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EP3967790A1 - Verfahren und vorrichtung zur oberflächenbehandlung - Google Patents

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Publication number
EP3967790A1
EP3967790A1 EP21198638.5A EP21198638A EP3967790A1 EP 3967790 A1 EP3967790 A1 EP 3967790A1 EP 21198638 A EP21198638 A EP 21198638A EP 3967790 A1 EP3967790 A1 EP 3967790A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
pickling
bath
pump
iron
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21198638.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mark Hrdina
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seppeler Holding und Verwaltungs & Co Kg GmbH
Original Assignee
Seppeler Holding und Verwaltungs & Co Kg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seppeler Holding und Verwaltungs & Co Kg GmbH filed Critical Seppeler Holding und Verwaltungs & Co Kg GmbH
Publication of EP3967790A1 publication Critical patent/EP3967790A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G3/00—Apparatus for cleaning or pickling metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G1/00—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts
    • C23G1/02—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts with acid solutions
    • C23G1/08—Iron or steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G1/00—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts
    • C23G1/02—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts with acid solutions
    • C23G1/10—Other heavy metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G1/00—Cleaning or pickling metallic material with solutions or molten salts
    • C23G1/36—Regeneration of waste pickling liquors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G3/00—Apparatus for cleaning or pickling metallic material
    • C23G3/02—Apparatus for cleaning or pickling metallic material for cleaning wires, strips, filaments continuously
    • C23G3/027—Associated apparatus, e.g. for pretreating or after-treating

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for surface treatment, in particular for cleaning metallic surfaces using adjustable currents.
  • Objects or bodies made of metal are cleaned before possible surface treatments, for example electroplating, galvanizing or similar surface treatments, in order to remove particles and residues or impurities on the surface and to obtain surfaces free of impurities for a subsequent treatment of the metal object.
  • surface treatments for example electroplating, galvanizing or similar surface treatments, in order to remove particles and residues or impurities on the surface and to obtain surfaces free of impurities for a subsequent treatment of the metal object.
  • bodies are cleaned in appropriate baths, such as degreasing baths, and/or treated in pickling baths during cleaning.
  • the surface of the body is cleaned, for example by removing the adhering fat and/or oil in the degreasing on the one hand and other deposits such as rust and/or scale in the stain on the other.
  • the baths are made up of basins into which the body to be treated is introduced and remains for a certain time until a corresponding cleaning or pickling result is achieved.
  • static cleaning or static pickling the material surface is treated with little or no movement of the cleaning and/or pickling liquid.
  • the static baths for cleaning and/or pickling usually include one or two positions for traverses with material.
  • the cleaning speed is determined by the chemical composition, the substance concentration(s) of the cleaning solution and/or pickling solution and the temperature.
  • the disadvantage of the static systems is that the cleaning and pickling process is very slow and there is no mass transfer in the boundary layer areas to be treated between the body (component) and the process liquid.
  • the speed of pickling is increased in the prior art with the use of turbines by causing the pickling liquid to be in a turbulent state.
  • the main disadvantage of the method shown is that the turbines used not only have significant dimensions, which the possible pickling positions in the Bath reduced, the pool is additionally divided to use the effects of the turbine, which in turn leads to a reduction in pool volume and pickling positions.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method and a device which provide optimal surface treatment, in particular the cleaning of metal surfaces, without the disadvantages mentioned in the prior art, the reduced cleaning and/or pickling speed and the Loss of area within the process bath.
  • the present invention therefore relates to a method for the chemical surface treatment of bodies, in which an approximately laminar flow is generated within the liquid of at least one process tank for degreasing and/or pickling.
  • the stain is an iron and/or zinc stain.
  • the flow according to the invention swims around the body located in the at least one process tank.
  • the flooding of the body and the resulting movement at the boundary layer leads to the formation of a protective layer, a shift in the rest potential and/or a homogeneous cleaning surface.
  • the approximately laminar flow within the liquid in at least one process basin for degreasing and/or pickling is generated by at least one flow pump arranged in the side area of the process basin for each direction of flow.
  • the at least one pump is active for one direction of flow, with the at least one pump being inactive for the other direction of flow.
  • two or more interacting pumps are provided to generate a direction of flow in the process tank.
  • the pumps that work together are each arranged diagonally to one another on the opposite end faces of the process basin.
  • the at least one flow pump which generates an approximately laminar flow and in at least one Flooded body located process basin, in one embodiment, a rectifier.
  • the iron(II) ion content can be reduced and the iron(III) ion content increased during iron pickling by controllable regulation.
  • the iron content in the process bath is regulated via a controllable supply of air and/or oxygen.
  • iron content and/or redox potential is monitored.
  • monitoring and regulation of the suspended matter load and the temperature can be included. This monitoring and regulation can also contribute to further optimization of the degreasing process and/or pickling process.
  • a device for removing grease, oil and/or dirt is provided. This can include at least one overflow, one fat/oil separation unit and/or one filtration unit.
  • the present invention also relates to an associated device for the chemical surface treatment of bodies according to the method described above, comprising at least one process tank with process liquid and at least one pump per flow direction for producing an approximately laminar flow.
  • the device has at least one degreasing bath and at least one pickling bath.
  • At least one rinsing bath can also be provided.
  • the rinsing bath reduces the entry of impurities into the subsequent processes, which means that such a bath can be interposed between each step, i.e. each process bath.
  • the device has a monitoring and regulation mechanism for determination, monitoring and/or regulation the temperature and/or concentrations of the substances contained in the process bath liquid.
  • the device comprises elements for removing fats, oils and/or contaminants.
  • These elements can include at least an overflow, a fat/oil separation unit and/or a filtration unit.
  • the present invention relates to a method and a device for the surface treatment of material surfaces of bodies, with an approximately laminar flow profile being produced.
  • approximately laminar refers to a flow profile that runs laminar, but cannot run laminar in all areas due to the limited space in which the flow is generated. Areas in which the currents show changes over time are, for example, edges, corners and shadow areas caused by bodies within a basin. In confined spaces or shadowed areas, where the flow can be disturbed, turbulence can develop that does not allow a complete laminar flow. For this reason, the term “nearly laminar” flow describes that a laminar flow is produced by a pump, but due to the limited space, for example within a process tank, this generated laminar flow can only be approximately laminar, as it causes turbulent flows in some areas or flow shadows.
  • bodies can be all objects and objects that can undergo a surface treatment.
  • Bodies of the present invention are in particular parts and constructions, such as stair constructions, building constructions, steel girders, gratings, crash barriers (guard rails), which are usually treated piecemeal.
  • the surface treatment includes the preparation and/or cleaning of the surface of the body for the following treatment, such as a wet/ Powder coating, application of metallic (protective) layers or other surface treatments.
  • the surface of the body is cleaned in addition to the pre-treatment, for example by removing the adhering fat and/or oil in a degreasing process and/or further deposits such as rust and/or scale in the stain.
  • the materials to be treated are preferably metallic materials and surfaces.
  • the bodies are made of steel, galvanized steel, zinc, stainless steel and/or aluminum.
  • the bodies are made of steel or galvanized steel.
  • the disadvantage of the systems described is therefore not only the high energy consumption, but also the increased need for chemicals, process liquid and/or space.
  • smooth movement of the stain is not provided by the prior art systems.
  • Further disadvantages are the diffuse and non-controllable bath movements or flow alignments.
  • an approximately laminar flow profile is created in the present invention.
  • the almost laminar flow profile when degreasing the surfaces and/or pickling improves the degreasing performance as well the pickling process.
  • a turbulent flow profile in laminar flows the liquid layers glide smoothly and evenly over one another, which means that no significant mixing processes occur.
  • Such a flow flows around the body ie the liquid moves symmetrically around the body, dividing in front of the middle of the body, flowing smoothly around the body and flowing back together after it. Due to the continuous flow of the liquid, a constant exchange is generated within the boundary layer between the body and the liquid, which leads to the removal of the "used” liquid and the supply of "fresh" liquid in the border area.
  • the entire volume of liquid in the process basin is moved, despite the body in the process basin (pretreatment, degreasing or pickling), as a result of which the liquid is completely circulated and homogenized. Due to the constantly changing boundary layers in the transition area between the material (component) and the process liquid, for example in the pre-treatment, degreasing or pickling bath, there is no saturation, since fresh process liquid is always transported to the material surface of the body in the bath. This improves the cleaning result compared to the prior art, such as example 2, 3 and can be found in Table 1.
  • the at least one pump (8) per flow direction for generating the flow profile is attached to one side in the basin for surface cleaning of material surfaces of bodies, with only the pump or pumps for one flow direction being or being active.
  • the flow profile is diverted at the end of the basin (end of the basin length), causing the flow direction of the process liquid to be clockwise (right-hand) or counter-clockwise (left-hand) compared to the cross-section of the basin, as in 4 shown.
  • the direction of flow is preferably described to the movement of the process liquid within the basin in relation to the cross-section of the long side of the basin.
  • two or more cooperating pumps (8) are used, supporting the same flow profile, for example "clockwise" as in Fig.
  • the two cooperating pumps (8) are preferably attached to the opposite end faces, with a first pump in the upper Area near the surface on the front side and which is arranged a second pump near the pool floor, such as in Figure 1, Figure 2 and 4 shown.
  • the diagonal arrangement of the two cooperating pumps (8) leads to an increase in each direction of flow, for example the clockwise flow in the bath.
  • several interacting pumps (8) can also be used per flow direction in order to maintain or reinforce the unidirectional flow profile, for example the clockwise flow profile, or to largely avoid flow shadows on bodies in the bath (1).
  • the pumps (8) are preferably arranged in the edge areas of the end faces of the elongated tanks.
  • the opposite pumps for the opposite directions of flow are operated reversingly in order to generate a change in the direction of flow.
  • two or more pumps (8) per flow direction are preferably positioned crossed on the front sides of the stretched tanks.
  • the pumps (8) each located on one end are positioned in such a way that one pump is arranged in the upper area of the basin and the second pump (8) in the lower area of the basin, see for example Figures 1, 2 and 4 .
  • Such an arrangement enables the formation of an opposite direction of flow.
  • the pumps (8) arranged diagonally and interacting with one another are active on the end faces.
  • the pumps with an opposite flow direction are inactive.
  • a reversal of Flow direction is preferably delayed, ie only after the movement of the flow, for example “clockwise”, for example Figure 4a ) has almost come to a standstill, the opposite flow formation "counterclockwise” takes place, as in Figure 4b ) shown.
  • the direction of flow is therefore changed within the at least one process bath.
  • the change in flow direction can be accomplished by reversing the direction of rotation of the pumps (8) and/or by activating the opposite pumps (8) as discussed above.
  • the duration of the different flow directions and/or the change of direction depends on the dimensions of the stretched process basin, its volume and/or the body in the process basin and the initial state of the components. In one embodiment, the duration of a flow direction is up to 20 minutes. In a preferred embodiment, the duration is up to 10 minutes, in a particularly preferred embodiment, the flow direction change takes place in up to 5 minutes.
  • the basin shape of the process basin is stretched in one dimension, preferably the pool length is greater than the pool width.
  • the flow profile according to the invention is deflected at the end of the pool (end of the length of the pool), as a result of which the approximately laminar flow profile is retained in the device according to the invention and the associated method.
  • the tanks for surface cleaning preferably do not require a separate inlet and/or outlet to produce the flow profile according to the invention.
  • the pumps (8) are integrated directly into the tank, without having to carry out a costly remodeling of the tank and/or significantly reducing its volume.
  • the pumps (8) used to generate a flow according to the invention comprise at least one rectifier.
  • the straightener makes it possible to create a laminar flow, in which the outflow velocity is equal to the flow velocity at the outlet of the pump (8).
  • a high outflow speed with the straightener of the pump (8) enables the flow profile to be maintained even at a certain distance from the pump (8) without creating turbulence. At a certain distance, the flow profile therefore has approximately the same properties and approximately the same flow velocities as the flow at the outlet the pump (8).
  • the term "approximately" indicates that in a confined or closed basin, the characteristics may vary slightly from the original flow due to deflections due to walls, bottom and/or other bodies, which however do not change the essential flow form, ie flow velocity, flow direction and/or flow form of the whole. Additional abrasion of the casing and/or rotor blades within the pumps can further increase the laminar flow profile and range of the flow.
  • the flow rate of the pump used is 2 m/s to 6 m/s, preferably 3.3 m/s.
  • the range of the pumps (8) used in closed systems and one-sided assembly is in the range of 2 m to 20 m, preferably 2 m to 12 m, particularly preferably 9 m.
  • the range in closed systems in two-sided assembly of the pumps is in the range of 2 m to 30 m, preferably 3 m to 25 m, particularly preferably 10 m to 18 m.
  • the Reynolds number of the resulting flow profiles through the immersed components can be adjusted by the pump control. In a preferred embodiment, the Reynolds number can be controlled during the process.
  • the Reynolds number in the tanks for producing a flow according to the invention depends on the characteristic length, the dynamic viscosity and density of the liquid and the flow velocity. In one embodiment, the Reynolds number in unequipped tanks is 2 ⁇ 10 6 to 10 ⁇ 10 6 .
  • the flow can also be temporarily interrupted. During this so-called idle time, in which little or no flow is generated and the liquid is stationary or moving only slightly, the contaminants on the surface and/or the bottom of the tank can settle. In one embodiment, these contaminants, such as fats and/or oils on the liquid surface or other contaminants on the bottom of the basin, can be removed from the process basins by overflows, suitable suction devices, pumps and/or filters.
  • Contaminants on the bottom of the tank are, for example, scale that has been detached in the form of hematite (Fe 2 O 3 ) or magnetite (Fe 3 O 4 ,), which accumulates and accumulates can collect at the bottom of the tank.
  • a regeneration cycle can also be operated parallel to the actual production/cleaning cycle.
  • the chemical surface treatment flow is used in degreasing baths.
  • the pools can have any shape.
  • the process tanks preferably have a cuboid shape.
  • the degreasing is preferably carried out as an alkaline hot degreasing.
  • the demulsifying oils and/or fats cannot form and/or accumulate on the entire surface of the tank.
  • the temperature here is preferably 50-70.degree. C., particularly preferably 60.degree.
  • the fats and/or oils accumulate due to the flow in the area of the narrow sides of the basin.
  • the narrow sides of the pool are the front and/or back of the pool. These areas are usually not relevant to production, since there are heat exchangers (15) and/or overflows in these areas, which means that there is no product contact.
  • an overflow (2) is provided on one or both of the narrow sides of the basin, ie the front and/or rear of the basin, or on all sides.
  • the overflow (2) is preferably designed in such a way that contaminants located on the surface and/or on the bottom of the basin can be removed from the actual process bath, such as the degreasing bath.
  • the overflow (2) can be individually adjustable mounted on the basin.
  • the overflow (2) can also be coupled to a separate filtration circuit. This separate circuit makes it possible to extract and remove floating fats and/or oils that could interfere with the actual degreasing process in the process bath (1).
  • the removal of the contaminants that can be settled on the ground can also be carried out using a pump circuit connected to the process circuit.
  • the pump circuit can include any pump known in the art.
  • the pump in the pump circuit is preferably a rotary piston pump, a rotary piston pump, a flap pump, a gear pump, an eccentric screw pump, a peristaltic pump, a pneumatic diaphragm pump and/or centrifugal pump.
  • the pump is particularly preferably a centrifugal pump.
  • the pump circuit has a filter (14).
  • the contaminants are separated on the floor in parallel with the actual production or cleaning cycle. Due to the intensive flow profiles, possible settleable contaminants are suspended on the bottom and can be removed by filtration. Appropriate cleaning prevents accumulation of sludge on the floor, which can have a disruptive effect on the cleaning result of the components.
  • separation can also take place without the overflows and/or filtration described above, but with the aid of fat/oil separation devices, such as attachable and/or floating surface skimmer, so-called skimmer (3).
  • fat/oil separation devices such as attachable and/or floating surface skimmer, so-called skimmer (3).
  • oil separation devices are skimmers, ultrafiltration (crossflow), centrifuges, inclined plate clarifiers, decanters or osmosis units.
  • the oil separating devices are not limited to the previous list, but can be any known separating devices.
  • these grease and oil separation devices can also be used in addition to the overflows and/or filters.
  • the overflow (2) and/or the oil separation device (13) are preferably installed on the opposite side of the heat exchanger (8) where the oil and/or fat creams accumulate.
  • the filtration and/or oil separation described above can take place during the idle times in which little or no bath movement is generated, or within the process in which the bath is moved by means of an approximately laminar flow. In a preferred embodiment, the oil is separated off during the idle times. If the pumps are arranged on one side, the overflow is preferably arranged opposite the pump. If the pumps are arranged on both sides in the basin, the arrangement of the overflow is irrelevant. The depth and/or height of the overflow is/are variable depending on the process basin. In a Embodiment has the at least one overflow a depth that is below the bath surface.
  • continuous builder and surfactant additions can be incorporated into the bypass/filtration/oil separation loop.
  • sawtooth profiles are constantly changing conditions in the bath composition and/or concentration that can strongly (negatively) affect the performance of the process baths.
  • Possible builders are, for example, sodium hydroxide (NaOH) and/or potassium hydroxide (KOH).
  • Surfactants for adjustment can include, for example, anionic, cationic and/or nonionic surfactants or mixtures thereof.
  • builders and surfactants for use in the method shown and the associated device are not limited to the previous list, but can include all substances known in the prior art with these properties or combinations of these. With the help of the controlled additions, the cleaning or pickling result can also be checked.
  • the process bath according to the invention is a demulsifying bath.
  • the demulsifying bath splitting agents are introduced into the process tank if a certain oil/fat content is exceeded and/or there are splitting agents in the degreasing bath and/or the degreasing solution.
  • the splitting agents are introduced into the basin (1) during periods of rest or standstill. This enables demulsifying and controlled oil/fat separation.
  • the value of the oil and/or fat content in the basin is preferably below 3%.
  • the oil and/or fat content in the process tank is below 1.5%.
  • the oil and/or fat content in the process tank is 0.3% to 0.5%.
  • a splitting agent which can be an additive, is added to the process bath in the emulsifying bath (process liquid).
  • the agent is preferably not added during the production process.
  • the splitting agent can be any known means for separating oil and fat. Examples of such cleaving agents are, but are not limited to, mixtures of nonionic surfactants. In a preferred embodiment, it is a mixture of different fatty alcohols. In a particularly preferred embodiment, they are blends comprising alpha-alkyl-omega-hydroxypoly(oxypropylene) and/or poly(oxyethylene) polymers in which the alkyl chain contains at least 6 carbon atoms (C6) and ethoxylated propoxylated C12-14 alcohols.
  • the flow profile according to the invention can also be used in iron pickling (Fe pickling).
  • Fe pickling iron pickling
  • the mode of action and the structure correspond to that of the degreasing bath.
  • the at least one basin for Fe pickling is preferably cuboid in shape, in which at least one pump (8) is arranged for each direction of flow in the area of one of the narrow sides of the basin. Heating the pools is optional due to the improved pickling effect.
  • the pump can be located on the same side as a heat exchanger (15). If the pool is heated (15), the temperature of the iron pickling bath is between 15 °C and 45 °C. In a preferred embodiment, the temperature of the liquid in the basin is 20°C to 35°C.
  • an overflow (2) is provided, with its structure and possible combinations being analogous to the overflow of the degreasing bath.
  • the flow according to the invention and the corresponding circulation of the liquid comprising iron (Fe) in a hydrochloric acid (HCl) solution enables the additional absorption of oxygen (O 2 ) from the air and thus contributes to an additional formation of iron(III) ions ( Fe 3+ ) at.
  • the iron(III) ion concentration leads to an increase in the pickling performance.
  • an additional introduction of air or oxygen is provided.
  • the air or oxygen is introduced using at least one ventilation system (9), which can preferably also be combined with the flow pump (8).
  • a controllable, parallel air supply (9) enables additional formation of Fe 3+ and regulation of the pickling process.
  • the at least one ventilation system (9) can therefore be controlled independently of the flow pump (8).
  • an optimal Fe 3+ production or regulation can take place within the tank.
  • the optimum Fe 3+ content for the iron pickle in the bath is 0.1 g/l to 10 g/l, preferably 0.3 g/l to 8 g/l, particularly preferably 0.5 g/l to 5.0g/L.
  • the pickling processes in the surface area known in the prior art show extreme and constantly changing stoichiometric conditions in the bath composition, the so-called sawtooth profile.
  • Appropriate pickling is carried out using ideal pickling curves, ie content of iron and hydrochloric acid (HCl), with an increased HCl concentration of, for example, 170 g/L and a corresponding initial iron concentration of, for example, 70 g/L.
  • HCl hydrochloric acid
  • the process bath (1) becomes enriched with iron over the course of its service life, while the HCl concentration is stoichiometrically reduced. Above a certain residual acid content, pickling becomes ineffective due to the required extended pickling time, which cannot be compensated for by corresponding temperature increases above a certain level. The old bath must then be disposed of accordingly and re-applied.
  • the current in the iron/hydrochloric acid pickling tank which can be combined with a controllable additional air supply (9), significantly reduces the hydrochloric acid concentration previously required.
  • the HCl concentration is 40 g/l to 100 g/l, preferably 50 g/l to 80 g/l.
  • the used acid is removed from the process tank (1) and fresh hydrochloric acid is added to the system. The removal of used acid and the addition of fresh acid can be carried out continuously or discontinuously. Fe pickling can therefore be run with an almost constant bath composition and concentration and therefore has no or a significantly reduced sawtooth profile compared to the prior art.
  • the content of hydrochloric acid and/or iron(III) ions in the process bath (1) is monitored by suitable systems.
  • the used acid and fresh acid are preferably stored in appropriate buffer stores/collecting containers (5, 11).
  • the pickling times can be significantly reduced compared to the prior art.
  • the degreasing and/or pickling times depend on various factors, such as the material, the processing condition and/or the degree of oxidation. In general, a reduction in the treatment time of 20% to 70% compared to the prior art can be observed, preferably by 30% to 50%.
  • the flow profile created leads to an equilibrium between iron(III) ions and iron(II) ions in the process bath.
  • the equilibrium created at the interface between the body and the liquid leads to the formation of a protective layer and/or generation of an optimal cleaning condition on the surface of the treated bodies, both of which lead to increased protection against corrosion, such as that 3 and can be found in Example 2.
  • the flow in the iron pickling tank which can be combined with a controllable additional air supply (9), leads to the formation of a protective layer, a shift in the resting potential on the body and/or an ideal cleaning result, as well as a reduction in the number of crystallization nuclei due to the constant exchange of the liquid in the area of the boundary layer between liquid and corresponding body.
  • This layer, shifting of the rest potential and/or improved removal of foreign bodies means that the body has little or no reoxidation products even after prolonged outdoor exposure, see example 2. 3 and Table 1. Subsequent process steps, such as the flux bath in the area of hot-dip galvanizing, are partly unnecessary due to the protective layer that is created.
  • Preliminary data from the surface investigations using cross-sections of reference samples and samples from a pickling process according to the invention show, using the example of galvanizing, that the subsequent surface refinement is smoother, more compact and more uniform compared to the prior art.
  • the bodies are free of blowholes and cracks using the method according to the invention, in contrast to the samples treated in standing pickles (stand pickling, pickling time of 30 minutes).
  • the flow according to the invention enables the body in the process bath to be optimally wetted with process liquid, for example hydrochloric acid (hydrochloric acid, HCl) or other acid mixtures and/or oxidizing agents.
  • process liquid for example hydrochloric acid (hydrochloric acid, HCl) or other acid mixtures and/or oxidizing agents.
  • the iron(III) ions formed at the boundary layer form an iron(III) hydroxide layer which protectively surrounds the body, causing a shift in the resting potential and/or achieving a Optimum cleaning result with a low number of recrystallization nuclei on the component surface.
  • a ratio of iron(III) ions and iron(II) ions in the process bath of 0.1% to 5%.
  • the ratio of Fe 3+ /Fe 2+ is 0.2% to 3%, more preferably a ratio of 0.3 to 1.5%.
  • a rinsing cycle can be switched on after pickling. This has low Fe and/or HCl content.
  • the levels in an additional rinsing bath are below 5 g/L.
  • the contents are ⁇ 3 g/l, particularly preferably ⁇ 1 g/l.
  • the flow in the process tank (1) can also be used in zinc pickling.
  • an optimal pickling result can be achieved that reduces the pickling times from the prior art by at least 20-70%, preferably by 30% to 50% .
  • the stoichiometric ratios and processes are analogous to Fe pickling. Here only Fe is replaced by Zn. In the state of the art, zinc pickling also has an extreme sawtooth profile.
  • the bath concentration is, for example, 160 g/l HCl and 0 g/l Zn.
  • the bath is enriched with Zn, while the HCl concentration is reduced stoichiometrically. Above a certain residual acid content, pickling is also ineffective here and the bath has to be disposed of and made up again.
  • the flow according to the invention considerably reduces the concentration of hydrochloric acid previously required.
  • the HCl concentration is 30 g/l to 80 g/l, preferably 40 g/l to 70 g/l.
  • no additional air is fed into the process bath (1) for zinc pickling, as this would lead to increased foam formation and oxidation of zinc (Zn) is not possible.
  • the process bath (1) of the zinc pickling includes the following ingredients: zinc (Zn) and hydrochloric acid (HCl).
  • the zinc concentration in the process liquid is preferably a zinc (Zn)/iron (Fe) ratio of 8:1.
  • the used acid can be removed from the process bath (1) and added by a discontinuous or continuous addition of fresh acid.
  • the zinc pickles can thus be run almost constantly in their bath composition and concentration, analogously to the iron pickles, and therefore have no sawtooth profile or a significantly reduced sawtooth profile compared to the prior art.
  • the potential for hydrogen storage in the material decreases, which leads to embrittlement of the metal (hydrogen embrittlement) and, in the worst case, to brittle fracture.
  • the hydrogen embrittlement described above can occur in any pickling process, ie for example when pickling iron and zinc, and is significantly reduced by the process described.
  • the process tank for zinc pickling includes at least one overflow, preferably two overflows, as already described above, due to the formation of foam.
  • additional nozzles can be provided. These nozzles are arranged above the overflows and/or at or on the surrounding pool edges and spray liquid, preferably a process solution (here: zinc pickling), onto the foam that forms.
  • a process solution here: zinc pickling
  • the pre-treatment of the bodies can not only be shortened, but also the number of process baths previously required can be reduced. Furthermore, previously known process sequences can be modified and/or varied. This leads to a significant cost reduction as well as a reduction in the use of chemicals and/or downstream feedstocks and a corresponding increase in production.
  • surface pre-treatment for example in hot-dip galvanizing
  • 6 to 8 pre-treatment tanks with iron pickling are provided in the prior art.
  • the Flow profiles according to the invention in the method and/or device in the process bath (1) allow a reduction of these to 3 to 4 basins.
  • the method using laminar flow technology enables a reduction in the process baths for surface treatment by at least 30%, preferably by at least 50%.
  • the pickling bath surfaces By reducing the pickling bath surfaces, lowering the HCl concentrations and, if necessary, using a suitable emission inhibitor, the HCl emissions in the corresponding pre-treatment areas/plants are significantly reduced.
  • the emission is less than 1 mg/m 3 HCl.
  • the previous use of acid scrubbers is no longer necessary. On the contrary, with the continued use of an acid scrubber, the relevant emission values at the chimney outlet would be higher than with the use of a wind deflector fan.
  • the values are ⁇ 9 mg/m 3 , preferably ⁇ 7 mg/m 3 , particularly preferably ⁇ 5 mg/m 3 HCl. These values are further reduced by replacing them with known wind deflector fans and/or additional fresh air supply.
  • the emission values can be reduced to ⁇ 4 mg/m 3 HCl (wind deflector fan exit), preferably ⁇ 2 mg/m 3 HCl (wind deflector ventilator exit), particularly preferably to ⁇ 1 mg/m 3 HCl (wind deflector ventilator exit).
  • waste materials and input materials are reduced to a minimum and an optimal degreasing and pickling result is achieved, which ensures an optimized wetting condition that can meet the constantly increasing optical demands of the end user/customer.
  • the method according to the invention and the associated device also make it possible to dispense with any subsequent process baths, as a result of which a potential accident relevance is reduced.
  • the present invention therefore also relates to a device comprising at least one degreasing bath and at least one bath for pickling, wherein at least one of Process baths includes a flow device for generating a flow profile according to the invention.
  • the device can also contain at least one rinsing bath.
  • each process bath has at least one pump per flow direction for laminar flow generation, with the pumps being located within the basin and arranged in the side area.
  • Within the basin means here the arrangement of the pumps in the process basin in direct contact with the process liquid, ie within the process liquid.
  • the process baths can have any shape, but the baths preferably have a cuboid shape with at least one pump for generating the laminar flow on the end faces.
  • the two or more pumps (8) for the laminar flow can be attached on one side in the tank or on two opposite sides in the tank for surface modification of material surfaces of bodies.
  • two or more pumps are arranged in the basin for each direction of flow.
  • one of the cooperating pumps (8) is located on one of the two front sides, i.e. one pump is arranged on both narrow sides of the process tank, so that a flow direction is formed, i.e. either "clockwise” or "counterclockwise” compared to the Cross section of the bath.
  • the two cooperating pumps are preferably attached to opposite end faces, with the one first pump being arranged diagonally in height to the one second pump on the opposite end face.
  • This arrangement does not change the direction of flow, e.g. "clockwise”, but maintains and/or increases the direction of flow already present without changing the direction of flow, e.g. "counterclockwise” in the cross-section of the basin, see example Fig. 4 b) .
  • several pumps that work together can also be arranged for each direction of flow.
  • oppositely located pumps (8) can also be present which reverse the direction of flow, such as the Fig.
  • the pumps for generating the flow according to the invention are designed in such a way that the Reynolds number can be variably adjusted.
  • the Reynolds number in the tanks for producing a flow according to the invention depends on the characteristic length, the dynamic viscosity and density of the liquid and the flow velocity. In one embodiment, the Reynolds number in unequipped tanks is 2-10 ⁇ 10 6 .
  • the device can have units for monitoring, determining and regulating parameters such as temperature, pH value, substance concentrations, etc.
  • the process baths for degreasing and/or pickling have monitoring mechanisms and control mechanisms that are used to determine, monitor and/or control the temperature and/or concentrations of the substances contained in the process bath liquid.
  • the temperature and the iron ion content in the process basin of the iron pickling are determined.
  • the iron(III) ion content in the at least one process bath for iron pickling should be 0.1 g/l to 10 g/l, preferably 0.3 g/l to 8 g/l, particularly preferably 0.5 g /L to 5.0 g/L and/or a ratio of Fe( 3+ )/Fe( 2+ ) of 0.1 to 5%, preferably 0.2 to 3%, particularly preferably 0.3 to 1 .5%.
  • the device comprises a device for removing fats, oils and/or contaminants from the at least one process tank.
  • the overflow and regeneration circuit can have different configurations and variations, as presented above.
  • the overflow is located on one of the two end faces of the process tank opposite the heat exchanger.
  • At least one oil separation device can also be present in addition to or instead of the overflow. Possible oil separation devices are, for example, the elements described above.
  • nozzles can be arranged on the overflows and/or on or on the surrounding pool edges to reduce it, into which, through suitable inflow lines, liquid is pumped, which is pumped by means of the nozzles onto the forming Foam is distributed and reduces its formation.
  • Example 1 Process for the ideal pre-treatment of surfaces
  • the process steps of the optimized surface pretreatment of metallic bodies include the steps of degreasing (a); the rinsing (b), whereby a carryover of the solution from (a) into the following process steps is prevented; iron pickling (c); a further rinsing process (b); and optionally a subsequent zinc pickling and/or a flux bath (d).
  • the degreasing stage (a) serves to remove organic impurities. through the in 1
  • the degreasing method shown, together with the device with laminar flow enables almost complete removal of organic substances, in particular fat and oils. Unlike stationary or turbulent baths, the laminar flow in the process bath (1) washes around the body and thus reaches all parts of the body.
  • the fat and/or oil separated from the body can be removed from the bath through an overflow (2) on the process bath (1) and thus increase the effectiveness of the degreasing.
  • the separated fat and/or oil can be removed as in 1 shown also be collected in a container (5).
  • the container (6) is a settling container that only has a reduced/decelerated movement and/or flow, so that the fat and/or oil settles on the surface and can be separated as a concentrate by a surface skimmer (3), for example a disc skimmer. This is collected in a corresponding collection container (5) for disposal.
  • the cleaned process liquid remaining in the container (6) can be returned to the process tank (1) through an additional line. Possible settleable soil substances can be removed by filtration (14). This regeneration circuit enables an optimized defatting of the body as well as a return of the process liquid into the process tank (1), whereby less chemical input is used.
  • any oil and/or fat that can settle on the surface of the liquid during pickling can also be removed from the process tank through an overflow (2) and/or other oil separator (13).
  • the system for separating oil or fat from the process bath can be analogous to the system in degreasing (a).
  • the iron pickle can also be removed from the process liquid in the form of used pickle (12) and stored in a collection container (5). Parallel to the withdrawal, fresh acid can be introduced into the process bath from a storage container (11).
  • bodies that are to receive a zinc coating also go through an additional flux bath (d) as a pretreatment stage.
  • the purpose of this bath is to protect the bodies from flash rust/corrosion on the way to the drying process and the actual zinc coating process (see zinc melt). Due to the optimal degreasing and/or iron pickling using laminar flow technology, treatment of the body for further surface modification is unnecessary, simple rinsing (b) is sufficient in the method according to the invention to keep the concentration of impurities to be introduced into the subsequent processes low, so that these not lead to a loss of quality in further treatment.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung, insbesondere der Reinigung von metallischen Oberflächen mithilfe laminarer Strömungen.

Description

    Kurzdarstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung, insbesondere der Reinigung von metallischen Oberflächen mithilfe einstellbarer Strömungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens ein Entfettungsbad und mindestens ein Bad zur Beize auf.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
    • 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
    • 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
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Materialoberflächen von Körpern, wobei ein annährend laminares Strömungsprofil erzeugt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 (Fe2O3) oder Magnetit (Fe3O4,), welcher anfällt und sich am Boden des Beckens sammeln kann. Ein Regenerationskreislauf kann auch parallel zum eigentlichen Produktions-/Reinigungskreislauf betrieben werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 (O2) aus der Luft und trägt somit zu einer zusätzlichen Bildung von Eisen(III)-Ionen (Fe3+) 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 Fe3+ 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 Fe3+-Produktion bzw. Regelung innerhalb des Beckens erfolgen. Der optimale Fe3+- 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.
  • 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.
  • 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 (Fe3+/Fe2+) im Prozessbad von 0,1 % bis 5%. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis von Fe3+/Fe2+ 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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/m3 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/m3, vorzugsweise bei ≤ 7 mg/m3, besonders bevorzugt bei ≤ 5 mg/m3 HCl. Diese Werte werden durch Ersatz durch bekannte Windleitflächenlüftern und/oder zusätzliche Frischluftzufuhr weiter reduziert. Die Emissionswerte können hierbei auf ≤ 4 mg/m3 HCl (Austritt Windleitflächenlüfter), vorzugsweise ≤ 2 mg/m3 HCl (Austritt Windleitflächenlüfter), besonders bevorzugt auf ≤ 1 mg/m3 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 106.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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 (O2) (9) auf der Flüssigkeitsoberfläche und/oder der Pumpe (8) führt zu einer Erhöhung der Fe3+-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.
  • 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
  • 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 Fe3+ ± 0,5 g/L Fe3+. 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 Fe3+ ± 0,5 g/L Fe3+ 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

Claims (10)

  1. Verfahren zur chemischen Oberflächenbehandlung von Körpern, wobei eine annährend laminare Strömung innerhalb der Flüssigkeit in mindestens einem Prozessbecken (1) zur Entfettung und/oder zur Beize durch mindestens eine pro Strömungsrichtung im Seitenbereich des Prozessbeckens (1) angeordnete Strömungspumpe (8) erzeugt wird, wobei jeweils nur die mindestens eine Pumpe (8) für eine Strömungsrichtung aktiv ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Strömungspumpe einen Gleichrichter umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens zwei miteinanderwirkende Pumpen (8) zur Erzeugung einer Strömungsrichtung im Prozessbecken (1) angeordnet sind, vorzugsweise wobei die miteinander wirkenden Pumpen (8) jeweils diagonal an den entgegengesetzten Stirnseiten des Prozessbecken (1) zueinander angeordnet sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Strömung ein Gleichgewicht an der Grenzschicht zwischen Körper und Flüssigkeit erzeugt, dass eine Schutzschicht bildet und/oder einen optimalen Reinigungszustand auf der Oberfläche der behandelten Körper erzeugt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei beim Eisenbeizen durch eine steuerbare Regelung der Eisen (II)-Ionen-Gehalt vermindert und der Eisen(III)-Ionen-Gehalt erhöht werden kann, wobei die Regulierung des Eisengehalts im Prozessbad vorzugsweise über eine steuerbare Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
    a) ein Monitoring der Temperatur, pH-Wert und/oder Stoffkonzentrationen;
    b) eine Regelung der Temperatur, des pH-Werts und/oder der Stoffkonzentrationen; und/oder
    c) ein Überlauf, eine Fett-/Ölabtrennungseinheit und/oder eine Filtration umfasst ist.
  7. Vorrichtung zur chemischen Oberflächenbehandlung von Körpern nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend mindestens ein Prozessbecken mit Prozessflüssigkeit und eine Pumpe pro Strömungsrichtung zur Herstellung einer annährend laminaren Strömung.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung
    a) mindestens ein Entfettungsbad; und
    b) mindestens ein Bad zur Beize,
    umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Vorrichtung
    a) ein Monitoring der Temperatur, pH-Wert und/oder Stoffkonzentrationen;
    b) eine Regelung der Temperatur, des pH-Werts und/oder der Stoffkonzentrationen; und/oder
    c) mindestens einen Überlauf, eine Fett-/Ölabtrennungseinheit und/oder eine Filtration
    umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Vorrichtung mindestens ein Spülbad umfasst.
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