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Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytischen Behandlung schüttfähiger Massenteile
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Behandlung schüttfähiger Massenteile in einem bewegten, insbesondere in den Elektrolyten tauchenden Behälter bzw. einer ein- oder mehr kam- merigen Trommel, wobei die Massenteile in ihrer Gesamtheit eine Elektrode des Systems bilden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Trommeln, in denen schüttfähige Massenteile elektrolytisch mit metallischen Überzügen versehen werden, sind allgemein bekannt. Solche Trommeln tauchen mit den zu galvanisierenden Teilen unter ständiger Drehung in Elektrolyten ein. Unter dem Einfluss eines elektrischen Potentialfeldes scheiden sich Ionen aus der Badlösung an der Oberfläche der Teile ab und bilden metallische Überzugsschichten auf diesen.
Es ist desgleichen bekannt, dass die Menge und Verteilung des abgeschiedenen Metalls auf den Trommelinhalt wesentlich von der Geometrie des elektrischen Potentialfeldes im Elektrolyten abhängt. Dieses elektrische Potentialfeld ist-primär-eine Funktion der Anordnung von Anoden und Trommelinhalt.
Zur Erreichung einer möglichst gleichmässigen Stromverteilung, d. h. einer möglichst gleichmässigen Verteilung des niedergeschlagenen Metalls über den gesamten Trommelinhalt ist bereits vorgeschlagen worden, zusätzlich zu den ausserhalb von Tauchglocken oder-trommeln befindlichen Anoden eine weitere, sich innerhalb der Glocke oder Trommel und oberhalb der Massenteile befindliche Anode vorzusehen.
Andern Literaturstellen zufolge sollen die an der Anodenstange hängenden Anoden so abgebogen oder abgewinkelt werden, dass sie den Mantel der Tauchtrommel konzentrisch (also auch von dessen Unterseite her) umgeben.
Allen diesen Massnahmen haftet der Nachteil an, dass sie nur auf die Hüllfläche der zu einer Anhäufung zusammengeballten Menge an Teilen und prinzipiell nicht in deren Inneres einzuwirken vermögen.
Die eigentliche Problemstellung der Galvanisierung von schüttfähigenMassenteilen in Trommeln fordert dagegen, dass die elektrolytische Abscheidung an allen einzelnen Teilen des Trommelinhaltes gleichzeitig und möglichst mit gleicher Intensität erfolgt.
Messergebnisse verschiedener Versuche beweisen, dass die Differenz der elektrischen Potentiale zwischen einzelnen Teilen des Trommelinhaltes und dem benachbarten Elektrolyten von der Peripherie der Teileanhäufung zu deren Mitte hin äusserst schnell abfällt. Desgleichen bestätigen Beobachtungen im praktischen Betrieb, dass das Rotieren der Trommel keine vollständige Durchmischung der Teile ermöglicht.
Teile des Trommelinhaltes, die sich zu Beginn des Galvanisierungsvorganges an der Peripherie der Anhäufung befinden, rotieren im allgemeinen in gleichbleibenden Bahnen um deren Kern.
Unter den geschilderten Umständen ist die Dicke der erhaltenen metallischen Überzugsschicht eines einzelnen Teiles von seiner Entfernung vom Mittelpunkt des Trommelinhaltes abhängig. Die notwendige Gleichmässigkeit in der Dicke der Überzugsschicht aller einzelnen Teile untereinander ist somit nicht erreichbar.
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In der österr. Patentschrift Nr. 199961 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Behandlung von Massenwaren in chemisch oder elektrochemisch einwirkenden Bädern beschrieben, wobei im wesentlichen die Ware sämtliche Lösungen in ein und demselben Behälter durchwandert. Die Polarisierung erfolgt hiebei mittels eines Kontaktknaufes, der in leitender Verbindung mit dem zu galvanisierenden Kleinzeug od. dgl. steht. Der perforierte Korb ist von ausserhalb der Warenmasse befindlichen Gegenelektroden umgeben. Der metallische Knauf steht mit der Ware durch Berührung in stromleitender Verbindung, so dass sich bei dieser Anordnung in der Ware ein Kern geringer Potentialdifferenzen bilden muss.
Auch bei der Vorrichtung nach der Schweizer Patentschrift Nr. 28378 erfolgt die kathodische Kontaktierung durch den leitenden Trommelmantel. Die Wandung der äusseren Trommel bildet die eine Elektrode, die innere Trommel hingegen die Gegenelektrode. Auch hier entsteht ein Kern geringer Potentialdifferenzen.
Bei dem Gegenstand nach der Schweizer Patentschrift Nr. 13546 bilden die ausserhalb der Trommel in den Elektrolyten tauchenden Platten die Anoden. Die die Ware aufnehmende Trommel wird durch ein metallisches Rohr durchsetzt, das zusammen mit besonderen Armen die kathodische Kontaktierung der Ware bewerkstelligt. Die Arme bezwecken eine bessere Kontaktierung der zu galvanisierenden Charge.
Der Gegenstand nach der brit. Patentschrift Nr. 7225 A. D. 1910 entspricht dem Prinzip nach jenem nach der Schweizer Patentschrift Nr. 13546, wobei eine Welle die Warenmasse kathodisch kontaktiert.
Der nachteilige Effekt des Faradayschen Käfigs (geringe Potentialdifferenz innerhalb der Warenmasse) tritt auch bei diesem Gegenstande auf.
Das Elektrodenpaar bei dem Gegenstand nach der USA-Patentschrift Nr. 866, 959 wird einerseits von einer Anode, anderseits von Rührarmen gebildet, welch letztere mit der Trommel rotieren. Das Fehlen eines im technischen Masse wirksamen Feldes innerhalb der Warencharge ist auf den elektrischen Abschirmeffekt an ihrer Peripherie zurückzuführen.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen.
Erfindungsgemäss werden innerhalb des von der Anhäufung elektrisch polarisierter Massenteile eingeschlossenen Elektrolyten zusätzlich elektrische Felder erzeugt, die das schwache Feld innerhalb der von der Warencharge eingeschlossenen Badlösung verstärken.
Vorteilhafterweise werden zur Herbeiführung der zusätzlichen elektrischen Felder innerhalb der Gesamtheit der Massenteile eine oder mehrere, zumindest teilweise von diesen eingeschlossene, vornehmlich unlösliche Gegenelektroden vorgesehen.
Für die Durchführung des Verfahrens ist eine aus einem in einen Elektrolyten eintauchbaren Behälter, z. B. einer aus einer oder mehreren Kammern bestehenden Trommel sowie einer im Inneren und zumindest einer ausserhalb des Behälters angeordneten Elektrode, bestehende Vorrichtung vorteilhaft, bei der im Inneren des Behälters bzw. der Trommel mindestens eine zusätzliche Gegenelektrode vorgesehen ist, die eine vorzugsweise im Abstand angeordnete Isolierhülle aufweist.
Zweckmässigerweise ist eine zusätzliche, insbesondere als Rohr ausgebildete Gegenelektrode koaxial zur Welle des als drehbare Trommel ausgebildeten Behälters angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass zusätzliche, insbesondere scheibenförmige Gegenelektroden vorgesehen sind, die vertikal zur Drehachse des Behälters angeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist der Behälter in an sich bekannter Weise in mehrere Kammern unterteilt, wobei zwischen diesen Kammern mindestens je eine der zusätzlichen Gegenelektroden angebracht ist.
Mit den erfindungsgemässen Massnahmen wird erreicht, dass die durchschnittliche Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Teilen und dem angrenzenden Elektrolyten erhöht und das elektrische Feld innerhalb des in der Trommel befindlichen Elektrolyten homogenisiert wird.
Ist der Trommel- oder Glockeninhalt etwa kathodisch geschaltet, so hat das elektrische Vorzeichen der in der Anhäufung an Massenteilen eingekapselten Elektroden positiv zu sein. Die Anhäufung schüttbarer metallischer Warenteile und die in ihr eingeschobenen Elektroden verfügen über entgegengesetzte elektrische Vorzeichen. Ein mit Perforationen (in der Form von Löchern, Schlitzen oder ähnlichen Öffnungen) versehener Isolator kann die beiden elektrischen Gegenpole räumlich voneinander trennen.
Ist der Trommelinhalt am Minuspol des Gleichrichters angeschlossen, so können die in der Anhäufung an Massenteilen eingekapselten Elektroden positiven Vorzeichens sowohl unlöslich als auch löslich sein.
Die Aufgabe dieser zusätzlich angeordneten positiven Elektroden bezieht sich prinzipiell auf den Aufbau des Potentialfeldes innerhalb der zusammengeballten, sich umwälzenden Anhäufung an schüttbaren Massenteilen.
Die Ausführung der erfinderischenMassnahme hat überraschenderweise ergeben, dass für jeden Einzelteil des Trommelinhaltes die nahezu gleiche, konstant bleibende Potentialdifferenz in bezug auf den
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umgebenden Elektrolyten hergestellt werden konnte. Die Erfindung ermöglicht demnach gleich dicke elektrolytische Überzüge auf sämtlichen Massenteilen, unabhängig von ihrem Ort innerhalb des Trommelinhaltes. Die effektiv exponierte Oberfläche (Hüllfläche) der zusammengeballten Masse nimmt durch die eindringenden Elektroden proportional zu und trägt folglich zu einer entscheidenden Steigerung des Elektrolyseeffektes in der Trommel bei.
Der Einfluss der Durchmischung hat zufolge der vorgeschlagenen Neuerung nur mehr eine sekundäre Bedeutung.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt ist und an Hand welcher der Erfindungsgegenstand gegenüber dem bekannten Stand der Technik erläutert wird.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung nach dem Schnitt I-I der Fig. 3, Fig. 2 einen Schnitt durch eine bekannte Trommel mit dem Potentialgefälle innerhalb des in der Warenmasse eingeschlossenen Elektroly-
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Die schüttbare Menge an Massenteilen 1 befindet sich in der (gemäss eingezeichnetem Pfeil) rotierenden Tauchtrommel. Die Übertragung der Drehbewegung erfolgt über das Zahnrad 2. Die zwischen den löslichen Anoden 3 befindliche Trommel wird durch die Seitenteile 4 getragen. Die Trommelwandung 5 und der Deckel 6 sind perforiert. Das mit den Seitenteilen 4 starr verbundene Metallrohr 7 stellt die Drehachse dar und ist durch die perforierte elektrische Isolierung (ein konzentrisches, mit Öffnungen durchbrochenes Isolierrohr 8 aus Kunststoff) von den zu galvanisierenden Massenteilen 1 getrennt.
Das Metallrohr 7 ist mittels des Kabels 9 mit dem Pluspol des Gleichrichters verbunden und hat demnach die Funktion einer unlöslichen Elektrode positiven Vorzeichens.
Die zusammengeballte Menge an Massenteilen 1 erhält durch die beiden Kontaktbirnen 10 das Potential der Kathode ; die Verbindung mit dem Minuspol des Gleichrichters wird durch die Kabel 11 geschaffen. Isolierrohr 8 und Trommelgehäuse sind miteinander starr verbunden ; zufolge ihrer gemeinsamen Rotation sind Blockierungen des Umlaufes durch die kollernde Masse 1 unterbunden. Die Zuführung der Kabel 11 verläuft durch die Hohlachse 7. Zwischen dem als Elektrode dienenden Metallrohr 7 und dem Isolierrohr 8 ist ein geringer, aber angemessener Abstand zu wahren.
Fig. 2 gibt das Potentialgefälle innerhalb des in der Warenmasse eingeschlossenen Elektrolyten bei einer bekannten Trommel wieder. Es ist ersichtlich, dass die Potentialdifferenzen von der Randzone der kompakten metallischen Warenmasse 1 her rasch auf einen sehr kleinen Wert abfallen und über eine mittlere Strecke diesen Wert nahezu konstant behalten. Wie in Fig. 2 angedeutet, entsteht somit im Inneren der Warenmasse 1 ein Kern, der wesentlich niedrigere Potentialdifferenzen aufweist als die Randzonen. Diese Erscheinung ergibt sich zwangsläufig ; die metallische Warenmasse verhält sich wie ein Faradayscher Käfig. Das zwischen den zugeordneten Gegenelektroden (Anoden) und der Peripherie der
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einzudringen ('hineinzustreuen").
Zufolge dieser Tatsache ist, wie bereits ausgeführt wurde, die Intensität der elektrolytischen Abscheidung an einem einzelnen Warenteil von dessen Entfernung zum Mittelpunkt des Trommelinhaltes abhängig.
Zur Behebung des erwähnten Nachteiles bekannter Galvanisierverfahren liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, innerhalb des niedrige Potentialdifferenzen aufweisenden Kernes der Masse des Behandlungsgutes Stellen erhöhten Potentials herbeizuführen, so dass die durchschnittliche Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Warenteilen und dem angrenzenden Elektrolyten erhöht bzw. das elektrische Feld innerhalb der von der Warenanhäufung eingeschlossenen Badlösung gleichmässig abfällt oder ansteigt.
Die ausserhalb der Warenanhäufung 1 befindlichen Gegenelektroden 3 haben bekanntlich ein zur Mitte der Charge hin flach auslaufendes elektrisches Feld zur Folge (s. Fig. 2). Die Erfindung sieht vor, diesem Feld - zwecks Erreichung eines starken Potentialgefälles - ein zweites mittels einer oder mehrerer, in der Warenmasse eingebetteter und von dieser entsprechend isolierter Gegenelektroden 7 zu überlagern (s. Fig. 3). Steht die Warenmasse 1 unter kathodischem Potential, so verfügt demnach die innerhalb der Warenmasse eingekapselte Gegenelektrode 7 über anodisches Vorzeichen. Demgemäss besteht der Gedanke der Erfindung in der Herbeiführung zusätzlicher (sich zu dem gemäss dem Stand der Technik vorhandenen und zwangsläufig schwachen Feld innerhalb der von der Warencharge eingeschlossenen Badlösung) addierender Felder.
Zweck der die Warenmasse durchdrinenden Gegenelektroden ist also ausschliesslich die Erzeugung eines
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a) zweiten ("inneren"), b) vom ersten ("äusseren") unabhängigen elektrischen Potentialfeldes. In dem Ausmass, in dem das zweite Feld zur Steigerung des Flusses eines Galvanisierstromes (in additiver Weise) beiträgt, steigt auch die Galvanisierleistung der Trommel verhältnisgleich. Dieses zweite Feld ist deswegen vom ersten unabhängig, weil es durch ausserhalb der Warenmasse befindliche Gegenelektroden nicht herbeigeführt werden kann.
Eine Vorrichtung zur beispielsweisen Durchführung des Verfahrens besteht darin, dass eine Gegenelektrode 7 den Kern der Warenmasse 1 durchdringt. Die das zusätzliche Feld herbeiführende Gegenelektrode 7 ist allgemein mittels des perforierten Mantels 8 von der Charge 1 isoliert (s. die Fig. 1 und 3).
Die in der Fig. 3 gezeigte Gegenelektrode 7 hat das eingezeichnete Diagramm des Potentialgefälles zur Folge. Die Wirkung ist offensichtlich. Die auf den Trommeldurchmesser bezogenen Potentialdifferenzen sind wesentlich grösser als bei Galvanisierverfahren nach dem Stand der Technik (s. Diagramm der Fig. 2). Die Gleichmässigkeit des Feldgefälles bzw. -anstieges ist selbstverständlich umso ausgeprägter, je mehr derartige zusätzliche Gegenelektroden 7 im Inneren der Warenanhäufung 1 vorgesehen werden.
Die mittlere Potentialdifferenz entlang des Trommeldurchmessers hat gemäss Fig. 2 den Wert Um1 ; sieht man im Sinne des erfindungsgemässen Verfahrens eine Gegenelektrode 7 innerhalb der Warenmasse 1 vor (s. Fig. 3), so steigt der entsprechende Betrag Um2 im vorliegenden konkreten Einzelfall um rund das Zweieinhalbfache. Bekanntlich entspricht die Galvanisierleistung einer Trommel dem Pro-
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ferenz bedeutet demnach eine zweieinhalbfache Steigerung der Trommel-Galvanisierleistung.
Ist man gewillt, die Abscheidungsleistung der Trommel weiter zu steigern und die Gleichmässigkeit der auf die einzelnen Massenteile erzielten Überzugsdicken zu vergleichmässigen, so kann das dargestellte Ausführungsbeispiel mit zusätzlichen scheibenförmigen, vertikal auf das Metallrohr 7 angeschweissten Elektroden ausgerüstet werden. Diese Massnahme bringt überraschenderweise eine weitere erhebliche Zunahme der geschilderten Effekte hervor. Das Trommelinnere wird (sofern sich die die Anhäufung an Teilen durchdringenden Scheibenelektroden bis zum Trommelmantel ausdehnen) in Kammern unterteilt.
Es kann ferner als selbstverständlich vorausgesetzt werden, dass man etwa scheibenförmige oder beliebig geformte Gegenelektroden bei Bedarf ortsfest anordnen kann. Der bewegte und anodisch oder kathodisch polarisierte Massenteile beinhaltende Behälter wird mit entsprechenden Ausnehmungen vorgesehen und, beispielsweise durch eine mechanische Transporteinrichtung, auf das System der Gegenelektroden aufgesetzt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur elektrolytischen Behandlung schüttfähiger Massenteile in einem bewegten, insbesondere in den Elektrolyten tauchenden Behälter bzw. einer ein-oder mehrkammerigen Trommel, wo- bei die Massenteile in ihrer Gesamtheit eine Elektrode des Systems bilden, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des von der Anhäufung elektrisch polarisierter Massenteile eingeschlossenen Elek- trolyten zusätzliche elektrische Felder erzeugt werden, die das schwache Feld innerhalb der von der Warecharge eingeschlossenen Badlösung verstärken.