УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТ КРАСКИ И ОКИСНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Устройство относится к технологии ремонтного производства и предназначено для очистки поверхности металлических изделий от краски и образовавшихся окисных загрязнений.
Одной из технологических операций при ремонте изделия является его очистка. Очистку изделия обычно выполняют с использованием механических приспособлений и устройств (щетки, очистительные приспособления, абразивы). После нескольких циклов очистки металлическая поверхность становится шероховатой, а в ряде случае происходит изменение ее геометрических размеров и она становится непригодной для дальнейшего использования.
Известен способ очистки поверхности металлических изделий, например труб, от краски и других покрытий, реализованный в устройстве для очистки поверхностей трубы [1]. Это устройство снабжено нагревательным элементом в виде отрезка трубы, размещенного соосно на очищаемой трубе и соединенного с помощью электроконтакта с одного конца с трубой. Другой конец нагревательного элемента и труба подключены к источнику переменного тока. Очистка поверхности трубы в этом устройстве достигается за счет того, что электрический ток, протекая по внутренней поверхности трубы нагревательного элемента и наружной поверхности очищаемой трубы, нагревает поверхность трубы до высокой температуры, вызывая из-за различия в коэффициентах линейного расширения металла и покрытия растрескивание и отслаивание покрытия от очищаемой поверхности.
Этот способ реализован при помощи устройства, в котором на очищаемой поверхности со стороны слоя краски размещают два электрода и подают на них импульсы высокого напряжения, при этом расстояние между электродами устанавливают больше суммы толщин слоя краски в местах установки электродов. При подаче на электроды высоковольтных импульсов происходит электрический пробой слоя краски между электродами и изделием. Дальнейший разряд проходит по поверхности раздела изделия и краски, при этом расширяющаяся плазма разряда отрывает краску от очищаемой поверхности. Недостатком данного устройства очистки является невысокая производительность очистки, из-за большого времени нагрева, перемещения и установки электродов на очищаемой поверхности. Другим недостатком является недостаточное качества обработки очищаемой поверхности из-за появления на ней участков оплавления (или прожига на тонкостенном изделии) в местах электрического пробоя слоя краски.
Известны способы обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме и устройства для их осуществления, основанные на воздействии на обрабатываемую поверхность быстроперемещающихся катодных пятен вакуумно-дугового разряда. Так например [2] “Способ обработки поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме и устройство для его осуществления” включает заявленный способ и устройство для его реализации. Содержит источник питания дуги, положительный электрод и в качестве катода - обрабатываемое изделие, размещенное в вакууме. При этом токоподводы отрицательного потенциала подключены к обрабатываемой поверхности в двух и более точках через регуляторы тока.
Основным недостатком данного устройства является то, что результат достигается при условиях создания в нем вакуума, что трудно осуществимо в промышленных условиях. Многочисленные точки подключения и наличие регулятора тока значительно усложняют устройство. Все это затрудняет использование данного устройства в промышленности. Кроме того, недостатком устройства очистки по [2] является невысокое качество очистки.
Наиболее близким аналогом является устройство для очистки поверхности металлического изделия от краски [3]. Устройство заключается в том, что электрическими токами нагревают поверхность металлического изделия под краской, а устройство содержит соединенные последовательно генератор переменного тока, коммутационное устройство, устройство согласования нагрузок и индуктор. Устройство размещают вблизи очищаемой поверхности металлического изделия со стороны слоя краски и кратковременным индукционным нагревом доводят температуру очищаемой поверхности металлического изделия до температуры выделения газов из краски на поверхности раздела металл-краска, с последующим резким удалением образовавшимися газами слоя краски с очищаемой поверхности металлического изделия. Недостатком данного устройства является то, что при индукционном нагреве происходит разогрев металла, аналогичный процессу закалки токами высокой частоты с изменением его механо-физико-химического состава, более того при работе данного устройства происходят термические расширение материала, его растрескивание, коробление, что ограничивает область использования данного устройства. Разогрев массивных частей очищаемой металлической поверхности приводит к большим энергозатратам. Недостатком является также необходимость выполнения особых мер безопасности по защите обслуживающего персонала от термических ожогов.
Технической задачей предлагаемого устройства является очистка металлических поверхностей от краски и окисных загрязнений без механического и высокотемпературного воздействия на объект очистки.
Поставленная задача решается предлагаемым устройством для очистки металлических поверхностей от краски и окисных загрязнений состоящем из высокочастотного генератора, коммутационного элемента, коаксиального кабеля-волновода отличающемся тем, что оно состоит из высокопотенциального электрода и низкопотенциального электрода между которыми находится загрязненная металлическая поверхность, и изолирующая вставка со стороны высокопотенциального электрода, который последовательно соединен с высокочастотным генератором, регулятором мощности высокочастотного генератора, коммутирующим элементом и цепью силового подключения соответственно. При этом функцию низкопотенциального электрода выполняет заземленная металлическая поверхность на которой имеется краска и окисные загрязнения.
Сущность устройства поясняется чертежами.
На фиг.1 Дана общая схема устройства для очистки металлических поверхностей от краски и окисных загрязнений.
На фиг.2 представлена принципиальная схема составного рабочего конденсатора.
На фиг.3 представлена зависимость удельной мощности диэлектрического нагрева от емкости рабочих конденсаторов образованных воздушной прослойкой, краской и окисными материалами.
На фиг.1 представлена общая схема устройства для очистки металлических поверхностей от краски и окисных загрязнений цифрами обозначены: силовая цепь подключения высокочастотного генератора 1, коммутационный элемент 2, устройство регулирования мощности высокочастотного генератора 3, высокочастотный генератор 4, заземление (низкопотенциальный контур) 5, коаксиальный кабель-волновод 6, краска и окисные загрязнения 7, высокопотенциальный электрод 8, низкопотенциальный электрод (с очищаемой металлическое поверхностью) 9, изолирующая вставка 10.
а
в
c1
c2
На фиг.2 представлена принципиальная схема составного рабочего конденсатора, которая состоит из цепи силового подключения устройства 1, коммутирующего элемента 2, регулятора мощности высокочастотного генератора 3, высокочастотного генератора 4, заземления (низкопотенциальный контур) 5, коаксиального кабель-волновода 6 краски и окисных загрязнений 7, высокопотенциального электрода 8, низкопотенциального электрода (с очищаемой металлической поверхностью) 9, изолирующей вставки 10, составных конденсаторов рабочего конденсатора, и указанных А, В, С - плоскостей сечения, C, С, C, C - конденсаторов образованных краской и окисными загрязнениями, воздушной прослойкой, краской и окисными загрязнениями и воздушной прослойкой соответственно, в соответствующих плоскостях сечения, L -длина металлической изделия.
диэл
возд
диэл
На фиг.3 представлена полученная экспериментальная кривая удельной мощности диэлектрического нагрева, затраченной на нагрев краски и окисных загрязнений в зависимости от емкости рабочих конденсаторов образованных воздушной прослойкой, краской и окисными материалами (в показанной зависимости - краской и окислами масел и нефтепродуктов) εи смешанным воздушно-краско-окисными загрязняющими материалами ε - ε между обкладками конденсаторов.
Работа устройства представленного на фиг.1, фиг.2 происходит следующим образом. Подключение устройства осуществляют от силового напряжения поданного на контакты 1. Включение и отключение в том числе и защитное, осуществляют коммутирующим элементом 2, а мощность высокочастотного генератора устанавливается регулятором 3. Высокопотенциальный выход высокочастотного генератора 4, с помощью коаксиального кабеля-волновода 6 присоединен к высокопотенциальному электроду устройства 8, размещенному со стороны загрязняющего слоя краски и окисных загрязнений 7, вблизи очищаемой металлической поверхности изделия 9. Низкопотенциальный электрод высокочастотного генератора соединен с землей 5 токоведущими частями очищаемой металлической поверхности 9. Между высокопотенциальным электородом 8 и низкопотенциальным электродом 9, расположена изолирующая вставка 10, предотвращающая непосредственный контакт электродов и компенсирующая неровности и погрешности изготовления очищаемой металлической поверхности изделия. Таким образом, представленная конструкция устройства образует рабочий конденсатор. После включения высокочастотного генератора ВЧ-энергия, текущая по коаксиальному кабелю-волноводу 6, и приходящая на высокопотенциальный электрод 8 с одной стороны и через заземленный низкопотенциальный электрод с другой стороны, формирует высокочастотное поле реализующее диэлектрический нагрев в рабочем конденсаторе, которое воздействует на краску и окисные материалы 7, загрязняющие металлическую поверхность 9. За счет диэлектрического нагрева краска и окисные материалы 7 нагреваются и начинают деструктурироваться, превращаясь в золоподобную массу, что сопровождается их отслаиванием и удалением с очищаемой металлической поверхности 9. Эффективность и качество очистки металлических поверхностей от краски и окисных загрязнений повышаются при использовании мощных высокочастотных полей, возбуждаемых с использованием мощных генераторов за сравнительно короткий интервал времени. При этом мощность поля (мощность использованного генератора) и длительность воздействия находятся в заранее определяемом соотношении: чем выше мощность, тем короче нагрев краски и окисных материалов. Причем мощность генератора и длительность нагрева выбирают исходя из соблюдения требования длительности прогрева всего слоя краски и окисных загрязнений до температуры их деструктивного превращения.
Принцип регулирования процесса высокочастотного воздействия на диэлектрические материалы показан в работе [4], где определена динамика изменения фазового состояния (начало деструктивных изменений) обрабатываемого материала в зависимости от показателей анодного тока высокочастотного генератора. Таким образом по показаниям амперметра анодного тока, штатно установленного на большинстве промышленных ВЧ-установках, определяется значение анодного тока, соответствующее фазовому превращению (деструкции) красок и окисных загрязнений на металлических поверхностях.
Рабочий конденсатор и положение загрязняющего материала на металлической очищаемой поверхности можно представить, как ряд разноименных конденсаторов (фиг.2) с пропорциональными зарядами, зависимыми от толщины и состава краски и загрязняющего окисла между обкладками этих конденсаторов. Данные конденсаторы входят в состав рабочего конденсатора высокочастотного электротермической установки. Основные выкладки теории диэлектрического нагрева, определяющие порядок работы предлагаемого устройства представлены в приложении.
а
в
c1
c2
На фиг.2 представлена принципиальная схема составного рабочего конденсатора, которая состоит из цепи силового подключения устройства 1, коммутирующего элемента 2, регулятора мощности высокочастотного генератора 3, высокочастотного генератора 4, заземления (низкопотенциальный контур) 5, коаксиального кабель-волновода 6 краски и окисных загрязнений 7, высокопотенциального электрода 8, низкопотенциального электрода (с очищаемой металлической поверхностью) 9, изолирующей вставки 10, составных конденсаторов рабочего конденсатора, и указанных А, В, С - плоскостей сечения, C, C, C, C - конденсаторов образованных краской и окисными загрязнениями, воздушной прослойкой, краской и окисными загрязнениями и воздушной прослойкой соответственно, в соответствующих плоскостях сечения, L - длина металлической изделия. Из представленного рисунка (фиг.2) можно определить емкость составного рабочего конденсатора:
Или в общем случае, расчет емкости составного рабочего конденсатора по всей длине L очищаемой поверхности можно произвести по формуле:
а
с2
в
c1
с2
Воздушная прослойка находящаяся между обкладками конденсаторов C, С (фиг.2) значительно снижает емкость составного конденсатора следовательно воздействию в первую очередь подвергаются участки непосредственно контактирующие с краской и окисными загрязнениями (С- составной конденсатор без воздушной прослойки). Тем самым реализуется эффект избирательности высокочастотного воздействия. Снижение интенсивности обработки в этом месте наступает после деструкции краски и окисных загрязнения, образования золоподобной массы. Следующим местом интенсивного воздействия становится зона конденсаторов (C-С) с наиболее близким расположением загрязняющих элементов (краски и окисных загрязнений) с поверхностью обкладок конденсаторов и т.д.
Процесс автоматически закончится после высокочастотного воздействия на все имеющиеся элементы краски и окисных загрязнений, находящихся между обкладками конденсатора (эффект саморегуляции).
Эти особенности устройства повышают энергоэффективность процесса очистки, т.к. разогреву подвергается только загрязняющую поверхность краска и окисные загрязнения, и не оказывает на очищаемую металлическую поверхность температурного, а следовательно и механо-физико-химического воздействия. Отсутствие нагрева очищаемого металла (он является низкопотенциальным-заземленным электродом) создает безопасные условия труда.
диэл
возд
диэл
На фиг.3 представлена полученная экспериментальная кривая удельной мощности диэлектрического нагрева, затраченной на нагрев краски и окисных загрязнений в зависимости от емкости рабочих конденсаторов образованных воздушной прослойкой, краской и окисными материалами (в показанной зависимости - краской и окислами масел и нефтепродуктов) εи смешанным воздушно-краско-окисными загрязняющими материалами ε - ε между обкладками конденсаторов.
Кривая мощности затраченной на диэлектрический нагрев показывает значительный рост мощности (а следовательно и эффективности воздействия) при увеличении емкости рабочего конденсатора (в нашем устройстве, одной из обкладок которого, является очищаемая металлическая поверхностью). При наличие большого количества воздушной прослойки (места отсутствия краски и окисных загрязнений на очищаемой металлической поверхности) обладают незначительной конденсаторной емкостью и высокочастотного воздействию не подвергаются.
В местах с большим количеством элементов, загрязняющих металлическую поверхность, конденсаторная мощность высока и соответственно велико ВЧ-воздействие, направленное на диэлектрический разогрев этих загрязнений, что приводит к их деструктуризации и образования золоподобной массы.
2
Пример. При полном заполнении пространства между обкладками рабочего конденсатора площадью 100 см окислами смазки “Буксол” и краской на основе масляных составляющих при использовании оборудования высокочастотного нагрева модели УЗП 2500, с рабочей частотой 27,12 мГц, и общей мощностью 2,5 КВт, в установившемся режиме работы оборудования, мощность диэлектрического нагрева составила 200 Вт. При заполнении окислами смазки и краской на основе масляных составляющих менее 10% объема (остальное воздушная прослойка) пространства между обкладками рабочего конденсатора мощность составила около 10 Вт. Из представленного видно, что кривая мощности диэлектрического нагрева зависит от емкости рабочего конденсатора, которая напрямую зависит от наполняемости межэлектродного пространства краской и загрязняющими окислами.
Практическое апробация устройства была реализована при обработке внутренней поверхности трубы на высокочастотного оборудовании модели УЗП-2500 с рабочей частотой 27,12 МГц. При этом высокопотенциальный электрод диаметром 50,5 мм был помещен в трубу диаметром 57 мм, выполняющую роль низкопотенциального электрода, с элементами краски и загрязняющими окисными материалами на ее внутренней поверхности, Между высокопотенциальным электродом и внутренней поверхностью трубы была размещена изолирующая вставка толщиной 0,3 мм. В качестве изолирующего материала был взят картон электроизоляционный марки ПТК БиК, ГОСТ 2824-86, толщиной 0,3 мм. Электрофизические свойства данного картона соответствуют всем параметрам изолирующего материала, а дешевизна и доступность позволяет использовать его, как одноразовый расходный материал. Время воздействия варьировалось от 21 до 36 сек в зависимости от степени загрязнения. Показания амперметра, соответствующие анодному току ВЧ-воздействия, составляли 0,6А. Удаление деструктурированной краски и загрязняющего окисла осуществлялась вручную, совместно с одноразовым изолирующим материалом, который также способствовал, впитывая, удалению жидких фракций загрязняющего материала. В процессе очистки слой краски и загрязняющего окисла деструктурировался и частично осыпался с поверхности. Превращение его в легкоудаляемые золоподобные вещества позволило организовать процесс окончательного удаления продуктов очистки. Использование предлагаемого устройства для очистка металлической поверхности от краски и окисных загрязнений показало удовлетворительное качество очистки.
Источники информации
1.Авторское свидетельство СССР №1313537, МКИ В08В 7/04, 1987
2.Патент RU №2457282, МПК C23F 4/00, 18/02 2011
3.Патент RU №2365435, МПК В08В, 27/08 2009, (прототип).
4.Филиппенко Н.Г, Лившиц А.В., Машович А.Я. Автоматизация процесса высокочастотного нагрева материалов на промышленной установке УЗП 2500 // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск, 2011. Вып.2(30). С.193-198.
Приложение к описанию устройства для очистки металлических поверхностей от краски и окисных загрязнений
Предлагаемое устройство используется в промышленном оборудовании высокочастотного диэлектрического нагрева. При определении порядка работы устройства был рассмотрен принцип работы диэлектрического нагрева представленный в источнике [1], в соответствии с которым мощность, высокочастотного (ВЧ) воздействия, выделяющаяся в единице объема диэлектрика (которым является краска и окисные загрязнения), определяется по формуле диэлектрического нагрева:
уд.
3
где: Р - удельная мощность диэлектрических потерь, Вт/см; Е -напряженность электрического поля; В/м; f - частота поля, Гц; ε -относительная диэлектрическая проницаемость; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь.
ao
p
Объяснение физических процессов, происходящих в полимерных материалах при изменении их диэлектрических показателей, было найдено в работе [2], где тангенс угла диэлектрических потерь tgδ полимерного материала находится через электрические параметры режима работы высокочастотного генератора - ток I и напряжение U на рабочем конденсаторе и определяется следующим образом:
P
св
св
э
св
p
1
где: С - рабочий конденсатор ВЧ-установки; х=ωL - реактивное сопротивление элемента связи между контурами, ω - угловая частота, С - эквивалентная емкость генераторной лампы, включающая емкость монтажа, L - индуктивность элемента связи, U - действующее значение напряжения на рабочем конденсаторе, γ - коэффициент первой гармоники импульса анодного тока, r - сопротивления активных потерь в первичном (анодном) контуре.
p
В установках промышленного типа работающих в недонапряженном режиме работы высокочастотного генератора (U=const, ω=const), приняв
во внимание возможность управления электрофизическими параметрами ВЧ-установки, формула (2) будет иметь вид:
Подставив в (1) полученное значение имеем:
Принимая во внимание установившийся процесс ВЧ-воздействия (регулирование закончено) можно принять Е=const, а по условиям проектирования промышленных электротермических установок также и f=const.
Следовательно (4) будет иметь следующий вид:
Формулу (5) можно принять в качестве доказательства интенсивности воздействия ВЧ-энергии на диэлектрические материалы в зависимости от емкости рабочих конденсаторов и относительной диэлектрической проницаемости краски и окисных загрязнений расположенных между обкладками конденсатора, одной из которых является очищаемая металлическая поверхность.
Источники информации
1. Нетушил А.В., Жуховицкий Б,Я., Кудин В.Н. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. // М.: Госэнергоиздат, 1959. - 480 с
2. Юленец Ю.П., Марков А.В. Определение тангенса угла диэлектрических потерь и влагосодержания по параметрам электрического режима установки высокочастотного нагрева // Известия вузов. Приборостроение, 1997. - Т.40. - №5. - С.60-65.
Примечание:
Примером эффекта избирательности может быть локально пропитанная водой бумажная салфетка. В нашем случае краска и загрязняющие окислы При подведении определенных электрических потенциалов к поверхностям салфетки, начнется частичная сквозная проводимость только на смоченных участках.
Примером эффекта саморегуляции может быть пропитанная водой бумажная салфетка. При подведении определенных электрических потенциалов к поверхностям салфетки, начнется сквозная проводимость, что приведет к ее разогреву, испарению влаги и изменению ее (влажной салфетки) электрофизических параметров. Процесс закончится автоматически после полного удаления влаги (высыхания).