Kurzdarstellung der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung,
insbesondere der Reinigung von metallischen Oberflächen mithilfe einstellbarer Strömungen.
[0002] Objekte bzw. Körper aus Metall werden vor möglichen Oberflächenbehandlungen, beispielsweise
der Galvanisierung, Verzinkung oder ähnlichen Oberflächenbehandlungen gereinigt, um
auf der Oberfläche befindliche Partikel und Rückstände bzw. Verunreinigungen zu entfernen
und störstofffreie Oberflächen für eine darauffolgende Behandlung des metallischen
Objekts zu erhalten.
[0003] Im Stand der Technik werden Körper bei der Reinigung in entsprechenden Bädern, wie
beispielsweise Entfettungsbädern gesäubert und/oder in Beizbädern behandelt. Bei beiden
Reinigungsverfahren wird die Oberfläche des Körpers gereinigt, indem beispielsweise
einerseits das anhaftende Fett und/oder Öl in der Entfettung und andererseits weitere
Ablagerungen wie Rost und/oder Zunder in der Beize entfernt werden. Die Bäder sind
dabei aus Becken aufgebaut, in die der zu behandelnde Körper eingeführt wird und für
eine gewisse Zeit verbleibt, bis ein entsprechendes Reinigungs- bzw. Beizergebnis
erreicht wird. Bei dieser sogenannten statischen Reinigung bzw. dem statischen Beizen,
wird die Materialoberfläche ohne oder lediglich mit minimaler Bewegung der Reinigungs-
und/oder Beizflüssigkeit behandelt. Die statischen Bäder zur Reinigung und/oder Beize
umfassen dabei normalerweise ein oder zwei Positionen für Traversen mit Material.
Die Geschwindigkeit der Reinigung wird hierbei durch die chemische Zusammensetzung,
die Stoffkonzentration(en) der Reinigungslösung und/oder Beizlösung sowie die Temperatur
bestimmt. Der Nachteil der statischen Systeme ist, dass die Geschwindigkeit der Reinigung
als auch des Beizvorgangs sehr langsam ist und kein Stoffaustausch in den zu behandelnden
Grenzschichtbereichen zwischen Körper (Bauteil) und Prozessflüssigkeit stattfindet.
Die Geschwindigkeit des Beizens wird im Stand der Technik mithilfe von der Verwendung
von Turbinen erhöht, indem diese die Beizflüssigkeit in einen turbulenten Zustand
versetzen. Der wesentliche Nachteil an dem dargestellten Verfahren ist, das die verwendeten
Turbinen nicht nur erhebliche Ausmaße haben, was die möglichen Beizpositionen im Bad
vermindert, das Becken wird zusätzlich geteilt, um die Effekte der Turbine zu nutzen,
was wiederum zu einer Verkleinerung der Beckenmenge und der Beizpositionen führt.
[0004] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verfügung zu stellen, welche eine optimale Oberflächenbehandlung, insbesondere
der Reinigung von Metalloberflächen zur Verfügung stellt, ohne die im Stand der Technik
genannten Nachteile, der geminderten Reinigungs- und/oder Beizgeschwindigkeit sowie
des Flächenverlustes innerhalb des Prozessbades.
[0005] Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur chemischen Oberflächenbehandlung
von Körpern, wobei eine annährend laminare Strömung innerhalb der Flüssigkeit eines
mindestens einen Prozessbeckens zur Entfettung und/oder zur Beize erzeugt wird. In
einer Ausführungsform ist die Beize dabei eine Eisen- und/oder Zinkbeize. Die erfindungsgemäße
Strömung umschwimmt in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens den
im mindestens einen Prozessbecken befindlichen Körper. In einer Ausführungsform führt
die Umschwemmung des Körpers und die dadurch entstehende Bewegung an der Grenzschicht
zur Bildung einer Schutzschicht, einer Verschiebung des Ruhepotentials und/oder einer
homogenen Reinigungsfläche.
[0006] In einer Ausführungsform wird die annährend laminare Strömung innerhalb der Flüssigkeit
in mindestens einem Prozessbecken zur Entfettung und/oder zur Beize durch mindestens
eine pro Strömungsrichtung im Seitenbereich des Prozessbecken angeordnete Strömungspumpe
erzeugt. Hierbei ist nur die mindestens eine Pumpe für eine Strömungsrichtung aktiv,
wobei die mindestens eine Pumpe für die andere Strömungsrichtung inaktiv ist. In einer
bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr miteinanderwirkende Pumpen zur Erzeugung
einer Strömungsrichtung im Prozessbecken vorgesehen. Die miteinander wirkenden Pumpen
sind hierbei in einer besonders bevorzugten Ausführungsform jeweils diagonal an den
entgegengesetzten Stirnseiten des Prozessbeckens zueinander angeordnet.
[0007] Im erfindungsgemäßen Verfahren weist die mindestens eine Strömungspumpe, die eine
annährend laminare Strömung erzeugt und den im mindestens einen Prozessbecken befindlichen
Körper umschwemmt, in einer Ausführungsform einen Gleichrichter auf.
[0008] In einer weiteren Ausführungsform kann beim Eisenbeizen durch eine steuerbare Regelung
der Eisen(II)-Ionen-Gehalt vermindert und der Eisen(III)-Ionen-Gehalt erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Regulierung des Eisengehalts im Prozessbad
über eine steuerbare Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr. In einer Ausführungsform wird
der Eisengehalt und/oder das Redoxpotential überwacht.
[0009] Des Weiteren können in einer Ausführungsform ein Monitoring und eine Regelung zur
Schwebstoffbelastung und der Temperatur umfasst sein. Dieses Monitoring und die Regelung
können zusätzlich zu einer weiteren Optimierung des Entfettungsprozesses und/oder
Beizprozesses beitragen.
[0010] In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Entnahme
von Fetten, Ölen und/oder Schmutzstoffen vorgesehen. Diese kann mindestens einen Überlauf,
eine Fett-/Ölabtrennungseinheit und/oder eine Filtrationseinheit umfassen.
[0011] Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine dazugehörige Vorrichtung zur chemischen
Oberflächenbehandlung von Körpern nach dem oben dargestellten Verfahren, wobei mindestens
ein Prozessbecken mit Prozessflüssigkeit und mindestens eine Pumpe pro Strömungsrichtung
zur Herstellung einer annährend laminaren Strömung umfasst sind.
[0012] In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens ein Entfettungsbad und
mindestens ein Bad zur Beize auf.
[0013] In einer Ausführungsform kann zusätzlich mindestens ein Spülbad vorgesehen sein.
Das Spülbad reduziert die Störstoffeinträge in die Folgeprozesse, wodurch ein solches
zwischen jedem Schritt, d.h. jedes Prozessbad zwischengeschaltet werden kann.
[0014] In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Monitoring und Regelungsmechanismen
auf, die zur Bestimmung, Überwachung und/oder Regelung der Temperatur und/oder Konzentrationen
der in der Prozessbadflüssigkeit umfassten Substanzen dienen.
[0015] Die Vorrichtung umfasst in einer weiteren Ausführungsform Elemente zur Entnahme von
Fetten, Ölen und/oder Schmutzstoffen. Diese Elemente können mindestens einen Überlauf,
eine Fett-/Ölabtrennungseinheit und/oder eine Filtrationseinheit umfassen.
[0016] Die vorliegende Erfindung wird durch die Ausführungsformen in den Ansprüchen gekennzeichnet
und durch die Ausführungen in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen näher
beschrieben.
Beschreibung der Zeichnungen
[0017]
- Fig. 1
- Schematische Darstellung des Entfettungsvorgangs umfassend ein Prozessbad (1) mit
annährend laminarer Strömung mit einem Überlauf (2) und separaten Behältern (5, 6)
zur Regeneration und Entsorgung.
- Fig. 2
- Schematische Darstellung des Eisen-Beiz-Vorgangs umfassend ein Prozessbad (1) mit
annährend laminarer Strömung mit einem Überlauf (2) und separaten Behältern (5, 11)
zur Regeneration sowie Entsorgung und Frischsäurezugabe.
- Fig. 3
- Untersuchung der Witterungsbeständigkeit von Körpern nach der Vorbehandlung.
- Fig. 4
- Schematische Darstellung des Strömungsverlaufs bei zwei miteinanderwirkenden Pumpen
im Becken. a) Darstellung einer Strömungsrichtung im Uhrzeigersinn (rechtsherum) oder
b) gegen den Uhrzeigersinn (linksherum).
Bezugszeichenliste
[0018]
- 1
- Prozessbad bzw. Prozessbecken
- 2
- Überlauf
- 3
- Oberflächenabsauger (Skimmer)
- 4
- Öl-/Fettkonzentrat
- 5
- Sammelbehälter
- 6
- Beruhigungsbehälter
- 7
- Frisch-/Spülwasser-/Chemikalienzufuhr
- 8
- Pumpe
- 9
- Luftzufuhr
- 10
- Zulauf HCl
- 11
- Frischsäurebehälter
- 12
- Entnahme Beize
- 13
- Ölabtrennung
- 14
- Filter inkl. Pumpe
- 15
- Temperaturregelung, Konzentrationsmessungseinheit; Wärmeaustauscher
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0019] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
von Materialoberflächen von Körpern, wobei ein annährend laminares Strömungsprofil
erzeugt wird.
[0020] Der Begriff "annährend laminar" bezeichnet dabei ein Strömungsprofil, das laminar
verläuft, jedoch durch den begrenzten Raum in dem die Strömung erzeugt wird, nicht
in allen Bereichen laminar verlaufen kann. Bereiche, in welchen die Strömungen Veränderungen
im Verlauf aufweisen, sind beispielsweise Kanten, Ecken sowie Schattenbereiche, die
durch Körpern innerhalb eines Beckens verursacht werden. In begrenzten Räumen bzw.
Schattenbereichen, in denen die Strömung gestört werden kann, können sich Turbulenzen
ausbilden, die eine vollständige laminare Strömung nicht erlauben. Aus diesem Grund
beschreibt der Begriff "annährend laminare" Strömung, dass durch eine Pumpe eine laminare
Strömung hergestellt wird, aufgrund des begrenzten Raumes, beispielsweise innerhalb
eines Prozessbeckens, diese erzeugte laminare Strömung jedoch nur annährend laminar
sein kann, da sie in einigen Bereichen turbulente Strömungen oder Strömungsschatten
aufweisen kann.
[0021] Körper können zunächst alle Objekte und Gegenstände sein, die eine Oberflächenbehandlung
erfahren können. Körper der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Teile und Konstruktionen,
wie beispielsweise Treppenkonstruktionen, Baukonstruktionen, Stahlträger, Gitterroste,
Schutzplanken (Leitplanken), die zumeist eine stückweise Behandlung erfahren.
[0022] Die Oberflächenbehandlung umfasst dabei die Vorbereitung und/oder Reinigung der Oberfläche
des Körpers auf die folgende Behandlung, wie beispielsweise eine Nass-/ Pulverbeschichtung,
Aufbringung metallischer (Schutz-)Schichten oder andere Behandlungen der Oberfläche.
Bei einer Reinigung wird neben der Vorbehandlung die Oberfläche des Körpers gereinigt,
indem beispielsweise das anhaftende Fett und/oder Öl in einer Entfettung und/oder
weitere Ablagerungen wie Rost und/oder Zunder in der Beize entfernt werden. Bei den
zu behandelnden Materialien handelt es sich vorzugsweise um metallische Materialien
und Oberflächen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Körper aus Stahl, verzinktem
Stahl, Zink, Edelstahl und/oder Aluminium. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich um Körper aus Stahl oder verzinktem Stahl.
[0023] Es ist allgemein bekannt, dass durch eine turbulente Bewegung von Prozessflüssigkeiten
mittels Pumpen im Bypass oder mithilfe der Zufuhr von Luft, Druckluft und/oder Flüssigkeit
über Bodenleitungen in Eisenbeizbecken sich die Reaktionsgeschwindigkeit des Beizens
erhöhen und die Beizzeit somit vermindert werden kann. Der Nachteil dieser Systeme
ist jedoch, dass auf die im Strömungsschatten befindlichen Körperteile keine und/oder
geringe Flüssigkeitsbewegung abfallen. Ein weiterer Nachteil dieser Systeme ist, dass
beispielsweise durch die großen Turbinen zur Erzeugung von turbulenten Strömungen
große Teile der Prozessbecken verloren gehen. Dies führt zu einer verminderten Ladekapazität
der Becken und/oder zu einer Vergrößerung der Becken, welches mit höherem Einsatz
von Chemikalien sowie größeren Prozessräumen einhergeht. Die Zufuhr von Luft, Druckluft
und/oder Flüssigkeit in die Beizbecken kann zusätzlich zu einem Aufschäumen der Prozessflüssigkeit
führen, welches negative qualitative und anlagenspezifische Auswirkungen haben kann.
Der Nachteil der beschriebenen Systeme ist daher nicht nur der hohe Energieverbrauch,
sondern auch der erhöhte Bedarf an Chemikalien, Prozessflüssigkeit und/oder Raum.
Zusätzlich wird eine gleichmäßige Bewegung der Beize nicht durch die Systeme im Stand
der Technik ermöglicht. Weitere Nachteile sind die diffusen und nicht steuerbaren
Badbewegungen bzw. Strömungsausrichtungen.
[0024] Um eine verbesserte Reinigung und/oder Beize des Materials und/oder der Körper in
den Prozessbecken zu erzielen, wird in der vorliegenden Erfindung ein annährend laminares
Strömungsprofil erzeugt. Das annährend laminare Strömungsprofil bei der Entfettung
der Oberflächen und/oder Beize verbessert die Entfettungsleistung als auch den Beizvorgang.
Im Gegensatz zu einem turbulenten Strömungsprofil, gleiten in laminaren Strömungen
die Flüssigkeitsschichten glatt und gleichmäßig übereinander, wodurch keine nennenswerten
Mischvorgänge auftreten. Eine solche Strömung umfließt die Körper, d.h. die Flüssigkeit
bewegt sich symmetrisch um den Körper, wobei sie sich vor der Körpermitte teilt, den
Körper glatt umströmt und nach ihm wieder zusammen fließt. Aufgrund des kontinuierlichen
Stromes der Flüssigkeit wird ein ständiger Austausch innerhalb der Grenzschicht zwischen
Körper und Flüssigkeit erzeugt, der zum Abtransport der "verbrauchten" Flüssigkeit
und Zuführung "frischer" Flüssigkeit im Grenzbereich führt.
[0025] Bei dem erfindungsgemäßen Strömungsprofil wird, trotz des Körpers im Prozessbecken
(Vorbehandlung, Entfettung oder Beize), das gesamte Flüssigkeitsvolumen im Prozessbecken
bewegt, wodurch eine komplette Umwälzung und Homogenisierung der Flüssigkeit erfolgt.
Durch die sich ständig austauschenden Grenzschichten im Übergangsbereich zwischen
Material (Bauteil) und der Prozessflüssigkeit, beispielsweise im Vorbehandlungs-,
Entfettungsbad oder der Beize, kommt es nicht zur Sättigung, da immer frische Prozessflüssigkeit
an die Materialoberfläche des Körpers im Bad befördert wird. Das Reinigungsergebnis
wird im Vergleich zum Stand der Technik hierdurch verbessert, wie beispielsweise dem
Beispiel 2, Fig. 3 und der Tab. 1 zu entnehmen ist. Die mindestens eine Pumpe (8)
pro Strömungsrichtung zur Erzeugung des Strömungsprofils ist dabei an einer Seite
im Becken zur Oberflächenreinigung von Materialoberflächen von Körpern angebracht,
wobei jeweils nur die Pumpe bzw. Pumpen für eine Strömungsrichtung aktiv ist bzw.
sind. Das Strömungsprofil wird am Beckenende (Ende der Beckenlänge) umgelenkt, wodurch
die Strömungsrichtung der Prozessflüssigkeit, im Vergleich zum Querschnitt des Beckens,
im Uhrzeigersinn (rechtsherum) oder gegen den Uhrzeigersinn (linksherum), verläuft,
wie in Fig. 4 dargestellt. Die Strömungsrichtung wird vorzugsweise auf die Bewegung
der Prozessflüssigkeit innerhalb des Beckens, in Bezug auf den Querschnitt der langen
Seite des Beckens, beschrieben. Um eine komplette Abdeckung des Beckens mit einer
gleichgerichteten Strömung zu erhalten, werden zwei oder mehr miteinanderwirkende
Pumpen (8) eingesetzt, die das gleiche Strömungsprofil, beispielsweise "im Uhrzeigersinn"
unterstützen, wie in Fig. 4 a) oder 4 b) dargestellt. Die beiden zusammenwirkenden
Pumpen (8) sind vorzugsweise an den entgegengesetzten Stirnseiten angebracht, wobei
die eine erste Pumpe im oberen Bereich, nahe der Oberfläche an der Stirnseite und
die eine zweite Pumpe nahe des Beckenbodens angeordnet ist, wie beispielsweise in
Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 4 dargestellt. Die diagonale Anordnung der beiden zusammenwirkenden
Pumpen (8) führt zu einer Verstärkung jeweils einer Strömungsrichtung, beispielsweise
der Strömung im Uhrzeigersinn im Bad. Pro Strömungsrichtung können jedoch auch mehrere
miteinander wirkende Pumpen (8) verwendet werden, um das gleichgerichtete Strömungsprofil,
beispielsweise das Strömungsprofil im Uhrzeigersinn, aufrecht zu halten, zu verstärken
oder um Strömungsschatten an Körpern im Bad (1) weitestgehend zu vermeiden.
[0026] In einer Ausführungsform mit mehreren Pumpen (8) pro Strömungsrichtung, werden die
Pumpen (8) vorzugsweise jeweils in den Randbereichen der Stirnseiten der gestreckten
Becken angeordnet. Der Betrieb der entgegengesetzten Pumpen für die gegensätzlichen
Strömungsrichtungen erfolgt hierbei reversierend, um eine Änderung der Strömungsrichtung
zu generieren. Um Strömungsschatten weitestgehend zu minimieren und eine optimale
Ausrichtung der Strömungsprofile zu erhalten, werden vorzugsweise zwei oder mehr Pumpen
(8) pro Strömungsrichtung auf den Stirnseiten der gestreckten Becken über Kreuz positioniert.
Die jeweils an einer Stirnseite befindlichen Pumpen (8) sind dabei derart positioniert,
dass eine Pumpe im oberen Bereich des Beckens und die zweite Pumpe (8) im unteren
Bereich des Beckens angeordnet ist, siehe beispielsweise Fig. 1, 2 und 4. Eine solche
Anordnung ermöglicht die Ausbildung einer gegensätzlichen Strömungsrichtung. Um Turbulenzen
weitestgehend zu vermeiden und ein annährend laminares Strömungsprofil zu erzeugen,
sind bei einer solchen Anordnung, wie zuvor beschrieben, die jeweils diagonal angeordneten,
miteinander wirkenden Pumpen (8) auf den Stirnseiten aktiv. Die Pumpen mit einer entgegengesetzten
Strömungsrichtung sind inaktiv.
[0027] Durch eine zusätzliche Reversierung des Pumpenbetriebs, d.h. die Umkehrung der Drehrichtung
der Pumpen (8), können die Strömungsschatten, welche sich bei Körpern im Becken bilden,
kompensiert oder verhindert werden. Gleiches kann auch durch eine Aktivierung des
Pumpenbetriebs über Kreuz, wie oben ausgeführt erfolgen. Mithilfe der beschriebenen
Anordnung der Pumpen und einer Umkehrung der Strömung lassen sich gezielte bzw. steuerbare
Strömungsprofile erzeugen, die Sättigungen an den Grenzschichten des Körpers verhindern.
Eine Reversierung der Strömungsrichtung erfolgt vorzugsweise zeitversetzt, d.h. erst
nachdem die Bewegung der Strömung, beispielsweise "im Uhrzeigersinn", beispielsweise
Fig. 4a) annährend zum Erliegen gekommen ist, erfolgt die entgegengesetzte Strömungsausbildung
"entgegen des Uhrzeigersinns", wie in Fig. 4b) dargestellt. In einer Ausführungsform
wird die Strömungsrichtung daher innerhalb des mindestens einen Prozessbads verändert.
Die Änderung der Strömungsrichtung kann durch die Umkehrung der Drehrichtung der Pumpen
(8) und/oder durch die Aktivierung der entgegengesetzten Pumpen (8), wie oben ausgeführt,
erfolgen. Die Dauer der unterschiedlichen Strömungsrichtungen und/oder des Richtungswechsels
ist abhängig von der Dimension der gestreckten Prozessbecken, deren Volumen und/oder
des Körpers im Prozessbecken sowie dem Ausgangszustand der Bauteile. In einer Ausführungsform
beträgt die Dauer einer Strömungsrichtung bis zu 20 min. In einer bevorzugten Ausführungsform
liegt die Dauer bei bis zu 10 min, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
erfolgt der Strömungsrichtungswechsel bei bis zu 5 min. Die Beckenform der Prozessbecken
ist in einer Dimension gestreckt, vorzugsweise ist die Beckenlänge größer als die
Beckenbreite. Das erfindungsgemäße Strömungsprofil wird am Beckenende (Ende der Beckenlänge)
umgelenkt, wodurch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren
das annährend laminare Strömungsprofil erhalten bleibt.
[0028] Die Becken zur Oberflächenreinigung benötigen vorzugsweise zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Strömungsprofils keinen separaten Zulauf und/oder Ablauf. Die Pumpen (8) sind direkt
in den Becken integriert, ohne einen kostspieligen Umbau der Becken vorzunehmen und/oder
sein Volumen erheblich zu verringern.
[0029] Die verwendeten Pumpen (8) zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Strömung umfassen
mindestens einen Gleichrichter. Der Gleichrichter ermöglicht die Erzeugung einer laminaren
Strömung, bei welcher die Ausströmgeschwindigkeit gleich der Fließgeschwindigkeit
am Ausgang der Pumpe (8) ist. Eine hohe Ausströmgeschwindigkeit mit dem Gleichrichter
der Pumpe (8) ermöglicht das Strömungsprofil auch in einer gewissen Reichweite von
der Pumpe (8) aufrechtzuhalten, ohne dass eine Verwirbelung entsteht. Das Strömungsprofil
weist in einer gewissen Entfernung daher annährend die gleichen Eigenschaften sowie
die annährend gleiche Strömungsgeschwindigkeiten auf, wie die Strömung am Ausgang
der Pumpe (8). Wie bereits zuvor erläutert, weist der Begriff "annährend" darauf hin,
dass in einem begrenzten oder geschlossenen Becken, die Eigenschaften leicht von der
Ursprungsströmung abweichen können, da aufgrund von Wänden, Boden und/oder anderen
Körpern es zu Ablenkungen kommen kann, die jedoch die wesentliche Fließform, d.h.
Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung und/oder Strömungsform der Gesamtheit
nicht verändern. Zusätzliche Abschleifungen des Gehäuses und/oder der Rotorblätter
innerhalb der Pumpen können das laminare Strömungsprofil und die Reichweite der Strömung
zusätzlich verstärken. In einer Ausführungsform ist die Strömungsgeschwindigkeit der
verwendeten Pumpe 2 m/s bis 6 m/s, vorzugsweise 3,3 m/s. Die Reichweite der verwendeten
Pumpen (8) bei geschlossenen Systemen und einseitiger Montage liegt im Bereich von
2 m bis 20 m, vorzugsweise, bei 2 m bis 12 m, besonders bevorzugt bei 9 m. Die Reichweite
bei geschlossenen Systemen in zweiseitiger Montage der Pumpen (über Kreuz, versetzt)
liegt im Bereich von 2 m bis 30 m, vorzugsweise, bei 3 m bis 25 m, besonders bevorzugt
bei 10 m bis 18 m. Die Reynoldszahl der entstehenden Strömungsprofile durch die eingetauchten
Bauteile ist durch die Pumpenregelung anpassbar. In einer bevorzugten Ausführungsform
lässt sich die Reynoldszahl während des Prozesses regeln. Die Reynoldszahl in den
Becken zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Strömung ist abhängig von der charakteristischen
Länge, der dynamischen Viskosität und Dichte der Flüssigkeit sowie der Strömungsgeschwindigkeit.
In einer Ausführungsform liegt die Reynoldszahl in unbestückten Becken bei 2 x 10
6 bis 10 x 10
6.
[0030] In einer Ausführungsform befindet sich ein Wärmeaustauscher (15) an und/oder im Becken,
der die Prozessbecken (1) beheizt. Die Strömung kann in einer Ausführungsform auch
zeitweise unterbrochen werden. In dieser sogenannten Standzeit, in der keine oder
eine geringe Strömung erzeugt wird und die Flüssigkeit sich im Stillstand oder geringen
Bewegung befindet, können die sich an der Oberfläche und/oder am Boden des Beckens
befindliche Schmutzstoffe absetzen. Diese Schmutzstoffe, wie beispielsweise Fette
und/oder Öle an der Flüssigkeitsoberfläche oder andere Schmutzstoffe am Boden des
Beckens, können in einer Ausführungsform durch Überläufe, geeignete Sauger, Pumpen
und/oder Filter aus den Prozessbecken entnommen werden. Schmutzstoffe am Boden des
Beckens sind beispielsweise abgelöster Zunder als Hämatit (Fe
2O
3) oder Magnetit (Fe
3O
4,), welcher anfällt und sich am Boden des Beckens sammeln kann. Ein Regenerationskreislauf
kann auch parallel zum eigentlichen Produktions-/Reinigungskreislauf betrieben werden.
[0031] In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Strömung zur chemischen
Oberflächenbehandlung in Entfettungsbädern eingesetzt. Die Becken können hierbei jegliche
Form besitzen. Vorzugsweise weisen die Prozessbecken eine Quader-Form auf. Die Entfettung
erfolgt hierbei vorzugsweise als alkalische Heißentfettung. Durch den Einsatz der
laminaren Strömungstechnik (8) im Entfettungsbad können sich die demulgierenden Öle
und/oder Fette nicht auf der gesamten Oberfläche des Beckens ausbilden und/oder anreichern.
In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich neben der mindestens einen Pumpe
zur Herstellung der erfindungsgemäßen Strömung (8) pro Strömungsrichtung ein Wärmeaustauscher
(15) im Becken, der das Becken auf eine entsprechende Temperatur aufheizt. Die Temperatur
liegt hierbei vorzugsweise bei 50-70 °C, besonders bevorzugt bei 60 °C. Die Fette
und/oder Öle reichern sich durch die Strömung im Bereich der schmalen Seiten des Beckens
an. Die schmalen Seiten des Beckes sind dabei die Front- und/oder Rückseite des Beckens.
Diese Bereiche sind meist nicht produktionsrelevant, da sich in diesen Bereichen Wärmeaustauscher
(15) und/oder Überläufe befinden, wodurch keine Produktberührung erfolgt.
[0032] In einer Ausführungsform ist ein Überlauf (2) an einer der beiden oder an beiden
schmalen Seiten des Beckens, d.h. der Front- und/oder Rückseite des Beckens, oder
an allen Seiten vorgesehen. Der Überlauf (2) ist vorzugsweise derart ausgebildet,
dass an der Oberfläche und/oder am Boden des Beckens befindliche Schmutzstoffe aus
dem eigentlichen Prozessbad, wie beispielsweise dem Entfettungsbad, entfernt werden
können. Der Überlauf (2) kann dabei individuell einstellbar an dem Becken montiert
sein. Der Überlauf (2) kann zusätzlich an einen separaten Filtrationskreislauf gekoppelt
sein. Dieser separate Kreislauf ermöglicht es aufschwimmende Fette und/oder Öle, die
störend für den eigentlichen Entfettungsvorgang im Prozessbad (1) sein könnten, aus
diesem herauszuholen und zu entfernen. Die Entfernung der absetzbaren Schmutzstoffe
am Boden kann zusätzlich mithilfe eines an den Prozesskreislauf angeschlossenen Pumpkreislaufs
erfolgen. Der Pumpkreislauf kann jede im Stand der Technik bekannte Pumpe umfassen.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Pumpe im Pumpkreislauf um eine Drehkolbenpumpe,
eine Kreiskolbenpumpe, eine Klappenpumpe, eine Zahnradpumpe, eine Exzenterschneckenpumpe,
eine Schlauchpumpe, eine Pneumatikmembranpumpe oder/und Kreiselpumpe. Die Pumpe ist
besonders bevorzugt eine Kreiselpumpe. In einer bevorzugten Ausführungsform weist
der Pumpenkreislauf einen Filter (14) auf. In einer Ausführungsform findet die Abtrennung
der Schmutzstoffe am Boden parallel zum eigentlich Produktions- bzw. Reinigungskreislauf
statt. Durch die intensiven Strömungsprofile befinden sich mögliche absetzbare Schmutzstoffe
am Boden in Schwebe und können durch die Filtration beseitigt werden. Durch eine entsprechende
Säuberung wird eine Schlammanhäufung am Boden, die sich störend auf das Reinigungsergebnis
der Bauteile auswirken kann, vermieden. In einer alternativen Ausführungsform kann
auch eine Abtrennung ohne die zuvor beschriebenen Überläufe und/oder Filtration, sondern
mithilfe Fett-/ Ölabtrennungseinrichtungen, wie aufsetzbarer und/oder schwimmender
Oberflächenabsauger, sogenannter Skimmer (3), erfolgen. Ölabtrennungseinrichtungen
sind beispielsweise Skimmer, Ultrafiltration (Crossflow), Zentrifugen, Schrägplatenklärer,
Dekanter oder Osmoseeinheiten. Die Ölabtrennungseinrichtungen sind jedoch nicht beschränkt
auf die vorherige Auflistung, sondern können alle bekannten Abscheidevorrichtungen
sein. Diese Fett- und Ölabtrennungseinrichtungen können jedoch auch zusätzlich zu
den Überläufen und/oder Filtern verwendet werden. Der Überlauf (2) und/oder die Ölabtrennungseinrichtung
(13) werden vorzugsweise an der gegenüberliegenden Seite des Wärmeaustauschers (8)
angebracht, wo sich die Öl- und/oder Fettaufrahmungen ansammeln. Mithilfe der erzeugten
Strömung, die die zu behandelnden Körper von allen Seiten umfließt, sowie der vorzugsweise
zwischenliegenden Standzeiten und/oder parallelen Regenerationszeiten, lässt sich
ein ideales Entfettungsergebnis erzeugen und die Entfettungszeiten deutlich reduzieren,
was zu einer entsprechenden Kostenreduzierung und Durchsatzsteigerung führt. Die zuvor
beschriebene Filtration und/oder Ölabtrennung kann in den Ruhezeiten, in denen keine
oder eine geringe Badbewegung erzeugt wird oder innerhalb des Prozesses erfolgen,
bei dem das Bad mittels einer annährend laminaren Strömung bewegt wird. In einer bevorzugten
Ausführungsform erfolgt die Ölabtrennung in den Ruhezeiten. Bei einseitiger Anordnung
der Pumpen ist der Überlauf vorzugsweise gegenüber der Pumpe angeordnet. Bei beidseitiger
Anordnung der Pumpen im Becken ist die Anordnung des Überlaufs irrelevant. Die Tiefe
und/oder die Höhe des Überlaufes ist/sind je nach Prozessbecken variabel gestaltet.
In einer Ausführungsform besitzt der mindestens eine Überlauf eine Tiefe, die unter
der Badoberfläche liegt.
[0033] In einer Ausführungsform lassen sich kontinuierliche Builder- und Tensidzugaben im
Bypass/Filtrations-/Ölabtrennungskreislauf integrieren. Sogenannte Sägezahnprofile
in der Badzusammensetzung und/oder Konzentration des Prozessbades werden dadurch vermieden.
Sägezahnprofile sind sich ständig verändernde Zustände in der Badzusammensetzung und/oder
Konzentration, die die Leistung der Prozessbäder stark (negativ) beeinflussen können.
Mögliche Builder sind beispielsweise Natriumhydroxid (NaOH) und/oder Kaliumhydroxid
(KOH). Tenside zur Einstellung können beispielsweise anionische, kationische und/oder
nicht-ionische Tenside bzw. deren Gemische umfassen. Builder und Tenside zur Verwendung
in dem aufgezeigten Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung sind jedoch nicht
begrenzt auf die vorherige Auflistung, sondern können alle im Stand der Technik bekannten
Stoffe mit diesen Eigenschaften oder Kombinationen aus diesen umfassen. Mithilfe der
kontrollierten Zugaben, lässt sich das Reinigungs- bzw. Beizergebnis zusätzlich kontrollieren.
[0034] In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Prozessbad um
ein demulgierendes Bad. Beim demulgierenden Bad werden Spaltmittel in das Prozessbecken
eingebracht, wenn ein bestimmter Öl-/Fettgehalt überschritten wird und/oder befinden
sich Spaltmittel im Entfettungsbad und/oder der Entfettungslösung. In einer bevorzugten
Ausführungsform werden die Spaltmittel in den Ruhe- bzw. Standzeiten in das Becken
(1) eingebracht. Dies ermöglicht eine demulgierende und kontrollierte Öl-/Fettabtrennung.
Der Wert des Öl- und/oder Fettgehaltes im Becken ist dabei vorzugsweise unter 3%.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Öl- und/oder Fettgehalt im Prozessbecken
unter 1,5%. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Öl- und/oder
Fettgehalt im Prozessbecken bei 0,3 % bis 0,5 %. Wird dieser Wert überschritten, wird
dem Prozessbad ein Spaltmittel, welches ein Additiv sein kann, im emulgierenden Bad
(Prozessflüssigkeit) beigefügt. Die Zugabe des Mittels erfolgt vorzugsweise nicht
innerhalb des Produktionsprozesses. Das Spaltmittel kann jedes bekannte Mittel zur
Trennung von Öl und Fett sein. Beispiele für solche Spaltmittel sind, jedoch nicht
begrenzt auf, Gemische aus nichtionischen Tensiden. In einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich um ein Gemisch aus unterschiedlichen Fettalkoholen. In einer besonders
bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um Gemische umfassend alpha-alkyl-omega-Hydroxypoly(oxypropylen)
und/oder Poly(oxyethylene) Polymere, bei denen die Alkylkette mindestens 6-Kohlenstoffatome
(C6) und ethoxylierte propoxylierte C12-14 Alkohole enthält.
[0035] In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Strömungsprofil auch in der Eisen-Beize
(Fe-Beize) verwendet werden. Die Wirkungsweise und der Aufbau stimmen hierbei mit
dem des Entfettungsbads überein. Insbesondere weißt das mindestens eine Becken zur
Fe-Beize vorzugsweise eine Quader-Form auf, in welches mindestens eine Pumpe (8) pro
Strömungsrichtung im Bereich einer der schmalen Seiten des Beckens angeordnet ist.
Eine Beheizung der Becken ist aufgrund der verbesserten Beizwirkung optional. Bei
einer Beheizung der Becken kann sich die Pumpe in einer Ausführungsform auf der gleichen
Seite wie ein Wärmeaustauscher (15) befinden. Bei einer Beheizung (15) des Beckens
beträgt die Temperatur des Eisen-Beize-Bades zwischen 15 °C bis 45 °C. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist die Temperatur der Flüssigkeit im Becken 20°C bis 35°C. Die schmalen
Seiten des Beckes sind dabei die Front- und/oder Rückseite des Beckens. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist ein Überlauf (2) vorgesehen, wobei sein Aufbau und Kombinationsmöglichkeiten
analog zum Überlauf des Entfettungsbades ist. Die erfindungsgemäße Strömung und entsprechende
Zirkulation der Flüssigkeit umfassend Eisen (Fe) in einer Salzsäure(HCl)-Lösung, ermöglicht
die zusätzliche Aufnahme von Sauerstoff (O
2) aus der Luft und trägt somit zu einer zusätzlichen Bildung von Eisen(III)-Ionen
(Fe
3+) bei. Die Eisen(III)-Ionen-Konzentration führt zu einer Steigerung der Beizleistung.
In einer Ausführungsform ist ein zusätzlicher Luft- bzw. Sauerstoffeintrag vorgesehen.
Die Einführung der Luft bzw. des Sauerstoffs erfolgt mithilfe mindestens eines Belüftungssystems
(9), das vorzugsweise auch mit der Strömungspumpe (8) kombiniert werden kann. Eine
steuerbare parallele Luftzufuhr (9) ermöglicht eine zusätzliche Bildung von Fe
3+ sowie eine Regelung des Beizvorgangs. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher
das mindestens eine Belüftungssystem (9) unabhängig steuerbar von der Strömungspumpe
(8). Mithilfe dieser Regelung kann eine optimale Fe
3+-Produktion bzw. Regelung innerhalb des Beckens erfolgen. Der optimale Fe
3+- Gehalt für die Eisen-Beize beträgt im Bad dabei 0,1 g/L bis 10 g/L, vorzugsweise
0,3 g/L bis 8 g/L, besonders bevorzugt 0,5 g/L bis 5,0 g/L. Die im Stand der Technik
bekannten Beizvorgänge im Oberflächenbereich zeigen extreme und sich ständig stöchiometrisch
verändernde Zustände in der Badzusammensetzung, das sogenannte Sägezahnprofil. Es
werden entsprechende Beizen anhand idealer Beizkurven, d.h. Gehalt an Eisen und Salzsäure
(HCl) gefahren, dabei liegt zu Beginn eine erhöhte HCl-Konzentration von beispielsweise
170 g/L und eine entsprechende Anfangs-Eisen-Konzentration von beispielsweise 70 g/L
vor. Aufgrund des Materialabtrags von der Oberfläche des Körpers reichert sich das
Prozessbad (1) im Laufe seiner Standzeit mit Eisen an, während die HCI-Konzentration
stöchiometrisch reduziert wird. Ab gewissen Restsäuregehalten wird das Beizen durch
die benötigte verlängerte Beizzeit, die auch ab einem gewissen Grad durch entsprechende
Temperaturerhöhungen nicht mehr kompensiert werden kann, uneffektiv. Das Alt-Bad muss
daraufhin entsprechend entsorgt und neu angesetzt werden. Die Strömung im Eisen/Salzsäure-Beizbecken,
die mit einer steuerbaren zusätzlichen Luftzufuhr (9) kombiniert werden kann, senkt
die bisher erforderliche Salzsäurekonzentration erheblich. In einer Ausführungsform
liegt die HCI-Konzentration bei 40 g/l bis 100 g/L, vorzugsweise bei 50 g/L bis 80
g/L. In einer Ausführungsform wird die Altsäure dem Prozessbecken (1) entnommen und
frische Salzsäure dem System zugegeben. Die Entnahme von Altsäure und Zugabe frischer
Säure kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Fe-Beizen können daher
annähernd konstant in der Badzusammensetzung und Konzentrationen gefahren werden und
weisen daher gegenüber dem Stand der Technik kein bzw. ein deutlich reduziertes Sägezahnprofil
auf. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gehalt an Salzsäure und/oder Eisen(III)-Ionen
im Prozessbad (1) durch geeignete Systeme überwacht. Die Lagerung der Altsäure und
Frischsäure erfolgt vorzugsweise in entsprechenden Pufferspeicher/Sammelbehälter (5,
11). Mithilfe des oben aufgeführten Verfahrens können die Beizzeiten im Vergleich
zum Stand der Technik signifikant reduziert werden. Die Entfettungs- und/oder Beizzeiten
sind abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise dem Werkstoff, dem Bearbeitungszustand
und/oder dem Grad der Oxidation. Allgemein ist eine Reduzierung der Behandlungsdauer
um 20% bis 70% im Vergleich zum Stand der Technik zu beobachten, vorzugsweise um 30
% bis 50 %. Im Beizbecken führt das gebildete Strömungsprofil zu einem Gleichgewicht
zwischen Eisen(III)-Ionen und Eisen(II)-Ionen im Prozessbad. Das Gleichgewicht, dass
an der Grenzschicht zwischen Körper und Flüssigkeit erzeugt wird, führt zur Bildung
einer Schutzschicht und/oder Erzeugung eines optimalen Reinigungszustandes auf der
Oberfläche der behandelten Körper, die beide zu einem erhöhten Schutz vor Korrosion
führen, wie der Fig. 3 und dem Beispiel 2 zu entnehmen ist.
[0036] Die Strömung im Eisen-Beizbecken, die mit einer steuerbaren zusätzlichen Luftzufuhr
(9) kombiniert werden kann, führt zur Ausbildung einer Schutzschicht, einer Verschiebung
des Ruhepotentials auf dem Körper und/oder eines idealen Reinigungsergebnisses, sowie
Reduzierung der Kristallisationskeime durch den ständigen Austausch der Flüssigkeit
im Bereich der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und entsprechendem Körper. Diese
Schicht, Verschiebung des Ruhepotentials und/oder verbesserte Entfernung von Fremdkörpern
lässt den Körper auch nach längerer Freibewitterung keine bzw. nur geringe Reoxidationsprodukte
aufweisen, siehe z.B. Beispiel 2, Fig. 3 und Tab. 1. Nachfolgende Prozessschritte,
wie beispielsweise das Fluxbad im Bereich der Feuerverzinkung, sind aufgrund der entstehenden
Schutzschicht teilweise entbehrlich. Präliminäre Daten der Oberflächenuntersuchungen
mittels Querschliffen von Referenzproben und Proben aus einem erfindungsgemäßen Beizverfahren,
zeigen am Beispiel der Verzinkung, dass die nachfolgende Oberflächenveredelung im
Vergleich zum Stand der Technik glatter, kompakter und gleichmäßiger ausgebildet ist.
Beispielsweise bei der Zinkbeschichtung sind die Körper nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren frei von Lunker und Rissen im Gegensatz zu den in Standbeizen (Standbeize,
30 Min Beizzeit) behandelten Proben.
[0037] Bei der Eisen-Beize wird aufgrund des optimierten Strömungsprofils ein Gleichgewicht
an der Grenzschicht von Körpern zwischen Eisen(II)-Ionen und Eisen (III)-Ionen gebildet.
Die erfindungsgemäße Strömung, ermöglicht den Körper im Prozessbad optimal mit Prozessflüssigkeit,
beispielsweise Salzsäure (Chlorwasserstoffsäure, HCl) oder sonstigen Säuregemischen
und/oder Oxidationsmitteln zu benetzen. Die an der Grenzschicht gebildeten Eisen(III)-Ionen
bilden bei nachfolgenden Schritten, wie beispielsweise dem Spülen oder einem Fluxbad,
eine Eisen(III)-hydroxid Schicht aus, welche den Körper schützend umgibt, bewirken
eine Verschiebung des Ruhepotentials und/oder erzielen ein optimales Reinigungsergebnis
mit einer geringen Anzahl an Rekristallisationskeimen an der Bauteiloberfläche. Diese
Effekte erfolgen bei einem Verhältnis von Eisen(III)-Ionen und Eisen(II)-Ionen (Fe
3+/Fe
2+) im Prozessbad von 0,1 % bis 5%. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis
von Fe
3+/Fe
2+ bei 0,2 % bis 3%, besonders bevorzugt liegt ein Verhältnis von 0,3 bis 1,5% vor.
Ein dem Beizen nachgeschalteter Spülgang kann alternativ zugeschaltet werden. Dieser
weist geringe Fe- und/oder HCl-Gehalte auf. Die Gehalte in einem zusätzlichen Spülbad
liegen bei unter 5 g/L. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Gehalte ≤
3 g/L, besonders bevorzugt ≤ 1 g/L. Hierdurch wird vermieden, dass ein hoher Anteil
an Eisen bzw. Eisen(II)-Ionen und/oder Säure vorliegt und die Verschleppungen in die
Folgeprozesse reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die dazugehörige
Vorrichtung führen jedoch auch ohne nachgeschalteter Spüle zu einem optimalen Ergebnis
in der Behandlung der Oberfläche. Diese ideale Reinigung, reduziert Fremdkörper auf
den Objekten auf ein Minimum. Die Reduzierung der Fremdkörper und somit der Korrosion
begünstigenden Elemente führt zu einer deutlich minimierten Oxidation der behandelnden
Körper, siehe z.B. Beispiel 2, Fig. 3 und Tab. 1. Diese annährend homogene Oberfläche
verbessert zusätzlich die nachfolgende Bearbeitung der Körper.
[0038] In einer weiteren Ausführungsform kann die Strömung im Prozessbecken (1) auch beim
Zinkbeizen verwendet werden. Mithilfe der optimalen Flüssigkeitsbewegung in der Zinkbeize
durch die Strömung sowie einer optionalen Regelung der Schwebstoffbelastung und/oder
Temperatur kann ein optimales Beizergebnis erzielt werden, dass die Beizzeiten aus
dem Stand der Technik um mindestens 20-70 %, vorzugsweise um 30 % bis 50 % reduziert.
Die stöchiometrischen Verhältnisse und Abläufe sind analog zu den Fe-Beizen. Hier
wird nur Fe durch Zn ersetzt. Auch die Zinkbeizen weisen im Stand der Technik ein
extremes Sägezahnprofil auf. Die Badansatzkonzentration liegt beispielsweise bei 160
g/l HCl und 0 g/l Zn. Im Laufe der Standzeit und zwischenzeitlichen diskontinuierlichen
Frischsäurezugaben reichert sich das Bad mit Zn an, während die HCl-Konzentration
stöchiometrisch reduziert wird. Ab gewissen Restsäuregehalten ist auch hier das Beizen
uneffektiv und das Bad muss entsorgt und neu angesetzt werden. Die erfindungsgemäße
Strömung senkt die bisher erforderliche Salzsäurekonzentration erheblicHh. In einer
Ausführungsform liegt die HCl-Konzentration bei 30 g/l bis 80 g/l, vorzugsweise bei
40 g/l bis 70 g/l. Anders als beim Fe-Beizen wird bei der Zinkbeize keine zusätzliche
Luft dem Prozessbad (1) zugeführt, da dies zu einer vermehrten Schaumbildung führen
würde und eine Aufoxidierung von Zink (Zn) nicht möglich ist. Das Prozessbad (1) der
Zinkbeize umfasst folgende Inhaltsstoffe: Zink (Zn) und Salzsäure (HCl). Die Zinkkonzentration
in der Prozessflüssigkeit beträgt vorzugsweise ein Verhältnis von Zink (Zn)/Eisen
(Fe) von 8:1. Wie auch im vorherigen Prozessbad (1) kann in einer Ausführungsform
die Altsäure aus dem Prozessbad (1) entnommen werden und durch eine diskontinuierliche
oder kontinuierliche Zugabe von frischer Säure zugegeben werden. Auch die Zinkbeizen
können somit analog zu den Eisenbeizen in ihrer Badzusammensetzung und Konzentration
annähernd konstant gefahren werden und weisen daher gegenüber dem Stand der Technik
kein bzw. ein deutlich reduziertes Sägezahnprofil auf. Mithilfe des dauerhaft gesenkten
HCl-Gehalts der Becken sinkt das Potential der Einlagerung von Wasserstoff in den
Werkstoff, welche zur Versprödung des Metalls (Wasserstoffversprödung) und schlimmstenfalls
zum Sprödbruch führt. Eine zuvor beschriebene Wasserstoffversprödung kann bei jedem
Beizvorgang, d.h. beispielsweise beim Eisen- und Zinkbeizen, erfolgen und wird durch
das beschriebene Verfahren deutlich reduziert.
[0039] In einer Ausführungsform umfasst das Prozessbecken beim Zinkbeizen, aufgrund der
Schaumbildung, mindestens einen Überlauf, vorzugsweise zwei Überläufe wie bereits
zuvor beschrieben. Um die erhöhte Schaumbildung beim Zinkbeizen zu vermindern und
ein Überschäumen und/oder -schwappen zu verhindern, können zusätzlich Düsen vorgesehen
sein. Diese Düsen sind über den Überläufen angeordnet und/oder an den bzw. auf den
umlaufenden Beckenrändern und spritzen Flüssigkeit, vorzugsweise eine Prozesslösung
(hier: Zinkbeize), auf den sich bildenden Schaum. Dies hat den Vorteil, dass die Schaumbildung
vermindert wird und der Badpegel des Prozessbades nicht weiter runtergesetzt werden
muss. Des Weiteren ist keine Luftzufuhr notwendig.
[0040] Mithilfe der Strömungstechnik (8) in den Prozessbädern zur Vorbehandlung von Oberflächen
von Körpern, lässt sich die Vorbehandlung der Körper nicht nur zeitlich verkürzen,
sondern auch die Anzahl der bislang erforderlichen Prozessbäder reduzieren. Des Weiteren
können bisher bekannte Verfahrensabläufe abgewandelt und/oder variiert werden. Dies
führt zu einer erheblichen Kostenminderung sowie Reduzierung des Chemikalieneinsatzes
und/oder nachgeschalteter Einsatzstoffe sowie einer entsprechenden Produktionssteigerung.
Bei einer Oberflächenvorbehandlung, beispielsweise bei der Feuerverzinkung, sind 6
bis 8 Vorbehandlungsbecken mit Eisen-Beize im Stand der Technik vorgesehen. Die erfindungsgemäßen
Strömungsprofile im Verfahren und/oder Vorrichtung im Prozessbad (1) ermöglichen eine
Reduktion dieser auf 3 bis 4 Becken. In einer Ausführungsform ermöglicht das Verfahren
unter Verwendung der laminaren Strömungstechnik eine Reduktion der Prozessbäder zur
Oberflächenbearbeitung um mindestens 30%, vorzugsweise um mindestens 50 %. Durch die
Reduzierung der Beizbadoberflächen, Herabsetzung der HCI-Konzentrationen, sowie ggf.
des Einsatzes eines geeigneten Emissionshemmer werden die HCI-Emissionen in entsprechenden
Vorbehandlungsbereichen/-anlagen deutlich reduziert. In einer bevorzugten Ausführungsform
liegt die Emission bei unter 1 mg/m
3 HCl. Der bisherige Einsatz von Säurewäschern ist nicht mehr erforderlich. Im Gegenteil,
bei weiterhin fortlaufen Einsatz eines Säurewäschers wären die diesbezüglichen Emissionswerte
am Kaminaustritt höher als bei einem Windleitflächenlüftereinsatz. Die Werte liegen
bei Säurewäschereinsatz bei ≤ 9 mg/m
3, vorzugsweise bei ≤ 7 mg/m
3, besonders bevorzugt bei ≤ 5 mg/m
3 HCl. Diese Werte werden durch Ersatz durch bekannte Windleitflächenlüftern und/oder
zusätzliche Frischluftzufuhr weiter reduziert. Die Emissionswerte können hierbei auf
≤ 4 mg/m
3 HCl (Austritt Windleitflächenlüfter), vorzugsweise ≤ 2 mg/m
3 HCl (Austritt Windleitflächenlüfter), besonders bevorzugt auf ≤ 1 mg/m
3 HCl (Austritt Windleitflächenlüfter) gesenkt werden. Die Verminderung der Salzsäurekonzentration
durch die laminare Strömungstechnik in den Prozessbädern führt dazu, dass die Entwicklungen
im Emissionsschutz, die die früheren Windleitflächenlüfter durch den Einsatz einer
Kapselung mit Säurewäscher abgelöst haben wieder umgekehrt werden, da ein Säurewäscher
verfahrenstechnisch unwirksamer und betriebswirtschaftlich kostenintensiver ist.
[0041] Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Vorrichtung werden
Abfallstoffe als auch Einsatzstoffe auf ein Minimum reduziert und ein optimales Entfettungs-
und Beizergebnis erzielt, wodurch ein optimierter Benetzungszustand sichergestellt
wird, der den ständig steigenden Optikansprüche der Endabnehmer/Kunden Rechnung tragen
kann. Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung ermöglicht auch
den Verzicht auf ggf. nachfolgende Prozessbäder, wodurch eine eventuelle Störfallrelevanz
gesenkt wird.
[0042] Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Vorrichtung, die mindestens ein
Entfettungsbad und mindestens ein Bad zur Beize umfasst, wobei mindestens eins der
Prozessbäder eine Strömungsvorrichtung zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Strömungsprofils
umfasst. Die Vorrichtung kann weiterhin auch mindestens ein Spülbad erhalten. In einer
bevorzugten Ausführungsform weist jedes Prozessbad mindestens eine Pumpe pro Strömungsrichtung
zur laminaren Strömungserzeugung auf, wobei die Pumpen sich innerhalb des Beckens
befinden und im Seitenbereich angeordnet sind. Innerhalb des Beckens meint hierbei,
die Anordnung der Pumpen im Prozessbecken in direktem Kontakt der Prozessflüssigkeit,
d.h. innerhalb der Prozessflüssigkeit. Die Prozessbäder können dabei jegliche Form
aufweisen, vorzugsweise weisen die Bäder jedoch eine quaderähnliche Form auf, an deren
Stirnseiten sich mindestens eine Pumpe zur Erzeugung der laminaren Strömung befindet.
Wie bereits zuvor zum Verfahren dargestellt, können die zwei oder mehr Pumpen (8)
für die laminare Strömung an einer Seite im Becken oder an zwei sich gegenüberliegenden
Seiten im Becken zur Oberflächenmodifizierung von Materialoberflächen von Körpern
angebracht sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr Pumpen pro
Strömungsrichtung im Becken angeordnet. Hierbei befindet sich jeweils eine der zusammenwirkenden
Pumpen (8) an einer der beiden Stirnseiten, d.h. an beiden schmalen Seiten des Prozessbeckens
ist jeweils eine Pumpe angeordnet, sodass eine Strömungsrichtung gebildet wird, d.h.
entweder "im" oder "gegen den Uhrzeigersinn" im Vergleich zum Querschnitt des Bades.
Um eine gleichgerichtete Strömung bzw. Strömungsrichtung zu erhalten, werden die beiden
zusammenwirkenden Pumpen vorzugsweise an den entgegengesetzten Stirnseiten angebracht,
wobei die eine erste Pumpe in der Höhe diagonal zu der einen zweiten Pumpe an der
entgegengesetzten Stirnseite angeordnet ist. Diese Anordnung verändert nicht die Strömungsrichtung,
beispielsweise "im Uhrzeigersinn", sondern hält die bereits vorhandene Strömungsrichtung
aufrecht und/oder verstärkt diese, ohne die Strömungsrichtung zu ändern, beispielsweise
"entgegen dem Uhrzeigersinn" im Querschnitt des Beckens, siehe beispielsweise Fig.
4 b). In einer Ausführungsform können pro Strömungsrichtung auch mehrere miteinander
wirkende Pumpen angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform können neben den
zusammenwirkenden Pumpen (8) auch entgegengesetzt gelegene Pumpen (8) vorhanden sein,
die die Strömungsrichtung umkehren, wie beispielsweise der Fig. 4 a) und b) zu entnehmen
ist. Dieser Wechsel der Strömungsrichtung, beispielsweise von rechtsherum zu linksherum
(im Querschnitt), ermöglicht es Strömungsschatten durch Körper zu minimieren. In dieser
Ausführungsform ist jeweils nur die Pumpe (8) für eine Strömungsrichtung oder die
miteinander wirkenden Pumpen (8) für eine Strömungsrichtung aktiv, d.h. die Pumpen
(8), die die gleiche Strömungsrichtung unterstützen. Die mindestens eine Pumpe (8)
für die entgegengesetzte Strömungsrichtung ist in dieser Zeit inaktiv. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind mindestens zwei Pumpen (8) pro Strömungsrichtung im Becken angeordnet,
wobei die jeweils miteinander wirkenden Pumpen diagonal zueinander auf der entgegengesetzten
Stirnseite angeordnet sind, wie beispielsweise in Fig. 1 und 2 dargestellt. Die mindestens
zwei miteinander wirkenden Pumpen (8), die eine Strömung mit der gleichen Strömungsrichtung
generieren, beispielsweise "im Uhrzeigersinn", z.B. Fig. 4 a), sind vorzugsweise gleichzeitig
aktiv. Bei mehreren Pumpen (8) für die gleiche Strömungsrichtung kann jedoch auch
nur ein Teil von diesen in Betrieb sein.
[0043] Die Pumpen zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Strömung sind derart ausgebildet,
dass die Reynoldszahl variabel einstellbar ist. Die Reynoldszahl in den Becken zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen Strömung ist abhängig von der charakteristischen
Länge, der dynamischen Viskosität und Dichte der Flüssigkeit sowie der Strömungsgeschwindigkeit.
In einer Ausführungsform liegt die Reynoldszahl in unbestückten Becken bei 2-10 x
10
6.
[0044] Wie bereits oben zum Verfahren beschrieben, kann die Vorrichtung in einer Ausführungsform
Einheiten zur Überwachung, Bestimmung und Regelung von Parametern, wie Temperatur,
pH-Wert, Stoffkonzentrationen, u.a. aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Prozessbäder zur Entfettung und/oder der Beize Monitoringmechanismen und
Regelungsmechanismen auf, die zur Bestimmung, Überwachung und/oder Regelung der Temperatur
und/oder Konzentrationen der in der Prozessbadflüssigkeit umfassten Substanzen dienen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Temperatur und der Eisen-Ionen-Gehalt
im Prozessbecken der Eisenbeize bestimmt. Der Eisen(III)-Ionen-Gehalt in dem mindestens
einen Prozessbad zur Eisenbeize soll dabei bei 0,1 g/L bis 10 g/L, vorzugsweise 0,3
g/L bis 8 g/L, besonders bevorzugt 0,5 g/L bis 5,0 g/L liegen und/oder ein Verhältnis
von Fe(
3+)/Fe(
2+) von 0,1 bis 5 %, vorzugsweise 0,2 bis 3 %, besonders bevorzugt 0,3 bis 1,5 % aufweisen.
[0045] Die Vorrichtung umfasst in einer weiteren Ausführungsform eine Vorrichtung zur Entnahme
von Fetten, Ölen und/oder Schmutzstoffen aus dem mindestens einen Prozessbecken. Wie
bereits beim Verfahren beschrieben, kann der Überlauf und Regenerationskreislauf verschiedene
Ausbildungen und Variationen aufweisen, wie sie oben dargestellt wurden. In einer
bevorzugten Ausführungsform befindet sich der Überlauf bei einseitiger Anbringung
der mindestens einen Pumpe auf einer der beiden Stirnseiten des Prozessbeckens gegenüber
dem Wärmetauscher. Neben oder anstatt des Überlaufs kann auch mindestens eine Ölabtrennungseinrichtungen
vorhanden sein. Mögliche Ölabtrennungseinrichtungen sind beispielsweise die zuvor
beschriebenen Elemente.
[0046] In bestimmten Becken, die zu erhöhter Schaumbildung neigen, können zur Minderung
Düsen an den Überläufen und/oder an den bzw. auf den umlaufenden Beckenrändern angeordnet
sein, in welche, durch geeignete Zuflussleitungen, Flüssigkeit gepumpt wird, welche
mittels der Düsen auf den sich bildenden Schaum verteilt wird und dessen Bildung mindert.
[0047] Diese und andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung
und den Beispielen offenbart und sind durch diese umfasst. Weitere Literatur über
bekannte Materialien, Verfahren und Anwendungen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können, können aus öffentlichen Bibliotheken und Datenbanken,
beispielsweise unter Verwendung elektronischer Geräte aufgerufen werden. Ein vollständigeres
Verständnis der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele erhalten
werden, die zum Zweck der Illustration bereitgestellt wurden und den Umfang der Erfindung
nicht beschränken sollen.
Beispiele
Beispiel 1: Verfahren zur idealen Vorbehandlung von Oberflächen
[0048] Die Prozessschritte der optimierten Oberflächenvorbehandlung von metallischen Körpern,
vorzugsweise aus Stahl, beinhalten die Schritte der Entfettung (a); des Spülens (b),
wobei eine Verschleppung der Lösung von (a) in die folgenden Prozessschritte verhindert
wird; das Eisenbeizen (c); einen weiteren Spülvorgang (b); und ggf. eine folgende
Zink-Beize und/oder ein Fluxbad (d). Die Entfettungsstufe (a) dient der Entfernung
von organischen Verunreinigungen. Durch das in Fig. 1 dargestellte Entfettungsverfahren
nebst Vorrichtung mit laminarer Strömung wird eine nahezu komplette Entfernung von
organischen Substanzen, insbesondere Fett und Ölen ermöglicht. Die laminare Strömung
im Prozessbad (1) umspült anders als stationäre oder turbulente Bäder den Körper und
erreicht somit alle Stellen am Körper. Das dabei von Körper abgetrennte Fett und/oder
Öl kann durch einen Überlauf (2) am Prozessbad (1) dem Bad entnommen und so die Effektivität
der Entfettung steigern. Das abgeschiedene Fett und/oder Öl kann wie in Fig. 1 dargestellt
auch in einem Behälter (5) gesammelt werden. Der Behälter (6) ist ein Beruhigungsbehälter
der lediglich eine reduzierte/abgebremste Bewegung und/oder Strömung aufweist, sodass
sich das Fett und/oder Öl an der Oberfläche absetzen und durch einen Oberflächenabsauger
(3), beispielsweise einen Scheibenskimmer als Konzentrat abgetrennt werden kann. Dieses
wird in einem entsprechenden Sammelbehälter (5) zur Entsorgung aufgefangen. Die im
Behälter (6) verbleibende und gereinigte Prozessflüssigkeit, kann durch eine zusätzliche
Leitung dem Prozessbecken (1) wieder zurückgeführt werden. Mögliche absetzbare Bodenstoffe
können durch die Filtration (14) entfernt werden. Dieser Regenerationskreislauf ermöglicht
eine optimierte Entfettung des Körpers als auch eine Rückführung der Prozessflüssigkeit
in das Prozessbecken (1), wobei weniger Einsatzchemie verbraucht wird.
[0049] In der anschließenden Beizstufe (c), die auf den Spülvorgang (b) folgt, werden oxidische
Verunreinigungen auf der Körperoberfläche entfernt, wobei die Entfernung in einem
sauren Prozessbad stattfindet. In den im Stand der Technik beschriebenen Eisenbeizen
werden für die Entfernung der Verunreinigungen von den Körpern im Regelfall 6 bis
8 Eisenbeizbäder benötigt. In dem in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren
mit laminarer Strömungstechnik (8) wird der im Prozessbecken (1) behandelnde Körper
durch die sich bewegende Flüssigkeit umschwemmt und führt zu einem optimalen Beizergebnis,
wobei lediglich 3 bis 4 Beizbäder zum Einsatz kommen. Eine zusätzliche Zufuhr von
Luft bzw. Sauerstoff (O
2) (9) auf der Flüssigkeitsoberfläche und/oder der Pumpe (8) führt zu einer Erhöhung
der Fe
3+-Konzentration in der Prozessflüssigkeit des Beckens (1), die eine verbesserte Beizwirkung
hervorruft. Mögliche Öl und/oder Fette die sich bei der Beize an der Flüssigkeitsoberfläche
absetzen können, können zusätzlich durch einen Überlauf (2) und/oder sonstige Ölabtrennung
(13) aus dem Prozessbecken entnommen werden. Das System der Öl bzw. Fettabtrennung
aus dem Prozessbad kann hierbei analog zum System in der Entfettung (a) erfolgen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann der Eisenbeize zusätzlich Prozessflüssigkeit in
Form von Altbeize entnommen werden (12) und in einem Sammelbehälter gelagert werden
(5). Parallel zur Entnahme kann frische Säure aus einem Lagerbehälter (11) in das
Prozessbad eingeführt werden.
[0050] Im Stand der Technik beispielsweise beim Feuerverzinkungsprozess durchlaufen Körper,
die einen Zinküberzug erhalten sollen noch ein zusätzliches Fluxbad (d), als Vorbehandlungsstufe.
Zweck dieses Bades ist es, die Körper auf dem Weg zum Trocknungsvorgang als auch dem
eigentlichen Verzingungsvorgangs (s. Zinkschmelze) vor Flugrost/Korrosion zu schützen.
Durch die optimale Entfettung und/oder Eisenbeize mittels der laminaren Strömungstechnik
ist eine Behandlung des Körpers für die weitere Oberflächenmodifikation entbehrlich,
ein einfaches Spülen (b) ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausreichend um die
Konzentration an einzuschleppenden Störsttoffen in die Folgeprozesse gering zu halten,
sodass diese nicht zu Qualitätseinbußen in der weiteren Behandlung führen.
Beispiel 2: Behandelte Oberfläche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
[0051] In Auslagerungsuntersuchungen bei denen vorbehandelte Metallkörper unterschiedlich
lange der Witterung ausgesetzt wurden, konnten deutliche Unterschiede in der Stärke
der Korrosion festgestellt werden. Dazu wurden Körper, die nach dem Stand der Technik
behandelt wurden (Referenz: Standbeize; Beizzeit 90 min), und Körper, die durch das
laminare Vorbehandlungssystem für 5, 10, 15, oder 30 min behandelt wurden, miteinander
verglichen. Die Bedingungen lagen dabei bei 1,2 g/L Fe
3+ ± 0,5 g/L Fe
3+. Wie der Fig. 3 und Tab. 1 zu entnehmen ist, zeigten Körper, die mithilfe des laminaren
Verfahrens entfettet und gebeizt wurden, einen deutlich geringen Reoxidationsprozess
bei Freibewitterung als Körper, die mit den im Stand der Technik bekannten Methoden
vorbehandelt wurden. Eine starke Korrosion der Körper, die nach dem Verfahren im Stand
der Technik für 90 min (Referenzprobe) vorbehandelt wurden, konnte bereits kurz nach
der Freibewitterung festgestellt werden, im Gegensatz zu den Körpern, die jeweils
für 5 min, 10 min, 15 min, oder 30 min mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt
wurden. Wie dem Experiment in der Tab. 1 entnommen werden kann, konnten mithilfe des
erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung nach 30 min in einer Eisen-Beize
mit 1,2 g/L Fe
3+ ± 0,5 g/L Fe
3+ alle störenden Verschmutzungen vom Körper entfernt werden und eine Schutzschicht,
eine Verschiebung des Ruhepotentials und/oder ein idealer, nahezu störstofffreier
Oberflächenzustand erzeugt werden, der/die einen Reoxidationsprozess weitestgehend
verhindert bzw. minimiert.
Tab. 1 Korrosionsstatistik bei Freibewitterung
|
5 min |
10 min |
15 min |
30 min |
Referenz (90 min) |
Tag 1 |
++ |
+ |
+ |
- |
+++ |
Tag 21 |
+++ |
+++ |
++ |
+ |
+++ |
- Keine Korrosion ersichtlich
+ Leichte Korrosion
++ Mittlere Korrosion
+++ Starke Korrosion |