Металлическая отделка

Поверхностная обработка металлов повышает их долговечность и улучшает внешний вид. Один продукт может подвергаться более чем одной обработке поверхности — например, панель кузова автомобиля может быть фосфатирована, загрунтована и окрашена. В этой статье рассматриваются процессы, используемые для обработки поверхности металлов, и методы, используемые для снижения их воздействия на окружающую среду.

Управление бизнесом по отделке металлов требует сотрудничества между руководством компании, сотрудниками, правительством и обществом, чтобы эффективно свести к минимуму воздействие операций на окружающую среду. Общество обеспокоено количеством и долгосрочными последствиями загрязнения, попадающего в воздушную, водную и наземную среду. Эффективное управление окружающей средой устанавливается благодаря детальным знаниям обо всех элементах, химических веществах, металлах, процессах и продуктах.

Планирование предотвращения загрязнения смещает философию экологического менеджмента с реагирования на проблемы на прогнозирование решений, ориентированных на замену химических веществ, изменение процессов и внутреннюю переработку, используя следующую последовательность планирования:

1. Инициируйте предотвращение загрязнения во всех аспектах бизнеса.
2. Определите потоки отходов.
3. Установите приоритеты для действий.
4. Установить первопричину отходов.
5. Определите и внедрите изменения, которые уменьшат или устранят потери.
6. Измерьте результаты.

Непрерывное улучшение достигается путем установления новых приоритетов действий и повторения последовательности действий.

Подробная технологическая документация определит потоки отходов и позволит установить приоритеты для возможностей сокращения отходов. Информированные решения о возможных изменениях будут способствовать:

• простые и практичные эксплуатационные усовершенствования
• изменения процесса с участием клиентов и поставщиков
• переход на менее вредные виды деятельности, где это возможно
• повторное использование и переработка там, где изменение нецелесообразно
• использование захоронения опасных отходов только в крайнем случае.

Основные процессы и стандартные операционные процессы

Уборка требуется, потому что все процессы отделки металлов требуют, чтобы обрабатываемые детали были свободны от органических и неорганических загрязнений, включая масла, окалину, полировальные и полирующие составы. Используются три основных типа чистящих средств: растворители, паровые обезжириватели и щелочные моющие средства.

Методы очистки растворителями и паровым обезжириванием почти полностью заменены щелочными материалами, где последующие процессы являются влажными. Растворители и паровые обезжириватели все еще используются там, где детали должны быть чистыми и сухими без дальнейшей влажной обработки. Растворители, такие как терпены, в некоторых случаях заменяют летучие растворители. Менее токсичные материалы, такие как 1,1,1-трихлорэтан, были заменены более опасными материалами при обезжиривании паром (хотя этот растворитель постепенно прекращается как озоноразрушающий).

Циклы щелочной очистки обычно включают замачивание в погружении, за которым следует анодная электроочистка, а затем погружение в слабую кислоту. Для очистки алюминия обычно используются нетравящие, несиликатные очистители. Кислоты обычно серная, соляная и азотная.

анодирование, электрохимический процесс для утолщения оксидной пленки на поверхности металла (часто применяемый к алюминию), обрабатывающий детали разбавленными растворами хромовой или серной кислоты.

Конверсионное покрытие используется в качестве основы для последующей окраски или пассивации для защиты от окисления. При хроматировании детали погружают в раствор шестивалентного хрома с активными органическими и неорганическими веществами. Для фосфатирования детали погружают в разбавленную фосфорную кислоту с другими реагентами. Пассивирование проводят погружением в азотную кислоту или азотную кислоту с бихроматом натрия.

Безэлектронное покрытие предполагает осаждение металла без электричества. Химическое осаждение меди или никеля используется при изготовлении печатных плат.

гальванопокрытие заключается в нанесении тонкого слоя металла (цинка, никеля, меди, хрома, кадмия, олова, латуни, бронзы, свинца, оловянно-свинцового сплава, золота, серебра и других металлов, таких как платина) на подложку (черную или цветную). железный). Технологические ванны включают растворы металлов в кислотных, щелочно-нейтральных и щелочно-цианидных составах (см. рис. 1).

Рисунок 1. Входы и выходы для типичной линии гальваники

Химическое фрезерование и травление представляют собой управляемые иммерсионные процессы растворения с использованием химических реагентов и травителей. Перед анодированием алюминий обычно протравливают каустиком или химически осветляют в растворе, который может содержать азотную, фосфорную и серную кислоты.

Покрытия методом горячего погружения предусматривают нанесение металла на заготовку погружением в расплавленный металл (цинковое или оловянное цинкование стали).

Надлежащая практика управления

Важные улучшения в области безопасности, охраны здоровья и окружающей среды могут быть достигнуты за счет усовершенствования процессов, таких как:

• использование противоточной промывки и контроля проводимости
• увеличение времени дренирования
• использование большего количества или более качественных смачивающих агентов
• поддержание температуры процесса как можно выше для снижения вязкости, тем самым увеличивая восстановление после уноса (т. е. восстановление раствора, оставшегося на металле)
• использование воздушного перемешивания при ополаскивании для повышения эффективности ополаскивания
• использование пластиковых шариков в резервуарах для покрытия для уменьшения запотевания
• использование улучшенной фильтрации в резервуарах для покрытия, чтобы уменьшить частоту очистки
• установка бордюра вокруг всех производственных зон для предотвращения разливов
• использование отдельных обработок для извлекаемых металлов, таких как никель
• установка систем восстановления, таких как ионный обмен, атмосферное испарение, вакуумное испарение, электролитическое восстановление, обратный осмос и электродиализ
• дополняя системы рекуперации при уносе за счет снижения притока загрязняющих веществ и улучшенных систем очистки
• использование современных средств управления запасами для сокращения отходов и опасностей на рабочем месте
• применение стандартных процедур (т. е. письменных процедур, регулярных операционных обзоров и надежных операционных журналов), чтобы обеспечить основу для надежной структуры управления окружающей средой.

Экологическое планирование для конкретных отходов

Конкретные потоки отходов, обычно отработанные растворы для покрытия, можно уменьшить за счет:

• Фильтрация. Картриджные или кизельгуровые фильтры можно использовать для удаления скопившихся твердых частиц, снижающих эффективность процесса.
• Углеродная обработка может использоваться для удаления органических загрязнителей (наиболее часто применяется при никелировании, гальванопокрытии медью, цинковании и кадмировании).
• Дистиллированная вода. Естественные загрязнения воды для подпитки и промывки (например, кальций, железо, магний, марганец, хлор и карбонаты) можно удалить с помощью деионизации, дистилляции или обратного осмоса. Повышение эффективности промывочной воды снижает объем шлама, требующего обработки.
• Цианидная ванна с карбонатной заморозкой. Понижение температуры ванны до –3 °С приводит к кристаллизации карбонатов, образующихся в цианидной ванне в результате разложения цианида, чрезмерной плотности анодного тока и адсорбции углекислого газа из воздуха, и облегчает их удаление.
• Осадки. Удаление металлических примесей, поступающих в ванну в виде примесей в анодах, может быть достигнуто путем осаждения цианидом бария, гидроксидом бария, гидроксидом кальция, сульфатом кальция или цианидом кальция.
• Альтернативы шестивалентному хрому. Шестивалентный хром можно заменить растворами трехвалентного хромирования для декоративного покрытия. Хромовые конверсионные покрытия для предварительной обработки краски иногда можно заменить конверсионными покрытиями, не содержащими хрома, или химическими составами на основе хрома, не требующими смывания.
• Нехелатные химические процессы. Вместо того, чтобы добавлять хелаторы в технологические ванны для контроля концентрации свободных ионов в растворе, можно использовать нехелатные технологические химические вещества, чтобы не было необходимости держать металлы в растворе. Этим металлам можно дать выпасть в осадок и их можно удалить непрерывной фильтрацией.
• Нецианидные технологические химикаты. Потоки сточных вод, содержащие свободный цианид, обычно обрабатывают гипохлоритом или хлором для осуществления окисления, а комплексные цианиды обычно осаждают с помощью сульфата железа. Использование нецианидных технологических химикатов позволяет исключить этап обработки и уменьшить объем шлама.
• Обезжиривание растворителем. Вместо обезжиривания деталей растворителем перед обработкой можно использовать горячие щелочные моющие ванны. Эффективность щелочных очистителей можно повысить, применяя электроток или ультразвук. Преимущества отсутствия паров растворителей и шлама часто перевешивают любые дополнительные эксплуатационные расходы.
• Щелочные очистители. Необходимости отказаться от щелочных очистителей, когда накопление масла, жира и загрязнений от использования достигает уровня, снижающего эффективность очистки ванны, можно избежать, используя скимминговые устройства для удаления свободно плавающих масел, отстойники или патронные фильтры для удаления твердых частиц и коагуляторы масло-вода и с помощью микрофильтрации или ультрафильтрации для удаления эмульгированных масел.
• Снижение выноса. Уменьшение объема уноса из технологических ванн служит для уменьшения количества ценных технологических химикатов, загрязняющих промывочную воду, что, в свою очередь, снижает количество шлама, образующегося при обычном процессе обработки осаждением металлов.

Несколько методов уменьшения торможения включают в себя:

• Рабочая концентрация технологической ванны. Концентрация химикатов должна быть как можно ниже, чтобы свести к минимуму вязкость (для более быстрого стекания) и количество химикатов (в пленке).
• Рабочая температура технологической ванны. Вязкость технологического раствора можно уменьшить, увеличив температуру ванны.
• Смачивающие агенты. Поверхностное натяжение раствора можно уменьшить, добавив в ванну смачивающие вещества.
• Позиционирование заготовки. Заготовку следует располагать на стойке так, чтобы прилипающая пленка свободно стекала и не застревала в канавках или полостях.
• Время вывода или дренажа. Чем быстрее заготовка удаляется из технологической ванны, тем толще пленка на поверхности заготовки.
• Воздушные ножи. Подача воздуха на заготовку, когда стеллаж для заготовок поднимается над технологическим резервуаром, может улучшить дренаж и сушку.
• Спрей для ополаскивания. Их можно использовать над нагретыми ваннами, чтобы скорость промывочного потока равнялась скорости испарения бака.
• Гальванические ванны. Карбонаты и органические загрязнители должны быть удалены, чтобы предотвратить накопление загрязнений, которые увеличивают вязкость гальванической ванны.
• Дренажные доски. Пространства между технологическими емкостями должны быть закрыты дренажными бортами для сбора технологических растворов и возврата их в технологическую ванну.
• Вытяжные танки. Заготовки должны быть помещены в отстойные баки («баки статической промывки») перед стандартной операцией промывки.

Драг-аут рекуперации химикатов использует различные технологии. К ним относятся:

• Испарение. Наиболее распространены атмосферные испарители, а вакуумные испарители обеспечивают экономию энергии.
• Ионный обмен используется для химической регенерации промывочной воды.
• Электровыигрыш. Это электролитический процесс, при котором растворенные в растворе металлы восстанавливаются и осаждаются на катоде. Затем отложенный металл извлекают.
• электродиализ. При этом используются ионопроницаемые мембраны и приложенный ток для отделения ионных частиц от раствора.
• Обратный осмос. В нем используется полупроницаемая мембрана для получения очищенной воды и концентрированного ионного раствора. Для проталкивания воды через мембрану используется высокое давление, в то время как большинство растворенных солей удерживается мембраной.

Промыть водой

Большая часть опасных отходов, образующихся на предприятиях по отделке металлов, поступает из сточных вод, образующихся в результате операций промывки, следующих за очисткой и нанесением покрытия. Повышая эффективность полоскания, предприятие может значительно сократить поток сточных вод.

Две основные стратегии повышают эффективность полоскания. Во-первых, может возникнуть турбулентность между заготовкой и промывочной водой из-за струйной промывки и перемешивания промывочной воды. Движение стеллажа или принудительная вода или воздух используются. Во-вторых, время контакта между заготовкой и промывочной водой может быть увеличено. Несколько баков для полоскания, установленных последовательно, уменьшат количество используемой воды для полоскания.

Промышленные покрытия

Термин покрытия включает краски, лаки, лаки, эмали и шеллаки, замазки, наполнители и герметики для дерева, средства для удаления краски и лака, чистящие средства для малярных кистей и родственные лакокрасочные материалы. Жидкие покрытия содержат пигменты и добавки, диспергированные в смеси жидкого связующего и растворителя. Пигменты представляют собой неорганические или органические соединения, которые обеспечивают цвет покрытия и непрозрачность, а также влияют на текучесть и долговечность покрытия. Пигменты часто содержат тяжелые металлы, такие как кадмий, свинец, цинк, хром и кобальт. Связующее увеличивает клейкость покрытия, когезию и консистенцию и является основным компонентом, который остается на поверхности после нанесения покрытия. Связующие включают различные масла, смолы, каучуки и полимеры. Добавки, такие как наполнители и наполнители, могут быть добавлены к покрытиям для снижения производственных затрат и увеличения долговечности покрытия.

Типы органических растворителей, используемых в покрытиях, включают алифатические углеводороды, ароматические углеводороды, сложные эфиры, кетоны, гликолевые эфиры и спирты. Растворители диспергируют или растворяют связующие и уменьшают вязкость и толщину покрытия. Растворители, используемые в составах покрытий, опасны, потому что многие из них являются канцерогенами для человека, легко воспламеняются или взрывоопасны. Большинство растворителей, содержащихся в покрытии, испаряются при отверждении покрытия, что приводит к выбросу летучих органических соединений (ЛОС). Выбросы ЛОС становятся все более регулируемыми из-за негативного воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Экологические проблемы, связанные с традиционными ингредиентами, технологиями нанесения покрытий и отходами покрытий, являются движущей силой разработки альтернатив предотвращения загрязнения.

Большинство покрытий используются на архитектурных, промышленных или специальных изделиях. Архитектурные покрытия используются в зданиях и строительных изделиях, а также для декоративных и защитных услуг, таких как лаки для защиты древесины. Промышленные предприятия включают операции по нанесению покрытий в различные производственные процессы. Основными потребителями промышленных покрытий являются автомобилестроение, производство металлических банок, сельскохозяйственной техники, производство рулонных покрытий, производство деревянной и металлической мебели и приспособлений, а также производство бытовой техники.

Разработка рецептуры покрытия зависит от цели нанесения покрытия. Покрытия обеспечивают эстетику, а также защиту от коррозии и поверхности. Стоимость, функциональность, безопасность продукта, безопасность для окружающей среды, эффективность переноса и скорость высыхания и отверждения определяют рецептуры.

Процессы нанесения покрытий

Существует пять операций, включающих в себя большинство процессов нанесения покрытий: обработка и подготовка сырья, подготовка поверхности, нанесение покрытия, очистка оборудования и утилизация отходов.

Обработка и подготовка сырья

Обработка и подготовка сырья включает в себя хранение запасов, операции смешивания, разбавление и корректировку покрытий, а также перемещение сырья по объекту. Процедуры и методы контроля и обработки необходимы для сведения к минимуму образования отходов в результате порчи, несоответствия спецификации и неправильной подготовки, которые могут возникнуть в результате чрезмерного разбавления и последующих потерь. Перекачка, будь то ручная или через трубопроводную систему, должна быть запланирована, чтобы избежать порчи.

Подготовка поверхности

Тип используемой техники подготовки поверхности зависит от поверхности, на которую наносится покрытие, — от предшествующей подготовки, количества грунта, смазки, наносимого покрытия и требуемой отделки поверхности. Обычные подготовительные операции включают обезжиривание, предварительное покрытие или фосфатирование и удаление покрытия. В целях чистовой обработки металлов обезжиривание включает протирание растворителем, холодную очистку или обезжиривание паром с помощью галогенсодержащих растворителей, водно-щелочную очистку, полуводную очистку или очистку алифатическими углеводородами для удаления органических загрязнений, грязи, масла и жира. Кислотное травление, абразивная очистка или очистка пламенем используются для удаления прокатной окалины и ржавчины.

Наиболее распространенной операцией подготовки металлических поверхностей, помимо очистки, является фосфатирование, используемое для улучшения адгезии органических покрытий к металлическим поверхностям и замедления коррозии. Фосфатные покрытия наносят погружением или опрыскиванием металлических поверхностей раствором фосфата цинка, железа или марганца. Фосфатирование — это процесс отделки поверхности, аналогичный гальванике, состоящий из ряда химических и промывочных ванн, в которые погружаются детали для достижения желаемой подготовки поверхности. См. статью «Поверхностная обработка металлов» в этой главе.

Удаление покрытия, химическое или механическое, проводится с поверхностей, требующих повторного покрытия, ремонта или осмотра. Наиболее распространенным методом удаления химического покрытия является удаление растворителем. Эти растворы обычно содержат фенол, метиленхлорид и органическую кислоту для растворения покрытия с поверхности с покрытием. Окончательная промывка водой для удаления химикатов может привести к образованию большого количества сточных вод. Абразивоструйная очистка - это обычный механический процесс, сухая операция, в которой используется сжатый воздух для подачи абразива на поверхность для удаления покрытия.

Операции по подготовке поверхности влияют на количество отходов конкретного процесса подготовки. Если подготовка поверхности неадекватна, что приводит к плохому покрытию, то удаление покрытия и повторное покрытие увеличивают образование отходов.

Покрытие

Операция нанесения покрытия включает перенос покрытия на поверхность и отверждение покрытия на поверхности. Большинство технологий нанесения покрытий можно разделить на 1 из 5 основных категорий: покрытие окунанием, покрытие валиком, покрытие обливом, покрытие распылением и наиболее распространенный метод — напыление распылением воздухом с использованием покрытий на основе растворителей.

Нанесение покрытий с распылением воздухом обычно проводится в контролируемой среде из-за выбросов растворителей и избыточного распыления. Устройства контроля избыточного распыления представляют собой тканевые фильтры или водяные стены, образующие либо использованные фильтры, либо сточные воды из систем очистки воздуха.

Отверждение выполняется для превращения связующего покрытия в твердую, прочную, липкую поверхность. Механизмы отверждения включают: сушку, запекание или воздействие электронного луча, инфракрасного или ультрафиолетового света. При отверждении из покрытий на основе растворителей выделяется значительное количество летучих органических соединений, что может привести к взрыву, если концентрация растворителя превысит нижний предел взрываемости. Следовательно, операции по отверждению оснащены устройствами контроля загрязнения воздуха для предотвращения выбросов летучих органических соединений и контроля безопасности для предотвращения взрывов.

Забота об окружающей среде и здоровье, ужесточение правил, касающихся обычных составов покрытий, высокая стоимость растворителей и дорогостоящая утилизация опасных отходов создали спрос на альтернативные составы покрытий, которые содержат менее опасные компоненты и производят меньше отходов при нанесении. Альтернативные составы покрытия включают:

• Покрытия с высоким сухим остатком, содержит в два раза больше пигмента и смолы в том же объеме растворителя, что и обычные покрытия. Нанесение снижает выбросы летучих органических соединений на 62–85 % по сравнению с обычными покрытиями на основе растворителей с низким содержанием твердых частиц, поскольку содержание растворителя снижено.
• Покрытия на водной основе использование воды и смеси органических растворителей в качестве носителя с использованием воды в качестве основания. По сравнению с покрытиями на основе растворителей, покрытия на водной основе производят на 80–95 % меньше выбросов ЛОС и отработанных растворителей, чем обычные покрытия на основе растворителей с низким содержанием твердых частиц.
• Порошковые покрытия не содержащий органического растворителя, состоящий из тонко измельченных частиц пигмента и смолы. Это либо термопластичные (высокомолекулярная смола для толстых покрытий), либо термореактивные (низкомолекулярные соединения, образующие тонкий слой перед химическим сшиванием) порошки.

Очистка оборудования

Очистка оборудования является необходимой регулярной операцией технического обслуживания в процессах нанесения покрытий. Это создает значительное количество опасных отходов, особенно если для очистки используются галогенированные растворители. Очистка оборудования для покрытий на основе растворителей традиционно проводилась вручную с помощью органических растворителей для удаления покрытий с технологического оборудования. Трубопровод необходимо промывать растворителем партиями до тех пор, пока он не станет чистым. Оборудование для нанесения покрытий необходимо очищать между сменой продукта и после остановки процесса. Используемые процедуры и методы будут определять уровень отходов, образующихся в результате этих действий.

обращение с отходами

В процессе нанесения покрытия образуется несколько потоков отходов. К твердым отходам относятся пустые контейнеры для нанесения покрытий, шлам от избыточного распыления и очистки оборудования, отработанные фильтры и абразивные материалы, сухие покрытия и ветошь для очистки.

К жидким отходам относятся сточные воды, образующиеся при подготовке поверхности, борьбе с избыточным распылением или очистке оборудования, не соответствующие спецификации или излишки материалов для покрытия или подготовки поверхности, избыточное распыление, разливы и отработанные чистящие растворы. Замкнутая переработка на месте становится все более популярной для отработанных растворителей по мере роста затрат на утилизацию. Жидкости на водной основе обычно обрабатываются на месте перед сбросом в государственные системы очистки.

Выбросы летучих органических соединений образуются во всех обычных процессах нанесения покрытий, в которых используются покрытия на основе растворителей, требующие устройств контроля, таких как устройства для адсорбции углерода, конденсаторы или термические каталитические окислители.

Назад