DE10111235A1 - Verfahren zur Strahlbehandlung mit Strahlmitteln - Google Patents
Verfahren zur Strahlbehandlung mit StrahlmittelnInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlbehandlung von Objekten mit Strahlmitteln, wobei die Strahlmittel mit Hilfe eines Gasstromes auf das zu bearbeitende Objekt gestrahlt werden. Erfindungsgemäß wird als Strahlmittel zumindest Trockeneis eingesetzt, wobei Objekte mit Materialien oder Beschichtungen bestrahlt werden, die einerseits eine größere Härte als Trockeneis, aber andererseits eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Trägermaterial des Objektes aufweisen, an welchem die Materialien oder Beschichtungen anhaften und/oder auf welchem sich die Materialien oder Beschichtungen befinden. Die Strahlbehandlung wird bevorzugt mit CO¶2¶-Pellets durchgeführt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlbehandlung von Objekten mit Strahl
mitteln, wobei die Strahlmittel mit Hilfe eines Gasstromes auf das zu bearbeitende
Objekt gestrahlt werden.
Das Bestrahlen von Objekten (beispielsweise von Werkstücken) als Behandlungsver
fahren mit Strahlmitteln ist in zahlreichen industriellen Anwendungen bekannt. Die
bekannten Strahlbehandlungsverfahren kann man im Hinblick auf die verwendeten
Strahlmittel in zwei Gruppen einteilen.
Die erste Gruppe betrifft das Strahlen mit konventionellen Strahlmitteln wie insbeson
dere Quarzsand (Sandstrahlen), aber auch mit anderen konventionellen Strahlmitteln
wie beispielsweise Stahlkies, Hartgußkies, Drahtkorn und Korund. Als Strahlmittel für
die trockene Abrasivstrahlbehandlung können auch andere anorganische oder
organische Strahlmittel oder Strahlmittel auf pflanzlicher Basis Verwendung finden. Alle
diese konventionellen Strahlmittel besitzen die gemeinsame Eigenschaft, dass die
Strahlmittel bei Normalbedingungen in festem Aggregatzustand vorliegen. Sie wirken in
der Regel abrasiv. Bei der Strahlbehandlung unter Einsatz von herkömmlichen,
abrasiven Strahlmitteln fällt eine Mischung aus abgestrahltem Material und Strahl
mitteln an, die in der Regel mit großem Aufwand und hohen Kosten entsorgt werden
muss.
Außer diesen herkömmlichen Abrasivstrahlmitteln ist eine zweite Gruppe von Strahl
mitteln für Strahlbehandlungen bekannt, die bei Normalbedingungen in gasförmigem
oder flüssigem Aggregatzustand vorliegen.
Diese Strahlmittel sind in der Regel weicher als die konventionellen Strahlmittel und
gewährleisten daher eine Strahlbehandlung mit geringerer Abrasivtät im Vergleich zu
Strahlbehandlungen mit konventionellen bei Normalbedingung im festen Aggregat
zustand vorliegenden Strahlmitteln. Als Vertreter der Gruppe der bei Normalbedin
gungen in fluider Form vorliegenden Strahlmitteln ist insbesondere Trockeneis (CO2)
zu nennen, welches sich in zahlreichen Anwendungen bewährt hat.
Verfestigtes Kohlendioxid bietet aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften wesent
liche Vorteile bei der Verwendung als Strahlmittel zur Strahlbearbeitung wie die Strahl
reinigung von Oberflächen: Kohlendioxid in festem Aggregatzustand (Trockeneis) be
sitzt eine Temperatur von etwa -78°C. Bei Erwärmung sublimiert Kohlendioxid. Die
Bearbeitung mit Kohlendioxid in festem Aggregatzustand verläuft rückstandsfrei, da
das sublimierte gasförmige Kohlendioxid problemlos entweichen kann. Eine Strahl
mittelaufbereitung oder Strahlmittelentsorgung ist daher für Kohlendioxid nicht erfor
derlich. Bevorzugt wird festes Kohlendioxid in Form von CO2-Pellets eingesetzt. Das
Strahlreinigen mit CO2-Pellets ist beispielsweise im eigenen Magazin für Kunden und
Geschäftspartner
- - Know How, "Strahlreinigen nach Maß mit Cryoclean®", Dr. H.-J. Diehl, Linde AG, Werksgruppe Technische Gase, 2/96, 1996, Seiten 1 bis 5,
beschrieben. Mobile Anlagen zur CO2
-Strahlreinigung sind unter dem Namen
Cryomax® und Cryomini® aus Prospekten der Fa. Linde Gas AG bekannt.
In der Regel wird festes Kohlendioxid (CO2) in Form von komprimiertem, in der Regel
reiskorngroßem Granulat eingesetzt. Diese sog. CO2-Pellets werden in einer Strahl
anlage in einen Gasstrom eindosiert, mit dem Gasstrom zu einer Strahldüse gefördert
und durch die Strahldüse auf die zu bearbeitende Oberfläche geleitet. Die Strahldüse
ist dabei üblicherweise in einer Strahlpistole eingebaut. Meist werden Trockeneis-
Pellets in einem Pelletierer hergestellt. Hierzu wird flüssiges Kohlendioxid in den
Pelletierer eingespritzt, durch Entspannung in Trockeneis (Schnee) überführt, zu einem
"Kuchen" komprimiert und schließlich durch eine Matrize gepreßt. Als Resultat entste
hen etwa reiskorngroße CO2-Pellets mit einer gewissen Größenverteilung. Das so
hergestellte Granulat weist typischerweise Mittelwerte von einer Länge von 8 mm und
einem Durchmesser von 3 mm auf.
Die Härte von Trockeneis entspricht etwa der geringen Härte von Gips.
Aufgrund der im Vergleich zu herkömmlichen Abrasivstrahlmitteln, die bei Normal
bedingungen im festen Aggregatzustand vorliegen, eröffnen die "weicheren" bei
Normalbedingungen in fluider Form vorliegenden Strahlmittel Anwendungen, bei denen
ein Abtrag von Material nicht notwendig oder sogar nicht erwünscht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
aufzuzeigen, welches eine Verbesserung der Strahlbehandlung von Oberflächen mit
sich bringt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass als Strahlmittel zumindest Trockeneis
eingesetzt wird, wobei Objekte mit Materialien oder Beschichtungen bestrahlt werden,
die einerseits eine größere Härte als das Trägermaterial des Objektes aufweisen, an
welchem die Materialien oder Beschichtungen anhaften und/oder auf welchem sich die
Materialien oder Beschichtungen befinden.
Mit der Erfindung kann eine wirksame Strahlbehandlung von Oberflächen - insbeson
dere eine wirksame Reinigung von Oberflächen - mit Hilfe von Trockeneis, d. h. mitttels
unter Normalbedingungen in fluider Form vorliegenden Strahlmitteln, gewährleistet
werden, auch wenn Ansammlungen, Anlagerungen, Anhaftungen, Beläge oder
Beschichtungen aus Materialien mit einer größeren Härte als Trockeneis bearbeitet
werden.
Besonders überaschend ist, dass Objektoberflächen, auf oder an denen Material
anhaftet bzw. die mit Material beschichtet sind, welches eine größere Härte als die
unter Normalbedingungen in fluider Form vorliegenden Strahlmittel aufweist, einer
Strahlbehandlung mittels Kohlendioxid als zumindest ein Strahlmittel wirksam unter
zogen werden können. Denn aufgrund der vergleichsweise geringen Härte der
Trockeneisteilchen ist man bislang davon ausgegangen, dass sie für eine Strahl
behandlung von härteren Materialien nicht geeignet sind.
Dass härtere Materialien mit Trockeneis wirksam bestrahlt werden können, liegt ver
mutlich an einer primär nicht mechanischen, sondern komplexen chemisch/physika
lischen Wirkungsweise.
Trockeis besitzt eine sehr niedrige Temperatur von etwa -78°C. Die niedrige Tempe
ratur bedeutet eine hohe Temperaturdifferenz ΔT zu dem abzulösenden Material. Die
hohe Strömungsgeschwindigkeit (vorzugsweise 100 bis 300 m/s) des Trägergases
führt zu hoher Turbulenz und damit hohen Wärmeübergangskoeffizienten α. Hohe
Wärmeübergangskoeffizienten α und eine hohe Temperaturdifferenz ΔT bedeuten
sehr schnelle, oberflächliche Abkühlung. Bei Material, das eine schlechte Wärmeleitfähigkeit
hat, wie dies beispielsweise für Schwefel zutrifft, kommt es so zu hohen
Temperaturgradienten innerhalb der Verunreinigungsschicht. Diese wiederum führen
zu hohen Thermospannungen, die durch Wärmeleitung nicht abgebaut werden.
Infolgedessen entstehen in dem durch die tiefe Temperatur versprödeten Material
strukturelle Veränderungen, die Schwächungen des Materials bis hin zu Rissen nach
sich ziehen.
Vorteilhafterweise wird die Strahlbehandlung mit CO2-Pellets durchgeführt.
Die Rissbildung wird in diesem Fall noch durch einen zweiten Effekt verstärkt: CO2-
Pellets, die mit hoher Geschwindigkeit auf eine Oberfläche prallen, erzeugen punktuell
an der Auftreffstelle einen hohen Druck. Dabei wird festes CO2 flüssig, ähnlich wie
Wassereis unter Schlittschuhen. Flüssiges CO2 ist ein gutes Lösemittel für sehr viele
Stoffe, insbesondere organische Materialien. Speziell bei Schwefel führt die lokal
auftretende Lösung zu einer Änderung der Kristallstruktur, die sich nach einiger Zeit
wieder zurückbilden kann. In der Zwischenzeit treten jedoch durch die unterschied
lichen Volumina der Kristallstrukturen Spannungen auf, die wiederum Rissbildungen
fördern.
Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn das Trockeneis bzw. die CO2-Pellets mit
hoher Geschwindigkeit auf die abzulösenden Materialien, Beläge und/oder
Beschichtungen treffen. Die Abrasion, die besonders hartes Strahlmaterial für harte
Beläge erfordern würde, ist als Wirkung bei der Strahlbehandlung dabei nur von
untergeordneter Bedeutung.
Besondere Vorteile lassen sich mit der Erfindung erzielen, wenn die Wärmeleitfähigkeit
der Materialien oder Beschichtungen einen Wert kleiner als 20 W/m°K, vorzugsweise
kleiner als 15 W/m°K, besonders bevorzugt kleiner als 10 W/m°K, weiter insbesondere
bevorzugt kleiner als 9 W/m°K, aufweist. Bezogen auf das Trägermaterial des
Objektes, an welchem die Materialien oder Beschichtungen anhaften und/oder auf
welchem sich die Materialien oder Beschichtungen befinden, ist es von Vorteil, wenn
die Wärmeleitfähigkeit des Trägermaterials des Objektes einen Wert größer als 30 W/m°K,
vorzugsweise größer als 35 W/m°K, besonders bevorzugt größer als 45 W/m°K,
aufweist. Das Trägermaterial ist oft Stahl, der eine Wärmeleitfähigkeit von ca.
46 W/m°K aufweist, oder Edelstahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 35 W/m°K. Ein
Beispiel für ein erfolgreich abzulösendes Material stellt etwa Ruß dar, der eine gute
Wärmeleitfähigkeit von ca. 8,9 W/m°K besitzt. Materialien mit schlechterer Wärmeleit
fähigkeit sind folglich besser ablösbar. Dies trifft folglich beispielsweise auf Schwefel
mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,45 W/m°K zu.
Die Strömungsgeschwindigkeiten des Trägergasstromes im Arbeitsbereich an der
Düse betragen in Weiterbildung der Erfindung von 50 m/s bis 400 m/s, vorzugsweise
von 100 bis 350 m/s, besonders bevorzugt von 200 bis 300 m/s.
In die oben beschriebenen Risse dringt CO2 im Zustand der transienten Flüssigphase
mit hohem Druck ein. Danach tritt jedoch eine schlagartige Druckentlastung ein, weil
die Aufprallenergie des CO2-Pellets nicht bis in die Tiefe des Risses hinunterreicht. Die
Druckentlastung kann zweierlei Folgen haben:
- a) Die Flüssigkeit entspannt sich und verdampft schlagartig unter Volumenvermehrung um ca. einen Faktor 500 bis 600. Dadurch entsteht eine lokale Sprengwirkung, die Beläge von der darunterliegenden Oberfläche ablöst.
- b) Die Druckentlastung führt zusätzlich zur Bildung von CO2-Eis-Partikeln. Diese kleinen Partikel sublimieren jedoch sehr schnell - fast ohne Zeitverzögerung - unter starker Volumenvermehrung, was wiederum zu der genannten Sprengwirkung auf das abzulösende Material führt.
Der Gasstrom zur Förderung des Trockeneises bzw. der CO2-Pellets kann aus jedem
geeigneten Gas oder Gasgemisch zusammengesetzt sein. In der Regel wird zur
Versorgung der Strahlanlage Druckluft, beispielsweise mit einem Druck von 5 bis
20 bar, mit einem Taupunkt von 5°C oder trockener, eingesetzt. Die Trockeneis
teilchen bzw. die CO2-Pellets werden dem Luftstrom zudosiert, mit Hilfe des
Luftstromes durch die Strahldüse gefördert, auf eine Geschwindigkeit von bis zu
400 m/s beschleunigt und auf die zu reinigende Fläche geleitet.
In Ausgestaltung der Erfindung weisen die zu behandelden Materialien oder Be
schichtungen zumindest teilweise einen von dem der Objektoberfläche unterschied
lichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
In diesem Fall, wenn das abzulösende Material und der Untergrund, auf dem es haftet,
stark unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten bei Abkühlung besitzen, treten mit
der Abkühlung des Materials durch das Strahlmittel Trockeneis auch Thermospannun
gen zwischen Material und Untergrund auf. Dies führt wiederum zu Thermospannun
gen und damit Scherkräften, die das Material von der darunterliegenden Fläche tren
nen.
Mit Vorteil können unter Anwendung der Erfindung Beschichtungen mit einer mittleren
Dicke von über 2 µm bestrahlt werden, wobei auch zentimeterdicke Schichten
erfolgreich abgelöst werden können. Es hat sich gezeigt, dass bei sehr dünnen Schich
ten eines Feststoffs die erfindungsgemäße Methode an Wirkung verliert. Bei solchen
dünnen Schichten ist auch eine schlechte Wärmeleitung durch das abzulösende Mate
rial auf den darunter liegenden Untergrund aufgrund der geringen Dicke noch so gut,
dass sich trotz schlechter Wärmeleitfähigkeit nur eine geringe Temperaturdifferenz
zwischen Material und Untergrund einstellt. Damit entstehen auch nur geringe Scher
kräfte. Außerdem ist die dünne Schicht nur wenig mechanisch belastbar, so dass sie
sich den Bewegungen des Untergrunds anpasst, ohne sich abzulösen.
Im Rahmen der Erfindung können zusätzlich bei Normalbedingungen in festem Aggre
gatzustand vorliegende Strahlmittel verwendet werden. Unter bestimmten Umständen
können sich dabei Vorteile ergeben, die den Nachteil der Strahlmittelaufbereitung oder
Strahlmittelentsorgung aufwiegen oder übersteigen können.
In Weiterbildung der Erfindung können organische Materialien oder Beschichtungen
und/oder schwefelhaltige Materialien oder Beschichtungen bestrahlt werden.
In Anlagenteilen wie Schwefelkondensatoren von Claus-Anlagen bilden sich aus
Schwefel, Salzen und Katalysatorabrieb vorgeschalteter Reaktoren Ablagerungen, die
als "Sulfurcrete" bezeichnet werden. Sulfurcrete wird beispielsweise in der
Veröffentlichung: H. G. Paskall, J. A. Sames: "Sulphur Recovery", Calgary (Canada),
1989, im Kapitel "Sulphur condenser function and problem areas" erwähnt.
Sulfurcrete ist ein Feststoff, dessen Härte dem von Granit gleicht. Solche Beläge
wurden bisher mit Hilfe von Bohrern oder ähnlicher mechanisch wirkender Geräte
entfernt. Beschädigungen der Apparate und Objektoberflächen durch dieses mecha
nische Reinigen können nicht ganz vermieden werden und führen zu einer geringen
Lebensdauer der Apparate, beispielsweise der erwähnten Schwefelkondensatoren. Es
hat sich gezeigt, dass Sulfurcrete-Beläge unter Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wirksam entfernt werden können. Mit entsprechenden Versuchen an
Sulfurcrete-Belägen konnte bestätigt werden, dass eine Strahlbehandlung mit Trocken
eisteilchen trotz deren geringer Härte dazu führt, dass sich die Beläge aus härterem
Material von der Oberfläche des Objektes abtrennen lassen. Verantwortlich für diese
unerwartete Tatsache sind vermutlich die oben erwähnten besonderen Eigenschaften
des Kohlendioxids und die geringere Wärmeleitfähigkeit des Sulfurcrete gegenüber
dem Trägermaterial, also meist Stahl. Konkret betragen die Wärmeleitfähigkeiten von
Stahl ca. 46 W/m°K, von Sulfurcrete ca. 0,5 bis 1 W/m°K.
Claims (10)
1. Verfahren zur Strahlbehandlung von Objekten mit Strahlmitteln, wobei die
Strahlmittel mit Hilfe eines Gasstromes auf das zu bearbeitende Objekt gestrahlt
werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlmittel zumindest Trockeneis
eingesetzt, wobei Objekte mit Materialien oder Beschichtungen bestrahlt werden,
die einerseits eine größere Härte als Trockeneis, aber andererseits eine geringere
Wärmeleitfähigkeit als das Trägermaterial des Objektes aufweisen, an welchem
die Materialien oder Beschichtungen anhaften und/oder auf welchem sich die
Materialien oder Beschichtungen befinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbe
handlung mit CO2 Pellets durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme
leitfähigkeit der Materialien oder Beschichtungen einen Wert kleiner als 20 W/m°K,
vorzugsweise kleiner als 15 W/m°K, besonders bevorzugt kleiner als 10 W/m°K,
weiter insbesondere bevorzugt kleiner als 9 W/m°K, aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeleitfähigkeit des Trägermaterials des Objektes einen Wert größer als 30 W/m°K,
vorzugsweise größer als 35 W/m°K, besonders bevorzugt größer als 45 W/m°K,
aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strömungsgeschwindigkeiten des Trägergasstromes im Arbeitsbereich an der
Düse von 50 m/s bis 400 m/s, vorzugsweise von 100 bis 350 m/s, besonders
bevorzugt von 200 bis 300 m/s, betragen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
zu behandelden Materialien oder Beschichtungen einen von dem der Objektober
fläche unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
Beschichtungen mit einer mittleren Dicke von über 2 µm bestrahlt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich bei Normalbedingungen in festem Aggregatzustand vorliegende
Strahlmittel verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
schwefelhaltige Materialien oder Beschichtungen bestrahlt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
organische Materialien oder Beschichtungen bestrahlt werden.
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