ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПОСОБА СКОРОСТНОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОГО СТЕКЛА ИЗ СУХОГО КОНЦЕНТРАТА

В.В.Обрезков, В.И.Гернер, А.П.Никифоров,

А.Л.Гималетдинов, Д.Н.Соннов, С.А.Никифоров.

(ЮУрГУ, ООО «ЭКОС», г.Челябинск)

Реферат

Жидкое стекло (ЖС) широко используется в литейном производстве для изготовления форм и стержней стального и чугунного литья, для футеровок плавильных агрегатов и разливочных ковшей.  Разработанный в ООО «ЭКОС» совместно с Южно Уральским  государственным Университетом новый скоростной способ изготовления ЖС из сухого порошкообразного концентрата (СК) имеет ряд преимуществ перед традиционными технологиями получения жидкостекольных связующих материалов. Новый способ универсален, позволяет быстро готовить любые по объему партии связующего с любым необходимым модулем и плотностью, при этом не требуется использование паровых автоклавов. ЖС, получаемое из СК, характеризуется новыми положительными свойствами: высокой скоростью упрочнения, повышенной термостойкостью, улучшенной выбиваемостью из отливок  Готовое ЖС из СК используют, как непосредственно в горячем состоянии сразу после приготовления, так и охлажденным для различных целей литейного и металлургического производства. По поставке и себестоимости для производства оно дешевле стандартного ЖС. Способ скоростного получения ЖС из СК защищен патентом РФ.

Для приготовления стандартного ЖС  (ГОСТ 13078-81) обычно используют либо прямой синтез щелочных водных  растворов силикатов из отдельных исходных компонентов, либо применяют способ длительного  растворения твердой щелочно-силикатной массы (стандартной силикат-глыбы), которую предварительно готовят путем сплавления материалов при высокой температуре с последующим  охлаждением на воздухе или гранулированием по особой технологии.

Однако известные способы приготовления ЖС не всегда удовлетворяют производство. В частности,  не все предприятия имеют возможность готовить ЖС из твердой силикат-глыбы, т.к. для этого необходимо применять специальные стекловарочные агрегаты и сопутствующее вспомогательное оборудование: паровые автоклавы высокого давления, дробилки для измельчения кусковой или гранулированной силикат-глыбы, механические мешалки с электроподогревом раствора (активаторы).

Приобретение готового ЖС от предприятий изготовителей также связано с определенными недостатками: необходимостью транспортировки ЖС в емкостях на большие расстояния от крупных производителей, опасности ухудшения качества связующего в зимнее время, как при транспортировке, так и при длительном хранении, повышенные непроизводительные потери материала при ступенчатых технологических дозировках, а также из-за налипания и высыхания растворов на поверхностях тары и необходимости периодически производить ее очистку или списание на утрату.

Известные зарубежные способы приготовления ЖС прямым синтезом из исходных компонентов трудоемки, технологически сложны и требуют больших затрат на производство.

На предприятии  ООО «ЭКОС» совместно с ЮУрГУ разработан, запатентован и широко применяется в литейном и металлургическом производствах способ скоростного приготовления ЖС прямым синтезом раствора из исходных компонентов.    

Сущность способа состоит в том, что для приготовления ЖС используют сухой концентрат из нескольких предварительно подготовленных компонентов в виде мелкодисперсных порошков с нано-микро размерными частицами. Способ приготовления ЖС заключается лишь в операции смешивания сухого концентрата с водой и кратковременным (5-10 минут) перемешиванием получаемого раствора. При смешивании сухого концентрата с водой происходит самопроизвольное нагревание раствора и быстрое формирование его связующих свойств. При этом свойства ЖС определяются химическим составом сухого концентрата и корректировкой необходимого количества воды для получения заданной плотности связующего материала.

Готовое ЖС используется, как в горячем состоянии сразу после приготовления, так и после охлаждения  его до температуры окружающей среды. При этом различают два способа использования ЖС в технологиях: «горячие» и «холодные»  технологии. Указанные технологии применяют в литейном производстве, в строительстве для приготовления бетонов и цементных растворов, в нефте и горно добывающей отрасли.

В зависимости от назначения потребитель заказывает сухой концентрат с заданными показателями по химическому составу и силикатному модулю. Сухой концентрат поставляется по химическому составу для приготовления натриевого жидкого стекла (СКН), который используется преимущественно в качестве связующего материала в литейном производстве для приготовления формовочных и стержневых смесей, в металлургии на приготовление  огнеупорных масс для  футеровки плавильных агрегатов и разливочных ковшей. Калиевый сухой концентрат (СКК), используемый для огнеупорных обмазок сварочных электродов, в  литейном производстве для изготовления керамических форм.

В зависимости от химического состава сухого концентрата согласно ТУ 5743-001-31178039-2001 жидкое стекло  готовят четырех марок. Составы ЖС для приготовления из сухого концентрата приведены в таблице 1.

Таблица 1

Для упрощения способа приготовления ЖС в любых условиях производства сухой концентрат поставляется в полиэтиленовых мешках массой по 15 кг и обеспечивает приготовление из одного мешка связующего раствора с плотностью 1,4 г/см³ в количестве 20-22 литра. При необходимости приготовления больших объемов ЖС до 500 литров сухой концентрат поставляется в мешках типа «Биг-Бег» массой до 300 кг. При этом из 1 кг сухого концентрата получается раствор ЖС в количестве 2 -2,5 литра.

В указанном выше ТУ на сухой концентрат приведены сведения по приготовлению ЖС из сухого концентрата, в частности, из расчета смешивания с водой одной, принятой за стандарт типовой упаковки (полиэтиленового мешка) сухого концентрата массой 15 кг.

Опыт работы предприятий показал, что проведение манипуляций по приготовлению растворов ЖС в производственных условиях указанная масса сухого концентрата в типовой упаковке наиболее удобна, так как позволяет быстро без особых физических усилий приготовить порции жидкостекольного раствора в минимальном объеме  20-22 литра. В технологической инструкции на скоростное приготовление ЖС приведена таблица по соотношению количества воды и сухого концентрата на приготовление порции ЖС при расходе сухого концентрата из одной типовой упаковки. (Табл.2).

                                                                                                       Таблица 2

При смешивании сухого концентрата с водой раствор нагревается до 60-90⁰С. Поэтому необходимо усреднять температуру по объему раствора путем механического перемешивания. Для приготовления больших объемов жидкого стекла используют несколько типовых упаковок с сухим концентратом последовательно загружаемых в емкость для перемешивания раствора. Обычно для перемешивания используют металлические баки с использованием стационарных или съемных пропеллерных механических мешалок.

Контроль качества жидкостекольного раствора, получаемого из сухого концентрата, производится после охлаждения его до комнатной температуры (20-25⁰С). Отбор пробы готового ЖС для проведения анализа его качества производится  по ГОСТ 13078-81 из предварительно приготовленного и охлажденного раствора. Масса средней лабораторной пробы  составляет не менее 500 г. Проба отбирается из раствора, полученного при растворении сухого концентрата в объеме одной полной типовой упаковки (мешка) массой 15 кг с добавкой воды в количестве, указанном в таблице 2.

Качество ЖС контролируется по плотности и силикатному модулю. Плотность ЖС определяется  с помощью ареометра, а силикатный модуль по  ГОСТ 13078-81 весовым или ускоренным методом  с использованием рН – метра. Модуль готового ЖС  определяется по формуле:

% SiO₂ 

                    M  =  -------------------------- x 1,032, (1,567),

% Na₂O (K₂O)

где 1,032 и 1,567 – коэффициенты молярного пересчета компонентов.

Опыт работы предприятий показал, что жидкостекольное связующее, получаемое из сухого концентрата, не уступает по своим свойствам стандартному ЖС, а во многих случаях превосходит его.

Натриевое жидкостекольное связующее, получаемое из сухого концентрата, обладает повышенной огнеупорностью и термостойкостью по сравнению со стандартным ЖС. Поэтому его широко применяют для приготовления огнеупорных футеровочных масс  плавильных агрегатов и разливочных ковшей. При этом ЖС используется с повышенным модулем от 2,8 до 3,2 ед. В отдельных случаях применяют ЖС с модулем 3,5 –3,8, которое характеризуется повышенной термостойкостью и обеспечивает повышение срока службы футеровок плавильных агрегатов и разливочных ковшей.

 Его широко используют предприятия «Алтай вагон» и «Алтай трак» г. Рубцовск, В металлургических цехах Кольского горно-металлургического комбината ОАО «Северникель», Курганское предприятие ОАО «Техоснастка» и другие, которые используют плавильные агрегаты с кислой и нейтральной футеровокой.

ЖС из сухого концентрата также успешно применяется для формовочных и стержневых смесей в производстве стального и чугунного литья.  Наиболее успешно ЖС из сухого концентрата используется для форм и стержней с тепловой сушкой и при применении процесса самотвердения для их упрочнения (пластичные «ПСС» и сыпучие «ССС» самотвердеющие смеси).

Для технологии изготовления форм и стержней с использованием углекислого газа (СО₂-процесс) хидкостекольное связующее готовят из сухого концентрата особого состава, поставляемого  по заявкам потребителей с указанием требуемого модуля для СО₂-процесса.

Успешно применяют ЖС из сухого концентрата для СО₂-процесса ОАО «Техоснастка», ООО «Сплав» г. Мурманск, ОАО «Северникель». Хороший опыт применения ЖС из сухого концентрата для производства керамики и керамических оболочковых форм достигнут на ОАО «Уральская большегрузная техника» ОАО «Катайский насосный завод», ОАО «ЧТЗ -Уралтрак» и другие.

Анализ показал, что ЖС из сухого концентрата позволяет не только упростить литейное и металлургическое производство, но и значительно снизить себестоимость выпускаемой продукции  при  замене стандартного ЖС и дорогостоящих органических связующих материалов.

В настоящее время на ООО «ЭКОС» значительно расширено производство высококачественного сухого концентрата для скоростного приготовления  термостойкого жидкого стекла для применения в литейном и металлургическом производствах.