Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 SURFACE MOLD BY SPRAYING CO2 ICE Phùng Xuân Sơn1a, Phạm Văn Đông2, Nguyễn Xuân Yên2 1,2 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội a phungxuanson@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ (áp suất, lưu lượng, khoảng cách phun lưu lượng đá khô) làm bề mặt khuôn nhựa, khuôn cao su phương pháp phun đá khô CO2 Kết thực nghiệm cho thấy áp suất, lưu lượng đá khô, khoảng cách phun có ảnh hưởng lớn đến độ suất làm chất bẩn Kết nghiên cứu sở cho nhà kỹ thuật lựa chọn thông số công nghệ tối ưu để làm bề mặt khuôn đảm bảo suất chất lượng theo yêu cầu Từ khóa: đá khô, bề mặt khuôn mẫu, làm 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 GIỚI THIỆU Công nghệ làm đá khô CO2 cách mạng vệ sinh công nghiệp, sử dụng nhiều lĩnh vực hàng không, xi măng, nhiều loại máy móc thiết bị khác Công nghệ làm thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm nguồn nước, không khí, tiết kiệm chi phí, an toàn, nhanh chóng hiệu quả, làm bề mặt bụi bẩn, dầu mỡ, lớp kim loại bề mặt bị oxi hóa,… Bên cạnh đó, phương pháp không làm trầy sát, biến dạng hư hại bề mặt khuôn mẫu Nhóm tác giả tiến hành thực nghiệm làm khuôn ép nhựa, khuôn ép cao su Phòng vũ khí Vật liệu chuyên dụng – Viện H57 – Bộ Công an cho kết tốt Một số hình ảnh làm bề mặt khuôn mẫu thể hình Hình Một số hình ảnh làm bề mặt khuôn 653 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH BẰNG PHUN ĐÁ CO2 2.1 Phương pháp Phương pháp làm đá CO2 phương pháp làm vật lý, sử dụng đá CO2 hóa rắn -790C làm nguyên liệu, qua máy áp lực cao để bắn đá CO2 vào bề mặt thiết bị muốn làm Trong trình làm việc, nhờ áp lực khí nén qua kết cấu đặc biệt vòi phun, hạt đá CO2 tăng tốc đạt tốc độ đến 300 m/s, đá tiếp xúc với bề mặt chi tiết thăng hoa thành dạng khí, thể tích tăng đột ngột lên tới 700 lần so với thể tích ban đầu gây hiệu ứng nổ bề mặt chi tiết thời gian nhỏ, nhờ áp suất nổ bề mặt chi tiết làm 2.2 Ưu điểm phương pháp làm phun đá CO2 + Khả làm tốt, đạt độ Sa2 - Sa2.5 theo tiêu chuẩn Châu Âu (ISO 8501-1:1988); + An toàn với người làm việc, không độc hại thân thiện với môi trường làm việc vị trí thuận lợi + Đa công dụng: sử dụng làm dầu mỡ, sơn, gỉ,… động cơ, hộp số, bảng điện, đường ống,… cần mà thay đổi công nghệ đầu tư thiết bị + Không cần chi phí tái sinh cát, chi phí thay cát bi, chi phí thay hóa chất + Công nghệ CO2 mòn hệ thống vòi phun + Giá thành đầu tư máy móc thiết bị thấp nhiều so với phương pháp phun bi, phun cát + Không làm hỏng bề mặt nhiệt 2.3 Hệ thống làm phương pháp phun đá CO2 Hệ thống trang thiết bị thực nghiệm gồm: + Máy nén khí trục vít: P = Bar; Q = - m3/ph; + Máy phun đá KC.03.28/11-15: Qđá = - 50 kg/giờ; có rung khí nén; + Đá khô CO2: Kích thước viên 3mm; + Bộ mẫu kiểm tra độ theo tiêu chuẩn ISO Hệ thống làm phương pháp phun đá CO2 thể hình Hình Hệ thống làm phương pháp phun đá CO2 654 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ SẠCH 3.1 Áp suất phun Ta thấy áp lực dòng khí nén yếu tố quan trọng để tăng tốc độ hạt đá CO2 từ máy phun lý sau: + Áp lực dòng khí phù hợp đưa phần tử đá vào bề mặt cách thuận lợi thổi hạt cứng, nhờ bề mặt chi tiết làm + Đá CO2 phun góc nghiêng so với bề mặt làm Góc nghiêng có tác dụng đẩy hạt bụi bẩn khỏi bề mặt + Khả làm đá CO2 phụ thuộc nhiều vào áp lực dòng khí Nếu áp lực dòng khí đủ lớn phù hợp, khả làm nhanh độ cao Nếu áp suất dòng khí nhỏ, khả làm Vì vậy, để nâng cao hiệu trình làm phương pháp phun đá khô CO2, cần lựa chọn áp suất dòng khí hợp lý ứng với bề mặt cần làm điều kiện cụ thể khác 3.2 Vòi phun Vòi phun hạt đá khô gia tốc với vận tốc cao để tạo hiệu cho việc phun đá CO2 Các nghiên cứu khoa học vòi phun hai ống (hình 3.b) so với ống (hình 3.a), vòi phun siêu âm khác độ hội tụ hoạt động điều kiện (khối lượng không khí, áp suất, nhiệt độ, CO2 hạt khối lượng, ) cho thấy ưu điểm loại vòi phun hai ống Sự khác biệt khả trực tiếp liên quan đến lượng tổng thể cung cấp hai vòi phun Vòi phun sử dụng không để cải thiện tốc độ hạt băng khô CO2 mà để tạo chân không kéo dòng chảy viên thứ cấp thông qua ống thứ cấp; sau có nhiều lượng để trộn hạt với vận tốc dòng chảy lưu lượng phản lực vận tốc cao để gia tốc hạt băng khô nhờ vòi phun hai ống Hình 3.c loại vòi phun đơn kiểu lỗ phun tròn sử dụng phổ biến khả làm cao; hình 3.d kiểu vòi phun lỗ dẹt dùng bề mặt phẳng cho suất phun cao a Vòi phun đơn b Vòi phun kép d Vòi phun dẹt c Vòi phun tròn Hình Hai kiểu vòi phun tròn dẹt theo kiểu vòi phun đơn 655 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.3 Lưu lượng phun Để nhấn mạnh mối quan hệ phụ thuộc, người ta bố trí dòng chảy dòng khí nén mà cản trở: F1 F2 Lưu lượng khí vào khỏi buồng đo phải nhau, phụ thuộc áp P1, kích thước F1 F2 Người ta chế tạo F2 theo kiểu Trong đó, F1 thường dùng dạng lỗ tròn có đường kính d1 (đầu khí vào) Dạng F2 lỗ tròn có đường kính d2 Áp suất P2 phụ thuộc đường kính d2, P1 d1 (cố định) Trên hình ta có F2 tạo đầu phun d2 với chắn phẳng đặt cách miệng phun d2 đoạn khe hở z Khi P1, d1, d2 cố định, tiết diện chảy dòng khí môi trường xung quanh giới hạn trụ đường kính d2 chiều cao z, diện tích d 2 z , tiết diện chảy d2 là:  d 22 , ta cần quan tâm đến khe hở z ứng với hai trường hợp: - Trường hợp 1: Nếu  d 22   d z Trường hợp tiết diện cản trở diện tích chảy  d z mà tiết diện chảy  d 22 P (bar) A Pn P2 C PC B P1 Hình Sơ đồ tính vòi phun Chú thích hình 4: Zmin Zc Zmax Z (mm) Hình Đường cong đặc tuyến tính khí nén do: đường kính ống d1: đường kính điểm thắt d2 : đường kính vòi phun Z : khoảng cách phun - Trường hợp 2: Nếu  d   d z Trường hợp diện tích chảy  d z cản trở cuối dòng khí Như vậy, khoảng cách z thay đổi P2 thay đổi lớn Trong trường hợp ta phải khảo sát mối quan hệ: P2  f ( z ) P1 , d1 , d Từ ta thấy để tạo áp suất phun P2 theo mong muốn thực đồng thời nhiều biện pháp từ thiết kế (d1; d2), sử dụng Z, chất lượng nguồn khí nén (P1) chiều dài vòi phun không nên lớn làm giảm hiệu (giảm áp suất) trình phun đá CO2 (không nên 10m) Do lưu lượng dòng hỗn hợp khí nén CO2 tăng dẫn đến khả làm nhanh 656 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.4 Khoảng cách phun Để biểu diễn đặc tính chuyển đổi khí nén người ta dùng phương trình sau: (1) (bar) Trong đó: (2) y - hàm chuyển đổi chuyển đổi khí nén; P - áp suất dòng khí miệng vòi phun khí a - hệ số quan hệ Đường cong đặc tuyến khí nén thể hình Trong thực tế, hàm chuyển đổi chuyển đổi khí nén hàm phi tuyến Tuy nhiên, vùng lân cận điểm uốn (Zc; Pc) lại gần đường thẳng Khi xét hàm chuyển đổi giới hạn ta coi hàm tuyến tính Để trình làm thực cách hiệu giá trị Z phải nằm khoảng định Zmin ≤ Zc ≤ Zmax Giá trị P1 ≤ Pc ≤ P2 Tương ứng với giá trị áp xuất theo kiểu vòi phun với áp suất nguồn máy nén cung cấp Po= const Công thức tính áp suất đầu là: (3) Với hệ số quan hệ a Để trình thực tốt P1 ≤ Pn ≤ P2 Vậy: Suy khoảng điều chỉnh giá trị áp suất là: (bar) Mặt khác ≤ Pn ≤ 10 suy Ta có: ≤ 10 (mm) (4) Áp suất P khoảng cách phun z nằm khoảng giá trị hợp lý vừa thỏa mãn độ lớn áp suất khoảng cách đầu phun với bề mặt làm Mối quan hệ áp suất nguồn khoảng cách phun lớn thể bảng Với vòi khoảng cách phun khác nhau; vòi có khoảng giá trị Z nơi mà vòi làm việc tốt nhằm thỏa mãn chế độ làm áp suất máy Với áp suất nguồn cố định phải điều chỉnh Z khoảng cho thỏa mãn: Zmin ≤ Zc ≤ Zmax Nếu Z nhỏ, máy tải áp suất gây nguy hiểm tới công nhân máy móc thiết bị Ngược lại, Z lớn hiệu làm giảm Với a hệ số quan hệ đường kính nhỏ vòi phun độ khuếch đại hệ khí a = 500/d Với d=7 mm, thay vào (2) với áp suất Pn=10 bar nên Z ≤ 213 (mm) 657 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Quan hệ áp suất nguồn khoảng cách phun lớn STT Pn (bar) Zmax (mm) 142 10 213 12 235,5 Áp suất máy nén khí trục vít khoảng đến 12 (bar) khoảng điều chỉnh tốt cho Z nằm khoảng 142 mm ÷ 235,5 mm 3.5 Lượng tiêu thụ đá Tùy thuộc vào khả máy, hệ thống vòi phun mà có yêu cầu lưu lượng, điện áp cho máy lượng tiêu thụ đá khác nhau: Q(hỗn hợp) = Q(khí nén) + Q(đá) Khi vòi phun đá CO2 thăng hoa, thể tích tăng 700 lần, đó: Q(hỗn hợp) = Q(khí nén) + Q(đá) x 700 Nếu phun với: Q = m3/p Qđâ = 60(m3/h) Khi đó: Qhỗn hợp = + 700 x (60/60) = 705 (m3/ph) Như vậy, hỗn hợp khí ban đầu hỗn hợp khí sau khỏi vòi phun có thay đổi lớn thể tích thăng hoa đá CO2 3.6 Nhiệt độ Đá khô CO2 tạo thành cách nén khí CO2 lại 700 lần Với áp suất 5,1bar nhiệt độ -78,50 C khí CO2 ngưng tụ lại thành tinh thể màu trắng gọi đá khô Khi mang không khí đá khô chuyển từ trạng thái rắn sang khí gọi trình thăng hoa thể tích tăng 700 lần Đồ thị thể tăng nhiệt độ hỗn hợp khí thể hình a Khi có làm mát b Khi làm mát Hình Sự tăng nhiệt độ hỗn hợp khí Hiệu ứng nổ, hay gọi thăng hoa đá CO2, diễn nhanh Khoảng thời gian xảy va chạm phần tử đá CO2 với bề mặt khuôn cực nhanh truyền lạnh chưa kịp đến phần tử bề mặt tác dụng nên không gây tác nhân nhiệt không ảnh hưởng tới phận thân máy, thiết bị Nên chọn máy nén khí có hệ thống làm mát hiệu phun đá CO2 tốt 658 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.7 Loại đá Có nhiều dạng đá CO2 khác nhau, đá khô dạng viên kích thước 3mm dùng nhiều cho hiệu cao phổ biến trình làm phun đá CO2 Kích thước viên đá 3mm trộn với khí nén đường ống dài 10m phải tan thành hạt bé để không làm hỏng bề mặt (khi bề mặt vật liệu mềm) Hình ảnh đá CO2 dạng viên ɸ3mm hình Hình Đá CO2 dạng viên KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Khi thay đổi áp suất máy nén khí Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su thay đổi giá trị áp suất khác nhau, kết nhận thể bảng Bảng Kết làm khuôn thay đổi áp suất Máy nén khí Đá CO2 Loại khuôn TT P (bar) Q (m /phút) Z (mm) Kích thước (mm) Qđá (kg/h) Khuôn ép nhựa Khuôn ép cao su 120 30 Sa1 Sa1 120 30 Sa2 Sa2 120 30 Sa2.5 Sa2.5 8 120 30 Sa2.5 Sa2.5 Hình Biểu đồ ảnh hưởng áp suất tới độ khuôn Hình Biểu đồ ảnh hưởng lưu lượng khí tới độ khuôn 659 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khi phun với áp suất P 5bar đạt độ Sa1 Nếu phun với áp suất lớn độ cao máy nén khí phải làm việc liên tục Do đó, tùy theo chất bẩn, độ bẩn bề mặt mà chọn khoảng áp suất phun thích hợp Biểu đồ ảnh hưởng áp suất tới độ thể hình 4.2 Khi thay đổi lưu lượng khí Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su thay đổi lưu lượng khí, kết nhận thể bảng Bảng Kết làm khuôn thay đổi lưu lượng khí Máy nén khí Đá CO2 Loại khuôn TT P Q Z Kích thước (mm) (bar) (m /phút) (mm) Qđá (kg/h) Khuôn ép nhựa Khuôn ép cao su 120 30 Sa1 Sa1 120 30 Sa2 Sa2 120 30 Sa2.5 Sa2.5 8 120 30 Trên Sa2.5 Trên Sa2.5 Biểu đồ ảnh hưởng lưu lượng khí tới độ khuôn ép thể hình 4.3 Khi thay đổi khoảng cách phun Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su thay đổi khoảng cách phun, kết nhận thể bảng Bảng Kết làm khuôn thay đổi khoảng cách phun Máy nén khí Đá CO2 Loại khuôn TT P (bar) Q Z (m /phút) (mm) Kích thước (mm) Qđá (kg/h) Khuôn ép nhựa Khuôn ép cao su 8 300 30 Không đạt Không đạt 8 250 30 Trên Sa1 Trên Sa1 8 200 30 Sa2 Sa2 8 120 30 Sa2.5 Sa2.5 Biểu đồ ảnh hưởng khoảng cách phun tới độ khuôn ép nhựa thể hình 10 Hình 10 Ảnh hưởng khoảng cách phun tới độ khuôn Hình 11 Biểu đồ ảnh hưởng lưu lượng đá tới độ khuôn 660 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 4.4 Khi thay đổi lưu lượng đá Sử dụng phương pháp phun đá khô CO2 làm bề mặt khuôn nhựa, khuôn ép cao su thay đổi lưu lượng đá, kết nhận thể bảng Bảng Kết làm khuôn thay đổi lưu lượng đá CO2 Máy nén khí Đá CO2 Loại khuôn TT P (bar) Q Z (m /phút) (mm) Kích thước (mm) Qđá (kg/h) Khuôn ép nhựa Khuôn ép cao su 8 120 10 Không đạt Không đạt 8 120 15 Trên Sa1 Trên Sa1 8 120 25 Sa2 Sa2 8 120 30 Sa2.5 Sa2.5 Biểu đồ ảnh hưởng lưu lượng đá tới độ khuôn ép thể hình 11 Kết thực nghiệm cho thấy phun với lưu lượng đá 15kg/h, độ bề mặt tốt Tuy nhiên, Qđá lớn làm tăng chi phí trình làm KẾT LUẬN Quá trình tiến hành thực nghiệm làm khuôn ép nhựa, khuôn ép đùn cao su, khuôn hợp kim nhôm cho thấy thông số công nghệ phun đá CO2 ảnh hưởng định đến suất, chất lượng làm Trong đó, áp suất, lưu lượng đá CO2 khoảng cách phun có ảnh hưởng lớn đến độ Các thông số lưu lượng khí, kích thước lỗ phun vận tốc phun, nhiệt độ viên đá, dạng lỗ vòi phun có ảnh hưởng lớn đến suất phun làm bề mặt khuôn sử dụng phương pháp phun đá CO2 Thông qua trình thực nghiệm lựa chọn thông số tối ưu cho trình làm loại khuôn Khi làm bề mặt khuôn nhựa, khuôn cao su khuôn đùn nhôm, chọn khoảng điều chỉnh thông số công nghệ sau: P = - at; Q = - m3/phút; Qđá = 15 - 25 kg/h; Z = 120 - 200 mm Kết nghiên cứu cho thấy làm bề mặt khuôn mẫu phương pháp phun đá khô CO2 có nhiều ưu điểm trội so với phương pháp truyền thống sử dụng Kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tế sản xuất, đáp ứng yêu cầu suất, chất lượng làm máy móc, thiết bị 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); econtamination scoping tests report CO2 [5] Icesonic dry ice making [6] Icesonic industrial cleaning equipment 661 Pelletblasting literature search and