Flüssiger Stickstoff: Stickstoffgas im flüssigen Zustand. Inert, farblos, geruchlos, nicht korrosiv, nicht brennbar, extrem tiefkalt. Stickstoff bildet den Hauptbestandteil der Atmosphäre (78,03 Vol.-% und 75,5 Gew.-%). Stickstoff ist reaktionsträge und nicht brennbar. Erfrierungen können durch die starke endotherme Erhitzung beim Verdampfen entstehen.
Flüssiger Stickstoff ist eine praktische Kältequelle. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften hat er zunehmend an Bedeutung gewonnen und wird immer häufiger eingesetzt. Er findet immer breitere Anwendung in der Tierhaltung, der Medizin, der Lebensmittelindustrie und der Kryotechnik. Auch in der Elektronik, der Metallurgie, der Luft- und Raumfahrt, dem Maschinenbau und anderen Bereichen weitet sich sein Einsatz stetig aus.
Kryogene Supraleitung
Supraleiter besitzen einzigartige Eigenschaften, wodurch sie voraussichtlich in verschiedensten Bereichen Anwendung finden werden. Sie entstehen durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff anstelle von flüssigem Helium als supraleitendes Kältemittel. Dies eröffnete der Supraleitungstechnologie ein breites Anwendungsspektrum und gilt als eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Erfindungen des 20. Jahrhunderts.
Die supraleitende Magnetschwebetechnik basiert auf der supraleitenden Keramik YBCO. Beim Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (78 K, entsprechend -196 °C) geht das supraleitende Material vom Normalzustand in den supraleitenden Zustand über. Das vom abgeschirmten Strom erzeugte Magnetfeld wirkt dem Magnetfeld der Schiene entgegen. Ist diese Kraft größer als das Gewicht des Zuges, schwebt der Wagen. Gleichzeitig wird ein Teil des Magnetfelds aufgrund des magnetischen Flussverankerungseffekts während des Abkühlprozesses im Supraleiter eingeschlossen. Dieses eingeschlossene Magnetfeld wird vom Magnetfeld der Schiene angezogen, und durch die Wechselwirkung von Abstoßung und Anziehung bleibt der Wagen fest über der Schiene schweben. Im Gegensatz zur allgemeinen Abstoßung gleichnamiger und Anziehung ungleichnamiger Magnete bewirkt die Wechselwirkung zwischen Supraleiter und externem Magnetfeld sowohl Abstoßung als auch Anziehung. Dadurch können Supraleiter und Magnet ihrer eigenen Schwerkraft entgegenwirken und übereinander schweben.
Herstellung und Prüfung elektronischer Bauteile
Die Umweltstressprüfung dient dazu, eine geeignete Anzahl modellhafter Umweltfaktoren auszuwählen, die Komponenten oder die gesamte Maschine gezielt mit der entsprechenden Menge an Umweltstress zu beaufschlagen und so Prozessfehler an den Komponenten – d. h. Fehler im Produktions- und Installationsprozess – zu verursachen, die dann korrigiert oder ausgetauscht werden können. Die Umweltstressprüfung eignet sich zur Untersuchung von Temperaturwechseln und zufälligen Vibrationen. Der Temperaturwechseltest sieht vor, hohe Temperaturänderungsraten und große thermische Spannungen zu akzeptieren, um bei Komponenten aus unterschiedlichen Materialien – bedingt durch schlechte Verbindungen, Materialasymmetrien, Prozessfehler, versteckte Probleme und plötzliche Ausfälle – eine Temperaturänderungsrate von 5 °C/min zu erreichen. Die Grenztemperaturen liegen zwischen -40 °C und +60 °C. Die Anzahl der Zyklen beträgt 8. Diese Kombination von Umweltparametern macht virtuelle Schweißungen, Verbindungsstellen und Komponentenfehler deutlicher sichtbar. Für Massentests von Temperaturwechseln kann die Zwei-Kasten-Methode in Betracht gezogen werden. In dieser Umgebung sollte die Prüfung auf einem entsprechenden Niveau durchgeführt werden.
Flüssiger Stickstoff ist eine schnellere und nützlichere Methode zum Abschirmen und Testen von elektronischen Bauteilen und Leiterplatten.
Kryogene Kugelmühlenkenntnisse
Die kryogene Planetenkugelmühle wird mit flüssigem Stickstoff beaufschlagt und ist mit einer Wärmedämmung versehen. Die kalte Luft wird durch die schnelle Rotation der Kugeln im Mahlbehälter in Echtzeit abgeführt, sodass sich das Mahlgut und die Mahlkugeln stets in einer kryogenen Umgebung befinden. In dieser Umgebung werden Mischen, Feinmahlen, die Entwicklung neuer Produkte und die Kleinserienfertigung von Hightech-Materialien ermöglicht. Die Produkte zeichnen sich durch geringe Größe, hohe Effizienz, gute Verträglichkeit und geringe Geräuschentwicklung aus und finden breite Anwendung in der Medizin, der chemischen Industrie, im Umweltschutz, in der Leichtindustrie, der Baustoffindustrie, der Metallurgie, der Keramikindustrie, der Mineralienverarbeitung und weiteren Bereichen.
Umweltfreundliche Bearbeitungstechniken
Kryogenes Schneiden bezeichnet den Einsatz kryogener Fluide wie flüssigem Stickstoff, flüssigem Kohlendioxid oder Kaltluft im Schneidsystem des Bearbeitungsbereichs. Dadurch wird der Bearbeitungsbereich lokal in einen kryogenen oder ultrakryogenen Zustand versetzt. Die kryogene Sprödigkeit des Werkstücks unter kryogenen Bedingungen wird genutzt, um die Zerspanbarkeit, die Werkzeugstandzeit und die Oberflächenqualität zu verbessern. Je nach Kühlmedium unterscheidet man zwischen Kaltluftschneiden und Flüssigstickstoff-Kühlschneiden. Beim Kaltluftschneiden wird ein -20 °C bis -30 °C (oder sogar darunter) kalter Luftstrom auf die Werkzeugspitze gesprüht, dem Spuren von Pflanzenöl als Schmierstoff beigemischt werden (10–20 m³/h). Dies dient der Kühlung, Spanabfuhr und Schmierung. Im Vergleich zu herkömmlichen Schneidverfahren bietet das kryogene Kühlschneiden eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit, eine bessere Oberflächenqualität und ist nahezu umweltfreundlich. Das Bearbeitungszentrum der japanischen Yasuda Industry Company verwendet einen adiabatischen Luftkanal, der mittig zwischen Motor- und Fräserwelle angeordnet ist und die Schneide mit kryogener Kaltluft von -30 °C direkt anströmt. Diese Anordnung verbessert die Schnittbedingungen erheblich und ist vorteilhaft für die Anwendung der Kaltluftschneidtechnologie. Kazuhiko Yokokawa untersuchte die Kaltluftkühlung beim Drehen und Fräsen. Im Fräsversuch wurden wasserbasiertes Kühlschmierstoff, Luft mit normaler Temperatur (+10 °C) und Kaltluft (-30 °C) verwendet, um die Kräfte zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Werkzeugstandzeit durch die Verwendung von Kaltluft deutlich verbessert wurde. Im Drehversuch war der Werkzeugverschleiß bei Verwendung von Kaltluft (-20 °C) deutlich geringer als bei normaler Luft (+20 °C).
Die Kühlung beim Schneiden mit flüssigem Stickstoff hat zwei wichtige Anwendungsgebiete. Zum einen wird flüssiger Stickstoff unter Flaschendruck direkt in den Schneidbereich eingesprüht, ähnlich wie ein Kühlschmierstoff. Zum anderen wird das Werkzeug oder Werkstück indirekt durch den Verdampfungszyklus des flüssigen Stickstoffs unter Wärmeeinwirkung gekühlt. Kryogenes Schneiden ist heutzutage wichtig für die Bearbeitung von Titanlegierungen, hochmanganhaltigem Stahl, gehärtetem Stahl und anderen schwer zerspanbaren Werkstoffen. KPRaijurkar führte mit einem H13A-Hartmetallwerkzeug und flüssigem Stickstoffkühlkreislauf kryogene Schneidversuche an Titanlegierungen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass im Vergleich zu herkömmlichen Schneidverfahren der Werkzeugverschleiß deutlich reduziert, die Schnitttemperatur um 30 % gesenkt und die Oberflächenqualität des Werkstücks erheblich verbessert wurde. Wan Guangmin wandte die indirekte Kühlmethode für kryogene Schneidversuche an hochmanganhaltigem Stahl an und kommentiert die Ergebnisse. Bei der kryogenen Bearbeitung von hochmanganhaltigem Stahl mit indirekter Kühlung werden die Werkzeugkräfte reduziert, der Werkzeugverschleiß verringert, die Kaltverfestigung verbessert und die Oberflächenqualität des Werkstücks gesteigert. Wang Lianpeng et al. Die Autoren haben das Verfahren des Flüssigstickstoffsprühens bei der Tieftemperaturbearbeitung von gehärtetem Stahl 45 auf CNC-Werkzeugmaschinen angewendet und die Testergebnisse kommentiert. Durch den Einsatz des Flüssigstickstoffsprühverfahrens bei der Tieftemperaturbearbeitung von gehärtetem Stahl 45 konnten die Werkzeugstandzeit und die Werkstückoberflächenqualität verbessert werden.
Im Zustand der Flüssigstickstoffkühlung weisen Hartmetallwerkstoffe eine hohe Biegefestigkeit, Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Die Härte steigt mit der Temperatur nur geringfügig an, weshalb Hartmetall-Schneidwerkzeugmaterialien bei Flüssigstickstoffkühlung wahrscheinlich eine hervorragende Schneidleistung erzielen, ähnlich wie bei Raumtemperatur. Diese Leistung wird durch die Anzahl der Bindungsphasen bestimmt. Bei Schnellarbeitsstahl steigt die Härte bei Tieftemperaturkühlung an, die Schlagzähigkeit sinkt jedoch, insgesamt wird aber eine bessere Schneidleistung erzielt. Er untersuchte die Verbesserung der Zerspanbarkeit einiger Werkstoffe bei Tieftemperaturkühlung. Die fünf untersuchten Werkstoffe waren niedriggekohlter Stahl AIS11010, hochgekohlter Stahl AIS1070, Wälzlagerstahl AIS152100, die Titanlegierung Ti-6A 1-4V und die Aluminiumgusslegierung A390. Die Untersuchung und Bewertung ergab: Aufgrund der geringen Sprödigkeit bei Tieftemperaturkühlung lassen sich die gewünschten Bearbeitungsergebnisse durch Tieftemperaturschneiden erzielen. Bei hochgekohltem Stahl und Wälzlagerstahl können der Temperaturanstieg in der Schnittzone und der Werkzeugverschleiß durch Flüssigstickstoffkühlung reduziert werden. Beim Schneiden von Aluminiumgusslegierungen kann die Anwendung kryogener Kühlung die Werkzeughärte und die Werkzeugbeständigkeit gegenüber abrasivem Verschleiß durch Siliziumphasen verbessern. Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen ist die gleichzeitige kryogene Kühlung von Werkzeug und Werkstück von Vorteil, da sie eine niedrige Schnitttemperatur ermöglicht und die chemische Affinität zwischen Titan und Werkzeugmaterial beseitigt.
Weitere Anwendungen von flüssigem Stickstoff
Der Jiuquan-Satellit schickte die zentrale Spezialtreibstoffstation zur Herstellung von flüssigem Stickstoff, einem Treibstoff für Raketen, der unter hohem Druck in die Brennkammer gepresst wird.
Hochtemperatur-Supraleiterkabel. Sie werden zur Notfallwartung und zum Einfrieren von Flüssigkeitsleitungen eingesetzt. Anwendung finden sie zur kryogenen Stabilisierung und zum kryogenen Abschrecken von Materialien. Die Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (basierend auf thermischer Ausdehnung und Kältekontraktion in industriellen Anwendungen) findet ebenfalls breite Anwendung. Auch die Nebelimpfung mit flüssigem Stickstoff und die Echtzeit-Tropfenstrahltechnik mit flüssigem Stickstoff werden intensiv erforscht. Stickstoff wird zur unterirdischen Brandbekämpfung eingesetzt, wodurch Brände schnell gelöscht und die Schäden durch Gasexplosionen verhindert werden. Warum flüssiger Stickstoff? Er kühlt schneller als andere Methoden, reagiert nicht chemisch mit anderen Substanzen, sorgt für eine trockene Atmosphäre, ist umweltfreundlich (flüssiger Stickstoff verdunstet nach Gebrauch direkt in die Atmosphäre und hinterlässt keine Schadstoffe) und einfach und bequem in der Anwendung.
HL Kryotechnik
HL Kryotechnikdie 1992 gegründet wurde, ist eine Marke, die mitHL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co.,LtdHL Cryogenic Equipment hat sich der Entwicklung und Fertigung von hochvakuumisolierten kryogenen Rohrleitungssystemen und zugehöriger Ausrüstung verschrieben, um den vielfältigen Kundenbedürfnissen gerecht zu werden. Die vakuumisolierten Rohre und flexiblen Schläuche werden aus hochvakuum- und mehrlagigen Spezialisolationsmaterialien gefertigt und durchlaufen eine Reihe strengster technischer Verfahren sowie eine Hochvakuumbehandlung. Sie eignen sich für den Transport von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, verflüssigtem Ethylen (LEG) und verflüssigtem Erdgas (LNG).
Die Produktreihen Phasenseparatoren, Vakuumrohre, Vakuumschläuche und Vakuumventile der HL Cryogenic Equipment Company, die eine Reihe äußerst strenger technischer Prüfungen durchlaufen haben, werden für den Transfer von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, LEG und LNG verwendet. Diese Produkte werden für kryogene Anlagen (z. B. Kryotanks, Dewargefäße und Kälteboxen usw.) in Branchen wie Luftzerlegung, Gase, Luftfahrt, Elektronik, Supraleiter, Chips, Pharmazie, Biobanken, Lebensmittel und Getränke, Automatisierungsmontage, Chemieingenieurwesen, Eisen und Stahl, Gummi, Herstellung neuer Materialien und wissenschaftliche Forschung usw. eingesetzt.
Veröffentlichungsdatum: 24. November 2021
