4.1 Saltsyrabetning Saltsyra är en vattenlösning av gasen klorväte HCl. Vanlig s.k. koncentrerad, ren saltsyra av handelskvalitet innehåller 37 % HCl, vilket motsvarar ca 440 g HCl per liter. Handelskvalitén av tekniskt ren syra har en koncentration på 32 till 33 % HCl, vilket motsvarar ca 373 till 385 g per liter. Se vidare tabell1. Om stark saltsyra vid rumstemperatur får stå en lägre tid i ett öppet kar bortgår klorvätegas så att syrans koncentration sjunker till ett konstant värde, vilket varierar med temperaturen. Sålunda erhålls vid 10 C en koncentration av 24,7 % HCl och vid 35 C 23,9 % HCl. Den koncentrerade handelskvaliteten av saltsyra är för stark för att användas direkt till betning. Den måste alltså spädas. Detta kan ske med vanligt vatten och/eller med del av tidigare använda betbad. I skandinaviskt vinterklimat kan det vara värt att komma ihåg att kraftigt utspädda saltsyralösningar kan frysa. Se figur 2. I syra lösta järn och metallsalter ger ytterligare fryspunktnedsättning utöver den som framgår av diagrammet. Saltsyrans ångtryck är såväl temperatur som koncentrationsberoende. Vid rumstemperatur är ångtrycket över en utspädd lösning ganska lågt. Det hygieniska takgränsvärdet är 8 mg HCI/m 3 eller 5 ppm. Dessa värden kan lätt överskridas med varm saltsyra. Försiktighet tillråds därför med betsyror varmare än 30 C. Saltsyrakoncentrationen i luft kan lätt bestämmas med Drägerapparat.
2 Figur 2. Fryspunktsdiagram för utspädd saltsyra 4.1.1. Reaktionen mellan saltsyra och metalloxider Metalloxider reagerar med saltsyra enligt generella formeln: MeO + 2HCl --> MeCl 2 + H 2 O Reaktionen är exoterm, d.v.s. bildar värme. Som tidigare nämnts är det endast wüstiten, FeO av järnoxidema som lätt löses av saltsyra. Lösligheten av de andra järnoxidema är starkt beroende av halten järnklorid i betsyran. En hög järnkloridhalt i betsyran är alltså fördelaktig. Temperaturen på betvätskan har stor betydelse för den hastighet med vilken ovanstående reaktion sker. En höjning av temperaturen med 10 C ger ungefär en halvering av bettiden. Vid 30 C går alltså reaktionen dubbelt så fort som vid 20 C. En höjning av syrakoncentrationen har endast begränsad inverkan på bettiden. Endast vid mycket låga temperaturer (5ºC) ger högre syrahalter påtaglig minskning av bettiden. Se figur 3. I kalla betbad kan det alltså vara fördelaktigt med en något högre syrahalt. 2
3 Figur 3. Bettidens beroende av temperatur och koncentration vid konstant järnhalt. Genom omsättningen av oxider till klorider mättas betlösningen omedelbart över metallytan med järn och koncentrationen kan lokalt bli så hög att reaktionen nästan upphör. Även syrakoncentrationen minskar lokalt. En tvångscirkulation av betsyran med t. ex luft är därför fördelaktig för ett snabbare betningsförlopp. Den i betlösningen upplösta järnkloriden, FeCl 2 har stor inverkan på bettiden. Lösligheten av järnklorid i syran är inte bara beroende av syrahalten utan också av temperaturen. Figur 4. Järnkloridens inverkan på betningen I en nyberedd saltsyralösning utan järnklorid sker nästan ingen betning - reaktionen med järnoxiden går mycket långsamt. Ju högre järnkloridhalten blir desto snabbare betar badet. Får järnkloridhalten öka alltför mycket tappar dock lösningen sin betförmåga. Lösningen blir helt enkelt mättad med järnklorid och reaktionen blockeras. Ett försök att åskådliggöra detta och relationen bettid, syrahalt och järnkloridhalt visas i figur 5. 3
4 Figur 5. Bettidens beroende av saltsyrabadets järninnehåll. En övermättnad av järnklorid i betsyran visar sig genom bildning av gröna kristaller som sjunker till badets botten eller i värsta fall häftar vid betgodset. Betbadet kan då rekonditioneras med vatten, helst varmt. En tillsättning av syra innebär bara att övermättnaden ökar och ytterligare järnklorid faller ut. Den järnklorid som finns i betbadet utgörs av järn-ii-klorid. En uppoxidering till järn-iii-klorid ger en betydande ökning av bethastigheten. Uppoxidationen kan ske genom smärre tillsatser av t.ex. salpetersyra eller väteperoxid, eller genom agitering med luft. I sammanhanget kan tilläggas att zink i betbadet också bromsar upplösningen av oxidskikt och förlänger bettiden. 4.1.2. Reaktionen mellan saltsyra och metall Metaller, som ligger före väte i den elektrolytiska spänningskedjan, reagerar med saltsyra enligt den generella formeln: Me + 2HCI --> MeCl 2 + H 2 Vid reaktionen bildas alltså vätgas som till övervägande delen går ut ur betlösningen som små bubblor och sedan vidare till atmosfären genom badytan. Hos stål av högre hållfasthetsklass (HRC > 34) kan en del väte upptas i stålet och orsaka vätesprödhet. Hög halt av järnklorid i badet minskar stålets väteupptagning. Väteproblemet kan elimineras genom väteutdrivande värmebehandling. Betsyrans förmåga att lösa järnets legeringselement och föroreningar är olika för olika element och helt beroende av stålkvaliten. KoI löser sig överhuvud taget inte alls. Mangansulfider löser sig mycket sakta även om stål med sådana sulfidinneslutningar ofta är ytterst "betvilliga". Ibland bildas på betgodset svarta beläggningar, s.k. "betsot", som huvudsakligen består av kol och koppar. Koppar löser sig inte i saltsyresura betlösningar. 4
5 Mycket ofta bildas på betlösningens yta en kladdig film av feta produkter om inte godset har varit tillräckligt avfettat före betningen. En tillsats av tensider i betbadet kan i sådana fall vara rekommendabelt. 4.1.3. Sparbetmedel (inhibitorer) Inhibitorer, eller som de också kallas sparbetmedel, är organiska ämnen som ger en ytterst tunn film över rena metallytor och hindrar att de angrips av syra under vätgasutveckling. En hundraprocentig avskärmning av metallen är dock sällan möjlig och en viss utlösning av ren metall förekommer nästan alltid. Sparbetmedlen är inte heller obegränsat hållbara i betlösningen. Beroende på typ bryts de ned, snabbare ju starkare syran är. Ju högre halt järnklorid betlösningen innehåller, desto mindre inhibitor behövs - alltså verkar kloriden i viss mån som en inhibitor. Några exempel på inhibitorer är tiokarbamid, kinolin och dietylentriamin. Rätt använda kan emellertid sparbetmedel vara ekonomiska. Man talar om inhibitorernas skyddsvärde, som varierar med typ av stål, syra och temperatur. Normala värden vid betning i saltsyra ligger vid 50 till 95 %. Det vill säga avfrätningen av basmetallen (stålet) reduceras med 50 till 95 %. Exempel på stålupplösning utan användande av inhibitor är följande: Saltsyra 5 till 20 % lösning vid 20 till 125 C 2 till 7g/m 2 per timme. Till detta kommer också en betydande minskning av syraförbrukningen samt mängden bildad slam. Störst vinst vid användande av inhibitorer erhålls således vid betning där man har stora ytor i förhållande till vikten. Användandet av sparbetmedel kan i vissa fall i samband med kemisk eller elektrolytisk ytbehandling vara mindre lämpligt då ytorna beläggs med inhibitorn vilket stör eller omöjliggör en fortsatt behandling. 4.1.4. Vätmedel (tensider) Vätmedel är organiska ämnen som har egenskapen att minska ytspänningen mellan betgods och lösning. Detta ger en viss avfettande effekt åt betbadet och bidrar därmed till en jämnare betning i de fall ytan inte är helt ren från olja eller fett före betningen. Genom minskningen av ytspänningen minskas också aerosolbildningen och bidrar därmed till bättre arbetsmiljö. Vid användandet av vätmedel uppstår också ett skumskikt på betbadets yta vilket också verkar bromsande på gasblåsornas förmåga att "bära med sig" betsyra i luften. Vätmedelstillsatser används generellt vid betning i galvanoanläggningar och rekommenderas även för användning vid betning före varmförzinkning. Tensider och deras verkningssätt behandlas under avfettning. 4.1.5. Betning i praktiken Vilka halter av de olika komponenterna i betsyran skall då rekommenderas? Ett definitivt svar på denna fråga kan knappast ges. Förnuftigare torde vara att ge ett haltområde som betaren bör arbeta inom. På grund av sina praktiska förutsättningar får han då välja de koncentrationer som passar honom bäst. 5
6 Figur 6 Lämpliga betbetingelser vid 20ºC (streckade området) Figur 6 visar det koncentrationsområde inom vilket betningen går snabbast. Fritt val att arbeta med hög syrahalt och låg järnhalt eller med låg syrahalt och hög järnhalt, inom de gränser som anges. Låg syrahalt och hög järnhalt har flera fördelar. Betförloppet blir relativt snabbt och betresultatet mycket bra. Risken för överbetning och väteupptagning elimineras också nästan helt. Möjligheten att arbeta med varmare lösningar ökar och syraförbrukningen blir lägre. Regelbunden analys krävs oberoende av betmetod för att hålla optimala betbetingelser i processen. 4.1.6. Destruktion av förbrukade betbad Oavsett hur man betar och med vilka koncentrationer måste man någon gång förnya sitt bad eller del av det Det använda badet blir då ett kvittblivningsproblem. I praktiken har man att välja på upparbetning eller total destruktion. Järnlösningen i sig själv besitter ju ett visst värde genom att det lösta järnet är väl lämpat att användas som fällningskemikalie vid rening av avloppsvatten. Nackdelen är om betlösningen innehåller andra metalljoner än järn. Hur god betdisciplin man än har kan badet förorenas av andra metaller än järn. Hos t.ex. varmförzinkaren följer alltid zink med olika lyftverktyg med tillbaka till betningen från zinkbadet om dessa ej avbetas i ett speciellt bad, som sedan används för flussberedning. 6
7 Används rostfria eller syrafasta verktyg sker alltid en utlösning av krom och nickel. Också betgodset, stålet, innehåller ämnen som koppar, bly och kobolt som ger spår i betsyran. Titan används ofta i krokarna dels för att det är mycket beständigt mot syra och dels för att zinken inte reagerar med titan. Skall betbadet eller delar av dess innehåll användas för vattenrening måste ovan nämnda föroreningar på något sätt avlägsnas. Om detta skall ske hos betare eller i särskilda upparbetningsanläggningar är en ekonomisk fråga. En betare med stor volym och likartat gods kan ibland finna att betlösningen kan gå direkt till vattenrening, medan det mindre företaget kan tjäna på att låta andra överföra betlösningen till fällningskemikalie för vattenrening. 4.1.7. Några goda råd vid saltsyrabetning Avfetta godset väl före betning. Avlägsna svetsslagg, märkfärg och annat som inte tas bort vid avfettning eller betning med mekaniska hjälpmedel, t.ex. blästring. Cirkulera betlösningen. Avlägsna "feta" ämnen som bildas på betbadets yta. Håll gärna hög halt av järnklorid i lösningen. Håll inte syrahalten högre än nödvändigt. Var måttfull med sparbetmedel och tensider (vätmedel). Återanvänd så mycket som möjligt av sköljbadet efter betningen som spädning i betbadet. 7