النيتروجين السائل: غاز النيتروجين في حالته السائلة. خامل، عديم اللون والرائحة، غير مُسبِّب للتآكل، غير قابل للاشتعال، ويتحمل درجات حرارة منخفضة للغاية. يُشكِّل النيتروجين غالبية الغلاف الجوي (78.03% حجمًا و75.5% وزنًا). النيتروجين غير نشط ولا يُساعد على الاحتراق. تحدث قضمة الصقيع نتيجة التلامس الماص للحرارة المفرط أثناء التبخر.
يُعدّ النيتروجين السائل مصدرًا مناسبًا للتبريد. وبفضل خصائصه الفريدة، حظي النيتروجين السائل باهتمام متزايد واعتراف واسع النطاق. وقد ازداد استخدامه في مجالات تربية الحيوانات، والصناعات الطبية، والصناعات الغذائية، وأبحاث التبريد. كما يشهد استخدامه توسعًا وتطورًا مستمرين في مجالات الإلكترونيات، والتعدين، والفضاء، وتصنيع الآلات، وغيرها.
الموصلية الفائقة المبردة
تتميز الموصلات الفائقة بخصائص فريدة تجعلها مرشحة للاستخدام على نطاق واسع في مختلف المجالات. ويتم الحصول عليها باستخدام النيتروجين السائل بدلاً من الهيليوم السائل كمادة تبريد فائقة التوصيل، مما يفتح آفاقاً واسعة لتطبيقات تقنية الموصلات الفائقة، ويُعتبر هذا الإنجاز من أعظم الاختراعات العلمية في القرن العشرين.
تعتمد تقنية الرفع المغناطيسي فائق التوصيل على سيراميك YBCO فائق التوصيل. عند تبريد هذه المادة إلى درجة حرارة النيتروجين السائل (78 كلفن، أي ما يعادل -196 درجة مئوية)، تتحول من الحالة العادية إلى حالة فائقة التوصيل. يدفع المجال المغناطيسي الناتج عن التيار المحجوب المجال المغناطيسي للسكك الحديدية، وإذا كانت هذه القوة أكبر من وزن القطار، فإنه يُعلق. في الوقت نفسه، يُحصر جزء من المجال المغناطيسي داخل الموصل الفائق نتيجة لتأثير تثبيت التدفق المغناطيسي أثناء عملية التبريد. ينجذب هذا المجال المغناطيسي المحصور إلى المجال المغناطيسي للسكك الحديدية، وبسبب كل من التنافر والتجاذب، يبقى القطار معلقًا بثبات فوق السكك. على عكس التأثير العام للتنافر بين المغناطيسات من نفس الجنس والتجاذب بين المغناطيسات من الجنس الآخر، فإن التفاعل بين الموصل الفائق والمجال المغناطيسي الخارجي يدفع ويجذب في آن واحد، مما يسمح لكل من الموصل الفائق والمغناطيس الخارجي بمقاومة جاذبيتهما الذاتية والتعليق رأسًا على عقب تحت بعضهما البعض.
تصنيع واختبار المكونات الإلكترونية
يهدف فحص الإجهاد البيئي إلى اختيار عدد من العوامل البيئية النموذجية، وتطبيق القدر المناسب من الإجهاد البيئي على المكونات أو الآلة بأكملها، مما يؤدي إلى ظهور عيوب في عملية تصنيع المكونات، أي العيوب التي تحدث أثناء الإنتاج والتركيب، ومن ثم تصحيحها أو استبدالها. يُعد فحص الإجهاد المحيطي مفيدًا لاختبار دورات درجات الحرارة والاهتزازات العشوائية. يهدف اختبار دورات درجات الحرارة إلى قبول معدل تغير عالٍ في درجة الحرارة، وإجهاد حراري كبير، بحيث تظهر عيوب المكونات المصنوعة من مواد مختلفة، مثل ضعف الوصلات، وعدم تناسق المواد، والعيوب الخفية التي تحدث أثناء التصنيع، والأعطال المفاجئة. يتم قبول معدل تغير في درجة الحرارة يبلغ 5 درجات مئوية/دقيقة. تتراوح درجة الحرارة القصوى بين -40 درجة مئوية و+60 درجة مئوية. عدد الدورات 8. يُظهر هذا المزيج من المعايير البيئية عيوب اللحام الافتراضي، وأجزاء التثبيت، والمكونات بشكل أوضح. بالنسبة لاختبارات دورات درجات الحرارة الجماعية، يمكننا النظر في قبول طريقة الصندوقين. في هذه البيئة، يجب إجراء الفحص على مستوى معين.
يُعد النيتروجين السائل طريقة أسرع وأكثر فائدة لحماية واختبار المكونات الإلكترونية ولوحات الدوائر.
مهارات الطحن الكروي المبرد
مطحنة الكرات الكوكبية المبردة هي مطحنة مزودة بغطاء عازل للحرارة، حيث يتم إدخال غاز النيتروجين السائل إليها باستمرار. يعمل الهواء البارد على امتصاص الحرارة المتولدة من خزان الطحن الكروي أثناء دورانه بسرعة عالية، مما يحافظ على بيئة مبردة داخل الخزان. تُستخدم هذه المطحنة في عمليات الخلط والطحن الدقيق، وتطوير المنتجات الجديدة، وإنتاج كميات صغيرة من المواد عالية التقنية. تتميز بصغر حجمها، وكفاءتها العالية، وتوافقها التام، وانخفاض مستوى الضوضاء، مما يجعلها واسعة الاستخدام في مجالات الطب، والصناعات الكيميائية، وحماية البيئة، والصناعات الخفيفة، ومواد البناء، والتعدين، والسيراميك، والمعادن، وغيرها.
مهارات التصنيع الأخضر
القطع المبرد هو استخدام سوائل مبردة، مثل النيتروجين السائل وثاني أكسيد الكربون السائل ورذاذ الهواء البارد، لتبريد منطقة القطع، مما يؤدي إلى تبريدها بشكل موضعي أو فائق البرودة. وبفضل هشاشة قطعة العمل في ظل هذه الظروف، تتحسن قابلية تشغيلها، وعمر أداة القطع، وجودة سطحها. ويمكن تقسيم القطع المبرد، بحسب وسيط التبريد المستخدم، إلى نوعين: القطع بالهواء البارد والقطع بالنيتروجين السائل. تعتمد طريقة القطع بالهواء البارد على رش تيار هواء مبرد بدرجة حرارة تتراوح بين -20 و-30 درجة مئوية (أو أقل) على طرف أداة القطع، ممزوجًا بكمية ضئيلة من مواد التشحيم النباتية (10-20 مل في الساعة)، ليؤدي وظائف التبريد وإزالة الرايش والتشحيم. وبالمقارنة مع القطع التقليدي، يُحسّن القطع المبرد من سهولة التشغيل وجودة سطح قطعة العمل، مع تقليل التلوث البيئي إلى أدنى حد. يتبنى مركز المعالجة التابع لشركة ياسودا الصناعية اليابانية تصميم قناة هواء عازلة للحرارة مُدمجة في منتصف عمود المحرك وعمود القاطع، وتُوجّه الهواء البارد المُبرّد بدرجة حرارة -30 درجة مئوية مباشرةً إلى الشفرة. يُحسّن هذا التصميم ظروف القطع بشكل كبير، ويُسهم في تطبيق تقنية القطع بالهواء البارد. أجرى كازوهيكو يوكوكاوا بحثًا حول تبريد الهواء البارد في عمليات الخراطة والتفريز. في اختبار التفريز، استُخدم سائل تبريد مائي، وهواء بدرجة حرارة عادية (+10 درجات مئوية)، وهواء بارد (-30 درجة مئوية) لمقارنة القوة. أظهرت النتائج تحسنًا ملحوظًا في متانة الأداة عند استخدام الهواء البارد. في اختبار الخراطة، كان معدل تآكل الأداة عند استخدام الهواء البارد (-20 درجة مئوية) أقل بكثير من معدله عند استخدام الهواء العادي (+20 درجة مئوية).
للقطع بالتبريد باستخدام النيتروجين السائل تطبيقان مهمان. الأول هو استخدام ضغط الأسطوانة لرش النيتروجين السائل مباشرةً في منطقة القطع كسائل تبريد. أما الثاني فهو التبريد غير المباشر للأداة أو قطعة العمل باستخدام دورة تبخر النيتروجين السائل تحت تأثير الحرارة. يُعدّ القطع المبرد بالنيتروجين السائل ذا أهمية بالغة في معالجة سبائك التيتانيوم، والفولاذ عالي المنغنيز، والفولاذ المقسّى، وغيرها من المواد التي يصعب معالجتها. استخدم كي بي رايجوركار أداة من كربيد H13A مع أداة تبريد بدورة النيتروجين السائل لإجراء تجارب قطع مبرد بالنيتروجين السائل على سبائك التيتانيوم. أظهرت نتائج الاختبار أنه بالمقارنة مع طرق القطع التقليدية، تم التخلص من تآكل الأداة بشكل ملحوظ، وانخفضت درجة حرارة القطع بنسبة 30%، وتحسّنت جودة تشغيل سطح قطعة العمل بشكل كبير. استخدم وان غوانغمين طريقة التبريد غير المباشر لإجراء تجارب قطع مبرد بالنيتروجين السائل على الفولاذ عالي المنغنيز، وتمّ التعليق على النتائج. عند استخدام طريقة التبريد غير المباشر لمعالجة الفولاذ عالي المنغنيز في درجات حرارة منخفضة جدًا، يتم التخلص من قوة الأداة، وتقليل تآكلها، وتحسين علامات التصلب، وتحسين جودة سطح قطعة العمل. استخدم وانغ ليانبنغ وزملاؤه طريقة رش النيتروجين السائل في عمليات التشغيل الآلي للفولاذ 45 المُقسّى عند درجات حرارة منخفضة باستخدام آلات CNC، وقدموا تعليقاتهم على نتائج الاختبار. وقد أظهرت النتائج أن استخدام هذه الطريقة يُحسّن من متانة الأداة وجودة سطح قطعة العمل.
في عملية التبريد بالنيتروجين السائل، تتميز مادة الكربيد بقوة الانحناء، ومقاومة الكسر، ومقاومة التآكل. ومع ذلك، فإن صلابتها تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة، ولذلك من المحتمل أن توفر مادة أداة القطع المصنوعة من الكربيد الملبد أداءً ممتازًا في القطع، كما هو الحال في درجة حرارة الغرفة، ويتحدد أداؤها بعدد مراحل الربط. أما بالنسبة للفولاذ عالي السرعة، فإنه مع التبريد العميق، تزداد صلابته وتقل مقاومته للصدمات، ولكنه بشكل عام يوفر أداءً أفضل في القطع. وقد أجرى الباحث دراسة حول تحسين قابلية تشغيل القطع لبعض المواد في درجات الحرارة المنخفضة، حيث تم اختيار خمس مواد: الفولاذ منخفض الكربون AIS1010، والفولاذ عالي الكربون AIS1070، وفولاذ المحامل AIS152100، وسبائك التيتانيوم Ti-6A 1-4V، وسبائك الألومنيوم المصبوب A390. وقد أظهرت النتائج أن الهشاشة الممتازة لهذه المواد في درجات الحرارة المنخفضة تسمح بالحصول على نتائج تشغيل مثالية. وبالنسبة للفولاذ عالي الكربون وفولاذ المحامل، يمكن التحكم في ارتفاع درجة الحرارة في منطقة القطع ومعدل تآكل الأداة باستخدام التبريد بالنيتروجين السائل. في عملية قطع سبائك الألومنيوم المصبوبة، يمكن لتطبيق التبريد المبرد أن يحسن صلابة الأداة ومقاومتها للتآكل الكاشط الناتج عن طور السيليكون، وفي معالجة سبائك التيتانيوم، يتم تبريد الأداة وقطعة العمل في نفس الوقت، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة القطع وإزالة التقارب الكيميائي بين التيتانيوم ومادة الأداة.
تطبيقات أخرى للنيتروجين السائل
أرسل قمر جيوكوان الصناعي محطة الوقود الخاصة المركزية لإنتاج النيتروجين السائل، وهو مادة دافعة لوقود الصواريخ، والذي يتم دفعه إلى غرفة الاحتراق تحت ضغط عالٍ.
كابل طاقة فائق التوصيل عالي الحرارة. يُستخدم لتجميد خطوط الأنابيب السائلة في عمليات الصيانة الطارئة. يُستخدم أيضًا في تثبيت المواد وتبريدها بالتبريد الشديد. كما يُستخدم على نطاق واسع في أجهزة التبريد بالنيتروجين السائل (خاصةً في التطبيقات الصناعية التي تُظهر علامات التمدد الحراري والانكماش البارد). يُستخدم أيضًا في تقنيات تلقيح السحب بالنيتروجين السائل، وتقنيات تصريف النيتروجين السائل بتقنية نفث القطرات السائلة في الوقت الفعلي، والتي تخضع لبحوث معمقة مستمرة. يُستخدم النيتروجين السائل أيضًا في إطفاء الحرائق تحت الأرض، حيث يُخمد الحريق بسرعة، ويُزيل أضرار انفجار الغاز. لماذا نختار النيتروجين السائل؟ لأنه يُبرد أسرع من الطرق الأخرى، ولا يتفاعل كيميائيًا مع المواد الأخرى، ويُقلل بشكل كبير من انبعاثات الغازات، ويوفر جوًا جافًا، كما أنه صديق للبيئة (يتبخر النيتروجين السائل مباشرةً في الغلاف الجوي بعد الاستخدام، دون ترك أي تلوث)، وهو سهل الاستخدام ومريح.
معدات التبريد العميق HL
معدات التبريد العميق HLوهي علامة تجارية تأسست عام 1992 تابعة لـشركة HL لمعدات التبريد العميق المحدودةتلتزم شركة HL Cryogenic Equipment بتصميم وتصنيع نظام أنابيب التبريد المعزولة تحت فراغ عالٍ ومعدات الدعم ذات الصلة لتلبية مختلف احتياجات العملاء. تُصنع الأنابيب المعزولة تحت الفراغ والخراطيم المرنة من مواد عازلة خاصة متعددة الطبقات ومتعددة الشاشات، وتخضع لسلسلة من المعالجات التقنية الدقيقة للغاية ومعالجة الفراغ العالي، وتُستخدم لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وغاز الإيثيلين المسال، والغاز الطبيعي المسال.
تُستخدم سلسلة منتجات شركة HL Cryogenic Equipment، التي تشمل فواصل الطور، وأنابيب التفريغ، وخراطيم التفريغ، وصمامات التفريغ، والتي خضعت لسلسلة من المعالجات التقنية الصارمة للغاية، لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وLEG، وLNG. وتُستخدم هذه المنتجات في صيانة معدات التبريد (مثل خزانات التخزين المبردة، وأوعية ديوار، وصناديق التبريد، وما إلى ذلك) في صناعات فصل الهواء، والغازات، والطيران، والإلكترونيات، والموصلات الفائقة، والرقائق، والصيدلة، وبنوك العينات الحيوية، والأغذية والمشروبات، وتجميع الأتمتة، والهندسة الكيميائية، والحديد والصلب، والمطاط، وتصنيع المواد الجديدة، والبحث العلمي، وما إلى ذلك.
تاريخ النشر: 24 نوفمبر 2021
