FI126236B - Menetelmä peitattaessa metallimateriaalia - Google Patents

Description

Menetelmä peitattaessa metallimateriaalia - Förfarande vid betning av metallmaterial

Esillä oleva keksintö liittyy metallituotteiden peittaukseen, erityisesti ruostumattomasta teräksestä valmistettujen tuotteiden peittaukseen.

Tällaisten metallituotteiden valmistuksessa tuotteelle suoritetaan yleensä peittaus-vaihe, jossa oksidit poistetaan metallin pinnalta. Peittausliuos voi olla esimerkiksi HF:n ja HN03:n seosta tai pelkkää HN03:a vesiliuoksessa. Peittauksen aikana muodostuu sivutuotteena NOx-tuotteita, jotka ovat vapautuessaan ympäristöä vahingoittavia. Lisäksi on säädetty vaatimuksia, jotka edellyttävät tällaisten yhdisteiden matalia päästöjä.

Muodostuneista NOx-yhdisteistä voidaan huolehtia käyttämällä tavanomaisia laitteita kuten niin kutsuttua SCR-laitetta (selektiivinen katalyyttinen puhdistus). Tämä vaatii kuitenkin kaasumaisten tuotteiden kuumentamisen noin 450 °C:een peittauskylvyn huomattavasti alhaisemmasta lämpötilasta, mikä vaatii energiaa ja nostaa tästä syystä kustannuksia. Lisäksi useissa tapauksissa tarvitaan suodattimia poistamaan fluoridit, jotta saadaan riittävä käyttöikä. Lisäksi SCR:n kanssa käytetään ammoniakkia tai UREAa pelkistysaineena, jolloin tarvitaan lisälaitteisto näiden kemikaalien käsittelyyn.

Näiden ongelmien välttämiseksi on mahdollista sekoittaa otsonikaasu muiden peittauskylvystä peräisin olevien kaasujen kanssa, mikä johtaa siihen, että NOx hapettuu, jolloin jälkimmäisessä vaiheessa muodostuu N205:tä:

Tämän jälkeen N205:tä voidaan käsitellä niin sanotussa kaasunpesutomissa yhdessä veden kanssa. N205 liukenee nimittäin hyvin veteen ja muodostaa typpihappoa vesi-liuoksessa seuraavasti:

Kaasunpesutomi on laite, jossa sisään virtaavalle kaasulle suoritetaan erittäin voimakas ja turbulentti sekoittaminen pesutomi- tai suihkutusnesteellä. Normaalisti kaasunpesutomi sisältää täyteainetta, joten kaasu/neste-kontaktipinta tulee suureksi.

Tällaisia prosesseja, joissa käsitellään NOx:ää, on kuvattu muun muassa US-paten-teissa 6 162 409 ja 5 985 223.

Myöhemmissä vaiheissa muodostunutta typpihappoa voidaan sitten käsitellä lisä-vaiheissa. Tämä on kuitenkin ongelmallista, koska on olemassa riski, että nitraatteja vuotaa lopulta ympäristöön. Samaan aikaan muodostuneen typpihapon pitoisuudet ovat niin alhaisia, että sen uuttaminen on useimmiten epätaloudellista.

Esillä oleva keksintö ratkaisee edellä kuvatut ongelmat.

Näin ollen keksintö liittyy menetelmään peitattaessa metallimateriaalia HN03:a sisältävässä peittauskylvyssä, jossa peittauksessa muodostuu NOx-yhdisteitä, jossa menetelmässä reaktiokaasut, jotka sisältävät NOx-yhdisteitä peittauksesta, järjestetään hapettumaan niin, että muodostuu N205:tä, ja jossa reaktiokaasuja käsitellään kaasunpesutomissa, jossa muodostunut N205 järjestetään liukenemaan kaasun-pesutominesteeseen ja muodostamaan näin HN03:a, ja se on tunnettu siitä, että kaa-sunpesutomi ja peittauskylpy on järjestetty sisältämään kaksi erillistä yksikköä, jotka on järjestetty olemaan yhteydessä toinen toisensa kanssa tuomalla kaasun-pesutomineste kaasunpesutomista peittauskylvylle ja tuomalla peittausliuos peittauskylvystä kaasunpesutomille niin, että kaasunpesutomineste ja peittausliuos järjestetään yhteiseksi pesuaineliuokselle ja peittauskylvylle ja niin, että peittausliuosta käytetään kaasunpesutominesteenä.

Seuraavassa keksintö kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten keksinnön esimerkkeinä oleviin toteuttamistapoihin ja liitteinä oleviin piirroksiin, joissa: kuvio 1 on yleiskuva tavanomaisesta peittauslaitteesta; kuvio 2 on yleiskuva esillä olevan keksinnön mukaisesta peittauslaitteesta.

Kuvio 1 esittää tavanomaisen peittauskylvyn, jossa suoritetaan metallimateriaalin 2 peittaus. Peittauskylvyssä voidaan käyttää esimerkiksi peittaushappoa HF:n ja HN03:n seoksen muodossa oksidien poistamiseksi metallimateriaalin 2 pinnalta. Yleisesti käytetty seos on noin 15 % HN03:a ja noin 5 % HF:ää vesiliuoksessa.

Peittauskylpyyn 1 on järjestetty sekoitusväline 3, esimerkiksi pumpun muodossa, peittausliuoksen sekoittamiseksi lisäten näin peittauksen tehokkuutta ja toistettavuutta.

Peittauksen aikana muodostuu NOx:ää kuviossa 1 esitetyssä sovellutuksessa noin 10 % NO:ta ja noin 90 % N02:ta, vaikka tämä jakautuma voikin vaihdella riippuen kyseessä olevasta käyttösovelluksesta. Tämä muodostunut NOx kerätään höyryfaa-sissa kupuun 4 tai vastaavaan ja se johdetaan laitteeseen sekoittaen otsonikaasu muodostuneiden kaasujen kanssa. Tällöin muodostuu edellä esitetyn mukaisesti N205:tä, joka johdetaan sinänsä tavanomaiseen niin kutsuttuun kaasunpesutomiin 6. Tässä viimeksi mainitussa luodaan suuri kosketuspinta laitteesta 5 johdettujen kaasujen ja veden välille, jolloin muodostuu typpihappoa. Muodostunut typpihappo johdetaan ulos ulostuloputken 7 A läpi lisäprosessointia varten. Puhdistettu kaasu johdetaan savupiippuun 7b.

Normaalikokoista laitteistoa varten tyypillinen muodostunut NOx-pitoisuus kaasussa, joka johdetaan pois peittauskylvystä, on välillä 1000-5000 ppm. Samalla tavalla reaktiokaasujen tyypillinen ulosvirtaus on välillä 1000 - 15 000 Nm3/h. Nämä luvut vaihtelevat riippuen prosessin yksityiskohtaisesta rakenteesta.

Kaikki prosessivaiheet tapahtuvat kosteassa ympäristössä ja normaalisti lämpötilassa, joka on N205:n sublimaatiolämpötilan yläpuolella. Lämpötila peittauskylvyssä voi kuitenkin vaihdella noin 20-95 °C, edullisemmin 70-95 °C.

Kuvio 2 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen peittausvaiheen. Viitenumerot vastaaville osille ovat samat kuin kuviossa 1.

Yhden edullisen toteuttamistavan mukaan metallimateriaali on ruostumatonta terästä ja se on edullisesti venytetty liuskan, levymetallin, langan, putken, tangon tai vastaavan muotoon. Yhden edullisen toteuttamistavan mukaan peittaus tapahtuu pa-nosprosessina, yhden toisen edullisen toteuttamistavan mukaan se tapahtuu jatkuvana prosessina.

Keksinnön mukaan peittauksen aikana muodostuneet NOx-yhdisteet hapettuvat niin, että muodostuu N205:tä.

Yhden edullisen toteuttamistavan mukaan NOx:ää sisältävät reaktiokaasut peittauskylvystä 1 kerätään kupuun 4 ja sen jälkeen ne johdetaan kaasunpesutomiin 6. Matkalla sinne ne sekoitetaan otsonikaasun kanssa laitteessa 5, jossa muodostuu N205:tä aiemmin esitetyllä tavalla. Edullisesti viipymisaika laitteessa 5 eli reaktio-kaasujen ja otsonikaasun välinen sekoittumisaika, ennen kuin reaktiokaasut johdetaan kaasunpesutomiin 6, on vähintään 2 sekuntia. Tällä tavalla NOx-yhdisteiden ja otsonin välisen reaktion annetaan jatkua sellaisen ajan, joka on riittävän pitkä, jotta korkea prosenttiosuus NOx:ää, esim. vähintään 90 %, muuttuu N205:ksi.

Tämän jälkeen reaktiokaasut, jotka sisältävät tässä vaiheessa merkittävästi alhaisemmat NOx-pitoisuudet, sekoitetaan kaasunpesutomissa 6 hyvin turbulenteissa muodoissa kaasunpesutominesteen kanssa siten, että muodostunut N205 liukenee kaasunpesutominesteeseen muodostaen HN03:a.

Keksinnön mukaan kaasunpesutomi 6 ja peittauskylpy 1 ovat yhteydessä toinen toisensa kanssa siten, että kaasunpesutomineste ja peittausliuos on yhteinen kaasun-pesutomille 6 ja peittauskylvylle 1. Toisin sanoen peittausliuosta käytetään myös kaasunpesutominesteenä.

Tällaisella järjestelyllä saavutetaan useita etuja.

Ensinnäkin liuennut typpihappo käytetään uudelleen peittaushapon muodossa rikastamalla typpihappoa kaasunpesutominesteessä, mikä vähentää peittaushappojen uu-delleentäyttötarvetta peittauskylvyssä 1.

Toiseksi vältetään ongelma, joka liittyy kaasunpesutomissa 6 muodostuneesta typpihaposta huolehtimiseen, koska tämä typpihappo käytetään sen sijaan peittauskylvyssä 1. Erityisesti vältetään se riski, että muodostunut typpihappo pääsisi ympäristöön ja sen seurauksena vahingoittaisi ympäristöä.

Kun peittausliuoksena käytetään HF:ää, osa peittauskylpyyn 1 liuenneesta HF:stä haihtuu ja seuraa kaasuja kaasunpesutomiin 6. Kaasunpesutomissa 6 ne voivat taas liueta osittain kaasunpesutominesteeseen ja kulkeutua takaisin peittauskylpyyn 1 liuenneessa muodossa peittauskylvyn 1 ja kaasunpesutomin 6 välisen nesteyhteyden kautta. Tällä tavalla saavutetaan sellainen lisäetu, että tapahtuu HF:n uudelleenkier-rätys, jolloin osa haihtuneesta HF:stä palautuu takaisin peittauskylpyyn 1.

Peittausliuoksen varsinainen käyttö kaasunpesutominesteenä voidaan saavuttaa monella eri tavalla.

Yhden erityisen edullisen toteuttamistavan mukaan peittausliuos johdetaan, putkea 11 pitkin ja käyttäen toisaalta yhtä tai useampaa pumppua 12, 13 tai vastaavaa välinettä ja toisaalta lämpötilan säätäjää 14, peittauskylvystä 1 kaasunpesutomiin 6. Peittausliuos johdetaan putkea 16 pitkin kaasunpesutomin 6 pohjaan siten, että se sekoittuu siellä kaasunpesutominesteen kanssa. Lisäksi peittausliuos johdetaan pumpun 13 kautta kaasunpesutomin 6 yläosaan, jossa se levitetään sinänsä tavanomaisella tavalla kaasunpesutomiin 6 tämän viimeksi mainitun normaalin toiminnan avulla. Lisäksi kaasunpesutomineste johdetaan putkea 15 pitkin kaasunpesutor-nin pohjasta ja jälleen pumpun 13 kautta kaasunpesutomin 6 yläosaan. Myös kaa- sunpesutomineste johdetaan kaasunpesutomin 6 pohjasta peittauskylpyyn 1 putkea 17 pitkin. Tällä tavalla saavutetaan yhteisen peittaus- ja kaasunpesutominesteen kierto toisaalta kaasunpesutomissa 6 ja toisaalta edestakaisin peittauskylvyn 1 ja kaasunpesutomin 6 välillä, mikä johtaa typpihapon hyvään rikastumiseen kaasunpesutomissa, jota rikastettua typpihappoa voidaan käyttää sen jälkeen peittauskylvyssä 1. Lämpötilan säätäjä 14 antaa mahdollisuuden kontrolloida lämpötilaa kaasunpesutomissa 6 erillään lämpötilasta peittauskylvyssä 1, jolloin molemmissa astioissa voidaan saavuttaa optimaalinen prosessointilämpötila.

Kun peittausliuoksena käytetään HF:ää yhdistelmänä HNCtyn kanssa, HF haihtuu osittain peittauskylvystä 1 ja liukenee jälleen kaasunpesutomissa 6 edellä kuvatun mukaisesti. Pitämällä lämpötila kaasunpesutomissa 6 alhaisempana kuin peittauskylvyssä 1 käyttäen lämpötilan säädintä 14, joka säätää kaasunpesutomiin 6 johdettavan peittausliuoksen lämpötilaa, saavutetaan kaasunpesutomissa 6 kaasumaisen HF:n tehokas kierrätys. Nimittäin HF:n höyrynpaine nousee merkittävästi lämpötilan noustessa, jolloin voidaan saavuttaa paljon tehokkaampi HF:n liukeneminen matalammissa lämpötiloissa kuin korkeammissa lämpötiloissa. Yhden edullisen toteuttamistavan mukaan HF:n tehokkaan kierrätyksen saavuttamiseksi lämpötilan kaasunpesutomissa 6 pitäisi olla lähellä ympäröivää lämpötilaa eli noin 15-20 °C eli toisin sanoen huoneenlämpötila, ja lämpötilan peittauskylvyssä 1 pitäisi olla vähintään noin 60 °C.

Yhden toisen edullisen toteuttamistavan mukaan otsonikaasua syötetään jo peittauskylpyyn 1, esimerkiksi kuplivana otsonikaasuna peittausliuoksen pohjassa. Tällä tavalla peittauksen aikana muodostuneet NOx-yhdisteet reagoivat kokonaan tai osittain otsonin kanssa jo peittausliuoksessa, jolloin muodostuu N205:tä, joka N205 liukenee peittausliuokseen muodostaen näin HN03:a. Jotta voidaan parantaa olosuhteita HN03:n tehokasta muodostumista varten muodostuneista NOx-yhdisteistä, tässä tapauksessa peittausliuos voi kiertää niin voimakkaasti peittauskylvyssä 1, että oleellisesti kaikki muodostunut NOx reagoi otsonin kanssa, jolloin peittauskylvyssä 1 muodostuu N205:tä. Toisin sanoen kaasunpesutomi 6 on tässä tapauksessa järjestetty integroiduksi osaksi peittauskylpyä 1. On edullista, että käytetty otsonikaasu-määrä on riittävän suuri ja että turbulenssi peittauskylvyssä 1 on riittävän voimakasta, jotta NOx-määrä, joka poistuu peittauskylvystä 1, on tässä tapauksessa alle noin 100 ppm, edullisemmin alle 50 ppm.

Yhden toisen edullisen toteuttamistavan mukaan otsonikaasu syötetään varsinaiseen kaasunpesutomiin 6. Tästä saavutetaan sellainen etu, että otsonikaasun ja NOx-yh-disteiden välinen reaktioaika ja -pinta maksimoituvat.

Edellä on kuvattu edullisia toteuttamistapoja. Alan ammattimiehelle on kuitenkin ilmeistä, että kuvattuihin toteuttamistapoihin voidaan tehdä useita modifikaatioita erkaantumatta kuitenkaan keksinnön ajatuksesta. Näin ollen keksintö ei rajoitu kuvattuihin toteuttamistapoihin, vaan se voi pikemminkin vaihdella liitteenä olevien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (10)

1. Menetelmä peitattaessa metallimateriaalia (2) HN03:a sisältävässä peittauskylvyssä (1), jossa peittauksessa muodostuu NOx-yhdisteitä, jossa menetelmässä reak-tiokaasut, jotka sisältävät NOx-yhdisteitä peittauksesta, järjestetään hapettumaan niin, että muodostuu N205:tä, ja jossa reaktiokaasuja käsitellään kaasunpesutomissa (6), jossa muodostunut N205 järjestetään liukenemaan kaasunpesutominesteeseen ja muodostamaan näin HN03:a, tunnettu siitä, että kaasunpesutomi (6) ja peittauskylpy (1) on järjestetty sisältämään kaksi erillistä yksikköä, jotka ovat järjestetty olemaan yhteydessä toinen toisensa kanssa tuomalla kaasunpesutomineste kaasun-pesutomista (6) peittauskylvylle (1) ja tuomalla peittausliuos peittauskylvystä (1) kaasunpesutomille (6) niin, että kaasunpesutomineste ja peittausliuos järjestetään yhteiseksi kaasunpesutomille (6) ja peittauskylvylle (1) ja niin, että peittausliuosta käytetään kaasunpesutominesteenä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että otsonikaasua käytetään hapetusaineena, joka on tarkoitettu NOx:n hapettamiseksi N205:ksi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktiokaasut sekoitetaan otsonikaasun kanssa ennen kuin reaktiokaasut saavuttavat kaasunpesu-tomin (6).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktiokaasuja sekoitetaan otsonikaasun kanssa vähintään 2 sekunnin ajan ennen kuin reaktio-kaasut järjestetään saavuttamaan kaasunpesutomi (6).

5. Patenttivaatimuksen 2, 3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että otso-nikaasu syötetään jo peittauskylpyyn (1).

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että otsonikaasu syötetään reaktiokaasuihin kaasunpesutomissa (6).

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että peittausliuos johdetaan peittauskylvystä (1) kaasunpesutomiin (6) ja takaisin, mutta myös siitä, että kaasunpesutominestettä kierrätetään samanaikaisesti kierrätys silmukassa kaasunpesutomin (6) pohjalta sen yläosaan.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallimateriaali (2) on ruostumatonta terästä.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että HF:ää käytetään yhdistelmänä HN03:n kanssa peittauskylvyssä (1), ja siitä, että lämpötilaa kaasunpesutomissa (6) kontrolloidaan käyttäen lämpötilasäätäjää (14) siten, että lämpötila on alhaisempi kuin peittauskylvyssä (1).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila kaasunpesutomissa (6) on noin huoneenlämpötila ja että lämpötila peittauskylvyssä (1) on vähintään noin 60 °C.