[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Behandlung von Metalloberflächen,
insbesondere zum Phosphatieren oder zum Beizen, bei dem man die Metalloberflächen
mit einer Lösung eines Prozeßbades in Kontakt bringt, welches mehrere Komponenten
in wäßriger Lösung enthält, wobei man die Zusammensetzung des Prozeßbades durch Zugabe
von Lösungen oder Gasen, insbesondere Luft, in einem vorgegebenen Bereich hält.
[0002] Beim Phosphatieren von Metallblechen werden diese mit sogenannten Phosphatierungslösungen
durch Eintauchen in ein Prozeßbad oder durch Aufspritzen der Lösung in Kontakt gebracht.
Dabei kann auf der Metalloberfläche eine sehr dünne Phosphatschicht entstehen, die
einerseits zum Schutz vor Korrosion und zum anderen zu einer Verbesserung der Haftung
des danach aufgebrachten Lackes dient. Dickere Phosphatschichten erzeugt man, wenn
diese als Umformhilfe zur Erleichterung von Umformprozessen dienen sollen. Neben Phosphorsäure
enthält die Lösung hauptsächlich Zink, so daß die Metalloberfläche mit einer Zinkphosphatschicht
bedeckt wird. Daneben sind in der Phosphatierungslösung noch weitere Komponenten,
z. B. weitere Metallionen wie Manganionen, und sogenannte Beschleuniger enthalten,
die für eine gleichmäßige Ausbildung der Phosphatschicht auf der Metalloberfläche
sorgen. Phosphatschichten, die als Gleitschichten wirken, basieren demgegenüber in
der Regel auf Manganphosphat.
[0003] Bei der laufenden Verwendung der gleichen Phosphatierungslösung verändert sich deren
Zusammensetzung, so daß von Zeit zu Zeit oder auch kontinuierlich nachdosiert werden
muß. Die üblichen Phosphatierungslösungen sind in der Regel sauer, wobei der pH-Wert
bei etwa 1,5 bis 4,5 liegt. Wenn die Phosphatierungslösung säureempfindliche Komponenten
wie beispielsweise Beschleuniger enthält, die sich in der sauren Phosphatierungslösung
schnell zersetzen, müssen diese Komponenten besonders häufig nachdosiert werden. Die
säureempfindlichen Komponenten liegen aus Stabilitätsgründen in einer alkalischen
Lösung vor und werden mit dieser Lösung in die saure Phosphatierungslösung eindosiert.
Nachteilig ist die an der Eintropfstelle entstehende lokale Erhöhung des pH-Wertes
auf mehr als 4, welche zu einer Ausfällung von Zinkionen als Zinkphosphat führt, so
daß nachfolgend auch Zink bzw. Zinkphosphat nachdosiert werden muß.
[0004] In verstärktem Maße gilt dies, wenn der Phosphatierungslösung zum Abstumpfen der
freien Säure alkalische Lösungen oder Dispersionen (beispielsweise Natronlauge oder
Sodalösung, Hydroxylamin, Zinkcarbonat) zugesetzt werden. Da diese alkalischen Lösungen
den pH-Wert an der Zugabestelle stark erhöhen, fällt in verstärktem Maße Zinkphosphat
als Schlamm aus. Bei dieser Zinkphosphat-Schlammbildung erhöht sich die freie Säure
wieder, so daß erneut abgestumpft werden muß. Da hierdurch der Wertstoff Zinkphosphat
der Phosphatierungslösung verloren geht, muß dieser Wertstoff verstärkt nachdosiert
werden. Dies erhöht die Betriebskosten des Verfahrens. Andererseits kann der Schlamm
den Phosphatierprozeß behindern, so daß er vom Phosphatierbad abgetrennt und entsorgt
werden muß. Auch dies wirkt sich nachteilig auf die Kosten des Phosphatierverfahrens
aus. Die Schlammbildung ist besonders ausgeprägt, wenn alkalische Lösungen dem Phosphatierbad
an einer Stelle zugegeben werden, an der diese nur langsam mit der Phosphatierungslösung
vermischt werden. Durch rascheres Vermischen könnte der Effekt der pH-Werterhöhung
vermindert und hierdurch die Schlammbildung verringert werden.
[0005] Die Zusammensetzung der Phosphatierungslösung ändert sich jedoch nicht nur durch
eine Herabsetzung des Gehaltes Ihrer Komponenten. So ist es weiterhin unerwünscht,
wenn der Gehalt an Eisenionen zu stark ansteigt. Bekannt ist es, zur Herabsetzung
des Eisengehaltes das Bad zu belüften. Dazu wird Druckluft über feinporige, im Prozeßbad
angeordnete Membranen eingebracht, so daß der Sauerstoff der Luft die Eisenionen oxidiert,
welche dann ausfallen und sich am Boden des Badbehälters absetzen. Die feinporigen
Membranen mit einer Porenweite von etwa 20 µm erzeugen sehr feine Luftbläschen, die
sich gut im Prozeßbad lösen. Der Verbrauch der zur Belüftung eingesetzten Druckluft,
welcher einen deutlichen Kostenfaktor darstellt, läßt sich durch den Einsatz dieser
feinporigen Membranen gering halten. Beim Abschalten der Druckluft treten jedoch erhebliche
Probleme auf, denn die feinen Membranporen setzen sich mit Phosphatierungsschlamm
zu. Die verkrusteten und verstopften Poren lassen sich nicht oder nur mit erheblichen
Schwierigkeiten reinigen, so daß die Membranen in der Regel häufig ausgetauscht werden
müssen. Des weiteren führt die üblicherweise hohe Temperatur der Phosphatierungslösung,
die bis zu 80 °C betragen kann, zu einem schnellen Verschleiß der Membraneinheiten.
[0006] Die genannten Probleme führen also zu erhöhten Kosten des Phosphatierungsverfahrens.
[0007] Ähnliche Probleme existieren bei der Nachdosierung von Prozeßlösungen, die zum Beizen
von Edelstahl und/oder von Titan und seinen Legierungen dienen. Diese sind sowohl
stark sauer als auch oxidierend, um Oberflächenbeläge aufzubrechen und abzulösen und
eine gleichmäßige metallische Oberfläche zu erzeugen. Solche Prozeßlösungen sind beispielsweise
in der EP-B-505 606 beschrieben. Zum Aufrechterhalten des Reduktions-Oxidations-Potentials
ist es erforderlich, kontinuierlich oder diskontinuierlich ein Oxidationsmittel wie
beispielsweise Wasserstoffperoxid oder Luft zuzuführen.
[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit der eingangs
genannten Verfahren erheblich zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt
darin, die Prozeßsicherheit zu erhöhen, da beim Nachdosieren einzelner Komponenten
der Anteil der anderen Komponenten nicht geändert werden soll.
[0009] Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur chemischen Behandlung
von Metalloberflächen, bei dem man die Metalloberflächen mit einer Lösung eines Prozeßbades
(1) in Kontakt bringt, welches mehrere Komponenten in wäßriger Lösung enthält, wobei
man die Zusammensetzung des Prozeßbades (1) durch Zugabe von Lösungen oder Gasen,
insbesondere Luft, in einem vorgegebenen Bereich hält,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Lösung des Prozeßbades (1) über eine erste Leitung (2) und eine Umwälzpumpe
(3) umwälzt und die zuzugebende Lösung und/oder das zuzugebende Gas in die erste Leitung
(2) oder in das Prozeßbad an einer Stelle einspeist, wo aufgrund des Endes der Leitung
(2) eine starke Durchmischung auftritt, wobei das Ende der Leitung (2) im Prozeßbad
oder oberhalb der Oberfläche (10) des Prozeßbades liegen kann.
[0010] Dabei kann gemäß Abbildung 3 das Ende der Leitung (2) oberhalb der Oberfläche (10)
des Prozeßbades liegen. Dabei wählt man den Abstand des Endes der Leitung (2) von
der Prozeßbadoberfläche (10) so, daß keine Prozeßbadlösung in die Leitung (2) zurückgesogen
werden kann. Beispielsweise kann dieser Abstand im Bereich von etwa 10 bis etwa 50
cm liegen. In dieser Ausführungsform wird also die durch die Leitung (2) umgewälzte
Prozeßbadlösung auf die Oberfläche (10) des Prozeßbades (1) aufgespritzt, wobei sie
sich unter Erzeugen einer starken Turbulenz mit der restlichen Prozeßbadlösung vermischt.
Die zuzugebende Lösung speist man dann an derjenigen Stelle des Prozeßbades ein, an
der diese starke Turbulenz herrscht. In Abbildung 3 ist diese Stelle mit dem Bezugszeichen
(11) angedeutet. Das Einspeisen der zuzugebenden Lösung kann dabei beispielsweise
dadurch geschehen, daß man eine Leitung für die zuzugebende Lösung oberhalb der Oberfläche
(10) des Prozeßbades enden läßt, so daß an der Stelle (11) die zuzugebende Lösung
frei auf die Oberfläche des Prozeßbades auslaufen kann. Wegen der großen Turbulenz
an dieser Stelle vermischt sich die zuzugebende Lösung rasch mit einer großen Menge
der Prozeßbadlösung. Demnach ist eine Ausführungsform des Verfahrens dadurch gekennzeichnet,
daß man die zuzugebende Lösung in das Prozeßbad an einer Stelle einspeist, wo aufgrund
des Endes der Leitung (2) eine starke Durchmischung auftritt und wobei das Ende der
Leitung (2) oberhalb der Oberfläche (10) des Prozeßbades liegt.
[0011] Dabei kann es sich in einer Ausführungsform der Erfindung bei der Prozeßbadlösung
(1) um eine Phosphatierlösung zur schichtbildenden oder nichtschichtbildenden Phosphatierung
von Metalloberflächen handeln. Die zuzugebende Lösung stellt vorzugsweise eine basische
Lösung dar (beispielsweise eine wäßrige Lösung von Natriumhydroxid, Natriumcarbonat
oder eine alkalische Aminlösung, beispielsweise eine Lösung von Hydroxylamin), die
zum Abstumpfen der freien Säure mit der Phosphatierbadlösung vermischt werden soll.
Durch die Zugabe dieser alkalischen Lösung an einer Stelle, wo sie sich infolge starker
Turbulenz rasch mit einem großen Volumen der sauren Phosphatierbadlösung mischt, wird
die Bildung von Phosphatierschlamm (überwiegend Zinkphosphat) weitgehend vermieden.
[0012] Dabei kann die Funktion der ersten Leitung (2) von der Leitung des Heizungskreislaufs
und die Funktion der Umwälzpunpe (3) von der Pumpe des Heizungskreislaufs übernommen
werden. Üblicherweise ist die Pumpe des Heizungskreislaufs des Prozeßbades beim Anlagenbetrieb
ständig aktiv und wälzt die Prozeßbadlösung über einen Wärmetauscher (12) (Abb. 3)
ständig um, Pumpen für das Spritzsystem bei Spritzanlagen oder Umwälzpumpen bei Tauchantagen
können dagegen bei Pausen oder längeren Unterbrechungen ausgeschaltet sein. Demnach
kann man in einer Ausführungsform der Erfindung den Wärmekreislauf so ausgestalten,
daß die im Wärmetauscher (12) erwärmte Prozeßbadlösung nicht, wie bisher üblich, unterhalb
der Oberfläche (10) des Prozeßbades in das Prozeßbad eingespeist wird, sondern daß
die hierfür verwendete Leitung (2) wie beschrieben oberhalb der Oberfläche (10) des
Prozeßbades endet. Die zuzugebenden Lösung gibt man dann an derjenigen Stelle (11)
auf die Prozeßbadoberfläche auf, wo der aus dem Ende der Leitung (2) austretende Flüssigkeitsstrahl
an der Prozeßbadoberfläche eine starke Turbulenz bewirkt. In dieser Ausführungsform
ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (2)
eine Heizleitung für das Prozeßbad darstellt, über die die Lösung des Prozeßbades
über einen Wärmetauscher (12) in das Prozeßbad zurückgeführt wird.
[0013] Je nach Umwälzrate der Prozeßbadlösung über den Heizkreislauf (2) der Abb. 3 könnte
bei einem zu starken Volumenstrom an der Stelle, wo die aus dem Ende der Leitung (2)
austretende Lösung die Prozeßbadoberfläche trifft, ein unerwünscht starkes Spritzen
auftreten. Dies läßt sich dadurch verhindern, daß man in dieser Ausführungsform nicht
den gesamten Volumenstrom des Heizkreislaufs durch das oberhalb der Badoberfläche
(10) liegende Ende der Umwälzleitung (2) auf die Badoberfläche auftreffen läßt. Vielmehr
sieht man eine Zweigleitung (9) (Abb. 3) vor, durch die ein Teilstrom der im Heizkreislauf
umgewälzten Badlösung unterhalb der Oberfläche des Prozeßbades eingespeist wird und
nur ein weiterer Teilstrom durch das oberhalb der Prozeßbadoberfläche (10) liegende
Ende der Leitung (2) geführt wird. Dabei läßt sich der Volumenanteil der pro Zeiteinheit
umgewälzten Prozeßbadlösung, der durch die Zweigleitung (9) direkt in das Prozeßbad
eingeleitet wird, am einfachsten durch die Querschnittsverhältnisse der Zweigleitung
(9) und dem nach Abzweigen dieser Zweigleitung (9) weiterführenden Teil der Umwälzleitung
(2) einstellen. Beispielsweise können die Querschnittsverhältnisse so gewählt werden,
daß aus dem oberhalb der Prozeßbadoberfläche (10) liegende Ende der Leitung (2) ein
Badvolumen von etwa 1 bis etwa 10 m
3/h auf die Prozeßbadoberfläche aufgegeben wird.
[0014] Durch eine düsenförmige Verengung am Rohrende der Leitung (2) kann die Strömungsgeschwindigkeit
der umgepumpten Prozeßbadlösung an der Eintrittsstelle ins Bad zusätzlich erhöht werden.
Hierdurch erhöht sich der erwünschte Vermischungseffekt bei der Zugabe der zuzugebenden
Lösung. Demgemäß ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch
gekennzeichnet, daß man das oberhalb der Prozeßbadoberfläche liegende Ende der ersten
Leitung (2) düsenförmig verengt und die zuzugebende Lösung auf das Prozeßbad an einer
Stelle aufgibt, wo aufgrund des Endes der Leitung (2) eine starke Durchschmischung
auftritt.
[0015] Weiterhin kann in einer Ausführungsform der Erfindung, bei der das Ende der ersten
Leitung (2) oberhalb der Prozeßbadoberfläche liegt, oberhalb des Endes der ersten
Leitung (2) in diese Leitung eine zweite Leitung (6) (Abb. 3) einmünden, durch die
Gas, insbesondere Luft, in die erste Leitung (2) eingesogen wird Hierfür ist es besonders
günstig, daß sich das Ende der ersten Leitung (2) düsenförmig verengt, so daß aufgrund
der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit eine erhöhte Saugwirkung entsteht, durch die
Gas, insbesondere Luft, in die Leitung (6) eingesogen wird. Die Stelle, in der die
Leitung (6) in die Umwälzleitung (2) einmündet, kann beispielsweise etwa 10 bis etwa
50 cm oberhalb des Endes der Leitung (2) liegen. Das eingesogene Gas dispergiert sich
in der durch die Leitung (2) umgewälzten Prozeßbadlösung und wird mit dieser in das
Prozeßbad eingemischt. Zur Steuerung der eingesogenen Gasmenge kann man zum einen
den Querschnitt der zweiten Leitung (6) entsprechend wählen. Zum anderen kann ein
regelbares Ventil, vorzugsweise in Verbindung mit einem Durchflußmesser, vorgesehen
werden, wie es in Abb. 1 und 2 eingezeichnet ist.
[0016] Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, die die Gegenstände der Ansprüche
2 bis 6 darstellen, sind besonders für Prozeßbäder (1) geeignet, die Lösungen zum
schichtbildenden oder nichtschichtbildenden Phosphatieren von Metallen darstellen.
Die zuzugebende Lösung ist insbesondere eine alkalische Lösung zum Abstumpfen der
freien Säure, das eventuell zuzumischende Gas ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere
Luft. Weiter unten werden solche Phosphatierbadlösungen näher beschrieben.
[0017] In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht man vor,
daß die erste Leitung (2) mit einer Saugpumpe (4) versehen ist. Über diese Saugpumpe
kann die zuzugebende Lösung und/oder das zuzugebende Gas in die Leitung (2) zugeführt
werden, wobei sich die zuzugebende Lösung bzw. das zuzugebende Gas bereits innerhalb
der Saugpumpe sowie in dem anschließenden Teilstück der Leitung (2) mit der Prozeßlösung
vermischt.
[0018] Erfindungsgemäß werden zwei wesentliche Vorteile erreicht. Auch beim Nachdosieren
von Komponenten in alkalischer Lösung tritt keine starke lokale Erhöhung des pH-Wertes
auf da die zuzugebende alkalische Lösung bereits vor dem Eintritt in das Prozeßbad
mit der Prozeßlösung, beispielsweise der sauren Phosphatierungslösung gemischt wird.
Neben der häufig bereits vorhandenen Umwälzpumpe sind nur geringfügige Investitionen
zum Nachrüsten bekannter Phosphatierungsanlagen notwendig, nämlich eine preiswerte
Saugpumpe und die entsprechenden Zuleitungen.
[0019] Soll das Prozeßbad belüftet werden, so entfällt der kostspielige Einsatz von Druckluft
und Membranen, da über die Saugpumpe die Umgebungsluft angesaugt werden kann, die
sich dann in der Leitung mit der umgewälzten Lösung mischt. Das in das Prozeßbad eintauchende
Leitungsende benötigt keinen Gasverteiler und kann daher ein offenes Rohrende sein.
Auch wenn dabei der Bläschendurchmesser erheblich größer als der der aus den Membranen
austretenden Druckluftbläschen ist, läßt sich dies ohne Zusatzkosten durch einen größeren
Luftdurchsatz und/oder einen längeren Belüftungszeitraum ausgleichen.
[0020] Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf Prozeßbäder mit Phosphatierlösungen angewandt
werden. Dabei können die Phosphatierlösungen unterschiedlichen technischen Zwecken
dienen. Beispielsweise können sie sogenannte Niedrigzink-Phosphatierlösungen darstellen,
wie sie beispielsweise in der EP-A-228 151 beschrieben sind. Diese haben einen Zinkgehalt
zwischen etwa 0,3 und etwa 2 g/l und erzeugen auf dem Substrat Zinkphosphat- oder
Zinkeisenphosphatschichten, die mit weiteren Metallen wie beispielsweise Mangan dotiert
sein können und die flächenbezogene Massen (
Schichtgewichte") im Bereich von etwa 1 bis etwa 3 g/m
2 aufweisen. Solche Phosphatierlösungen werden vorzugsweise eingesetzt, um Phosphatschichten
zu erzeugen, die als korrosionsschützender Haftgrund für eine nachfolgende Lackierung
wie beispielsweise eine kathodische Tauchlackierung im Fahrzeugbau dienen. Andererseits
kann es sich bei der Phosphatierlösung um eine sogenannte Eisenphosphatierlösung handeln.
Im Gegensatz zu einer Niedrigzink-Phopshatierlösung enthält diese keine Schwermetallionen,
die in die Phosphatschicht eingebaut werden. Auf Eisenoberflächen werden durch Behandlung
mit einer solchen Phosphatierlösung nichtkristalline Phosphat- und Oxidschichten mit
einem Schichtgewicht in der Größenordnung 0,3 bis 1,2 g/m
2 abgeschieden. Weiterhin sind Phosphatierlösungen bekannt, die im Vergleich zu den
Niedrigzink-Phosphatierlösungen wesentlich höhere Gehalte an Zink (mehr als 3 g/l)
und ggf. weiteren zweiwertigen Metallen aufweisen. Sie erzeugen kristalline Phosphatschichten
mit einem Schichtgewicht deutlich oberhalb von 3 g/m
2. Diese dienen als solche oder nach einem Belegen mit Ölen oder Seifen als Umformhilfen
für Umformprozesse durch Kaltfließen wie beispielsweise Rohr- oder Drahtzug. Zur Erzeugung
von Gleitschichten für bewegte Maschinenteile wie beispielsweise Zylinder verwendet
man saure Manganphosphatlösungen.
[0021] Phosphatierlösungen enthalten üblicherweise sogenannte Beschleuniger, die zu einer
raschen und gleichmäßigen Ausbildung der Phosphatierschicht beitragen. Üblicherweise
sind dies oxidierend wirkende Substanzen wie beispielsweise Nitrat, Nitrit, Chlorat
und/oder Wasserstoffperoxid. Teilweise sind diese, was beispielsweise für Nitrit und
Wasserstoffperoxid zutrifft, in der sauren Phosphatierlösung nicht stabil, so daß
sie nicht in ein Phosphatierbadkonzentrat eingearbeitet werden können. Vielmehr müssen
sie dem anwendungsfertigen Phopshatierbad kontinuierlich oder diskontinuierlich zugegeben
werden. Für diese Zugabe ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.
[0022] Bei der Phosphatierung von eisenhaltigen Oberflächen reichert sich im Phosphatierbad
zweiwertiges Eisen an, das in höheren Konzentrationen den Phosphatierprozeß stören
kann. Üblicherweise entfernt man einen Eisenüberschuß dadurch, daß man das Eisen zur
dreiwertigen Stufe oxidiert, so daß es als schwerlösliches Phosphat ausfällt und als
Phosphatierschlamm von der Phosphatierlösung abgetrennt werden kann. Stark oxidierend
wirkende Beschleuniger erfüllen neben der Beschleunigungswirkung zusätzlich diese
Aufgabe. Setzt man jedoch schwach oxidierende Beschleuniger wie beispielsweise Hydroxylamin
ein, wird das zweiwertige Eisen nur durch Kontakt mit Luftsauerstoff zur dreiwertigen
Stufe oxidiert und als Phosphat ausgefällt. Hierfür ist ein intensiver Kontakt mit
Luft besonders wichtig. Ein spezielles Verfahren für eine solche Luftoxidation ist
beispielsweise in der EP-B-320 798 beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
es, die Oxidation von zweiwertigem Eisen in einer Phosphatierlösung zur dreiwertigen
Stufe besonders wirkungsvoll durchzuführen. Hierbei führt man der Saugpumpe ein sauerstoffhaltiges
Gas wie insbesondere Umgebungsluft zu, die in und nach der Pumpe und insbesondere
in dem vorzugsweise nachgeschalteten statischen Mischer intensiv mit der Phosphatierlösung
in Kontakt gebracht wird.
[0023] Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich nicht nur in Phosphatierungsbädern, sondern
auch in anderen Prozeßbädern einsetzen. Als Beispiele seien Kühlschmierstofftanks
und Lackkoagulierbäder genannt. Dort ist eine preiswerte Belüftung von Vorteil, um
das Wachstum von anaeroben Bakterien zu begrenzen bzw. diese Bakterien abzutöten.
Zum gleichen Zweck läßt sich die erfindungsgemäße Belüftung auch für neutrale Reinigungsbäder
einsetzen.
[0024] Vorteilhafterweise läßt sich das Verfahren auch zum Zufügen oxidierender Stoffe in
eine Beizlösung anwenden, die beispielsweise zum Beizen von Edelstahl und/oder von
Titan oder dessen Legierungen dient. Hierdurch wird das für den Beiz- und/oder Passivierungsschritt
erforderliche Reduktions-Oxidations-Potential eingestellt bzw. aufrechterhalten. Beispielsweise
ist das Verfahren geeignet, das Reduktions-Oxidations-Potential einer Beizlösung,
wie sie in der EP-B-505 606 beschrieben ist, zu erhöhen bzw. aufrecht zu erhalten.
Hierzu gibt man der Prozeßlösung über die Saugpumpe beispielsweise eine Lösung eines
Oxidationsmittels wie insbesondere Wasserstoffperoxid zu. Das Oxidationsmittel hat
die Aufgabe, das während des Beizschritts gebildete Eisen(II) und/oder Titan(III)
zur nächst höheren Oxidationsstufe zu oxidieren. Aufgrund der starken Turbulenz in
der Saugpumpe und insbesondere in einem vorzugsweise der Tauchpumpe nachgeschlateten
statischen Mischer erfolgt diese Oxidationsreaktion sehr rasch.
[0025] Aus der deutschen Patentanmeldung DE 197 55 350.8 ist es bekannt, das zweiwertige
Eisen in einer Beizlösung dadurch zur dreiwertigen Stufe zu oxidieren, daß man in
Gegenwart von Kupferionen als Katalysator die Beizlösung mit einem sauerstoffhaltigen
Gas wie vorzugsweise Luft vermischt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Durchführung
dieses Prozesses geeignet, wobei man über die Saugpumpe ein sauerstoffhaltiges Gas,
vorzugsweise Umgebungsluft, ansaugt und mit der Beizlösung vermischt.
[0026] Vorzugsweise setzt man eine Saugpumpe ein, die nach dem Venturiprinzip arbeitet und
von der umgewälzten Lösung angetrieben wird. Ein separater Antrieb der Pumpe ist daher
nicht erforderlich.
[0027] Zur besseren Vermischung der zuzugebenden Lösung bzw. des zuzugebenden Gases mit
der umgewälzten Lösung setzt man in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
hinter der Saugpumpe einen statischen Mischer ein. Wie die nach dem Venturiprinzip
arbeitende Saugpumpe benötigt der statische Mischer keinen separaten Antrieb. Auch
die Investitionskosten für einen solchen Mischer sind sehr gering, und dieser Mischer
kann ohne Zusatzkosten ebenso wie die Saugpumpe chemikalienbeständig ausgelegt sein.
[0028] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt man die zuzugebende
Lösung bzw. das zuzugebende Gas der Saugpumpe über eine zweite Leitung zu, in welcher
ein Ventil und ein Durchflußmesser angeordnet sind, so daß eine kontrollierte und
dosierte Zugabe von Gas und Lösung möglich ist. Insbesondere kann das Ventil auch
zeitgesteuert sein, um die laufende Aufrechterhaltung der gewünschten Zusammensetzung
des Prozeßbades zu erleichtern. Möglich und von Vorteil ist auch die Einbindung des
Ventils in einen Regelkreis, welcher Sensoren zum Erfassen der Komponentenkonzentrationen
im Prozeßbad enthält. Auf diese Weise ist eine vollautomatische Überwachung und Nachdosierung
möglich.
[0029] Vorzugsweise läßt man die Lösung des Prozeßbades in dieser Ausführungsform mit einem
Durchsatz von 0,1 bis 5 m
3/h, insbesondere von 0,5 bis 1 m
3/h, durch die erste Leitung (2) und, falls vorhanden, durch die Saugpumpe strömen.
[0030] Sofern eine kontinuierliche Umwälzung der Prozeßbad-Flüssigkeit mit einem erheblich
höheren Durchsatz in der Umwälzleitung vorgesehen ist, wird vorgeschlagen, daß man
die erste Leitung, in der die Saugpumpe angeordnet ist, von der Umwälzleitung, der
in diesem Fall dritten Leitung, abzweigt. Der gewünschte Durchsatz durch die erste
Leitung läßt sich durch eine entsprechende Wahl des Leitungsdurchmessers und/oder
durch ein Drosselventil erreichen.
[0031] Alternativ kann das Zudosieren von Lösung und/oder Gas auch unabhängig von einer
Badumwälzung erfolgen. Dazu wird vorgeschlagen, daß man die zuzugebende Lösung und/oder
das zuzugebende Gas einer Saugpumpe zuführt, die nach dem Venturiprinzip arbeitet
und von einem Frischwasserzulauf angetrieben wird, wobei sich die zuzugebende Lösung
bzw. das zuzugebende Gas mit dem Frischwasser mischt.
[0032] Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
mit einem Behälter für das Prozeßbad und einer ersten Leitung mit einer Umwälzpumpe,
mit welcher das Prozeßbad umwälzbar ist.
[0033] Die oben genannten Aufgaben werden in einer Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß in der ersten Leitung eine nach dem Venturiprinzip arbeitende Saugpumpe
vorgesehen ist, an derem Saugeinlaß eine zweite Leitung für eine zuzugebende Lösung
und/oder ein zuzugebendes Gas angeschlossen ist. Vorzugsweise ist in der ersten Leitung
stromabwärts hinter der Saugpumpe ein statischer Mischer angeordnet.
[0034] Vorgeschlagen wird weiterhin, daß in der zweiten Leitung, ein, insbesondere ansteuerbares,
Ventil sowie ein Durchflußmesser vorgesehen sind. Das Ventil kann dabei von einer
Zeitschaltuhr angesteuert oder auch Teil eines Regelkreises sein, wenn zusätzliche
Meßeinrichtungen zum Erfassen der Konzentrationen im Prozeßbad sowie eine Regelelektronik
vorgesehen sind.
[0035] In einigen bekannten Anlagen ist bereits eine Umwälzung des Prozeßbades vorgesehen,
wobei der Durchfluß durch die Umwälzleitung oft jedoch erheblich höher als der für
den Betrieb der Saugpumpe gewünschte Durchfluß ist. In diesem Fall ist es günstig,
wenn man von der Umwälzpumpe eine dritte Leitung abzweigt, die derart ausgelegt ist,
daß der größte Anteil der umgewälzten Lösung durch diese dritte Leitung strömt. Der
kleinere Anteil der umgewälzten Lösung strömt dann durch die Saugpumpe.
[0036] In einer alternativen Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Anlage zum Durchführen
des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, mit einem Behälter
für das Prozeßbad (1) und einer ersten Leitung (2) mit einer Umwälzpumpe (3) und einem
Wärmetauscher (12), mit welcher die Lösung des Prozeßbades umwälzbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ende der Leitung (2) oberhalb des Prozeßbades liegt. Diese
Ausführungsform unterscheidet sich von bekannten Anlagen, wie sie beispielsweise für
die schichtbildende oder nichtschichtbildende Phosphatierung von Metalloberflächen
Verwendung finden, dadurch, daß die über den Wärmetauscher führende Leitung (2) nicht
unterhalb der Oberfläche (10) des Prozeßbades endet, sondern oberhalb. Dabei kann
zusätzlich vorgesehen werden, daß in Strömungsrichtung hinter dem Warmetauscher (12)
von der ersten Leitung (2) eine dritte Leitung (9) abzweigt, durch die ein Teilstrom
der umgewälzten Lösung des Prozeßbades in das Prozeßbad unterhalb dessen Badoberfläche
zurückgeführt wird. Durch die Wahl unterschiedlicher Querschnitte für die erste Leitung
(2) und die dritte Leitung (9) kann vorgegeben werden, welcher Anteil der über den
Wärmetauscher umgewälzten Prozeßbadlösung durch die Zweigleitung (9) oder durch den
nach Abzweigung der Zweigleitung (9) weiterführenden Teil der Leitung (2) auf die
Oberfläche des Prozeßbades aufgebracht wird.
[0037] Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
- Figur 1
- ein Fließbild eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
- Figur 2
- ein Fließbild eines zweiten erfindungsgemäßen Beispiels und
- Figur 3
- ein Fließbild eines dritten erfindungsgemäßen Beispiels.
[0038] In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden
daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
[0039] Im Beispiel nach Figur 1 wird das Prozeßbad 1 belüftet. Das Prozeßbad mit einem Volumen
von etwa 50 bis 200 m
3 wird über eine erste Leitung 2 und eine Umwälzpumpe 3 ohne Unterbrechung umgewälzt,
wobei der umgewälzte Flüssigkeitsstrom 0,6 m
3/h beträgt. In der ersten Leitung 2 ist eine nach dem Venturiprinzip arbeitende Saugpumpe
4, z. B. eine Wasserstrahlpumpe, und ein statischer Mischer 5 angeordnet.
[0040] Am Saugeinlaß der Saugpumpe 4 ist eine zweite Leitung 6 angeschlossen, durch welche
Luft über ein Ventil 7 und einen Durchflußmesser 8 zugeführt werden kann.
[0041] Im Beispiel nach Figur 2 wird die Lösung des Prozeßbades 1 mittels der Umwälzpumpe
3 über eine dritte Leitung 9 mit einem Durchsatz von 10 m
3/h und mehr umgewälzt. Über eine Abzweigstelle gelangt ein Teil der umgewälzten Lösung,
nämlich 0,6 m
3/h, in die erste Leitung 2, in der die Saugpumpe 4 und der statische Mischer 5 angeordnet
sind. Ansonsten entspricht dieses Beispiel dem Beispiel nach Figur 1. Im vorliegenden
Beispiel nach Figur 2 kann jedoch nicht nur Luft dem Prozeßbad zugeführt werden, sondern
auch das Einmischen von Flüssigkeiten, z. B. Konzentraten zum Nachdosieren von einzelnen
Komponenten, ist hier vorgesehen. Es sei noch darauf hingewiesen, daß im Beispiel
nach Figur 1 anstelle von Luft oder zusätzlich zu Luft auch Flüssigkeiten mittels
der zweiten Leitung 6 dem Prozeßbad 1 zugeführt werden können.
[0042] Im Beispiel nach Abb. 3 stellt die erste Leitung (2) die Umwälzleitung des Heizkreislaufs
dar. Durch eine Pumpe (3), die in der Abb. 3 beispielshaft in Strömungsrichtung vor
dem Wärmetauscher (12) liegt, jedoch auch hinter diesem Wärmetauscher liegen könnte,
wird ein Teil der Prozeßbadlösung (1) über den Wärmetauscher (12) umgepumpt und hierbei
erwärmt. Zumindest ein Teil der umgepumpten Prozeßbadlösung strömt durch das Ende
der Umwälzleitung (2), das oberhalb der Oberfläche (10) der Prozeßbadlösung (1) endet.
Fakultativ kann eine Zweigleitung (9) vorgesehen werden, durch die ein Teilstrom der
durch die Leitung (2) umgewälzten Prozeßbadlösung unterhalb der Badoberfläche in das
Prozeßbad zurückgeführt wird. Mit dem Bezugszeichen (6) ist eine fakultative Leitung
angedeutet, durch die ein Gas in die Leitung (2) oberhalb von deren Ende in die umgewälzte
Prozeßbadlösung eingesogen werden kann, erwünschtenfalls über ein Regelventil und/oder
einen Durchflußmesser. Falls man diese Einsaugleitung (6) vorsieht, ordnet man sie
vorzugsweise so an, daß ihr offenes Ende oberhalb der Prozeßbadoberfläche zu liegen
kommt. Falls durch eine Betriebsstörung Prozeßbadlösung in die Gasleitung (6) zurücksteigt,
wird durch diese Anordnung dafür gesorgt, daß diese Prozeßbadlösung in das Prozeßbad
zurückläuft, ohne Schaden anzurichten. Mit dem Bezugszeichen (11) ist diejenige Stelle
markiert, wo durch das Auftreffen der umgewälzten Prozeßbadlösung auf die Oberfläche
(10) des Prozeßbades eine besonders starke Turbulenz herrscht und wo man in einer
der erfindungsgemäßen Ausführungsformen die zuzugebende Lösung aufgibt.
Bezugszeichenliste
[0043]
- 1
- Prozeßbad
- 2
- erste Leitung
- 3
- Umwälzpumpe
- 4
- Saugpumpe
- 5
- statischer Mischer
- 6
- zweite Leitung
- 7
- Ventil
- 8
- Durchflußmesser
- 9
- dritte Leitung
- 10
- Badoberfläche
- 11
- Dosierstelle für zuzugebende Lösung
- 12
- Wärmetauscher
1. Verfahren zur chemischen Behandlung von Metalloberflächen, bei dem man die Metalloberflächen
mit einer Lösung eines Prozeßbades (1) in Kontakt bringt, welches mehrere Komponenten
in wäßriger Lösung enthält, wobei man die Zusammensetzung des Prozeßbades (1) durch
Zugabe von Lösungen oder Gasen, insbesondere Luft, in einem vorgegebenen Bereich hält,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Lösung des Prozeßbades (1) über eine erste Leitung (2) und eine Umwälzpumpe
(3) umwälzt und die zuzugebende Lösung und/oder das zuzugebende Gas in die erste Leitung
(2) oder in das Prozeßbad an einer Stelle einspeist, wo aufgrund des Endes der Leitung
(2) eine starke Durchmischung auftritt, wobei das Ende der Leitung (2) im Prozeßbad
oder oberhalb der Oberfläche (10) des Prozeßbades liegen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die zuzugebende Lösung
in das Prozeßbad an einer Stelle einspeist, wo aufgrund des Endes der Leitung (2)
eine starke Durchmischung auftritt und wobei das Ende der Leitung (2) oberhalb der
Oberfläche (10) des Prozeßbades liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung (2) eine
Heizleitung für das Prozeßbad darstellt, über die die Lösung des Prozeßbades über
einen Wärmetauscher (12) in das Prozeßbad zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Leitung (2)
eine dritte Leitung (9) abzweigt, über die ein Teilstrom der umgewälzten Lösung des
Prozeßbades in das Prozeßbad zurückgeführt wird.
5. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß
sich das Ende der ersten Leitung (2) düsenförmig verengt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß oberhalb des Endes der ersten Leitung (2) in diese Leitung eine zweite Leitung
(6) einmündet, durch die Gas, insbesondere Luft, in die erste Leitung (2) eingesogen
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die zuzugebende Lösung
und/oder das zuzugebende Gas einer Saugpumpe (4) zuführt, wobei sich die zuzugebende
Lösung bzw. das zuzugebende Gas mit der umgewälzten Lösung mischt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Saugpumpe (4) einsetzt, die nach dem Venturiprinzip arbeitet und von
der umgewälzten Lösung angetrieben wird.
9. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß man hinter der Saugpumpe (4) einen statischen Mischer (5) einsetzt.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die zuzugebende Lösung bzw. das zuzugebende Gas der Saugpumpe (4) über eine
zweite Leitung (6) zuführt, in welcher ein Ventil (7) und ein Durchflußmesser (8)
angeordnet sind,
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung des Prozeßbades (1) mit einem Durchsatz von 0,1 bis 5 m3/h, insbesondere von 0,5 bis 1 m3/h, durch die erste Leitung (2) strömen läßt.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung des Prozeßbades (1) mittels einer dritten Leitung (9) umwälzt,
von der die erste Leitung (2) abzweigt.
13. Verfahren zur chemischen Behandlung von Metalloberflächen, bei dem man die Metalloberflächen
mit einer Lösung eines Prozeßbades (1) in Kontakt bringt, welches mehrere Komponenten
in wäßriger Lösung enthält, wobei man die Zusammensetzung des Prozeßbades (1) durch
Zugabe von Lösungen oder Gasen, insbesondere Luft, in einem vorgegebenen Bereich hält,
dadurch gekennzeichnet, daß man die zuzugebende Lösung und/oder das zuzugebende Gas einer Saugpumpe zuführt,
die nach dem Venturiprinzip arbeitet und von einem Frischwasserzulauf angetrieben
wird, wobei sich die zuzugebende Lösung bzw. das zuzugebende Gas mit dem Frischwasser
mischt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es
sich bei der Lösung eines Prozeßbades (1) um eine Phosphatierlösung handelt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Lösung eines Prozeßbades (1) um eine Beizlösung für Edelstahl
und/oder für Titan oder Titanlegierungen handelt
16. Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis
15, mit einem Behälter für das Prozeßbad (1) und einer ersten Leitung (2) mit einer
Umwälzpumpe (3), mit welcher das Prozeßbad (1) umwälzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Leitung (2) eine nach dem Venturiprinzip arbeitende Saugpumpe
(4) vorgesehen ist, an derem Saugeinlaß eine zweite Leitung (6) für eine zuzugebende
Lösung und/oder ein zuzugebendes Gas angeschlossen ist.
17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Leitung (2) stromabwärts hinter der Saugpumpe (4) ein statischer
Mischer (5) angeordnet ist.
18. Anlage nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Leitung (6) ein, insbesondere ansteuerbares, Ventil (7) sowie
ein Durchflußmesser (8) vorgesehen ist.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß von der Umwälzpumpe (3) eine dritte Leitung (9) abzweigt, die derart ausgelegt
ist, daß der größte Anteil der umgewälzten Lösung durch diese dritte Leitung (9) strömt.
20. Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis
6, mit einem Behälter für das Prozeßbad (1) und einer ersten Leitung (2) mit einer
Umwälzpumpe (3) und einem Wärmetauscher (12), mit welcher die Lösung des Prozeßbades
umwälzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Leitung (2) oberhalb des Prozeßbades
liegt.
21. Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter dem
Wärmetauscher (12) von der ersten Leitung (2) eine dritte Leitung (9) abzweigt, durch
die ein Teilstrom der umgewälzten Lösung des Prozeßbades in das Prozeßbad zurückgeführt
wird.