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干冰喷射清洁的基本原理-行业动态

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-03-15 0:33:17 * 浏览: 0
如今,从大规模除渣到精密的半导体和电路板清洁,二氧化碳注入技术已广泛用于各种应用中。想象一个可以在线使用的过程,而不会损坏设备或不需要“拆卸”机器。与传统的有毒化学药品,高压水喷射和喷砂不同,二氧化碳喷射使用高速气流中的干冰颗粒来去除表面污染物,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(CO2)的固体形式,是一种无色,无味,无味的气体,在我们的大气中自然产生。在-78.5°(-190°F)的低温下,干冰固体具有固有的热能,可以利用。在大气压下,固体CO2直接升华成蒸气,而没有液相。此独特功能意味着爆炸性介质完全消失,仅留下原始污染物即可丢弃。另外,现在在水敏感区域进行清洁是可行的。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。同样重要的是,它不导电且不易燃。表1.二氧化碳(CO2)性质。分子量44,01 g / mol密度(固体)在-78°C,1.562kg / mc在5°C密度(液体)1.022kg / mc在-18°C密度(气体)在1.°C kg 1.977kg / mc C熔点-56.5°C,5.2 bar(三点),沸点-78.5°C(升华),液体到雪的转化率为0.46 kg。雪/公斤。液体在-17.6°C下为0.57千克。雪/千克。在-47.8°C下进行液体制造。在干冰喷射中,有几种制造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,然后将颗粒立即存储在隔热容器中,直到需要颗粒为止。这些粒料通常为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),要么在液压压力下通过模具挤出成固体小球。后一种方法允许从液相到固相的更有效转化。通常需要具有紧密压实的粒料以最小化可能影响产品质量的气态CO2和/或空气截留。从表1中可以看出,随着液态二氧化碳温度的降低,通过将液态二氧化碳闪蒸到雪中所达到的输出增加,因此对输入的液态二氧化碳和输出的二氧化碳蒸气进行预冷却非常重要。通过热交换器。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,这可能对具有高颗粒需求的客户有利。这种布置所需的设备通常如下:冷冻的液态CO2罐,造粒机和通往设备的液态CO2管道。一些制造商制造干冰制粒机/鼓风机,可以一次性生产干冰和爆炸。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,压缩空气软管和液态CO2管道,从设备到射流软管喷射操作以及适合该应用的喷嘴。该设备最适合大批量连续喷砂应用,因为在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?基本过程干冰粒子喷砂类似于喷砂,塑料珠喷砂或苏打喷砂,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。使用干冰颗粒作为原料的独特之处爆破介质是当粒子与表面碰撞时升华(蒸发)。碰撞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800倍,并且在撞击点实际上是“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。剩下要收集的是去除污染物。与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。由于二氧化碳颗粒的硬度相对较低,因此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。与其他喷射介质不同,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制,该机制或多或少地影响涂层或污染程度,具体取决于涂层的类型。由于干冰颗粒与被处理表面之间的温差,可能会发生称为“断裂”或热冲击的现象。随着材料温度的降低,它会变脆,导致颗粒撞击并损坏涂层。请参阅图2和3。图2.热裂纹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,涂层颗粒被去除。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。当喷涂非金属涂层或粘结在金属基材上的污染物时,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,母材中没有热应力。为了说明这一原理,我们进行了一个实验,在该实验中,将热电偶埋入钢基质中的深度不同(表面深2毫米)。请参考图4。图4.热电偶到板表面的距离。二氧化碳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),并且热电偶记录了不同深度处的温度变化。如图5所示,每次射流直接撞击热电偶时(约5秒内达到50°C),表面安装的热电偶都会显示温度降低。相反,嵌入衬底中的不同深度的热电偶记录的温度逐渐降低,对应于整个测试板的温度下降。热电偶2毫米。 30秒后,深度仅下降10°C。此曲线说明“热冲击”仅发生在涂层或污染物粘结到基板的表面上(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技术。在此,将在150°C下运行的热钢模具与-78.5°C的干冰颗粒进行喷砂处理。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,在表面上出现温度梯度。其次,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°C。该温度导致20.85 N / cmq的低拉伸应力。即使将模具温度降低到冰的温度(一个不切实际的极限),温度梯度也将达到约235°C。相应的拉伸应力为70.0 N / cmq。计算得出的应力低于钢的屈服点u硬化条件。此外,这些热应力将比正常热处理过程中遇到的温差超过260°C的情况小得多。即使在高冲击速度和直接“正面”冲击角的情况下,固态CO2颗粒的动力学影响也很小。与其他媒体(沙子,沙子,PMB等)相比。这是由于相对较低的颗粒硬度,几乎是瞬时的相变气体碰撞,在碰撞方程中几乎没有恢复系数。由于二氧化碳的注入被认为是非磨蚀性的,并且依赖于上述热效应,因此该工艺可以应用于多种材料而不会造成损坏。可以使用二氧化碳喷涂黄铜和铝等软金属涂层,以去除涂层或污染物,而不会引起表面应力(冲击),点蚀或粗糙度(参考文献3)。鼓风机类型鼓风机有两种常规类型,其特征在于将颗粒传送到喷嘴的方法: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,并且颗粒在通过软管时需要保持完整性。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抽吸到喷嘴。在喷嘴内部,压缩空气流(由第二条软管提供)通过主喷嘴,并被限制为高速射流在混合管内膨胀。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,因此可以通过冰管将颗粒吸入到混合管中,并在其中加入空气/颗粒混合物。通常,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(即腔体急转弯,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送入单个软管,然后将其加速到较高的速度。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射压力。这种类型的系统的优点是喷嘴的广泛适应性和可用的爆炸攻击水平。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。喷砂机也分为干冰剃须刀喷射器和干冰抛丸器。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一层薄薄的冰块。这块干冰因自身重量而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颗粒从漏斗底部转移到要清洁的表面。这些颗粒的质量极低,再加上效率低下的双软管系统,使得清洁模块化剃须刀变得容易。因为制冰机可以提供高通量密度(每秒接触平方表面积的颗粒数量)的粒子轰击,所以它们对于薄,中等硬度的涂层(如风干油基涂层)有效。溜冰鞋的缺点是颗粒大小和通量密度是固定的,并且颗粒速度是固定的。相反,PelletBlast机器的料斗装有预制的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,粒料在很大的压力下通过模板挤出。这产生了非常致密的颗粒以获得冲击能。这些颗粒有几种尺寸可供选择,范围从1.5到3 mm。在直径上。使用单个管式输送机系统中,离开喷嘴的最终颗粒尺寸和喷射流密度取决于喷射软管的类型(软管直径和内壁粗糙度)和喷嘴的使用情况。由于其设计,单个软管喷丸处理设备可以“拨号”各种涂料或污染物所需的正确喷丸处理。例如,诸如橡胶,硅树脂,泡沫和蜡,脱模剂,食品成分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,积碳等,需要较小的粒径,高的通量密度和较高的粒子速度。鼓风机又分为全气动和电动两种。带颗粒进料的全气动机