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TWI777746B - 鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統 - Google Patents

鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統 Download PDF

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TWI777746B
TWI777746B TW110131491A TW110131491A TWI777746B TW I777746 B TWI777746 B TW I777746B TW 110131491 A TW110131491 A TW 110131491A TW 110131491 A TW110131491 A TW 110131491A TW I777746 B TWI777746 B TW I777746B
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Abstract

一種鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統,係應用在分析鋁合金陽極處理電解槽液的成分濃度,包含一導電度計、一溫度計以及一比重計,用以量測電解槽液中的導電度、溫度以及比重等物理參數,經取樣該電解槽之槽液導電度、溫度以及比重後,帶入一計算架構求得槽液成分中的游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度,不僅可迅速的判斷硫酸電解液的成分濃度,避免人為問題而造成分析結果的落差,大幅提升電解槽液成分濃度的分析方便性,更是可以實現遠端線上直接分析監控之可行性,俾有實用性的增進者。

Description

鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統
本發明係關於一種電解槽液成分檢驗,尤指一種透過計算公式分析電解槽液成分濃度之鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統。
鋁及鋁合金在大氣中雖能自然形成一層氧化膜,但膜薄(40~50A)而疏鬆多孔,為非晶態的、不均勻也不連續的膜層,不能作為可靠的防護一裝飾性膜層。隨著鋁製品加工工業的不斷發展,在工業上越來越廣泛地採用陽極氧化或化學氧化的方法,在鋁及鋁合金製件表面生成一層氧化膜,以達到防護一裝飾的目的。
其中,陽極氧化處理是利用電化學的方法,在適當的電解液中,以鋁合金零件為陽極,不鏽鋼、鉻、或導電性電解液本身為陰極,在一定電壓電流等條件下,使陽極端表面發生電解氧化反應,從而使工件表面獲得陽極氧化膜的過程。
目前國內外廣泛使用的陽極氧化工藝就是硫酸陽極氧化,和其他方法相比他在生產成本、氧化膜特點和效能上都具有很大優勢,它成本低、膜的透明性好、耐腐蝕耐摩擦性好、著色容易等優點。它是以稀硫酸作電解液,對產品進行陽極氧化,膜的厚度可達5um-20um,膜的吸附性好,無色透明,工藝簡單,操作方便。
陽極氧化過後氧化膜的品質決定了產品的品質-精緻的外 觀、耐磨耐腐蝕的特性,所以在生產過程中,操作條件要求十分嚴格,鋁和鋁合金的陽極氧化膜(AAO)的成膜影響因素包含:
(1)電解液成分-游離硫酸濃度
游離硫酸濃度對氧化膜的阻擋層厚度、電解液的導電性和對氧化膜的溶解作用、氧化膜的耐蝕性和耐磨性以及後續處理的封孔品質都將產生一定影響。游離硫酸濃度高,對氧化膜的溶解作用大,形成的阻擋層則薄,維持一定電流密度則所需的電壓降低;當游離硫酸濃度低時阻擋層則厚,所需的電壓升高。另外,硫酸濃度高,對氧化膜的溶解作用大,氧化膜的膜孔錐度大、外層孔徑增大,使封孔困難,容易產生粉化的現象,但適當的濃度有利於染色速度,所以要依各自需求設定。
(2)電解液成分-鋁離子濃度
鋁離子濃度增加時,會影響到游離酸的導電度,而使得成膜效率變差,當鋁離子含量太高時會影響氧化膜的品質,使得氧化膜的耐磨性和耐蝕性都會下降。
(3)槽液溫度。
在陽極氧化過程中,會持續產生熱量,必須對槽液進行冷卻降溫,以維持固定溫度範圍,該溫度又以氧化膜的需求來設定。溫度較低時,所產生的膜比較硬,隨著溫度升高,膜較軟比較不容易破裂且較容易染色但因為染色速度太快容易有顏色不均的問題,而且膜的外層硬度較低。高溫產生的膜容易出現“粉化”現象。
(4)氧化電壓以及氧化電流密度
陽極氧化的氧化電壓決定氧化膜的膜孔的數量、孔徑大小,低電壓生 成的膜孔徑小、孔數多,而高電壓使膜孔徑大,但孔數少。在一定範圍內高電壓有利於生成緻密、均勻的膜。氧化電流密度與生產效率有直接的關係。當採用較高氧化電流密度時,得到預定厚度氧化膜所需時間可以縮短,生產效率高,相對的需要較大的電源供應量,而且需要較大功率的冷卻系統。此外氧化電流密度過高,使膜厚波動大,吊掛點的通電量過大會引起工件“燒傷”。膜層耐蝕性、耐磨性與電流密度的關係也很大。
(5)電解槽液攪拌
為了使陽極氧化槽液溫度和濃度均勻,即時將氧化膜附近的大量熱量帶走,避免溫度持續累積容易產生氧化膜粉化的現象,一般在陽極氧化過程中對槽液進行攪拌。
(6)陽極氧化時間
氧化時間的控制根據硫酸濃度、槽液溫度、電流密度、鋁材質、鋁工件對氧化膜厚度和性能的要求來決定。假設每條生產線各自的的操作溫度和槽液條件和預設的電流密度i是固定的,只需試驗將各材質的成膜係數K,然後依膜厚公式δ=K*Q=K*i*t,依膜厚δ推算所需陽極處理的時間。
然而,先前電解液的分析方法都是採用滴定法,請配合參閱第3圖所示:
總酸濃度(g/L):取5ml電解液樣品放到250ml燒杯中,利用純水稀釋至150ml,利用磁石攪拌器攪拌,滴入5滴酚酞指示劑,用1(N)氫氧化鈉溶液滴定至溶液由無色變成粉紅色(pH值≒8)即為滴定終點,紀錄X(N)氫氧化鈉溶液的消耗量A(ml)。
總酸濃度(g/L)=9.8*A*X
游離酸濃度(g/L)、鋁離子濃度(g/L):取5ml電解液樣品放到250ml燒杯中,利用純水稀釋至150ml,利用磁石攪拌器攪拌,滴入5滴酚酞指示劑,加入2g氟化鉀(KF),用1(N)氫氧化鈉溶液滴定至溶液由無色變成粉紅色(pH值≒8)即為滴定終點,,紀錄X(N)氫氧化鈉溶液的消耗量B(ml)。
游離硫酸濃度(g/L)=9.8*B*X
鋁離子濃度(g/L)=1.8*(A-B)*X
於是,先前的滴定方法,需要較多的時間、設備、以及藥劑費用,人員操作過程容易有取樣誤差還有滴定終點的判斷誤差,造成分析結果的落差,而且無法運用到線上監控。
有鑑於此,本發明人於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗,針對上述之目標,詳加設計與審慎評估後,終得一確具實用性之本發明。
本發明所欲解決之技術問題在於針對現有技術存在的上述缺失,提供一種鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統。
上述分析系統,係應用在分析電解槽液的成分濃度,包含一導電度計、一溫度計以及一比重計,用以量測電解槽液中的導電度、溫度以及比重等物理參數,再將上述所測得之導電度(CS-A-T(mS/cm))、溫度(T(℃))、比重(DS-A-T(g/ml))經由一計算架構進行計算分析,以取得電解槽液中之游離硫酸濃度(g/L)、總酸濃度(g/L)以及鋁離子濃度(g/L),經該計算架構所計算出的數據再依據電解槽液所需游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度的設定標準判定濃度是否充足,當游離硫酸濃度在設定標準內,俾能直 接生產並定時取樣計算;反之,當游離硫酸濃度不足或太高時,則需重新調配硫酸濃度,再次取樣電解槽液中之導電度、溫度以及比重數值,並經由該計算架構計算分析,使該電解槽液中的游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度達到設定範圍內,俾能迅速且正確地判斷硫酸電解液的成分,防止產生人為問題造成分析結果的落差。
本發明係提出以導電度、溫度、比重三個物理參數直接分析硫酸電解液的成分:游離硫酸濃度(g/L)、總酸濃度(g/L)、鋁離子濃度(g/L)。計算架構如下:
Figure 110131491-A0101-12-0005-1
較佳地,導電度、溫度、比重取樣時係依序利用該導電度計、溫度計以及比重計從該電解槽取樣,將取樣之數據經計算架構計算分析後,如有游離硫酸濃度不足之情況時,係將硫酸添加至電解槽中,增加游離硫酸濃度的濃度,使游離硫酸濃度達到設定範圍內;反之,如有游離硫酸濃度及鋁離子濃度太高的情況時,則抽換電解槽液,並重新調配硫酸與純水的比例,使游離硫酸濃度以及鋁離子濃度達到設定範圍內。
較佳地,該分析系統係於該電解槽建立一自動取樣機,該自動取樣機內建導電度計、溫度計以及比重計,利用遠端線上操控方式操作該自動取樣機取得該電解槽液中的導電度、溫度以及比重參數,再將參數套入該計算架構內進行計算分析,俾能求得游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度者,達到線上取樣監控的效果,省下人工取樣的時間;又該分析系統係於該電解槽更搭配有硫酸自動加藥機以及鋁離子分離酸回收系統,當經該計算架構計算出游離硫酸濃度不足時,俾能經由該硫酸自動加藥機將硫酸添加至該電解槽內;此外,當經該計算架構分析出游離硫酸濃度及鋁離子濃度太高時,則能經由該鋁離子分離酸回收系統將硫酸回收,並穩定鋁離子濃度者。
對照先前技術之功效:本發明係經取樣該電解槽之槽液導電度、溫度以及比重後,帶入一計算架構求得槽液成分中的游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度,不僅可迅速的判斷硫酸電解液的成分濃度,避免人為問題而造成分析結果的落差,大幅提升電解槽液成分濃度的分析方便性,更是可以實現遠端線上直接分析監控之可行性,俾有實用性的增進者。
〔第1圖〕係本發明之取樣計算分析之流程方塊圖。
〔第2圖〕係本發明之遠端線上取樣計算分析之流程方塊圖。
〔第3圖〕係習知電解液以滴定方式分析之流程方塊圖。
為使 貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識,以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後:
首先,先請參閱第1圖所示,一種鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統,係應用在分析電解槽液的成分濃度,包含一導電度計、一溫度計以及一比重計,用以量測電解槽液中的導電度、溫度以及比重等物理參數,再將上述所測得之導電度(CS-A-T(mS/cm))、溫度(T(℃))、比重(DS-A-T(g/ml))經由一計算架構進行計算分析,以取得電解槽液中之游離硫酸濃度(g/L)、總酸濃度(g/L)以及鋁離子濃度(g/L),經該計算架構所計算出的數據再依據電解槽液所需游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度的設定標準判定濃度是否充足。
以導電度、溫度、比重三個物理參數直接分析硫酸電解液的成分:游離硫酸濃度(g/L)、總酸濃度(g/L)、鋁離子濃度(g/L)。計算架構如下:
Figure 110131491-A0101-12-0008-3
上述固定參數範圍如下:
Figure 110131491-A0101-12-0008-4
以上參數為硫酸電解液的導電度、比重及溫度相互間的關係式整理出的參數,所以參數並無實際的物理意義以及單位。
其計算架構之實際演算實施例:
Figure 110131491-A0101-12-0009-6
Figure 110131491-A0101-12-0009-7
Figure 110131491-A0101-12-0009-8
Figure 110131491-A0101-12-0009-9
Figure 110131491-A0101-12-0009-10
Figure 110131491-A0101-12-0009-11
Figure 110131491-A0101-12-0009-12
其分析系統之運作流程實施例,再請參閱第1圖所示,導電度、溫度、比重取樣時係依序利用該導電度計、溫度計以及比重計從該電解槽取樣,將取樣之數據經計算架構計算分析後,當電解槽液中的成分游 離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度在設定範圍內時,即可直接進行電解成膜作業,並定時取樣進行計算分析;反之,當取樣之數據經計算架構計算分析後呈現游離硫酸濃度不足之情況時,俾再將硫酸添加至電解槽中,以達到游離硫酸濃度設定的範圍;此外,當取樣之數據經計算架構計算分析後呈現游離硫酸濃度及鋁離子濃度太高的情況時,則必須抽換電解槽液,並重新調配硫酸與純水的比例,以符合游離硫酸濃度以及鋁離子濃度所設定之濃度範圍。
此外,其分析系統之運作流程另一實施例,續請參閱第2圖所示,該電解槽可先設定游離硫酸濃度以及鋁離子濃度,並於該電解槽建立一自動取樣機,該自動取樣機內建導電度計、溫度計以及比重計,利用遠端操控該自動取樣機取得該電解槽液中的導電度、溫度以及比重參數,再將參數套入該計算架構內進行計算分析,俾能求得游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度者,達到線上取樣監控的效果,省下人工取樣的時間;又該分析系統係於該電解槽更搭配有硫酸自動加藥機以及鋁離子分離酸回收系統,當經該計算架構計算出游離硫酸濃度不足時,俾能再經由遠端線上操控的方式,啟用該硫酸自動加藥機將硫酸添加至該電解槽內,再透過自動取樣機取樣分析者;此外,當經該計算架構分析出游離硫酸濃度及鋁離子濃度太高時,則經由該鋁離子分離酸回收系統將硫酸回收,並穩定鋁離子濃度,最後同樣再透過自動取樣機取樣分析者。
以上經過鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統以及計算架構計算分析之游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度皆達到設定標準內時,俾能進行生產作業,且生產作業過程中並於每小時自動取樣分析,達 到監控電解槽成分濃度之目的,以穩定電解槽之生產品質。
藉上述具體實施例之結構,可得到下述之效益:本發明係經取樣該電解槽之槽液導電度、溫度以及比重後,帶入一計算架構求得槽液成分中的游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度,不僅可迅速的判斷硫酸電解液的成分濃度,避免人為問題而造成分析結果的落差,大幅提升電解槽液成分濃度的分析方便性,更是可以實現遠端線上直接分析監控之可行性,俾有實用性的增進者。
綜上所述,本發明確實已達突破性之結構設計,而具有改良之發明內容,同時又能夠達到產業上之利用性與進步性,且本發明未見於任何刊物,亦具新穎性,當符合專利法相關法條之規定,爰依法提出發明專利申請,懇請 鈞局審查委員授予合法專利權,至為感禱。
唯以上所述者,僅為本發明之一較佳實施例而已,當不能以之限定本發明實施之範圍;即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾,皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (3)

  1. 一種鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統,係應用在分析電解槽液的成分濃度,包含一導電度計、一溫度計以及一比重計,用以量測電解槽液中的導電度、溫度以及比重等物理參數,再將上述所測得之導電度(CS-A-T(mS/cm))、溫度(T(℃))、比重(DS-A-T(g/ml))經由一計算架構進行計算分析,以取得電解槽液中之游離硫酸濃度(g/L)、總酸濃度(g/L)以及鋁離子濃度(g/L),經該計算架構所計算出的數據再依據電解槽液所需游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度的設定標準判定濃度是否充足,當游離硫酸濃度在設定標準內,俾能直接生產並定時取樣分析;反之,當游離硫酸濃度不足或太高時,則需重新調配硫酸濃度,再次取樣電解槽液中之導電度、溫度以及比重數值,並經由該計算架構計算分析,使該游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度得以達到設定標準,其中,所述計算架構如下:計算得值△T=T-20 DS-A-20℃=(1+u△T)DS-A-T+V*△T α=(DS-A-20℃-z)/y r=(-x/y)式中u、v、x、y、z為固定參數[(rk+n)+(e r+g)*△T]*S2+[(αk+rL+p)+(αe+f r+h)*△T]*S+[αL+q)+(αf+i)*△T-CS-A-T]=0設a=[(rk+n)+(e r+g)△T]; b=[(αk+rL+p)+(αe+f r+h)*△T];c=[(αL+q)+(αf+i)*△T-CS-A-T] a*S2+b* S+c=0解一元二次方程式判別式W=b2-4ac>0有兩實根,求解游離硫酸濃度S=(-b+w*(1/2))/(2a)鋁離子濃度A=α+r*s總酸濃度TS=S+5.444*A式中e、f、g、h、i、k、L、n、p、q為固定參數所述固定參數範圍如下,u為0.001~0.002;v為-0.001~-0.002;x為0.001~0.002;y為0.005~0.01;z為1.01~1.02;e為0.0015~0.0005;f為0.01~0.05;g為0.0001~0.0005;h為-0.03~-0.06;i為-0.1~-0.5;k為-0.05~-0.10;L為-1~-3;n為-0.005~-0.010;p為4~6;q為-10~-25,以上固定參數為硫酸電解液的導電度、比重及溫度相互間的關係式整理出的參數,所以參數並無實際的物理意義以及單位;藉由上述計算分析,俾能迅速且正確地判斷硫酸電解液的成分,防止產生人為問題造成分析結果的落差。
  2. 如請求項1所述之鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統,其中,導電度、溫度、比重取樣時係依序利用該導電度計、溫度計以及比重計從該電解槽取樣,將取樣之數據經計算架構計算分析後,如有游離硫酸濃度不足之情況時,係將硫酸添加至電解槽中;反之,如有游離 硫酸濃度及鋁離子濃度太高的情況時,則抽換電解槽液,並重新調配硫酸與純水的比例。
  3. 如請求項1所述之鋁合金陽極處理硫酸電解液分析系統,其中,該分析系統係於該電解槽建立一自動取樣機,利用遠端操控該自動取樣機取得該電解槽液中的導電度、溫度以及比重參數,再將參數套入該計算架構內進行計算分析,俾能求得游離硫酸濃度、總酸濃度以及鋁離子濃度者,達到線上取樣監控的效果,省下人工取樣的時間;又該分析系統係於該電解槽更搭配有硫酸自動加藥機以及鋁離子分離酸回收系統,當經該計算架構計算出游離硫酸濃度不足時,俾能經由該硫酸自動加藥機將硫酸添加至該電解槽內;此外,當經該計算架構分析出游離硫酸濃度及鋁離子濃度太高時,則能經由該鋁離子分離酸回收系統將硫酸回收,並穩定鋁離子濃度者。
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