Использование воды для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей на предприятиях машиностроения

16 января 2018 г.

В основном и вспомогательном производствах (в цехах охлаждающих жидкостей ЦОЖ) используется свежая вода из коммунального водопровода для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей, мытья оборудования и производственных помещений, а также в процессах обезжиривания, травления и гальванопокрытий изделий. Основное количество свежей воды расходуется в системах промывки изделий.

При обработке металлов резанием базовый ассортимент смазочно-охлаждающих технологических средств составляет 104 наименования. В том числе для самого распространенного технологического средства - СОЖ уже используют 26 видов эмульсолов и концентратов органических веществ. Ввиду коррозионной активности, вспениваемости, бактерицидной неустойчивости и ряда других неудовлетворительных параметров технологического и экологического характера продолжаются активные научно-исследовательские поиски новых составов СОЖ или применения хорошо известных в машиностроении химических продуктов в новом качестве.

Существующие СОЖ могут быть разделены на два класса: на водной и органической основе, которая является растворителем всех других компонентов СОЖ и составляет 90 - 95%. Современное направление СОЖ - замена органических растворителей на воду. Водные СОЖ обладают меньшей пожароопасностью и токсичностью, эффективнее отводят тепло от режущего инструмента и обрабатываемой детали. Наличие доступной сырьевой базы-воды способствовало до недавнего времени ускоренному развитию их ассортимента. Однако при разработке новых составов СОЖ возникает ряд труднорешимых задач, както: добиваясь увеличения химической и термической стабильности СОЖ в процессе эксплуатации, следует в то же время обеспечить абсолютное разрушение их же компонентов и продуктов их частичного распада. Последнюю задачу решают при обезвреживании эмульсионных сточных вод, которые образуются из СОЖ при потере эксплуатационных и функциональных свойств. Единственный способ разрешения указанных задач изменение требований к свойствам основы - воде, используемой для приготовления СОЖ. Свойствам воды уделяли неоправданно малое внимание в результате чего в действующей нормативно-технической документации вид и концентрации примесей в воде не нормируются. Это явилось причиной повсеместного использования воды технического и питьевого качества. На предприятиях машиностроения наиболее жесткие требования предъявляются к качеству технической воды в гальванических производствах, поэтому для использования единого технического водопровода переносят эти же требования и к качеству воды, используемой для приготовления СОЖ. Другим источником воды для приготовления СОЖ может служить оборотная вода замкнутых систем. Критерии качества такой воды в литературе обоснованы: температура - 20 - 30 °С; карбонатная жесткость - 1,7 ммоль/л; pH = 7,0-7,5; общая щелочность не менее 1,5 ммоль/л; железо общее - 0,3 мг/л; взвешенные вещества 10 - 20 мг/л.; запах до трех баллов. Результаты исследований подтверждают возможность повторного использования очищенных решетным способом эмульсионных сточных вод. Так, при очистке эмульсионных сточных вод (Щобщ> 90 ммоль/л , нефтепродукты до 30 г/л) жидким фосфатом алюминия и дозах 10 - 20 г/л при pH 3,5 с последующей обработкой известковым молоком (10-16 г/л по СаО) получили воду следующего качества: pH = 10-11, жесткость общая (Жо6щ) - 0,02-4,2 ммоль/л, щелочность общая (Щобщ) - 45-65 ммоль/л, ХПК до 0,8 г/л, концентрация нефтепродуктов до 0,05 г/л, концентрация тринатрийфосфата - 5 г/л. Очищенную воду успешно использовали для приготовления свежей эмульсии.

При обработке эмульсионных сточных вод (Щобщ<50 ммоль/л, нефтепродукты до 30 г/л) сульфатом алюминия и гидроксидом бария очищенная вода характеризовалась: pH 9,8-10,1; сульфаты - 0,08-0,12 г/л; концентрация трехвалентного алюминия - 0,06-0,08 мг/л, Щобщ = 18,9-22,5 ммоль/л; Жобщ = 0,1 ммоль/л, прокаленный остаток - 0,34-0,43 г/л, ХПК до 1,5 г/л, концентрация нефтепродуктов до 0,05 г/л. Эта вода также оказалась пригодна для приготовления свежей СОЖ.

Однако приведенные результаты исследований не нашли широкого практического применения и не вышли за рамки лабораторных и опытно-промышленных испытаний.

Применение воды питьевого качества обусловлено наличием доступного источни­ка и гарантированной степенью чистоты как в химическом, так и в микробиологическом отношении.

Примеси, содержащиеся в воде, оказывают влияние на функциональные и эксплуата­ционные свойства СОЖ. Степень этого влияния следует рассматривать в двух аспектах:

  • влияние примесей на физико-химические свойства самой воды;
  • влияние примесей на физико-химические свойства других компонентов СОЖ.

Примеси могут изменять температуры замерзания и кипения, теплоемкость, вяз­кость, поверхностное натяжение, электропроводность и плотность воды. Эти физико­химические свойства должны быть определяющими при выборе воды в качестве осно­вы смазочно-охлаждающей жидкости. Увеличение интервала между температурами за­мерзания и кипения способствует улучшению эксплуатационных свойств СОЖ. Обыч­но этот интервал увеличивается при растворении в воде солей. При растворении в воде веществ, обладающих высокой упругостью пара, этот интервал будет сужаться.

Особенно на все физико-химические константы воды, как в сторону их увеличения, так и уменьшения, сильное влияние будут оказывать примеси, способные разрушить собственную структуру воды за счет химического взаимодействия с ней.

Например, ослабление межмолекулярных взаимодействий путем разрушения водо­родных связей будет уменьшать все вышеперечисленные константы воды, если при этом не будут возникать более сильные связи молекул воды с растворенными веществами.

Применение же воды как основы СОЖ обусловлено ее исключительными свойст­вами теплоносителя (хладоагента) вследствие значительных величин теплоемкости и теплоты парообразования. Обе константы увеличиваются при растворении в воде мине­ральных солей, так как происходит образование прочно удерживаемых ионами гидратных оболочек. Вязкость также зависит от межмолекулярного взаимодействия и с повы­шением содержания примесей (растворенных солей) увеличивается.

Это положительно сказывается на смазывающем действии СОЖ, но увеличивает затраты энергии на перемещение жидкостей, уменьшает скорость отделения твердых примесей.

Смазочное действие СОЖ определяется не только вязкостью системы, но и поверх­ностным натяжением на границе двух фаз. Соли незначительно увеличивают поверхно­стное натяжение. А такие компоненты синтетических СОЖ, как поверхностно-актив­ные вещества (ПАН), наоборот, снижают поверхностное натяжение воды и результате адсорбции на границе раздела фаз. Понижение поверхностного натяжении увеличивает стабильность эмульсий органических жидкостей в воде. Наличие растворенных в воде солей увеличивает и ее электрическую проводимость, которая изменяется в зависимости от температуры. Заметная электрическая проводимость воды и особенно ее растворов является причиной коррозионных разрушений обрабатываемых металлов, станков и трубопроводов.

Изменение солесодержания на 1 г/л увеличивает и плотность воды на 0,0008 кг/дм3. Этот показатель влияет на седиментационную устойчивость эмульсий и определяем скорость осаждения механических примесей при межоперационной очистке СОЖ.

Устойчивость воды в сочетании с электрокинетическими характеристиками делает ее практически универсальным растворителем, что очень важно при использовании как основы СОЖ.

Ввиду этого изменение физико-химических констант воды в зависимости от содержания в ней большинства солей, кислот и оснований, а также многих органических веществ и их смесей уже изучено и может быть оценено количественно. Как видно из анализа физико-химических свойств воды и тенденции их изменения под влиянием температурного фактора и присутствия других веществ, только гигиеничность, нетоксичность и стабильность воды обеспечивают необходимые функциональные свойства СОЖ. Высокие значения теплоемкости парообразования обуславливают эффективный отвод тепла из зоны резания. Для получения всех остальных эксплуатационных и функциональных свойств СОЖ в воду добавляют растворы таких веществ, которые сохраняют или усиливают приемлемые для СОЖ качества и подавляют нежелательные свойства.

В зависимости от дисперсности соединений водные СОЖ разделяют на четыре вида:

  • растворы электролитов (размер частиц 10-3 мкм);
  • синтетические СОЖ (10-2—10-3 мкм);
  • полусинтетические СОЖ (10-1—10-2 мкм);
  • эмульсии (10-1 мкм).

По данным фирмы SCHELL, распределение водных СОЖ в мировой промышленности при обработке металлов следующее (%): эмульсии - 6,3; полусинтетические - 18,2; синтетические - 9,1; растворы электролитов - 9,1.

Обычно в качестве электролитов используют соли неорганических кислот (натрия,  калия, бария и др.). Допустимые пределы концентраций солей для СОЖ следующие (%): нитрит натрия NaN02- 0,4-0,8; карбонат натрия Na2C03- 0,4-10,0, хлорид калия КСl - 1,0-3,0; хлорид натрия NaCl- 1,0-3,0; хлорид кальция СаС12 - 0,4-1,0; хлорид бария ВаС12 - 0,4-1,0; хлорид магния MgCl2- 0,4-1,0; тетраборат натрия (63 Na2B407 10H20 - 0,4-1,0; дигидрофосфат натрия NaH2P04- до 1,0; фосфат натрия Na3Р04-до 1,0.

Соли вводятся для осаждения продуктов разрушения металла и абразива, нейтрализации кислых компонентов СОЖ и снижения коррозийной активности. Соли препятствуют развитию микробиологических процессов. Так как индивидуальное вещее обычно не удовлетворяет всем перечисленным эксплуатационным и функциональным свойствам СОЖ, поэтому применяют смеси солей.

Например, нитрит натрия или хромат калия, выступая в роли антикоррозийной добавки, не способны создать высоких значений pH воды для осаждения ионов металлов обрабатываемых сталей и нейтрализации кислых продуктов. В связи с этим их применяют в смеси с содой, силикатом или фосфатом натрия.

Для снижения скорости микробиологического поражения СОЖ используют хлориды натрия и калия, так как они не обладают токсичными свойствами и хорошо растворимы и воде. Кроме того, нее соли, как уже было упомянуто, уменьшают степень испа­рения воды, снижая неизбежные потери СОЖ. Однако нитрит натрия, хроматы калия и натрия токсичны, поэтому их использование при приготовлении и эксплуатации СОЖ небезопасно. Часто их заменяют растворами буры, силикатов и фосфатов, которые об­ладают и антикоррозийными, и моющими свойствами одновременно, но нетоксичны. Несмотря на очень хорошую растворимость в воде солей из-за взаимодействия их с твердой поверхностью, возникает опасность выпадения смешанных кристаллов на стенки трубопроводов и другие части оборудования (образование солеотложений). Вследствие чего концентрация электролитов обычно не превышает 2%. Кроме самосто­ятельного применения растворы электролитов могут являться основой для приготовле­ния многокомпонентных синтетических и полусинтетических СОЖ. Краткий анализ со­лей, наиболее широко применяемых для приготовления СОЖ, показывает, что обычно сопутствующие воде минеральные примеси, а также примеси, попадающие в очищен­ные эмульсионные промышленные сточные воды, идентичны по ионному составу как солям СОЖ, так и продуктам их распада.

В связи с чем при создании системы повторного использования очищенной воды требуется решить задачу поддержания общего солесодержания в повторно используе­мой воде для приготовления СОЖ в пределах 2%.

Основными компонентами синтетических СОЖ являются различные водораство­римые органические продукты (ПАВ, олигомеры), а также комплексные соединения. Например, натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (трилон Б) является ин­гибитором коррозии, умягчителем воды и усиливает активность ряда бактерицидов. Компонентами полусинтетических СОЖ являются минеральные или синтетические масла, водонерастворимые органические жидкости, а также водоразбавляемые и водо­диспергируемые полимеры с молекулярной массой более 104.

Четвертый вид водных СОЖ-эмульсии, представляющие грубодисперсные смеси нерастворимых фаз. Основной (дисперсионной) фазой является вода со всеми присут­ствующими в ней примесями, а дисперсной - мельчайшие капельки масел. Эмульсии получают путем диспергирования в воде концентрата, называемого эмульсолом. Эмульсол состоит из следующих компонентов: базовой масляной основы, эмульгатора, противоизносных, противозадирных и антифрикционных присадок и воды. Доля масла в эмульсоле не превышает 85%.

Эмульгаторами называют вещества, придающие устойчивость эмульсиям. Дейст­вие эмульгаторов обусловлено тем, что, сосредотачиваясь на поверхности раздела двух жидких фаз, они препятствуют обратному слиянию капель. По механизму действия раз­личают две группы эмульгаторов. К первой относятся ПАВ, растворимые в обеих фазах эмульсии, сильно адсорбирующиеся на границе раздела. Эмульгаторы этой группы хо­рошо растворимы в воде. Например, мыла высших органических кислот, соли нафтено­вых, смоляных, сульфокислот.

Ко второй группе эмульгаторов относят твердые высокодисперсные минеральные порошки (глины, каолины, бентониты, окислы, карбонаты, сульфиды металлов). Части­цы таких порошков, избирательно смачиваясь, прилипают к границе раздела фаз и «бро­нируют» капли масляной фазой. Эмульсолы могут быть легированы противозадирны­ми, противоизносными и антифрикционными присадками. В качестве таких присадок используют и тонко измельченные порошки слоистых твердосмазочных веществ. По­этому необходимы мероприятия по предотвращению оседания твердых частиц, напри­мер, введение в эмульсол стабилизаторов.

Синтетические и полусинтетические СОЖ и эмульсии помимо перечисленных компонентов обычно содержат еще различные добавки органического и неорганического происхождения, улучшающие эксплуатационные характеристики жидкости (ингибиторы, антипенные присадки, бактерициды, фунгициды).

В качестве антикоррозийных добавок используют уже рассмотренные неорганические ингибиторы - соли и органические (бензоаты натрия, соли винной и глюконовой кислот, жирные, олефиновые, оксикарбоновые кислоты, азот- и серосодержащие соединения).

В качестве антимикробных добавок применяют бактерициды (для уничтожения бактерий) и фунгициды (для уничтожения грибков). Стабилизация вспениваемости достигается введением в СОЖ силиконовой жидкости.

Недостатком всех без исключения применяемых в качестве добавок к СОЖ сложных препаратов и индивидуальных веществ является ограниченная растворимость в воде, адаптация практически всех видов организмов к ним, выделение при их распаде токсичных газообразных веществ. Так, гексахлорофен (гексахлордифенилметан) растворим в воде, что создает трудности при его использовании на производстве. Перед введением в СОЖ его смешивают со смачивателем ОП-7 или ОП-10 в соотношении 1:2 при  50 °С.

Фурацилин медленно растворяется в холодной воде, поэтому готовят его растворы при температуре 95 °С, которые небольшими дозами вводятся в СОЖ. Таким образом примеси (минеральные и органические), вводимые в синтетические, полусинтетические и эмульсионные СОЖ, также многочисленны.

Учитывая относительно небольшую стабильность большинства приведенных органических соединений, можно сделать вывод, что количество действительно возможных примесей в воде практически неопределимо. Вероятно, по этой причине при обработке новых видов СОЖ используются только косвенные методы оценки изменения технологических и санитарно-гигиенических свойств СОЖ в процессе ее эксплуатации.

Главными критериями этой оценки служат: продолжительность эксплуатации СОЖ в циркуляционной установке, отсутствие коррозии и ожогов на обрабатываемой детали, степень износа инструмента, содержание исходных компонентов СОЖ и некоторых примесей в заданных пределах, микробиологическая пораженность, состояние воздушной среды в цехе, уровень воздействия на кожу рук станочников.

Как видно, эти критерии не соотнесены с требованиями к воде, применяемой для приготовления СОЖ.

Не соответствуют они и критериям оценки качества очищенных сточных вод машиностроительных предприятий. Однако можно предположить, что в состав эксплуатируемых СОЖ входят такие же примеси, какие содержатся, но в значительно меньшем количестве, в очищенных эмульсионных водах. Необходимо соотнести свойства СОЖ в процессе эксплуатации со свойствами промышленных сточных вод тех предприятий, где изучаемые СОЖ применяются. При очистке производственных вод следует выявить возможность сохранения от разрушения тех компонентов, которые входят в состав смазочно-охлаждающей жидкости или являются эквивалентными заменителями отдельных сил ее компонентов. Снижение требований к качеству воды позволит сократить затраты на  приготовление СОЖ за счет экономии свежей воды и за счет снижения стоимости очистки отработанных СОЖ.

При этом надо иметь и виду, что для получения технологических свойств СОЖ вещества оказывают воздействие на физико-химический состав воды еще на этапе приготовления СОЖ. Следовательно, применение воды строго определенного технического и питьевого качества для приготовления СОЖ неоправданно. Даже самые жесткие условия по содержанию примесей в воде нарушаются путем введения в нее присадок, ингибиторов, эмульгаторов и других компонентов еще до начала эксплуатации СОЖ. Поэтому возникает вопрос о целесообразности снижения требований к качеству воды, ис­пользуемой для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей, и обосновании этих требований.