Гранулометрический состав компонентов сухой шихты — это важнейший и часто определяющий фактор технологичности элект­родов при изготовлении и применении. Рациональные требования к составу должны учитывать: способность рудоминеральных ком­понентов при их перемешивании с жидким стеклом обеспечивать получение обмазочных масс с необходимыми пластическими свой­ствами; химическую активность ряда металлов и ферросплавов в среде жидкого стекла; особенности тугоплавких металлов и ферро­сплавов, предназначенных для легирования наплавленного металла.

Грануляция рудоминеральных компонентов. Молекулы из­мельченных рудоминеральных компонентов, расположенные на плоских поверхностях кристаллов или на поверхностях с малой кривизной, взаимодействуют с жидким стеклом, главным образом, за счет сил поверхностного натяжения. Молекулы, находящиеся на
ребрах кристаллических частиц некоторых компонентов, могут иметь валентную ненасыщенность, знак и величина которой опре­деляется видом компонента. Часть поверхности, занимаемая таки­ми молекулами, невелика и зависит от степени измельчения. Чем тоньше помол компонентов, тем более заметную часть суммарной поверхности занимают молекулы с валентной ненасыщенностью. Можно полагать, что если частицы компонентов имеют участки, за­ряженные отрицательно, то прочность их связи с жидким стеклом (рН=11,0—11,8) будет ослаблена. (Напомним, что символом pH обозначают водородный показатель — величину, характеризую­щую характер среды: при рН=7 среда нейтральна, при меньших значениях — кислая, при больших — щелочная). По мере снижения значения отрицательного заряда до нуля и возникновения положи­тельного заряда прочность связей будет возрастать.

Знаки и относительные значения зарядов основных рудомине­ральных компонентов, определенные по значению pH их водных суспензий, приведены ниже.

Средние значения pH водных суспензий рудоминеральных компонентов

pH 10,3 9,6 8.4 8,2 7.5 7.5 7,3 7,0 6,8 6,8

Компонент Магнезит сырой..

Мрамор....................

Тальк.........................

Слюда-мусковит..

Полевой шпат___

Рутил........................

Кварц.......................

Двуокись титана.

Силикагель..............

Плавиковый шпат

Высокие значения pH суспензий магнезита и мрамора объясня­ют низкие пластические свойства обмазочной массы электродов с основным покрытием, характеризующимся большим содержанием карбонатов. Возможно, что это частично связано с небольшой рас­творимостью карбонатов в воде и последующей их диссоциацией (pH фильтрата магнезита 8,7, мрамора 7,6).

Повышенное значение pH слюды, казалось бы, противоречит ее применению в качестве пластифицируюшей добавки. Однако на­личие плоскостей скольжения и относительно малая протяжен-

*

ность острых валентно-ненасыщенных границ листовой слюды, по­вышая pH суспензии, мало снижает действие сил поверхностного натяжения. Известно, что переизмельчение слюды приводит к рез­кому снижению ее пластифицирующих свойств.

Значение pH суспензий рутила и кварца, незначительно превы­шающее 7,0, очевидно связано с наличием примесей.

Из всех суспензий рудоминеральных компонентов, применяе­мых в электродном производстве, значение рН<7 имеет измельчен­ный кусковой плавиковый шпат. Это говорит о его способности к образованию более прочной связи с жидким стеклом по сравнению с другими компонентами и особенно — с карбонатами. Чем прочнее связь, тем тоньше может быть измельчен компонент. Например, сухая шихта электродов типа УОНИ-13 должна содержать тонко- измельченные плавиковый шпат и кварц. Мрамор должен в основ­ном иметь сравнительно крупные фракции размером 0,15-0,30 мм. Тонкие фракции мрамора следует вводить в ограниченном количе­стве, достаточном для беспрепятственного послойного течения мас­сы с толщиной слоя, равной диаметру крупных частиц (см. гл. 9).

Специального рассмотрения заслуживает вопрос о применении флотированного плавикового шпата — плавиковошпатового кон­центрата для производства электродов. Наличие на его поверхно­стях частиц флотореагентов отрицательно влияет на смачивае­мость водой и жидким стеклом. Наблюдались случаи, когда в гото­вой обмазочной массе имелись мелкие слипшиеся комочки концен­трата, затруднявшие ее течение. По данным МОСЗ, количество флотореагентов, контролируемое содержанием углерода, изменяет­ся в различных партиях и даже в различных упаковочных местах одной поставки в самых широких пределах: от 0,06 до 0,26%.

Для разрушения органических флотореагентов плавиковошпа­товый концентрат следует прокалить при температуре 500 600°С. Это резко снижает содержание в нем углерода (в 3 6 раз) и оста­точной щелочности (в 2-3 раза) в пересчете на NaOH, что незначи­тельно снизит модуль жидкого стекла. Прокаленный концентрат хорошо смачивается не только жидким стеклом, но и водой. Его тонкая фракция (-0,05 мм) при достаточном количестве обладает высокими пластифицирующими свойствами. Прокалка улучшает и сварочно-технологические свойства электродов [36].

Грануляция металлических материалов. Требования к разме­рам металлических порошков, вводимых в покрытие, зависят, глав­ным образом, от их физических свойств и выполняемых при сварке

Рис. 52. Степень окислениости частиц различного размера в результате взаимодействия с окислителями: 1 — неокисленная область частицы; 2 — окисленный 2 слой

•о:<Э:с(7-= ^■'„'•Покрытие v0V:0;o.:q/“:=- У-оу^-УХ-О.-р0

функций. Для лучшего выполнения функций раскислителя тре­буется увеличение поверхности взаимодействия, т. е. как можно меньшие размеры частиц порошка. Однако переизмельчение ме­таллических материалов может привести к сквозному окислению частиц уже на стадии хранения готовых порошков или на техно­логических операциях цикла изготовления электродов (рис. 52). В табл. 45 приведены данные по относительной окисленности по­рошков ферромарганца в зависимости от крупности зерен [37].

Для уменьшения потерь на окисление материалов, выполняю­щих функцию легирующих компонентов, необходимо увеличение размеров их частиц. В то же время чрезмерное увеличение приво­дит к технологическим трудностям при изготовлении электродов, снижает их сварочно-технологические свойства и может ухудшить свойства металла шва. В связи с этим требования к одному и тому же материалу по грануляции могут быть принципиально различны в зависимости от выполняемых в покрытии функций.

Таблица 45. Относительная окисленность ферромарганца
Размер зерен, мкм	Ферромарганец
низкоуглеродистый	доменный
700-200	1	1
170-160	1	1,49
160-70	2,25	4,46
70-60	2,51	6,72
<60	8,52	6,72

Грануляция активных металлов и ферросплавов. К таким материалам в первую очередь относят наиболее распространенные ферромарганец, ферросиликомарганец и ферросилиций. Они должны иметь возможно меньшее содержание пылевидных фрак­ций, способных взаимодействовать с жидким стеклом с выделени­ем газов. Однако содержание крупных фракций должно быть также ограничено, так как последние, повышая переход элементов в шов, одновременно снижают степень его раскисленности.

Грануляция тугоплавких металлов и сплавов. Тугоплавкие металлы и ферросплавы (хром, молибден, вольфрам, феррована­дий и др.) имеют температуру плавления, превышающую темпера­туру плавления стержня и основного металла. При их введении в сухую шихту следует учитывать возможность перехода частиц, в первую очередь расположенных на периферии электродного по­крытия, в ванну, минуя высокотемпературную плазму дуги. В ре­зультате они не растворяются полностью в расплавленном металле и остаются в виде включений (рис. 53), снижая механические свой­ства сварных соединений [38]. Поэтому рекомендации по грануля­ции таких металлов и ферросплавов необходимо особо тщательно соблюдать.

Рис. 53. Микроструктура наплавки с нерасплавившейся частицей вольфрама; хЗОО

Для электродов малого диаметра требуются более мелкие мате­риалы. Требования к гранулометрическому составу подготовлен­ных порошков компонентов в общем виде приведены в табл. 46. При анализе требований к гранулометрическому составу следует иметь в виду, что при промышленных способах измельчения всегда получается полидисперсная система — комплекс частиц различно­го гранулометрического состава. Принципиально распределение

^ g -©-Q =• VI

О со Ф Э 3 Й и

о ф ►с 03 а

С более мелкой ячейкой

Прошло сквозь сито d

С более крупной ячейкой

Ничего не осталось • на сите d

Рис. 54. Распределение частиц по размерам, оцениваемое просевом через набор сит I-VI

IV III II

Сито

частиц по размерам имеет вид кривой (рис. 54), близкой к кривой нормального распределения, но деформированной в области круп­ных частиц [39]. Последние отсеивают на ситах и направляют на повторный размол. При использовании многодечных сит возможно избирательное выделение нужных фракций, однако такая операция часто бывает весьма трудоемка. Для электродов диаметром 1,6- 2,5 мм гранулометрический состав отличается отсутствием остатка на сите № 0315 по ГОСТ 6613-86. Контрольный просев компонен­тов для электродов диаметром 3-8 мм производят через сито № 04.

На каждом предприятии требования к грансоставу компонентов конкретизируют с учетом специфики производства.

Соответствие гранулометрического состава компонентов, под­готовленных к дозировке, нормам постоянно контролируют. Ни один из известных методов определения гранулометрического со­става (гранулометрический или дисперсионный анализ) не охваты­вает весь диапазон дисперсности. Наиболее точен и оперативен ме­тод лазерной дифракции. Для порошков, используемых в электрод­ном производстве, наиболее применяем ситовой анализ, позволяю­щий определять частицы размером более 40 мкм. Дополняя этот анализ определением удельной поверхности, можно получить до­статочную информацию об интересующем материале. Соотноше­ние, связывающее диаметр частиц с удельной поверхностью, для частиц сферической формы имеет вид:

А=6/4 5,

где S — удельная поверхность; d^ — плотность компактного материала.

Ситовой анализ проводят, например, на наиболее распростра­ненном и простом приборе модели 029 («Ротап»), Прибор позволя­ет просеивать навески компонента через систему вращающихся и встряхиваемых сит (рис. 55).

Прибор представляет собой аппарат, на котором просеивают на­вески компонента при вращении эксцентрикового вата 9 со скоро­стью 300 об/мин и при 180 .ударах рычага 5 в минуту. На станине 10 смонтирован электродвигатель 1, который через муфту сцепле­ния 2 передает движение эксцентриковому валу и встряхивающему механизму. Сита 4 устанавливают на столике 8, накрывают сверху крышкой 7 и закрепляют гайками 6. Помимо вращательного движе­ния столик производит возвратно-поступательное движение с по­мощью кулисы 3. Сита комплектуют сетками по ГОСТ 6613-86 контрольной точности изготовления.

Контролируемый материал отбирают после операции класси­фикации из бункера. Пробу массой около 300 г отбирают щупом или совком с глубины 100-200 мм в нескольких местах: в центре и четырех углах на расстоянии более 150 мм от стенок.

Отобранную пробу передают в лабораторию, где ее предвари­тельно обрабатывают. Пробу тщательно перемешивают методом перекатывания на листе бумаги и высыпают в форме конуса на ровную площадку. Далее этот конус раздавливают сверху плоской поверхностью так, чтобы получился равномерный по толщине (примерно 5 мм) слой материала, который делят на квадраты па­раллельными линиями на расстоянии 2 см друг от друга во взаим­ноперпендикулярных направлениях. Из квадратов, расположенных в шахматном порядке, для проведения анализа берут материал в количестве 100 г.

В зависимости от вида материала и наличия в его грануломет­рическом составе частиц размером менее 50 мкм ситовой анализ проводят сухим или мокрым способом. Сухому ситовому анализу подвергают компоненты, в гранулометрическом составе которых преобладает материал, имеющий остаток на сите № 005, и плот­ность которого сравнительно велика. Материалы же, которые со­держат в преобладающих количествах частицы, проходящие через сито № 005, во избежание забивания сит с мелкими ячейками под­вергают мокрому ситовому анализу.

Рекомендуемый способ ситового анализа для различных мате­риалов:

• мокрый способ — гематит, доломит, магнезит обожженный, мар­ганцеворудный концентрат, мрамор, никелевый порошок, пла­виковошпатовый концентрат, полевой шпат, слюда мусковит, молотый тальк;

• сухой способ — алюминиевый порошок, глинозем, кристалличе­ский графит, железный порошок, ильменитовый концентрат, кварцевый песок, лигатура железохромбор, металлический мар­ганец, рутиловый концентрат, ферробор, феррованадий, ферро­вольфрам, ферромарганец, ферромолибден, феррониобий, фер - росиликомарганец, ферросилиций, ферротитан, феррохром, металлический хром.

Методика определения зависит от применяемого способа ана­лиза. '

При сухом способе комплект сит собирают сверху вниз в после­довательности, указанной в табл. 47. Внизу устанавливают тазик, обозначаемый минус 005.

На верхнее сито № 2,5 помещают навеску испытуемого материа­ла. Набор сит устанавливают на поддон прибора, плотно накрыва­ют крышкой и укрепляют гайками. Включают мотор прибора на 10 мин. После остановки набор сит высвобождают и снимают с поддона. Поочередно сверху вниз снимают сита и опорожняют в отдельные емкости. Частицы, застрявшие в отверстиях сита, вы­свобождают с помощью мягкой кисточки и помещают туда же. Ма­териалы с каждого сита, а также остаток в тазике, прошедший через самое мелкое сито, взвешивают на одночашечных весах марки

Таблица 47. Последовательность установки и характеристика сит
Номера сит по ГОСТ6613-86	Номинальный размер стороны ячейки в свету, мкм	Число ячеек на 1 см? сетки
2,5	2500	11,2
1,6	1600	22,6
1	1000	51
063	630	116
04	400	320
0315	315	445
02	200	980
016	160	1482
01	100	3906
0063	63	9428
005	50	13526

ВЛМК 220 или аналогичных с точностью до 0,05 г. Результаты (%) заносят в журнал. Результаты достоверны, если общие потери компонента при анализе не превышают 2% (2 г).

При мокром способе навеску переносят на сито № 005 и промы­вают рассеянной струей холодной воды. При этом материал с круп­ностью менее 50 мкм вместе с водой проходит через сито. Промыв­ку продолжают до тех пор, пока выходящая из-под сита вода не ста­нет прозрачной. После этого материал, оставшийся в сите, сушат вместе с ситом при температуре 100 °С. Затем взвешивают сито с материалом и без материала. Разность определений даст массу ма­териала крупнее 50 мкм. Вычтя из исходной навески полученную цифру, находят массу более мелкого материала в исходном компо­ненте, совпадающую по абсолютному значению с его процентным содержанием. Просушенный материал крупнее 50 мкм анализиру­ют по сухому методу.

Для проведения ситового анализа могут быть использованы также многофункциональный вибрационный универсальный стенд СВУ-2, анализатор А-20 и др. Более современные автоматические приборы (сканирующий фотоседиментограф или лазерный ди­фракционный анализатор размера частиц) позволяют оперативно получать готовые данные в табличном и графическом виде.