Veľké množstvo priemyselných činností, ako sú brúsenie, mletie a sústruženie, produkuje teplo a pevné častice. Na chladenie pracovných povrchov a odstraňovanie pilín a pevných častíc sa používajú chladiace kvapaliny, známe aj ako chladiace emulzie. Tieto kvapaliny sa bežne skladajú z 90 až 95 % vody a z 5 až 10 % samotného chladiva (chladiacej emulzie). Kvapalina prúdi po pracovnej ploche a potom stečie zo stroja dole, kde ju zachytí nádrž umiestnená pri základni stroja. Odtiaľ sa kvapalina čerpá späť a recirkuluje.
Hlavné úlohy vodou miešateľnej chladiaco-mazacej kvapaliny zahŕňajú redukciu trenia medzi obrobkom a nástrojom, odvod vznikajúceho tepla a odvod triesok z miesta obrábania. Sekundárne požiadavky na tieto kvapaliny sú protikorózna ochrana pre strojné zariadenia a obrobky, minimálna penivosť, nízka miera odparovania a tvorby hmly v prostredí, dobrá znášanlivosť s pokožkou a dobrá stabilita pracovnej emulzie.
Typy a zloženie emulzií
Emulzia je zmes dvoch zvyčajne nemiešateľných kvapalín, ako je olej a voda, v ktorej je jedna fáza rozptýlená v druhej vo forme jemných kvapôčok. Existujú dva hlavné typy emulzií:
- Emulzie typu olej vo vode (O/W): Olej je disperzná fáza a voda je kontinuálna fáza. Príklady zahŕňajú mlieko a kozmetické krémy.
- Emulzie typu voda v oleji (W/O): Voda je disperzná fáza a olej je kontinuálna fáza.
V priemysle sa často stretávame s rozpustnými olejmi, ktoré sú zvyčajne mliečne biele emulzie zložené zo zložiek na báze minerálneho oleja (približne 40 %) a emulgátorov. Po zmiešaní s vodou majú špecifický chladiaci účinok. Chladiace kvapaliny vyrobené výlučne z chemických zložiek sa nazývajú syntetické oleje a často majú formu priehľadnej alebo svetlej kvapaliny, pričom sa vyznačujú stabilným chemickým zložením a dlhou životnosťou.
Príprava a skladovanie chladiacich emulzií
Koncentráty vodou miešateľných chladiaco-mazacích kvapalín by sa mali spravidla skladovať po dobu 6 mesiacov až 1 roka, pričom odporúčaná dĺžka skladovania býva uvedená v technickom liste. Teplota skladovania by nemala klesnúť pod 5°C a horná hranica by nemala prekročiť +40°C.
Pre optimálnu prípravu pracovnej chladiaco-mazacej emulzie/roztoku sa zvyčajne odporúča teplota koncentrátu v rozsahu 15 až 20°C. Pri príprave je potrebné pamätať na to, aby sa vždy najprv pridala voda a až potom koncentrát mazacej látky v takom množstve, aby sa dosiahla výrobcom odporúčaná koncentrácia. Teplota pridávanej vody by vo všeobecnosti nemala klesnúť pod 15°C, v opačnom prípade by to mohlo zapríčiniť problémy s miešateľnosťou. Pri ručnom dávkovaní je dôležité intenzívne miešanie.
Tvrdosť pridávanej vody v °dH určuje okrem iného charakteristiku penenia chladiacej mazacej emulzie. Ak je táto hodnota nižšia ako 8°dH, môže pri používaní emulzie dochádzať ku zvýšenej penivosti. V prípade tvrdosti vody výrazne nad 20°dH môže dochádzať k vydeľovaniu vápenatého mydla, zhoršuje sa protikorózna ochrana, redukuje sa stabilita a pri dlhšej dobe aplikácie sa môžu soli usadzovať na častiach strojného zariadenia. Optimálna tvrdosť pridávanej vody by mala byť v rozmedzí 10 až 15°dH. Obsah chloridov v pridávanej vode by nemal prekročiť hodnotu 30 mg/liter, pretože počas používania emulzie dochádza k obohacovaniu v emulzii a následnej korózii strojného zariadenia a nástrojov. V prípade použitia studničnej vody je potrebné preveriť jej vhodnosť a počet bakteriálnych zárodkov, ktorý by mal byť pod hodnotou 103, aby sa predišlo nadmernému zaťaženiu baktériami.
V prípade prípravy väčších množstiev chladiaco-mazacích emulzií je vhodné použiť zmiešavacie zariadenia, ktoré sa dajú nainštalovať napevno alebo pripevniť na obal (sud alebo kontajner).
Údržba a monitorovanie chladiacich emulzií
Pre hospodárne využívanie a redukovanie nákladov je nevyhnutné, aby sa úžitkové vlastnosti chladiacich kvapalín zachovali po čím najdlhšiu dobu. Životnosť chladiacich emulzií závisí nielen od kvality vstupného koncentrátu, ale aj od ošetrovania pracovnej náplne.
Každý deň by sa mala posudzovať farba, zápach a kvalita emulzie. Zmeny sú spravidla znakom zmeny stavu chladiacej emulzie. V normálnom stave chladiaca emulzia nevykazuje žiadne výrazné známky zaolejovania alebo penenia. Pretože je často problematické hodnotiť stav v zásobnej nádrži stroja, je vhodnejšie odobrať vzorku emulzie do sklenenej kadičky alebo odmerného valca a po niekoľkých hodinách zhodnotiť jej stav. Emulzia je vo vyhovujúcom stave, ak na hladine nie je vysoká vrstva vylúčeného oleja a koncentrácia nameraná ihneď po odbere pomocou ručného refraktometra a po uplynutí 8 hodín dáva takmer identické výsledky merania. Ak chladiaca emulzia nie je stabilná, medzi prvým a druhým výsledkom merania budú výrazné rozdiely.
Meranie hodnoty pH (kyslosť) treba vykonať najmenej jedenkrát za týždeň. Najjednoduchšou metódou je použitie testovacích papierikov, ktoré svojou zmenou farby indikujú aktuálnu hodnotu pH. Pri ich používaní treba dbať na to, aby neboli po dátume expirácie a aby sa správne zaobchádzalo s meracím prúžkom, vrátane času vyhodnocovania.
Alternatívnou a presnejšou metódou k papierikom je použitie meracieho prístroja na hodnotu pH. Odporúča sa vykonávať najmenej jedenkrát za týždeň. V prípade mimoriadne malých objemov emulzie alebo pri obrábacích centrách so silným zaťažením sa odporúča merať koncentráciu každý deň.
Vhodným prístrojom na meranie koncentrácie je ručný refraktometer. Princípom merania je zmena lomu svetla prechádzajúceho meraným médiom. Odčítanú hodnotu na meracej stupnici je potrebné vynásobiť refrakčným faktorom špecifickým pre chladiacu emulziu, ktorý nájdete v technickom liste výrobku.
Dokumentácia kontrolovaných údajov sa dá viesť pomocou tzv. karty stroja, čím sa získa prehľad o vývoji kontrolovaných ukazovateľov.
Problémy a ich riešenia
Penivosť
Nadmerná penivosť môže byť spôsobená rôznymi faktormi, vrátane nevhodnej tvrdosti vody. Aplikácia odpeňovacích prostriedkov sa odporúča vtedy, keď príčina tvorby peny nie je známa alebo sa nedá v krátkom čase odstrániť. Pri používaní týchto látok treba dbať na správnu aplikačnú koncentráciu a účinný rozsah.
Kontaminácia a rast mikroorganizmov
Mnohé vodou miešateľné chladiaco-mazacie kvapaliny obsahujú zlúčeniny dusíka a síry, ktoré spolu s olejom sú zdrojom potravy pre baktérie. Tieto mikroorganizmy môžu skracovať životnosť emulzie. Na zredukovanie ich rastu obsahuje väčšina emulzií látky na potlačenie rastu. Pri ich používaní treba dodržiavať inštrukcie v technickom liste a bezpečnostné predpisy.
Nestabilita emulzie a rozklad
Emulzie môžu byť destabilizované vplyvom koalescencie (kvapôčky sa spájajú), sedimentácie/odstreďovania (rôzne hustoty fáz vedú k oddeleniu) alebo rozpadu emulzie (úplné oddelenie fáz). Tieto procesy sa dajú ovplyvniť chemickými, mechanickými alebo tepelnými postupmi, ako je koagulácia, flotácia a centrifugácia.
Zhoršenie stavu emulzie môže viesť k nedostatočnému chladeniu, zníženej životnosti nástrojov alebo korózii.
Regulácia teploty a prenos tepla
Spoločnosť Alfa Laval má rozsiahle skúsenosti s povrchovými úpravami a ponúka celý rad doskových výmenníkov tepla pre presnú reguláciu prevádzkovej činnosti. Tieto výmenníky, vzhľadom na svoje menšie rozmery a nižšiu hmotnosť, vyžadujú menej priestoru a menej chladiaceho média ako tradičné rúrkové výmenníky. Doskové výmenníky tepla Alfa Laval vyžadujú o 20 až 50 % menej priestoru ako rúrkové systémy. V závislosti od typu problému, ako je zanášanie (oceľovými okovinami alebo inými časticami), môže byť nevyhnutné použiť špirálový výmenník tepla SHE.
Vlastnosti ochladzovacej kvapaliny a jej požadovaná teplota sa menia podľa materiálu a typu obrobkov. Spoločnosť Alfa Laval ponúka doskové výmenníky tepla tradičného typu s tesnením medzi doskami, vrátane dvojstenného prevedenia na zvýšenú bezpečnosť.
Použitie v CNC obrábaní
Chladiace kvapaliny (rezný olej, mazivo) sa v CNC obrábaní používajú na chladenie, mazanie, preplachovanie a rezanie nástrojov a obrobkov. Pomáhajú predĺžiť životnosť nástroja a zlepšiť povrchovú úpravu obrábaných dielov. Počas CNC obrábania vzniká vďaka rýchlemu otáčaniu obrobku alebo nástroja veľké množstvo tepla, ktoré je potrebné efektívne odvádzať.
Odstránenie odpadu a triesok z oblasti obrábania je kľúčové pre presnosť nástroja a prevenciu poškodenia. Pri rezaní vysokou rýchlosťou sa nástroj a obrobok rýchlo odierajú.
Vhodné CNC chladiace kvapaliny by mali:
- Poskytovať vynikajúci chladiaci účinok, najmä pri vysokorýchlostnom rezaní a vŕtaní hlbokých dier.
- Zabezpečiť dobré mazacie vlastnosti pre zníženie opotrebenia nástroja.
- Byť vhodné pre široké spektrum materiálov, ako hliník, oceľ, liatina a neželezné kovy.
- Byť nízko penivé aj v mäkkej vode.
- Poskytovať dobrú antikoróznu ochranu.
CNC chladiaci systém nepretržite dodáva chladiacu kvapalinu do oblasti rezu prostredníctvom cirkulácie. Kvapalina je na začiatku umiestnená v nádrži na základni obrábacieho stroja, odkiaľ ju čerpadlo natlakuje a cez potrubie dodáva do oblasti rezu. Použitá chladiaca kvapalina a triesky sa vracajú späť do zbernej nádrže.
Hoci samotná voda má chladiaci účinok a je ekonomická, vo všeobecnosti sa nepoužíva samostatne pri CNC spracovaní kvôli absencii mazacích a antikoróznych vlastností. Vedľajšie účinky samotnej vody alebo nevhodných chladiacich kvapalín sa môžu prejaviť štipľavým zápachom, koróziou či problémami s likvidáciou odpadových kvapalín.
Rozklad emulzie pri čistení odpadových vôd
Emulzie v priemyselných odpadových vodách predstavujú výzvu, pretože jemne rozptýlené kvapôčky oleja nie je možné ľahko odstrániť. Na ich rozklad sa používajú rôzne postupy:
- Chemické rozdelenie emulzie: Zahŕňa koaguláciu a flokuláciu pomocou chemikálií, ako sú precipitanty (napr. síran hlinitý, chlorid železitý) a polyméry.
- Mechanické procesy: Ako flotácia (rozpustený vzduch alebo tlaková flotácia) a centrifugácia.
- Tepelné procesy: Zahriatím sa znižuje viskozita emulzie, čo uľahčuje oddelenie fáz.
- Membránový proces: Ultrafiltrácia alebo nanofiltrácia sú účinné najmä pri veľmi stabilných emulziách.
Výhody rozdelenia emulzie zahŕňajú:
- Efektívne oddeľovanie škodlivín, redukciu organických znečisťujúcich látok a zvyškov minerálnych olejov v odpadových vodách.
- Úsporu nákladov vďaka recyklácii vody a olejov a zníženiu nákladov na likvidáciu odpadu.
- Dodržiavanie prísnych environmentálnych požiadaviek.
- Možnosť opätovného použitia vyčistenej vody vo výrobnom procese.
Aplikácie v priemysle
Emulzie zohrávajú dôležitú úlohu v mnohých odvetviach priemyslu:
- Spracovanie kovov: Chladenie a mazanie počas obrábania, rezania, vŕtania, brúsenia, sústruženia a frézovania.
- Potravinársky priemysel: Výroba produktov stabilizovaných emulgátormi, ako je majonéza alebo dresingy.
- Kozmetika: Produkty na starostlivosť o pokožku, ako sú pleťové vody a krémy.
- Petrochemický priemysel: Oddeľovanie vody a surovej ropy v rafinériách.
Existujú špecifické chladiace emulzie, napríklad mliečne rezná emulzia, vhodná pri vŕtaní alebo rezaní závitov, aj pri vysokých rezných rýchlostiach. Univerzálna obrábacia kvapalina pre všetky druhy trieskového obrábania, vhodná na liatinu, hliník a neželezné kovy, pracuje v pracovnej koncentrácii 4-15%. Iné typy, ako napríklad AG COOL B 553, sú semisyntetické, vodou miešateľné chladiace kvapaliny s dlhou životnosťou, určené pre stredné až vysoký výkon pri obrábaní železných kovov vrátane brúsenia.