干冰喷射清洁的基本原理-行业动态

如今，二氧化碳注入已被有效地用于从浮渣的大量去除到半导体和电路板的精密清洗的广泛应用。想象一个可以在线使用的过程，而不会损坏设备或不需要机器“拆卸”。与传统的有毒化学药品，高压注水和喷砂处理不同，二氧化碳注入在高速气流中使用干冰颗粒去除表面污染物，而不会增加二次废物处理的成本和不便。什么是干冰？干冰是二氧化碳（二氧化碳）的固体形式，是一种自然存在于我们大气中的无色，无味和无味的气体。在-78.5°（-190°F）的低温下，干冰固体具有固有的热能，可以被挖掘。在大气压下，固体CO2直接升华成蒸气，而没有液相。这种独特的特性意味着爆炸性介质完全消失，仅留下原始污染物即可丢弃。此外，在水敏感区域进行清洁现在非常实用。二氧化碳是一种无毒的液化气，价格便宜，易于储存在工作场所。不导电且不易燃也很重要。表1.二氧化碳（CO2）性质分子量44,01 g / mol -78℃的密度（固体），5℃的密度为1.562kg / mc -18℃的密度（液体）为1.022kg / mc，0℃的密度（气体）为1.97kg / mc熔点- 56.5°C，5.2巴（三点），沸点-78.5°C（升华），液体转化为雪的转化率为0.46 kg。雪/公斤。在-17.6℃下液体为0.57kg。雪/公斤。在-47.8°C产生液体介质。在干冰喷射中，有几种生产干冰喷射介质的方法。一种技术是在喷砂机上从固体干冰块上刮下干冰颗粒。这通常会产生糖晶大小的干冰颗粒，由于它们的快速升华（由于它们的高表面积体积比），必须立即使用。另一种技术是在制粒机中制成干冰的硬颗粒，然后立即将颗粒存储在绝缘的容器中，直到需要颗粒为止。这些颗粒通常为2-3mm。直径和2.5-10毫米。在长度上。在这种方法中，干冰是通过将加压的液态CO2喷入雪中，然后将雪压缩成固体形式而制成的。雪要么直接烧结成小球（机械压缩），要么通过液压在模具中挤出成固体小球。后一种方法允许从液相到固相的更有效转化。通常期望具有紧密压实的粒料以最小化可能影响产品质量的气态CO 2和/或空气的截留。从表1可以看出，随着液态二氧化碳的温度降低，通过将液态二氧化碳闪蒸到雪中而实现的输出增加。因此，重要的是通过热交换器预先冷却输入的液态二氧化碳和输出的二氧化碳蒸气。 。图1是显示基本造粒过程的框图。图1.制粒过程。几家制造商制造干冰制粒机，这可能对有高颗粒需求的客户有利。这种布置所需的设备通常如下：冷藏液态CO2罐，制粒机和液态CO2管道到达设备。一些制造商制造干冰制粒机/喷砂机，可以一次性生产干冰并爆炸。该安排所需的设施包括：空气压缩机（7 bar 5mc / min），液态CO2储罐，造粒机/喷砂机，压缩空气软管和从设备到注射设备的到达设备的液态CO2管道。适用于该应用的喷嘴。这种类型的设备最适合于大批量，连续喷砂应用，因为现场制造颗粒的成本节省证明了系统的资本支出是合理的。干冰喷射如何工作？干冰颗粒喷射的基本过程类似于喷砂，塑料珠喷射或苏打喷射，其中介质在加压气流（或其他惰性气体）中加速以冲击要清洁或准备的表面。使用干冰喷射时，影响表面的介质是固体二氧化碳（CO2）颗粒。独特的使用干冰颗粒作为喷射介质的观点是，当颗粒与表面碰撞时会升华（蒸发）。冲击能量的耗散以及颗粒与表面之间极快的热传递相结合，导致固体CO2立即升华为气体。在几毫秒内，气体膨胀到粒子体积的近八百倍，实际上在撞击点就是“微爆炸”。由于二氧化碳的蒸发，干冰喷射过程不会产生任何二次废物。剩下要收集的就是去除污染物。像其他爆炸性介质一样，与干冰喷射相关的动能是颗粒质量密度和撞击速度的函数。因为二氧化碳颗粒具有相对较低的硬度，所以该过程依赖于较高的颗粒速度来获得所需的冲击能。高粒子速度是超音速推进剂或空气速度的结果。与其他喷砂介质不同，二氧化碳颗粒的温度非常低，为-78.5°C。这种固有的低温使干冰喷射过程具有独特的热力学诱导的表面机理，这取决于涂层的类型或多或少地影响涂层或污染程度。由于干冰颗粒和被处理表面之间的温差，可能会发生称为“破裂”或热冲击的现象。随着材料温度的降低，它会变脆，导致颗粒撞击并破坏涂层。请参阅图2和3。图2.热冲击在表面涂层中引起微裂纹。图3. CO2气体膨胀和颗粒动力学消失，除去涂层颗粒。此外，具有不同热膨胀系数的两种不同材料之间的热梯度或差异可用于破坏两种材料之间的结合。当喷涂附着在金属基材上的非金属涂层或污染物时，这种热冲击最为明显。许多公司经常检查此过程是否与热冲击对母材的影响有关。研究表明，温度下降仅发生在表面上，母材中没有热应力发生。为了说明这一原理，我们进行了一个实验，其中将热电偶以不同深度（与表面齐平2毫米）嵌入钢基底中。请参考图4。图4.热电偶与电路板表面的距离。二氧化碳的爆炸射流连续通过测试样品30秒钟（在此过程中停留时间相对较长），而热电偶记录了不同深度下的温度变化。如图5所示，每次射流直接撞击热电偶（约5秒内即达到50°C），表面安装的热电偶都会出现温度下降。相反，嵌入在不同深度的基板中的热电偶记录了一个缓慢的，逐渐变化的温度下降，该温度下降对应于整个测试板上的温度下降。热电偶2毫米。 30秒后，深度仅下降10°C。该曲线表明“热冲击”仅发生在涂层或污染物与基板结合的表面上（参考文献1），并对基板产生不利影响。图5.放置在基板不同深度的热电偶的温度响应。研究热应力的另一种方法是研究在模制橡胶工业中使用干冰喷射。在这里，以-78.5°C的干冰颗粒对在150°C下运行的热钢模具进行喷砂处理。热模具和冷干冰之间的温差不会引起破裂。此现象有两个原因。首先，如上所述，温度梯度出现在表面上。第二，所涉及的热应力比正常热处理过程中遇到的热应力小得多。可以使用公式1估算由温差引起的热应力，其中sy是应力，ΔT是温度梯度，a是膨胀系数，γ是泊松比。温差约为57℃。该温度导致20.85 N / cmq的低拉伸应力。即使模具温度降至冰的温度（一个不切实际的极限），温度梯度也会达到约235°C。相应的拉伸应力为70.0N / cmq。的计算得出的应力低于硬化条件下钢的屈服点。此外，这些热应力将比正常热处理期间遇到的温差将超过260°C的情况小得多。即使在高碰撞速度和直接的“正面”碰撞角下，与其他介质（沙，沙，PMB等）相比，固体CO2颗粒的动态影响也很小。这是由于颗粒的硬度相对较低，几乎立即转变为气体碰撞，并且碰撞方程式中几乎没有恢复系数。由于二氧化碳的注入被认为是非研磨性的，并且依赖于上述热效应，因此该工艺可以应用于各种材料而不会造成损坏。可以用二氧化碳喷涂黄铜和铝涂层等软金属，以去除涂层或污染物，而不会产生表面应力（冲击），点蚀或粗糙（参考文献3）。鼓风机的类型鼓风机有两种常见的类型，其特征是将颗粒输送到喷嘴的方法：双软管和单软管系统。在任何类型的系统中，正确选择喷涂软管都是非常重要的，因为所涉及的温度较低，并且在颗粒通过软管时需要保持颗粒的完整性。在双软管系统中，干冰颗粒通过各种机械装置被输送并计量到软管的入口端，并且由喷射式喷嘴产生的真空通过软管被吸到喷嘴。在喷嘴内部，压缩空气流（由第二软管提供）通过主喷嘴，并被限制为高速射流，从而在混合管中膨胀。当流动区域的大小合适时，这种类型的喷嘴会在主喷嘴周围的空腔上产生真空，因此可以将颗粒从冰管中吸到混合管中，然后将空气/颗粒混合物添加到混合管。一般来说，这种类型的喷嘴的排气马赫数是略超音速的。这种类型的系统的优点是相对简单和较低的材料成本，以及整体紧凑的进料器系统。一个主要的缺点是，相关的喷嘴技术通常不适用于各种条件（即腔体急转，窄条等）。此外，双软管系统的起爆水平和剥离率也低于类似的单管喷砂机。在单管道系统中，颗粒通过几种类型的气锁机构之一被送入压缩空气管线。往复气闸和旋转气闸目前都在工业中使用。然后将颗粒和压缩空气流直接供入单个软管中，然后将空气和颗粒加速到高速。该喷嘴的排气马赫数通常在1.4到2.5的范围内，具体取决于设计和喷砂压力。这种类型的系统的优点是喷嘴的适应性广，并具有爆炸力等级。缺点包括由于复杂的气闸机构而导致的相对较高的材料成本。喷砂机也分为干冰块剃刀冲击波和干冰颗粒冲击波。剃须刀机器使用标准的20公斤。干燥冰块，然后使用旋转刀片从冰块上刮下薄薄的一层冰。这块干冰在其自身重量下会破碎成糖大小的颗粒。然后将这些颗粒收集在漏斗中。双管输送系统用于将漏斗底部的颗粒转移到要清洁的表面。这些颗粒的质量低下，再加上效率低下的双软管系统，使得模块化剃须刀易于清洁。由于剃须刀可以提供高通量密度（每秒接触方形表面积的颗粒数量）来轰击颗粒，因此它们对于薄，中等硬度的涂料（如风干油基油漆）有效。溜冰鞋的缺点是颗粒大小和通量密度以及颗粒速度是固定的。相比之下，PelletBlast机器的料斗中装有预制的CO2颗粒。料斗使用机械搅拌将颗粒移至料斗底部并进入进料系统。如前所述，颗粒在很大的压力下被挤出通过模板。这会产生非常密集的粒子，并且冲击能粒子可提供1.5至3毫米的多种尺寸。在直径上。当使用单管输送系统时，离开喷嘴的最终颗粒大小和喷射流量密度取决于喷射软管的类型（软管直径和内壁粗糙度）和喷嘴的使用。由于其设计，单个软管喷丸处理设备可以“拨打”各种油漆或污染物去除所需的正确类型的喷丸处理。例如，诸如橡胶，硅树脂，泡沫和蜡，脱模剂，食品配料等的软涂层需要具有低通量密度的大颗粒以获得剥离速率和效率。这些涂层需要热能（即具有较大mss的颗粒）和颗粒之间的较大间距（即低通量密度）才能获得清洁性能。相反，硬涂层，例如油漆，清漆，烘焙糖，碳积聚等，需要较小的粒径，较高的通量密度和较高的粒子速度。鼓风机又分为两种类型：全气动和电动气动。带颗粒进料的全气动机器