Физико-химические свойства растворов жидкого стекла

При изготовлении сварочных электродов 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 жидких стекол 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, а также на свойства и состав наплавленного металла, и атмосферу дуги. Он способствует насыщению металла шва кремнием за счет протекающего кремневосстановительного процесса и насыщению металла водородом за счет влаги, удерживаемой им в покрытии.

Влага довольно прочно удерживается сухим остатком жидкого стекла. 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.

Растворы жидкого стекла характеризуются рядом основных подлежащих контролю параметров, а именно: видом, модулем, плотностью, вязкостью. Кроме перечисленных значительно реже контролируется клейкость жидкого стекла, а также его щелочность, определяемая значением рН, что связано с концентрацией водородных ионов.

Вид жидкого стекла определяется составом применяемой силикатной глыбы (см. табл. 3.13).

Таблица 3.13 Технические требования к силикатной глыбе

Жидкое стекло может быть также приготовлено смешиванием в желаемых пропорциях двух стекол различного вида, например, натриевого, натриево-калиевого и др.

Плотность жидкого стекла является его важной характеристикой, измеряется в г/см³ ареометром с ценой деления не более 0,01. Измерять плотность жидкого стекла ареометром с большей ценой деления, например 0,1, недопустимо, так как ошибка в измерении его плотности уже в 0,02—0,03 г/см³ может весьма существенно сказаться на свойствах стекла.

Определять плотность жидкого стекла желательно при одной и той же температуре, равной 20°С; это связано с тем, что температура весьма существенно сказывается на значениях плотности жидкого стекла. При невозможности доведения температуры натриевого жидкого стекла до 20°С замеряется его температура Т и плотность ρ_т при этой температуре. Затем плотность жидкого стекла приводят по следующей приближенной формуле к его плотности при 20^оС.

ρ_т = ρ_т + 0,00056(Т-520)

Оптимальной считается плотность 1,48-1,54 г/см³.

Вязкость жидкого стекла. При течении жидкости между ее слоями возникает внутреннее трение. Его мерой является коэффициент вязкости или коэффициент внутреннего трения η, который выражается в паскаль-секундах (Па-с) или сантипуазах (сП); 1 Па∙с=1000 сП.

Для истинных растворов значение коэффициента вязкости η — есть 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.

Удобным для целей практики является определение вязкости методом падающего шарика. Этот метод был использован при разработке вискозиметра конструкции МОСЗ. Вискозиметр состоит из стеклянной трубки длиной 700—750 мм и внутренним диаметром 30—40 мм. Трубка с заглушенным нижним концом устанавливается 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 несмываемой краской нанесены 2 тонких штриха на расстоянии 500 мм друг от друга. Верхний штрих наносится на расстоянии 100—120 мм от верхнего обреза трубки.

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, возможно ближе к центру трубки, опускают металлический шарик и по секундомеру замеряют время его движения в жидком стекле между двумя штрихами. Таких замеров следует сделать не менее трех.

Вязкость в сантипуазах, согласно закону Стокса, определяется по формуле η = 10,8(7,875-ρ_о)t, где η вязкость в сП; t – время движения шарика, ρ_о – плотность жидкого стекла.

Химическая активность жидкого стекла. Химическая активность стекла определяется наличием в нем свободной или почти свободной щелочи. Ясно, что низкомодульные жидкие стекла имеют большую щелочность, чем стекла с повышенным и высоким модулями.

Клейкость жидкого стекла. Клейкость растворов жидкого стекла является важным его свойством, которое характеризует возможность обеспечения сырой прочности готовой обмазочной массы. Для определения клейкости приготавливали обмазочную массу, составленную из эталонных компонентов и испытуемого жидкого стекла. Эта масса выдавливалась через калиброванное отверстие в дне цилиндра на вертикальном прессе. Принималось, что клейкость жидкого стекла пропорциональна массе выдавливаемого шнура из обмазки до его отрыва под действием силы тяжести. Высокие значения клейкости натриевые стекла обеспечивают при модуле 2,9—3,1 и вязкости соответственно 1000— 700 сП.

При замораживании растворов жидких стекол 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 температурах, на несколько градусов ниже 0° С. Температура замерзания определяется видом, модулем и плотностью стекла. По этим причинам растворы жидких стекол следует хранить в помещениях при положительных температурах. Кипение растворов стекол происходит при температурах выше 100°С.