Физико-химические свойства растворов жидкого стекла

При изготовлении сварочных элек тродов жидкое стекло выпол­няет ряд функций, оказывающих определяющее влияние на основ­ные технологические операции — опрессовку и термообработку электродов. Являясь связующим, придающим обмазочным массам требуемые рабочие свойства, растворы жидкого стекла делают по­крытие готового электрода механически прочным, а при опреде­ленных режимах термообработки и влагостойким. Сухой остаток жидкого стекла, содержащийся в покрытии готового электрода, су­щественно влияет на стабильность процесса сварки, на свойства и состав наплавленного металла, а также на физико-химические свойства образующихся шлаков. Он способствует насыщению ме­талла шва кремнием за счет протекающего кремневосстановитель­ного процесса, а также насыщению металла водородом за счет вла­ги, удерживаемой им в покрытии.

Влага довольно прочно удерживается сухим остатком жидкого стекла (массовой долей вещества после выпаривания и соответст-

вующей прокалки). На рис. 58 показан график зависимости оста­точной влаги от исходного ее содержания в натриевом жидком стекле с модулем 2,9 и плотностью 1,485 г/см3 при различных тем­пературах сушки (до постоянной массы). При этом условно приня­то, что при температуре 600 °С остаточная влажность равна нулю. Например, сушкой при 300 °С можно снизить содержание влаги только до 4-5% от исходной при любой продолжительности време­ни сушки. Эта влага является основной причиной наводоражива - ния сварных швов.

Растворы жидкого стекла характеризует ряд основных подлежа­щих контролю параметров: вид, модуль, вязкость, плотность. Зна­чительно реже контролируют клейкость жидкого стекла, а также его щелочность, определяемую значением pH и связанную с кон­центрацией водородных ионов. Экспериментально установлено, что при изменении модуля натриевого жидкого стекла от 2,7 до 3,2 при плотностях, используемых в электродном производстве, pH изменяется от 11,8 до 11,0. Объем знаний о физико-химических характеристиках разных видов жидкого стекла, применяемых в электродном производстве, в последние годы значительно расши­рен за счет системных исследований, выполненных, главным обра­зом, в ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины [44-50 и др.|.

Вид жидкого стекла определяет состав используемой силикат­ной глыбы (см. табл. 48). Жидкое стекло может быть также приго­товлено смешиванием в желаемых пропорциях стекол двух видов, например, натриевого с калиевым и т. д.

Модуль жидкого стекла, определяемый аналогично модулю сили­катной глыбы, также является ведущей характеристикой материала. По абсолютной величине при правильно проведенной разварке он бли­зок к модулю исходной силикат-глыбы. Некоторое снижение модуля связано с образованием в ходе растворения кремнеземистых осадков.

Плотность жидкого стекла измеряют в г/см3 ареометром типа АОН-1 с ценой деления не более 0,01. Измерять плотность жидко­го стекла ареометром с большей ценой деления, например 0,1, недо­пустимо, так как изменение его плотности уже в 0,02-0,03 г/см3 может весьма существенно сказаться на свойствах стекла. После измерения плотности ареометр должен быть немедленно помещен в чистую теплую воду, так как жидкое стекло, засохшее на поверх­ности ареометра, трудно удаляется с нее. Кроме того, при длитель­ном контакте стеклянного ареометра с щелочной средой жидкого стекла возможно разрушение поверхности ареометра. Все это при­водит к снижению точности показаний.

Определять плотность жидкого стекла желательно при одной и той же температуре, равной 20 °С; это связано с весьма существен­ной зависимостью плотности жидкого стекла от температуры. При невозможности доведения температуры натриевого жидкого стекла до 20 °С замеряют его фактическую температуру и плотность при этой температуре. Затем плотность жидкого стекла приводит по следующей приближенной формуле к его плотности при 20 °С: Р20 = Рт + 0,00056(Т-20), где Р20 — плотность жидкого стекла при 20 °С, г/см3; рт — замеренная плотность жидкого стекла при Т °С, г/см3; Т — температура жидкого стекла, °С.

Графики зависимости плотности натриевого и калиево-натрие­вого жидкого стекла от температуры [51], приведенные на рис. 59, могут быть использованы для приближенного определения плот­ности жидкого стекла при интересующей температуре по результа­там ее замера при другой температуре.

В литературе иногда встречается определение плотности в граду­сах Боме. Зависимость между плотностью р (г/см3) жидкого стекла и градусами Боме (°Ве) выражается формулой р = 145/(145 - °Ве).

При течении жидкости между ее слоями возникает внутреннее трение. Его мерой является коэффициент вязкости или коэффици­ент внут реннего трения TJ, который выражается в паскаль-секундах (Па с) или сантипуазах (сП); 1 Пас = 1000 сП = 1000 мПа-с.

Для истинных растворов значение коэффициента вязкости Т) — постоянная величина в широком диапазоне скоростей течения.

Жидкое стекло является коллоидным раствором, в связи с чем зна­чение коэффициента вязкости зависит от скорости перемещения его слоев и имеет относительный характер. Поэтому для получения сопоставимых результатов вязкость жидкого стекла следует заме­рять каким-либо одним методом.

При движении тела в вязкой жидкости сопротивление переме­щению зависит от ее вязкости. Когда сила, создающая движение, постоянна, скорость перемещения определяет вязкость среды. Из­меряя ее, можно судить о вязкости жидкости. Исходя из этого, удобным является определение вязкости методом падающего ша­рика, например, на простейшем вискозиметре конструкции МОСЗ (рис. 60). Вискозиметр представляет собой стеклянную трубку длиной 700-750 мм с внутренним диаметром 30-40 мм. Трубку с заглушенным нижним концом устанавливают в строго вертикаль­ном положении в штатив. В задней стенке штатива имеется узкая прорезь шириной 3-4 мм для подсвечивания жидкого стекла с це­лью наблюдения за движением в нем металлического шарика. На стеклянной трубке нанесены два тонких несмываемых штриха на расстоянии 500 мм друг от друга. Верхний штрих наносят на рас­стоянии 100-120 мм от верхнего обреза трубки.

Рис. GO. Вискозиметр МОСЗ: 1 — основание;

2 — подсвечивающая стойка;

3 — вертикальная прорезь в стойке;

4 — электролампочки;

5 — мерные риски (штрихи);

6 — стеклянная трубка

Вязкость жидкого стекла определяют при температуре 20±1°С. После доведения температуры жидкого стекла до указанной стекло заливают в трубку на 5-8 мм ниже ее верхнего среза. После всплы­вания пузырьков воздуха из жидкого стекла в него по оси трубки опускают металлический шарик и секундомером замеряют время его падения (движения) в жидком стекле между двумя штрихами. Таких замеров делают не менее трех.

Вязкость Г| в сантипуазах в первом приближении, согласно закону Стокса, определяют по формуле r]=200(p-p())gr2/9i>, где р — плотность шарика, г/см3; р0— плотность жидкого стекла, г/см3; г — радиус шарика, см; g — ускорение свободного падения, см/с2; v — скорость движения шарика, см/с.

При применении стальных шариков с плотностью 7,875 г/см3 определенного диаметра, например 3,15 мм, формула после упро­щения примет вид Г)=10,8- (7,875 - р0)£, где Г] — вязкость жидкого стекла, сП; t — время движения шарика между двумя штрихами на стеклянной трубке, с.

Значение коэффициента К, равное 10,8, пригодно только для шарика диаметром 3,15 мм. Применение шариков другого диаметра потребует пересчета коэффициента. Однако следует иметь в виду, что при диаметре более 3,4 мм полученные значения Т) будут не­сколько отличаться от его значения, определенного с использова­нием шарика диаметром 3,15 мм. Это связано с особенностями кол­лоидных растворов. Значение коэффициента К в формуле вязкости жидкого стекла может быть также определено по графику (рис. 61).

к

1

г

16

Рис. 61. Значения

коэффициента К

12

в формуле вязкости

мтдкого стекла

8

в зависимости

от диаметра шарика dlu

4

0

0,20 0,25 0,30 0,35 сіш, см

Более совершенным является прецизионный вискозиметр с падающим шариком типа Хепплера, например модели ВН2.

На практике также успешно используют вискозиметрические воронки с определенным диаметром отверстия. Такая воронка под­лежит предварительной калибровке по прецизионному вискозиме­тру с построением индивидуального калибровочного графика. Вяз­кость определяют временем истечения жидкого стекла из воронки до момента разрыва сплошности струи с последующим нахождени­ем значения вязкости по калибровочному графику, построенному в координатах вязкость (сП) — время истечения (с).

Вязкость жидких стекол существенным образом зависит от тем­пературы растворов. Эта зависимость в интервале практически воз­можных температур от 15 до 40 °С для натриевых и калиево-натри­евых жидких стекол приведена на рис. 62. Эти графики могут быть использованы для приближенной оценки вязкости жидкого стекла, например при температуре 20 °С, по ее значению, определенному при какой-то другой температуре. Графики показывают, что вяз­кость особенно резко возрастает при относительно низких темпера­турах. Представленные зависимости во многом определяют в по­следующем поведение обмазочных масс в процессе опрессовки.

Из различных макросвойств растворов жидкого стекла вязкость в наибольшей степени отражает различие структур кремнезема в растворах заданного состава. Но для их полной оценки этого недо­статочно. Поэтому важное значение для электродчиков имеет связь, существующая между тремя характеристиками жидкого стекла: плотностью, вязкостью и модулем. Эта связь для натриевого жидко­го стекла представлена на рис. 63. На горизонтальной оси графика отложены значения плотности жидкого стекла р, на вертикаль-

Рис. 62.

Зависимости

вязкости

жидкого

натриевого

(а) и калиево- натриевого

(б) стекла от изменения температуры

ной — значения вязкости Т). Кривые являются линиями модулей, значения которых указаны на графике. Зная какие-либо две харак­теристики, по графику можно определить третью. Например, мо­дуль жидкого стекла равен 2,8, а его плотность составляет 1,45, тре­буется определить вязкость жидкого стекла. Для этого следует дви­гаться сверху вниз по кривой, соответствующей модулю 2,8, до точ­ки пересечения с вертикальной прямой плотности 1,45. От найден­ной точки нужно провести горизонтальную прямую линию до пере­сечения с осью вязкости. Приближенно получим значение вязкости 270-280 сП. По известным значениям вязкости и плотности оценим модуль жидкого стекла: например, модуль жидкого стекла, имею­щего при плотности 1,475 г/см3 вязкость 1000 сП, составляет 2,9.

Аналогичная взаимосвязь характеристик калиевого, калиево­натриевого и натриево-калиевых жидких стекол приведена соот­ветственно ни рис. 64-66 [46].

Клейкость растворов жидкою стекла характеризует возможность обеспечения сырой прочности готовой обмазочной массы, т. е. спо­собности электродного покрытия проходить технологические опе­рации без разрушения. За приближенную меру клейкости жидкого

1,34 1,36 1,381,40 1,421,44 1,461,48 1.501,521,54 1,56 р, г/см3

Рис. 64. Взаимосвязь характеристик калиевого жидкого стекла

Л, мПа-с

Рис. 66. Взаимосвязь характеристик натриево-калиевого жидкого стекла

стекла можно принять массу шнура из обмазочной массы эталонного состава, выдавливаемую с постоянной скоростью через калиброван­ное отверстие диаметром 6 мм в дне цилиндра до отрыва шнура под действием силы тяжести. Как уже отмечалось, жидкое стекло с моду­лем меньше двух клеющими свойствами не обладает. Высокие зна­чения клейкости натриевого жидкого стекла, например, обеспечи­ваются при модуле 2,9-3,1 и вязкости соответственно 1000-700 сП.

При замораживании растворов жидкого стекла нарушается од­нородность концентрации по высоте слоя за счет образования и всплывания льда. При оттаивании жидкого стекла наблюдается снижение его вязкости и клейкости, несмотря на тщательное пере­мешивание. Полное замерзание жидкого стекла происходит при температуре, на несколько градусов ниже 0 °С. Температуру замер­зания определяют вид, модуль и плотность стекла. По этим причи­нам растворы жидкого стекла следует хранить в помещениях и транспортировать при положительных температурах.

Жидкое стекло с модулем ниже примерно 3,5 обладает хорошей адгезией к большинству материалов, причем хорошее смачивание материала обеспечивает и высокую адгезию в затвердевшем состоя­нии. Саму смачиваемость можно оценить количеством жидкости, поглощаемой определенной навеской порошка материала в расчете на единицу его массы или удельной поверхности. При этом смачи­ваемость водой и жидким стеклом находится в прямой пропор­ции — приращение количества потребного жидкого стекла в сравне­нии с водой для большинства компонентов составляет 3,5-4,5. Хо­рошо смачивается жидким стеклом кварц, слюда, ферромарганец, прокаленный (оптимально при 400 °С) флюоритовый концентрат, хуже — феррогитан, плохо смачиваются мрамор, ферросилиций. (Улучшение смачиваемости прокаленного флотационного флюори­тового концентрата объясняется выгоранием с поверхности частиц остатков флотореагентов, в первую очередь жирных кислот).

Смачиваемость комбинированным стеклом лучше для всех по­рошков, кроме слюды [52]. Сажа, жиры, воски не смачиваются, что объясняет требования к чистоте поверхности электродных стерж­ней. Прочность структуры покрытия, образовавшейся после высы­хания при обычной температуре, зависит от многих факторов. Ха­рактер разрушения электродного покрытия определяется физико­механическими свойствами как жидкого стекла, так и компонентов покрытия и материала стержня. В табл. 49 приведены данные о прочности склеивания силикатом натрия различных металлов.

Таблица 49. Прочность склеивания силикатом натрия различных металлов, МПа [43]

Мо­

дуль,

М

Вид

испытания

Время

сушки,

сут

Никель

Мяг­

кая

сталь

Чугун

Медь

Бронза

Алю­

миний

2,45

Растяжение

17

1,4

1.4

1,4

2

1,4

1,4

Сдвиг

17

1,4

1,4

1,4

1,4

1,4

1,4

2,9

Растяжение

17

3,5

3,5

3,5

4,1

3,5

2,7

Сдвиг

17

2,7

3,5

2,7

3,5

2,7

2,7

3

Растяжение

26

6.9

8,3

7,6

6,9

9,7

6,2

Сдвиг

26

4,1

5,5

4,1

7,6

6,2

3,5

3,3

Растяжение

26

9

9

7,6

9,7

10,4

4,8

Сдвиг

26

5,5

6,2

5,5

6,9

8,3

4,8

Химическая активность жидкого стекла зависит от присутствия в нем свободной или почти свободной щелочи, а также воды. Низ­комодульное жидкое стекло, имеющее на одну молекулу R20 мень­шее число молекул Si02, т. е. большую щелочность, обладает боль­шей химической активностью.

Оставить комментарий