等靜壓技術原理
等靜壓工作原理為帕斯卡定律:“在密閉容器內的介質(液體或氣體)壓強,可以向各個方向均等地傳遞。” 等靜壓技術已有70多年的歷史,初期主要套用於粉末冶金的粉體成型;近20年來,等靜壓技術已廣泛套用於陶瓷鑄造、原子能、工具製造、塑膠、超高壓食品滅菌和石墨、陶瓷、永磁體、高壓電磁瓷瓶、生物藥物製備、食品保鮮、高性能材料、軍工等領域。
冷等靜壓技術
冷等靜壓技術,(Cold Isostatic Pressing,簡稱CIP)
是在常溫下,通常用橡膠或塑膠作包套模具材料,以液體為壓力介質 主要用於粉體材料成型,為進一步燒結,煅造或熱等靜壓工序提供坯體。一般使用壓力為100~ 630MPa。
溫等靜壓技術
溫等靜壓技術,壓制溫度一般在80~120℃下.也有在250~450℃下,使用特殊的液體或氣體傳遞壓力,使用壓力為300MPa左右。主要用於粉體物料在室溫條件下不能成型的石墨、聚醯胺 橡膠材料等。以使能在升高的溫度下獲得堅實的坯體。
熱等靜壓技術
熱等靜壓技術(hot isostatic pressing,簡稱HIP)
HIP ,是一種在高溫和高壓同時作用下,使物料經受等靜壓的工藝技術,它不僅用於粉末體的固結.傳統粉末冶金工藝成型與燒結兩步作業一併完成,而且還用於工件的擴散粘結,鑄件缺陷的消除,複雜形狀零件的製作等。在熱等靜壓中,一般採用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質,包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為1000~2200℃ ,工作壓力常為100~200MPa。
與常規成型技術相比特點
等靜壓技術作為一種成型工藝,與常規成型技術相比,具有以下特點:a.等靜壓成型的製品密度高,一般要比單向和雙向模壓成型高5 ~l5 。熱等靜壓製品相對密度可達99 8%~99.09% 。
b.壓坯的密度均勻一致。在模壓成型中,無論是單向、還是雙向壓制,都會出現壓坯密度分布不均現象。這種密度的變化在壓制複雜形狀製品時,往往可達到10% 以上。這是由於粉料與鋼模之間的摩擦阻力造成的。等靜壓流體介質傳遞壓力,在各方向上相等。包套與粉料受壓縮大體一致,粉料與包套無相對運動,它們之間的摩擦阻力很少,壓力只有輕微地下降,這種密度下降梯度一般只有1% 以下,因此,可認為坯體密度是均勻的。
c-因為密度均勻.所以製作長徑比可不受限制,這就有利於生產棒狀、管狀細而長的產品。
d.等靜壓成型工藝,一般不需要在粉料中添加潤滑劑,這樣既減少了對製品的污染,又簡化了製造工序。
e.等靜壓成型的製品,性能優異,生產周期短,套用範圍廣。等靜壓成型工藝的缺點是,工藝效率較
低,設備昴貴。本文著重介紹冷等靜壓技術的套用,以及冷等靜壓設備的一些情況。
冷等靜壓設備
冷等靜壓成塑有濕袋法和乾袋法兩種.相應地等靜壓機的結構也有所不同。
濕袋法等靜壓
將粉末裝入塑性袋,直接打入液體壓力介質,和液體相接觸.因此稱濕袋法。這種方法可任意改變塑性包套的形狀和尺寸.製品靈活性很大.適用於小規模生產。每次都要進行裝袋、卸袋操作,生產效率不高,不能連續進行大規模生產。
乾袋法等靜壓
橡皮袋首先放在缸內.工作時不取出,粉末裝入另外的成型塑性袋後.放進加壓橡皮袋內,與液體不相接觸.因此稱為乾袋法。這種方法可連續操作,即把上蓋打開.從料斗裝料.然後蓋好上蓋加壓成受.出料時.把上蓋打開.通過底部的頂棒把壓坯從上邊頂出去。操作周期短,適用於成批生產.但產品規格受限制.因為加壓塑性模不能經常更換。由於大量使用的主要是濕袋法.因此下面著重介紹濕袋冷等靜壓設備結構。
超高壓容器
超高壓容器是冷等靜壓技術的主要設備,是壓制粉末或其他物品的工作室.必須要有足夠的強度和可靠的密封性。容器缸體的結構.常採用螺紋式結構和框架式結構。螺紋式結構:缸體是一個上邊開口的坩堝狀圓筒筒體,為了安全可靠.在外面常裝加固鋼箍(熱套和鋼筒).形成雙層缸體結構。缸筒的上口用帶螺紋的塞頭連線和密封。這種結構製造起來較簡單.但螺紋易損壞,安全可靠性較差.工作效率較低。為了操作方便.有的設計成開口螺紋結構,塞頭裝入後,鏇轉45’,上端另有液壓壓緊裝置。
框架式缸體結構:缸體為一個圓筒,用高強度鋼製成.或用高強度鋼絲帶繞制,簡體內的上、下塞是活動的,無螺紋連線。缸體的軸向力靠框架來承受。這佯,避免了螺紋結構的應力集中,工作起來安全可靠。對於缸體直徑大、壓力高的情況,更具有優越性,但投資較高。
超高壓泵及液壓系統
向容器內注入高壓液體.是通過高壓泵以及相應的管道、閥門來實現的。高壓泵有柱塞高壓泵(一般由電機皮帶輪帶動曲軸推動柱塞做往復運動)、超高壓倍增器(由大面積活塞缸推動小面積柱塞高壓缸做往復式運動)等。
輔助設備
為了使等靜壓機高效率地工作,必須配備輔助設備。自動冷等靜壓機的輔助設備主要有開、閉缸蓋移動框架.模具裝卸.粉末充填振動,壓坯脫模.壓力側量和作業系統等裝置。
瑞典ASEA公司
冷等靜壓機系列數據參考圖表
缸體內徑 | 最 | 高 | 工 | 作 | 壓 | 力 | mpa |
160 | 200 | 250 | 315 | 400 | 500 | 630 | |
355mm | QIC50 | QIC63 | |||||
400mm | QIC50 | QIC63 | QIC80 | ||||
450mm | QIC50 | QIC63 | QIC80 | QIC100 | |||
500mm | QIC50 | QIC63 | QIC80 | QIC100 | |||
550mm | QIC50 | QIC63 | QIC80 | QIC100 | QIC125 | ||
630mm | QIC50 | QIC30 | QIC80 | QIC100 | QIC125 | QIC160 | |
800mm | QIC80 | QIC100 | QIC125 | QIC160 | QIC200 | ||
1250mm | QIC250 |
往:表中QIC100等為冷等靜壓機型號.其中QIC代表冷等靜壓機,100代表框架承受的總軸向力為
100MN。
ASEA公司 簡介
瑞典,是世界上最早研究成功並生產等靜壓機的國家, 質量水平也較高, 出口量也最大。早在1939年就研製成功冷等靜壓機。六十年代後,又從事熱等靜壓機的研製。後來發展很快,到七十年代中期, 已能大批量生產象工作缸尺寸達 l290mm ×2500mm,介質工作溫度為1450℃ 工作壓力達320MPa的大型熱等 壓機系列產品, 並有出口。另外, 還能根據用戶要求設計製造新產品。其中由ASEA公司(後來的全球500強企業之ABB集團,ABB由兩個歷史100多年的國際性企業瑞典的阿西亞公司"ASEA"和瑞士的布朗勃法瑞公司"BBC Brown Boveri" 在1988年合併而成)生產的等靜壓機, 已在世界許多 家和地 獲得滿意的使用。據統計資料,僅60年 代中l期至70年代 中瑞典就向美、英 日、前西德和前蘇聯等十三個國家和地區出口各種型號的等靜壓機5 0多台(此期間, 我國也進口了一台型號為QICH80/63型等靜壓機), 其中熱等靜壓機就有30多台.
美國是研製成功熱等靜壓機最早的國家。早在1955年,Battelle試驗室就研製了一台供試驗用的用氦作傳力介質的熱等靜壓機。據稱工作缸尺寸僅4.7mm, 介質溫度為816℃。但從這以後的十年間, 則形成了工業套用規模。而且,到了1975年,一台工作缸體尺寸為直徑305Omm×915 0mm, 介質溫度為1400℃的特大型熱等靜壓機建成投入套用。另外,也製成僅供試驗用的, 工作壓力達1050MPa,溫度為1540℃ , 可成型壓坯尺寸為直徑25mm×高76mm的高壓熱等靜壓機。還出現了工作缸體尺寸為直徑229mm x1 624mm,工作溫度為2700℃ ,工作壓力為1 40MPa,可成型壓坯尺寸為直徑76mm x 1 02mm 的高溫熱等靜壓機。
超高壓滅菌(UHP)
超高壓滅菌技術(ultra—high pressure processing )簡稱UHP,又稱超高壓技術(ultra-high pressure, UHP),高靜壓技術(high hydrostatic pressure , HHP),或高壓食品加工技術(high pressure processing, HPP)
超高壓殺菌技術(等靜壓技術在食品殺菌方面的運用)是20 世紀90 年代由日本明治屋食品公司首創的殺菌方法,它同加熱殺菌一樣,經100MPa 以上超高壓處理後的食品,可以殺死其中大部分或全部的微生物、鈍化酶的活性,從而達到保藏食品的目的,它是一個物理過程,在食品加工過程中主要是利用Le Chace-lier 原理和帕斯卡原理
作用原理
超高壓滅菌(UHP)技術,就是在密閉容器內,用水作為介質對軟包裝食品等物料施以400~600MPa的壓力,從而殺死其中幾乎所有的細菌、黴菌和酵母菌,而且不會像高溫殺菌那樣造成營養成分破壞和風味變化。超高壓滅菌的機理是通過破壞菌體蛋白中的非共價鍵,使蛋白質高級結構破壞,從而導致蛋白質凝固及酶失活。超高壓還可造成菌體細胞膜破裂,使菌體內化學組分產生外流等多種細胞損傷,這些因素綜合作用導致了微生物死亡。
作用特點
超高壓技術不僅能殺滅微生物,而且能使澱粉成糊狀、蛋白質成膠凝狀,獲得與加熱處理不一樣的食品風味。超高壓技術採用液態介質進行處理,易實現殺菌均勻、瞬時、高效。
但是,UHP技術對殺滅芽孢效果似乎不太理想,在綠茶茶湯中接種耐熱細菌芽孢後,採用室溫和400MPa靜水高壓處理,不能殺滅這些芽孢。另一方面,由於糖和鹽對微生物的保護作用,在粘度非常大的高濃度糖溶液中,超高壓滅菌效果並不明顯。由於處理過程壓力很高,食品中壓敏性成分會受到不同程度的破壞。其過高的壓力使得能耗增加,對設備要求過高。而且,超高壓裝置需要較高的投入,尚須解決其高成本的問題,不利於工業化推廣。
另外,超高壓滅菌一般採用水作為為壓力介質,當壓力超過600MPa時,水會出現臨界冰(純水在室溫超過600MPa壓力會結冰)的現象,因而只能使用油等其他物質作為壓力介質。超高壓滅菌的效果受多種因素的影響,如微生物種類、細胞形態、溫度、時間、壓力大小等。
套用
目前,國外超高壓滅菌已在果蔬、優酪乳、果醬、乳製品、水產品、蛋製品等生產中有了一定的套用。在每cm2的肉食上施加大約6t重的壓力進行高壓滅菌。結果,其味跟原來一樣,色澤也比原先更好看。日本明治屋食品公司將草莓、蘋果和獼猴桃等果醬經軟包裝後在400~600MPa、10~30min條件下滅菌,產品的色澤和風味不變,並保持了水果原有的口感,VC的保留率較高。
高壓技術和其它技術相結合,能更有效殺滅微生物,破壞酶,延長貨架壽命〔2〕。利用高壓CO2和高壓技術相結合方法處理胡蘿蔔汁,使用4.9MPaCO2和300MPa高靜水壓結合處理,可使需氧菌完全失活,多酚氧化酶、脂肪氧化酶、果膠甲酯酶殘留活性分別低於11.3%、8.3%、35.1%。
壓力單位及超高壓
超高壓定義
一般情況液體或氣體壓力在0.1mpa~1.6mpa稱為低壓,1.6mpa~10mpa稱為中壓,10~100MPa稱為高壓,100MPa以上稱為超高壓.本文闡述的UHP技術的壓力通常在100~1000MPa.或更高。而把液體或氣體加壓到100MPa以上的技術稱為“超高壓技術”(ultra-high pressure, 簡稱UHP)
壓力單位換算
註:1. 1工程大氣壓(at)=1公斤力/厘米2.
2. 用水柱表示的壓力,是以純水在4oC時的密度值為標準的.
1兆帕(MPa)=145磅/英寸2(psi)=10.2千克/厘米2(kg/cm2)=10巴(bar)=9.8大氣壓(at m)
1磅/英寸2(psi)=0.006895兆帕(MPa)=0.0703千克/厘米2(kg/cm2)=0.0689巴(bar)=0.068大氣壓(at m)
1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=14.503磅/英寸2(psi)=1.0197千克/厘米2(kg/cm2)=0.987大氣壓(at m)
1大氣壓(at m)= 101.325千帕(KPa)=0.101325兆帕(MPa)=14.696磅/英寸2(psi)=1.0333千克/厘米2(kg/cm2)=1.0133巴(bar)
1兆帕(MPa)= 106Pa=7500.63mmHg
1Gpa=1000Mpa(此單位用於金剛石壓機和地心壓力,所以不常用)
真空度以mmHg(Torr)或Kpa、Pa為單位時,指的是絕壓,又稱殘壓、壓力,剩餘壓力或吸入壓力。
當以Mpa為單位時,指的是彈簧真空表的表壓,例:-0.078Mpa。那么絕壓應為0.1-0.078=0.022Mpa。
美國Avure Technologies公司等靜壓設備
現今的ASEA
當時瑞典的 ASEA 是第一家將 Battelle Memorial Institute(俄亥俄州哥倫布市)提出的等靜壓技術實現商業化的公司。 20 年之後,ASEA 成為了 ABB 的一部分,而後者主要致力於等靜壓和鈑金成型壓機的市場開發。 1999 年,ABB 的高壓事業部被美國 Flow International 收購。而 Flow 引領了高壓技術在食品防腐市場的拓展套用,所用的品牌名稱即為 Avure。 2005 年,Avure Technologies, Inc. 成為了私有的獨立公司。 今天,所有四種品牌的壓機都在全球各地的製造廠內正常運行著。