| Свойства ЖСС с момента их приготовления быстро изменяются во времени. Причиной этого является разрушение пены и протекающий в системе процесс структурообразования.
Для изучения реологических свойств структурированных систем существуют, различные методы. Вискозиметрические методы позволяют установить непосредственную связь между напряжением и скоростью сдвига.
Метод С. Я. Вейлера и П. А. Ребиндера основан на тангенциальном смещении рифленой пластинки, погруженной в исследуемую систему. Напряжение сдвига в этом случае вычисляют по растяжению предварительно прокалиброванной пружины.
Использованный нами (совместно с С. С. Жуковским) для определения реологических свойств жидких смесей ротационный вискозиметр РВ-4 конструкции М. П. Воларовича (рис. 78) состоит из двух цилиндров — неподвижного цилиндра 1 с рифленой внешней поверхностью, расположенного соосно внутри полого, вращающегося цилиндра 2. Пространство между цилиндрами заполняется жидкой смесью. Полый цилиндр приводится во вращение с помощью грузов, прикрепляемых к нити, перекинутой через блоки 3 и намотанной на барабан 4. Система предусматривает возможность непрерывного нагружения нитей вискозиметра. С помощью описанного прибора снимали реологические кривые течения при различной нагрузке и соответственно различной частоте вращения внешнего цилиндра. По полученным экспериментальным данным с использованием известных формул рассчитывали реологические характеристики смеси — предельное напряжение сдвига θ и пластическую вязкость η'.
Изучали жидкую самотвердеющую смесь с феррохромовым шлаком обычного состава, в качестве пенообразователя применяли контакт Петрова (газойлевый), с мылонафтом. Для получения смесей с различной текучестью изменяли интенсивность перемешивания — число оборотов смесительного вала в минуту было равным 32; 38 и 52.
Результаты опытов представлены на рис. 79. Полученные кривые течения свидетельствуют о том, что ЖСС является типичной вязкопластичной системой, для которой характерно наличие предельного напряжения сдвига. С увеличением интенсивности перемешивания подвижность жидкой смеси возрастает и предельное напряжение сдвига уменьшается, в то время как пластическая вязкость почти не изменяется. Отсюда следует вывод, что реологические свойства жидкой смеси характеризуются в основном предельным напряжением сдвига, а не пластической вязкостью.
Как уже отмечалось, величиной предельного напряжения сдвига можно с достаточной точностью оценивать степень текучести или подвижности жидкой смеси.
Влияние продолжительности и интенсивности перемешивания.
На рис. 80 показано влияние продолжительности перемешивания на текучесть (предельное напряжение сдвига) и объем воздухововлечения смеси на жидком стекле без отвердителя. С увеличением продолжительности перемешивания текучесть смеси повышается (предельное напряжение сдвига падает), а объем воздухововлечения возрастает, причем эти две характеристики между собой тесно связаны: чем больше воздухововлечение, тем выше текучесть.
По-иному ведет себя ЖСС типового состава с феррохромовым шлаком. Влияние продолжительности перемешивания этой смеси в промышленном смесителе емкостью 150 л на ее текучесть, характеризуемую диаметром расплыва конуса, и прочность показано на рис. 81. С увеличением продолжительности перемешивания текучесть самотвердеющей смеси возрастает до определенного предела, затем начинает падать и смесь постепенно переходит из жидкого состояния в сыпучее. Снижение текучести является следствием начинающегося при перемешивании смеси процесса твердения. Прочность смеси с увеличением продолжительности перемешивания непрерывно снижается, что отчасти объясняется повышением пористости смеси с возрастанием объема воздухововлечения, а также начинающимся процессом твердения и разрушением возникающей структуры.
Предельно возможная продолжительность перемешивания смеси в смесителях периодического действия после ввода жидкой композиции определяется активностью отвердителя. Для шлака средней активности продолжительность перемешивания не должна превышать 5—6 мин.
Повышение интенсивности перемешивания путем изменения частоты вращения лопастного вала приводит к весьма значительному повышению текучести и оказывает небольшое влияние на прочность смеси.
Зависимость текучести смеси от интенсивности перемешивания в смесителе емкостью 200 л представлена на рис. 82. Таким образом, продолжительность и интенсивность перемешивания могут служить эффективным средством повышения текучести ЖСС, однако пользоваться ими можно в разумных пределах.
Следует также иметь в виду, что с помощью названных технологических приемов повышение текучести без ущерба для прочности может быть достигнуто путем введения отвердителя в смесь в последнюю очередь.
Новые возможности для приготовления смесей с высокой текучестью открываются при использовании смесителей непрерывного действия, в которых продолжительность перемешивания смеси очень короткая, а частота вращения смесительного вала легко регулируется.
Влияние плотности жидкой композиции и ее расхода. Зависимость предельного напряжения сдвига и объема воздухововлечения от плотности жидкой композиции, состоящей из жидкого стекла, воды и контакта Петрова, для смеси без отвердителя показана на рис. 83.
Расход композиции составлял 8% от массы песка. Максимальные текучесть и объем воздухововлечения наблюдаются при плотности жидкой композиции 1,2—1,3 г/см3. Характер полученных зависимостей, по-видимому, объясняется влиянием вязкости жидкой композиции на условия пенообразования. Как известно, с понижением вязкости раствора пенообразующая способность возрастает, а устойчивость пены снижается. Поэтому снижение вязкости вызывает вначале увеличение объема воздухововлечения и повышение текучести.
Вместе с тем постепенное снижение устойчивости пены приводит к тому, что часть ее начинает разрушаться в процессе пенообразования. При большом снижении вязкости скорость разрушения пены, по-видимому, начинает превышать скорость ее образования, что приводит к уменьшению объема воздухововлечения и снижению текучести.
В типовых составах ЖСС плотность и расход жидкой композиции обычно определяются рецептурой смеси. Для смесей с жидким стеклом плотность колеблется в пределах 1,30—1,36 г/см3.
Данные по влиянию расхода жидкой композиции плотностью 1,35 г/см3 на рассматриваемые свойства приведены на рис. 84.
Как и следовало ожидать, текучесть смеси с увеличением расхода жидкой композиции непрерывно возрастает — предельное напряжение сдвига снижается. При большом расходе жидкой составляющей объем вовлеченного воздуха в смеси почти не меняется, несмотря на то что текучесть при этом возрастает. Вероятно, повышение текучести в данном случае происходит за счет увеличения в системе жидкой фазы. Кроме того, при большом насыщении межзеренного пространства жидкостью условия пенообразования ухудшаются, а размеры образующихся пузырьков пены уменьшаются.
Влияние выдержки смеси после приготовления. Текучесть смесей после приготовления непрерывно снижается. Соответствующие экспериментальные данные для четырех составов жидких смесей с отвердителями и без них представлены на рис. 85. Из сопоставления кривых 1 и 3, 2 и 4 видно, что текучесть смесей с отвердителем меньше и снижается она быстрее, чем текучесть смесей без отвердителя. Снижение текучести при добавке в смесь тонкодисперсного шлака понятно, так как это равнозначно уменьшению в системе количества жидкой фазы. Постепенное ухудшение текучести смеси с момента ее приготовления объясняется непрерывным разрушением пены. В присутствии отвердителя разрушение пены ускоряется вследствие начинающегося процесса структурообразования, приводящего к частичному связыванию воды и обезвоживанию пленок пены.
Приведенные данные имеют важное значение для практики применения жидких смесей. В частности, они указывают на то, что часто применяющиеся в производственной практике переливы приготовленной смеси в промежуточные емкости приводят к снижению текучести смесей и ухудшению качества готовых стержней и форм.
Влияние состава и количества пенообразователя. Влияние содержания мылонафта в жидкой смеси с 0,5 мас. ч. контакта Петрова (без отвердителя) на ее текучесть, оцениваемой предельным напряжением сдвига, и объем воздухововлечения показано на рис. 86. С увеличением количества мылонафта до 20% от массы контакта Петрова наблюдается интенсивное повышение текучести; при дальнейшем увеличении мылонафта текучесть изменяется мало. Объем воздухововлечения монотонно возрастает. Мылонафт снижает прочность и газопроницаемость ЖСС. Так, при содержании в смеси 0,2% мылонафта прочность ее примерно в 2 раза ниже, чем при содержании одного контакта Петрова. Снижение газопроницаемости с увеличением в смеси мылонафта связано с повышением устойчивости пены.
ДС-РАС является сильным пенообразователем и придает смесям высокую текучесть. С повышением в ЖСС содержания ДС-РАС текучесть ее возрастает, а прочность снижается. Содержание ДС-РАС в составах ЖСС на жидком стекле следует ограничить минимально необходимым количеством (0,10—0,15%).
Приведенные данные показывают, с помощью каких факторов и в какой мере можно управлять текучестью ЖСС. Для ее регулирования могут быть использованы все рассмотренные факторы, однако наиболее эффективными из них являются интенсивность и продолжительность перемешивания (при оптимальной рецептуре смеси).
Следует обратить внимание также на прямую связь между текучестью и пенообразованием. Во всех случаях повышение объема воздухововлечения сопровождалось возрастанием текучести смеси. Это является дополнительным подтверждением справедливости наших теоретических представлений о механизме перехода смесей в жидкое состояние.
Описанный выше характер зависимости текучести от различных факторов проиллюстрирован нами на примере ЖСС с жидким стеклом. Эти зависимости, так же как и методы регулирования текучести, в равной мере справедливы и для всех других составов жсс.
Живучесть
Под живучестью формовочной смеси подразумевают время сохранения смесью свойств формуемости. До сих пор нет единого метода определения живучести обычных самотвердеющих смесей. Для ЖСС живучесть характеризуется временем, в течение которого смесь сохраняет свойство подвижности или текучести и с ней можно осуществлять различные технологические операции — транспортировку, разлив, простановку каркасов и др.
Живучесть ЖСС определяется двумя важными характеристиками смесей — устойчивостью пены и индукционным периодом твердения. Если индукционный период больше устойчивости пены, живучесть будет определяться вторым параметром и регулировать живучесть можно, изменяя устойчивость пены. Если же индукционный период меньше устойчивости пены, живучесть будет зависеть от первого параметра. В этом случае живучесть может быть увеличена за счет замедления твердения смеси.
В предыдущих главах были подробно рассмотрены различные методы регулирования устойчивости пены и индукционного периода твердения и даны соответствующие рекомендации. Однако оба эти параметра смеси не могут меняться произвольно и независимо друг от друга, поскольку они между собой взаимосвязаны. Связь между устойчивостью пены и индукционным периодом твердения и ее влияние на формирование других свойств ЖСС будут подробно рассмотрены ниже.
Газопроницаемость
Характерной особенностью ЖСС, отличающей их от известных формовочных смесей, является то, что их газопроницаемость изменяется во времени и даже для одной и той же смеси может колебаться в широких пределах.
Она зависит от следующих факторов: режима перемешивания и соответственно от объема воздухововлечения; вида и состава пенообразователя; устойчивости пены и скорости твердения; структуры наполнителя; температуры воздуха.
Несмотря на сравнительно большое количество работ, посвященных изучению газопроницаемости жидких смесей, до настоящего времени нет достаточно надежных методов ее регулирования. В известных работах газопроницаемость рассматривается в отрыве от других технологических факторов, а имеющиеся рекомендации по ее повышению сводятся в основном к снижению устойчивости пены в смеси. Такой односторонний подход к рассмотрению и регулированию газопроницаемости, как будет показано ниже, может привести к ухудшению остальных свойств. В то же время жидкие смеси, благодаря своей структуре, могут иметь очень высокую, недостижимую для других смесей газопроницаемость.
Из перечисленных факторов наиболее сильное влияние на газопроницаемость оказывают вид и состав пенообразователя, а также температура окружающей среды. Ниже приводятся экспериментальные данные о влияниии этих факторов на газопроницаемость по результатам работы, выполненной А. С. Варшавским совместно с П. А. Борсуком.
В качестве пенообразователей применяли контакт Петрова с мылонафтом и ДС-РАС с пеногасителем НЧК.
Влияние температуры воздуха. Кинетика изменения газопроницаемости К типового состава ЖСС с 0,1% ДС-РАС при различных температурах представлена на рис. 87.
Из приведенных кривых видно, насколько сильно влияет температура воздуха на газопроницаемость смесей. При температурах 5—10°С она близка к нулю, и лишь при 30—35° С достаточно высока.
Влияние нагрева смеси. Учитывая большое влияние температуры воздуха на газопроницаемость, можно было ожидать, что нагрев смеси приведет к быстрому восстановлению газопроницаемости. Результаты опытов, проведенных нами совместно с А. Г. Оводовым, представлены на рис. 88. Нагревали смеси с различной исходной газопроницаемостью.
Быстрое восстановление газопроницаемости начинается при температуре 60—80° С. Для смесей с исходной газопроницаемостью 100 ед. и более полное восстановление газопроницаемости наступает при нагреве до 100° С. Для смесей с низкой начальной газопроницаемостью — при нагреве до 140—150° С.
Приведенные данные имеют важное значение для выбора режима подсушки стержней или красок при низкой исходной газопроницаемости смеси. Для восстановления газопроницаемости центральная зона стержня должна прогреться до 80—100° С.
Влияние состава пенообразователя. Газопроницаемость ЖСС при пониженных и средних температурах можно значительно повысить при дополнительном введении в смесь с ДС-РАС пеногасителя НЧК. Добавка 0,04% НЧК (от массы смеси) приводит к быстрому восстановлению газопроницаемости, величина которой при всех температурах достигает максимального значения (400— 500 ед.) уже через 2 ч. В этом случае газопроницаемость смесей практически не зависит от температуры. Аналогичным образом изменяется газопроницаемость жидких смесей, содержащих 0,5% контакта Петрова и 0,05% мылонафта.
ЖИДКИЕ САМОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ
П.А. БОРСУК, А.М. ЛЯСС
МОСКВА, 1979 |
