一、前言
近年来,随着汽车性能的不断提高以及采用新技术减少环境污染,汽车制造过程的质量管理变得极为重要能机械加工的大连工厂,而与质量管理相关的清洁过程的重要性也日益凸显。
特别是消耗臭氧层(ODS)的清洁剂氟利昂(CFC-113)和1,1,1-三氯乙烷(TCA)正面临淘汰。根据《蒙特利尔议定书》,必须完全禁止使用的领域不仅限于汽车精密零部件。电子精密零件制造工艺的清洗工艺也需要重新制定。
作为CFC-113和TCA的替代品,包括含氯溶剂、半水溶剂、氟里昂替代品和烃类溶剂在内的水基清洗剂已开始使用。但无论哪种清洗剂都有其优点和缺点,因此,距离完全替代CFC-113和TCA的溶剂还很遥远。表 1 总结了这些清洁剂。
表 1 替代清洁剂
含氯溶剂三氯乙烷(TCE)、二氯甲烷(MC)
溴化溶剂2-溴丙烷(2PB)、1-溴丙烷(nPB)
氟化溶剂 HCFC、HFC、PFC、HFE
烃类溶剂标准烷烃、异链烷烃、环烷烃
含醇溶剂IPA、乙醇、聚合物醇
半水溶剂聚合物醇(烃)+表面活性剂+水
水基清洗剂、碱皂化剂、表面活性剂、纯水、功能水
从表1中选择替代清洁剂时,关键考虑因素是“清洁性”、“环保”和“经济性”。
“清洁性”是指去污能力、防止污物再附着以及干燥性能。 “环境保护”是指经营活动的环境保护和地球的环境保护。 “经济”是指购买清洁设备和清洁剂的费用以及设备的运行费用。
因此,在比较替代清洁剂时,充分分析这些因素非常重要。下面,我们以清洗剂中烃类溶剂的替代为例,介绍一下上述因素和技术。
2、替代清洗剂对比分析
(1)替代清洗剂的清洗性能
清洗精密汽车零件时,必须对各种形状的零件进行清洗和干燥。因此,替代清洁剂的表面张力、沸点和汽化潜热特性是重要因素。表 2 显示了主要替代清洁剂的典型特性。
表2 主要替代清洗剂的典型特性
表面张力沸点℃ 蒸发潜热cal/g
HCFC225 16.2 54 34.6
HFE 13.6 61 30
水72.7 100 539.8
烃类溶剂 21.1 ~170~ 66
国际音标 20.8 82.3 161.8
二氯甲烷 28.5 39.8 78.7
NPB 25.9 71 58.8
汽车精密零件形状各异,包括气孔、狭缝,甚至重叠零件。低表面张力的清洗剂具有良好的清洗效果。另外,沸点和蒸发潜热小,干燥部件的能耗也小。如果干燥能量一定,则沸点和蒸发潜热小,干燥时间短。
使用清洁剂去除污染物。结果,污垢混入清洗剂中,污垢附着在被清洗的部件上。为了防止零件再次被污垢污染,混有污垢的清洁剂需要定期保持一定的清洁度。保持清洁的方法包括利用清洁剂和加工油的沸点不同、比重不同、分子大小不同等特性来分离污垢。
由于水的蒸发潜热较大,因此采用油水分离装置进行净化。这种油水分离装置利用了油和水比重不同的特点。使用膜净化,防止污垢再次粘附到零件上。膜纯化利用分子大小不同的原理。
除水之外的替代清洁剂的蒸发潜热较低,并使用蒸馏再生装置进行纯化,以防止再次污染。蒸馏再生装置利用沸点不同的原理。若烃类溶剂或高分子醇类溶剂沸点较高,应采用减压蒸馏再生装置进行纯化。
(2)替代清洗剂的环保
消耗臭氧层物质(ODS)清洁剂——氟利昂(CFC-113)和1,1,1-三氯乙烷(TCA)因环保而被禁用。因此,全球环境保护和经营环境都是环保的。成为最重要的问题。表 3 显示了主要替代清洁剂对环境的影响。
表3 主要替代清洗剂对环境保护的影响
对全球环境的影响 对工作环境的影响
HCFC225破坏臭氧层——
高频电子元件 - -
水- -
碳氢化合物溶剂 - 可燃性
IPA - 可燃性
二氯甲烷 - 毒性
NPB破坏臭氧层?毒性?
? :正在调查中
表3明确指出,含氯溶剂和含溴溶剂对人体有毒,部分含氟溶剂破坏臭氧层钣金展开,使地球变暖。一些半水溶剂和水基清洁剂存在废水处理和影响环境的激素问题。烃类溶剂和含醇类溶剂存在易燃问题。
(3)替代清洗剂的经济性
与CFC-113和TCA一样,3罐低沸点溶剂蒸气罐最便宜,水基或高沸点溶剂的热风多罐型价格中等,真空用于水基或高沸点溶剂的干燥装置是最昂贵的。设备的运行成本主要取决于清洗剂的价格和清洗剂的使用量。表 4 总结了主要替代清洁剂的经济性。
表 4 主要替代清洁剂的经济性
购买清洁设备的成本 清洁剂的成本 清洁剂的使用
HCFC225 便宜、昂贵、中等
HFE 便宜、昂贵、中等
水价便宜且适中。
烃类溶剂中、贵、小量便宜
IPA 中等,昂贵,便宜,中等
二氯甲烷廉价廉价介质
NPB 便宜 便宜 中等
(4)替代清洗剂的选择
每种替代清洁剂都有其优点和缺点。在“清洁性”方面,水基清洁剂有些困难。在“环保”方面,含氯溶剂和含溴溶剂对环保影响较大,烃类溶剂也存在易燃问题。就“经济”而言,氟化溶剂是最昂贵的。
3、烃类溶剂清洗技术
如何有效利用替代清洁剂及其优缺点,关键是使用清洁效果等于或优于CFC-113和TCA的清洁系统。除了易燃性之外,还应使用使用碳氢化合物溶剂的环保清洁系统。
(1)清洁性
烃类溶剂的净化技术精密机械加工零件的清洗,如CFC-113和TCA精密机械加工零件的清洗,是利用工艺油和烃类溶剂等高沸点污染物的沸点不同,通过蒸馏再生将它们分离。与CFC-113、TCA相比,由于烃类溶剂沸点高且易燃,需要在减压下蒸馏再生。蒸馏锅在减压下常处于沸腾状态,蒸发的烃类溶剂在冷凝器中被冷凝、液化、回收。未蒸发的高沸点污染物保留在蒸馏锅中并与清洁剂分离。通过该蒸馏再生系统,清洁剂保持清洁。
烃类溶剂的干燥系统包括热风干燥系统和真空干燥系统。高沸点、易燃的烃类溶剂需要使用真空干燥方法进行较短的干燥时间。为了更有效地进行真空干燥,需要被清洗物体有足够的热量。
常压(760mmHg)下的沸点约为170℃,减压(100mmHg)下的沸点约为110℃。与CFC-113和TCA的蒸汽清洗一样,当在100毫米汞柱的减压下进行蒸汽清洗时,冷凝在清洗物体表面的烃类溶剂的液体温度约为90℃。蒸汽清洗还具有最终漂洗的功能,因此对于精密零件的清洗是不可缺少的。
真空干燥时,隔离溶剂蒸气,提高真空度至10mm Hg左右。根据图1中的蒸气压曲线,当真空度为10mmHg时,烃类溶剂的沸点约为60℃。此时,在90℃左右附着的溶剂因超过沸点而变成塌陷状态,即使是小盲孔也能快速干燥。因此,使用高沸点易燃溶剂,进行减压蒸汽清洗和真空干燥,可以达到与CFC-113或TCA等低沸点阻燃溶剂相同的清洗效果。
与低沸点易燃溶剂一样,真空系统也是高沸点易燃溶剂技术的体现。
(二)环境保护
烃类溶剂对工作环境的主要影响是可燃性。为了使烃溶剂与 CFC-113 一样使用,必须消除易燃危险。燃烧三要素是空气、可燃物和火源。
在易燃液体的表面,由于液体本身的温度而蒸发而产生气体。这种气体就是所谓的易燃气体。随着液体温度不断升高,产生的可燃气体量也逐渐增加。如果火源移动到某个地方,就会在那里着火。测量此时空气与可燃气体的比率。此时的浓度称为燃烧下限,液体的温度称为燃点。
空气中通常含有21%的氧气。空气中氧气浓度高,燃烧速度快。反之,氧浓度低,燃烧速度慢。 15%的氧气浓度是燃烧的最低浓度。这意味着当氧气浓度超过15%且在一定范围内(可燃气体超过燃点)存在可燃气体时,一旦产生足够的燃烧能量,就会发生燃烧(爆炸)。
“点火源”的情况多种多样,主要有机械火花、电火花和静电火花。接触硬金属时会产生机械火花。电火花是指电机换向器、开关、熔断器、线路和设备短路时产生的火花。静电火花是由于不良导体或未接地的良导体中积累的电荷引起的,在移动时放电。当不同的物体接触和分离时,电荷会积累,当电场超过临界值时,电荷会移动。具体而言,当液体在管道中流动、喷射、喷洒或吹动时,会产生静电。
燃烧的三个条件是指空气、可燃物和火源。这三个条件中,如果你能完全控制其中一个条件,它就永远不会燃烧。
对可燃物的防爆处理之一就是将其控制在燃点以下。一般控制温度为燃点-15℃。防爆处理是为了防止泄漏和流出。容器、管道等可能因振动、腐蚀等原因而损坏、破裂或松动,并且存在易燃物质流到外部的风险。一旦流出,就会造成危险场所迅速扩大的问题。因此,必须采取适当的措施。作为对策,将全部液体双罐储存,或放置在排水盘上。
空气的防爆处理是指控制氧气浓度和可燃气体浓度。通常,可燃气体浓度控制在燃烧下限浓度的1/4以下。使用易燃液体的清洗槽应加盖,并设有送风口和排气口。与可燃气体混合的气体必须强制排出室外,防止可燃气体浓度升高。采用微压差传感器确认强制排气,排气量由排气扇和风量调节阀控制。燃烧的最低氧气浓度在15%以上。因此,有效的方法是充氮气以降低氧气浓度。在减压下使用碳氢化合物时,如果压力低于100mmHg,燃烧的上限和下限很快接近旅顺铆工招聘,火焰不蔓延,不发生燃烧。为了确保使用碳氢化合物时 100% 的安全,需要使用表 5 中的系统之一。
表5 完全防爆
减压密闭燃烧临界压力以下(真空泵)1.33×10000Pa(100torr)以下
更换密封型临界氧浓度低于(充氮)10vol%以下
在“火源”项中,首先要避免电气设备产生火花。不可避免时,尽量不要接触可燃气体。危险场所使用的电机必须采用安全强化防爆结构或耐压防爆结构。控制板和超声波振动器一般采用氮气吹扫或空气吹扫强化内压防爆结构。其次,电加热器产生的热量是火源。如果将电加热器放入液体中,加热器表面会膨胀,导致温度升高。可燃气体会倒流到热风发生器的热交换加热器中,可能引起燃烧。因此,一般不采用电加热器加热,而是采用蒸汽或热液压油间接加热。
表6 安全规格
加热机构间接加热(蒸汽、热液压油)
电动机构强化安全防爆规格
联锁机构温度、流量、液位、气体浓度、真空度等。
超声波振动器内压防爆规格
控制板内压防爆规格
自动灭火系统二氧化碳、泡沫灭火剂
挡火板灭火气体压力联动装置
另一个重要的点火源是静电。不同类型的物体在接触和分离时肯定会产生静电,而且不可能完全没有静电。喷雾清洗时,如果液体流体从喷嘴喷出时的液体颗粒直径较大,则带电量较小。因此,应尽可能减小喷淋清洗的压力。
“防爆清洗装置”应具有表6所示的一般安全规格。避免加热机构、电动机构、超声波、控制面板等成为火源。请勿在燃烧范围内安装真空释放装置、联锁机构、排气机构等。有了这个防爆系统,可安全使用易燃烃类溶剂,并能达到与CFC-113相同的清洁和干燥效果。
(3)经济
从经济成本上来说,使用烃类溶剂的清洗装置与使用CFC-113等低沸点阻燃溶剂或含氯溶剂的清洗装置的根本区别在于干燥装置部分。通常,溶剂清洗装置为三槽式,由清洗槽、漂洗槽和干燥槽组成。成本差异主要是指干燥罐、溶剂沸腾机构和热风发生机构或真空机构。防爆机构的成本差异占整个装置的10%。
清洁剂的使用占烃类溶剂运营成本的绝大多数。由于烃类溶剂沸点高,蒸汽消耗量小,为CFC-113的50%~20%。
4、汽车精密零部件清洗
汽车零件有多种类型,并且有多种材料。表 7 显示了需要精细清洁的典型汽车零件。
表7 汽车零部件
气缸盖 气缸体
伯姆?泵用烧结转子曲轴
皮带轮凸轮轴
精密阀门零件微机外壳
刹车片后盒
阀体气囊管
刹车配件水泵箱
曲轴箱烧结行星齿轮
回程离合器滚轮传动部件
配流盘零件 凸轮转子
烧结轮离合器配件
这些汽车零部件是通过切割、冲压和磨削工艺制造的。加工过程中会粘附各种污垢,组装前必须清除干净。
污染物的范围从细颗粒、灰尘、切削粉、毛刺等固体到油性加工油、水溶性加工油、防锈油等液体。
通常使用普通清洁剂的溶解力去除油等液体污垢。利用高压喷淋清洗、超声波和振动等物理力去除固体污垢。通常这些污垢是在加工过的汽车零部件上发现的,一般是利用清洗剂的溶解力和物理力来清洗。