Problém citlivosti na železo
Elektrolyty pro pokovování trojmocným chromováním pracují se zásadně odlišnou chemií než lázně šestimocného chromu. Iont Cr(III) je kineticky stabilní, ale termodynamicky citlivý na kontaminaci. Železo v koncentracích tak nízkých, jako je 10 ppm, interferuje s komplexní rovnováhou mezi chromem a organickými komplexotvornými činidly. Výsledkem je progresivní posun barvy návaru od jasně modré- bílé k matně šedé, spojený se sníženou účinností pokovování.
Železo vstupuje do lázně ze dvou zdrojů: vtahováním-dovnitř z předúpravy ocelového obrobku a rozpouštěním z nerezových topných spirál. Zdroj předúpravy lze řídit lepším proplachováním. Zdroj tepelného výměníku je spojitý a nevyhnutelný s kovovými spirálami. Když cívka koroduje v horkém kyselém elektrolytu, -typické provozní pH 2,5-3,5 při 40-50 stupních - ionty železa vstupují do lázně stálou rychlostí.
Lázeň s trojmocným chrómem nemůže tolerovat rychlost akumulace železa, kterou bez problémů zvládají šestimocné lázně. Šestimocný chrom pracuje s vysokými koncentracemi kyseliny chromové, která oxiduje rozpuštěné železo na méně obtížný železitý stav. Trojmocné koupele toto silné oxidační prostředí postrádají. Železo se hromadí progresivně a každá ppm měřitelně snižuje výkon pokovování.
Kinetika akumulace železa
Nerezová ocel 316L v elektrolytu trojmocného chrómu při pH 3,0 a 45 stupních koroduje rychlostí přibližně 0,05-}0,15 mm/rok. Typická ponorná cívka s povrchem 1,5 m² a tloušťkou stěny 2,0 mm obsahuje přibližně 24 kg oceli. Roční ztráta korozí 0,10 mm/rok znamená přibližně 1,2 kg rozpuštěného kovu za rok, převážně železa, s menším množstvím niklu a chrómu.
V pokovovací lázni o objemu 8 000 litrů zvyšuje 1,2 kg železa koncentraci železa o 150 ppm za rok, tedy přibližně o 3 ppm za týden. Kritický práh pro dopad na kvalitu vkladu je 10-15 ppm. Samotná koroze spirály posune lázeň přes tento práh během 4-5 týdnů, pokud není přijato žádné nápravné opatření.
Nápravné opatření obvykle zahrnuje částečnou výměnu lázně. Vypuštění 20 % objemu lázně každý měsíc za účelem kontroly železa způsobuje značné chemické náklady a náklady na zpracování odpadu. Selektivní výměna iontů pro odstranění železa je technicky proveditelná, ale provozně složitá a kapitálově-náročná. Jednodušším řešením je odstranění zdroje železa.
Tabulka 1: Akumulace železa a srovnání životnosti lázně (8 000 litrů trojmocného chromu, 45 stupňů)
| Parametr | Cívka z nerezové oceli | Titanová cívka | PTFE výměník tepla |
|---|---|---|---|
| Rychlost koroze cívky (mm/rok) | 0.05-0.15 | 0.01-0.03 | 0 |
| Roční rozpuštění železa/titanu (gramy) | 900–1 500 (Fe) | 160–480 (Ti) | 0 |
| Týdenní nárůst kontaminantů (ppm) | 2.2-3.8 | N/A (efekty Ti se liší) | 0 |
| Čas k dosažení prahové hodnoty 15 ppm Fe | 4-7 týdnů | N/A | Nikdy |
| Frekvence vypouštění lázně pro řízení Fe | Každých 4-8 týdnů | N/A | Nikdy (žádný zdroj Fe) |
| Roční objem výměny vany (litry) | 48,000-96,000 | N/A | 0 |
| Roční náklady na zpracování odpadu (relativní) | 1,0 (základní hodnota) | 0.6 | 0,1 (žádné z kontroly Fe) |
Interakce komplexujícího agenta
Kontaminace železem v lázních s trojmocným chrómem dělá více než jen odbarvování usazenin. Železo železité soutěží s chromem o organická komplexotvorná činidla-typicky formiát, acetát nebo proprietární deriváty aminokyselin-, které stabilizují iont Cr(III) proti srážení. Každý železitý iont, který váže komplexotvornou molekulu, vytěsňuje iont chrómu ze svého komplexu, čímž se snižuje účinná koncentrace chrómu dostupná pro pokovování.
Vytěsněný chrom hydrolyzuje a vysráží se jako kal hydroxidu chromitého, čímž se lázeň dále vyčerpává. Kal se hromadí na dně nádrže a musí být odstraněn filtrací nebo čištěním nádrže. Dvojí ztráta-srážení chrómu a spotřeba komplexotvorných činidel-činí kontaminaci železem neúměrně drahou vzhledem k množství vneseného železa.
PTFE: Zero Iron Úvod
Tepelný výměník PTFE neobsahuje železo. Fluorpolymerové trubky, nosné desky a sběrače neobsahují 100%-kovy. Rozpouštění železa není možné. Koncentrace železa v lázni je určena výhradně vtahováním-z obrobků, což lze řídit řízením procesu předúpravy.
Eliminace nepřetržitého zdroje železa transformuje údržbu lázně z reaktivní na plánovanou. Odpadají částečné skládky pro kontrolu železa. Rychlost přidávání komplexotvorných činidel je předvídatelná spíše na základě elektrochemické spotřeby než na základě ztrát způsobených kontaminací-. Tvorba chromového kalu výrazně klesá.
Snížení provozních nákladů lázně přesahuje chemické úspory. Filtrační systémy vydrží déle mezi čisticími cykly. Životnost anody se prodlužuje, protože chromový kal nepokrývá povrchy anody. Objem zpracování odpadu se snižuje, protože se provádí méně skládkování.
Shrnutí
Opakující se kontaminace železem v lázních pro pokovování trojmocným chrómem je způsobena kontinuálním rozpouštěním z nerezových topných hadů. Kontaminace zhoršuje vzhled usazenin, spotřebovává komplexotvorná činidla, vysráží chromový kal a vynucuje si častou částečnou výměnu lázně.
Tepelné výměníky PTFE zcela eliminují zdroj železa. Při nulovém obsahu kovu a nulové korozi se do lázně z topného systému nedostane žádné železo. Údržba lázně se posouvá od kontroly kontaminace k rutinnímu doplňování, čímž se snižují náklady na chemikálie, objem odpadu a variabilita procesu.
Technická analýza pro konverzi PTFE výměníku tepla v operacích pokovování trojmocným chromováním je k dispozici po předložení údajů o objemu lázně, aktuální míře akumulace železa, frekvenci částečného vypouštění a spotřebě komplexotvorného činidla.
