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Die
Erfindung betrifft ein Beizverfahren für Werkstücke
aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und eine für ein
derartiges Beizverfahren geeignete Beizanlage.
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Vor
der elektrolytischen Oxidation von Werkstücken aus Aluminium
oder Aluminiumlegierungen oder vor der Weiterverarbeitung derartiger
Werkstücke ist eine Oberflächenvorbehandlung erforderlich. Bei
dieser Oberflächenvorbehandlung werden die Werkstücke
beispielsweise entfettet, gebeizt, gespült und dekapiert.
Durch das Beizen soll eine gleichmäßige matte
Werkstückoberfläche erzielt werden, wobei Oberflächenfehler,
wie beispielsweise Ziehriefen ausgeglichen werden. Eine derartige
matte, vergleichsweise dekorative Oberfläche wird nach DIN 17611 auch
als E6-Finish bezeichnet. Bei geringeren Anforderungen an die äußere
Anmutung werden lediglich vorhandene Oxidschichten entfernt, wobei
die oben genannten Zieh- oder Pressriefen weitgehend erhalten bleiben – eine
derartige Oberflächenqualität wird auch als E0-Finish
bezeichnet.
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Die
Oberflächenvorbehandlung durch Beizen erfolgt vorwiegend
in alkalischen Bädern, beispielsweise in Natronlauge. Bei
einem derartigen Beizvorgang reagiert das Aluminium an der Oberfläche
des Werkstücks mit der Natronlauge nach der Formel: 2Al + 6H2O + 6NaOH → 2NaAl(OH)4 + 4NaOH + 3H2
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Dabei
geht das Aluminium in Lösung, welches bei Vorhandensein
von Komplexbildern und freier NaCH nicht als Al(OH)3 ausfällt.
Eine gewisse Konzentration an Aluminium in der Beizlösung
ist hilfreich, um den Abbeizprozess langsamer ablaufen zu lassen,
da dadurch eine qualitativ hochwertige und matte Oberfläche
erhalten werden kann.
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Eine
derartige Langzeitbeize ist im Gleichgewicht, wenn der Anteil des
in Lösung gehenden Aluminiums in etwa dem Massenanteil
entspricht, der von den Werkstücken beim Herausnehmen aus
dem Beizbad ausgeschleppt wird – d. h. in diesem Gleichge wichtszustand
ist der Aluminiumgehalt des Beizbads in etwa konstant. Ein derartiger
Gleichgewichtszustand stellt sich beispielsweise bei einer Aluminiumkonzentration
von ca. 140 bis 180 g/l Aluminium ein. Die Beizqualität
wird unter anderem dadurch negativ beeinflusst, dass sich in der
Beizlösung – abhängig vom Legierungsgehalt
der verschiedenen Werkstücke – verschiedene Schwermetalle,
Silikate, etc. anreichern. Besonders negativ wirkt sich dabei ein
erhöhter Gehalt von Zink aus, da sich das Zink an den Korngrenzen
abscheidet und so genannte „Zinkblumen” ausbildet,
welche die Oberflächenqualität negativ beeinträchtigen.
Zur Verbesserung des Beizvorgangs werden der Beizlösung
Beizadditive zugegeben. Durch diese kann beispielsweise das Ablaufverhalten
der Beizlösung vom Werkstück verbessert werden,
so dass beim Überführen der Werkstücke aus
der Beizlösung in eine folgende Spülstufe weniger
Beizlösung ausgeschleppt wird. Weitere Beizadditive, beispielsweise
Sulfide, bilden mit den Schwermetallen schwer lösliche
Metallsulfide, welche als Schlamm im Bad ausfallen.
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Um
ein Ausfällen von Aluminiumhydroxid zu verhindern, werden
in derartigen Beizbädern zusätzlich noch Komplexbildner,
wie Gluconat, Sorbit oder andere Derivate aus der Zuckerchemie beigefügt, über
die Ausfällungen von Aluminiumhydroxid verhindert werden
können.
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Darüber
hinaus verbleiben in der alkalischen Beizlösung unlösliche
Elemente, wie beispielsweise Kupfer, Silizium, etc. im Schlamm zurück.
Bei herkömmlichen Anlagen wird der im Beizbad anfallende, aufgrund
der Legierungsbestandteile (Si- und Cu-Verbindungen) schwarz gefärbte
Schlamm in regelmäßigen Abständen, beispielsweise
zweimal im Jahr aus der Anlage abgezogen und entsorgt. Darüber
hinaus wird auch die alkalische Beize abgezogen, um ein zu starkes
Ansteigen der Al-Konzentration zu verhindern und durch Ausschleppung
verursachte Verluste (NaOH, Additive) ausgeglichen.
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In
der
DE 100 54 128
A1 ist ein Verfahren offenbart, bei dem die Beizflüssigkeit
mit einer Spülflüssigkeit einer sich an das Beizen
anschließenden Standspüle durchmischt und unter
Zugabe von Natronlauge zu einer Natrium-Aluminat-Lösung
verarbeitet wird, die beispielsweise in einem Klärwerk
zur Phosphatfällung eingesetzt werden kann. Es handelt sich
somit um ein reines Verwertungsverfahren, mit dem aus der „verbrauchten” Beizflüssigkeit
ein Zwischenprodukt geschaffen wird.
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Unter
dem Produktnamen „Epal®„ ist
ein Verfahren bekannt, bei dem im Beizbad ein spezifisches Gleichgewicht
zwischen freier Natronlauge, gelöstem Aluminium, kristallisierten
Aluminiumhydroxid und Badstabilisator erzeugt wird. Bei diesem Prozess
anfallendes Aluminiumhydroxid wird abfiltriert und ausgewaschen
und einer weiteren Verwertung zugeführt.
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Bei
diesem Verfahren sind keine Beizadditive erforderlich, so dass das
Aluminium nicht komplexiert wird. Das Aluminium fällt dann
bereits bei niedrigen Konzentrationen als Aluminiumhydroxid aus – wie
eingangs ausgeführt – ein derartiger niedriger Aluminiumgehalt
im Beizbad verschlechtert jedoch die Oberflächenqualität,
so dass die Kosteneinsparung durch den Anfall von Aluminiumhydroxid und/oder
Natronlauge auf Kosten der Oberflächenqualität
geht.
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In
der
GB 1 340 505 ist
ein Verfahren offenbart, mit dem die bei der vorbeschriebenen Standspüle
verwendete Waschflüssigkeit aufbereitet werden kann. Hinsichtlich
der eingangs geschilderten Problematik zur Beizlösung enthält
diese Druckschrift keinerlei Lösungsvorschläge.
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Die
DE 40 15 141 A1 offenbart
ein Verfahren, bei dem einem Vorbehandlungsbad – d. h.
einem Beizbad – kontinuierlich frische Beizflüssigkeit
zugeführt wird und eine entsprechende Menge an „verbrauchter” Beizflüssigkeit
abgezogen und entweder einer Versorgung oder einer Weiterverarbeitung
zugeführt wird.
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Auch
bei einer derartigen Lösung muss in regelmäßigen
Abständen der anfallende, schwermetallhaltige Schlamm abgezogen
werden und des Weiteren ist ein erheblicher Aufwand zur Weiterverarbeitung
bzw. Entsorgung der abgezogenen Beizflüssigkeit erforderlich.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Beizbad und eine Beizanlage
zu schaffen, die ein Langzeitbeizen mit minimalem Aufwand ermöglichen.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Lösung dieser Aufgabe durch ein Beizverfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. eine Beizanlage mit den Merkmalen
des nebengeordneten Patentanspruches 17.
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Erfindungsgemäß ist
bei dem Beizverfahren für Werkstücke aus Aluminium
oder Aluminiumlegierungen eine kontinuierliche und diskontinuierliche Aufbereitung
und Konzentrationseinstellung einer Beizlösung eines Beizbads
vorgesehen. Dazu wird aus dem Beizbad eine Teilmenge der Beizlösung kontinuierlich
oder abschnittsweise abgezogen und es werden mittels einer Feststofftrennung/Feststoffabscheidung
Feststoffe von der abgezogenen Teilmenge getrennt.
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Die
Zusammensetzung des verbleibenden, feststoffarmen Permeats wird
analysiert und die Permeatzusammensetzung in Abhängigkeit
vom Ergebnis dieser Analyse eingestellt. Aus dieser Dosiervorlage
wird dann Permeat zurück in das Beizbad geführt,
um die darin enthaltene Beizlösung auf einer vorbestimmten
Zusammensetzung zu halten. Durch den quasikontinuierlichen Abzug
von Feststoffen aus der Beizlösung wird ein Anfall vom
Schlamm am Boden des Beizbads zuverlässig verhindert, so
dass ein Langzeitbeizen mit hoher Effizienz ermöglicht
ist.
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Mit
dieser Vorgehensweise wendet man sich von herkömmlichen
Lösungen ab, bei denen eine aus dem Beizbad abgezogene
Teilmenge der Beizlösung entsorgt oder verwertet und ggf.
durch frische Beizlösung (Natronlauge plus Additiv) ersetzt
wurde.
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Die
erfindungsgemäße Beizanlage ist entsprechend mit
einem Beizbad ausgeführt, das einen Ablauf zum Abführen
einer Teilmenge einer Beizlösung aus dem Beizbad aufweist.
Die Beizanlage hat des Weiteren eine Feststofftrennung, in der Feststoffe,
wie beispielsweise die eingangs beschriebenen Schwermetalle aus
der abgezogenen Beizlösung entfernt werden. Das feststoffarme
Permeat wird in einem Vorlagebehälter zwischengespeichert.
Die Beizanlage hat des Weiteren eine Analytik zur Analyse der Zusammensetzung
des im Vorlagebehälter aufgenommenen feststoffarmen Permeats. Über
diese Analytik kann auch die Zusammensetzung der Beizlösung
des Beizbads erfasst werden. In Abhängigkeit von der Ist-Zusammensetzung
der Beizlösung und des im Vorlagebehälter zwischengespeicherten Permeats
wird dann mittels einer Dosiereinheit Beizlösung (beispielsweise
Natronlauge) und Additive zugeführt, um eine von der Ist-Zusammensetzung
der Beizlösung abhängige Zusammensetzung des Permeats
im Vorlagebehälter einzustellen. Bei herkömmlichen
Verfahren wird der Beizlösung häufig eine Spezialchemie
zugeführt, in der alle erforderlichen Beizadditive enthalten
sind. Eine derartige Vorgehensweise hat den Nachteil, dass auch
bei Unterversorgung mit einem einzelnen Beizadditiv die aus einer
Vielzahl von Beizadditiven bestehende Spezialchemie zudosiert wird,
so dass die sonstigen Beizadditive eher überdosiert werden.
Beim erfindungsgemäßen Konzept erfolgt eine gezielte
Einstellung durch Zugabe von Beizadditiven, Natronlauge, so dass
eine derartige Überdosierung vermieden wird.
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Aus
dem Vorlagebehälter wird das mit einer definierten Zusammensetzung
aufgenommene Permeat in das Beizbad geführt, um die Beizlösung
auf einer vorbestimmten Soll-Zusammensetzung zu halten und Volumenverluste
auszugleichen, oder den Al-Gehalt konstant zu halten.
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Volumenverluste
können auch durch eine nachgeschaltete E0-Beize, Standspüle
oder 1. Spüle ausgeglichen werden. Dieses Bad kann in das
erfindungsgemäße Verfahren integriert werden,
wobei die Befüllung des Absetzbeckens nicht direkt aus
dem Beizbad 1 erfolgen muss. Dabei wird auch Feststoff abgetrennt,
die Konzentration bestimmt, entsprechend zudosiert und das Beizbad
befüllt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Feststofftrennung
mittels einer Filtration und einer anschließenden Sedimentation
in einem Absetzbecken. Selbstverständlich sind auch andere
geeignete Feststofftrennverfahren einsetzbar, mit denen Feststoffe,
beispielsweise Schwermetalle von einer alkalischen oder sauren Beizlösung
abgetrennt werden können.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante enthält die Feststofftrennung
eine dynamische Filtration, vorzugsweise eine Mikro- oder Ultrafiltration.
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Das
nach der Feststofftrennung anliegende, von Feststoffen weitestgehend
befreite Permeat wird einem Vorlagebehälter zugeführt
und dort zwischengespeichert.
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Das
während der Filtration anfallende Retentat kann bei einer
erfindungsgemäßen Variante so lange im Kreislauf
durch den Filter geführt werden, bis das Retentat die gewünschte
Aufkonzentration erreicht hat. Dabei kann zu dem im Kreislauf geführten
Volumenstrom die vom Beizbad abgezogene Teilmenge hinzusummiert
werden.
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Die
Aufkonzentration des Retentats erfolgt bevorzugt im Absetzbecken – sobald
dieses mit dem aufkonzentrierten Retentat gefüllt ist,
wird der Retentatkreislauf abgesperrt, so dass im Absetzbecken eine
Sedimentation der noch im Retentat befindlichen Feststoffe erfolgt.
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Die
bei dieser Sedimentation anfallende Klarphase wird bei einer erfindungsgemäßen
Variante des Beizverfahrens abgezogen und dem Vorlagebehälter
zugeführt. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt,
wenn die Feststoffkonzentration dieser Klarphase in etwa der Konzentration
des Permeats aus dem ersten Filtervorgang entspricht.
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Die
bei der Sedimentation anfallende Trübphase (Sediment) wird
aus dem Absetzbecken abgezogen und einem Feststoffabspeicher, beispielsweise
einem statischen Filter zugeführt und das von Feststoffen
weitestgehend befreite Filtrat dann dem Vorlagebehälter
zugeführt. Dieses Filtrat hat in etwa ebenfalls die Feststoffkonzentration
des vorgenannten Permeats und der vorgenannten Klarphase. Der am
statischen Filter anfallende Filterkuchen, welcher einen hohen Gehalt
an Schwermetallen aufweist, wird vorzugsweise als Abfall entsorgt.
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Die
eingangs beschriebene Analyse der im Vorlagebehälter aufgenommenen
Lösung erfolgt vorzugsweise online. In Abhängigkeit
vom Ergebnis dieser Analyse können der im Vorlagebehälter
aufgenommenen Permeatlösung Natronlauge und/oder Additive
zur Einstellung einer Soll-Permeatzusammensetzung zugeführt
werden.
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Diese
Zudosierung von Additiven/Natronlauge erfolgt in Abhängigkeit
von der Ist-Zusammensetzung der im Beizbad aufgenommenen Beizlösung oder
von der Aluminat- Konzentration im Vorlage-/Dosierbehälter
oder von der Sollkonzentration eines für eine Weiterverwendung
vorgesehenen Aluminats. Diese Zusammensetzung wird bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel nach Entfernen der Feststoffe, bzw.
vom Permeat ermittelt.
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Bei
einer bevorzugten Variante der Erfindung erfolgt die Feststofftrennung
in etwa bei der Temperatur des Beizbads, so dass ein entsprechend
hoher Volumenstrom einstellbar ist. Die Speicherung der aufkonzentrierten
Permeatlösung erfolgt bei einer niedrigen Temperatur.
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Bei
einer Variante des erfindungsgemäßen Beizverfahrens
wird beispielsweise in dem Fall, in dem die Aluminiumkonzentration
im Vorlagebehälter oder in der Beizlösung zu hoch
ist, ein Teilstrom aus dem Vorlagebehälter abgezogen und
einem Sammelbehälter zugeführt. Diese hoch aufkonzentrierte Aluminatlösung
kann dann einer Weiterverwertung zugeführt werden. Wie
vorstehend ausgeführt, kann die Aluminatlösung
durch Zugabe von NaOH oder Additiven, wie Komplexbildnern im Hinblick
auf die Weiterverwertung optimiert werden.
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Das
gesamte Verfahren und auch die Beizanlage kann als geschlossenes
System (Reaktor) ausgeführt sein, wobei dann die Prozessflüssigkeiten aus
dem Vorlagebehälter zum Reaktor bzw. einer Beschichtungszelle
geführt werden und nicht, wie üblich, das Werkstück
oder die „Ware” zur Beizlösung („Ware
zur Chemie”).
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Erfindungsgemäß kann
der Feststofftrennung zusätzlich oder alternativ zu der
aus dem Beizbad entnommenen Beizlösung eine Lösung
aus einer anderen Verfahrensstufe, beispielsweise einer E0-Beize
zugeführt werden.
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Entsprechend
der vorbeschriebenen Verfahrensschritte ist die Beizanlage im Bereich
der Feststofftrennung mit einem dynamischen Filter und einem Absetzbecken
ausgeführt. Zur Aufkonzentrierung des am Filter anfallenden
Retentats kann die Beizanlage mit einer Kreislaufpumpe zum Rückführen
von Retentat aus dem Absetzbecken zum Eingang des Filters ausgeführt
sein. Über diese Kreislaufpumpe kann nach der Sedimentation
die Trübphase aus dem Absetzbecken abgezogen werden.
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Die
Beizanlage kann des Weiteren mit einer Förderpumpe zum
Fördern der bei der Sedimentation anfallenden Klarphase
aus dem Absetzbecken in den Vorlagebehälter ausgeführt
sein.
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Die
Beizanlage ist vorteilhafter Weise mit einem Filter ausgeführt, über
den die bei der Sedimentation anfallende Trübphase (Sediment)
von Feststoffen befreit wird und das aufkonzentrierte Filtrat dann ebenfalls
dem Vorlagebehälter zugeführt wird.
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Dieser
Vorlagebehälter kann bei einer Weiterbildung der Erfindung
zweiteilig ausgeführt sein, wobei in einem Permeatbehälter
die vorbeschriebenen, bei der dynamischen Filtration, bei der Sedimentation
und bei der Filtration entstehenden Volumenströme (Permeat,
Klarphase, Filtrat) zwischengespeichert werden. Dieser Permeatbehälter
ist über eine Speisepumpe und eine geeignete Ventileinrichtung
mit einem Dosierbehälter verbunden. Über diese
Speisepumpe kann Permeat aus dem Permeatbehälter abgezogen
und dem Dosierbehälter zugeführt werden. Entsprechend
der durchgeführten Online-Analyse wird die Zusammensetzung
des im Dosierbehälter aufgenommenen Permeats durch Zugabe
von Natronlauge/Additiven dann auf die gewünschte Zusammensetzung
eingestellt. Aus dieser derart eingestellten Vorlage wird dann Permeat
abgezogen und zur Einstellung der Soll-Konzentration dem Beizbad
zugeführt. D. h. bei dieser Variante sind die Zwischenspeicherung
des Permeats und die Einstellung der Dosiervorlage getrennt voneinander
ausgeführt.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
entspricht das Volumen des Absetzbeckens in etwa dem Volumen des
Vorlagebehälters, so dass mit einer Füllung des
Absetzbeckens auch der Vorlagebehälter befüllbar
ist.
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Wie
den vorstehenden Ausführungen entnehmbar ist, kann bei
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zunächst
das Absetzbecken mit aufkonzentriertem Retentat durch Zirkulation über
den Filter befüllt werden, wobei bereits Permeat vom Filter
abgezweigt und direkt in den Vorlagebehälter geführt wird.
Nach dem Füllen des Absetzbeckens wird der Kreislauf zum
dynamischen Filter abgesperrt und der Sedimentationsvorgang beginnt.
Die entstehende Klarphase wird dem Vorlagebehälter zugeführt,
wobei in diesem die Zudosierung der Natronlauge (oder einer sonstigen
Beizlösung) und der Additive erfolgt, um im Vorlagebehälter
eine vorbestimmte Zusammensetzung einzustellen. Durch Abziehen von
Permeat aus diesem Vorlagebehälter kann dann die Konzentration
der Beizlösung im Beizbad konstant gehalten werden, wobei
Verluste und Verbrauch von Beizlösung ausgeglichen werden.
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Die
erfindungsgemäße Beizanlage kann mit einem Sammelbehälter
zum Aufnehmen von aus dem Vorlagebehälter abgezogenem Permeat
ausgeführt sein. Dieses hochkonzentrierte, beispielsweise im
Hinblick auf die Weiterverwertung eingestellte Aluminat kann dann
aus dem Zwischenspeicher der angesprochenen Weiterverarbeitung zugeführt
werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Konzept kann – wie
vorstehend beschrieben – auch Lösung aus einem
anderen Verfahrensschritt, beispielsweise einer E0-Beize oder einer
1. Spüle der Feststofftrennung zugeführt werden.
Diese Lösung kann auch – ähnlich wie
beim Stand der Technik – direkt dem Beizbad zugeführt
werden.
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Prinzipiell
ist die Erfindung nicht auf eine Anwendung beim Beizen von Werkstücken
begrenzt. Prinzipiell lässt sich das Verfahren in entsprechender Anpassung
auch bei anderen Systemen, beispielsweise bei einem Eloxalbad, beim
Kaltsealing oder bei sonstigen galvanischen Prozessbädern
anwenden. Der Anmelder behält sich vor, entsprechende verallgemeinerte
Ansprüche mit den entsprechend formulierten Stoffströmen
auf derartige Anwendungen und Anlagen zu richten.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Anlagenschema einer erfindungsgemäßen Beizanlage
und
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2 ein
Ausführungsbeispiel einer Beizanlage mit zweiteiligem Vorlagebehälter.
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Wie
eingangs erläutert, werden beim Eloxieren von Werkstücken
diese zunächst entfettet und dann in einem Beizbad vorbehandelt,
wobei je nach Qualität des Beizbads (E6/E0) Oxidschichten
entfernt und durch die Herstellung, beispielsweise Extrudieren verursachte
Oberflächenunregelmäßigkeiten beseitigt
werden. Um ein Ausschleppen von Beizmittel in nachfolgende Prozesse
zur Anodisierung des Werkstückes zu verhindern, ist dem
Beizbad ein Spülbad nachgeschaltet, in dem am Werkstück
anhaftende Beizlösung entfernt wird. 1 zeigt
den Grundaufbau einer Beizanlage 1, wie sie bei einem Beizverfahren
zum Beizen von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen
eingesetzt wird.
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Der
eigentliche Beizvorgang erfolgt in einem Beizbad 1, wobei
prinzipiell sowohl saure als auch alkalische Beizlösungen
eingesetzt werden können. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird als Beizlösung 2 Natronlauge verwendet, der
die eingangs beschriebenen Additive bspw. zum Verhindern einer unerwünschten
Ausfällung von Aluminiumhydroxid, zum Binden von Schwermetallen,
zum Verbessern des Beizverhaltens und zum Verbessern des Ablaufverhaltens
hinzugefügt sind. Gebräuchliche Additive enthalten
beispielsweise Natriumgluconat, Natriumsulfid, Natriumthiosulfat
oder Natriumnitrat. Weiter geeignete Additive sind dem eingangs
beschriebenen Stand der Technik entnehmbar.
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Erfindungsgemäß wird
die Zusammensetzung der Beizlösung 2 konstant
gehalten, wobei für den Beizvorgang schädliche
Feststoffanteile kontinuierlich bzw. diskontinuierlich abgezogen
werden. Erfindungsgemäß wird dabei eine Teilmenge
an Beizlösung 2 aus dem Beizbad 1 abgezogen, über
eine Feststofftrennung/-abscheidung 4 von Feststoffen befreit
und dann einem Vorlagebehälter 6 zugeführt, in
dem das nach der Feststofftrennung vorliegende Permeat durch Zugabe
von Natronlauge und Additiven mittels einer Dosiereinheit 8 auf
eine vorbestimmte Zusammensetzung eingestellt wird, wobei diese
Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Ist-Zusammensetzung
der Beizlösung während des Beizvorgangs veränderbar
ist. Die Analyse der Ist-Zusammensetzung der Beizlösung
und der Zusammensetzung des Permeats im Vorlagebehälter 6 erfolgt über
eine Analytik 10. Wobei vor der oben beschriebenen Zudosierung
von Permeat aus dem Vorlagebehälter 6 dieser zunächst
mit aufbereitetem Permeat gefüllt werden muss. Dieser Schritt
wird im Folgenden zunächst erläutert.
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1. Füllen des Vorlagebehälters 6
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Über
eine Pumpe 12 wird mit den eingangs beschriebenen Feststoffen
(Schwermetall, Schlamm, etc.) befrachtete Beizlösung 2 aus
dem Beizbad 1 abgezogen und über eine Ventilanordnung 14 der
in 1 mit gestrichelten Linien angedeuteten Feststofftrennung 4 zugeführt.
Wie in 1 angedeutet, kann über die Ventilanordnung 14 auch
ein Umlaufvolumenstrom 16 abgezweigt werden, der in das Beizbad 1 zurückgeführt
wird. Das Ventil 14 ist variabel einstellbar, so dass der
Volumentrom 3 flexibel aufgeteilt werden kann (z. B. 100%
Badumwälzung oder andere Verhältnisse, abhängig
vom jeweiligen Zyklus (Befüllen von 20, Sedimentieren
in 20, etc.)). Durch geeignete Einstellung der Ventilanordnung 14 kann
somit der über die Pumpe 12 eingestellte Volumenstrom
nochmals geteilt werden. Beim Füllen des Vorlagebehälters 6 ist
die Ventilanordnung 14 so eingestellt, dass praktisch der
gesamte abgezogene Volumenstrom 3 der Feststofftrennung 4 zugeführt
wird. Diese besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem dynamischen Filter 18 und einem Absetzbecken 20.
Prinzipiell sind jedoch auch alle anderen Feststoffabscheideverfahren
einsetzbar, über die Feststoffe aus der Beizlösung
abgetrennt werden können. So kann die Feststoffabscheidung
beispielsweise durch eine Sedimentation allein, durch Zentrifugieren
oder durch einen statischen Filter oder durch Kombination bekannter
Feststofftrennverfahren erfolgen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Mikrofiltration
verwendet, wobei eine Membran 22 verwendet wird, um den
Feststoff abzutrennen. Für die Mikrofiltration werden prinzipiell
zwei Betriebsarten unterschieden: der „Cross-Flow” und
die „Dead-End” Strömungsführung.
Bei der Cross-Flow-Filtration strömt die Rohlösung
entlang der Membranoberfläche, wobei nur ein verhältnismäßig
kleiner Teil als Permeat durch die Membran 22 tritt. Durch
eine derartige Filtration können Flüssigkeiten
mit einem hohen Trübstoff-/Feststoffgehalt geklärt
werden. Das an der Membran 22 entlang strömende
Konzentrat oder Retentat 26 wird in das Absetzbecken 20 geleitet
und von dort über eine Kreislaufpumpe 28 und eine
Kreislaufventilanordnung 30 als Umlaufstrom 32 zum
Eingang des dynamischen Filters 18 zurückgeführt
und zu der über die Pumpe 12 abgezogenen Teilmenge 3 summiert.
Durch diese Zirkulation des Retentats 26 wird dieses aufkonzentriert,
so dass dessen Feststoffanteil stetig ansteigt, da das Permeat 24 in
den Vorlagebehälter 6 abgeführt wird.
Sobald das Absetzbecken 20 mit dem auf konzentrierten Retentat 26 gefüllt
ist, wird durch Umschalten der Kreislaufventilanordnung 30 und
durch Abschalten der Kreislaufpumpe 28 sowie durch Umstellen
der Ventilanordnung 14 auf Umlauf oder auch Abschalten
der Pumpe 12 die Zirkulation des Retentats 26 unterbrochen,
so dass im Absetzbecken 20 der Sedimentationsvorgang beginnen
kann. Nach erfolgter Sedimentation wird die sich im Absetzbecken 20 einstellende
Klarphase 34 über eine Förderpumpe 37 aus
dem Absetzbecken 20 abgezogen und in den Vorlagebehälter 6 gefördert.
Die nach der Sedimentation bodenseitig vorliegende Trübphase
(Sediment) 36 wird über die Kreislaufpumpe 28 und
die entsprechend umgeschaltete Ventilanordnung 30 abgezogen
und einem weiteren Filter, beispielsweise einem statischen Filter
zugeführt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist dieser statische Filter als Kammerfilterpresse 38 ausgeführt,
in der die in der Trübphase 36 enthaltenen Feststoffe
als Filterkuchen zurückgehalten werden. Dieser Filterkuchen 40 wird dann
als Abfall entsorgt oder einer Weiterverwendung zugeführt.
Das von Feststoffen befreite Filtrat 42 strömt
dann ebenfalls in den Vorlagebehälter 6.
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Bei
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht das Volumen
des Absetzbeckens 20 in etwa dem Volumen des Vorlagebehälters 6,
so dass nach erfolgtem Sedimentationsvorgang und Abscheidung des
Filterkuchens der Vorlagebehälter 6 mit Permeat,
d. h. mit von Feststoffen befreiter Beizlösung gefüllt
ist.
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Um
ein Zusetzen der Membran 22 zu verhindern, kann der vorbeschriebene
Kreislauf auch in umgekehrter Richtung rückgespült
werden, so dass die Membranoberfläche periodisch gereinigt
wird. Diese Rückspülung ist der Einfachheit halber
in 1 nicht dargestellt. Die Rückspülung
kann beispielsweise während der Sedimentation erfolgen, wobei
im sogenannten CIP-Verfahren [Clean in Process] zunächst
mit Wasser, dann mit Säure und dann wieder mit Wasser gespült
wird.
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Nachdem
der Vorlagebehälter 6 nunmehr mit Permeat gefüllt
ist, kann die Zusammensetzung der Beizlösung 2 im
Beizbad 1 kontinuierlich auf einen Sollwert eingestellt
oder gehalten werden.
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2. Einstellung der Soll-Zusammensetzung
der Beizlösung 2
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Wie
in 1 angedeutet, wird über eine Vorlagepumpe 44 eine
vergleichsweise geringe Analysemenge 46 aus dem Vorlagebehälter 6 abgezogen und
der Analytik 10 zugeführt. Über diese
kann dann die Permeatzusammensetzung im Vorlagebehälter 6, d.
h. der Anteil an Aluminium, Natronlauge und Additiven bestimmt werden.
Die Analytik 10 ist ausgelegt, um diese Bestandteile mit
hinreichender Genauigkeit erfassen zu können. Auf diese
Weise wird die Ist-Zusammensetzung des Permeats im Vorlagebehälter 6 bestimmt.
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Durch
kurze Ansteuerung der Pumpe 12 und entsprechende Umsteuerung
der Ventilanordnung 14 kann auch ein geringer Anteil von
Beizlösung aus dem Beizbad 1 abgezogen und zum
Filter 18 geführt werden. Das die Membran 22 durchdringende
Permeat 24 wird dann ebenfalls der Analytik 10 zugeführt,
so dass die Ist-Zusammensetzung der Beizlösung 2 (befreit
von Feststoffen) erfasst wird.
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In
dem Fall, in dem die Ist-Zusammensetzung der Beizlösung 2 von
der Soll-Zusammensetzung abweicht, werden über die Dosiereinheit 8 Natronlauge
und Additive dem Vorlagebehälter 6 zudosiert,
so dass sich eine vorbestimmte Soll-Permeatzusammensetzung einstellt. Über
die Vorlagepumpe 44 und die entsprechend umgesteuerte Vorlageventilanordnung 48 wird
dann Permeat mit der voreingestellten Permeat-Sollzusammensetzung
aus dem Vorlagebehälter 6 abgezogen. Dieser Vorlagevolumenstrom 50 wird
dann in das Beizbad 1 zurückgeführt,
so dass die Beizlösung 2 auf die gewünschte Soll-Zusammensetzung
gebracht wird und eventuelle Verluste durch Ausschleppen, Verdampfen,
etc. ausgeglichen werden.
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Nach
der vorbeschriebenen Feststofftrennung liegt der Feststoffanteil
der Stoffströme 24, 34 und 42 im
Wesentlichen auf dem gleichen niedrigen Niveau nahe 0%. Sobald der
Füllstand des Vorlagebehälters 6 ein
vorbestimmtes Niveau unterschreitet, wird die Beizanlage wieder
in den vorstehend unter 1. beschriebenen Modus umgeschaltet, um
den Vorlagebehälter 6 mit Permeat/Aluminat zu
füllen.
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Die über
die Dosiereinheit 8 zudosierten Additive können
auch an die einzelnen vorbeschriebenen Stofftrennschritte angepasst
werden, so dass beispielsweise eine optimierte Filtration oder Sedimentation
ermöglicht ist.
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Bei
dem beschriebenen Verfahren ist die Temperatur im Vorlagebehälter 6 geringer
als die Temperatur des Beizbads 1. So kann das Beizbad 1 beispielsweise
bei einer Temperatur von 70°C betrieben werden – die
Temperatur im Vorlagebehälter 6 kann dann beispielsweise
etwa 40°C betragen. Im Filter 18 und auch im Absetzbecken 20 liegt
die vergleichsweise hohe Temperatur (70°C) an, so dass aufgrund
dieser vergleichsweise hohen Temperatur ein höherer Durchfluss
durch den Mikrofilter 18 realisierbar ist.
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Wie
in 1 des Weiteren angedeutet, kann über
die Vorlagepumpe 44 und die Ventilanordnung 48 ein
nicht benötigter Volumenanteil an Permeat (im Wesentlichen
bestehend aus Natriumaluminaten) 52 abgezogen und einer
industriellen Verwertung zugeführt werden. Derartige Natriumaluminat-Lösungen werden
beispielsweise zur Trinkwasseraufbereitung, Abwasserreinigung oder
als Rohstoff zur Zeolith-Erzeugung angewendet. Der Abzug erfolgt
aber auch, um ein zu hohes Ansteigen des Al-Gehalts im Bad zu verhindern
und die Al-Konzentration in einem definierten Sollbereich zu halten.
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Über
das vorbeschriebene Verfahren kann die Konzentration der Beizlösung 2 im
Beizbad 1 auf einer definierten Zusammensetzung gehalten
werden, wobei die entstehenden Feststoffe kontinuierlich bzw. quasi
kontinuierlich abgetrennt werden. Durch diesen minimalen Feststoffanteil
in der Beizlösung 2 und das Vermeiden von Temperatur-
und Konzentrationsschwankungen in der Beizlösung 2 ist
die Gefahr einer Steinbildung oder das Entstehen von Schlamm im
Vorlagebehälter 6 oder im Beizbad 1 praktisch
nicht vorhanden. Da während des Betriebs somit kein Schlamm
anfällt, können aufwendige Reinigungsarbeiten
und der damit einhergehende Stillstand der Anlage entfallen.
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Der
vorbeschriebene Prozess eröffnet des Weiteren die Möglichkeit
der Rückgewinnung von Natronlauge aus der Beiz- oder Permeatlösung
und der Wiederverwendung im Beizprozess.
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Aufgrund
der in den Prozess integrierten, kontinuierlichen oder abschnittsweise
betriebenen Analyse mittels der Analytik 10 sind aufwendige
manuelle Analyseverfahren, wie sie bei den eingangs beschriebenen
herkömmlichen Lösungen erforderlich sind, beispielsweise
ein manuelle Titration, nicht erforderlich.
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Bei
dem zuvor beschriebenen Verfahren wird das Permeat 24,
die Klarphase 34 und das Filtrat 42 gemeinsam
in den Vorlagebehälter 6 eingeleitet. Die Zudosierung
zur Einstellung der Vorlagekonzentration erfolgt ebenfalls in diesem
Vorlagebehälter 6.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße
Anlage dargestellt, bei der der Vorlagebehälter 6 zweiteilig
mit einem Permeatbehälter 54 und einem Dosierbehälter 56 ausgeführt
ist. Diese beiden Behälter 54, 56 sind über
eine Speisepumpe 58 und eine Speiseleitung 60 miteinander
verbunden, so dass der Dosierbehälter 56 über
die Speisepumpe 58 und die Speiseleitung 60 aus
dem Permeatbehälter 54 befüllt werden
kann. Dem Permeatbehälter 54 werden das Permeat 24,
die Klarphase 34 und das Filtrat 42, d. h., die
feststoffarmen Fraktionen aus der Feststofftrennung zugeführt.
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Die
Einstellung der Permeat-Sollzusammensetzung (Dosiervorlage) erfolgt
durch Zudosieren von Natronlauge und/oder sonstigen geeigneten Additiven,
wie beispielsweise Komplexbildnern, Inhibitoren, Fällmittel
für Schwermetalle, die wahlweise aus Additivbehältern 62, 64, 66, 68 über
eine Dosierventilanordnung 70 sowie eine Dosierpumpe 72 zugeführt
werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Dosierventilanordnung
können in Abhängigkeit von der Analyse gezielt
Natronlauge oder eines oder mehrere der Additive zugegeben werden,
um die Sollzusammensetzung einzustellen.
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Die
in 2 dargestellte Variante hat den Vorteil, dass
das Befüllen des Permeatbehälters 54 und
das Zudosieren des Vorlagevolumenstroms 50 aus dem Dosierbehälter 56 in
das Beizbad 1 zur Einstellung der Soll-Beizlösungzusammensetzung
parallel erfolgen kann, während beim zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel das Befüllen und das Zudosieren
abschnittsweise erfolgt.
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In
dem Fall, in dem die Beizlösung eine zu hohe Konzentration
an Aluminium/Aluminat enthält, sollte zum Vermeiden von
Ausfällungen Aluminat abgezogen werden. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel erfolgt dies über die Vorlageventilanordnung 48, über
die konzentriertes Permeat/Aluminat 52 aus dem Dosierbehälter 56 abgezogen
und einem Sammelbehälter 74 zugeführt
wird – so dass die Aluminatkonzentration im Dosierbehälter 56 und/oder
in der Beizlösung 2 abgesenkt wird. Die im Sammelbehälter 74 aufgenommene
Aluminatlösung kann über eine Umwälzpumpe 76 und
eine Umlaufleitung 78 umgewälzt werden. Mittels
einer Abzugsventilanordnung 80 kann Aluminat aus dem Sammelbehälter 74 abgezogen
und einer Weiterverwertung zugeführt werden.
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Eine
Besonderheit dieser Verfahrensvariante besteht darin, dass über
die Analytik 10 die Konzentration des im Dosierbehälter
aufgenommenen Aluminats/Permeats erfasst werden kann und durch geeignete
Ansteuerung der Dosierventilanordnung 70 eine gezielte
Sollkonzentration eingestellt werden kann, die dann – beispielsweise
nicht im Hinblick auf das Beizverfahren – sondern im Hinblick
auf die Weiterverwertung optimiert ist. D. h., bei Abzug des Aluminats
aus dem Dosierbehälter 56 kann die Aluminatkonzentration
durch Zugabe von Natronlauge und Additiven, beispielsweise Komplexbildnern
gezielt auf eine Konzentration eingestellt werden, die eine optimale
Weiterverwertung gewährleistet und somit auch für
die das Aluminat abnehmenden Unternehmen interessant ist.
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2 enthält
noch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage.
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Bei
den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird Beizlösung 2 der
Feststofftrennung 4 zugeführt und die dabei anfallende
feststoffarme Fraktion (Feststoffgehalt nahezu 0%) dann dem ein-
oder zweiteiligen Vorlagebehälter 6 zugeführt,
in dem die Einstellung der Sollkonzentration erfolgt und aus dem
dann die Permeatvorlage der Beizlösung 2 zugeführt
wird.
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2 zeigt
eine Variante, die selbstverständlich auch beim Anlagenschema
gemäß 1 anwendbar ist und bei der
eine Lösung aus einer anderen vor- oder nachgeschalteten
Verfahrensstufe, beispielsweise einer E0-Beize 82 oder
einer ersten Spüle (siehe eingangs genannter Stand der
Technik) über eine Zuführpumpe 84, eine
Zuführventilanordnung 86 und eine Zuführleitung 88 stromabwärts
der Ventilanordnung 14 dem Stoffstrom zugeführt
wird. D. h., der Vorlagevolumenstrom 50 besteht nicht nur im
Wesentlichen aus einer dem Beizbad 1 entnommenen Teilmenge
sondern kann teilweise oder vollständig – je nach
Einstellung der Ventilanordnungen 14 und 86 auch
der genannten anderen Verfahrensstufe, beispielsweise der E0-Beize 82 entnommen werden.
Prinzipiell ist es auch möglich, über die Zuführventilanordnung 86 dem
Beizbad 1 direkt Beizlösung aus der E0-Beize 82 zuzuführen.
Eine derartige Zuführung ist im Anlagenschema gemäß 2 mit der
Direktzuleitung 90 angedeutet. Selbstverständlich
können die beiden Ventilanordnungen 14, 86 auch
zu einer einzigen Ventilanordnung zusammengefasst werden. Je nach
Konzentration der E0-Beizlösung kann die Zuführleitung 88 auch
vor oder nach einem der einzelnen Feststofftrennschritte einmünden.
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Gemäß den
zuvorstehenden Ausführungen erfolgt eine Schwermetallfällung
innerhalb des Beizbads 1. Bei einer Variante kann diese
Fällung auch außerhalb des Beizbads 1 erfolgen.
So ist es beispielsweise möglich, die Schwermetallfällung
im Absetzbecken 20 (Eindicker) durchzuführen,
wobei dann über die Prozessanalytik 10 zunächst
die erforderliche Menge an Fällmittel/Natriumsulfid ermittelt und
dann zugeführt wird. Dadurch kann eine Überdosierung
von Natriumsulfid ausgeschlossen werden. In diesem Fall wird dann
der das Fällmittel enthaltende Additivbehälter
(beispielsweise der Additivbehälter 66) über
die Dosierventilanordnung 70 mit dem Absetzbecken 20 verbunden
sein.
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Offenbart
sind ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken aus Aluminium
oder Aluminiumlegierungen und eine Anlage, die nach einem derartigen
Verfahren betrieben werden kann. Erfindungsgemäß wird
eine Teilmenge einer Lösung aus einem Bad zur Behandlung
der Werkstücke abgezogen, von Feststoffen befreit und mit
einer vorbestimmten Konzentration und einem vorbestimmten Volumenstrom dem
Bad wieder zugeführt.
-
- 1
- Beizbad
- 2
- Beizlösung
- 3
- Teilmenge
- 4
- Feststofftrennung
- 6
- Vorlagebehälter
- 8
- Dosiereinheit
- 10
- Analytik
- 12
- Pumpe
- 14
- Ventilanordnung
- 16
- Umlauf
- 18
- dynamischer
Filter
- 20
- Absetzbecken
- 22
- Membran
- 24
- Permeat
- 26
- Retentat
- 28
- Kreislaufpumpe
- 30
- Kreislaufventilanordnung
- 32
- Umlaufstrom
- 34
- Klarphase
- 36
- Trübphase
- 37
- Förderpumpe
- 38
- Kammerfilterpresse
- 40
- Filterkuchen
- 42
- Filtrat
- 44
- Vorlagepumpe
- 46
- Analysenmenge
- 48
- Vorlageventilanordnung
- 50
- Vorlagevolumenstrom
- 52
- Aluminat
- 54
- Permeatbehälter
- 56
- Dosierbehälter
- 58
- Speisepumpe
- 60
- Speiseleitung
- 62
- Additivbehälter
- 64
- Additivbehälter
- 66
- Additivbehälter
- 68
- Additivbehälter
- 70
- Dosierventilanordnung
- 72
- Dosierpumpe
- 74
- Sammelbehälter
- 76
- Umwälzpumpe
- 78
- Umlaufleitung
- 80
- Abzugsventilanordnung
- 82
- 1.
Spüle bzw. E0-Beize
- 84
- Zuführpumpe
- 86
- Zuführventilanordnung
- 88
- Zuführleitung
- 90
- Direktzuleitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10054128
A1 [0008]
- - GB 1340505 [0011]
- - DE 4015141 A1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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