DE10111235A1 - Verfahren zur Strahlbehandlung mit Strahlmitteln - Google Patents

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.