NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ SẠCH BỀ MẶT KHUÔN MẪU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN ĐÁ KHÔ CO2 RESEARCH ABOUT THE EFFECT OF SEVERAL TECHNOLOGICAL PARAMETERS TO CLEAN
Trang 1NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ SẠCH BỀ MẶT KHUÔN MẪU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN ĐÁ KHÔ CO2
RESEARCH ABOUT THE EFFECT OF SEVERAL TECHNOLOGICAL
PARAMETERS TO CLEAN SURFACE MOLD BY SPRAYING CO 2 ICE
Phùng Xuân Sơn 1a , Phạm Văn Đông 2 , Nguyễn Xuân Yên 2
1,2Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
a phungxuanson@gmail.com
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ (áp suất, lưu lượng, khoảng cách phun và lưu lượng đá khô) khi làm sạch bề mặt khuôn nhựa, khuôn cao su bằng phương pháp phun đá khô CO2 Kết quả thực nghiệm cho thấy áp suất, lưu lượng đá khô, khoảng cách phun có ảnh hưởng lớn đến độ sạch và năng suất làm sạch các chất bẩn Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho các nhà kỹ thuật lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu để làm sạch bề mặt khuôn đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu
Từ khóa: đá khô, bề mặt khuôn mẫu, làm sạch
ABSTRACT
The paper shows the result of the influence of several technological parameters (pressure, flow, spraying distance and flow dry ice discharge) when cleaning the surface plastic molding, rubber molding by spraying CO2 ice It is found in experimental results that the parameters of flow, flow dry ice, spitting distance have remarkable influcences to purity and yield clean the dirt This is a basic principle for technicians to choose the best technical parameters to clean the surface molding to ensure quality and productivity as required
Keywords: dry ice, mold surface, cleaning
1 GIỚI THIỆU
Công nghệ làm sạch bằng đá khô CO2 là một cuộc cách mạng trong vệ sinh công nghiệp, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, xi măng, nhiều loại máy móc thiết bị khác Công nghệ làm sạch này thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm nguồn nước, không khí, tiết kiệm chi phí, an toàn, nhanh chóng và hiệu quả, có thể làm sạch các bề mặt bụi bẩn, dầu mỡ, lớp kim loại bề mặt bị oxi hóa,… Bên cạnh đó, phương pháp này không làm trầy sát, biến dạng và hư hại bề mặt của khuôn mẫu
Nhóm tác giả đã tiến hành thực nghiệm làm sạch khuôn ép nhựa, khuôn ép cao su tại Phòng vũ khí Vật liệu chuyên dụng – Viện H57 – Bộ Công an và đã cho kết quả tốt Một số hình ảnh làm sạch bề mặt khuôn mẫu thể hiện tại hình 1
Hình 1 Một số hình ảnh làm sạch bề mặt khuôn
Trang 22 PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH BẰNG PHUN ĐÁ CO 2
2.1 Phương pháp
Phương pháp làm sạch bằng đá CO2 là phương pháp làm sạch bằng vật lý, sử dụng đá
CO2 hóa rắn ở -790C làm nguyên liệu, qua máy áp lực cao để bắn đá CO2 vào bề mặt thiết bị muốn làm sạch Trong quá trình làm việc, nhờ áp lực khí nén qua kết cấu đặc biệt của vòi phun, các hạt đá CO2 được tăng tốc đạt tốc độ đến 300 m/s, đá tiếp xúc với bề mặt chi tiết và thăng hoa thành dạng khí, thể tích tăng đột ngột lên tới 700 lần so với thể tích ban đầu gây ra hiệu ứng nổ trên bề mặt chi tiết trong thời gian rất nhỏ, nhờ áp suất nổ bề mặt chi tiết được làm sạch
2.2 Ưu điểm của phương pháp làm sạch bằng phun đá CO 2
+ Khả năng làm sạch rất tốt, có thể đạt độ sạch Sa2 - Sa2.5 theo tiêu chuẩn của Châu Âu (ISO 8501-1:1988);
+ An toàn với người làm việc, không độc hại và thân thiện với môi trường làm việc ngay tại bất cứ vị trí nào thuận lợi
+ Đa công dụng: có thể sử dụng làm sạch dầu mỡ, sơn, gỉ,… của động cơ, hộp số, bảng điện, đường ống,… khi cần mà không phải thay đổi công nghệ hoặc đầu tư thiết bị
+ Không cần chi phí tái sinh như cát, chi phí thay cát và bi, chi phí thay hóa chất
+ Công nghệ CO2 rất ít mòn hệ thống vòi phun
+ Giá thành đầu tư máy móc thiết bị thấp hơn nhiều so với các phương pháp phun bi, phun cát
+ Không làm hỏng bề mặt vì nhiệt
2.3 Hệ thống làm sạch bằng phương pháp phun đá CO 2
Hệ thống trang thiết bị thực nghiệm gồm:
+ Máy nén khí trục vít: P = 7 Bar; Q = 5 - 8 m3/ph;
+ Máy phun đá KC.03.28/11-15: Qđá = 0 - 50 kg/giờ; có bộ rung khí nén;
+ Đá khô CO2: Kích thước viên 3mm;
+ Bộ mẫu kiểm tra độ sạch theo tiêu chuẩn ISO
Hệ thống làm sạch bằng phương pháp phun đá CO2 thể hiện trên hình 2
Hình 2 Hệ thống làm sạch bằng phương pháp phun đá CO 2
Trang 33 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ SẠCH
3.1 Áp suất phun
Ta thấy rằng áp lực dòng khí nén là một yếu tố quan trọng để tăng tốc độ các hạt đá
CO2 từ máy phun bởi các lý do sau:
+ Áp lực dòng khí phù hợp sẽ đưa các phần tử đá vào bề mặt một cách thuận lợi nhất và thổi sạch các hạt cứng, nhờ đó bề mặt chi tiết được làm sạch
+ Đá CO2 được phun một góc nghiêng so với bề mặt được làm sạch Góc nghiêng này
có tác dụng đẩy các hạt bụi bẩn ra khỏi bề mặt
+ Khả năng làm sạch bằng đá CO2 phụ thuộc rất nhiều vào áp lực của dòng khí
Nếu áp lực của dòng khí đủ lớn và phù hợp, khả năng làm sạch nhanh và độ sạch cao Nếu áp suất dòng khí nhỏ, khả năng làm sạch kém
Vì vậy, để nâng cao hiệu quả của quá trình làm sạch bằng phương pháp phun đá khô
CO2, cần lựa chọn được áp suất dòng khí hợp lý ứng với từng bề mặt cần làm sạch và các điều kiện cụ thể khác
3.2 Vòi phun
Vòi phun các hạt đá khô được gia tốc với vận tốc cao nhất có thể để tạo ra một hiệu quả cho việc phun đá CO2 Các nghiên cứu khoa học về vòi phun hai ống (hình 3.b) so với một ống (hình 3.a), vòi phun siêu âm khác nhau độ hội tụ hoạt động trong cùng điều kiện (khối lượng không khí, áp suất, nhiệt độ, CO2 hạt khối lượng, ) cho thấy ưu điểm của loại vòi phun hai ống Sự khác biệt trong khả năng trực tiếp liên quan đến năng lượng tổng thể cung cấp của hai vòi phun Vòi phun được sử dụng không chỉ để cải thiện tốc độ các hạt băng khô CO2 mà còn để tạo ra chân không kéo dòng chảy viên thứ cấp thông qua các ống thứ cấp; sau đó có nhiều năng lượng hơn để trộn hạt với vận tốc dòng chảy và lưu lượng phản lực vận tốc cao để gia tốc các hạt băng khô nhờ các vòi phun hai ống
Hình 3.c là loại vòi phun đơn kiểu lỗ phun tròn được sử dụng phổ biến do khả năng làm sạch cao; hình 3.d là kiểu vòi phun lỗ dẹt dùng khi bề mặt phẳng cho năng suất phun cao
a Vòi phun đơn b Vòi phun kép
c Vòi phun tròn d Vòi phun dẹt
Hình 3 Hai kiểu vòi phun tròn và dẹt theo kiểu vòi phun đơn
Trang 43.3 Lưu lượng phun
Để nhấn mạnh mối quan hệ phụ thuộc, người ta bố trí trên dòng chảy của dòng khí nén không phải 1 mà là 2 cản trở: F1 và F2 Lưu lượng khí vào và ra khỏi buồng đo phải bằng nhau, phụ thuộc áp P1, kích thước F1 và F2
Người ta có thể chế tạo F2 theo các kiểu Trong đó, F1 thường dùng dạng lỗ tròn có đường kính d1 (đầu khí vào) Dạng F2 cũng là lỗ tròn có đường kính d2 Áp suất P2 phụ thuộc đường kính d2, P1 và d1 (cố định)
Trên hình 4 ta có F2 được tạo bởi đầu phun d2 với tấm chắn phẳng đặt cách miệng phun d2 đoạn khe hở z Khi P1, d1, d2 cố định, tiết diện chảy của dòng khí ra môi trường xung quanh được giới hạn bởi một trụ do đường kính d2 và chiều cao z, diện tích đó bằng d2z, còn tiết diện chảy tại d2 là:
2 2
4
d
, khi đó ta cần quan tâm đến khe hở z ứng với hai trường hợp:
- Trường hợp 1: Nếu
2 2 2
4
d
d z
Trường hợp này thì tiết diện cản trở chính không phải
là diện tích chảyd z2 mà là tiết diện chảy
2 2 4
d
A
C
B
Z (mm)
Z max
Z c
Z min 0
P 1
P C
P 2 Pn
P (bar)
Hình 4 Sơ đồ tính vòi phun Hình 5 Đường cong đặc tuyến tính của khí nén
Chú thích hình 4: do: đường kính ống
d1: đường kính điểm thắt
d2 : đường kính vòi phun
Z : khoảng cách phun
- Trường hợp 2: Nếu
2 2 2 4
d
d z
Trường hợp này thì diện tích chảy
2
d z
mới là cản trở chính cuối cùng của dòng khí
Như vậy, khi khoảng cách z thay đổi thì P2 thay đổi rất lớn Trong trường hợp này ta phải khảo sát mối quan hệ:
2
1 1 2
( )
P f z
P d d
Từ đây ta thấy để tạo ra áp suất phun P2 theo mong muốn có thể thực hiện đồng thời nhiều biện pháp từ thiết kế (d1; d2), sử dụng Z, chất lượng nguồn khí nén (P1) do đó chiều dài vòi phun không nên quá lớn sẽ làm giảm hiệu quả (giảm áp suất) của quá trình phun đá CO2 (không nên quá 10m)
Do vậy lưu lượng dòng hỗn hợp khí nén và CO2 tăng dẫn đến khả năng làm sạch nhanh
Trang 53.4 Khoảng cách phun
Để biểu diễn đặc tính của chuyển đổi khí nén người ta dùng các phương trình sau:
(1) (bar) (2) Trong đó: y - hàm chuyển đổi của các chuyển đổi khí nén;
P - áp suất của dòng khí ở miệng ra vòi phun khí
a - hệ số quan hệ
Đường cong đặc tuyến của khí nén thể hiện trên hình 5
Trong thực tế, hàm chuyển đổi của các chuyển đổi khí nén là một hàm phi tuyến Tuy
nhiên, tại vùng lân cận của điểm uốn (Zc; Pc) lại gần như một đường thẳng Khi xét hàm
chuyển đổi trong giới hạn đó thì ta coi như một hàm tuyến tính
Để quá trình làm sạch được thực hiện một cách hiệu quả nhất thì giá trị Z sẽ phải nằm
trong một khoảng nhất định Zmin ≤ Zc ≤ Zmax
Giá trị P1 ≤ Pc ≤ P2
Tương ứng với giá trị áp xuất theo mỗi một kiểu vòi phun với áp suất nguồn do máy nén
cung cấp là Po= const
Công thức tính áp suất đầu ra sẽ là:
(3) Với hệ số quan hệ a Để quá trình được thực hiện tốt nhất P1 ≤ Pn ≤ P2
Vậy:
Suy ra khoảng điều chỉnh của giá trị áp suất sẽ là:
(bar) Mặt khác 0 ≤ Pn ≤ 10 suy ra ≤ 10
Áp suất P và khoảng cách phun z sẽ nằm trong một khoảng giá trị hợp lý nhất vừa thỏa
mãn độ lớn của áp suất và khoảng cách đầu phun với bề mặt làm sạch Mối quan hệ giữa áp
suất nguồn và khoảng cách phun lớn nhất thể hiện trong bảng 1
Với mỗi một vòi thì khoảng cách phun là khác nhau; mỗi một vòi có một khoảng giá trị
Z nơi mà vòi có thể làm việc tốt nhất nhằm thỏa mãn chế độ làm sạch và áp suất của máy
Với áp suất nguồn cố định thì phải điều chỉnh Z trong một khoảng sao cho thỏa mãn:
Zmin ≤ Zc ≤ Zmax Nếu Z quá nhỏ, máy sẽ quá tải áp suất gây nguy hiểm tới công nhân và máy móc thiết
bị Ngược lại, nếu Z quá lớn thì hiệu quả làm sạch sẽ giảm
Với a là hệ số quan hệ giữa đường kính nhỏ nhất của vòi phun và độ khuếch đại của hệ
khí a = 500/d Với d=7 mm, thay vào (2) với áp suất Pn=10 bar nên Z ≤ 213 (mm)
Trang 6Bảng 1 Quan hệ giữa áp suất nguồn và khoảng cách phun lớn nhất
Áp suất máy nén khí trục vít khoảng 5 đến 12 (bar) vậy khoảng điều chỉnh tốt nhất cho
Z nằm trong khoảng 142 mm ÷ 235,5 mm
3.5 Lượng tiêu thụ đá
Tùy thuộc vào khả năng của máy, của hệ thống vòi phun mà có các yêu cầu về lưu lượng, điện áp cho máy và lượng tiêu thụ đá khác nhau:
Q(hỗn hợp) = Q(khí nén) + Q(đá)
Khi ra ngoài vòi phun thì đá CO2 thăng hoa, thể tích tăng 700 lần, do đó:
Q(hỗn hợp) = Q(khí nén) + Q(đá) x 700
Nếu phun với: Q = 5 m3/p và Qđâ = 60(m3/h)
Khi đó: Qhỗn hợp = 5 + 700 x (60/60) = 705 (m3/ph)
Như vậy, hỗn hợp khí ban đầu và hỗn hợp khí sau khi ra khỏi vòi phun có sự thay đổi rất lớn về thể tích do sự thăng hoa của đá CO2
3.6 Nhiệt độ
Đá khô CO2 được tạo thành bằng cách nén khí CO2 lại 700 lần Với áp suất 5,1bar và ở nhiệt độ -78,50 C thì khí CO2 ngưng tụ lại thành các tinh thể màu trắng gọi là đá khô Khi mang ra ngoài không khí thì đá khô chuyển từ trạng thái rắn sang khí gọi là quá trình thăng hoa thì thể tích tăng 700 lần Đồ thị thể hiện sự tăng nhiệt độ hỗn hợp khí thể hiện trên hình 6
a Khi có làm mát b Khi không có làm mát
Hình 6 Sự tăng nhiệt độ hỗn hợp khí
Hiệu ứng nổ, hay còn gọi là thăng hoa của đá CO2, diễn ra rất nhanh Khoảng thời gian xảy ra va chạm của các phần tử đá CO2 với bề mặt khuôn cực nhanh do vậy sự truyền lạnh chưa kịp đến các phần tử trên bề mặt tác dụng nên không gây ra các tác nhân về nhiệt và không ảnh hưởng tới bộ phận thân máy, thiết bị
Nên chọn máy nén khí có hệ thống làm mát thì hiệu quả phun đá CO2 sẽ tốt hơn
Trang 73.7 Loại đá
Có nhiều dạng đá CO2 khác nhau, nhưng đá khô dạng viên kích thước 3mm là được dùng
nhiều cho hiệu quả cao và phổ biến trong quá trình làm sạch bằng phun đá CO2 Kích thước
viên đá 3mm khi trộn với khí nén trên đường ống dài 10m phải tan ra thành các hạt rất bé để
không làm hỏng bề mặt (khi bề mặt vật liệu mềm) Hình ảnh đá CO2 dạng viên ɸ3mm hình 7
4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
4.1 Khi thay đổi áp suất máy nén khí
Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm sạch bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su
khi thay đổi giá trị áp suất khác nhau, kết quả nhận được thể hiện trong bảng 2
Bảng 2 Kết quả làm sạch khuôn khi thay đổi áp suất
TT
Máy nén khí Đá CO 2 Loại khuôn
P
(bar)
Q
(m3/phút)
Z
(mm) Kích thước (mm) Q đá
(kg/h)
Khuôn
ép nhựa Khuôn ép cao su
Hình 8 Biểu đồ ảnh hưởng của áp suất
tới độ sạch của khuôn Hình 9 Biểu đồ ảnh hưởng của lưu lượng khí tới độ sạch khuôn
Hình 7 Đá CO 2 dạng viên
Trang 8Khi phun với áp suất P trên 5bar thì đạt độ sạch trên Sa1 Nếu phun với áp suất càng lớn thì độ sạch cao nhưng máy nén khí phải làm việc liên tục Do đó, tùy theo chất bẩn, độ bẩn của bề mặt mà chọn khoảng áp suất phun thích hợp Biểu đồ ảnh hưởng của áp suất tới độ sạch thể hiện trên hình 8
4.2 Khi thay đổi lưu lượng khí
Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm sạch bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su khi thay đổi lưu lượng khí, kết quả nhận được thể hiện trong bảng 3
Bảng 3 Kết quả làm sạch khuôn khi thay đổi lưu lượng khí
TT
Máy nén khí Đá CO 2 Loại khuôn
P
(bar)
Q
(m3/phút)
Z
(mm) Kích thước (mm) Q đá
(kg/h)
Khuôn
ép nhựa Khuôn ép cao su
Biểu đồ ảnh hưởng của lưu lượng khí tới độ sạch của khuôn ép thể hiện trên hình 9
4.3 Khi thay đổi khoảng cách phun
Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm sạch bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su khi thay đổi khoảng cách phun, kết quả nhận được thể hiện trong bảng 4
Bảng 4 Kết quả làm sạch khuôn khi thay đổi khoảng cách phun
TT
Máy nén khí Đá CO 2 Loại khuôn
P
(bar)
Q
(m3/phút)
Z
(mm) Kích thước (mm) Q đá
(kg/h)
Khuôn
ép nhựa Khuôn ép cao su
Biểu đồ ảnh hưởng của khoảng cách phun tới độ sạch khuôn ép nhựa thể hiện trên hình 10
Hình 10 Ảnh hưởng của khoảng cách
phun tới độ sạch khuôn
Hình 11 Biểu đồ ảnh hưởng của lưu lượng đá tới độ sạch khuôn
Trang 94.4 Khi thay đổi lưu lượng đá
Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm sạch bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su khi thay đổi lưu lượng đá, kết quả nhận được thể hiện trong bảng 5
Bảng 5 Kết quả làm sạch khuôn khi thay đổi lưu lượng đá CO 2
TT
Máy nén khí Đá CO 2 Loại khuôn
P
(bar)
Q
(m3/phút)
Z
(mm) Kích thước (mm) Q đá
(kg/h)
Khuôn
ép nhựa Khuôn ép cao su
Biểu đồ ảnh hưởng của lưu lượng đá tới độ sạch khuôn ép thể hiện trên hình 11
Kết quả thực nghiệm cho thấy khi phun với lưu lượng đá trên 15kg/h, độ sạch bề mặt tốt Tuy nhiên, nếu Qđá quá lớn sẽ làm tăng chi phí của quá trình làm sạch
5 KẾT LUẬN
Quá trình tiến hành thực nghiệm làm sạch khuôn ép nhựa, khuôn ép đùn cao su, khuôn hợp kim nhôm cho thấy các thông số công nghệ khi phun đá CO2 đều ảnh hưởng quyết định đến năng suất, chất lượng làm sạch Trong đó, áp suất, lưu lượng đá CO2 và khoảng cách phun
có ảnh hưởng lớn nhất đến độ sạch Các thông số lưu lượng khí, kích thước lỗ phun và vận tốc phun, nhiệt độ viên đá, dạng lỗ vòi phun có ảnh hưởng lớn đến năng suất phun khi làm sạch
bề mặt khuôn sử dụng phương pháp phun đá CO2
Thông qua quá trình thực nghiệm đã lựa chọn được thông số tối ưu cho quá trình làm sạch của từng loại khuôn Khi làm sạch bề mặt khuôn nhựa, khuôn cao su và khuôn đùn nhôm, chọn khoảng điều chỉnh các thông số công nghệ như sau:
P = 7 - 8 at; Q = 7 - 8 m3/phút; Qđá = 15 - 25 kg/h; Z = 120 - 200 mm
Kết quả nghiên cứu cho thấy làm sạch bề mặt khuôn mẫu bằng phương pháp phun đá khô CO2 có nhiều ưu điểm nổi trội so với các phương pháp truyền thống hiện đang sử dụng Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất, đáp ứng được yêu cầu về năng suất, chất lượng làm sạch máy móc, thiết bị tại Việt Nam
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Karen Bruer, Tom Devine (June 6-9, 2011); Dry Ice Blasting Process for Cleaning, Preservation Preparation and Coating Inspection - MEGA RUST U.S Navy Corrosion Conference;
[2] Robert W Foster; Carbon Dioxide (Dry-Ice) Blasting;
[3] Dabolt, Richard J (1989); Evaluation of Pelletized Carbon Dioxide as a Fluidized Abrasive Agent for removal of Radioactive Contamination; Chem Nuclear Systems, Inc and Martin Marietta Energy Systems: Decatur Georgia
[4] K.E Archibald (December 1993); CO2 Pelletblasting literature search and econtamination scoping tests report
[5] Icesonic dry ice making
[6] Icesonic industrial cleaning equipment
