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

Жанр: Машиностроительный

Просмотров: 892


1.3.2. эмульсии,  стабилизированные  эмульгатором

 

Основным типом эмульсий, применяемых при прокатке, являются стабилизированные эмульсии. Известно, что при концентрации дисперсной фазы до 0,1—0,2\% эмульсии могут быть стабильны и без эмульгаторов [5]. Однако при такой концентрации масла в воде сма- зочная способность мала и применяемые при прокатке эмульсии имеют концентрацию не менее 1—2\%. Как было показано при исследовании эмульсий без эмульгаторов, поверхност- ное натяжение на границе масло—вода зависит от концентрации и при содержании масла менее 25\% образуются эмульсии прямого типа — масла в воде. Наличие эмульгаторов, резко снижающих поверхностное натяжение, приводит к повышению их устойчивости. Однако при содержании масла более 70\%, как правило, образуются эмульсии воды в масле.

Эмульгатор должен иметь большее сродство с той жидкостью, которая является дис- персионной средой. Гидрофильные вещества требуют гидрофильных, а гидрофобные — гид- рофобных эмульгаторов. Способность эмульгатора к образованию того или иного типа эмульсий можно определять числом ГЛБ — гидрофильно-лиофильным балансом [5]. Эмуль- сия обратного типа образуется эмульгатором с низким числом ГЛБ. При описании ПАВ бы- ли приведены значения ГЛБ для ряда веществ и их отношение к воде.

В эмульсиях типа масло — вода молекулы эмульгатора располагаются таким образом, что их полярные части обращены в полярную дисперсионную среду — воду, а углеводород- ные цепочки — в масло. В эмульсиях обратного типа ориентация противоположная. Когда эмульгатор малоэффективен, на тип эмульсии влияют относительные объемы жидкостей и дисперсионной средой обычно становится жидкость, взятая в большем объеме.

Эмульгаторы как типичные поверхностно активные вещества по ионогенности быва-

ют анионоактивными, катионоактивными и неионогенными.

Катионоактивные эмульгаторы, действие которых противоположно анионоактивным, дают стабильные эмульсии в кислой среде, в связи с чем при обработке давлением их обыч- но не применяют. В основном применяются анионоактивные эмульгаторы: мыла жирных и нафтеновых кислот, алкилсульфонат натрия и неионогенные эмульгаторы, препараты ОП-7, ОП-10, стеарокс, стеарокс 920 и др. Препараты ОП-7 и ОП-10 имеют ограниченное примене- ние из-за некоторой токсичности и пенообразования. Наилучший эффект в отношении ста- бильности эмульсий достигается при совместном применении анионоактивного и неионо- генного эмульгаторов в различных пропорциях, определяемых для каждого конкретного случая.

Обычно эмульсии приготавливают из эмульсолов, представляющих коллоидные растворы эмульгатора (ПАВ) в базовом масле. Эмульсолы могут быть приготовлены путем перемешивания исходных компонентов у потребителя эмульсии или поставляться в готовом виде.

Для образования эмульсии капельки эмульсола разбивают в механических, ультразву- ковых или вибрационных мешалках. Современные станы оснащены в основном механиче- скими мешалками. Часто практикуют перемешивание с помощью насосов.

Отдельный класс — самопроизвольно образующиеся эмульсии. Они образуются под дей- ствием только теплового движения молекул в присутствии большого избытка поверхностно- активных веществ при снижении поверхностного натяжения на границе раздела фаз до 0,1 — 0,5

МДж/м2. Такие эмульсии получаются при эмульгировании масла мылами жирных кислот или не-

ионогенными эмульгаторами сильной степени гидрофильности (ГЛБ-13 и выше).

В зависимости от степени дисперсности масляной фазы эмульсии могут быть ста- бильными, полустабильными и нестабильными, что влияет на их физико-химические и тех- нологические свойства (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение свойств эмульсии с коллоидными системами и истинными растворами

 

Свойства час-

тиц масла

Эмульсин

Коллоид-

ные

системы

Истинные

растворы

Стабильные

Полустабильные

Нестабильные

Размеры,мкм

0,5-20

20-50

50

0,1-0,001

0,001

Диффузия

Нет

Нет

Нет

Слабо

Хорошо

Концентрация

эмульгаторов

Большая

Средняя

Отсутствует

или недостаточно

Видимость в

оптическом микроскопе

Видимы

слабо

Видимы

Видимы хо-

рошо

Невидимы

Невиди-

мы

Видимость в

электронном микроскопе

Видимы

>> 

Видимы

Видимы

Видимы

слабо

Смазывающая

способность

Малая

Средняя

Большая

Моющая спо-

собность

Большая

Малая

Высокая

Способность к

очистке:  фло-

тация

Возможна

Ограниченно

возможна

Возможна

при одно- временном удалении масла

Магнитная

сепарация

>> 

Возможна

Возможна

Ограни-

ченно воз-

можна

Фильтрация

>> 

Не возможна*

Не возмож-

на*

Возможна

Возмож-

на

Время фильт-

рации без от- деления мас- ла, мин

15-30

10-20

2-3 при ин-

тенсивной циркуляции

Более 60

мин

* При фильтрации неизбежно частичное расслоение эмульсии.

 

Применение стабильных эмульсий на станах прокатки тонкого листа от 0,4 мм и выше и полустабильных эмульсий вместо водо-масляных смесей на станах жести обусловливается не только возможностью добиться достаточной выкатываемости тонкого листа и жести с меньшей разнотолщинностью профиля и лучшей геометрией и чистотой поверхности [2, 5], но и гарантией более эффективной работы очистных сооружений, что в совокупности ведет к сокращению затрат на технологические вспомогательные средства.

Стабильность эмульсии зависит от вида эмульгатора, причем эмульсии, в которых эмульгатором являются мыла (Э-2Б, ЭТ-2 и др.), в результате их взаимодействия с солями менее стабильны (рис. 7).

Длительная эксплуатация стабильной эмульсии позволяет упростить задачу очистки сточных вод и ликвидации отработанных эмульсий. Известно, что ликвидация 1 т эмульсии обходится зачастую дороже, чем стоимость 1 т новой [13]. Поэтому эксплуатация эмульсии в течение длительного времени практически без слива является целесообразной и необходи- мой. Опыт работы эмульсионной системы стана 2500 ММК на эмульсии с неионогенным

эмульгатором  (стеарокс)  и  зарубежный  опыт  показывают  возможность  использования эмульсии в течение года и даже нескольких лет без ее замены.

 

57,5

2

 

50

 

40

Подпись: Выделевшееся масло, \% →1

 

30

 

20

 

3

 

10

 

0          6          12        18

 

Длительность работы, ч →

 

Рис. 7. Изменение стабильности эмульсий по  мере их эксплуатации:

1 – эмульсия эмульсола Э-2(Б);  2 – эмульсия  эмульсола  ЭТ-2;

3 – эмульсия  с неионогенным эмульгатором

 

Стабильность эмульсий зависит от концентрации фаз, тонкости эмульгирования, ко- личества и свойств эмульгатора. При концентрациях мыл до 0,005 моль/л эмульсия разруша- ется в течение часа, в то время как при концентрации 0,08—0,12 моль/л эмульсии не рас- слаиваются в течение нескольких месяцев.

Даже при недостатке эмульгаторов эмульсии с очень малым размером частиц (менее

0,5—1,0 мкм), полученные механическим путем (например, дроблением в ультразвуке), ста- бильны многие месяцы. Однако в практике прокатного производства применение ультра- звука и других способов интенсивного дробления эмульсий не нашло применения из-за тех- нологических трудностей. Поэтому получение стабильных эмульсий достигается выполне- нием необходимых требований к воде и выбором эмульгатора.

Повышение температуры способствует движению капель, их коалеcценции и, следо- вательно, снижению стабильности. Кроме этого, температура эмульсии непосредственно связана и с ее окислением в процессе эксплуатации [2]. Кислород воздуха, присоединяясь по местам двойных связей ненасыщенных соединений, образует продукты полимеризации, ко- торые снижают стабильность. Параллельно возможны процессы окисления углеводородов до кислот. Кислотность эмульсии обычно возрастает в процессе эксплуатации. При этом повы- шение стабильности достигается иногда добавкой соды, нейтрализующей кислоту. Однако это относится только к эмульсиям, стабилизированным мылами, в которых повышение ки- слотности вызвано образованием жирных кислот. В эмульсиях, содержащих низкомолеку- лярные нафтеновые кислоты, добавка соды нейтрализует кислоту, влияя тем самым на ста- бильность эмульсии не повышением количества эмульгатора, а изменением концентрации водородных ионов. Наиболее устойчивые эмульсии с мылами получаются при рН = 8,0–8,5.

Вид масла существенно влияет на стабильность эмульсии. Из минеральных масел сравнительно легко эмульгируют масла индустриальные 12—30, хуже эмульгируют высоко- очищенные масла большой вязкости, например, цилиндровые. Для их эмульгирования тре-

буется в полтора-два раза больше эмульгатора, чем для легких масел. Чем однородней состав углеводородов масла, тем труднее оно эмульгирует. Из двух масел с одинаковой вязкостью, одно из которых получено отгонкой узкой фракции нефти, а второе смешением разных фракций, последнее эмульгирует значительно лучше. Присадки жиров к минеральным мас- лам улучшают эмульгируемость. Жиры обычно эмульгируют хуже минеральных масел сред- ней и низкой вязкости, но лишь в том случае, если в них отсутствуют или очень мало сво- бодных кислот, легко образующих мыла.

Способ приготовления эмульсии, определяя размер частиц, существенно влияет на их стабильность. Наилучшие результаты получаются при добавлении в заранее приготовленный эмульсол (масло с эмульгатором) малыми порциями воды с интенсивным перемешиванием. Температура должна быть около 50—70° С и заведомо выше температуры плавления самого тугоплавкого компонента эмульсии.

При введении первых порций воды (5—10\%) происходит, как правило, образование обратной эмульсии, т. е. масло является внешней фазой, а вязкость эмульсола существенно возрастает. В эмульсиях при добавлении внутренней фазы вначале всегда наблюдается рас- слоение, в то время как добавление внешней фазы не приводит к образованию границ, и она легко растворяется. Этот признак может служить для идентификации типа эмульсии. В про- цессе приготовления эмульсии из-за образования эмульсии воды в масле добавляемая вода входит в состав смеси постепенно и лишь при интенсивном перемешивании. Обращение фаз начинается обычно при 30\% воды и заканчивается при 30—50\% масла, что обнаруживается по резкому уменьшению вязкости.

Концентрат, содержащий менее 30\% масла, пригоден для транспортировки из мешал- ки по трубопроводам и может быть далее разведен водой любой температуры до нужной концентрации.

Известные трудности представляет приготовление эмульсии с натровыми мылами жирных кислот, особенно предельных, так как эти мыла с трудом растворимы в масле и по- лучить безводный эмульсол путем смешения компонентов практически невозможно. В этом случае сначала готовят раствор мыла 30—50\%-ной концентрации и к нему при помешивании добавляют все масло. Получившуюся обратную эмульсию постепенно разводят водой.

При прокатке с эмульсией, так же как и с маслами, на смазочную способность оказы-

вает влияние температура контакта, скорость относительного скольжения и давление.

Особенно важно влияние температуры, которое многократно исследовалось [3, 14]. Предельная контактная температура в зоне деформации может колебаться в зависимости от состава эмульсии, однако, по всем известным данным, минимум сил трения соответствует примерно 140° С, а максимально допустимая температура, обеспечивающая отсутствие де- фектов, около 180° С. Температура полосы при смотке должна быть выше 100° С, так как ос- татки воды могут не выпариться при низкой температуре; обычно она составляет120—140°С. Повышение температуры до 150—180° С, с одной стороны, свидетельствует о перегреве в зоне деформации, а с другой — может привести к образованию пятен в уже смотанном рулоне.

Следует отметить, что пленка смазки, возникшая при промасливании, сказывается на смазочной способности при прокатке в двух-трех пропусках. Поэтому при оценке смазочно- го действия на прокатных станах, по крайней мере в первой и второй клетях, это необходимо учитывать.

Смачивание поверхности и охлаждение улучшаются с избытком эмульгатора. Одно- временно с повышением смачиваемости облегчается удаление частиц износа, увеличивается моющая способность эмульсии. Моющему действию способствует и образование пены, од- нако смазочная способность при этом падает. Поэтому в известной мере улучшение охлаж- дения и моющей способности эмульсий находится в противоречии с ее смазочной способно- стью, и оптимальный состав эмульсии следует выбирать индивидуально с учетом этой осо- бенности.

Образование пены в  эмульсии обычно нежелательно. Положительное влияние не-

большого количества пены сказывается только в резервуарах-отстойниках, в которых вместе

с пеной удаляются шлам и посторонние, обычно более тяжелые и трудно эмульгируемые масла. Наличие некоторых ПАВ (ОП-7, ОП-10, мыла олеиновой кислоты и т.д.) может вы- звать сильное пенообразование.

Пенистость эмульсии сильно меняется при введении в них мелких нерастворимых частиц. Мелкие частицы, равномерно распределяющиеся в эмульсии при взбалтывании, раз- рушают адсорбированную на пузырьках воздуха мыльную пленку, чем понижают их устой- чивость. При попадании легкого масла из смазочной системы оборудования стана в эмуль- сию пенистость также понижается.

В работающих эмульсиях содержится значительное количество загрязнений (органи- ческих и металлических), которые препятствуют пенообразованию. Поэтому даже эмульсии, стабилизированные анионоактивными мылами, в процессе работы дают незначительное ко- личество пены и тем меньше, чем дольше эмульсия используется. Опыт эксплуатации сма- зочно-охлаждающих систем с интенсивной циркуляцией эмульсии (цикл оборота 5—7 мин) и ее большим расходом (до 500—800 м3/ч) показывает, что пенообразование обычно приме- няемых эмульсий не представляет опасности.

При эксплуатации нежелательно пенообразование в процессе приготовления эмуль- сий в малых емкостях (концентрированная эмульсия для смазочно-охлаждающих и промас- ливающих систем, малогабаритные емкости для промасливающих эмульсий).

Коррозионное воздействие эмульсий проявляется как в процессе ее прямого воздейст-

вия на оборудование и полосу, так и на поверхность полосы после прокатки.

Одной  из  характеристик   коррозионной   активности эмульсии является показатель рН, который в эмульсиях, стабилизированных мылами, должен быть равен 8—8,5. Это соот- ветствует и наибольшей стабильности эмульсий. Нейтрализация свободных кислот обычно производится кальцинированной содой или, реже, едким натром, которые в концентрации до

0,5 и 0,02\%  (соответственно) не вызывают коррозию чугунной пластинки.

Нейтрализация свободных жирных кислот едким натром или содой, увеличивает за- соление эмульсий, что совместно с избытком солей, занесенных полосой из травильных ванн, ведет к пригарам эмульсии и черным пятнам после прокатки, а также к пригарам и ржавлению после отжига [2].

В этом отношении предпочтительней омыление кислот и их нейтрализация органиче- скими щелочами (например, триэтаноламином). Однако производственная практика показы- вает, что эмульсии с триэтаноламиновым мылом олеиновой кислоты 59Ц  [15] весьма агрес- сивны не только для цветных металлов (медь и ее сплавы), но и для стали. Очевидно, ре- шающую роль играет вид кислоты. В частности, применение эмульсий с мылами олеиновой кислоты ведет к значительному загрязнению поверхности продуктами износа.

Можно считать, что эмульсия коррозионно безопасна, если рН = 8,0, свободная ще- лочность — не более 0,1 — 0,2\%, свободных жирных кислот — менее 0,2—0,3\%, свободных нафтеновых кислот — менее 0,15\%, а ионов хлора и сульфатов — не более 25 и 60 мг/л.

Для эмульсий, стабилизированных неионогенными эмульгаторами, характерно почти полное отсутствие свободных кислот и щелочей, для них допустимо рН = 7,2-7,5.