Влияние ультразвуковой обработки на вязкость водно-глинистых суспензий для песчано-глинистых смесей

Основным способом получения отливок в литейном производстве является литье в песчано-глинистые формы. В качестве связующего компонента таких формовочных смесей используются огнеупорные глины, которые в заводских условиях вводят в сухом виде (порошки), а также в виде суспензий различной плотности. По сравнению с сухим способом ввода глины в формовочную смесь использование водно-глинистых суспензий является более эффективным ввиду большей степени набухания глины, меньшего расхода, сокра- щения времени реагирования с элементами формовочной смеси и экологически более безопасным при использовании.

Основным параметром, который следует учитывать при использовании водно-глинистых суспензий, является вязкость (условная, динамическая), а также ее изменение при приложении нагрузки при формообразовании.

Объект исследования

Объектом исследования являлась бентонитовая глина Зыряновского месторождения Курганской области марки П1Т1А.

Целью настоящей работы было исследование влияния частоты и времени ультразвуковой обработки на вязкость водных суспензий бентонитов Зыряновского месторождения для последующего получения глинистых суспензий в соответствии с требуемыми технологическими регламентами на применение растворов.

Экспериментальная часть

При ультразвуковой обработке дисперсной системы, в которой создается волновая картина, условно могут быть выделены четыре зоны. Первая зона – зона активного диспергирования твердой фазы, начинающаяся на поверхности излучателя волн и заканчивающаяся во второй переходной зоне, в которой наступает неустойчивое динамическое равновесие между процессами диспергирования и коагуляции. Третья зона – зона волновой и гидродинамической коагуляции. Четвертая зона – зона устойчивого структурнореологического равновесия состояния твердой фазы раствора.

В зоне активного диспергирования основная роль в измельчении твердой фазы принадлежит кавитационным процессам. Диспергирование твердых частиц в условиях кавитации сопровождается гидромеханическим и термическим разрушением их адсорбционно-сольватных слоев. Диспергирование глины в растворе происходит в основном по слабым местам – дефектам их кристаллических решеток. Во второй, переходной, и третьей зоне идет процесс волновой и гидродинамической коагуляции, при этом чем выше концентрация твердой фазы в растворе, тем заметнее склонность частиц к сближению. Однако восстановление прежнего до диспергирования состояния полидисперсной системы вследствие коагуляции не происходит, так как фрагменты агрегатов и крупных частиц не восстанавливаются в единое целое, притянув на себя воду и образовав за счет более высокой удельной поверхностной энергии сольватную оболочку, имеющую монослой сильно связанной воды, которая не дает ван-дер-ваальсовым силам полностью сблизить мелкие частицы твердой фазы [1].

При обработке низкими частотами в до-кавитационной области до 20 кГц ультразвук увеличивает скорость коагуляции, а с повышением мощности способствует диспергированию [2]. В ультразвуковом поле малой мощности легкие дисперсные частицы следуют за средой, тогда как крупные частицы очень мало увлекаются жидкостью. Возникающий ортокинетический эффект приводит к тому, что частицы в ультразвуковом поле различаются по амплитуде и фазе колебательного движения. В результате мелкие частицы, пронизывая среду, должны оказаться в поле действия молекулярных сил крупных частиц. Преодоление барьера отталкивания и коагуляции возможно лишь тогда, когда амплитуду колебания частиц можно сравнить с расстоянием между ними. В ультразвуковом поле потоки жидкости, обтекающие большую частицу, должны деформировать двойной электрический слой. Возникший индуцированный диполь с большим электрическим моментом способен поляризовать двойной электрический слой малой частицы. В этом случае в результате поляризационного взаимодействия увеличивается вероятность дальнейшей агрегации. Это наблюдается при использовании ультразвукового поля малой мощностью до 20 кГц [3].

При увеличении мощных ультразвуковых полей в дисперсных системах протекают разного рода изменения в жидкой среде, происходящие вследствие захлопывания и пульсирования кавитационных полостей, которые определяются совокупностью механических, тепловых, химических и электрических эффектов.

В объеме суспензии при обработке ультразвуковым полем возникают одномерные периодические коллоидные структуры (ПКС). Ультразвуковое поле может вызвать как деформацию двойного электрического слоя, так и поляризацию молекул жидкости вблизи поверхности раздела. Последнее должно определить, с одной стороны, увеличение устойчивости к непосредственному слипанию микрообъектов, с другой – проявлению электрических сил, обусловленных ориентацией дипольных молекул. Некоторые исследователи [3, 4] предполагают наличие ориентационного эффекта в жидкости, обусловленного распределением ультразвуковой волны. В этом случае можно объяснить поглощение ультразвука периодической перегруппировкой ориентированных молекул.

В работе исследовались 5%-ные (по массе) водно-глинистые суспензии. Следует отметить, что для системы, в которой содержание бентонитовой глины составляет 5–10 % по массе, процесс образования суспензии протекает свободно и быстро, так как в данной системе достаточно свободной воды для взаимодействия с минералами глины при набухании.

Полученные суспензии исследовали на условную вязкость, для определения которой использовался вискозиметр ВЗ-2. Измерения динамической вязкости производились при помощи ротационного вискозиметра Brookfield Rheo V 2.8. Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений динамической вязкости ±1 %. Скорость сдвига возрастала по определенному набору скоростей от 20 до 140 с–1. Динамическая вязкость замерялась в момент смены скорости вращения. За результат испы- тания принимали среднее арифметическое результатов трех определений. Расхождение между результатами параллельных определений не превышало 5 %.

Ультразвуковую обработку проб суспензий проводили на установке Elmasonic S40/н с частотой ультразвука 37 кГц мощностью 340 Вт, а также на установке УЗГ-5М, позволяющей получать ультразвуковое поле с частотой 20, 50 и 60 кГц и мощностью 300 Вт. Излучателем в данном случае был электромеханический преобразователь с использованием ультразвукового стержневого концентратора. Время обработки варьировалось в течение 1, 5 и 15 мин.

Скорость сдвига, 1/с

—■— исходная без обработки —•— после 1 минуты ультразвуковой обработки

Рис. 1. Влияние скорости сдвига на динамическую вязкость водно-глинистой суспензии после обработки ультразвуковым полем частотой 20 кГц

Скорость сдвига, 1/с

—■— исходная без обработки •— после 5 минут ультразвуковой обработки

Рис. 2. Влияние скорости сдвига на динамическую вязкость водно-глинистой суспензии после обработки ультразвуковым полем частотой 20 кГц

Результаты исследований и обсуждение

Экспериментальные данные, полученные при определении условной вязкости суспензии зыряновского бентонита, подвергнутой обработке ультразвуковым полем (УЗП) мощностью 37 кГц, показали, что облучение суспензии в течение 15 мин уменьшает условную вязкость в среднем с 52 до 42 с. Однако после обработки и выдержки в течение 24 ч условная вязкость увеличивается на 4–5 %.

Диспергированные частички глины перераспределяются таким образом, что молекулярные связи, действующие между ними, усиливаются. Диспергирование замедляется, образуется ПКС. Начинается процесс укрупнения частиц или так называемой автокаогу- ляции, что ведет к повышению показателей условной вязкости.

Дальнейшая агрегация частиц ускоряется явлением реопексией за счет ультразвукового облучения. Существует определенная близость между реопексией, тиксотропным восстановлением и дилантансией (или квазидилатансией) [2].

Более высококонцентрированные водноглинистые суспензии в исходном состоянии представляют собой пасты, поэтому измерение условной вязкости затруднено.

Экспериментальные данные, полученные при определении динамической вязкости водно-глинистых суспензий, представлены на рис. 1, 2, там же приведены уравнения регрессии и коэффициенты корреляции.

Скорость сдвига, 1/с

—■— исходная без обработки                            —*— после 1 минуты ультразвуковой обработки (20 кГц)

—о  после 1 минуты ультразвуковой обработки (50 кГц)     —•— после 1 минуты ультразвуковой обработки (60 кГц)

Рис. 3. Влияние скорости сдвига на динамическую вязкость водно-глинистой суспензии после обработки ультразвуковым полем частотой 20, 50, 60 кГц

Скорость сдвига, 1/с

•— исходная без обработки                        —■— после 5 минут ультразвуковой обработки (20 кГц)

*— после 5 минут ультразвуковой обработки (50 кГц)     после 5 минут ультразвуковой обработки (60 кГц)

Рис. 4. Влияние скорости сдвига на динамическую вязкость водно-глинистой суспензии после обработки ультразвуковым полем частотой 20, 50, 60 кГц

Экспериментально установлено, что ультразвуковая обработка полем частотой 20 кГц при временных воздействиях 1, 5 мин приводит к уменьшению динамической вязкости исходной бентонитовой суспензии. Уменьшение вязкости под действием ультразвуковой обработки связанно с эффективным диспергированием частиц бентонитовой глины зы-ряновского месторождения.

Зависимости динамической вязкости от скорости сдвига (см. рис. 1, 2) не линейны, не подчиняются закону Ньютона и описываются экспоненциальной зависимостью y = ae^bx , без разрывов, а также дифференцируемы во всем исследуемом интервале частот ультразвукового поля.

Водно-глинистые суспензии зыряновско-го бентонита являются структурируемыми тиксотропными системами [5, 6]. Под влиянием УЗП частицы бентонита участвуют в относительном броуновском (или колебательном) движении, что позволяет осуществить переход структурированной системы в бесструктурную, либо в слабо структурированную систему. При этом ультразвуковая обработка водно-глинистых суспензий зыряновского бентонита позволяет получить суспензии не только с более низкой вязкостью, но и значительно менее устойчивые к приложенной нагрузке [7].

На рис. 3, 4 представлены графики зависимости динамической вязкости от скорости сдвига при ультразвуковой обработке полем частотой 20, 50, 60 кГц.

Экспериментально установлено, что ультразвуковая обработка полем частотой 50, 60 кГц при временных воздействиях 1, 5 мин приводит к увеличению динамической вязкости исходной бентонитовой суспензии. Это объясняется тем, что увеличение мощности ультразвуковой обработки сопровождается агрегацией диспергированных частиц системы. Коагуляционным явлениям способствует перестроение гидратных оболочек, нарушение сферической симметрии двойного электрического слоя вокруг отдельных частиц, появление дипольного момента. Вследствие этого отдельные частицы притягиваются друг к другу и за счет соударений под действием ультразвуковых волн образуют агрегаты частиц.

Следует отметить, что при увеличении мощности до 60 кГц наблюдается небольшое ухудшение процесса коагуляции. Это можно объяснить тем, что увеличение мощности приводит к постепенному кавитационному разрушению укрупнившихся частиц.

Выводы

• 1.    Полученные экспериментальные данные и зависимости подтверждают, что в исследуемом интервале частот водные коллоидные растворы зыряновского бентонита после их обработки ультразвуковым полем являются тиксотропными системами.

• 2.    Ультразвуковая обработка приводит к снижению условной вязкости свежеприготовленных суспензий из-за образования периодических коллоидных структур, после чего начинается процесс автокаогуляции. После 15 мин обработки ультразвуковым полем частотой 37 кГц условная вязкость уменьшается с 52 до 42 с.

• 3.    Ультразвуковая обработка в зависимости от продолжительности обработки и мощности ультразвукового воздействия проявляет как диспергирующее, так и агрегатирующее действие. В результате ультразвукового воздействия полем 20 кГц на водно-глинистые суспензии зыряновского бентонита в течение 1, 5 мин происходит уменьшение динамической вязкости вследствие диспергации частиц.

• 4.    В результате ультразвукового воздействия полем 50, 60 кГц на водно-глинистые суспензии зыряновского бентонита в течение 1, 5 мин происходит увеличение динамической вязкости, что связано с коагуляцией частиц. При увеличении мощности до 60 кГц наблюдается небольшое уменьшение процесса коагуляции, что объясняется кавитационным разрушением укрупнившихся частиц.

• 5.    Устойчивость активированных коагуляционных систем к механическим нагрузкам значительно меньше, чем у исходных бентонитовых глин, что позволяет осуществить более равномерное распределение глинистых минералов по поверхности кварцевого песка и обеспечить увеличение количества когезионно-адгезионных контактов и повышение физико-механических свойств смесей при формообразовании.