开篇 干冰喷射可以安全地清除表面的涂层和污染物，而无需进行二次化学处理和其他清洁方法通常需要的二次废物处理和处置。结果，与其他清洁方法相比，它具有诸如降低成本，延长设备使用寿命，最小化基材损坏以及提高环境安全性等优点。
在1930年代初期，制造固相二氧化碳（CO 2）成为可能。在这段时间里，“干冰”的产生不过是一项实验室实验。随着制造干冰的程序变得容易获得，这种创新物质的应用也在增长。最初的用途是制冷，干冰在食品工业中仍被广泛用于包装和保护易腐食品。
1945年，看到了美国海军将干冰作为爆炸介质用于各种脱脂应用的故事。1972年11月，埃德温·赖斯（Edwin Rice）获得了一项专利，因为他的“通过喷涂高速干冰颗粒去除物品中不需要的部分的方法。”类似地，1977年8月，加尔文·方（Calvin Fong）获得了一项专利，内容为“用材料能够升华。”
干冰造粒机和干冰喷砂机进入工业市场在80年代末期。当时，喷砂机体积庞大，价格昂贵，并且操作时需要较高的气压（压力大于200 psi或13.8 bar）。作为CO 2/干冰喷射技术先进，干冰喷射机的尺寸和成本下降。如今，最新的喷嘴技术已使喷砂在车间空气压力（80 psi或5.5 bar）下有效。
什么是干冰？干冰是CO 2的固体形式，是一种自然存在于大气中的无色，无味，无味的气体。尽管它的存在量相对较小（约占体积的0.03％），但它是存在的最重要的气体之一。
在-109°F（-78°C）的低温下，干冰具有固有的热能，随时可以利用。在大气压下，干冰不经过液相就直接升华成蒸气。这种独特的性能意味着爆炸介质会简单消失，仅留下原始污染物进行处理。另外，使用干冰可以在水敏感区域进行喷砂清理。
干冰喷射中使用的二氧化碳等级与食品和饮料行业中使用的等级相同，并已获得美国食品药品管理局（FDA），环境保护署（EPA）和美国食品和药物管理局的特别批准。农业（USDA）。二氧化碳是一种无毒的液化气，既便宜又易于储存在工作场所。同样重要的是它的不导电和不易燃的性质。
CO 2是几种工业制造过程的天然副产品，例如发酵和石油化学精制。通过上述生产过程释放出的CO 2被捕获并存储，没有损失，直到需要为止。当CO 2在喷砂过程中返回到大气中，不会产生新的CO 2。相反，仅释放原始的CO 2副产物。
表1列出了各种形式的CO 2的物理性质和转化因子。
干冰的制作在干冰喷射中，使用几种方法来制造喷射介质。一种技术是在喷砂机上从固体CO 2（干冰）块中刮除干冰颗粒。这种方法通常生产糖晶体大小的干冰颗粒，由于快速升华（颗粒的高表面积体积比），必须立即使用。
另一种技术是在制粒机中制造干冰的硬颗粒，然后立即将其炸丸或将颗粒存储在隔热容器中，直到需要它们为止。这些干冰粒的直径通常为0.08至0.12英寸（0.2至0.3厘米），长度为0.1至0.4英寸（0.25至1厘米）。
粒状干冰通过闪蒸加压液体CO 2制成变成雪，然后将雪压缩成固体形式。将雪直接压成小球（机械压缩），或者在液压压力下通过冲模将其挤压成固体小球形式。后一种方法允许从液相到固相的更有效转化。通常，期望具有良好压实的干冰颗粒，以最小化可能影响产品质量的气态CO 2和/或空气的截留。
如表1所示，当液态二氧化碳喷入雪中时，随着液态CO 2的温度降低，所获得的产量增加，因此，重要的是通过热交换器将进入的液态CO 2与流出的CO 2蒸气一起预冷。
几家制造商制造干冰制粒机，对于有高颗粒需求的公司而言，现场生产可能证明是有益的。这种布置所需的设备通常包括冷藏的液态CO 2罐，造粒机和液态CO 2管线以到达设备。
一些制造商制造干冰造粒机/吹丸机的组合，先制造干冰，然后在一次操作中将其全部吹散。对于这种类型的布置所需的设施包括一个空气压缩机（通常为120磅，在250任一标准立方英尺/ 8.3巴7.1米3 /分钟，或在7.1米3 /分钟250标准立方英尺/ 24.1巴350磅），液体CO 2罐，造粒/鼓风机，压缩空气软管和液态CO 2管线到达设备，从机器到喷砂操作的喷砂软管，以及适合应用的喷嘴。该设备最适合大批量连续干冰喷射应用，在这些应用中，现场制造颗粒的成本节省证明了该系统的资本支出是合理的。
图1.热冲击在表面涂层中引起微裂纹 干冰喷射如何工作？干冰喷砂类似于喷砂，塑料珠喷砂或苏打喷砂，其中介质在加压气流（或其他惰性气体）中加速以冲击要清洁或准备的表面。通过干冰喷射，介质为固体CO 2颗粒。使用干冰颗粒作为爆炸介质的一个独特方面是，颗粒在与表面碰撞时会升华（蒸发）。冲击能量的耗散以及干冰颗粒与表面之间极快速的热传递相结合，导致固体CO 2 /干冰瞬间升华为气体。然后，气体在几毫秒内膨胀到干冰粒体积的近800倍，这在撞击点处实际上是“微爆炸”。由于固体CO 2汽化后，干冰喷射过程不会产生任何二次废物。剩下要收集的就是清除污染物。
与其他爆炸介质一样，与干冰喷射相关的动能是颗粒的质量密度和撞击速度的函数。由于CO 2 /干冰颗粒具有相对较低的硬度，因此该过程依赖于高颗粒速度来获得所需的冲击能。高粒子速度是超音速推进剂或气流速度的结果。
与其他爆炸性介质不同，CO 2/干冰颗粒的温度非常低，为-109°F（-78.3°C）。这种固有的低温为干冰喷射过程提供了独特的热力学诱导的表面机制，这些机制可根据涂层的类型或多或少地影响涂层或受到污染。由于干冰颗粒和被处理表面之间存在温差，因此可能会发生称为“破裂”或热冲击的现象。随着材料温度的降低，材料会变脆，使颗粒受到撞击而破坏涂层（见图1和2）。
图2. CO 2气体膨胀和颗粒动力学效应消失并除去涂层颗粒 具有不同热膨胀系数的两种不同材料之间的热梯度或差异也可以用来破坏两种材料之间的结合。当喷砂非金属涂层或粘结在金属基材上的污染物时，这种热冲击最为明显。
经常，检查干冰喷射过程的公司担心热冲击会对母体金属产生影响。研究表明，温度降低仅发生在表面上，因此在基板金属中不会发生热应力。
为了说明这一原理，进行了一个实验，其中将热电偶以不同的深度（表面齐平至2 mm深）嵌入到钢基板中。一氧化碳2/干冰喷射流不断扫过试样30秒钟（此过程的停留时间相对较长），并且热电偶记录了不同深度处的温度变化。每次喷射气流直接通过表面安装的热电偶时，温度都会下降（50摄氏度，大约5秒钟）。相反，嵌入在基板中不同深度的热电偶记录到缓慢的温度逐渐下降，这与整个测试板的温度下降相对应。2毫米深的热电偶在30秒后仅下降10°C。该实验表明，热冲击仅在涂层或污染物粘结到基材的表面上发生，并且对基材没有有害影响。1个
与其他介质（砂砾，沙子，PMB等）相比，即使在高冲击速度和直接“正面”冲击角的情况下，固体CO 2 /干冰颗粒的动力学效应也很小。这是由于干冰颗粒的硬度相对不足，并且在撞击时几乎立即转变成气体，这有效地在撞击方程式中提供了几乎不存在的恢复系数。由于干冰喷射被认为是非研磨性的，并且依赖于上面讨论的热效应，因此该工艺可以应用于多种材料而不会造成损坏。可以将软金属（例如黄铜和铝覆盖层）进行干冰喷射，以去除涂层或污染物，而不会产生表面应力（震荡），点蚀或粗糙度。
干冰喷射机的特征在于其将颗粒运送到喷嘴的方法。两个通用类是两软管系统和单软管系统。在这两种类型的系统中，由于所涉及的低温以及当干冰颗粒通过软管时需要保持颗粒完整性的原因，正确选择喷砂软管非常重要。
在双软管系统中，干冰颗粒通过各种机械手段被输送和计量到软管的入口端，并借助于喷射器型喷嘴产生的真空通过软管被抽吸到喷嘴。在喷嘴内部，压缩空气流（由第二软管提供）通过主喷嘴传输，并作为限制在混合管内部的高速射流膨胀。当流动区域的大小合适时，这种类型的喷嘴会在主喷嘴周围的腔体上产生真空，因此可以将颗粒向上吸过冰胶管并进入混合管，在此，当喷嘴与夹带的空气/干冰颗粒混合物。这种喷嘴的排气马赫数通常略为超音速。这种系统的优点是相对简单，材料成本较低，以及整体紧凑的进纸器系统。一个主要的缺点是，相关的喷嘴技术通常不适用于各种条件（即，腔体中的急转弯，较宽的喷幅等）。同样，两管系统的攻击水平和剥皮率低于单管喷丸机。
在单软管系统中，颗粒通过几种类型的气锁机构之一被送入压缩空气管线。往复气闸和旋转气闸都在工业中使用。然后将颗粒和压缩空气流直接送入单个软管，然后再送入喷嘴，在此处空气和颗粒都加速到高速。这种喷嘴的排气马赫数通常在1.7至3.0范围内，具体取决于设计和喷射压力。这类系统的优点是喷嘴适应性广，爆炸冲击力最高。缺点包括由于复杂的气闸机构而导致的相对较高的材料成本。
干冰喷射机可以进一步区分为干冰块剃须刀或干冰颗粒喷射器
干冰刨冰机 刨冰机使用标准的60磅（27.3千克）干冰块，并使用旋转刀片将薄冰块刮掉。这块干冰薄片在自重作用下破碎成糖粒大小的干冰颗粒。这些颗粒然后落入漏斗中进行收集。两管输送系统用于将漏斗底部的颗粒转移到要清洁的表面。这些颗粒的低质量加上效率低下的两管系统，限制了剃须刀只能进行轻型清洁。由于刨冰机可提供高通量密度的干冰颗粒爆炸（大量颗粒每秒撞击表面的平方面积），因此它们可用于薄而中等硬度的涂料，例如风干油基涂料。
干冰颗粒清洗机 颗粒喷丸机的料斗装有预先制造的CO 2/干冰颗粒。料斗使用机械搅拌将颗粒移动到料斗底部并进入进料器系统。如前所述，粒料在很大的压力下通过模板挤出。这种设计可产生极致密的颗粒，以提供最大的冲击能量。这些小丸有几种尺寸，直径范围为0.04至0.12英寸（0.1至0.3厘米）。使用单软管输送系统时，最终颗粒尺寸和离开喷嘴的喷丸通量密度取决于喷砂软管的类型（软管直径和内壁粗糙度）和所使用的喷嘴。由于其设计，单软管干冰颗粒喷射装置能够“插入”各种单独涂层或污染物去除要求所需的正确喷射类型。
例如，诸如橡胶，硅树脂，泡沫和蜡的软涂层以及脱模剂需要具有低通量密度的大干冰粒，以实现最大的剥离速率和效率。这些涂层需要最大的热能（即质量较大的干冰颗粒）和颗粒之间的间距较大（即通量密度较低），以实现最佳清洁性能。相反，诸如涂料，清漆，碳积聚等的硬质涂层需要较小的粒径，高的通量密度和较高的粒子速度。
对干冰喷射机进行分类的另一种方法是通过其进料机制，通常是全气动或电动气动。
全气动机器具有气动干冰颗粒进料机构和控制装置。这可能包括使用气动马达。这种机器的优点是在爆炸现场，特别是室外，可获得压缩空气。一个缺点是，由于水分或压缩空气供应中的污染，机器的操作容易受到干扰。此外，这些机器更容易结冰，更适合轻型斑点清洁应用。另外，如果机器由气动马达提供动力，则会连续排放含油空气。如果空气系统未充分干燥，则同一气动马达很容易被水淹没。
电动气动机器真正做到了环保，因为它们不排放油性废气，并且更能承受空气供应中的水分和污染物。电动气动机器很少冻结，因此非常适合需要全天候干冰喷射的自动化生产线应用。而且，这些机器提供无脉冲喷砂，以进行均匀清洁并有效利用干冰。但是，在每个爆炸位置向机器供应电力和压缩空气都会带来一些不便。
与全气动或电动气动喷砂机相关的最具挑战性的技术之一是获得平稳，连续的颗粒饲料。干冰的一个令人惊奇的特性是它不像水冰一样光滑或滑滑，也不像沙子或玻璃珠那样顺畅地流动。相反，它有点耐流动。因此，干冰喷射机倾向于在料斗中具有各种搅拌器，螺旋钻和其他装置以改善颗粒流动。通常，干冰的质量较差-例如，如果干冰包含水冰或大量的CO 2“细雨”或大雪-它的流动越难通过系统。干冰的另一个特性是它极冷，会以霜的形式从周围的空气中吸走水分。因此，机器必须能够承受反复的冻融循环以及随着时间的流逝而产生的水分累积。
通常，高质量干冰喷射机与中等水平的干冰喷射机之间的区别在于，该装置能够快速，经济高效地进行清洁工作，并且具有在现实条件下平稳连续地运行干冰颗粒的可靠性。
喷嘴技术在喷嘴处，干冰颗粒被加速到可能的最高速度，以产生有效的干冰喷射流。将两个软管的喷射器喷嘴与在相同条件（即空气量，压力，温度，CO 2颗粒质量等）下运行的单个软管的会聚-发散超音速喷嘴进行比较的测试表明，单喷嘴软管式喷嘴。这种能力上的差异与两软管喷射器喷嘴的总供应能量直接相关，不仅用于加速CO 2/干冰颗粒，但也会产生真空，从而拉动次级颗粒流通过次级软管。为了使干冰颗粒通过两软管喷嘴加速，需要消耗更多的能量以将这种低速颗粒流与高速射流混合。简而言之，对于两软管系统，可用于颗粒加速的净合成能量本质上较低，因为仅将CO 2 /干冰颗粒流与喷气流结合在一起，就会损失大量可用能量。
由于干冰颗粒的大小会影响清洁性能，因此干冰喷射系统应具有“拨号”正确颗粒大小的灵活性。这可以通过几种不同的方式来完成。首先，可以改变由制粒机生产的干冰颗粒的尺寸。一旦将颗粒放入干冰喷射机的料斗中，到达待清洁表面的颗粒尺寸可以通过多种方式进行更改。使用的喷砂软管的直径和类型将使颗粒保持完整或将其破碎成较小的颗粒。另外，喷嘴可能会故意扩管，以在喷嘴内产生部分破坏性的冲击波。两种技术可以单独使用或一起使用，以优化干冰颗粒大小，喷射流速度和通量密度，以进行任何清洁工作。
当使用喷砂或直径很小的任何类似介质进行喷砂处理时，与喷砂介质相比，喷嘴喉的尺寸非常大。然而，在干冰喷射中，喷嘴的喉咙可能仅略大于被加速的干冰颗粒。
表2给出了在200 scfm / 5.7 m3 / min的恒定气流（四个喷砂作业的典型流量）下，四个不同水平的喷砂压力下圆形喷嘴喉的大致尺寸。在较高的压力下，干冰的粒径需要较小，以对应较小的喉咙尺寸。高压喷射流被描述为具有高通量密度的高速小颗粒。同样，这种喷砂处理最适合去除硬涂层，例如油漆。表2还显示了对应于低压操作的较大的喷嘴喉直径。如上所述，大颗粒以低通量密度冲击表面是清洁软涂层的理想选择。
由于需要将颗粒加速到尽可能高的速度，因此干冰喷射喷嘴往往较长。因此，具有小喉咙的非常长的喷嘴往往具有每单位气流高的擦洗表面积。这种效果说明了低压干冰喷嘴比高压喷嘴具有更高的效率。工业上使用的成本最低的干冰喷射系统的设计点为80 psi / 5.5 bar，这是工厂空气系统的典型压力。
干冰喷射技术的好处与其他清洁方法相比，干冰喷射在涂饰行业中具有许多优势。这些包括： 降低成本。干冰颗粒的自然升华消除了收集清洁介质进行处置的成本。还消除了与喷水/喷砂程序相关的围堵和收集成本。另外，由于CO 2 /干冰喷射系统为生产设备提供在线维护功能（在线清洁），因此将耗时且昂贵的脱模过程保持在最低限度。不再需要专用的清洁周期；取而代之的是，可以采用预防性维护计划，以便在生产期间清洁设备。结果，在不增加人工或生产设备的情况下提高了产量。 延长设备的使用寿命。与沙子，核桃壳，塑料珠和其他研磨性砂砾介质不同，干冰颗粒是非研磨性的。用干冰清洁不会磨损工具，纹理表面，开放公差或损坏轴承或机械。 最小化基材损坏。与蒸汽喷射或水喷射不同，CO2 /干冰喷射是一种干燥过程，不会损坏电线，控件或开关。同样，在干冰喷射之后，清洗后形成的任何可能的锈蚀的可能性远小于蒸汽喷射或水喷射。 环境安全。二氧化碳是符合EPA，FDA和USDA行业准则的无毒元素。通过用CO 2 /干冰喷射系统代替有毒的化学工艺，可以从实质上减少或完全消除因使用危险的化学清洁剂而引起的员工风险和企业责任。由于CO 2气体比空气重（CO 2气体替代氧气），因此，如果在封闭区域内或地下坑内进行爆破，则必须小心。
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