AT390450B - Vorrichtung zur kontinuierlichen elektroabscheidung von metallen bei hoher stromdichte - Google Patents

Description

Nr. 390 450

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung von Vertikalzellen für die kontinuierliche Elektroabscheidung von Metallen bei hoher Stromdichte. Im speziellen bezieht sich die Erfindung auf die Anordnung der Pumpmittel für den Elektrolyten und auf die Ausbildung des unteren Teiles der Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Verbesserung vereinfacht die Vorrichtung selbst und die zugehörigen Wartungsarbeiten, während gleichzeitig einheitlichere flüssigkeitsdynamische Behandlungsbedingungen sichergestellt werden.

Beim kontinuierlichen Beschichten oder Plattieren von Metallen, insbesondere von Stahlband, mit anderen Schutzmetallen (beispielsweise Zink und Zinklegierungen mit solchen anderen Metallen wie Eisen, Nickel usw.) werden hohe Bandgeschwindigkeiten (sogar über 150 m/min) und hoher Stromdichten (sogar über 180 A/dm^) immer mehr gebräuchlich. Diese Verfahren mit hoher Stromdichte erfordern natürlich eine gewisse Relativgeschwindigkeit zwischen dem Elektrolyt und dem zu beschichtenden Band - das als Kathode wirkt -, um sicherzustellen, daß das unvermeidbar gebildete Gas aus der Umgebung des Bandmaterials entfernt wird und um auch sicherzustellen, daß die Elektrolytsrömung ausreichend turbulent ist, um die Stärke der an Ionen des abzuscheidenden Metalles verarmten Grenzschicht zu vermindern, wodurch eine korrekte Abscheidung und eine zufriedenstellende Ausbeute ermöglicht werden.

Die betroffenen Verfahren erfordern auch sehr konstante flüssigkeitsdynamische Bedingungen - insbesondere bei der Elektro-Coabscheidung weil diese einen erheblichen Einfluß auf die Qualität und Zusammensetzung des Überzugs und auf die Verfahrensleistung haben.

Vom theoretischen Gesichtspunkt aus haben Elektroabscheidungsverfahren mit hoher Stromdichte entscheidende Vorteile, von denen tatsächlich einige in gewissem Ausmaß in den bisher errichteten Anlagen verwirklicht werden konnten. Die Situation scheint jedoch nach wie vor nicht völlig stabilisiert zu sein, insbesondere im Falle jener Halbprodukte, die zur Herstellung raschlebiger Gebrauchsartikel verwendet werden, welche eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Kombination mit einem sehr ansprechenden Äußeren erfordern, wie Bandmaterial, das beispielsweise zur Herstellung von Autokarosserien verwendet wird. Für solche Produktarten, insbesondere für Stahlband, das mit Zink und mit Zinklegierungen mit anderen Metallen (Eisen, Nickel usw.) beschichtet war, schien ursprünglich die Horizontalzellenanlage die Beschichtungsanlage schlechthin zu sein. Die praktische Erfahrung dürfte jedoch nicht völlig zufriedenstellend ausgefallen sein, weil Fabriken, in denen ursprünglich Horizontalzellen im Gebrach standen, offensichtlich zu einem Ersatz dieser Zellen durch Vertikalzellen übergehen.

Bei der Vertikalanordnung der Zelle durchläuft jedoch das Bandmaterial eine Zelleneinheit von oben nach unten und eine andere Zelleneinheit von unten nach oben, sodaß es unmöglich ist, in allen Zellen gleichmäßige flüssigkeitsdynamische Bedingungen an der Grenzfläche zwischen dem Bandmaterial und dem Elektrolyten sicherzustellen.

Zur Beseitigung dieses schwerwiegenden Nachteiles ist in der GB-B2-2162202 bereits eine Lösung vorgeschlagen worden, die sicherstellt, daß die Strömungsrichtung des Elektrolyten in den Zellen derart erfolgt, daß die erforderliche Gleichförmigkeit der flüssigkeitsdynamischen Bedingungen erreicht wird. Im speziellen werden in einem Zellenpaar, worin das zu beschichtende Metallband in einer Zelle von oben nach unten und in der anderen Zelle von unten nach oben geführt wird, in jeder Zelle Mittel zum Pumpen des Elektrolyten an jenen Stellen angeordnet, in welchen das Bandmaterial in die Zelle eintritt oder aus dieser austritt, sodaß die Strömungsrichtung des Elekrolyten in der einen Zelle des Zellenpaares zur Strömungsrichtung in der anderen Zelle entgegengesetzt verläuft

Diese Vorrichtungsanordnung ist in den Betrieben industriell ausprobiert worden und hat zu hervorragenden Ergebnissen geführt. Es verbleiben jedoch einige wenige untergeordnete Nachteile, die im Betrieb Schwierigkeiten verursachen. Beispielsweise ist es schwierig, Pumpen in jedem Zellenpaar derart einzuregeln, daß sie völlig ausbalanciert sind. Dies führt zu einer mangelnden Gleichförmigkeit der Elektrolytströmungsbedingungen, was einen nachteiligen Effekt auf die Gleichmäßigkeit der Beschichtungsqualität hat. Überdies erfordert die Anbringungsart der Pumpen die Montage eines Spritzschutzes, der jedoch eine mögliche Ursache für eine Beeinträchtigung der Oberflächenqualität des Bandmaterials und des Überzuges darstellt, während er gleichzeitig die Wartung der Zelle erschwert.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, diese und andere Nachteile dadurch zu vermeiden, daß eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, die einfacher und zu geringeren Kosten verfügbar ist als die vorbekannten Anlagen und die gleichzeitig eine sehr rasche, stark turbulente Strömung des Elektrolyten in den Behandlungszellen sicherstellt.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung liegt darin, die gleichen identischen flüssigkeitsdynamischen Bedingungen in jeder Zelle eines Zellenpaares sicherzustellen, womit die bestmögliche Ausbeute der Abscheidung und eine hervorragende Qualität der Abscheidung sichergestellt werden.

In einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Elektroabscheidung von Metallen bei hoher Stromdichte auf anderen, in Bewegung befindlichen Metallgegenständen, insbesondere auf Metallband, welche Vorrichtung aus wenigstens einer Behandlungseinheit mit einer oberen und einer unteren, Elektrolyt enthaltenden und durch zwei vertikale Elektrobeschichtungszellen verbundenen Kammer besteht, worin das zu beschichtende Bandmaterial aus der genannten oberen Kammer durch die erste dieser Zellen nach unten zur unteren Kammer geführt wird, worin es umgelenkt und durch die zweite der genannten Kammern zu der oberen Kammer zurückgeführt wird, während der Elektrolyt in jeder der beiden Zellen in der entgegengesetzten Richtung geführt wird, wird ein Verbesserung -2-

Nr. 390 450 eingeführt, um die Vorrichtung zu vereinfachen und gleichförmige flüssigkeitsdynamische Bedingungen in den Zellen sicherzustellen.

Die Verbesserung gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß für jede der genannten Behandlungseinheiten nur eine Pumpvorrichtung verwendet wird, die an einem Ende von nur einer der beiden 5 Vertikalzellen angeordnet ist, wobei die Kammer, in welche die Förderung dieser Pumpenvorrichtung gerichtet ist, zur Gänze mit Elektrolyt gefüllt ist und mit dem Außenraum nur über die andere Kammer über die genannten vertikalen Elektrobeschichtungszellen in direkter kontinuierlicher Verbindung steht.

Diese Pumpvorrichtung wird vorzugsweise am unteren Ende jener Zelle angeordnet, welche von dem zu beschichtenden Metallköiper von unten nach oben durchlaufen wird, wobei die Förderung der Pumpe in die untere 10 Kammer gerichtet ist; diese Pumpenvonichtung kann vorteilhaft aus einem Ejektor bestehen, das ist eine Vorrichtung, in welcher die hohe kinetische Energie einer primären Flüssigkeitsmenge zur Mimahme einer größeren sekundären Flüssigkeitsmenge verwendet wird und deren primäre Mitnahmeflüssigkeit aus Elektrolyt besteht, der aus der genannten unteren Kammer entnommen wird, wogegen die mitgerissene sekundäre Flüssigkeit aus Elektrolyt besteht, der aus der oberen Kammer durch die Vertikalzelle, an welcher der Ejektor 15 angeordnet ist, gezogen wird.

Da die genannte untere Kammer mit Elektrolyt gefüllt und verschlossen ist, ausgenommen die Verbindung mit der oberen Kammer über die vertikalen Zellen, kann der mit dem Ejektor aus der oberen Kammer zu der unteren Kammer gepumpte Elektrolyt zu der oberen Kammer nur durch die andere Zelle aufsteigen.

Da Flüssigkeiten inkompressibel sind, reicht es aus, die beiden Zellen mit den gleichen inneren 20 Querschnittsflächen auszubilden, um sicherzustellen, daß der Durchsatz und die Geschwindigkeit des Elektrolyten in jeder Zelle stets genau gleich groß sind.

Die vorliegende Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform, die in der angeschlossenen Zeichnung dargestellt ist, genauer beschrieben. Die Zeichnung stellt einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Behandlungseinheit mit Vertikalzellen dar; die Beschreibung und die Darstellung sind nur 25 als Beispiel angegeben und sollten die Erfindung in keiner Weise beschränken.

Gemäß der Ausführungsform besteht die Behandlungseinheit aus einem in eine obere Kammer (1) und eine untere Kammer (2) unterteilten Behälter, die voneinander durch eine Trennwand (3) getrennt sind. Die Kammer (1) ist nach oben zu offen und weist Rollen (4) und (5) zum Umlenken des Bandmaterials (6) bei dessen Eintritt in die bzw. Austritt aus der Behandlungseinheit auf. Die Kammer (1) trägt auch mit Ventilen versehene 30 Auslässe (7) und (8), die zum Entleeren der Kammer (1) und zur Einstellung des pH-Werts und der Konzentration der verschiedenen Ionen für die Elektroabscheidung benötigt werden. Die hiefür verwendeten Einrichtungen sind nicht dargestellt, weil die zur Ausführung dieser Hilfsmaßnahmen benötigten Mittel bekannt sind und daher keine Beschreibung erfordern. Die andere Kammer (2) ist gegenüber der Umgebung hermetisch abgedichtet und steht mit der Kammer (1) nur über die Elektrolysezellen (9) und (10) in Verbindung; die 35 Kammer (2) weist am Boden ein Rohr (11) mit einem Ventil (14) zum Ablassen der Flüssigkeit aus der Kammer auf und ist in ihrem Oberteil mit Mitteln, die in der Zeichnung mit (12) und (13) bezeichnet sind, ausgerüstet, um in der Kammer gegebenenfalls angesammeltes Gas abziehen zu können.

Die Trennwand (3), welche die Kammer (1) von der Kammer (2) trennt, weist eine solche Form auf, daß in der Kammer (2) ein hochgelegener Teil zum Sammeln von gegebenenfalls darin gebildetem Gas ausgebildet 40 wird. Diese Trennwand (3) trägt die elektrolytischen Zellen (9) und (10). Der Unterteil jener elektrolytischen Zelle, durch welche das Bandmaterial von unten nach oben läuft, weist Einrichtungen zum Ansaugen von Elektrolyt aus der oberen Kammer (1) in die untere Kammer (2) durch die Zelle (10) selbst auf. Diese Einrichtungen bestehen vorzugsweise aus einer Ejektoreinheit (15), deren primäre Mitnahmeflüssigkeit der Elektrolyt selbst ist, der mit Hilfe einer Pumpe (16) aus der mit der unteren Kammer (2) verbundenen Leitung 45 (11) gepumpt wird, wogegen die mitgenommene sekundäre Flüssigkeit der Elektrolyt selbst ist, der innerhalb der Zelle (10) enthalten und kontinuierlich aus der oberen Kammer (1) angesaugt wird.

Im Betrieb entnimmt die Pumpe (16) eine bestimmte Flüssigkeitsmenge aus der Kammer (2) und führt diese über den Ejektor (15) wieder zurück, sodaß in der Kammer ein ausgewogener Kreislauf dieser Flüssigkeit stattfindet. Der durch den Ejektor (15) als Primärflüssigkeit gepumpte Elektrolyt zieht jedoch durch die Zelle 50 weiteren Elektrolyten aus der oberen Kammer (1) an. Auf diese Weise entsteht eine positive Bilanz hinsichtlich des in die untere Kammer (2) eintretenden Elektrolyts.

Zufolge der Bauweise der unteren Kammer kann jedoch der aus der oberen Kammer angesaugte Elektrolyt sich nicht darin ansammeln, sondern nur aus der unteren Kammer (2) zur oberen Kammer (1) durch die elektrolytische Zelle (9) aufsteigen, und zwar mit einem Durchsatz, der genau der gleiche ist wie in Zelle (10), 55 sofeme die inneren Abmessungen der beiden Zellen gleich sind, was leicht bewerkstelligt werden kann.

Auf diese Weise werden die Ziele der vorliegenden Erfindung völlig und zufriedenstellend erreicht; in der Tat ist die Vorrichtung wirschaftlicher und zuverlässiger, weil nur eine einzige Pumpeinheit für jedes Zellpaar erforderlich ist; die Anwendung von Ejektoren stellt zwangsläufig eine hohe Elektrolytströmung in den Zellen unter sehr turbulenten Bedingungen sicher, die Druckbeaufschlagung der unteren, undeformierbaren Kammer (2), 60 die dauernd voll mit Flüssigkeit ist, mit durch eine der beiden Zellen eingesaugtem Elektrolyt stellt sicher, daß die gleiche identische Elektrolytmenge durch die andere der beiden Zellen zur oberen Kammer aufsteigt, sodaß in den beiden Zellen identische flüssigkeitsdynamische Bedingungen sichergestellt werden. -3-

Claims (3)

1. Nr. 390 450 Aus Gründen der Einfachheit und Kürze sind in der Beschreibung alle jene Einzelheiten und Details unterblieben, beispielsweise der Aufbau der elektrolytischen Zellen und Elektroden, Stromleitungen, äußere Kreisläufe zur Einstellung des pH-Werts und der Konzentration des Elektrolyten, die keinen unmittelbaren Einfluß auf die vorliegende Erfindung haben und die ausreichend bekannt sind, sodaß sie keiner speziellen Erörterung bedürfen. Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Vertikalzellen gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den bereits angeführten Vorteilen weitere Vorteile aufweisen, insbesondere hinsichtlich der großen Variationsfähigkeit von Vertikalzellen dieser Art. Da der Oberteil der Zellen völlig frei ist, können insbesondere unlösliche oder lösliche Anoden von oben eingesetzt werden, wobei die Breite in einfacher Weise variiert werden kann, können Masken zum Abschirmen der Kanten des Bandmaterials angeordnet und gehandhabt werden, wodurch die Abscheidungsprozesse auf beiden Seiten des Bandmaterials oder auf nur einer Seite in einem weiten Bereich adaptiert werden können, ohne daß der Zellenaufbau im geringsten geändert werden muß und mit nur sehr geringem Zeitaufwand. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Elektroabscheidung von Metallen bei hoher Stromdichte auf anderen, in Bewegung befindlichen Metallgegenständen, insbesondere Stahlband, bestehend aus wenigstens einer Behandlungseinheit mit einer oberen und einer unteren, Elektrolyt enthaltenden und durch zwei vertikale Elektroabscheidungszellen verbundenen Kammer, in welchen Zellen der zu beschichtende Metallkörper aus der oberen Kammer durch die erste dieser Zellen zu der unteren Kammer geführt, darin umgelenkt und durch die zweite dieser Zellen zu der oberen Kammer zurückgeführt wird, während der Elektrolyt in jeder der beiden Zellen in der Gegenrichtung durch die Zellen geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der beiden Behandlungseinheiten (9,10) nur eine einzige Pumpeinheit (15) vorgesehen ist, die an einem Ende von nur einer der beiden Zellen (9, 10) angeordnet ist, wobei die Kammer (2), in welche die Förderung dieser Pumpeinrichtung gerichtet ist, zur Gänze mit Elektrolyt gefüllt ist und mit der Außenseite dieser Kammer (2) nur über die andere Kammer (1) über die genannten vertikalen Elektroabscheidungszellen (9,10) in Verbindung steht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung (15) am unteren Ende jener Zelle (10) angeordnet ist, durch welche der zu beschichtende Metallkörper (6) von unten nach oben durchtritt, wobei die Förderung der Pumpeinheit (15) in die untere Kammer (2) gerichtet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinheit (15) aus einem Ejektor besteht, dessen primäre Mitnahmeflüssigkeit der aus der unteren Kammer (2) entnommene Elektrolyt ist, während die sekundäre mitgenommene Flüssigkeit aus der oberen Kammer (1) durch die Zelle (10) angesaugter Elektrolyt ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-