Что такое пескоструйная обработка

Основные термины

Пескоструйная обработка (металла, железобетона, дерева) — это один из способов обработки поверхностей, с целью придания заданных свойств: матовости и шероховатости (профиля определенной глубины), чистоты (очистка от ржавчины, окалины, старой краски, масел и др.), проявления текстуры и фактуры обрабатываемой поверхности, искусственного старения поверхности в дизайнерских целях.

Пескоструйная очистка — наиболее часто употребляемый термин. Более правильно этот этап в АКЗ называется абразивоструйная обработка, поскольку в качестве абразивного материала сейчас выступает не столько песок, сколько другие, более специализированные и безопасные виды абразива. 

Адгезия — сила сцепления итогового покрытия с защищаемой поверхностью на молекулярном уровне. Адгезия во многом зависит от чистоты поверхности и профиля поверхности.

Профиль поверхности (рельеф, перепад неровностей) меняется в зависимости от применяемого вида и фракции абразива. Если абразив мягкий и мелкий — профиль может оказаться недостаточным для хорошей адгезии — краска будет отслаиваться вскоре после высыхания. Если абразив слишком крупный — профиль получим глубокий, адгезия будет хорошая, но потребуется слишком много ЛКМ, для того, чтобы закрыть все неровности профиля и создать необходимый слой. А большой слой — это перерасход ЛКМ, и вспучивание слоя, преждевременное отслоение покрытия. 

Классификация

Условно, абразивную обработку можно разделить следующим образом:

• Декоративная обработка
• Подготовка поверхности

Для целей декоративной обработки — стекла, дерева, мрамора — часто применяют маломощные аппараты эжекторного либо напорного принципов работы, в качестве абразива применяются сода, гранатовый песок, кварцевый песок.

При подготовке больших поверхностей металла, дерева для дальнейших работ по нанесению защитных и декоративных покрытий применяют мощные аппараты напорного типа. В качестве абразива выступают: купершлак, никельшлак, дробь литая и колотая, стеклянные шарики, корунд, гранатовый песок, пластиковые частицы, сода, крахмал и другие. 

Абразивные устройства можно классифицировать следующим образом:

• абразивоструйные аппараты
• абразивостуйные (дробеструйные) камеры.

Подробнее о том, как работают аппараты — в этой статье.

Каталог абразивоструйных аппаратов.

Качественная подготовка поверхности — важный этап работ, залог того, что защитное покрытие будет выполнять свою функцию в течение расчетного срока. Каким бы качественным и дорогим ни был лакокрасочный материал (ЛКМ), если его нанести на плохо подготовленную поверхность — такая защита продержится недолго и не защитит поверхность, либо, не удалённая коррозия будет разрастаться под слоем краски. 

Песок в качестве абразива не дает хорошей чистоты, поскольку песчаная пыль забивается в неровности поверхности и резко снижает адгезию. Если пытаться обеспылить поверхность путем смывания пыли водой — потребуется время на высыхание поверхности, и, даже за короткий срок, в присутствии воды происходит окисление металлической поверхности. Можно добавить в воду ингибиторы коррозии.. Но зачем такие сложности, если можно изначально взять абразив, обладающий низкой способностью к запылению?

В антикоррозионной сфере ЛКМ — зачастую самая затратная часть сметы. Недостаточный слой ЛКМ, как и его перерасход, могут обойтись очень дорого. К примеру, малая толщина покрытия не обеспечит гарантийного срока защиты и придётся всё переделывать, начиная с этапа очистки. Излишняя толщина слоя — это перерасход ЛКМ и также может приводить к досрочному разрушению покрытия. Поэтому так важно правильно выбрать технику, абразив, изучить технологии очистки и нанесения, контролировать процесс и результат на каждом этапе.

Принцип абразивоструйного метода

Абразивоструйный метод обработки основан на использовании высокой кинетической энергии высокоскоростного (90–263 м/с) потока твердых абразивных частиц. Эта энергия придаётся частицам при помощи высокоскоростного воздушного потока сжатого воздуха, создаваемого производительным компрессором, желательно винтовым. Сжатый воздух  смешивается с абразивом, давление газа-носителя (сжатого воздуха) преобразуется в кинетическую энергию. При соударении с поверхностью, кинетическая энергия частиц абразива преобразуется: 

• частично в энергию деформации, 
• частично тратится на нагрев, 
• частично преобразуется в звуковые волны. 

Деформируется как сама абразивная частица (сминается либо раскалывается), так и часть очищаемой поверхности (субстрат) — происходит эрозия — из обрабатываемой поверхности выбиваются частицы старого покрытия, прокатной окалины, ржавчины и иных загрязнений (собственно, это и есть цель обработки), а также частицы самого субстрата — металла, бетона или другой поверхности (этот эффект позволяет создать нужный профиль поверхности). В следующий момент времени, частицы рикошетят от поверхности — энергия деформации частично преобразуется в кинетическую энергию движения частиц абразива и субстрата. Чем выше изначальная кинетическая энергия абразивных частиц — тем бóльшая будет произведена работа. Для качественной обработки, абразив должен быть сухим, обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться при ударе, частицы с острыми кромками. Чем выше твердость абразива по сравнению с твердостью обрабатываемой поверхности, тем больше объем удаляемого материала. Для достижения желаемого результата необходимо тщательно подбирать абразивный материал и параметры процесса.  

Для оценки эффективности абразивоструйной обработки часто используются следующие три параметра:

• Качество чистовой обработки поверхности
• Скорость удаления материала (MRR)
• Срок службы сопла

Применимость метода определяется качеством чистовой обработки поверхности.
Производительность определяется скоростью удаления материала.
Срок службы сопла (или интенсивность его износа) — еще один важный контролируемый параметр, поскольку изношенное сопло при несвоевременной замене может ухудшить качество поверхности. Этот фактор также влияет на общую стоимость обработки, так как сопла имеют малый ресурс, а сами они отличаются высокой стоимостью.

Для количественной оценки и определения массового расхода абразива используется понятие соотношение компонентов смеси (MR). Это соотношение представляет собой частное от деления массового расхода абразива на массовый расход воздуха-носителя. Сначала, по мере увеличения MR, MRR растет, а затем, достигнув максимума при определенном оптимальном значении, MRR снижается. 

Частицы меньшего размера позволяют получить более гладкую поверхность, однако они замедляют MRR, снижая производительность. Частицы крупного размера могут вызывать проблемы в системе подачи на этапах смешивания и прохождения сопла. При повышении содержании влаги в абразиве или в сжатом воздухе, увеличение MR может привести к засорению сопла. Средний размер зерна абразивных материалов в АКЗ составляет порядка 900 микрометров. Более мелкое зерно используется для свиппинга. Более крупные зерна применяются при работе с твердыми или трудно удаляемыми загрязнениями.

Для успешного применения процесса и достижения желаемого результата важно понимать многочисленные параметры и их влияние на эффективность обработки.

Факторы, связанные с абразивом

• Тип абразивных частиц — мягкие абразивы склонны к разрушению при ударе о поверхность заготовки, тогда как более твердые абразивы позволяют обеспечить более высокую скорость съема материала (MRR).
• Форма абразива — частицы неправильной формы с острыми краями способствуют увеличению скорости съема материала.
• Размер абразивного зерна — более крупные частицы образуют более глубокие углубления (что ведет к более высокой скорости съема материала), в то время как более мелкие частицы обеспечивают более высокое качество чистовой обработки поверхности, но меньшую скорость съема материала.
• Разброс размеров зерен — Чем меньше разброс диаметров частиц в общей массе, тем выше качество поверхности и точность прогнозирования скорости съема материала.

Факторы, связанные с газом-носителем (сжатым воздухом)

• Давление газа — более высокое давление газа обеспечивает более высокую скорость струи и, как следствие, более высокую скорость съема материала.
• Расход газа — влияет на соотношение компонентов в смеси; максимальная скорость съема материала достигается при оптимальном значении этого соотношения.
• Содержание влаги — поскольку используется высокое давление, содержащийся в газе пар может конденсироваться в капли воды; они способны захватывать частицы абразива и склеивать их в более крупные конгломераты.

Факторы, связанные с соплом

• Внутренний диаметр сопла — при неизменном давлении газа и соотношении компонентов смеси увеличение внутреннего диаметра сопла приводит к снижению скорости струи. В результате неправильно подобранный диаметр струи будет снижать скорость удаления материала (MRR) и качество поверхности.
• Износ сопла — в процессе эксплуатации диаметр сопла увеличивается.
• Материал сопла — материал сопла существенно влияет на срок его службы (интенсивность износа).

Факторы, связанные с абразивной струей

• Скорость струи — более высокая скорость струи обеспечивает более интенсивную эрозию, однако требует высокого давления газа-носителя - конструкция установки должна выдерживать такое давление без потери герметичности.
• Диаметр струи — определяется внутренним диаметром сопла и расстоянием от сопла до обрабатываемой поверхности (дистанцией обработки). При большем диаметре струи эрозия материала происходит на увеличенной площади, однако точность и эффективность может снизиться.

Факторы, связанные с параметрами процесса

• Соотношение компонентов смеси — оказывает значительное влияние на скорость удаления материала (MRR) и глубину обработки (качество поверхности). Оптимальное повышение этого показателя позволяет улучшить результаты.
• Расход абразива — расход абразива прямо пропорционален скорости удаления материала (MRR).
• Расстояние от сопла до поверхности (SOD) — при увеличении этого расстояния диаметр струи возрастает из-за ее расширения. В результате скорость струи падает, а сама струя становится шире. С другой стороны, слишком малое расстояние не обеспечивает достаточного зазора для выхода отработанных частиц абразива из зоны обработки.
• Угол атаки — угол между обрабатываемой поверхностью и осью струи. На основе данных о материале заготовки и ряде других факторов многочисленные исследования показывают, что скорость удаления материала (MRR) достигает максимума при угле соударения струи с поверхностью в диапазоне 70°–90°.

Факторы, связанные с материалом заготовки

• Неудовлетворительное состояние рабочей поверхности — наличие зеркально отполированной поверхности из-за возможного отскока абразивных частиц приводит к снижению MRR.
• Неоднородность свойств материала — может стать причиной погрешностей обработки.
• Концентрация напряжений — снижает скорость эрозии и, как следствие, уменьшает MRR.

Охрана труда

Применение песка в качестве абразива при сухой очистке представляет собой серьезный риск для здоровья: дело в том, что кварцевый песок, при соударении с поверхностью, разбивается в мелкодисперсную пыль (5-10 микрон), которая очень долго находится в воздухе и, попадая в легкие, никогда уже не выводится из организма, накапливается и может вызвать силикоз легких — тяжелую профессиональную болезнь пескоструйщика. Кроме того, кристаллический диоксид кремния в форме кварца признан канцерогенным фактором — повышена смертность от рака легкого у рабочих, подвергающихся ингаляционному воздействию кристаллического оксида кремния. Причём эту пыль не способны полностью отфильтровать ни один респиратор, ни один противогаз. От кварцевой пыли спасает только шлем пескоструйщика, с принудительной подачей очищенного воздуха. Воздух для дыхания оператора в этот шлем подается от специального фильтра-редуктора. Применение песка для сухих абразивоструйных работ запрещено в России с 2003 года.

Upd: Постановление, запрещающее применение сухого песка для очистки отменено Постановлением Правительства Российской Федерации от 08.10.2020 г. № 1631. Однако, это не снимает ответственность работодателя за нарушение условий труда своих работников.