Los experimentos con vapor saturado como medio para la limpieza de superficies fueron el tema de la última entrega de la serie. A continuación se describen las pruebas, sus resultados y la evaluación de los parámetros tecnológicos para el éxito de la limpieza de superficies.
Eliminación de películas de suciedad con vapor sobrecalentado en superficies exteriores regulares e irregulares
A continuación se explica la limpieza eficaz de alambres, chapas, perfiles moldeados y superficies irregulares con vapor sobrecalentado. Los sistemas de limpieza con tecnología de vapor caliente que funcionan en la práctica muestran cómo se pone en práctica la teoría. Se muestran cálculos y diagramas para seleccionar los parámetros tecnológicos.
Resumen de las pruebas y resultados
Como resultado de sus tecnologías de producción, las chapas y los perfiles moldeados suelen tener lubricantes y virutas metálicas diminutas y finas como partículas extrañas en la superficie del material base. Como consecuencia de las elevadas presiones que se ejercen durante la producción, las partículas extrañas están muy cargadas estáticamente a una distancia muy pequeña de la superficie del material base, es decir, tienen una elevada energía de enlace. La neutralización de las cargas superficiales requiere, por tanto, tensiones más elevadas, es decir, todavía en el intervalo de mV. Hablamos de tensiones de CC entre 100 y 200 mV más altas. Las tensiones de descarga necesarias dependen del material base. En el rango de tensiones de CC de 2 a 3,5 V, las cargas se descargan galvánicamente de forma segura. Si se utilizan soluciones limpiadoras galvánicas puras, una tensión de 300 a 500 mV de la solución debería ser suficiente en relación con la pared del depósito V2A.
En este trabajo se realizaron varias pruebas con vapor sobrecalentado. El vapor a 200 °C se calentó eléctricamente a una sobrepresión de 8,5 bares en la caldera de vapor y se sobrecalentó entre 200 y 400 °C con una pistola de aire caliente. Además, se conectaron tensiones continuas de 2 a 3,5 V CC o de 2 a 3,5 V CA como cátodo y ánodo al material base.
Las partículas extrañas se eliminaron en todas las pruebas, con diferencias en la duración del proceso de limpieza. La limpieza superficial más eficaz se encontró con alambres trefilados, hasta 13 pasos de trefilado con jabones de trefilado y virutas de trefilado más finas contaminadas hasta una velocidad de trefilado de 15 m/seg.
La limpieza de chapas lisas y finamente laminadas fue la más difícil. Aquí, la separación y el transporte fiables de las materias extrañas separadas fueron los límites de los resultados de limpieza. Sólo el aire comprimido calentado adicionalmente con una sobrepresión de hasta 4 bares y/o el líquido de flujo cruzado con inyector/succión fuerte hacen posible la tecnología de vapor caliente. Las toberas planas dispuestas una detrás de otra en forma de abanico, comparables a las quitanieves de una autopista ancha cubierta de nieve, permiten utilizar esta tecnología. La eliminación de las partículas extrañas y los aceites disueltos establece los límites de la velocidad de limpieza.
Los ensayos con una velocidad relativa de 15 a 35 m/s con alambre trefilado muestran que se produce la separación de las partículas extrañas (jabones trefilados) de la superficie del material base, pero el transporte desde la zona de separación no es suficiente. Las boquillas se bloquean en un plazo de 20 a 30 segundos, hasta la soldadura, es decir, la rotura del alambre.
El tiempo de permanencia de las superficies en la zona de boquillas HP resulta de la siguiente ecuación
vWire = 15 m/seg con un diámetro de hilo
de dwire = 1,2 mm <1>
Hueco de la boquilla - distancia de la boquilla anular = 0,05 mm, con un diámetro de la boquilla anular de 4 mm, área de la boquilla = 0,05mm x 3,14 x 4mm = 0,628mm².
Suponiendo un grosor de capa de los jabones de trefilado de 0,2 mm, esto da como resultado 0,628mm2 x 0,2mm x 15000/0,05 = 37 680mm3/seg del volumen de partículas extrañas de la limpieza de vapor HP por mm de longitud de alambre.
Por tanto, es comprensible que la cantidad de partículas extrañas eliminadas sea el valor límite del proceso. La optimización de una eliminación más rápida no ha sido objeto de este trabajo, pero se sigue trabajando en ello en el departamento de desarrollo del fabricante del sistema.
Lo esencial para este trabajo es la afirmación inequívoca de que, según los resultados de la limpieza, la separación de las partículas extrañas de la superficie del material base se produce de forma fiable a una velocidad relativa de hasta 35 m/seg.
El tiempo de permanencia del segmento de superficie para el período de limpieza se calcula de la siguiente manera:
15000 mm : 1 seg = 0,05 mm de longitud de separación Boquilla HP : t seg<2>
→ 0,05 mmseg / 15000 mm =t seg = 3,3x10-6seg.
Por lo tanto, es suficientemente seguro que las reacciones químicas no desempeñan ningún papel, es decir, la adición de electrolitos o ácidos es insignificante para el resultado de la limpieza. Las pruebas sobre esta afirmación se realizaron antes de la limpieza HD con un alambre sumergido en ácido fosfórico; no se determinaron cambios medibles.
Se sabe que las superficies de alambre se limpian por electrólisis en un baño de ácido. La limpieza tiene lugar a una tensión continua alterna pulsante de 20 voltios en una solución ácida. Las partículas extrañas desprendidas se enjuagan en el flujo volumétrico mediante filtración. También en este caso, las cantidades de transporte de las partículas extrañas son el límite de la velocidad relativa.
Por ello, en este trabajo se ha limpiado de forma fiable la superficie del componente de partículas extrañas mediante vapor a alta presión con una carga eléctrica de 3 voltios CC a una corriente de 0,08 amperios. A continuación se describen los experimentos realizados.
Parámetros tecnológicos para la limpieza de cualquier superficie de componentes de libre acceso
La limpieza de superficies de fundición de aluminio, fundición gris, chapa laminada y chapa perfilada laminada se realizó con vapor a alta presión.
Fundición de aluminio
Las piezas de fundición a presión extraídas del proceso de mecanizado, contaminadas con lubricantes de refrigeración y diversas virutas, se limpian utilizando boquillas de vapor a alta presión de chorro pleno y boquillas de vapor a alta presión planas. La distancia libre entre la salida de vapor de la ranura de la boquilla y la superficie del material base oscila entre 3 y 7 mm. La velocidad de alimentación de la boquilla HP a la superficie oscila entre 30 y 150 mm/seg. El vapor HP se genera en el generador de vapor a 200 °C a 8 bar. El agua de alimentación es ligeramente ácida procedente del circuito de agua, es decir, vapor purificado condensado de una limpieza anterior. La boquilla se calienta a temperaturas entre 200 y 400 °C mediante una boquilla de aire caliente. La boquilla HP funciona con y sin una conexión eléctrica de 2,5 voltios CC.
Significativo en todas las pruebas: La superficie se limpió de partículas extrañas en todas las pruebas. La limpieza a 200 °C y una tensión de 2,5 voltios CC fue la más eficaz. La mezcla con aire comprimido calentado fue necesaria en todos los casos para el transporte de las partículas extrañas disueltas. La aleación era esencial para los experimentos, es decir, el contenido de Si y Mg en el aluminio era significativo para la coloración de la superficie del material base en dorado o negro, este último debido a la fuerte oxidación del aluminio. Hasta temperaturas de 180 °C en la superficie del material base, el color y la estructura del material base permanecieron inalterados. Hasta estos parámetros, la carga eléctrica tenía un efecto poco diferente.
Si el material base se conecta como cátodo, la difusión de las moléculas de aluminio se hace visible al cabo de 2 ó 3 minutos, la superficie se vuelve porosa y comienza la erosión del material.
Por tanto, para estos materiales base de aluminio deben seleccionarse los siguientes parámetros de temperatura, en función de la aleación: Vapor HP del generador de vapor a 200 °C a 8,5 bar y postcalentamiento de la boquilla HP mediante un soplador de aire caliente hasta 250 °C de temperatura del aire. Dependiendo del grosor de la capa de partículas extrañas y del tipo de lubricante refrigerante, debe seleccionarse una velocidad de avance de hasta 35 m/seg para la limpieza. El calentamiento local máximo de la superficie del material base es esencial; deben excluirse la fragilización y la decoloración. El control de los parámetros es absolutamente esencial en la producción en serie. Si la velocidad relativa se reduce a cero, la entrada de temperatura debe reducirse inmediatamente, es decir, sería necesaria una parada rápida de la boquilla HP y una parada rápida del calentamiento del aire caliente en la dirección de la superficie del material base a limpiar. La superficie seca limpiada es metal-limpia, es decir, la superficie se oxida en cuanto sale de la zona de vapor de alta presión. Como la superficie está bien seca, la oxidación electrolítica es escasa o nula. Sólo la humedad del ambiente inicia la oxidación. La superficie de aluminio limpia aparece brillante y radiante. Los poros de fundición y las fisuras capilares quedan libres de polvo de amolado y partículas extrañas, es decir, las fisuras capilares son visibles y los poros son permeables al aire.
Fundición gris, acero fundido
Las piezas de fundición retiradas del mecanizado y contaminadas con lubricantes refrigerantes y diversas virutas se limpian utilizando boquillas de vapor HD de chorro completo y boquillas de vapor HD planas. La distancia libre entre la salida de vapor de la ranura de la boquilla y la superficie del material base oscila entre 3 y 7 mm. La velocidad de alimentación de la boquilla HP a la superficie oscila entre 30 y 150 mm/seg. El vapor HP se genera en el generador de vapor a 200 °C a 8 bar. El agua de alimentación es ligeramente ácida procedente del circuito de agua, es decir, vapor purificado condensado de una limpieza anterior. La boquilla se calienta a temperaturas entre 200 y 400 °C mediante una boquilla de aire caliente. La boquilla HP funciona con y sin una conexión eléctrica de 2,5 voltios CC.
En todas las pruebas se limpió la superficie de partículas extrañas. La limpieza a 400 °C y una tensión de 2,5 voltios CC fue la más eficaz. La mezcla con aire comprimido calentado fue necesaria en todos los casos para el transporte de las partículas extrañas disueltas. La aleación y la rugosidad de la superficie fueron esenciales para las pruebas. Si no se insufla aire ambiente calentado en la superficie de limpieza, el vapor de HP se extrae de la zona de limpieza a una presión negativa de -200 mbar. El aire ambiente circundante fluye hacia la zona de limpieza, es decir, el aire que fluye también elimina las partículas extrañas disueltas de la superficie del material base. En la zona de extracción se instala un filtro mecánico de partículas directamente en la pistola de trabajo, donde se separan las partículas "pesadas". Las partículas extrañas ligeras se desplazan hacia el condensador junto con los vapores y se filtran allí. El condensado purificado y ligeramente ácido fluye de vuelta al depósito de recogida.
Si se cambia el material base por el cátodo, la difusión de moléculas se hace visible al cabo de 2 ó 3 minutos, la superficie se vuelve porosa y comienza la erosión del material. La velocidad de avance del proceso de limpieza debe seleccionarse en función del grosor de la capa de partículas extrañas y del tipo de lubricante refrigerante. El calentamiento máximo localizado de la superficie del material base es esencial. Deben descartarse la fragilización y la decoloración. Es esencial controlar los parámetros durante la producción en serie. Si la velocidad relativa se reduce a cero, la entrada de temperatura debe reducirse inmediatamente, es decir, sería necesario detener rápidamente la boquilla HP y el calentamiento del aire caliente en la dirección de la superficie del material base que se va a limpiar.
Como alternativa, es posible aumentar rápidamente la distancia entre la boquilla de vapor de alta presión y la superficie.
La superficie limpia y seca está limpia de metales, es decir, la superficie se oxida en cuanto sale de la zona de vapor a alta presión. Como la superficie está bien seca, la oxidación electrolítica es escasa o nula. Sólo la humedad del ambiente inicia la oxidación. La superficie limpia aparece brillante y radiante. Los poros de fundición y las fisuras capilares quedan libres de polvo de amolado y partículas extrañas, es decir, las fisuras capilares son visibles y los poros son permeables al aire. Se elimina el polvo de grafito de la superficie. Especialmente en el caso de la fundición gris, el grafito se difunde desde la zona del núcleo del material base. Los componentes de fundición gris limpiados están grises y recubiertos de grafito 2 ó 3 horas después de la limpieza. Si se limpia la superficie con un paño, el grafito y el polvo marrón óxido serán visibles en el paño. El acero fundido está brillante después de la limpieza y, dependiendo de la humedad del aire, comienza la oxidación electrolítica mediante la "formación de una película de óxido".
Chapa de acero plana laminada, no perforada y perforada
Las afirmaciones realizadas en los puntos a y b también son válidas para estas pruebas. Se han podido medir diferencias en el comportamiento físico de los flujos. Las perforaciones en las chapas planas tienen una influencia significativa en la distribución de los flujos de vapor HP como superficie de reflexión. Se alternan turbulencias y paso libre, así como superficies de reflexión indefinidas. El resultado son zonas de la superficie perforada con una limpieza irregular. Si la chapa no está perforada, la calidad de la limpieza viene determinada por el ángulo de chorro de la boquilla HP respecto a la superficie. También en este caso, el transporte de las partículas extrañas disueltas depende de las condiciones de flujo. Cuanto más plano sea el ángulo de chorro de la tobera HP respecto a la superficie, mayor será la inyección de aire circundante, es decir, mayor será el caudal de aire aspirado. Si se conecta una boquilla de aire comprimido con aire caliente de hasta 400 °C a la boquilla HP, se forma una oleada, una onda de partículas extrañas. Ésta se desplaza a lo largo de la superficie hacia el borde exterior. Una vez allí, se aleja de la superficie y penetra en el medio ambiente de forma indefinida. Esta solución no es deseable. Por este motivo, se recurrió a la extracción selectiva mediante presión negativa hasta -300 mbar con extracción de vapor. Esta tecnología tenía sus límites en términos de velocidad relativa; por encima de determinados espesores de película de las partículas extrañas, ya no se disponía de la energía cinética necesaria para arrastrar las partículas/aceites. Como la consistencia de los lubricantes refrigerantes varía, en las pruebas se determinó que la limpieza de las superficies debía probarse para los parámetros requeridos en cada caso. Las superficies de chapa con una relación longitud/anchura en la que la longitud es mayor que la anchura (material en banda) pueden limpiarse sin problemas y con total seguridad. El límite para la limpieza con vapor a alta presión es el requisito para el transporte de partículas extrañas de la superficie del material base.
En las pruebas se realizaron limpiezas de muestras en la producción en serie de materiales de banda de aluminio a velocidades de hasta 120 m/min o 2 m/seg. Las superficies presentaban valores de ensayo de un contenido máximo de C del 2 %. Según la empresa, el resultado de la limpieza fue comparable a la vaporización en el horno. Las temperaturas superficiales se mantuvieron por debajo de 190 °C.
Perfiles continuos perfilados abiertos y cerrados de chapa de acero aleado con cromo/manganeso/níquel, V2A y chapa de aluminio
Los ensayos se dividieron en dos secciones, superficies exteriores y cavidades libremente accesibles y superficies huecas (superficies interiores de los tubos). Se realizaron ensayos especiales con perfiles cuadrados perforados de chapa de acero V2A y aluminio, utilizados como separadores adheridos en los paneles térmicos entre los cristales.
Por regla general, los perfiles se fabrican sin fin, es decir, se cortan a medida después de perfilarlos. Por lo tanto, es habitual desengrasar la superficie del perfil sin fin antes de cortarlo a medida y limpiarla de virutas finas de corte que se han producido antes y durante el proceso de perfilado. Además, quedan restos de soldadura. Los perfiles cortados se limpian de nuevo de virutas de corte y lubricantes refrigerantes después del corte.
Para la limpieza se puede utilizar la limpieza con vapor a alta presión o la limpieza acuosa. La limpieza con vapor a alta presión es eficaz para limpiar los perfiles cortados a medida antes de la entrega. La boquilla de alta presión sólo es adecuada para el contorno del perfil hasta cierto punto. Por regla general, basta con una boquilla anular con una separación de 3 a 5 mm respecto al contorno del perfil.
Incluso los perfiles de caja cuadrados pueden limpiarse de forma segura con boquillas anulares.
Los perfiles de caja rectangulares se limpian con boquillas anulares con boquillas de chorro completo integradas para la línea de vapor HP en la dirección de la superficie del perfil. A continuación se muestran ejemplos de las distintas soluciones.
Las superficies interiores de los perfiles abiertos o perforados se desengrasan, pero los cuerpos extraños limpiados sólo se eliminan del interior en una medida limitada. En este caso se requieren boquillas adicionales de aire comprimido calentado. La extracción de las partículas extrañas disueltas a -300 mbar también puede utilizarse en combinación con sistemas de extracción de vapor. Por ejemplo, los separadores perforados de material V2A deben funcionar a una temperatura superficial de 200 °C para que el aceite se vaporice y se reduzca la fricción durante el perfilado. Si los perfiles son de aluminio, las temperaturas superficiales admisibles deben garantizar el mantenimiento seguro de las estructuras superficiales.
En los perfiles abiertos, las líneas de flujo deben determinarse de modo que la dirección de flujo de la aspiración no termine en una zona de agua muerta. Deben observarse las velocidades relativas de la dirección de marcha de los perfiles y la dirección de flujo del vapor HP desde la tobera anular. Si las direcciones son opuestas, a menudo pueden formarse paredes de cuerpos extraños disueltos que bloquean el proceso de limpieza. Si la superficie está muy poco refrigerada después de que el perfil haya pasado por el hueco anular de la boquilla HP, se forman gotas de bola de agua. Éstas están muy cargadas eléctricamente y tienen una tensión superficial muy alta, comparable a las propiedades mecánicas de las esferas de mercurio. El soplado con aire caliente y seco de hasta +500 mbar separa o hace rodar las bolas de gotas de agua de la superficie del componente. A continuación, éste se seca de forma segura.
Plásticos
En el marco de este trabajo se limpiaron superficies de plástico en ensayos de prueba con vapor a alta presión. No se realizaron series de pruebas sistemáticas. Por lo tanto, aquí sólo se pueden determinar las posibilidades básicas de aplicación de la tecnología de vapor a alta presión. Deberían realizarse más series de pruebas si la aplicabilidad es de interés.
El parámetro clave para la aplicación es la temperatura superficial del material base. Esto depende en gran medida del material plástico.
El teflón o el verde Murthfeld, por ejemplo, son materiales muy diferentes, por lo que los parámetros del proceso de limpieza también son completamente distintos en la tecnología de vapor de alta presión. Los materiales similares al caucho difieren aún más de otros plásticos en cuanto a los parámetros necesarios. La limpieza de superficies mediante vapor a alta presión no se investigó sistemáticamente en este estudio debido al alcance de la investigación y a la falta de demanda en la industria.
Minerales y vidrios
En el marco de este trabajo no se han realizado investigaciones sobre la limpieza de minerales y vidrio mediante vapor a alta presión. Se sabe por trabajos prácticos que es posible realizar procesos de limpieza con vapor seco. También es posible la limpieza con vapor húmedo, pero deja una "película de agua" condensada en la fase seca. La limpieza de discos de silicato cortados es posible utilizando vapor a alta presión.
Reflexiones y proyectos sobre métodos de limpieza de superficies de componentes libremente accesibles mediante vapor sobrecalentado
La limpieza de superficies de componentes libremente accesibles mediante vapor sobrecalentado se describe en los siguientes puntos de este documento. La eliminación continua de la película de suciedad neutra y desprendida es esencial para el éxito de la limpieza en todos los procesos examinados. El vapor sobrecalentado por sí solo no es capaz de eliminar de forma fiable las partículas de suciedad disueltas de la superficie del componente. La corriente de aire del entorno, generada por efecto del inyector de las boquillas de vapor de alta presión o por soplantes de aire de media presión con una presión de aire de 50 a 300 mbar, es suficientemente fiable como portador de transporte. Este aire se acelera en la tobera de vapor de alta presión y transporta las partículas de suciedad desprendidas en el flujo de aire hasta el punto de recogida. Una solución óptima para la extracción es la combinación de la extracción de vapores desde el punto de limpieza en la superficie del componente. Los vapores enriquecidos con partículas de suciedad se transportan hacia el depósito de recogida mediante inyectores y se condensan allí. Las partículas de suciedad ahora disueltas en el agua se filtran de forma segura mediante la filtración mecánica en el circuito de la bomba de llenado del generador de vapor.
El inyector de vapor HP debe tener una distancia de 3 a 7 mm a la superficie del componente, no superior a 30 mm. A partir de una distancia de 30 mm, el vapor seco se enfría hasta alcanzar la temperatura del vapor húmedo, es decir, el vapor se hace visible y tiene gotas de agua que permanecen en la superficie del componente en forma de perlas de agua. Si las gotas de agua permanecen en la superficie del componente limpiado, se forman islas de películas de suciedad residual y la dureza del agua se hace visible. El secado requiere entonces energía adicional, calor o una corriente de aire seco.
El uso práctico de variantes de esta tecnología de limpieza demuestra que la película de suciedad se elimina de la superficie del componente sin necesidad de añadir limpiadores químicos. Tras la limpieza, la superficie del componente queda libre de agentes limpiadores y el material base queda directamente adyacente al medio ambiente. Existe entonces la posibilidad de oxidación o de una nueva contaminación con partículas extrañas.
Limpieza externa de tubos V2A laminados en rosca directamente después de salir de la laminadora. La camisa exterior de la "rosca" se limpia en los dos tubos plateados de la caja a una temperatura de vapor de 450° C. El aceite de laminación y las virutas se eliminan al 100%, la superficie limpiada queda seca y lista para su envío. Normalmente, los vapores de vapor quedan atrapados en la caja y se extraen allí para su condensación.
