Название: Применение смазочно-охлаждающих технолог. жидкос. в производ. прокатки листового материала(Кокорин)

Жанр: Машиностроительный

Просмотров: 893


1.3.1. эмульсии  без эмульгатора

 

Нестабильные эмульсии, иначе называемые водо-масляными смесями или дисперсия- ми, приготавливаются путем интенсивного перемешивания масла с водой в мешалках типа химических мешалок-реакторов при скорости вращения лопастей 100—200 об/мин. Такого перемешивания достаточно для образования грубодисперсной смеси. Поскольку специально введенные эмульгаторы отсутствуют, температура эмульсии должна соответствовать темпе- ратуре ее максимальной устойчивости (~70° С).

Для поддержания смеси в стабильном состоянии в трубопроводах должна обеспечи- ваться достаточная скорость потока. Установлено [7], что турбулизация потока эмульсий с жирными маслами концентрацией 10—20\% наступает при числе Рейнольдса 1400—1600, т.е. несколько раньше, чем для чистой воды, а для поддержания стабильного состава эмульсии достаточны и меньшие скорости, отвечающие числам Рейнольдса 1000—1200. Выполнение этого условия позволяет достигнуть равномерности состава эмульсии во всей системе, а также достаточной ее дисперсности. Таким образом, в основу расчета трубопроводов систем подачи рассматриваемых эмульсий может быть положено число Рейнольдса около 1000.

Стабильность водо-масляных смесей определяется их концентрацией. На рис. 3 пока- зана зависимость времени расслоения от концентрации масла в воде жесткостью 4 мг-экв/л при 70° С. В интервале от 2 до 20\% стабильность равномерно возрастает.

Уменьшение температуры несколько снижает стабильность, так же как и ее увеличе- ние до 90° и более. Однако значительно больше влияет жесткость воды и присутствие в ней умягчителей. При использовании воды жесткостью 7— 8 мг-экв/л и более жесткой в эмуль- сии появляются образования, напоминающие хлопья. Ее стабильность падает, но отделяю- щееся масло содержит до 50\% воды в виде эмульсии в масле. Если вода имеет показатель рН намного более 7,5— 8,5, то полного расслоения не наблюдается. Часть масла остается в виде более стабильной эмульсии. Эмульгирование наблюдается при использовании умягченной воды и конденсата, но в значительно меньшей мере. Эти явления обусловлены взаимодейст - вием жирных кислот масла с анионами Са2+, Мg2+, Nа+   с образованием мыл, которые выпол- няют в первом случае роль деэмульгаторов, а во втором — эмульгаторов. Поэтому для при- готовления стабильных водо-масляных смесей следует рекомендовать обычную воду малой жесткости. Опыты по применению конденсата не обнаружили каких-либо преимуществ ни в отношении стабильности смесей, ни в отношении чистоты поверхности проката.

 

 

СТП-1

Подпись: Время расслаивания, сек28

 

24

 

20

ПГС-1

 

16

 

12

 

8

 

4

 

0

10        20        30        40

Концентрация масла в воде, \%

 

Рис. 3.   Время полного расслаивания эмульсий смазок СТП-1 и ПКС-1

в зависимости от концентрации при 70° С

 

Следует отметить, что стабильность более легкоплавких масел (ПКС-1, кориандр 2) оказывается несколько ниже, чем тугоплавких (пальмовое масло, СТП-1 и др.). Повышенную чувствительность к качеству воды обнаруживают масла, содержащие большое количество свободных жирных кислот — синтетические, пальмовое после длительного хранения и т. д. Эмульсии синтетических масел практически во всех случаях стабильней, очевидно, из-за со- держания  в  них  моноэфиров  гликолей  и  других  многоатомных  спиртов,  являющихся слабыми эмульгаторами (число ГЛБ—4-7).

Следует специально остановиться на таких физических свойствах водо-масляных смесей, как фазовый состав, структура и вязкость.

Наиболее наглядно можно проследить взаимосвязь фазового состава и вязкости на примере эмульсии смазки ПКС-1 (рис. 4, 5). До концентрации около 26\% существует эмуль- сия воды в масле, вязкость соответствует расчетной. В интервале от 26 до 74\% вязкость вы- ше вязкости воды почти в тысячу раз. В этой области наблюдаются множественные эмуль- сии. Очевидно, при концентрации более 26\% поверхностное натяжение на границе масло — вода весьма близко к нулю. В области большой вязкости обнаружены структуры, близкие к коллоидным растворам, четкой границы фаз под оптическим микроскопом обнаружить не удается.

 

 

600

 

 

 

Vk, cСт

500

 

400 (2)

 

300 (1,5)

 

200

(1)        1

 

100      2

(0,5)     1

 

0          2

 

10        20        30        40        50        60        70        80        90        100

 

Концентрация масла в воде \%

 

Рис. 4. Вязкость цк эмульсии смазки СТП-1 при 70° С, определенная эксперименталь- но (1) и по формуле Эйнштейна (2). Цена деления шкалы вязкости для кон- центраций до 15\% дана в скобках

 

Вся масса эмульсии состоит как бы из одних «границ», которые наблюдаются в виде полосчатой структуры, обусловленной, вероятно, переменной концентрацией сильно сольва- тированных частиц масла. При содержании масла в воде более 74\% во всех исследованных случаях наблюдается обратная эмульсия воды в масле, вязкость которой тоже подчиняется строгой закономерности.

Практически наблюдаются следующие случаи:

1. Во всем диапазоне концентраций существуют три области фаз (масло в воде, мно- жественная эмульсия, или коллоидная система, вода в масле). Этот случай характерен для жиров, в составе которых имеются свободные жирные кислоты в малом количестве.

2. До концентрации 26\% наблюдается эмульсия масла в воде, а далее эмульсия воды в масле с незначительными (в области 25—35\% масла) участками множественной эмульсии или коллоида. Этот случай характерен для жиров с высоким содержанием свободных жир- ных кислот.

3. Эмульсия масла в воде существует до 74\% масла в воде, после чего происходит об- ращение фаз. Такая структура эмульсий характерна для минеральных масел и жиров, не со- держащих свободных жирных кислот (полимеризованное хлопковое масло).

Полученный результат предопределяет техническую невозможность использования при прокатке жировых водо-масляных смесей концентрацией более 25\% из-за резкого по- вышения вязкости.

Подпись: בk,сСm

 

1000(10)

 

800(8)

 

600(6)

 

400(4)

 

200(2)

 

100(1)

 

0

10        20        30        40        50        60  70  80  90  100      10        20        30  40  50        60        70        80        90            100

а)         Концентрация масла в воде, \%       б)

 

Рис. 5. Вязкость эмульсий различных жиров в зависимости от концентрации при 70° C а) ПКС-1;

б) Пальмовое масло; в области концентраций масла в воде от 26 до 74\% существуют множественные эмульсии и гели

Охлаждающая способность высококонцентрированных эмульсий масла в воде мень- ше, чем у воды (по некоторым данным, в три-четыре раза) [12]. В то же время при концен- трациях менее 10\% она снижается только на 30—40\%, что выше, чем следовало бы ожидать в результате увеличения вязкости, и может быть объяснено ухудшением смачиваемости по- верхности металла водой. По другим данным (В. К. Белосевич, Г. В. Смирнов и др.), при раз- дельной подаче 25\%-ной водо-масляной смеси и воды для охлаждения заметного различия от охлаждения водой или малоконцентрированной (3—4\%) эмульсией не отмечается, если в масле нет избытка (свыше 5—10\%) свободных жирных кислот.

Смазочную способность водо-масляных смесей исследовали в лабораторных и про- мышленных условиях. Полученные результаты  показывают, что по мере роста концентра- ции до 16—20\% эффективность непрерывно возрастает, достигая эффективности чистого масла или несколько выше. Таким образом, точка максимальной эффективности смеси соот- ветствует моменту значительного снижения поверхностного натяжения на границе масло — вода. Однако уменьшение последнего до нуля и образование множественной эмульсии или коллоида ведут к понижению смазочного эффекта.

Роль воды при образовании граничной пленки следует рассматривать двояко. С одной стороны, как было показано в начале главы, ее присутствие полезно, а с другой — избыток воды повышает силу трения. Речь идет о воде, которая может участвовать в формировании граничной пленки, т. е. связанной с маслом, по крайней мере, силами Ван-дер-Ваальса. При

«нулевом» поверхностном натяжении вода будет участвовать в образовании всего гранично- го слоя, а при несколько отличном от нуля — только во внешней его части, что и позволяет получить условия трения не хуже, а иногда лучше, чем с чистым маслом.

Исследования прокатки высокопрочных нержавеющих сталей и сплавов с водо- масляной смесью смазки ЛЗ-142, проведенные В. К. Белосевичем и А. Г. Белостоцким, пока- зали, что по мере роста давлений минимум сил трения может сдвигаться вплоть до концен- трации 50\%, причем в этих условиях эмульсия эффективней чистого масла.

Полученный результат может свидетельствовать и о том, что на мало химически ак- тивных поверхностях вода ускоряет образование граничного слоя, сокращая латентный пе- риод. Одновременно на менее химически активных поверхностях вытеснения масла водой из первичного адсорбционного масляного граничного слоя не происходит. Это предположение, однако, требует дополнительных обоснований. То, что снижение величины сил трения с рос- том концентрации до оптимальной обусловлено изменением свойств граничной пленки, под- тверждается определением количества продуктов износа (рис. 6).

 

80

 

Подпись: Продукты износа60

 

40

 

0

 

0          25        50        75        100

Концентрация масла в воде,\%

 

Рис.6. Зависимость износа при прокатке от концентрации водо-масленой смеси ПКС-1

Минимальное содержание продуктов износа соответствует концентрации эмульсии, отве- чающей наименьшему значению сил трения. Этот же результат получен на .пятиклетевом жесте- катальном стане 1200, когда увеличение отношения масла к воде с 1 : 7 — 1 : 5 до 1 : 4—1 : 3 по- зволило в полтора раза снизить количество продуктов износа на полосе.