Любая технология приготовления жидкого стекла должна обес­печивать систематическое воспроизведение состава и требуемых физико-химических и технологических характеристик получаемых растворов. Основным способом промышленного производства жидкого стекла является автоклавное растворение в воде силикат­ной глыбы. На малых предприятиях часто используют безавток - лавный (открытый) способ растворения. В последнее время в не­больших производствах начинают применять способы получения растворов при механическом обновлении реагирующих поверхнос­тен. Принципиально возможно прямое растворение кремнезсмсо - держащих компонентов в едких щелочах с получением сразу требу-

•

0 50 100150200 Г, С Рис. 67. Зависимость температуры в автоклаве от давления

Рис. 68. Влияние модуля на скорость растворения натриевого стекла

Р, МПа 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

—і__ і і і і і <0.15 0,15- 0,3-0,6- 0,8- 3,0- 0,30 06 0,8 1,2 5,0 Размер зерен, мм

Рис. 69. Влияние крупности силикат-глыбы состава Na20-2,8Si02 на время растворения

2 3 4 5 6 7 8 Соотношение силикат:вода

Рис. 70. Зависимость скорости растворения силикат-глыбы от первоначального соотношения масс силикат—вода

емых растворов. При кажущейся простоте такой способ характери­зуют нестабильность технологического процесса, более низкое ка­чество готового продукта, и в практике электродного производства его применяют единично [53].

Глыбу под давлением растворяют в стационарных или во вра­щающихся автоклавах. Растворение под давлением обеспечивает значительное повышение температуры и скорости процесса (рис. 67). Во всех случаях время и полнота растворения зависят от модуля (рис. 68), состава, количества примесей, крупности кусков глыбы (рис. 69), давления, температуры и количества воды, взятой для растворения (рис. 70). Время растворения растет с увеличени­ем модуля, содержания в глыбе примесей типа RO и R2O3, размера кусков глыбы. При одинаковых модуле, крупности, содержании примесей и условиях растворения натриевая глыба растворяется медленнее, чем калиевая или комбинированная (калиево-натрие - вая или натриево-калиевая). Для загрузки глыбы целесообразно использование контейнера, схема которого показана на рис. 71.

Для ускорения процесса растворения глыбы желательно приме­нять деминерализованную (умягченную) питьевую воду или воду, предварительно обработанную пермутитом (искусственным алю­мосиликатом). Это снижает жесткость воды и приводит к выпаде­нию в осадок в виде накипи содержащихся в воде растворенных со­лей кальция, магния и железа. Можно использовать воду, получае-

3

Рис. 71. Схема контейнера для загрузки силикатной глыбы в автоклав:

1 — выдвижной конус;

2 — корпус контейнера;

3 — силикат-глыба;

4 — шток

мую после промывки емкостей для хранения растворов или после разварки остатков глыбы в автоклаве. Количество заливаемой воды замеряют приборами.

Силикатную глыбу в стационарных автоклавах (рис. 72) можно растворять, используя различные технологии:

Рис. 72. Вертикальный стацио­нарный автоклав: 1 — люк; 2 — выход паровоздушной смеси; 3 — заливка воды; 4 — решетка; 5 — вход пара на барботер; 6 — выход готового продукта; 7 — манометр; 8 — предохрани - тельный клапан

• с пуском пара в рабочий объем в течение всего про­цесса при наличии в авто­клаве воды;

• с частичным пуском пара в начале процесса для прове­дения предварительной ги­дратации и с последующим наполнением автоклава во­дой;

• с автономной подачей пара через глухой змеевик или наружным обогревом (в этом случае не исключается возможность пуска пара в рабочий объем для проведе­ния гидратации в начале процесса).

Стационарные автоклавы следует загружать предвари­тельно промытой и дробленой глыбой в кусках размером 20-50 мм. Загрузка порошко­вой глыбы с большим содер­жанием мелочи может явиться причиной слипания ее в моно­лит и резкого падения произ­водительности процесса по времени варки и выходу гото­вого продукта. Если процесс начинаю т форсированием гид­ратации, то пар пускают сразу же после загрузки глыбы (вре­мя подачи пара колсблется от 15 до 30 мин).

Количество воды, заливаемой в автоклав, определяет система по­дачи пара; при подаче пара через глухой змеевик или при наружном обогреве воду заливают обычно так, чтобы ее уровень лишь немного превышал уровень глыбы; при подаче пара в рабочий объем воды за­ливают меньше, учитывая прирост объема воды за счет конденсации поступающего пара. При подаче пара в рабочий объем автоклава паропровод обязательно оборудуют обратным клапаном, автомати­чески отключающим подачу пара при снижении его давления в сети.

Поскольку' стабильность процесса во многом зависит от качест­ва пара, целесообразно питание автоклавов от отдельных парогене­раторов, например модели ПЭ-30. В таких парогенераторах тепло­та выделяется при прохождении электрического тока через котло­вую воду (электролит).

При работе на автоклавах с автономным пуском пара или с наружным обогревом проще регулировать плотность получаемых растворов жидкого стекла, но разварка протекает медленнее и со­провождается большими расходами энергии и глыбы, чем при работе с пуском пара в рабочий объем.

При автономном обогреве может наблюдаться отложение на поверхностях нагрева дегидратированного слоя, что приводит к резкому падению производительности процесса разварки глыбы. После слива готового продукта отложившийся слой легко раство­ряется при пуске воды и подогреве автоклава во время разварки очередной порции глыбы.

При нормальной работе нерастворимый остаток глыбы не пре­вышает 10% от массы загрузки, снижаясь в отдельных случаях до 4-5%. При неблагоприятных условиях, особенно при разварке вы­сокомодульной глыбы или глыбы с большим содержанием приме­сей, остаток может достигать 20% и более. В качестве средства, об­легчающего удаление нерастворившихся остатков, может быть применена их разварка в 30% растворе едкой щелочи. Для облегче­ния удаления из автоклава остатков нерастворившейся глыбы, а также для частичной фильтрации раствора жидкого стекла авто­клав в нижней части оборудуют решеткой, на которую загружают слой шлака толщиной 200-250 мм. Подачу пара и слив стекла осу­ществляют по трубам, имеющим выход в рабочий объем автоклава ниже решетки. Остатки шлаковой подушки удаляют через люки, расположенные на уровне решетки; через эти же люки укладывают слой шлака. При наличии давления в автоклаве выдача готового раствора не представляет трудностей.

Изменение ведущих характеристик раствора жидкого стекла в процессе разварки натриевой силикатной глыбы в стационарном автоклаве с автономным пуском пара приведено в табл. 50. При других модулях зависимость носит аналогичный характер.

Растворение силикатной глыбы во вращающихся автоклавах (рис. 73) ведут с пуском пара в рабочий объем. Пар пускают до тех пор, пока в автоклаве не установится давление, равное давлению в сети, после чего пуск пара прекращают. Рекомендуют загрузку ав­токлава предварительно промытой глыбой в кусках размером не более 50-60 мм (допускается присутствие в загрузке до 10-15% ку­сков не более 5 мм). Глыбу можно промывать в том же автоклаве. Обычно в автоклав загружают глыбу, заполняя примерно 50% его объема. Количество воды, заливаемой в автоклав, зависит от жела­емой плотности получаемого раствора, давления пара и времени разварки. При этом, как уже отмечалось выше, следует учитывать увеличение объема воды за счет конденсации пара, подаваемого в

Таблица 50. Характеристики раствора жидкого стекла (разварка в стационарном автоклаве)
Время от начала разварки, ч	Давление в авто­клаве, МПа	Плотность при 20°С, г/см3	Вязкость при 20°С, МПа-с	Модуль раствора
Модуль глыбы 2,82
2,5	0,4	1,455	236	2,71
3,5	0,45	1,505	2000	2,76
4,5	0,4	1,52	2950	2,76
Модуль глыбы 2,84
2	0,4	1,43	130	2,7
2,5	0,4	1,455	236	2,72
3	0,4	1,472	366	2,73
3,5	0,38	1,481	590	2,76
4	0,35	1,5	1298	2,76
5	0,3	1,51	1770	2,78
Модуль глыбы 2,89
2,5	0,35	1,414	68	2,8
3,5	0,35	1,465	762	2,84
4,5	0,35	1,487	1292	2,86

Рис. 73. Вращающийся автоклав: 1 — подшипники; 2 — полая цапфа; 3 — загрузочный люк с крышкой; 4 — корпус автоклава; 5 — мано­метр; 6 — привод; 7 — кран для слива жидкого стекла

автоклав. В зависимости от качества пара это увеличение может быть значительно, достигая 50% от залитой воды [54].

Растворение глыбы во вращающихся автоклавах происходит бы­стрее и полнее, что объясняется частичным измельчением и истира­нием глыбы в процессе ее разварки, при котором происходит непре­рывное обновление и рост контактной поверхности растворения.

При нормально организованной работе количество нераствори­мых остатков не должно превышать 3% от массы загрузки, практи­чески отсутствует опасность слипания. Чистка вращающихся авто­клавов от остатков не представляет трудности, ее осуществляют их разваркой. Растворы, приготовляемые во вращающихся автокла­вах, более мутные, чем растворы, получаемые в стационарных авто­клавах. При эксплуатации вращающихся автоклавов следует иметь в виду, что корпус автоклава истирается при перемещении в нем глыбы. Износ может стать значительным и явиться причиной серь­езной аварии, поэтому необходимо периодическое обследование состояния автоклава вне зависимости от его подконтрольности Ростехнадзору.

Примерные основные технологические параметры процесса раз­варки силикатной глыбы приведены в табл. 51.

Как уже отмечалось, возможно растворение силикатной глыбы в воде безавтоклавными способами: открытым в стационарных

Таблица 51. Основные технологические параметры процесса разварки силикатной глыбы
Тип и характеристика автоклава	Давление пара, МПа	Загрузка	Характеристика силикатной глыбы	Характеристика раствора
£ 2 5	Сг 2' ГО о со	вид	мо­ дуль	плот­ность, г/см3	вяз­ кость, мПа-с	время развар­ки, ч
Стационарный автоклав, верти­кальный, вмести­мость 2,3 м3. Нагрев паром, проходящим по змеевикам. Воз­можен пуск пара в рабочий объем	До 0,5	1,5*	1,3	Силикат натрия	2,75 2,9	1,46- 1,50	600 2500	4-6
Силикат калиево­ натриевый	2,85- 3,1	1,45- 1,49	600- 2000	3-4,5
Силикат натриево­ калиевый	2,75- 3,1	1,46- 1,50	500- 2500	3-5
Вращающийся автоклав, вместимость 1,5 м3. Пуск пара в рабочий объем автоклава	До 0,55	1,2	0,7	Силикат натрия	2,75- 2,9	1,46- 1,50	600- 2500	4-6
Силикат калиево­ натриевый	2,85- 3,1	1,45 1,49	600 2000	3-4,5
Силикат натриево­ калиевый	2,75- 3.1	1,46- 1,50	500- 2500	3-5
* Загрузка в пустой автоклав после его очистки. При последующих варках глыбу загружают в количестве 1,1 т

стекловарках или в специальном оборудовании, обеспечивающем непрерывное обновление поверхности реакции. Главными преиму­ществами безавгоклавных способов получения жидкого стекла яв­ляется отсутствие потребности в паре, повышение уровня безопас­ности процесса, уменьшение энергетических затрат.

На многих малых электродных заводах разварку калиево-натри­евой глыбы производят в специальных баках-стекловарках с внеш­ним подогревом. Бак заполняют глыбой и водой примерно в равном соотношении по массе и содержимое доводят до кипения (кипение растворов стекла происходит при температуре выше 100 °С). Пере­мешивание обеспечивает обычно якорная мешалка. При достиже­нии заданной плотности в горячем состоянии подогрев выключают. Раствор через сливной кран сливают в емкости для отстаивания. Одна из таких установок ЖС- 0,6.3 имеет следующую техническую
характеристику: вместимость аппарата и рубашки соответственно 0,63 и 0,15 м3; мощность привода и нагревателя соответственно 4,1 и 10 кВт; скорость вращения мешалки 18 об/мин; производитель­ность 500 кг в смену; габаритные размеры, м, 3.2x2,2x4,3; масса 1 т.

Недостатки стандартного безавтоклавного способа — низкая скорость растворения силиката, трудность растворения других ви­дов силикатной глыбы. Эти недостатки могут быть ликвидирова­ны, согласно рекомендациям, приведенным, например, в патенте РФ №2491011 от 10.12.2002 г. Интенсификацию растворимости силиката осуществляют за счет предварительной механической ак­тивации. Установлено, что наибольшую скорость и полноту рас­творения можно достичь при истирающем воздействии (вибраци­онные мельницы). Растворение интенсифицируется как за счет по­вышения дисперсности силикат-глыбы, так и за счет искажений ее структуры при измельчении. Искажение структуры силиката по­вышает его внутреннюю энергию, что и ускоряет последующий процесс растворения. Однако в промежуток времени между из­мельчением и растворением происходит релаксация структуры, по­этому время между окоіпіанием измельчения и началом растворе­ния силиката необходимо минимизировать.

Само растворение произ­водят в аппарате АВ-300 для растворения силиката, прошедшего предваритель­ную механическую актива­цию. Аппарат (рис. 74) име­ет эксцентриковый вибро­провод 2, установленный на емкости 1 через пружинные опоры 3. Вибропровод осна­щен перемешивающим ра­бочим органом, выполнен­ным в виде перфорирован­ных дисков на штангах, опу­щенных в емкость. Его при­водит в действие электро­двигатель через ременную передачу. Емкость имеет си­стему обогрева, включаю­щую рубашку, котел для
нагрева воды и расширительный бачок. Котел подключают к сети переменного тока через пульт управления.

В отличие от аналогов и аппарате АВ-300 емкость выполнена из нержавеющей стали толщиной 4 мм; слив раствора осуществля­ют с помощью насоса. Для интенсификации процесса вибропереме­шивания перфорация дисков выполнена п виде конуса: у нижнего диска направление «конус вниз», у верхнего — «конус вверх». При конусной перфорации струя, вытекающая из усеченной части ко­нуса, обладает значительной скоростью и длиной, что обуславлива­ет наиболее интенсивный характер перемешивания. Для автомати­ческого поддержания заданной температуры теплоносителя в сис­тему обогрева включен программируемый измеритель-регулятор. Аппарат АВ-300 за один цикл позволяет получать до 300 кг жид­кого стекла различного состава и модуля.

При безавтоклавной технологии с использованием аппарата АВ-300 силикат вначале размалывают в роторной дробилке ДР 444 до размера 5 мм. После этого силикат активируют в вибро­мельнице МВ-02 в течение 1-2 ч в зависимости от вида и модуля силиката. Затем силикат растворяют в виброреакторе при темпера­туре 55-90 °С в течение 35-45 мин — натриевого силиката, 20-25 мин — калиевого. Полученный раствор сливают в промежу­точную емкость и осветляют в течение 2-3 сут. При необходимости параметры раствора корректируют, главным образом по вязкости, в лопастном смесителе.

Техническая характеристика аппарата АВ-300

Вместимость емкости, л................................................................... 300

Диаметр дисков, мм............................................................................. 250

Частота колебания, Гц......................................................................... 25

Мощность водогрейного котла, кВт................................................ 10

Температура нагрева теплоносителя, °С:

воды................................................................................................... 100

специальной жидкости

с повышенной температурой кипения.................................... 150

Регулировку процесса растворения силиката в виброреакторе можно производить, изменяя продолжительность измельчения в вибромельнице, температуру воды, соотношение вода-силикат, скорость подачи силиката в реактор, время растворения. Растворы стекла, полученные по такой технологии, по цвету отличаются тем­но-серым оттенком, что связано с повышенным содержанием в них

оксидов железа, являющихся, вероятно, продуктом истирания шаров при механическом измельчении глыбы.

Технологическая схема безавтоклавного получения растворов жидкого стекла по вышеописанной технологии [55, 56], успешно применяемая при многомарочном производстве электродов в тече­ние ряда лет на ЗАО «Завод сварочных материалов», представлена на рис. 75. Простота и компактность схемы с учетом производи­тельности процесса позволяет использовать описанную техноло­гию получения растворов жидкого стекла на малых и средних элек­тродных предприятиях.

При другом способе безавтоклавного приготовления растворов жидкого стекла [57] процесс растворения силикат-глыбы ведут в воде, нагретой до 85-95 °С, совмещенно с помолом. Герметизация реакционной зоны в установке мокрого помола модели УВС-20 (шаровой мельнице) при следующих оптимальных режимах раз­варки: разовая загрузка глыбы 150-160 кг, воды 200-210 л; размер

Склад силикат-глыбы жидкого стекла на ЗАО «ЗСМ»

кусков глыбы не более 30 мм; длительность цикла 3 ч позволяет по­лучать растворы жидкого стекла различных видов с заданными ха­рактеристиками вязкости и плотности. Мощность установки 7,5 кВт; достигнутая производительность 120-130 кг/ч. Готовый раствор может быть загрязнен вследствие изнашивания и окисле­ния материала шаров.

Известен способ скоростного приготовления водных растворов жидкого стекла различного состава из сухого концентрата, поставля­емого в порошкообразном виде. Жидкое стекло готовят, заливая в емкость с механической мешалкой расчетное количество воды с тем­пературой 60-80 °С и засыпая равномерной струей порошок концен­трата. При перемешивании до равномерной консистенции раствора происходит его разогрев до 95-100 °С. Ориентировочное соотно­шение сухого концентрата и воды составляет: для получения плот­ности готового раствора 1,42 г/см3 — 1:1,48; для 1,45 г/см3 — 1:1,25.

В ряде европейских стран и США порошкообразные гидросили­каты вводят в сухую шихту, перемешивают в сухом виде, а затем, вливая необходимое количество воды при дальнейшем перемеши­вании, доводят обмазочную массу до требуемого состояния. До на­стоящего времени по ряду причин такая технология, хотя и была апробирована [58], но в электродном производстве на постсовет­ском пространстве применения не нашла.

Независимо от принятого процесса разварки силикатной глыбы контролируют модуль глыбы, ее чистоту (наличие посторонних за­грязнений), крупность кусков, количество загружаемой глыбы и воды, плотность раствора в процессе разварки, время разварки; при автоклавном способе — также давление пара. Наиболее доступным методом' контроля готовности раствора является проверка его плотности по пробам, отбираемым в ходе процесса разварки. При контроле пробы измеряют температуру и плотность раствора; по­лученное значение плотности по графику (см. рис. 59) приводят к нормальной температуре. У растворов калиевых и комбинирован­ных калиево-натриевых и натриево-калиевых силикатов часто на­блюдается резкое изменение плотности с падением температуры. Например, растворы, имеющие при температуре 110 °С плотность 1,37 г/см3, после охлаждения превращаются в малоподвижные студни. Эта особенность наиболее резко проявляется у высокомо­дульных (М выше 3) калиевых силикатов, и ее следует учитывать при разваркс и хранении калиевого и комбинированного растворов жидкого стекла.

Иногда разваркой силикатной глыбы процесс изготовления рас­творов жидкого стекла заканчивают. Однако эти растворы содер­жат много взвешенных частиц, не обладают стабильными свойства­ми, активны и сразу после получения не могут быть использованы при изготовлении электродов. Поэтому необходима специальная подготовка жидкого стекла к применению.