Практические вопросы струйно-абразивной обработки

Переломным моментом в истории развития струйной обработки был 1967 год, когда после окончания продолжавшихся несколько лет исследований этого струйной обработки была опубликована норма SIS 055900. Эта норма была разработана Шведским Институтом Коррозии в содружестве с American Society for Testing and Materials (ASTM) и Steel Structures Painting council (SSPC) и стала международным стандартом. На её базе были разработаны нормы многих стран (например, комплексная немецкая норма DIN 55928).

Множество разработанных позже международных норм (например, ISO серии 8500, EN 12944) базируются на разработанных в 60 годы постулатах.

В последующие годы наблюдалось динамическое развитие струйной обработки и связанных с ней новых технологий в области лакокрасочных покрытий на основе появившихся современных эпоксидных и полиуретановых лакокрасочных материалов. Внедрялись новые технологические решения, вызванные необходимостью защиты конструкций работающих в экстремальных условиях. Значительный сдвиг в этом направлении был вызван необходимостью защиты морских буровых платформ и больших мостов.

Основой этих работ всегда являлась тщательно выполненная струйная обработка, обеспечивающая заданную чистоту поверхности и ее шероховатость.

В настоящее время струйная обработка является стандартом в подготовке поверхности пред покраской. Применение струйно-абразивной обработки поверхности увеличивает стоимость окраски в целом, но дает выигрыш за счёт увеличения срока службы защитного покрытия, без учёта того, что меньше загрязняется окружающая среда.

Исследования влияния метода струйно-абразивной обработки на стойкость защитного покрытия подтвердили этот вывод.

До настоящего времени, встречаются утверждения о том, что открытая пескоструйная обработка является наиболее дешевым способом подготовки поверхности. Такой взгляд является следствием отсутствия комплексного подхода к расчету стоимости, а также не выполнения существующих норм по охране окружающей среды, «дикой» утилизации отходов и не желания подсчитать затраты, которые возникают при соблюдении определенных норм.

Мало кто обращает внимание на опасность заболевания силикозом персонала обслуживающего пескоструйные установки. Такой незначительный интерес к созданию безопасных и экологически чистых установок с многократной оборачиваемостью абразивного материала внутри камер во многом связан с отсутствием финансовых средств, особенно это касается средних и малых предприятий. Не стоит этому удивляться, если учитывать существующие проценты на банковские кредиты, а также возрастающую борьбу за получение заказов при возрастающей ценовой конкуренции. Сильная конкуренция на рынке просто сводит на нет доходность производства.

Поэтому не стоит удивляться, что в этой области производства возможны финансовые трудности производителей. Учитывая такое состояние, на сегодняшний день, следовало бы задуматься о будущем. Наше стремление в ЕС потребует приведение всех наших норм к нормам ЕС. И хотя само вступление в Европейский Союз пока находится в призрачном будущем, разработка новых или хотя бы приведения старых норм к реалиям сегодняшнего времени нам просто необходима. Вопрос только в том, сколько потребуется времени и средств для внедрения этих норм в жизнь.
Если ориентироваться на существующие европейские нормы по обработке поверхности, то необходимо считаться с все возрастающими требованиями к охране окружающей среды, условий труда рабочих, а также увеличивающейся конкуренцией по цене и качеству. Поэтому следует ожидать постепенного вытеснения струйной обработки вне камер быстроизнашивающимися абразивными материалами (песок, шлак).

Эти вопросы можно решить двумя путями:
- официально будет запрещена очистка открытым способом;
- будет взиматься высокая плата за загрязнение атмосферы и утилизацию отходов.
Следует ожидать, что будут определены сроки, необходимые для разработки новых нормативов, как для уже существующих предприятий, так и для вводимых в эксплуатацию. Поэтому появится спрос на:
- экологически чистое оборудование с замкнутым обращением абразивного материала и незначительными выбросами в атмосферу;
- окрасочные производства с контролируемыми выбросами летучих углеводородов.
С точки зрения сегодняшнего состояния техники и технологии обработки поверхности, учитывая примерную стоимость можно предусмотреть такой сценарий развития технологии струйно-абразивной обработки:
- распространение дробеметных линий для очистки металлопроката с последующей временной защитой обработанной поверхности;
- возрастание спроса на оборудование для ручной пневмоструйной очистки, приспособленного для разнообразных изделий и специфических технологических возможностей;
Доказать это можно следующим образом:
- независимо от происходящих дискуссий на эту тему, наш путь развития промышленности повторяет путь развития высокоразвитых стран;
- экономически всегда более выгодна большая программа обработки, а она может быть только на больших металлургических заводах имеющих линии очистки металлопроката и оборудование для нанесения временной защиты (shopprimer).

Такие линии должны располагаться в центрах продажи металлопроката, где они смогут обрабатывать от нескольких десятков до несколько сот тысяч тон металла в год. Немногие производители металлопроката понимают, что к такой ситуации необходимо готовиться. Зарубежные фирмы, которые производят и продают металлопрокат, понимают эту проблему и предлагают свои изделия с временной защитой поверхности. Небольшим производителям стальных конструкций будет не под силу обзавестись собственными установками для струйно-абразивной обработки, и они вынуждены будут обращаться к крупным предприятиям с просьбой об оказании таких услуг:
- у ряда предприятий, которым нужно будет усовершенствовать технические средства для струйно-абразивной обработки, возникнет необходимость покупки универсальных устройств для обработки дробью различных изделий;
- вместе с развитием производства, появиться спрос на специализированное оборудование для струйной обработки (например, корундом в замкнутой системе, стеклянными шариками, абразивом на базе пластмассы).
Исходя из вышеизложенного, необходимо рассматривать эту проблему с перспективы ближайших лет и вести подготовку к её решению.

Новый эффективный способ очистки поверхностей от загрязнений с помощью высокоскоростной струи гранул сухого льда (криогенный бластинг) получил коммерческое признание и широко используется в Европе и США уже в течение 10 лет благодаря своей универсальности и экономической целесообразности.

Сухой лед – это твердая фаза двуокиси углерода (СО2), вещества нетоксичного, невоспламеняющегося, не имеющего цвета, вкуса и запаха, не проводящего электричество. Сухой лед имеет низкую температуру (минус 78,45 С при давлении 0,101325 МПа) и имеет свойство переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу (процесс сублимации). Сырьем для производства сухого льда служит жидкая низкотемпературная двуокись углерода, производимая промышленностью, как правило, из отходящих или дымовых газов. Жидкая СО2 может длительное время храниться в изотермических резервуарах. Сухой лёд – это общепринятое обозначение двуокиси углерода в твёрдом состоянии.

Процессы подготовки поверхности являются неотъемленной частью производства. Перерывы в производстве, связанные с очисткой технологических линий, всегда являются причиной ограничения производственных возможностей предприятия. Поэтому постоянно разрабатываются новые технологии, минимизирующие время предназначенное для процесса очистки.

Метод очистки двуокисью углерода основывается на обработке очищаемой поверхности гранулами сухого льда, подающимися с помощью сжатого воздуха. Гранулы, ударяясь об обрабатываемую поверхность, очень сильно ее охлаждают, а это приводит к тому, что слой загрязнения становится хрупким и ломким , и, одновременно, снижается его адгезия к поверхности. Это происходит из-за ряда причин: интенсивного теплообмена между слоем загрязнения и обрабатываемой поверхностью, различных сил напряжения в месте стыка материалов. Это приводит к тому, что слой загрязнения отделяется от материала подложки, а затем уделяется струей гранул.

Очистка сухим льдом – очень аккуратный процесс. Оператор постепенно очищает поверхность, благодаря этому возможно использование этого метода на стыке различных материалов без их повреждения, например, загрязнение на месте стыка метал – резина, где очистку металла необходимо проводить таким образом, чтобы не повредить структуру резины.
Кроме этого этот процесс является «сухим», что позволяет использовать его в местах, которые находятся под напряжениям.
Технология очистки сухим льдом находит свое применение там, где другие методы не деют желательных результатов или там, где их использование из-за разных причин просто невозможно. Особенно рекомендуется использовать этот метод в местах, где возможно повреждение или нарушение целостности очищаемой поверхности, например, в случае очистки алюминиевых изделий. Очистка с помощью этого метода не приводит к повреждению подложки и не придает ей шероховатости.

При использовании струйно-абразивных методов чистки существует опасность, что абразивный материал останется в углублениях изделий. Это часто вызывает в производственном процессе непредвиденные проблемы. Используя технологию очистки сухим льдом мы полностью исключаем эту проблему. Сразу же после удара об обрабатываемую поверхность лёд испаряется в атмосферу и, в отличии от традиционных методов очистки, кроме удалённого загрязнения не остается никаких других материалов.

Одним из основных преимуществ этой технологии является возможность ее использования без демонтажа производственных линий, то есть очистку можно вести непосредственно на производстве. Очистка еще теплых изделий или форм ( после механической обработки) приводит к так называемому «термическому шоку», а с точки зрения экономичности сокращает время простоя оборудования.

Большим преимуществом этой технологии является ее мобильность. Оборудование для подачи гранул льда, а также изотермические емкости для хранения этих гранул устанавливаются на тележки с колесами, что позволяет получить доступ ко всем элементам линии. Источником сжатого воздуха может быть как компрессор, так центральная сеть подачи сжатого воздуха. Важно, чтобы сжатый воздух был правильно подготовлен и в нем не было твердых частиц, воды и масла.
Технология криогенной очистки поверхностей идентична широко известному пескоструйному способу, заключающемуся в механическом воздействии ускоренного в струе сжатого воздуха твердого вещества на очищаемую поверхность. Различие заключается в том, что гранулы сухого льда не являются абразивным материалом, то есть не повреждают саму поверхность, не оставляют вторичных отходов и несут не только кинетическую, но и скрытую тепловую энергию.

Гранулы сухого льда имеют значительно более низкую температуру, чем очищаемая поверхность. Резкое снижение температуры поверхностного слоя вызывает эффект «термического шока», при котором охлажденные до хрупкого состояния загрязнения легко отслаиваются от поверхности. Чем больше температурный градиент, тем меньше адгезия между материалом поверхности и загрязнениями ввиду различия их коэффициентов линейного расширения. При этом охлаждение основной массы объекта не происходит, и механические свойства конструкций не ухудшаются, что подтверждено экспериментально.

При соударении с поверхностью объекта к гранулам сухого льда подводится огромное количество тепла. В результате теплообмена твердые частицы СО2 мгновенно нагреваются и переходят в газообразное состояние, стремясь расшириться в объеме в сотни раз. Образовавшийся газ, частично проникая в пространство между загрязнениями и очищаемой поверхностью, образует так называемый «газовый клин», отламывающий под давлением частицы загрязнений от поверхности.
Для полного удаления загрязнений необходимо перманентное механическое воздействие на очищаемую поверхность. Этот процесс обеспечивается за счет кинетической энергии гранул сухого льда, вылетающих из пистолета со скоростью, близкой к скорости звука.

Преимущества

Отсутствие механических повреждений и изменений структуры обрабатываемой поверхности. Сухой лед имеет низкую твердость и не оказывают абразивного воздействия даже на мягкие материалы, продлевая их срок службы;
Отсутствие вторичных отходов в связи с полным испарением чистящего вещества (гранул сухого льда);
«Сухость» процесса. В отличие от паровой и водяной очистки гранулы сухого льда не оставляют влаги на рабочей поверхности;
Высокая скорость и экономичность процесса, быстрая окупаемость вложений. Скорость очистки по сравнению с традиционными способами увеличивается в 2-4 раза. Обеспечивается снижение эксплуатационных затрат на 70-80% благодаря высокой эффективности процесса и отсутствия необходимости демонтажа и разборки очищаемого оборудования и уборки чистящего вещества;
Безопасность процесса для человека и окружающей среды. В технологии криогенного бластинга не применяются химические растворители, синтетические моющие средства, взрывоопасные и пожароопасные вещества. В процессе работы отсутствуют вредные испарения и токсичные сливы.

Качественная очистка обрабатываемой поверхности, является главной стадией подготовки поверхностей перед нанесением на нее различных антикоррозийных и декоративных покрытий. От операции подготовки поверхности и качества ее очистки зависит степень адгезии наносимого на поверхность покрытия и его долговечность.

Термо-образивная очистка является аналогом струйно-абразивной (пескоструйной) обработки, отличие в температуре и скорости газoвого потока. Эта технология воздействия на очищаемую поверхность высокотемпературной сверхзвуковой струей, несущей частицы абразивного материала. Газовая струя образована продуктами сгорания керосина и дизельного топлива, сжигаемого в сжатом воздухе в камере сгорания горелки. Горелка обеспечивает ввод в газовый поток абразивных частиц и оборудована разгонным каналом, позволяющим разогнать их до максимально возможных скоростей. Характерные значения скорости и температуры газовой фазы потока в выходном сечении разгонного канала составляют 1250 м/с и 1400 К соответственно.

При этом скорость абразивных частиц составляет 100 – 300 м/с в зависимости от их фракции и происхождения. Скорость частиц в 2,5 -3,5 раза превосходит скорость при традиционной струйно-абразивной обработки, а энергия соударения с поверхностью – соответственно в 6-10 раз. Именно высокая кинетическая энергия абразивных частиц определяет уникальную эффективность технологии термо-абразивной очистки. Технология позволяет производить очистку металлических поверхностей от всех видов загрязнений и наслоений, таких как металлургическая окалина, продукты коррозии, лакокрасочные,гальванические и газотермические покрытия, известковые и иные отложения. Качество очищенной поверхности соответствует степени Sa3 по стандарту ISO 8501-1:1988 (белый металл).

Хроматной обработке (хроматированию) наиболее часто подвергают алюминий и его сплавы. Естественная пленка оксида на алюминии неравномерна и не обеспечивает его надежную защиту. Обработка поверхности соединениями, содержащими Сг , резко повышает защитные свойства металла и делает полимерные покрытия более долговечными.

Где наибольшее использование

Наибольшее распространение в промышленности получили конверсионные покрытия на основе фосфата хрома и хроматное. Оба вида покрытий имеют аморфное строение. Для получения первого вида покрытий применяют растворы, содержащие главным образом три компонента: фосфат, соединение шестивалентного хрома и фтористый препарат.

Во втором случае - два компонента: шестивалентный хром и соединение фтора. Активный фтор способствует удалению загрязнений и растворению оксидов на поверхности металла.

Несмотря на внешнее сходство исходных растворов, получаемые из них аморфные покрытия сильно различаются по свойствам и назначению.

Процесс получения покрытий на основе фосфата хрома осуществляют в 5-позиционных агрегатах. Он включает следующие операции:

• травление при температурах от 40 до 70 °С;
• промывка;
• нанесение покрытия; раствор имеет температуру 30-50 °С;
• промывка водой;
• промывка подкисленной водой.

В зависимости от состава раствора цвет покрытия может быть разным, от светло-зеленого до темно-зеленого. Покрытия из фосфата хрома нашли широкое применение как подслой под лакокрасочные покрытия в самолетостроении, электронике и кабельной промышленности.

Хроматные покрытия получают в 7-позиционных агрегатах. При этом проводят следующие операции:

1. обезжиривание при температуре раствора от 40 до 70 °С;
2. промывка;
3. осветление (обработка кислым раствором для удаления оксида алюминия с поверхности);
4. промывка;
5. хроматирование; раствор хромата нагревается до температуры 30-40 °С;
6. промывка;
7. промывка в подкисленной воде.

Хроматные покрытия имеют цвет от золотистого до желтого. В отличие от покрытий из фосфата хрома они электропроводны и находят широкое применение в производстве электропроводов и в электронной промышленности. Покрытия, как хроматные, так и из фосфата хрома, являются наилучшей основой при окрашивании порошковыми красками изделий из алюминия.

Какие особенности процесса

В связи с возможной пористостью конверсионных покрытий исторически на завершающей стадии их получения предусматривают промывку пассивирующими растворами, содержащими соединения шести или трехвалентного хрома, их комбинации с другими компонентами, оказывающими пассивирующий эффект. Поскольку использование тяжелых металлов по соображениям экологии должно быть строго ограничено, появились разные варианты исключения их из технологического процесса.

В частности, предложено проводить хроматирование без промывки образующегося покрытия пассивирующими составами или использовать промывные воды, не содержащие шестивалентного хрома. Роль пассиватора в этом случае могут выполнять различные органические соединения (полимеры, кислоты, ПАВ), соли фтора, фосфаты, нетоксичные соединения металлов (молибдена, титана, циркония и т. д.) либо другие вещества, увеличивающие противокоррозионную устойчивость покрытия без выделения экологически вредных веществ. Применяют 4- и 6-позиционные агрегаты для проведения операций, указанных на рисунке

Последовательность операций получения конверсионных хроматных покрытий:

1- без применения окончательной промывки изделий; 2- при использовании бесхроматных пассиваторов.

Под обезжириванием понимают процесс удаления с поверхности органических загрязнений. Удаление может быть основано на разных принципах.

Смачивание поверхности. Обезжиривающий раствор содержит ПАВ, благодаря которому уменьшается поверхностное натяжение, облегчается смачивание и загрязнения отторгаются с поверхности (рис).

Эмульгирование - образование дисперсии двух взаимонерастворимых жидкостей (например, масла и воды). Факторами, влияющими на эмульгирование, являются тип загрязнения, вид ПАВ и его концентрация, рН и температура обезжиривающего раствора.  Омыление - процесс, при котором загрязнения жирными кислотами и жирами растительного и животного происхождения под влиянием щелочи превращаются в Водорастворимые мыла, которые благоприятствуют процессу очистки поверхности.

Принципы обезжиривания поверхности

Растворение - удаление водонерастворимого загрязнения (масла) с помощью органического растворителя, его эмульсии в воде или водного раствора ПАВ, которое усиливает растворение.

Вытеснение. В результате воздействия ПАВ загрязнение скорее вытесняется, чем эмульгируется. Вытеснение усиливается при механическом воздействии. Пример - струйная очистка.

Механическое сбивание при больших скоростях движения раствора или детали. Примерами такой технологии могут быть: водо- и пароструйная очистка, ультразвуковая, электрическая, воздушная и др.

Дефлокуляция - дробление загрязнений на мелкие частицы и поддержание их в дисперсном состоянии в водной среде.

Качество обезжиривания обычно контролируют по чистоте поверхности. Существуют количественные и качественные (экспресс) методы оценки чистоты обезжиренной поверхности. Укажем на некоторые из них:

• Тест белого полотенца. Поверхность протирают белым полотенцем и проверяют степень его загрязнения. Наличие отпечатка на полотенце свидетельствует о некачественной очистке поверхности.
• Тест на каплю воды. Хорошее растекание капли воды на поверхности говорит о качественном обезжиривании, собирание в шарик - о плохом.
• Тест на каплю спирта - проводят аналогично тесту с водой. Отличие состоит в том, что вместо воды берут разбавленный раствор изопропанола.
• Тест с использованием липкой ленты. На сухую обезжиренную поверхность наклеивают полоску скотча. Потом ее удаляют и просматривают на листе белой бумаги. Наличие загрязнений - результат плохой очистки поверхности.
• Определение с помощью УФ излучения. Поверхность загрязняют флюоресцентным маслом, затем обезжиривают по принятой технологии и просматривают под УФ светом.
• Метод ФАТ (фотоакустическая технология). Позволяет количественно оценить степень чистоты по фотоэлектронной эмиссии или отражению. Чем выше отражение, тем чище поверхность

Химические способы подготовки поверхности, связанные с проведением операций обезжиривания, фосфатирования, хроматирования, требуют использования большого количества воды.

От применяемой воды зависит качество подготовки поверхности. Чистота воды и степень ее загрязненности должны постоянно контролироваться. Очень важными факторами являются жесткость воды и наличие в ней растворимых и взвешенных веществ.

Вода, имеющая жесткость выше среднего уровня  не должна использоваться при окончательной промывке деталей. Аналогичным образом непригодна вода с  повышенным содержанием хлоридов и сульфатов.

В таких случаях необходимо использовать деминерализованную воду, очищенную либо методом ионного обмена, либо обратным осмосом. Для небольших очистных установок более приемлем метод ионного обмена.

Рекомендации по применению воды на разных стадиях подготовки поверхности можно сформулировать следующим образом:

С целью экономии деминерализованной воды промывку ею проводят посредством рециркуляционного распыления. Такую воду можно сливать сразу в дренажный канал, однако более целесообразно ее повторно использовать после деминерализации.

Экономное использование воды является резервом снижения затрат на подготовку поверхности. Необходимо стремиться к многократному повторному использованию воды при сохранении ее качества.

На рисунке показаны схемы оборотного водоснабжения, используемые при промывке (горизонтальная и вертикальная проекции).

Схема воды для промывки:

а - горизонтальная проекция: 1 - подача свежей воды; 2 - подача деминерализованной воды (ДВ); 3 - на очистку; 4 - на деминерализацию; 5 - предварительная очистка; 6- очистка; 7-промывка; 8 – нанесение конверсионного покрытия; 9- окончательная промывка; 10- повторно используемая ДВ; 11 - свежая ДВ; 12 - нагретая ДВ; 13- материал ванны ДВ - нержавеющая сталь

6 - вертикальная проекция: 1 - контуры с насадками; 2 - свежая вода для окончательной промывки; 3 - водослив; 4 - слив либо подача на химическую очистку; 5 - промывка I; 6 -промывка II; 7- насос.