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Cryogénique

Système de nettoyage cryogénique

Origine du système


Avant propos

Le procédé « cryogénique » aurait pu être classé dans la catégorie à succion, ou à pression, car il utilise un vecteur gazeux, lié à ces deux modes de propulsion pour projeter le produit. Mais sa particularité, qui en fait un procédé à part, réside dans le fait qu’il ne peut projeter qu’un seul type de produit, sous des formes différentes, le CO2 ou dioxyde de carbone. Si les principes de projection restent identiques, les mises en oeuvre sont très différentes, car adaptées aux contraintes du produit.


Historique

Le procédé étant la résultante de la fabrication même du produit projetable, on situe sa mise au point et ses premiers brevets au 20e siècle, dans les années 60/70. Soit un siècle après l’origine du sablage. Si la fabrication du dioxyde de carbone remonte aux années 30, il faudra attendre 1945 pour que la marine américaine réalise les premières expériences de décapage ou dégraissage à la glace sèche.


Évolution

En 1963, Reginals LINDALL dépose un brevet pour sa « méthode pour enlever la viande de l’os en utilisant des particules de dioxyde de carbone projetées ».
En 1972, Edwin RICE dépose un brevet pour sa « méthode pour l’enlèvement de portions non voulues d’un objet, par pulvérisation de particules de glace à haute vélocité ».
En 1977, Calvin FONG dépose un brevet pour « le décapage ou sablage avec des pellets d’une matière capable de sublimation ».


Les projectiles


Pellets et nuggets

Le projectile est du CO2, ou dioxyde de carbone, qui comme tous corps purs, a la particularité de changer d’état en fonction des conditions de température et de pression. Passant ainsi de l’état gazeux, à celui de liquide ou solide, avec des états transitoires intermédiaires.
On obtient ainsi différents projectiles qui sont :
la glace sèche carbonique : se présentant dans un état solide (-78°C) pour le décapage ou nettoyage de résidus résistants ;
la neige carbonique : se présentant dans un état liquide/solide, pour élimination en surface de pollution localisée ;
le CO2 supercritique : se situant dans un état monophasique intermédiaire entre l’état liquide et gazeux, pour le nettoyage de supports délicats.


Fabrication

Les particules, ou grains de glace sèche carbonique, appelées suivant leurs diamètres « Pellet » (1,6 à 3,2 mm) ou « Nugget » (6,4 à 19 mm) sont fabriqués par une extrudeuse cylindrique composée d’une chambre à vérin et d’une chambre à neige.
Le dioxyde de carbone est introduit sous état liquide dans la chambre à neige, où il se resolidifie formant une galette. Cette dernière est ensuite forcée par un vérin contre une matrice à plusieurs ouvertures, avec une pression telle, que le dioxyde de carbone se liquéfie à l’entrée des ouvertures. En s’écoulant au travers de la matrice, le liquide change de phase pour redevenir solide, tandis que les ouvertures maintiennent la compression sur le CO2 pour créer des pellets haute densité. (d= 1,54).

Nota :
Il existe d’autres techniques de « pelletiseurs » ou « nuggetiseurs », du type à marteau ou à rotation. Les pellets peuvent être, soit fabriqués sur place, soit approvisionnés en conteneurs isolés et scellés chez un gazier spécialisé.


La projection


Principes de projection

Les pellets sont véhiculés et projetés par air comprimé au travers d’une lance (schéma ci-contre). Soit par un système à succion, à partir d’une trémie de chargement, soit par un système à pression, à partir d’un distributeur à tambour alvéolé disposé en sortie de la trémie de stockage.
– Dans le premier cas, la vitesse moyenne finale des particules en sortie de la buse est comprise entre 60 à 120m/sec ;
– Dans le second cas, la vitesse peut atteindre jusqu’a 290m/sec en sortie d’une buse spéciale à profil venturi.


Particularité de l’impact

C’est la particularité seule de l’impact, qui fait du procédé cryogénique un système bien à part. En effet, lorsque les pellets heurtent la surface de la pièce, la glace sèche carbonique se sublime en dioxyde de carbone, passant de l’état solide à l’état gazeux, sans passer par l’état liquide. Redevenu un gaz inerte naturel, il se dissipe dans l’atmosphère.
En plus de l’énergie cinétique liée à la projection, la glace sèche utilise sa basse température pour augmenter la contrainte de cisaillement et briser le revêtement ou contaminant qui recouvre la surface à traiter.
C’est un choc mécanique et thermique.
Le choc thermique étant l’élément clé, on peut augmenter le processus en chauffant légèrement la pièce. La baisse de température causée par les impacts reste localisée et ne cause pas tension thermique sur le substrat.
Les trois phases de l’impact sont (schéma ci-dessous) :
1) Le choc mécanique : résultant de l’impact du pellet ou du nugget sur la pièce ;
2) Le choc thermique : exposés au froid extrême, les résidus se fragilisent et se rétractent. Une fracture se crée alors sous l’effet du froid ;
3) L’effet de souffle : créé par la sublimation de la glace carbonique (augmentation du volume par 800) et qui décolle le résidu.

Nota :
La glace sèche ne possédant pratiquement pas de dureté comparée aux autres abrasifs solides, elle n’apporte pas cet effet burinant de la surface.
Cela en fait un produit non agressif.


Conclusion :

Le procédé est sec, non conducteur, non abrasif, non toxique et ne laisse aucune trace sur la pièce traitée. Il ne génère pas de déchets secondaires liés à l’abrasif, ce qui en fait une technologie non polluante. Tout ce qui reste à retirer après le traitement est le contaminant qui a été enlevé de la surface. Ceci permet de nettoyer des équipements sur site, quelques fois en fonctionnement et sans aucune précaution pour l’environnement.


Les machines


Généralités

Elles sont généralement compactes, autonomes et transportables, constituées d’une trémie de chargement des pellets qui alimente un système de projection à succion ou à pression. Elles peuvent aussi être associées à une cabine à manches confinée. Certaines machines sont équipées d’une extrudeuse pour fabriquer les pellets à partir du CO2 liquide. Elles peuvent être automatisées ou robotisées suivant les applications.


Applications

Ce procédé sera utilisé partout où la pièce à traiter demande un respect géométrique et dimensionnel rigoureux. Chaque fois qu’il sera impossible de déplacer ou démonter la pièce à traiter (travail in situ). Sur tous supports délicats, et partout où le contaminant est résistant ou dangereux. Les principaux domaines d’activités sont: les industries du moulage, des plastiques, les fonderies, l’agroalimentaire, la chimie, l’emballage, l’automobile, l’imprimerie, le bâtiment, la pétrochimie, le nucléaire, l’électronique, la mécanique, l’électro-mécanique.



Quelques applications du nettoyage cryogénique