AT405194B

AT405194B - Vorrichtung zum galvanischen abscheiden eines ein- oder beidseitigen metall- oder legierungsüberzuges auf einem metallband

Info

Publication number: AT405194B
Application number: AT0067696A
Authority: AT
Inventors: Franz Ing Ruzicka; Gerald Dipl Ing Dr Tec Maresch; Ortwin Dipl Ing Noll; Werner Dipl Ing Schueler
Original assignee: Andritz Patentverwaltung
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 1999-06-25
Also published as: DE19713647A1; CN1094525C; JP3374159B2; KR100463807B1; ID19533A; DE19713647C2; ATA67696A; TW399105B; JPH1030198A; US5942096A; KR970070251A; CN1179480A

Description

AT 405 194 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum galvanischen Abscheiden eines ein- oder beidseitigen Metall- oder Legierungsüberzuges auf einem Metallband, insbesondere auf einem Stahlband, mit zumindest einem an eine Stromquelle angeschlossenen Anodengehäuse, von welchem Gehäuse mindestens eine Seite als im wesentlichen vertikal angeordnete ebene Galvanisierplatte als Anode ausgeführt ist, an der das über zumindest eine Stromrolle und allenfalls Führungsrollen geführte und als Kathode geschaltete Metallband parallel und im wesentlichen vertikal vorbei bewegt wird, wobei die Galvanisierplatte zumindest eine Austrittsöffnung für Elektrolytflüssigkeit in den Spalt zwischen Galvanisierplatte und Metallband aufweist.

Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise in der DE-PS 32 09 451 beschrieben. Im Anodengehäuse ist ein sich in Bandlaufrichtung erstreckender, d.h. im wesentlichen vertikaler Austrittschlitz für den Elektrolyt vorgesehen. Durch diesen Schlitz kann über seine gesamte Höhe gleichzeitig viel Elektrolytflüssigkeit austreten und den Spalt zwischen Band und Anode beim seitlichen Abfließen vollständig ausfüllen. Die Galvanisierplatte kann dabei auch als unlösliche Anode ausgeführt sein. Durch den hohen Austrittsdruck der Elektrolytflüssigkeit wird jedoch das Band in seiner Längsmitte von der Anode weggedrückt. An den Längsrändern sorgt die Strömung des Elektrolyten jedoch für eine Anziehung des Bandes - hydraulisches Paradoxon - in Richtung Anode, sodaß die Dicke der auf dem Band abgeschiedenen Beschichtung über die Bandbreite sehr unterschiedlich wird. Eine wirtschaftliche Durchführung der Beschichtung ist somit mittels der beschriebenen Vorrichtung nicht möglich. Weiters ist aus der AT 373 922 B (Andritz-Ruthner) ein Anodenkasten bekannt, bei dem Elektrolyt aus dem Anodenkasten in einen Spalt zum Band hin austritt, wobei die vorgesehenen Öffnungen den hydrostatischen Druck ausgleichen sollen. Eine gleichmäßige Beschichtung, wie sie heute gefordert wird, läßt sich mit dieser Anlage nicht erreichen. Außerdem beschreibt die DE 31 08 615 A1 (Nippon Steel Corp.) eine Vorrichtung zur Beschichtung mit Anodenkästen, die Auslässe (Schlitze) zum Band hin aufweisen, wobei diese Auslässe in einem Winkel zum Band hin von 60 - 120 * angeordnet sind. Die Schlitze sind dabei im wesentlichen rechtwickelig angelegt und miteinander verbunden (Fig. 8A bis 8 E). Damit können ebenfalls keine über die Bandbreite gleichmäßigen Beschichtungen erzielt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war eine Vorrichtung, mit der in wirtschaftlicher Weise und bei kontinuierlichem Betrieb eine gleichmäßigere Schichtdickenverteilung der galvanisch abgeschiedenen Beschichtung über die Bandbreite als bei herkömmlichen Konstruktionen erzielt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß vor der als im wesentlichen vertikaler Austrittsschlitz ausgeführten Austrittsöffnung für Elektrolyt ein Bereich mit unter Druck stehendem Elektrolyt vorgesehen ist, und daß ein zweiter Bereich für drucklosen Elektrolyt vorgesehen ist, wobei zumindest eine Austrittsöffnung für Elektrolyflüssigkeit in den Spalt zwischen Band und Galvanisierplatte aus diesem zweiten Bereich vorgesehen ist. Durch die mittels der zusätzlichen Austrittsöffnungen verbesserte Strömungscharakteristik der Elektrolytflüssigkeit zwischen Band und Anode sind bereits ohne Streckrichter Schichtdickentoleranzen im Bereich von t 7% bei einem 1500 mm breiten Band erreicht worden, während in herkömmlichen Zellen trotz Einsatz von Streckrichtern diese Toleranzen bei * 10% und höher liegen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Anodengehäuse vorgesehen das in einen Druckkasten und einen gegen die Atmosphäre offenen, drucklosen Kasten unterteilt ist, wobei der Druckkasten mit dem im wesentlichen vertikalen Austrittsschlitz für Elektrolytflüssigkeit versehen ist, und wobei der drucklose Kasten ebenfalls mit zumindest einer Austrittsöffnung für Elektrolytflüssigkeit in den Spalt zwischen Band und Galvanisierplatte versehen ist. Damit wird in baulich einfacher und verläßlicher Weise eine verbesserte Strömungscharakteristik der Elektrolytflüssigkeit im Spalt zwischen Band und Anode erzielbar.

Zur einfachen Regelung der in den unter Druck stehenden und der in den drucklosen Abschnitt gelangenden Elektrolytmenge stehen der unter Druck stehende Bereich und der drucklose Bereich vorzugsweise über ein einstellbares Regelorgan in Verbindung.

Vorteilhafterweise verjüngt sich in bekannter Weise der im wesentlichen vertikale Austrittsschlitz nach unten hin, wodurch der statische Druckunterschied im Elektrolyt über die Höhe der Anode ausgeglichen wird.

Eine stabilere Ausführung der Anode und der Ränder des Austrittsschlitzes ist erzielbar, wenn der im wesentlichen vertikale Austrittsschlitz durch zumindest einen Quersteg in mehrere Abschnitte unterteilt ist. Weiters wird die Druckwirkung des ausströmenden Elektroltten in eine Druck- und eine Saugwirkung umgewandelt, deren Kräfte sich gegenseitig aufheben.

Vorteilhafterweise sind die Abschnitte des Austrittsschlitzes gegeneinander versetzt angeordnet, wodurch eine gleichmäßigere Bandführung und damit auch Abscheidung erzielt wird.

Eine optimale Unterstützung der Füllung des Spaltes zwischen Band und Anode ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dann möglich, wenn unterhalb und/oder oberhalb der Galvanisierplatte bzw. 2

AT 405 194 B deren aktiven Bereiches zumindest je ein vorzugsweise horizontaler Austrittschlitz für Elektrolytflüssigkeit aus dem drucklosen Bereich vorgesehen ist. Diese zusätzlichen Austrittsschlitze bilden einen Flüssigkeits-Vorhang und vermeiden so das Ansaugen von Luft in den Spalt zwischen Anode und Band.

Eine Stabilisierung der Strömung des Elektrolyten ist vorteilhafterweise erzielbar, wenn seitlich neben dem im wesentlichen vertikalen Austrittsschlitz aus dem unter Druck stehenden Bereich weitere Austrittsöffnungen aus dem drucklosen Bereich vorgesehen sind.

Eine weitere Verbesserung der Strömungscharakteristik durch Unterbindung eines Abfließens des Elektrolyten nach unten in Bandrichtung ist dadurch gegeben, daß am unteren Ende der Galvanisierplatte bzw. deren aktiven Bereiches eine im wesentlichen horizontale, gegen das Band vorspringende Leiste als Abschluß vorgesehen ist, wodurch die Ausbildung einer im wesentlichen horizontalen Strömung begünstigt wird.

Vorteilhafterweise aufgrund der geringen anfallenden Wartungsarbeiten ist gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal die Galvanisierplatte bzw. deren aktiver Bereich als unlösliche Anode ausgeführt, vorzugsweise aus Blei, einer Bleilegierung, platiniertem oder mit Iridiumoxid beschichtetem Titan, wobei dann die Metallkonzentration des Elektrolyten durch regelmäßige Zusätze ergänzt werden muß.

Eine sehr einfache, robuste und wirtschaftliche Bauweise ist gegeben, wenn die nicht aktiven Bereiche der Galvanisierplatte und allenfalls auch das Anodengehäuse aus Titan oder aus nichtleitendem, säurebeständigem Kunststoff bestehen.

Vorteilhafterweise ist die Galvanisierplatte bzw. deren aktiver Bereich in drei quer zur Bandlaufrichtung nebeneinanderliegende Abschnitte unterteilt, wobei der vertikale Austrittsschlitz und die zusätzlichen Austrittsöffnungen aus dem drucklosen Bereich im mittleren Teil vorgesehen sind.

Um die Abscheideleistung über die gesamte Anodenbreite trotz des vertikalen Austrittsschlitzes gleichmäßig zu halten, ist der mittlere Teil in Bandlaufrichtung gesehen länger als die Seitenteile, wobei vorzugsweise die geometrischen Flächen aller aktiven Teile gleich sind. Die durch den Austrittsschlitz und andere Austrittsöffnungen fehlende Fläche wird durch diese Verlängerung wieder ausgeglichen. Um bei den erzielbaren geringen Abständen zwischen Anode und Band den Abstand genau einhalten zu können und ein Anschlägen den Bandes an der Anode sicher zu verhindern, sind gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung am oberen und/oder am unteren Ende der Anode bzw. dem Anodengehäuse Abstandhalterollen für das Band vorgesehen sind.

Zur genauen Ausrichtung und Justierung des Abstandes zwischen Band und Anode auch während des Abscheidebetriebes und in Anpassung an die Bandgeometrie ist vorgesehen, daß die Anode bzw. das Anodengehäuse verstellbar aufgehängt ist. Die Verstellung kann dabei hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch erfolgen.

Die Erfindung, sowie weitere Vorteile und Merkmale davon, sollen in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Dabei zeigt die Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Beschichtungsanlage für die beidseitige Beschichtung eines Metallbandes und Fig. 2 ist eine Darstellung einer Anlage für die einseitige Beschichtung. Fig. 3 ist eine Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anodengehäuses von der Bandseite her, Hg. 4 zeigt dieses Gehäuse im Querschnitt, Fig. 5 und Fig. 6 sind Ansichten entsprechend Fig. 3 gemäß zweier weiterer Ausführungsformen.

In der Vorrichtung der Fig. 1 wird das Band 1 beim Einlaufen in die Beschichtungszelle über eine mit einer Stromquelle verbundene Stromrolle 2 kathodisch polarisiert und im wesentlichen in eine vertikale Richtung umgelenkt. Im vertikalen Abschnitt läuft das Band 1 durch einen Spalt zwischen zwei mit einer Stromquelle verbundene Anoden 3 hindurch und wird dabei auf beiden Bandseiten durch Abscheidung von Material aus der Elektrolytflüssigkeit beschichtet. Diese Flüssigkeit tritt aus zumindest einem Austrittsschlitz - siehe Fig. 3 - in der Anode in Richtung Band 1 hin aus. Unterhalb der Anoden 3 wird das Band 1 über eine Umlenkrolle 4 geführt und dadurch im wesentlichen vertikal nach oben zurückgeführt. Dabei wird das Band 1 wieder zwischen zwei Anoden 3 hindurchgeführt und mit einer weiteren Schicht beschichtet. Oberhalb der Anoden 3 liegt eine weitere kathodische Stromrolle 2, über welche das Band 1 umgelenkt und aus der Zelle herausgeführt wird.

Lediglich eine Anode 3 in jedem vertikalen Bandabschnitt ist bei der Beschichtungsvorrichtung gemäß Fig. 2 vorgesehen. Die Anoden 3 sind dabei jeweils auf der Außenseite der Zelle angeordnet, sodaß das Band 1 hier nur auf einer Seite mit einer Beschichtung versehen wird. Auch hier ist in jeder Anode 3 zumindest ein Austrittsschlitz vorgesehen, aus dem Elektrolytflüssigkeit in den Spalt zwischen Band 1 und Anoden 3 austritt.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Galvanisierplatte 3' als dem Band 1 zugewandte Seite einer Anode 3. Die Galvanisierplatte 3' besteht hier beispielsweise aus drei Abschnitten 3a, 3b und 3c. Der Elektrolyt wird bei 5 über einen Anschlußflansch 6 in das Anodengehäuse 3 geführt. Er tritt anschließend durch den 3

Claims

AT 405 194 B im wesentlichen vertikalen Austrittsschlitz 7 im mittleren Anodenteil 3b und die beiden im wesentlichen horizontalen Schlitze 8 oder 9 im oberen bzw. unteren Ende der Galvanisierplatte 3' aus. Die Schlitze 8, 9 erstrecken sich im wesentlichen über die Breite des mittleren Anodenabschnittes 3b. Dies ist vorgesehen, um ohne Elektrolytvergeudung Metallbänder unterschiedlicher Breiten beschichten zu können, wobei die Länge der Schlitze 8, 9 der minimalen Bandbreite entspricht. Die aktive Höhe der Anode 3 ist durch das Bezugszeichen H gekennzeichnet. Ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Darin ist zu erkennen, daß der Elektrolyt bei 5 über den Anschlußflansch 6 in einen ersten Druckkasten 10 eines Anodengehäuses 3 eintritt. Die Zuflußmenge der Elektrolytflüssigkeit wird in Relation zur Größe des Austrittsschlitzes 7 derart eingestellt, daß der Elektrolyt im Druckkasten 10 unter einem vorbestimmten Druck gehalten wird. Dieser Druck bestimmt die Austrittscharakteristik durch den Austrittsschlitz 7 und den Abfluß im Spalt zwischen Band 1 und Anode 3 in Richtung der Pfeile 13. Er wird vorzugsweise derart gewählt, daß der Elektrolyt im wesentlichen horizontal in Richtung auf die Längsränder des Bandes 1 hin strömt. Die Austrittsgeschwindigkeit des Elektrolyten aus dem Schlitz 7 wird vorzugsweise auf 5 bis 15 m/s eingestellt, wobei dann zwischen Band 1 und Anode 3 eine Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 und 5 m/s erzielt wird. Dabei unterstützt vorteilhafterweise eine am unteren Ende der Anode 3 vorgesehene horizontale Leiste (nicht dargestellt) die Ausbildung der horizontalen Elektrolytströmung im Spalt zwischen Band 1 und Galvanisierplatte 3' der Anode 3. Aus dem Druckkasten 10 des Anodengehäuses 3 gelangt ein Teil des Elektrolyten durch den Austrittsschlitz 7 in den Spalt zwischen Band 1 und Anode 3, während der andere Teil über ein einstellbares Regelorgan 11 in einen zweiten, drucklosen Kasten 12 gelangt, der gegenüber der Atmosphäre offen ist. Über die horizontale Schlitze 8 und 9 tritt der Elektrolyt aus diesem drucklosen Kasten 12 in Richtung Band 1 in den Spalt zwischen Band 1 und Anode 3 aus. Die horizontal liegenden Schlitze 8, 9 sind aufgrund der eine Luftansaugung verhindernden Ausbildung eines Flüssigkeitsvorhanges besonders vorteilhaft. Anstelle der oder zusätzlich zu den Schlitze 8, 9 können prinzipiell beliebig geformte Austrittsöffnungen vorgesehen sein, beispielsweise runde Löcher, aber auch Rhomben, Trapeze, Rechtecke oder andere geometrische Formen und deren Kombinationen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind zur Stabilisierung der Strömung des Elektrolyten im Spalt zwischen Band 1 und Anodengehäuse 3 weitere Austrittsöffnungen 14 vorgesehen. Sie führen Elektrolytflüssigkeit aus dem drucklosen Kasten 12 zum Band und sind vorzugsweise im Bereich des mittleren Anodenteils 3b angebracht. Mit 15 sind Stützrollen an der Ober- bzw. Unterseite der Anode 3 bezeichnet, die zur besseren Stabilisierung des Bandlaufes im Anodenbereich und der genau definierten Einstellung des Abstandes zwischen Band 1 und Anode 3 dienen. Eine Ausführungsform mit einem durch Stege 16 in mehrere Abschnitte unterteilten Austrittsschlitz 7' im mittleren Anodenteil 3b ist in Fig. 6 dargestellt. Diese Stege 16 sind vorzugsweise zwischen 20 und 200 mm lang und die freie Austrittslänge der einzelnen Abschnitte des Austrittsschlitzes T beträgt vorzugsweise zwischen 50 und 400 mm. Die Austrittssschlitze 7, 7', 8 und 9 bzw. alle weiteren Austrittsöffnungen 14 sind selbstverständlich vorteilhafterweise nach den Anforderungen der Strömungslehre geformt, d. h. die Kanten an der Austrittsseite sind gerundet und in Richtung Druckkasten bzw. druckloser Bereich sind trompetenförmige Einlaufteile vorgesehen. Auch die allenfalls vorgesehenen Stege 16 können anstelle mit geraden Kanten vorteilhafterweise stromlinienförmig ausgebildet sein. Als Anodenmaterial für die vorteilhafterweise vorgesehenen unlöslichen Anoden kommen vorzugsweise Blei und Bleilegierungen, aber auch platiniertes Metall oder - besonders vorteilhaft - mit Iridiumoxid beschichtetes Titan zur Anwendung. Die Beschichtung ist vorteilhafterweise auch in den Austrittsöffnungen und auf den allfälligen Stegen vorgesehen. Patentansprüche 1. Vorrichtung zum galvanischen Abscheiden eines ein- oder beidseitigen Metall- oder Legierungsüberzuges auf einem Metallband, insbesondere auf einem Stahlband, mit zumindest einer an eine Stromquelle angeschlossenen, im wesentlichen vertikal angeordneten ebenen Galvanisierplatte als Anode, an der das über zumindest eine Stromrolle und allenfalls Führungsrollen geführte und als Kathode geschaltete Metallband parallel und im wesentlichen vertikal vorbei bewegt wird, wobei die Galvanisierplatte zumindest eine Zuführung und im aktiven Bereich der Galvanisierplatte zumindest eine Austrittsöffnung für Elektrolytflüssigkeit in den Spalt zwischen Galvanisierplatte und Metallband aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der als im wesentlichen vertikaler Austrittsschlitz (7, 7') ausgeführten 4 AT 405 194 B Austrittsöffnung für Elektrolyt ein Bereich (10) mit unter Druck stehendem Elektrolyt vorgesehen ist, und daß ein zweiter Bereich (12) für drucklosen Elektrolyt vorgesehen ist, wobei zumindest eine Austrittsöffnung (8, 9, 14) für Elektrolytflüssigkeit in den Spalt zwischen Band (1) und Galvanisierplatte (3‘) aus diesem zweiten Bereich (12) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anodengehäuse (3) vorgesehen und in einen Druckkasten (10) und einen gegen die Atmosphäre offenen, drucklosen Kasten (12) unterteilt ist, wobei der Druckkasten (10) mit dem im wesentlichen vertikalen Austrittsschlitz (7, 7') für Elektrolytflüssigkeit versehen ist, und wobei der drucklose Kasten (12) ebenfalls mit zumindest einer Austrittsöffnung (8, 9, 14) für Elektrolytflüssigkeit in den Spalt zwischen Band (1) und Galvanisierplatte (3') versehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unter Druck stehende Bereich (10) und der drucklose Bereich (12) vorzugsweise über ein einstellbares Regelorgan (11) in Verbindung stehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der im wesentlichen vertikale Austrittsschlitz (7, 7') nach unten hin verjüngt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen vertikale Austrittsschlitz (7, 7') in einem Winkel von 15 *, vorzugsweise 10*, zur Vertikalen geneigt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen vertikale Austrittsschlitz (7') durch zumindest einen Quersteg (16) in mehrere Abschnitte unterteilt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte des Austrittsschlitzes (T) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb und/oder oberhalb der Galvanisierplatte (3') bzw. deren aktiven Bereiches (H) zumindest je ein vorzugsweise horizontaler Austrittschlitz (8, 9) für Elektrolytflüssigkeit aus dem drucklosen Bereich (12) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich neben dem im wesentlichen vertikalen Austrittsschlitz (7, 7') aus dem unter Druck stehenden Bereich (10) weitere Austrittsöffnungen (14) aus dem drucklosen Bereich (12) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der Galvanisierplatte (3') bzw. deren aktiven Bereiches (H) eine im wesentlichen horizontale, gegen das Band vorspringende Leiste als Abschluß vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanisierplatte (3') bzw, deren aktiver Bereich (H) als unlösliche Anode ausgeführt ist, vorzugsweise aus Blei, einer Bleilegierung, platiniertem oder mit Iridiumoxid beschichtetem Titan.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht aktiven Bereiche der Galvanisierplatte (3') und allenfalls auch das Anodengehäuse aus Titan oder aus nichtleitendem, säurebeständigem Kunststoff bestehen.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanisierplatte (3') bzw, deren aktiver Bereich (H) in drei quer zur Bandlaufrichtung nebeneinanderliegende Abschnitte (3a, 3b, 3c) unterteilt ist, wobei der vertikale Austrittsschlitz (7, 7') und die zusätzlichen Austrittsöffnungen (8, 9, 14) im mittleren Teil vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil (3b) in Bandlaufrichtung gesehen länger als die Seitenteile (3a, 3c) ist, wobei vorzugsweise die geometrischen Flächen aller aktiven Teile gleich groß sind. 5 AT 405 194 B
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen und/oder am unteren Ende der Anode bzw. dem Anodengehäuse (3) Abstandhalterollen (15) für das Band (1) vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode bzw. das Anodengehäuse (3) verstellbar montiert ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen