電焊條制造用水玻璃的質(zhì)量控制

林清華，陳自慧，楊海菲

（云南大西洋焊接材料有限公司，云南昆明650501）

0 前言

水玻璃是電焊條制造中應(yīng)用最廣泛的粘結(jié)劑，也是市場用量最大的酸性碳鋼焊條中的穩(wěn)弧劑，其理化特性和質(zhì)量參數(shù)直接影響到電焊條的制造質(zhì)量和使用質(zhì)量[1]。

1 水玻璃概述

水玻璃又稱泡花堿，是一種透明的玻璃狀熔合物，呈綠色或黃色并帶有介于這兩種顏色之間的各種色澤，由堿金屬、硅酸鹽組成。其化學(xué)式表示為R2O·nSiO2，式中R2O為堿金屬氧化物Na2O或K2O[2]。

1.1 水玻璃的主要性質(zhì)[2]

水玻璃即堿金屬硅酸鹽的特性，不論是固體的堿金屬硅酸鹽還是它的水溶液在很大程度上都取決于所含的二氧化硅。在堿金屬硅酸鹽的水溶液中，二氧化硅可以一部分呈膠體狀態(tài)，另一部分呈晶質(zhì)形態(tài)。這兩種形態(tài)的數(shù)量比直接與溶液濃度和SiO2含量有關(guān)。晶質(zhì)二氧化硅同硅酸根離子或帶電微粒，與游離的膠團(tuán)或相當(dāng)復(fù)雜而且是生成硅凝膠的過渡階段的純膠態(tài)聚集體，處于某種動平衡狀態(tài)。水玻璃性質(zhì)的主要指標(biāo)之一是二氧化硅與堿金屬氧化物的分子比，即模數(shù)n。

1.1.1 堿金屬硅酸鹽溶液的導(dǎo)電率

堿金屬硅酸鹽溶液的導(dǎo)電率取決于其中堿性及酸性兩類氧化物的含量比和稀釋率，隨著SiO2含量增高而逐漸下降，在 w（R2O）/w（SiO2）達(dá)到 1/2時后繼續(xù)提高SiO2含量，其導(dǎo)電率幾乎無變化。在同樣條件下，稀釋率適當(dāng)提升也會提升導(dǎo)電率，且隨著放置時間而變化。

一般堿金屬正硅酸鹽（R2O·SiO2）稀釋溶液的導(dǎo)電率較高。n=1～2的堿金屬二硅酸鹽（R2O·2SiO2）溶液的導(dǎo)電率與正硅酸鹽的導(dǎo)電率大致相同[3]。SiO2含量高于正硅酸鹽并稀釋得很淡的這類堿金屬硅酸鹽溶液，其導(dǎo)電率也很高。但是對于濃溶液，特別是當(dāng) w（SiO2）/w（R2O）≥4 時，其導(dǎo)電率不大。

1.1.2 堿金屬硅酸鹽溶液的膠粘性

堿金屬硅酸鹽溶液無論濃淡都具有膠粘性。硅酸鹽溶液的膠粘能力與它們的組成及粘度有關(guān)，膠體組分中如低模數(shù)水玻璃溶液，由于主要含晶質(zhì)組份，其膠粘性就較弱，高模數(shù)溶液由于主要含膠體組份，膠粘能力較強(qiáng)。同時粘度的變化不僅取決于液體濃度，也與SiO2含量及溫度有關(guān)，隨著模數(shù)（或SiO2）含量的增大，粘度增高，溫度升高粘度下降，同一溫度下長時間加熱也會降低其粘度[4]。

在水玻璃中加入各種添加劑也可提高其膠粘能力。如加入氯化鈉能提高粘性水玻璃溶液的粘度，但如果加入食鹽則不會對水玻璃溶液的膠粘能力、干燥速度以及其他一些有用性能產(chǎn)生影響；如果加入尿素可以在不改變粘度的同時將水玻璃溶液的膠粘能力提高25%，在略微濃縮之后與熔融的普通玻璃一樣，可以拉成很長的細(xì)絲[5]。水玻璃溶液的膠粘性能越強(qiáng)，則拉伸時形成的絲越長。

1.1.3 堿金屬硅酸鹽固體的水溶解

堿金屬硅酸鹽的溶解度首先取決于SiO2的含量，在有雜質(zhì)存在時會顯著下降，高溫（特別是100℃以上）、高壓對堿金屬硅酸鹽的溶解度也有影響。因此，塊度相當(dāng)粗大的塊狀水玻璃可用蒸壓鍋在3～4表壓下溶解。

苛性堿和堿金屬碳酸鹽的溶液（特別是濃的水溶液），能溶解固體水玻璃而生成模數(shù)較低的堿金屬硅酸鹽的堿溶液。若先將水玻璃研成細(xì)粉，則溶解得更快。溶解水玻璃時用水越多，水解程度就越大，生成的苛性堿溶液也越淡，析出的二氧化硅膠溶的效果亦越低。

在相同條件下，高模數(shù)水玻璃在水中溶解常比低模數(shù)困難些。鉀水玻璃的溶解度比同樣模數(shù)的鈉水玻璃大一些。

1.1.4 堿金屬硅酸鹽的其他主要性質(zhì)

在其他條件相同時，堿金屬硅酸鹽與儲存的狀態(tài)、外部環(huán)境、溫度和濕度等也有關(guān)聯(lián)，其性質(zhì)會發(fā)生變化。如塊狀水玻璃，模數(shù)越低被空氣碳酸化的作用也越快，細(xì)粉狀水玻璃在空氣中放置一段時間后，質(zhì)量增加，結(jié)成團(tuán)塊，最后變成致密的硬塊。細(xì)粉狀的高模數(shù)“中性”水玻璃也會粘結(jié)而變成致密的整體塊。大塊的高模數(shù)水玻璃其表面長期暴露在空氣中不會發(fā)生變化，但長期存放在潮濕的空氣中，其光澤的表面會稍微失去透明。

水玻璃導(dǎo)熱性能較低，其對急冷急熱非常敏感，受到這種作用后會裂成形狀不規(guī)則的小塊。

水玻璃沒有固定熔點，加熱時在很大溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。可以近似地認(rèn)為，“中性”（n≥3為中性）水玻璃約在 1 100 ℃軟化，“堿性”（n＜3）鈉水玻璃約在1 000℃軟化，鉀水玻璃在1 150℃軟化。

水玻璃的水溶液情況下，強(qiáng)酸及弱酸（含碳酸）在加熱時或室溫下都容易且迅速地使水玻璃分解，固體水玻璃即塊狀或細(xì)粉狀無論是稀酸還是濃酸均難以發(fā)生作用，但水玻璃等所有硅酸鹽極易被氫氟酸分解[6]。

1.2 水玻璃的分類[3]

1.2.1 按照銷售品級的水玻璃模數(shù)分類

亦即按其組成中二氧化硅與堿金屬氧化物的克分子比分類（如2.6模數(shù)水玻璃、2.9模數(shù)水玻璃等）。

1.2.2 按最主要的堿金屬氧化物分類

可分為鈉水玻璃、鉀水玻璃和鉀鈉配比的鉀鈉水玻璃。

1.2.3 根據(jù)水玻璃中二氧化硅含量分類

（1）“中性”水玻璃，即硅酸鹽熔合物模數(shù)為3或更高，屬于“中性”水玻璃。

（2）“堿性”水玻璃，即硅酸鹽熔合物模數(shù)低于3，屬于“堿性”水玻璃。

不論是“堿性”水玻璃還是“中性”水玻璃，在溶解于水后，由于水解作用都呈明顯的堿性反應(yīng)。

1.2.4 將水玻璃分為“雙”“單”兩種

（1）w（SiO2）=71.4%～71.6%、w（Na2O）=27.0%～27.5%而模數(shù)為2.40～2.65的水玻璃為“雙”水玻璃。

（2）w（SiO2）≈77.0%、w（Na2O）≈22%，而模數(shù)為3.4～3.5的水玻璃為“單”水玻璃。

1.2.5 水玻璃按熔制時所用原材料分類

水玻璃按熔制時所用的原材料可分為“純堿”水玻璃和“硫酸鈉”水玻璃。

1.3 水玻璃制造的主要原材料、工藝及質(zhì)量調(diào)整

1.3.1 水玻璃制造用主要原材料

水玻璃生產(chǎn)用主要原料由碳酸鈉（俗稱純堿，分子式Na2CO3，分子量106）、硫酸鈉（俗稱芒硝，分子式 Na2SO4·10H2O）、碳酸鉀（分子式 K2CO3，分子量138）、氫氧化鈉（俗稱燒堿，分子式NaOH，分子量 40）、氫氧化鉀（分子式 KOH，分子量 56）、鉀長石和石英砂等。

1.3.2 水玻璃制造主要工藝

水玻璃制造工藝主要有干法、濕法和固態(tài)水玻璃轉(zhuǎn)液態(tài)的直接溶解等[2]。如將經(jīng)化驗分析，符合質(zhì)量要求的原料按比例計算稱重后混合均勻，加入熔爐在1300～1450℃高溫下熔制，發(fā)生如下反應(yīng)（此公式解決了固體水玻璃熔制過程各質(zhì)量參數(shù)的調(diào)整，如制造模數(shù)為2.7，鉀鈉比等于2的水玻璃為例）：1.32K2CO3+K2CO3+6.26SiO2=1.32K2O·Na2O·6.26SiO2+2.32CO2

熔爐出料所得到的固體水玻璃加入壓力溶解釜，加入一定比例的清水進(jìn)行溶化，在相對高溫高壓工作條件下溶化成液體水玻璃。

1.3.3 水玻璃的質(zhì)量參數(shù)調(diào)整

通過試驗和生產(chǎn)實踐，總結(jié)了水玻璃質(zhì)量參數(shù)偏離質(zhì)量需求時如何調(diào)控的“預(yù)確定質(zhì)量指標(biāo)”調(diào)整公式。即在水玻璃固體經(jīng)溶化成液體的生產(chǎn)過程中因某些因素，其質(zhì)量指標(biāo)發(fā)生偏差，須進(jìn)行及時分析加以調(diào)整[9]。

以液體鉀鈉水玻璃為例，其調(diào)整方式如下：

①設(shè)所要求的質(zhì)量指標(biāo)為（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值）：K2O%－A、Na2O%－B、SiO2%－C、A＋B＋C＝Q

②待調(diào)整的水玻璃液體，經(jīng)分析測定（已知）：K2O%－a、Na2O%－b、SiO2%－c、a＋b＋c＝H

③為達(dá)到所要求的質(zhì)量指標(biāo)，需加入數(shù)量（成分已知）：K2O%－X、Na2O%－Y、SiO2%－Z。

④聯(lián)列方程，并解此方程：

2 電焊條的質(zhì)量要求[7-8]

目前國內(nèi)市場生產(chǎn)和使用量最大的是碳鋼類電焊條，而碳鋼類電焊條中以酸性碳鋼焊條E4303型焊條的生產(chǎn)和使用量最大、最普遍，也是國內(nèi)目前最有別于國外的制造工藝（螺旋車生產(chǎn)工藝）所生產(chǎn)的電焊條，因此以E4303型焊條（大西洋CHE422焊條）作為實驗研究對象，按照相關(guān)規(guī)范對其質(zhì)量要求進(jìn)行分類闡述。

2.1 CHE422焊條外在質(zhì)量要求

電焊條在烘干后、進(jìn)行包裝之前須按照J(rèn)B/T56102.1-1999中外在質(zhì)量18個檢驗項目進(jìn)行檢驗，外在質(zhì)量也按此進(jìn)行考評。

按照外在質(zhì)量缺陷在焊條質(zhì)量中的影響程度通過分?jǐn)?shù)分配值進(jìn)行具體評定，如表1所示。

表1 電焊條外在質(zhì)量檢驗項目

云南大西洋焊接材料有限公司的電焊條偏心度按照不大于2%（8絲）生產(chǎn)控制，按照不大于3%（12絲）考核（國標(biāo)不大于5%即21絲）。其電焊條的外觀質(zhì)量缺陷根次混雜率（樣品中評定的缺陷根次與總根次百分比）控制不大于5%（行業(yè)中一般不大于10%）考核①電焊條制造基礎(chǔ)知識（四川大西洋集團(tuán)考試教材），1998.。

2.2 CHE422焊條內(nèi)在質(zhì)量要求

電焊條在出庫前須按照GB5117-2012的規(guī)定進(jìn)行內(nèi)在質(zhì)量（焊縫）分析并判定其合格與否。按照規(guī)范施焊后取其焊縫金屬進(jìn)行理化測定并評定，如表2所示。

2.3 CHE422焊條焊接工藝性能質(zhì)量要求

電焊條的焊接工藝性能實際上就是電焊條的操作性能和使用性能，既影響焊接操作和使用，也影響焊接接頭質(zhì)量，是對焊條設(shè)計和制造質(zhì)量水平的綜合反映之一，所以評定焊條質(zhì)量必須對焊條的焊接工藝性能進(jìn)行評定。按照施焊過程中的質(zhì)量影響程度并通過分?jǐn)?shù)分配值進(jìn)行具體評定，如表3所示。

表2 電焊條內(nèi)在質(zhì)量檢驗項目

表3 電焊條施焊工藝性能評定項目

3 實驗用不同種類水玻璃的制備及質(zhì)量分析

3.4M鈉水玻璃和3.1M鉀鈉水玻璃固體塊料如圖1所示。充分利用水玻璃制造廠家的試驗裝置（破碎機(jī)、小型蒸汽反應(yīng)釜、壓濾機(jī)、上海產(chǎn)YL1030-0/70型波美計和多轉(zhuǎn)速NDJ-5S型數(shù)字式粘度計等），根據(jù)1.3節(jié)的方法購買了碳酸鈉、硫酸鈉、碳酸鉀、氫氧化鈉和氫氧化鉀等粉料，進(jìn)行了系列試驗用水玻璃溶液制備（以下水玻璃的制備中未特別說明均未使用芒硝原料并進(jìn)行了壓濾機(jī)過濾）。

3.1 鈉水玻璃制備的質(zhì)量參數(shù)

在28℃環(huán)境溫度下，鈉水玻璃分析測定值如表4所示。

表4 鈉水玻璃分析測定值

3.2 鉀鈉水玻璃制備的質(zhì)量參數(shù)

在28℃環(huán)境溫度下，鉀鈉水玻璃分析測定值如表5所示。

4 實驗用電焊條的制備及其性能測試

圖1 固體水玻璃

表5 鉀鈉水玻璃分析測定值

電焊條制備前先對已制備的水玻璃采用稀釋的高錳酸鉀水調(diào)節(jié)濃度至37.5°Be′，均使用相同質(zhì)量的稀釋溶液，對調(diào)配好的藥粉在無覆蓋措施下放置10 min，再在相同條件下進(jìn)行電焊條的制備。制備過程中使用TY-3A型電焊條偏心測量儀在線檢測偏心情況，使用CHNT6L2-100/5A電流指示表測試藥粉壓力值（藥粉壓力值的變化與藥粉顆粒度、藥粉干濕度、水玻璃對藥粉粘結(jié)效果、藥粉流動性和塑性等關(guān)聯(lián)密切）。在電焊條烘干后再按照云南大西洋焊接材料有限公司內(nèi)部的檢驗方法進(jìn)行有關(guān)質(zhì)量品評與性能的測試分析。

圖2 4#與10#水玻璃溶液對比

圖3 水玻璃過濾產(chǎn)生的雜質(zhì)

4.1 試制電焊條壓涂性能及外觀質(zhì)量

（1）1#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（7～9絲），壓力值48～50 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為4%，主要缺陷是焊條藥皮開裂和破頭等。

（2）2#水玻璃試驗過程中偏心波動明顯（7～12絲），壓力值52～57 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為6.8%，主要缺陷是焊條偏心、藥皮開裂、包頭和破頭等。

（3）3#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（7～9絲），壓力值47～49 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為3.9%，主要缺陷是焊條藥皮開裂等。

（4）4#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（6～8絲），壓力值42～45 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為2.6%，主要缺陷是焊條藥皮損傷和破頭等。

（5）5#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（6～7絲），壓力值43～45 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為1.6%，主要缺陷是焊條藥皮損傷和破頭等。

（6）6#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（7～9絲），壓力值45～47 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為5%，主要缺陷是焊條藥皮開裂、損傷和破頭等。

（7）7#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（7～10絲），壓力值39～42 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為6.9%，主要缺陷是焊條有毛條、藥皮損傷和破頭等。

（8）8#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（6～7絲），壓力值45 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為1.2%，主要缺陷是焊條藥皮損傷和破頭等。

（9）9#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（6～7絲），壓力值45～47 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為3.3%，主要缺陷是焊條藥皮開裂和破頭等。

（10）10#水玻璃試驗過程中偏心穩(wěn)定（6～8絲），壓力值45～47 A；烘干出爐后的焊條按照表1項目，缺陷根次混雜率為2.7%，主要缺陷是焊條藥皮雜質(zhì)、損傷和破頭等。

4.2 試制電焊條的施焊工藝性能試驗

由于水玻璃在電焊條施焊工藝中的主要作用是穩(wěn)弧和造渣等，在此僅針對水玻璃的應(yīng)用項目進(jìn)行焊接工藝性能品評，如表6所示。

4.3 試制電焊條的焊縫質(zhì)量

根據(jù)水玻璃在電焊條中的作用以及作者經(jīng)驗，故取3#、4#和5#水玻璃試制的電焊條進(jìn)行焊縫質(zhì)量理化測定，如表7所示。

4.4 試制水玻璃在電焊條中影響

（1）電焊條外在質(zhì)量方面。

①同濃度下，模數(shù)高的水玻璃其焊條藥皮強(qiáng)度高（壓力值高），但焊條偏心不易穩(wěn)定（偏心波動幅度的均值高）。

②相對條件一致的情況下，其模數(shù)高、濃度高或濃度低均會引起焊條外觀缺陷增加，其焊條缺陷根次比例增加。

（2）電焊條施焊工藝性能方面。

①相對條件一致的情況下，模數(shù)高的水玻璃施焊工藝性能相對更好。

②同濃度下，鉀鈉水玻璃較鈉水玻璃的施焊工藝性能相對更好，且鉀含量更高的水玻璃的施焊工藝性能更好。

（3）電焊條內(nèi)在質(zhì)量方面。

①硫酸鈉為原料生產(chǎn)的水玻璃較“純堿”為原料生產(chǎn)的水玻璃，其焊縫更易于增S含量。

表6 試制電焊條的施焊工藝性能試驗

表7 試制電焊條的焊縫理化分析測定

②在高模數(shù)下，相比鉀鈉水玻璃，鈉水玻璃焊縫更易于增Si含量。

③鉀鈉水玻璃較鈉水玻璃的焊縫質(zhì)量更優(yōu)。

5 結(jié)論

通過調(diào)配不同質(zhì)量參數(shù)的水玻璃在E4303型焊條中進(jìn)行試驗驗證，結(jié)論如下：

（1）通過水玻璃在焊條壓涂性能、焊條外觀質(zhì)量缺陷根次率和施焊工藝性能等的對比，8#最佳，即同模數(shù)的鉀鈉水玻璃，通過控制熔化的濃度比采用水稀釋的濃度更有利于電焊條的質(zhì)量要求。

（2）在同濃度下，采用高模數(shù)水玻璃試制的焊條外觀質(zhì)量（藥皮開裂缺陷為主）缺陷根次率較高。

（3）在同模數(shù)下，更低濃度水玻璃的焊條外觀質(zhì)量中，毛條、藥皮損傷和破頭的缺陷根次焊條更多。

（4）在同濃度下，鉀鈉水玻璃較鈉水玻璃的施焊工藝性能相對更好，且鉀含量更高的水玻璃的施焊工藝性能更好。

（5）在相對條件一致的情況下，鉀鈉水玻璃濃度高的比低的焊條外觀質(zhì)量更好，其施焊工藝更好。

（6）高模數(shù)水玻璃比低模數(shù)水玻璃更易于影響焊條焊縫質(zhì)量。

（7）在相對條件一致的情況下，鉀鈉水玻璃更有益于焊條質(zhì)量控制。

（8）含有較多雜質(zhì)的水玻璃更易影響焊條施焊工藝性能。

（9）從焊條質(zhì)量要求角度，焊條制造用水玻璃的質(zhì)量控制要點是選用好原材料，選擇好鉀鈉類型，控制好模數(shù)、濃度、雜質(zhì)和調(diào)整濃度的方式等。

（10）不滿足焊條制造質(zhì)量要求時，采用合適的方式添加對應(yīng)元素原料優(yōu)化已有水玻璃質(zhì)量參數(shù)。