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| 初始溫度對干冰噴射法去除鐵板表面漆涂層的影響…… |
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摘要：主要研究了采用干冰噴射法去除鐵板表面防銹漆涂層中溫度的影響，考察了不同初始溫度與去除的鐵板表面防銹漆涂層的質(zhì)量之間的關(guān)系。利用掃描電鏡(SEM)對不同溫度中防銹漆涂層的鐵板樣表面進行分析，結(jié)果表明涂層表面形態(tài)受溫度影響較大，溫度越低，防銹漆涂層破壞越嚴(yán)重，干冰噴射法去除的防銹漆涂層越多，去污效果越好。目前，在核設(shè)施退役過程中，一些通儀器設(shè)備、風(fēng)管、鉛罐等都需要對其去污以降低污染等級，以便于回收處理。一般采用諸如化學(xué)泡沫和凝膠、氧化還原試劑、有機酸等、離心噴丸系統(tǒng)、噴砂系統(tǒng)、高壓水沖洗方法進行處理，但這些方法將產(chǎn)生大量的二次放射性廢物和有毒有機廢液，需進行再次處理，并且一些去污條件要求較高，同時也對操作人員產(chǎn)生不必要的危害，所以，這些方法不適宜用于核設(shè)施退役。近年來，許多國家都將干冰噴射法直接應(yīng)用于核設(shè)施清洗中，特別是法國，大多數(shù)的核設(shè)施的清理都采用干冰清洗。干冰清洗時利用 干冰清洗機（干冰噴射器、洗模機）噴射干冰顆粒經(jīng)高壓氣流加速，通過噴嘴噴出，沖擊到需要清洗的界面，有效地去除目標(biāo)污物。這是因為干冰顆粒溫度極低(-78．5℃)，用于去污清理時，使得清洗表面污染層與粘附的基底層之間形成溫度差，由于不同材料具有不同熱膨脹系數(shù)，表面污染層與粘附的基底層之間的溫度差會破壞兩種材料間的物理結(jié)合，利用其收縮性不同使其粘附層產(chǎn)生裂紋并脆化。同時，在沖擊瞬間，干冰破裂，進入裂縫同時在千分之幾秒內(nèi)體積膨脹近800倍，造成“微型爆炸”，將污垢層吹掃剝離，清除污物。干冰清洗機的工作機理如圖1所示。
干冰噴射清洗法在核設(shè)施的退役中的應(yīng)用研究較多，但是很少研究溫度變化對去污效果的影響，國內(nèi)外對干冰清洗過程中溫度的影響方面有許多的報道，例如Alice Ying和Mohamed Abdou 在運用干冰清洗NIF (美國的國家點火設(shè)施)時，提出溫度突然降低，可能產(chǎn)生熱沖突，必然導(dǎo)致污染層產(chǎn)生裂紋。P.H.Shipway和D.P.Weston在研究熱能影響聚合物的蝕刻中，提出溫度變化與材料的硬度相關(guān)。P.H.Shipway，D.PWeston和S.J.Harris研究小組在研究低溫去除聚丙烯混合表面層的實驗中，提到聚合物在噴射過程中所表現(xiàn)出來的溫度變化與聚合物最初的溫度相關(guān)。史金海等在研究干冰冷噴射清洗技術(shù)及其應(yīng)用中，得到冷噴過程中金屬及橡膠的溫度變化情況，證明金屬內(nèi)部沒有出現(xiàn)熱應(yīng)力，并且橡膠在60℃時噴射十幾冰，不會出現(xiàn)爆裂。為了進一步探究噴射過程中金屬表面的溫度變化情況及其變化帶來的對去污效果的影響，本論文將通過一系列相關(guān)實驗對其進行深人研究。
1 實驗及結(jié)果分析
1.1 儀器設(shè)備與樣品準(zhǔn)備
干冰清洗機（干冰噴射器、洗模機），干冰制造機（干冰造粒機、干冰制粒機）突馳干冰技術(shù)（煙臺）公司生產(chǎn);螺桿式空氣壓縮機(EASSOJ/H),儲氣罐。
干冰清洗系統(tǒng)裝置圖，如圖2所示。在實驗前，進行制樣首先制備了長寬高為200 nnn x 80 rnm x 0. 75 mm與長寬高為10 mm x 10 mm x 0. 75 mm的未生銹鐵板，鐵板表面無劃痕.模數(shù)相同、在未生銹鐵板表面刷涂上S. T. L灰鋼構(gòu)防銹漆(附著力強)，將防銹漆攪拌均勻，共刷兩次，當(dāng)防銹漆涂層干以后，測量得防銹漆涂層的厚度為0.15mm，表面未起泡。通過干冰造粒機（干冰制造機）制造干冰，干冰顆粒的直徑為3 mm ,長度在2-5mm之間，放于保溫箱中，可以保存24 h。
1. 2不同初始溫度對防銹漆鐵板去污影響
1.2.1不同情況下防銹漆鐵板表面溫度變化
實驗過程中，首先在防銹漆鐵板樣品底部安裝T型熱電偶，并連接溫度數(shù)據(jù)采集器，將50g干冰直接放于帶有防銹漆涂層鐵板的表面(室溫為25℃)，用秒表計時60 s ,測量得出60s內(nèi)防銹漆鐵板溫度的變化，如圖3所示。將另一塊防銹漆鐵板固定在樣品臺上，干冰顆粒加人干冰清洗機中，然后用長度為214 mm,直徑為15 mm的圓噴嘴，對防銹漆鐵板熱電偶區(qū)域進行噴射60s,靶距為25 mm,測得防銹漆鐵板表面的溫度變化如圖3所示
圖3表明，隨著時間的增加，兩種情況下防銹漆鐵板表面溫度都逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。直接將干冰放干防銹漆鐵板表面時，在40s時溫度趨于穩(wěn)定，降低到-58℃。而在對防銹漆鐵板表面進行干冰噴射條件下，防銹漆鐵板溫度在42s時趨于穩(wěn)定，降低到-54℃。但在噴射過程中溫度存在一定波動，原因可能在于空氣壓縮機壓力控制在0. 3-0. 4 MPa范圍內(nèi)變化時，干冰的出冰量受到一定影響，少個非恒定值。干冰噴射過程中，干冰撞擊防銹漆鐵板過程中，部分動能轉(zhuǎn)化熱能，使防銹漆鐵板溫度升高，因而在噴射過程中鐵板的最低溫度相比于干冰直接作用于防銹漆鐵板時有所上升。
1.2.2初始溫度對防銹漆鐵板表面防銹漆涂層去除質(zhì)量影響
本實驗中采用精度為萬分之一電子天平稱量噴射前長寬為200 mm x 80 mm涂有防銹漆鐵板的質(zhì)量，然后在涂有防銹漆鐵板的底部安裝熱電偶，并在長寬為10 mm x 10 mm的小防銹漆鐵板底部安裝熱電偶，將兩個樣品放人制作簡易泡沫箱中，密封并在泡沫箱頂部挖一個小洞，向泡沫箱中緩慢加人液氮(-196℃)，使防銹漆鐵板的溫度從25℃分別降到0℃、
-20℃、-54℃(從圖3中可以知道，在噴射過程中，鐵板溫度最終穩(wěn)定于-54℃、-80℃、-100℃，在-100℃時鐵板表面防銹漆出現(xiàn)明顯裂紋)。為了對比去除效果，在不同溫度情況下對鐵板進行噴射。首先將空氣壓縮機的壓力調(diào)節(jié)到0. 3 -0. 4 MPa,用相同的噴嘴，在靶距為25 mm處對不同初始溫度的防銹漆鐵板清洗，時間持續(xù)10s，稱量噴射后鐵板的質(zhì)量，得到在不同初始溫度作用后的防銹漆鐵板在干冰清洗后去除的質(zhì)量，得到了初始溫度與防銹漆鐵板表面油漆涂層去除質(zhì)量之間的關(guān)系，如圖4所示。
從圖4我們可以看出，防銹漆鐵板初始溫度越低，干冰清洗作用后鐵板表面防銹漆涂層去除質(zhì)量越多，可能是由于鐵板與防銹漆涂層的熱收縮系數(shù)不同，并且防銹漆涂層的熱收縮系數(shù)遠(yuǎn)大于鐵板熱收縮系數(shù)，并且隨著溫度的降低，防銹漆涂層發(fā)生脆化。在初始溫度為-100℃時去除效果最好，但在-100℃時，肉眼都能觀測到去除干凈的鐵板表面出現(xiàn)裂紋，說明對基底鐵板產(chǎn)生了破壞，影響了工件的使用效果及使用年限。而在-20~25℃之間，去除質(zhì)量無明顯變化，去污效果較差，說明鐵板和涂層結(jié)合緊密，該初始溫度對去污效果的提高不產(chǎn)生作用。綜上，在考慮不破壞基底材料結(jié)構(gòu)條件下時，選擇-80℃作為初始溫度達到較好的去污效果，如果單純考慮去污效果，則選擇更低的初始溫度，可以達到更好的去污效果。
1.2.3觀察不同初始溫度下鐵板表面防銹漆層形貌
用SEM(掃描電鏡)觀察在不同溫度下涂有灰色鋼構(gòu)防銹漆的表面情況
25℃與0℃(可以看出防銹漆涂層結(jié)構(gòu)較緊密，井未出現(xiàn)明顯裂紋，當(dāng)溫度降低到-20℃時，可以觀察到涂層裂紋開始變大，到-54℃時，涂層表面已經(jīng)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，到-80℃時，裂紋變大，有開始脫落的跡象，到-100℃時，涂層表面已經(jīng)破壞，出現(xiàn)破裂不平整結(jié)構(gòu)，以上結(jié)果表明鐵板表面防銹漆涂層隨著鐵板初始溫度的變化，涂層的裂紋越來越大。原因在于，鐵板和防銹漆涂層兩種材料的收縮系數(shù)不同，隨著溫度的降低，材料收縮加劇，兩種材料間結(jié)合力降低，結(jié)合變得松動，裂紋產(chǎn)生，甚至一些油漆涂層并產(chǎn)生脆化脫落.當(dāng)溫度降低到-100℃時，防銹漆涂層脆化現(xiàn)象明顯，出現(xiàn)大片脫落現(xiàn)象。
2結(jié)論
通過實驗得知，防銹漆鐵板的初始溫度越低，去除防銹漆涂層的質(zhì)量越多，去污效果越好，但超低溫度下對基地層鐵板表面產(chǎn)生一定破壞。所以，在實際應(yīng)用干冰清洗過程中，首先要考慮超低溫度是否對基地材質(zhì)產(chǎn)生破壞，但是，在工程運用中，一般對去污表面清洗時間少于30 s，通過實驗得知不會使材料降低到很低的溫度，因而干冰對其材料的性能影響較小，所以在干冰噴射去污過程中，控制較低的初始溫度更加有利于去污效果的提高，提高其應(yīng)用效果和范圍。 |
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