Geschmolzene Salzbäder (Badtemperatur 200 °C bis 650 °C) können genutzt werden, um Bauteile von einer Vielzahl von anhaftenden
Substanzen, wie Ölen, Fetten, Farben, Lacken,
Beschichtungen, Oxiden, Wachsen, Gläsern, Kunststoffen oder Formsand, zu reinigen. Die Entfernung der Fremdstoffe wird dabei
zumeist durch eine thermochemische
Reaktion zwischen dem flüssigen Salz und der Verunreinigung erreicht. Für die
unterschiedlichen Anwendungen werden verschiedene Verfahren
eingesetzt.
Bild: PrecisonCleaningWeb
Bei der Salzbadreinigung werden eine hohe Reaktivität und ein hohes Lösevermögen kombiniert,
wodurch eine sehr
schnelle und gründliche Reinigung möglich wird. Die Reinigungszeiten liegen im
Bereich einiger Sekunden bis weniger Minuten. Nach der Reinigung im Salzbad müssen die Bauteile in Wasser gespült werden, um
die Bauteile abzukühlen und anhaftende Salzreste zu entfernen.
Physikalischer Hintergrund
Bei der Salzbadreinigung werden eine hohe Reaktivität und ein hohes Lösevermögen kombiniert, was eine sehr
schnelle und gründliche Reinigung ermöglicht. Die Reinigungszeiten liegen, je
nach Anwendungsfall, im
Bereich einiger Sekunden bis weniger Minuten.
Die im Salzbad
enthaltenen Chemikalien unterscheiden sich von anderen
Salzbadzusammensetzungen, wie sie für die
Wärmeübertragung oder Wärmebehandlung genutzt werden. Ebenso
unterscheidet
sich die benötigte Ausrüstung. Im Bad entstehen unlösliche
Nebenprodukte, die
sicher und effektiv gesammelt und entfernt werden müssen. Nach der
Reinigung im Salzbad müssen die Bauteile in Wasser gespült werden, um
zum einen anhaftende Salzreste zu entfernen und zum anderen die
Bauteile
abzukühlen.
Die Reinigungswirkung ist abhängig von der Zusammensetzung der anorganischen
Bestandteile der Salzschmelze. Die am häufigsten vorkommenden sind: Alkalihydroxide, Alkalinitride,
Alkalichloride und Alkalifluoride. Die chemischen
Prozesse, die während der verschiedenen Reinigungsanwendungen ablaufen, reichen
von einer einfachen Auflösung der Verschmutzungen bis zu komplizierteren
Reaktionen, wie z. B. einer thermochemischen Oxidation organischer Produkte.
Entfernen von Farben, Lacken und Kunststoffen
Für die Entfernung von Farben, Lacken und Kunststoffen werden oxidierende
Salzbäder eingesetzt. Hierbei stellt zumeist Alkalinitrat den
Sauerstoff zur Verfügung, der die Oxidation des organischen Materials zu
Kohlendioxid ermöglicht:
C + 2NO-3 -> CO2 + 2NO-2
Der Kontakt mit atmosphärischem Sauerstoff an der Badoberfläche reoxidiert das
Nitrit wieder zu Nitrat (Regeneration des Bades):
2 NO-2 + O2 -> 2 NO-3
Das bei der Reduktion gebildete CO2 reagiert mit den Alkalien im Bad
zu alkalischen Karbonaten:
CO2 + 2 OH- -> CO2-3 + H2O
Nach der Sättigung des Bades mit diesen alkalischen Karbonaten fällen
weitere als Schlamm aus der Lösung aus. Dieser Schlamm sinkt aufgrund seiner
höheren Dichte nach unten und kann in einer Sammelstelle abgesetzt und aus dem
Bad entfernt werden. Neben den alkalischen Karbonaten enthält
der Schlamm unlösliche anorganische Pigmente und Füllstoffe aus der
entfernten Farbe.
Abhängig von dem Typ
und der Dicke der zu entfernenden Schicht kann die Behandlungsdauer im
Salzbad einige wenige Sekunden bis mehrere Minuten dauern. Die Betriebstemperatur ist
abhängig von dem spezifischen Prozess und liegt zumeist zwischen 290 °C und 480 °C.
Der niedrigere Temperaturbereich wird bei temperaturempfindlichen Materialien und
Komponenten eingesetzt, während bei robusteren Bauteilen eine höhere
Temperatur gewählt wird.
Reinigen von Sandguss- oder Feingussteilen
Bei der Reinigung von Sandgussteilen werden Abbinderrückstände und eingebrannter Kernsand,
bei der Reinigung von Feingussteilen Gusshautreste und anhaftende Wachse entfernt.
Die Hauptreaktion bei der Entfernung von Formsand ist die Umwandlung von Silikat in
eine im Bad lösliche Alkalikieselsäureverbindung:
SIO2 + 2 OH- -> SIO2-3 + H2O
Bei den vorherrschenden Betriebstemperatur von 480 °C - 650 °C verdampft das
entstehende Wasser sofort, was an einem leichten Schäumen an der Badoberfläche
zu erkennen ist.
Der im wesentlichen aus Fe3O4 bestehende Zunder wird
zu Fe2O3 oxidiert, was mit einer Volumenzunahme verbunden
ist, die eine Spannungszunahme in der Zunderschicht zur Folge hat. Ein
Abschrecken mit kaltem Wasser kann so zu einem Absprengen der Zunderschicht führen.
Bei Gusseisenteilen erfolgt die Reinigung zumeist elektrolytisch und
beinhaltet drei Schritte. Der erste Schritt stellt eine kathodische Reduktion
dar, bei der der Sand
und die Zunderschicht entfernt werden. Im zweiten Schritt wird das Gussteil
anodisch oxidiert.
Dieser Schritt wandelt den vorher freigelegten Graphit an der Oberfläche in
Kohlendioxid um. Der dritte Schritt ist die kathodische Entfernung der dünnen Eisenoxidschicht, die sich
während des Oxidationsschrittes auf dem Gussteil gebildet hat. Das
Resultat ist eine zunder-, sand- und graphitfreie Oberfläche, die problemlos
beschichtet oder gelötet werden kann. Dabei sorgen die durch das Herauslösen
des Graphits entstandenen Lücken in der Oberfläche für eine zusätzliche
mechanische Verklammerung der Schicht bzw. des Lots.
Entfernen von Glasrückständen
Geschmolzene Salze sind ein effektives Medium um verfestigte Gläser und
glasige Schichten von Metallen zu entfernen. Typische Anwendungsfälle sind die
Reinigung von Spinndüsen und Spinnplatten in der Glasfaserproduktion oder die
Reinigung von Schmiedegesenken von glasartigen Trennmitteln. Die bei der
Glasentfernung ablaufenden Reaktionen sind dieselben, wie bei der
Gussteilreinigung.
Entfernen von Plasma- und Flammspritzbeschichtungen
Zum Entfernen von Plasma- oder Flammspritzbeschichtungen werden oxidierende Salzbäder
eingesetzt. Die entfernende Reaktion bezieht normalerweise die
metallischen Teile und die Karbidteile mit ein. Durch die metallischen Bestandteile werden
lösliche Alkalisalze gebildet, während der Karbidteil zu Kohlendioxid oxidiert wird.
Wenn zum Beispiel Chromkarbide vorhanden
sind, ergeben sich als Reaktionsprodukte Alkalichromate und Alkalikarbonate. Die
durch Weglassen der Alkalikarbonatreaktion vereinfachte Reaktionsgleichung
lautet:
CrC + 5 NO-3 + 4 OH- -> CrO2-3
+ 2 H2O + 5 NO-2
Die vollständige Entfernung einer Plasma- oder Flammspritzschicht erfordert
zumeist eine Reinigungszeit von 15 bis 30 Minuten. Die Entfernung abgenutzter
Beschichtungen während der Nachbearbeitung oder Instandsetzung ist entsprechend
schneller möglich.
Haupteinsatzgebiete
Salzbäder werden genutzt, um zumeist metallische Werkstücke von einer
Vielzahl von anhaftenden
Substanzen, wie Ölen, Fetten, Lackierungen,
Beschichtungen, Oxiden, Wachsen, Gläsern, Kunststoffen oder Formsand,
zu reinigen. Da es sich bei der Salzbadreinigung um ein sehr effektives
und
schnelles Reinigungsverfahren mit Reinigungsdauern im Bereich einiger
Sekunden
bis weniger Minuten handelt, wird es häufig in der Massenfertigung
eingesetzt.
Typische Einsatzfälle sind:
-Ablösen von Formsand und Zunder von Gussteilen
-Entfernen der Gusshaut und anhaftender Wachse von Feingussteilen
-Vorbehandlung von Gussoberflächen für das Beschichten oder
Hartlöten
-Reinigung von Spinndüsen in der Kunststofffaserindustrie
-Entfernen von Glasresten von Glasfaserspinndüsen
-Entfernen von glasartigen Trennmitteln aus Schmiedeformen
-Entfernen von Emaille-Schichten
-Entfernen von Farben, Lacken und organischen Beschichtungen
-Entfernen von Plasma- und Flammspritzbeschichtungen
Das eingesetzte Verfahren muss dabei auf den jeweiligen
Anwendungsfall abgestimmt sein.
Bild: PrecisionCleaningWeb
Die Salzbadreinigung kann nicht für alle Materialien eingesetzt werden, zum
einen wegen der relativ hohen Prozesstemperatur des flüssigen Salzes (200 °C bis
650 °C), zum anderen wegen der chemischen Aktivität des Bades. Materialien mit
geringem Schmelzpunkt, wie z. B. Blei, Zinn oder Glas, können aufgrund der
hohen Prozesstemperatur nicht im Salzbad gereinigt werden. Einige Zink- und
Aluminiumlegierungen sind ebenfalls nicht temperaturbeständig genug. Magnesiumlegierungen können nicht in
oxidierenden Salzbädern gereinigt werden, da es bei erhöhter Temperatur zu starken
Redoxreaktionen kommt, die zu einer Entzündung des
Metalls führen können. Die
meisten anderen Metalle, wie z. B. Kupfer, Bronze, Messing, Titan, sämtliche
Stähle und die meisten Aluminiumlegierungen sind sowohl thermisch als auch chemisch
kompatibel.
Problematisch sind Bauteile mit engen Spalten. Das geschmolzene
Salz dringt zwar sehr gut in die Spalten ein, verfestigt sich jedoch bei der
Abkühlung des Bauteils im Spülwasser. Das feste Salz kann dann nicht mehr
problemlos ausgespült werden. Es nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebung auf und
kann zur Spaltkorrosion führen.
Umwelt- und Arbeitsschutz
Ein Salzbad stellt sowohl eine thermische, als auch eine chemische
Gefahr für das Bedienungspersonal dar, da sich das heiße Salz schnell in das
menschliche Gewebe einbrennt und zudem meist stark alkalisch wirkt. Außerdem
kann es zu chemischen Bränden kommen. Aus diesen
Gründen sollten das Salzbad sowie die dazugehörigen Prozessbehälter für das
Abkühlwasser, das Spülwasser und die Nebenproduktentfernung in einem abgeschlossenen
System untergebracht werden.
Dieses System sollte gut belüftet und zur Beobachtung mit Fenstern ausgestattet sein,
um einen Kontakt des Bedienpersonals mit dem Salzbad oder den während des Abspülens der heißen Werkstücke
entstehenden Dämpfen zu
vermeiden. Zusätzlich sollte das gesamte
Betriebspersonal mit den Handlungsprozeduren für die verwendeten Mittel vertraut
sein und die entsprechenden Sicherheitsvorschriften beachten.
Diese Informationen werden im Allgemeinen vom Lieferanten zur Verfügung
gestellt.
Besondere Vorsichtsmaßnahmen sind beim Anheizen des Salzbades zu treffen. Wenn
die Oberfläche des Salzbades eine feste Kruste gebildet hat, kann die
Volumenzunahme beim Aufheizen eine Druckzunahme zur Folge haben. Wird der Druck
zu groß, kann die feste Kruste plötzlich aufreißen, was zu einem eruptionsartigen
Umherspritzen des geschmolzenen Salzes führen kann.
Bei der Salzbadreinigung entstehen Schlämme, die zum Teil hochgiftige
Bestandteile,
wie Schwermetalle (bei Entfernung von Farbe) oder
sechswertiges Chrom (bei Entfernung von chromhaltigen Beschichtungen)
enthalten. Der aus dem Bad
entfernte Schlamm verfestigt sich beim Abkühlen zumeist zu
einer dichten Masse, die jedoch wasserlöslich ist. Bei der Aufbereitung
dieser
Schlämme ist zunächst eine Anpassung
des pH-Wertes in wässriger Lösung vorzunehmen. Sofern giftige
Bestandteile vorhanden sind, müssen zusätzliche Aufbereitungsschritte
durchgeführt werden, z. B. Reduktion von sechswertigem Chrom zu
dreiwertigem, Metall-Fällung oder Filtration/Separation von
Festkörpern. Aufgrund
der hohen Anforderungen an die Nachbehandlung der Schlämme ist in
vielen
Fällen eine Entsorgung durch eine hierauf spezialisierte Firma sinnvoll.
Nach der Reinigung in der Salzschmelze werden die Bauteile in kaltem Wasser gespült, um anhaftende Salzreste zu entfernen. Die in diesen Spülstufen
entstehenden Abwässer enthalten, wenn auch in geringerer Menge, dieselben
Giftstoffe wie die Salzschmelze. Die Abwässer müssen daher auf dieselbe Art
und Weise (pH-Wert Anpassung, Metall-Fällung, Filtration usw.) nachbehandelt
werden. Zur Verringerung des erforderlichen Frischwasservolumens sollte das
Spülen mehrstufig in Kaskadenschaltung erfolgen. Hierbei wird lediglich die
letzte Spülstufe mit Frischwasser versorgt. Jede vorhergehende Spülstufe wird
mit dem Abwasser der nachfolgenden Stufe gespeist.
Anlagen und Kosten
Das zu reinigende Material muss chargenweise in das Schmelzbad eingetragen
oder, z. B. bei Drähten oder Bändern, kontinuierlich hindurchgeführt werden.
Aufgrund der entstehende reaktiven Dämpfe sollte die Anlage gekapselt und mit
einem Absaugsystem ausgestattet sein.
Beispielanlage der Firma
Kolene
Anlagen zur Reinigung in Salzschmelzen können grob nach der Art des
verwendeten Heizsystems unterschieden werden. Die Beheizung der
Schmelze kann
elektrisch, durch Gas oder nach dem Natriumhydridverfahren erfolgen.
Die Auswahl des Heizsystems ist abhängig von den erzeugten und
sedimentierenden Reaktionsnebenprodukten, da diese einen isolierenden
Effekt
haben.
Elektrisch beheizte Anlagen
Bei elektrisch beheizten Bädern werden entweder Widerstandselemente in
gekapselter oder Bajonett-Form oder Elektroden, bei denen die Leitfähigkeit
und der Widerstand des flüssigen Salzes selbst ausgenutzt werden, verwenden. Am
zweckmäßigsten sind direkt in die Schmelze eintauchende Elektroden, die mit
Wechsel- bzw. Drehstrom versorgt werden. Auf diese Weise wird ein Überhitzen
der Behälterwände effektiv verhindert und eine gute Wärmenutzung erzielt.
Gasbeheizte Anlagen
Gasbeheizte Systeme sind sehr zuverlässig und ökonomisch. Die
entzündete Brennstoffmischung wird durch ein Brennergefäß geleitet, das
in das Salz eingetaucht ist. Bei der Beheizung muss darauf geachtet
werden, dass keine örtlichen
Überhitzungen auftreten, an denen sich die
Reaktionsnebenprodukte ansammeln und so den Wärmeübergang in das
Salzbad verzögern.
Natriumhydrid-Anlagen
Beim Natriumhydridverfahren werden, je nach Größe des Bades, ein
oder mehrere Natriumhydridgeneratoren verwendet. Dabei handelt es sich um unten offene Glocken, die zu
etwa 2/3 in das Schmelzbad tauchen. Durch einen mit einem Astbestring
abgedichteten Deckel wird in die Glocke Natriummetall in Stücken eingebracht.
Das Natrium schmilzt sofort und schwimmt an die Oberfläche des Bades. Durch die
Seitenwand des Generators wird Wasserstoffgas eingeleitet, das mit dem Natrium
unter Wärmeentwicklung Natriumhydrid bildet.
Referenzen
N. N.
"Guide to
Pickling and Descaling, and Molten Salt Bath Cleaning"
ASM International,
1996
Peterson, D.
"Practical
Guide to Industrial Metal Cleaning"
Hanser Gardner
Publications, 1997
Weiner, R.
"Metall-Entfettung
und -Reinigung"
Eugen G. Leuze
Verlag, 1969
Online-Magazin "Parts Cleaning Web"
www.partscleaningweb.com
