8. Основы процессов смесеприготовления и методы их контроля

Процесс приготовления смесей для разовых форм и стержней за­ключается в смешивании твердых (наполнитель) и жидких (свя­зующая композиция) составляющих. При перемешивании на по­верхности частиц наполнителя образуются пленки, связывающие между собой смежные зерна. Связывание разрозненных зерен на­полнителя в единую систему (смесь) обусловлено возникновением сил сцепления между поверхностью зерен и пленкой связующего (адгезией), а также наличием сил связи между частицами самого связующего вещества (когезией).

Применительно к условиям приготовления формовочных и стержневых смесей процесс смесеприготовления может быть ус­ловно разделен на собственно перемешивание, обволакивание и ак­тивацию, которые в зависимости от режима совершаются последо­вательно или одновременно. Смесеобразованию обычно сопутствуют весьма важные в технологическом отношении физико-хими­ческие явления.

Так, при смешивании кварцевого песка с водой ее молекулы ориентируются определенным образом по отношению к ионам, расположенным на поверхности зерен кварца, покрывая их слоем «жесткой» воды и образуя водородные связи. При сближении ув­лажненных зерен песка водные оболочки вступают в электростати­ческое взаимодействие, связывая между собой эти зерна.

Еще более сложные процессы происходят при взаимодействии наполнителя с многокомпонентными связующими: бентонитовыми, смоляными, жидкостекольными и др. В идеальном случае при сме­шивании каждое зерно наполнителя должно быть окружено обо­лочкой связующего вещества. Интенсивность перемешивания по­крытия (обволакивания) и активации определяется физико-химиче­скими свойствами компонентов, конструкцией рабочих органов смесителя и интенсивностью перемешивания (числом уплотнений и разрыхлений каждого элемента смеси в единицу времени).

8.1. Формирование структуры и свойств формовочной смеси в процессе смесеприготовления

В общем случае приготовление формовочной смеси представля­ет собой процесс образования термодинамически устойчивой ске­летной системы коагуляционного типа. При неизменном составе и отсутствии химических взаимодействий система обратима по проч­ности, т.е. может многократно разрушаться и восстанавливаться. Та­ким образом, процесс перемешивания есть непрерывное разрушение и образование коагуляционных контактов. Он сопровождается рос­том межфазной поверхности раздела «связующее - наполнитель» за счет более равномерного распределения связующего по объему сме­си (увеличение количества контактов) и более полного обволакива­ния зерен наполнителя (увеличение площади контакта). Параллельно из отдельных компонентов жидкой фазы - дисперсионной среды (связующее, специальные добавки, вода и т.д.) - идет образование связующей композиции (суспензии, эмульсии, коллоидного раство­ра) и своего рода механическая активация связующего. Образование гомогенной связующей композиции и ее равномерное распределение по объему смеси происходят со значительным опережением процесса образования равномерной пленки связующего на поверхности зерна наполнителя и активации связующего (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Влияние типа смесителя и состава смеси на процесс смесеприготовления:

а - распределение связующего в объёме смеси; б - достижение максимальной

прочности; 1-3 - ПГС (бентонит - 8%, влажность - 4%);

4-6 -жидкостекольная смесь

Оценка равномерности распределения связующего (рис. 8.1, а) осуществлялась с помощью лабораторного СВЧ-влагомера ИВЛ-1 (см. рис. 7.2) по максимальному отклонению от среднего значения уровня поглощения микроволнового сигнала (∆N) в различных уча­стках исследуемого объема смеси. Оценка степени распределения связующего и момента завершения пленкообразования на поверх­ности зерен наполнителя осуществлялась фиксированием достиже­ния максимальной прочности (рис. 8.1, б). Как видно из рисунка, разница во времени между окончанием распределения связующего по объему смеси и моментом завершения процесса обволакивания связующим поверхности зерен наполнителя характерна для любых смесей и всех типов смесителей. Эта разница тем больше, чем выше вязкость и собственная структурная прочность связующего.

Оба названных процесса, а также увеличение межфазной по­верхности раздела и образование связующей композиции в соответ­ствии с законами термодинамики происходят с поглощением энер­гии. При этом второй процесс (образование связующей компози­ции) энергетически существенно менее емкий и в меньшей степени оказывает влияние на кинетику смесеобразования. Энергозатраты в процессе перемешивания зависят в первую очередь от реологиче­ских характеристик (вязкости) связующей композиции и условий смачивания на поверхности раздела «связующее - наполнитель». Одним из критериев качества перемешивания и энергоемкости про­цесса может служить число контактов, образовавшихся в единице объема смеси уплотнения (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Кинетика образования коагуляционных контактов:

1 — жидкие связующие (скоростной шнековый смеситель);

2 - глинистая суспензия (бегуны периодического действия)

Из рисунка видно, что приготовление песчано-глинистых смесей требует существенно больших энергозатрат, чем песчано-смоляные или жидкостекольные смеси, что объясняется низкой структурной вязкостью смоляных и жидкостекольных связующих по сравнению с глинистыми.

При смешивании происходит равномерное распределение от­дельных компонентов смеси и формирование на поверхности на­полнителя оболочки связующего. На этой стадии создается струк­тура, качество которой наряду со свойствами исходных материалов определяют свойства упрочненной смеси.

Силы адгезии и когезии связующего, находящиеся в функцио­нальной зависимости от сил его поверхностного натяжения, оказы­вают решающее влияние на качество структуры смеси. Все литей­ные связующие, несмотря на различную природу, обладают адгези­ей к наполнителям. Наличие этих сил позволяет сформировать обо­лочку из связующего материала вокруг зерна наполнителя, в про­тивном случае можно получить только механическую смесь не­скольких компонентов с неупорядоченной структурой.

Исходя из принципов термодинамического равновесия системы при смачивании, наиболее рациональной является следующая оче­редность смешивания формовочных материалов:

1) первым после наполнителя вводится твердый порошкообраз­ный материал (глина, нефелиновый шлам, маршалит и др.). При смешивании этот материал вследствие возникновения поверхност­ного электростатического заряда (трибоэффекта) равномерно рас­пределяется по поверхности наполнителя при минимальных энерго­затратах;

2) вторым вводится жидкое связующее. Если связующее состоит из нескольких компонентов, то первым из них вводится материал, обладающий меньшим краевым углом смачивания;

3) последующее распределение вещества с большим краевым уг­лом смачивания требует меньших затрат энергии, поскольку оно происходит по слою жидкости, функционирующему как смазка.

При соблюдении этих условий энергозатраты и, следовательно, время перемешивания будут минимальными. Состояние системы приближается к термодинамическому равновесию, что позволяет достичь экстремальных значений свойств смеси после ее упрочне­ния. При нарушении этих условий, например, для улучшения пыления, что часто происходит в реальных условиях, глина вводится в песок после воды, время перемешивания увеличивается и уменьша­йся прочность высушенной смеси [5].

Важными технологическими факторами, определяющими как эф­фективность процесса смесеприготовления, так и качество смеси, являются количество в ней связующего материала, а также длитель­ность перемешивания компонентов. И в том, и в другом случае тре­буется соблюдение оптимальных условий, которые определяются как видом связующего материала, так и типом смесителя. Говоря об оп­тимальности длительности перемешивания компонентов, следует иметь в виду, что максимально высокие свойства смесь приобретает только в период равномерного распределения пленки связующего по поверхности зерен наполнителя. Увеличение продолжительности смешивания сверх оптимального приводит к тому, что получаемая системой энергия начинает расходоваться не на формирование тре­буемой структуры смеси, а на удаление воды или растворителя из пленки связующего. Это приводит к появлению в связующей системе внутренних напряжений, ослабляющих когезионные и адгезионные связи и, как следствие, к падению прочности и ухудшению других физико-механических свойств приготавливаемых смесей.

Аналогичная экстремальная зависимость существует между проч­ностью смеси и количественным содержанием в ней связующего ма­териала, при малых количествах которого значительная часть зерен наполнителя не покрыта пленкой связующего и смесь имеет недоста­точную прочность. Только при достижении в смеси оптимального количества связующего происходит формирование его пленки, рав­номерно распределенной по поверхности зерен наполнителя (см. рис. 8.2,6), создание межзеренных манжет связующего и, как следствие, приобретение смесью максимально высокой прочности.