверхностью испарения затруднено специфическими свойствами жидкого стекла, его тонких пленок. Выпарка жидкого стекла не­производительна и энергоемка.

Применять стекло рекомендуют после его остывания до темпе­ратуры 18-25 °С и последующей выдержки (стабилизации) при этой температуре не менее трех суток.

2. Жидкое стекло плотностью 1,34-1,38 г/см3 перекачивают насо­сом или выдавливают из автоклава избыточным давлением в баки-от - стойники. В связи с низкой вязкостью и плотностью жидкого стекла мелкие частицы в течение трех-четырех суток успевают осесть. По­сле этого жидкое стекло выпаривают до необходимой концентрации.

3. Осветление жидкого стекла может быть осуществлено при длительной выдержке его концентрированных растворов. Влияние времени выдержки на характеристики жидкого стекла приведено в табл. 52. Видно, что полное осветление и стабилизация свойств жидкого стекла могут быть осуществлены при весьма длительной его выдержке — не менее одного месяца, поэтому такой способ вы­полним только для производств с очень малым объемом выпуска электродов или значительными возможностями по размещению ба­ков-отстойников. Практически, наиболее часто на многих электрод­ных предприятиях применяют неполное осветление, отстаивая жид­кое стекло, в лучшем случае, до двух недель. Такая выдержка не позволяет в полной мере стабилизировать свойства жидкого стекла. Следует также иметь в виду, что, как уже было отмечено, при испа­рении влаги из силикатного раствора на его открытой поверхности возможно образование пленки. С этим явлением часто встречаются при хранении жидкого стекла в открытых емкостях, ведь в вязких растворах диффузия молекул воды к поверхности затруднена.

После осветления и выпаривания или после осветления длитель­ной выдержкой зафиксировано снижение модуля, вязкости и плотно­сти жидкого стекла (см. табл. 52). Особенно заметно осветление вли­яет на вязкость раствора, что связано с удалением мелкодисперсных частиц различных примесей. Определение модуля жидкого стекла,

взятого со дна бака-отстойника вместе с осадком, показало увеличе­ние модуля почти на 0,5 по сравнению с модулем исходного стекла.

Образовавшийся при отстаивании жидкого стекла осадок (шлам) периодически выгружают из баков-отстойников через спе­циальные люки и утилизируют. Крапы для слива жидкого стекла из баков-отстойников должны быть расположены от дна на уровне, гарантирующем непопадание отстоя в годный раствор.

На стабильность жидкого стекла могут влиять многие химичес­кие вещества. К ним относят различные кислоты, в том числе сла­бые. Отрицательно действует углекислый газ, который, соединяясь со щелочью, дестабилизирует раствор стекла.

При необходимости понижения модуля жидкого стекла в него добавляют растворы щелочей NaOH или КОН. При этом раствор должен быть тщательно перемешан и выдержан в течение несколь­ких суток, что необходимо для его стабилизации. Возможно введе­ние едких щелочей непосредственно в автоклаве до начала раство­рения силикатной глыбы, т. е. совмещение снижения модуля с вар­кой жидкого стекла.

Обратную задачу — повышение модуля жидкого стекла по срав­нению с модулем силикат-глыбы, можно решить для растворов низкой плотности дополнительным растворением в жидком стекле активного кремнезема. Достаточно широкое применение получил способ так называемого «пассивирования» жидкого стекла добав­лением в него в процессе варки хромовокислого калия К2Сг207 или марганцевокислого калия КМп04. Эти соединения при взаи­модействии с ферросплавами окисляют наиболее активные из них, причем важно, что этот процесс происходит без выделения водоро­да или какого-либо другого газа. Обычно загрузка составляет 0,3-0,5% от массы загружаемой глыбы.

В процессе разварки силикатной глыбы независимо от приме­няемых оборудования и технологии сложно обеспечить стабиль­ность свойств готовых растворов. Поэтому даже при изготовлении ограниченной номенклатуры электродов по видам покрытия необ­ходима корректировка состава жидкого стекла. В практике наибо­лее распространена корректировка растворов стекла одного вида, одного и того же модуля с различными значениями плотности и вязкости, что достигают их смешиванием. При этом плотность изменяется пропорционально и может быть рассчитана.

Предположим, что имеется два жидких стекла одного модуля с ПЛОТНОСТЯМИ Pj и Р2 (Pj>P2). Требуется получить жидкое стекло с

*

какой-нибудь промежуточной ПЛОТНОСТЬЮ Р3. Ясно, ЧТО Рз>Р2- Пред­положим, что третье стекло с плотностью Р3 состоит из X частей пер­вого стекла с плотностью Pt и (1-Х) частей второго стекла с плот­ностью Р2. Иначе Р3=ХР1+(1-Х)Р2. Отсюда Х=(Р3-Р2)/(Р1-Р2).

Подставляя в полученную формулу значения плотностей, будем иметь количество первого стекла в долях единицы, которое необхо­димо для получения смеси с плотностью Р3. Доля второго жидкого стекла, входящего в смесь, составит (1-Х). Так, если плотность первого стекла Р1=1,50, второго Р2= 1,44 г/см2, то для получения жидкого стекла с плотностью 1,49 г/см2 следует взять пять частей по массе первого стекла и одну часть второго. Вязкость смесей раз­ных видов стекла не подчиняется закону пропорциональности, от­клоняясь от ожидаемой в сторону меньших значений [48].

Аналогично решается вопрос о смешивании двух стекол одного вида с различными модулями и М2 с целью получения жидкого стекла с промежуточным модулем М3. Приближенный расчет произ­ведем с условием, что Mj>M2 и М3>М2. Жидкое стекло с модулем М3 состоит из X частей стекла с модулем М1 и из (1-Х) частей с мо­дулем М2, т. е. М3=Х-М1+(1-Х)М2, отсюда Х=(М3-М2)/(М1-М2).

Подставив в формулу значения модулей, найдем долю жидкого стекла с модулем Mj. Разность (1-Х) является долей жидкого стекла с модулем М2. Например, модуль Mf=3,l, модуль М2=2,7, требуется получить жидкое стекло с модулем М3=2,85. Произведя вычисления, получим Х=(2,85-2,7)/(3,1-2,7) =3/8.

Следовательно, жидкого стекла с модулем 3,1 следует взять 3 части и с модулем 2,7 — 5 частей (всего 8 частей). Формула при­годна для приближенного расчета при условии, что сухие остатки жидкого стекла различаются не более чем на 10-15%.

Гораздо сложнее изменяются свойства растворов комбиниро­ванного жидкого стекла, получаемого при смешивании растворов стекла разных видов, модуля или вязкости. Здесь возможны не­предсказуемые эффекты, не подчиняющиеся законам пропорцио­нальности. В случае производственной необходимости получения такого стекла нужна предварительная тщательная лабораторная проверка свойств пробных растворов.

В качестве примера опишем схему приготовления без отстаивания жидкого стекла различных составов в электродном цехе ОАО «ММК - Метиз» [59], используемую с 2001 г. и представленную на рис. 78.

Для растворения натриевой, натриево-калиевой и калиево­натриевой силикатных глыб используют вращающийся горизон-

тальный автоклав 7 с теплоизоляцией, для калиево-иатриевой и калиевой силикатных глыб — стационарный автоклав 6.

Промытую водой цеховой температуры глыбу дробят до разме­ра не более 60 мм, загружают во вращающийся автоклав мерным контейнером в количестве 2.5 3 т. заливая горячей водой~^> темпе­ратурой до 80 °С из бака 12 в количестве 3-4 м3. Предварительно холодную воду смягчают на установке 11, направляют в бак 13, а затем нагревают в баке 12. Пар с давлением 0,4 0,6 МПа получают в парогенераторе 14; рабочее давление в автоклаве 0,4-0,6 МПа (0,9 МПа - максимум), температура разварки 138-175 °С. Развар - ку ведут 2,5-3,5 ч до достижения плотности 1,300+0,015 г/см3, пер­вый отбор пробы производят через 1-2 ч после начала разварки.

Из автоклава раствор сливают в промежуточную термоизолиро­ванную емкость 9, откуда через фильтр 8 с намытым перлитом его перекачивают в емкость 1. При фильтрации обеспечивается полное удаление механических примесей и нерастворимых частиц. Фильт­рацию производят после полного заполнения промежуточной ем­кости, а промывку фильтра — после фильтрации примерно 20 м3 жидкого стекла и полного освобождения промежуточной емкости.

Растворение глыбы в стационарном автоклаве при атмосферном давлении начинают с заполнения его холодной водой из бака 13. Паром нагревают воду до 65-70 °С, мерным бункером загружают силикатную глыбу и насосом обеспечивают постоянную циркуля­цию воды в автоклаве. Растворение глыбы происходит при темпе­ратуре 95 °С; слив раствора производят при плотности 1,300+ 0,015 г/см3 в промежуточную термоизолированную емкость 10. За­тем через фильтр 8 его направляют в емкость 2.

Бак для коррекции параметров жидкого стекла 3 позволяет про­изводить выпаривание влаги из раствора при температуре 65-70°С, поддерживаемой автоматически. В зависимости от параметров по­лученного и требуемого жидкого стекла процесс выпаривания длится 2,5-5 ч. При получении растворов повышенной против требуемой плотности добавляют воду при включенной мешалке, обеспечивая перемешивание не менее 30 мин. Готовые растворы перекачивают в баки для хранения 4 и 5 или в баки для специаль­ных электродов. С участка приготовления жидкое стекло мембран­ными насосами перекачивают в термостатируемые (20-23 °С) рас­ходные емкости технологических линий, где оно постоянно пере­мешивается с помощью насосов. Подачу в смесители обмазочной массы стекла контролируют по счетчику в литрах.