CN104060319B - 一种铜离子浓度自动平衡控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜离子浓度自动平衡控制装置及其控制方法，用于电镀铜包铝线材生产过程中铜离子浓度的自我调节平衡。包括至少一个电镀槽和一个特定槽、一个交换槽，依次连接顺序为特定槽通过管道连电镀槽，电镀槽通过管道连接在缓冲槽，缓冲槽又通过管道连接在特定槽上，在特定槽和缓冲槽之间的管道上还设置有自动泵，有一Cu²⁺在线监测仪连接在缓冲槽上，有一PLC控制器连接在所述的Cu²⁺在线监测仪上，通过在规定时间段内检测缓冲槽内Cu²⁺浓度，由中心控制模块控制高频电源输出可变电压，即控制了特定槽内的工作电流，实现对特定槽内Cu²⁺浓度变化速率的可调控制，使电镀槽内的铜离子浓度长期维持在工艺所需的稳定值上，不需定期对槽液进行稀释维护，不产生废液，减少后续处理成本，无排放产生。

Description

一种铜离子浓度自动平衡控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种铜离子浓度自动平衡控制装置及其控制方法，用于电镀铜包铝线材生产过程中铜离子浓度的自我调节平衡。

背景技术

铜包铝结构是在铝杆上同心地覆合一层铜而形成的双金属复合导线。这种复合材料复合了铝的高质量导电率、低成本和铜的低接触电阻和高化学稳定性的功能优势，它的面世得到业内专家高度重视，并迅速得到推广应用，被称为继铜和铝之后的“第三种导体材料”。铜包铝制备最常用的是包覆焊接法和电镀法，其中电镀法具有可生产多种铜含量比例的产品而生产成本又较低的优势受到推崇。但电镀法的废水漂洗水中含重金属污染物，其废水如直接排放会污染水源，严重污染环境。一方面危害人类健康，另一方面浪费了废水中含有的贵金属，并造成水资源浪费。随着电镀行业用水需求量增大与水资源日益紧缺两者矛盾日益突出，国家环保总局提出了“清洁生产，节能减排，创循环经济”的方针。无排放技术和在线回收利用技术的运用成为电镀行业的发展趋势。

目前电镀铜包铝线材的生产技术均采用硫酸盐镀铜技术。硫酸盐镀铜具有工艺成份简单、电流效率高、沉积速度快、原材料便宜、成本低并能获得高质量的镀层的优点，故而被广泛采用。酸性硫酸镀铜目前都用磷铜作阳极，但磷铜阳极存在铜泥多，为消除铜泥常用阳极袋套装磷铜板。硫酸铜的含量控制在160～220g/L(最佳状态为160～180 g/L)，硫酸含量控制在50～75g/L。在实际生产过程中，由于电化学溶解和化学溶解同时产生，电流效率也不会正好是100%，所以铜离子的浓度会一直上升，而硫酸的含量会不断的下降，这就需要采用人工测量并采取稀释和添加来使槽液的浓度达到使用的要求。采用稀释和添加的方法存在如下的缺点：1.因稀释多出来的硫酸铜溶液，如提炼硫酸铜需花费较高的成本去做二次处理，而且溶液中的硫酸没有办法提炼造成浪费，处理后排放需要成本同时也会造成环境的污染。2.人工调整只可能是间歇性方式工作，也就是一段时间调整一次，这也会使槽液长期不在最佳浓度下工作，虽然也能生产，但对产品质量有影响。3.如果浓度的硫酸铜含量长期在接近220 g/L的情况下工作，酸的消耗量比正常时增加5～10倍，成本增加。硫酸铜也会因接近饱和状态有晶粒析出，析出的晶粒会在阳极铜板上形成一层膜，影响阳极的导电面积，增加电耗并影响产品质量。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种铜离子浓度自动平衡控制装置及其控制方法。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：

本发明的技术方案之一是提供一种铜离子浓度自动平衡控制装置，包括至少一个电镀槽和一个特定槽、一个交换槽，依次连接顺序为特定槽通过管道连接电镀槽，电镀槽通过管道连接缓冲槽，缓冲槽又通过管道连接在特定槽上，在特定槽和缓冲槽之间的管道上还设置有自动泵，有一Cu²⁺在线监测仪连接在缓冲槽上，有一PLC控制器连接在所述的Cu²⁺在线监测仪上，电镀槽到缓冲槽的管道上设置有阀门，在自动泵和特定槽之间的管道上也设置有阀门，所述的电镀槽采用电解铜为阳极，铝线为阴极，所述的特定槽采用铅系合金为不溶性阳极，铝线为阴极。以电解铜为阳极，这样避免了磷铜泥污染物的产生。设置特定槽用于铜电解沉积，以不溶解不钝化的铅系合金为阳极，将其它槽中超过规定浓度的铜离子进行还原沉积。

作为优选，电镀槽上设置有溢流装置，多余的电解液通过管道流向缓冲槽。在缓冲槽内完成电解液相互交换，给特定槽和电镀槽提供循环镀液。

作为优选，所述的特定槽以PP材料焊接而成，长×宽×高=10m×1.5m×0.15m，在特定槽的左右两端设置有阴极导电辊，特定槽的前后槽边设有阳极导电铜排，导电铜排上均匀分布有导电钛板，铅系合金放置于导电钛板上。

作为优选，导电钛板的面积与阴极导电辊的面积比为2﹕1。

作为优选，所述的阴极导电辊和阳极导电铜排之间的距离控制在8～10cm之间。

本发明还提供一种用于铜离子浓度自动平衡控制装置的控制方法，其包括以下步骤：

A.将镀铜电解液注满特定槽、电解槽和缓冲槽，由于电镀槽内设置有溢流装置，多余的镀铜电解液会通过管道加注到缓冲槽内，缓冲槽内的镀铜电解液通过自动泵不断向特定槽补充，特定槽内的镀铜电解液又不断向电解槽内补充，三个槽内的镀铜电解液始终在流动平衡；电镀槽内的Cu²⁺浓度因化学溶解逐渐上升，特定槽内的Cu²⁺浓度因电化学反应逐渐下降；

B.预先设定好Cu²⁺在线监测仪检测的Cu²⁺浓度的中心值；

C.在系统工作过程中，连接在缓冲槽上的Cu²⁺在线监测仪每十分钟自动检测一次缓冲槽内的Cu²⁺浓度，由Cu²⁺在线监测仪输出检测结果的模拟信号，设置信号检测的输入模块，实现对Cu²⁺浓度检测传感器的信号输入，该输入模块完成数据的采集；将输入模块采集的数据输送至PLC控制器，由PLC控制器中的中心控制模块完成数据的运算处理，从而发出0～10伏可变电压信号给高频电源；

D. 高频电源根据电压信号输出相应的电压，输出的电压自动控制电流大小，特定槽内的镀铜电解液根据输入的电流大小，使特定槽内的电化学反应程度发生相应变化，实现对Cu²⁺浓度变化速率的可调，由于特定槽、电解槽和缓冲槽内的镀铜电解液始终在流动平衡的，故可实现Cu²⁺浓度在线自动平衡的控制。

优选的，所述的步骤D中，当Cu²⁺在线监测仪检测到缓冲槽内的Cu²⁺浓度超过高于中心值时，中心控制模块完成数据运算处理后并发出高于中心值所对应的基准电压的可变电压信号给高频电源，当缓冲槽内的Cu²⁺浓度低于中心值时，中心控制模块完成数据运算处理后并发出低于中心值所对应的基准电压的可变电压信号给高频电源。

优选的，所述的中心值为180 g/L，所对应的基准电压为3伏。

优选的，高频电源输出的电压=基准电压+变化量，变化量为Cu²⁺浓度每升高或降低5g/L相对应电压增加或减少0.5。

本发明的有益效果在于：

1.当高频电源输出较高电压时，特定槽输入的电流会变大，特定槽内的电化学反应因而变快，Cu²⁺浓度的变化速率变大，即特定槽内的Cu²⁺浓度下降加快，当高频电源输出较低电压时，特定槽输入的电流会变小，特定槽内的电化学反应因而变慢，Cu²⁺浓度的变化速率变小，即特定槽内的Cu²⁺浓度下降减慢。因此，以Cu²⁺浓度为180 g/L，所对应的基准电压为3伏这个中心值，当Cu²⁺在线监测仪检测到缓冲槽内的Cu²⁺浓度偏离这个中心值时，高频电源输出高于或低于该基准电压的电压，实现对Cu²⁺浓度的变化速率的可调，使电镀槽内的铜离子浓度长期维持在工艺所需的稳定值上，不需定期对槽液进行稀释维护，不产生废液，减少后续处理成本，无排放产生。

2. 减少了铜泥的产生，避免因铜泥对产品造成的质量影响，提高产品品质。

3. 比常规工艺减少硫酸的用量，只有原工艺的用量的10%。

附图说明

图1为本发明的铜离子浓度自动平衡控制装置示意图。

图中标号为：1、电镀槽，2、特定槽，3、缓冲槽，4、自动泵，5、Cu²⁺在线监测仪，6、管道，7、阀门，8、电解铜，9、铝线，10、铅系合金，11、PLC控制器。

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

实施例1：如图1所示，一种铜离子浓度自动平衡控制装置，包括至少一个电镀槽1和一个特定槽2、一个缓冲槽3，依次连接顺序为特定槽通过管道6连接电镀槽，电镀槽通过管道连接缓冲槽，缓冲槽又通过管道连接在特定槽上，电镀槽上设置有溢流装置，多余的电解液通过管道流向缓冲槽，在特定槽和缓冲槽之间的管道上还设置有自动泵4，有一Cu²⁺在线监测仪5连接在缓冲槽上， PLC控制器11连接在所述的Cu²⁺在线监测仪上，电镀槽到缓冲槽的管道上设置有阀门7，在自动泵和特定槽之间的管道上也设置有阀门，所述的电镀槽采用电解铜8为阳极，铝线9为阴极，所述的特定槽采用铅系合金10为不溶性阳极，铝线为阴极。

上述的特定槽以PP材料焊接而成，长×宽×高=10m×1.5m×0.15m，在特定槽的左右两端设置有阴极导电辊，特定槽的前后槽边设有阳极导电铜排，导电铜排上均匀分布有导电钛板，铅系合金放置于导电钛板上。导电钛板的面积与阴极导电辊的面积比为2﹕1，阴极导电辊和阳极导电铜排之间的距离控制在8～10cm之间。

用于铜离子浓度自动平衡控制装置的控制方法，其包括以下步骤：

A.将镀铜电解液注满特定槽、电解槽和缓冲槽，由于电镀槽内设置有溢流装置，多余的镀铜电解液会通过管道加注到缓冲槽内，缓冲槽内的镀铜电解液通过自动泵不断向特定槽补充，特定槽内的镀铜电解液又不断向电解槽内补充，三个槽内的镀铜电解液始终在流动平衡；电镀槽内的Cu²⁺浓度因化学溶解逐渐上升，特定槽内的Cu²⁺浓度因电化学反应逐渐下降；

B. 预先设定好Cu²⁺在线监测仪检测的Cu²⁺浓度的中心值；中心值为180 g/L，所对应的基准电压为3伏；

C. 在系统工作过程中，连接在缓冲槽上的Cu²⁺在线监测仪每十分钟自动检测一次缓冲槽内的Cu²⁺浓度，由Cu²⁺在线监测仪输出检测结果的模拟信号，设置信号检测的输入模块，实现对Cu²⁺浓度检测传感器的信号输入，该输入模块完成数据的采集；将输入模块采集的数据输送至PLC控制器，由PLC控制器中的中心控制模块完成数据的运算处理，从而发出0～10伏可变电压信号给高频电源；

D. 高频电源根据电压信号输出相应的电压，输出的电压自动控制电流大小，特定槽内的镀铜电解液根据输入的电流大小，使特定槽内的电化学反应程度发生相应变化，实现对Cu²⁺浓度变化速率的可调，而特定槽、电解槽和缓冲槽内的镀铜电解液始终在流动平衡的，这样便实现了Cu²⁺浓度在线自动平衡的控制了。当Cu²⁺在线监测仪检测到缓冲槽内的Cu²⁺浓度超过高于中心值时，中心控制模块完成数据运算处理后并发出高于中心值所对应的基准电压的可变电压信号给高频电源，当缓冲槽内的Cu²⁺浓度低于中心值时，中心控制模块完成数据运算处理后并发出低于中心值所对应的基准电压的可变电压信号给高频电源。高频电源输出的电压=基准电压+变化量，变化量为Cu²⁺浓度每升高或降低5g/L相对应电压增加或减少0.5。例如，检测到的Cu²⁺浓度为185g/L时，高频电源输出的电压=3+0.5=3.5伏；检测到的Cu²⁺浓度为190g/L时，高频电源输出的电压=3+1.0=4.0伏；检测到的Cu²⁺浓度为175g/L时，高频电源输出的电压=3-0.5=2.5伏；检测到的Cu²⁺浓度为170g/L时，高频电源输出的电压=3-1.0=2.0伏。

通过在规定时间段内检测缓冲槽内Cu²⁺浓度，由中心控制模块控制高频电源输出可变电压，即控制了特定槽内的工作电流，实现对特定槽内Cu²⁺浓度变化速率的可调控制。当Cu²⁺在线监测仪检测检测到缓冲槽内Cu²⁺浓度高于中心值时，高频电源变输出较高的电压，如3.5伏、4.0伏、4.5伏等，特定槽的工作电流变高，使得特定槽内Cu²⁺浓度的变化速率变大，而特定槽内Cu²⁺浓度因电化学反应而下降的，那么此时特定槽内的Cu²⁺浓度下降会加快，将特定槽内低Cu²⁺浓度的槽液通过管道加注于电镀槽内后，电镀槽内的槽液又通过溢流装置流向缓冲槽，这样就使得电镀槽和缓冲槽内Cu²⁺浓度也会随之下降，使其最终接近中心值；反之，当Cu²⁺在线监测仪检测检测到缓冲槽内Cu²⁺浓度低于时，高频电源变输出较低的电压，如2.5伏、2.0伏、1.5伏等，特定槽的工作电流变低，特定槽内Cu²⁺浓度的变化速率变小，此时特定槽内的Cu²⁺浓度下降会变慢，而电解槽内的Cu²⁺浓度本身会因为化学溶解而上升的，那么缓冲槽内Cu²⁺浓度因会随之慢慢上升的，使其最终接近中心值。故，控制特定槽的工作电流，可以实现整个酸性镀铜体系的铜离子达到自我调节平衡，整个镀铜槽液的硫酸铜溶液浓度始终保持在工艺值的最佳状态。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种铜离子浓度自动平衡控制装置，其特征在于，包括至少一个电镀槽（1）和一个特定槽（2）、一个缓冲槽（3），依次连接顺序为特定槽通过管道（6）连接电镀槽，电镀槽通过管道连接缓冲槽，缓冲槽又通过管道连接在特定槽上，在特定槽和缓冲槽之间的管道上还设置有自动泵（4），有一Cu²⁺在线监测仪（5）连接在缓冲槽上，有一PLC控制器（11）连接在所述的Cu²⁺在线监测仪上，电镀槽到缓冲槽的管道上设置有阀门（7），在自动泵和特定槽之间的管道上也设置有阀门，所述的电镀槽采用电解铜（8）为阳极，铝线（9）为阴极，所述的特定槽采用铅系合金（10）为不溶性阳极，铝线为阴极。

2.根据权利要求1所述的铜离子浓度自动平衡控制装置，其特征在于，所述的电镀槽上设置有溢流装置，多余的电解液通过管道流向缓冲槽。

3.根据权利要求1所述的铜离子浓度自动平衡控制装置，其特征在于，所述的特定槽以PP材料焊接而成，长×宽×高=10m×1.5m×0.15m，在特定槽的左右两端设置有阴极导电辊，特定槽的前后槽边设有阳极导电铜排，导电铜排上均匀分布有导电钛板，铅系合金放置于导电钛板上。

4.根据权利要求3所述的铜离子浓度自动平衡控制装置，其特征在于，导电钛板的面积与阴极导电辊的面积比为2﹕1。

5.根据权利要求3所述的铜离子浓度自动平衡控制装置，其特征在于，所述的阴极导电辊和阳极导电铜排之间的距离控制在8～10cm之间。

6.一种用于所述权利要求1～5任意一条的铜离子浓度自动平衡控制装置的控制方法，其包括如下步骤：

A.将镀铜电解液注满特定槽、电解槽和缓冲槽，由于电镀槽内设置有溢流装置，多余的镀铜电解液会通过管道加注到缓冲槽内，缓冲槽内的镀铜电解液通过自动泵不断向特定槽补充，特定槽内的镀铜电解液又不断向电解槽内补充，三个槽内的镀铜电解液始终在流动平衡；电镀槽内的Cu²⁺浓度因化学溶解逐渐上升，特定槽内的Cu²⁺浓度因电化学反应逐渐下降；

B.预先设定好Cu²⁺在线监测仪检测的Cu²⁺浓度的中心值；

C.在系统工作过程中，连接在缓冲槽上的Cu²⁺在线监测仪每十分钟自动检测一次缓冲槽内的Cu²⁺浓度，由Cu²⁺在线监测仪输出检测结果的模拟信号，设置信号检测的输入模块，实现对Cu²⁺浓度检测传感器的信号输入，该输入模块完成数据的采集；将输入模块采集的数据输送至PLC控制器，由PLC控制器中的中心控制模块完成数据的运算处理，从而发出0～10伏可变电压信号给高频电源；

D.高频电源根据电压信号输出相应的电压，输出的电压自动控制电流大小，特定槽内的镀铜电解液根据输入的电流大小，使特定槽内的电化学反应程度发生相应变化，实现对Cu²⁺浓度变化速率的可调，因为特定槽、电解槽和缓冲槽内的镀铜电解液始终在流动平衡的，故实现Cu²⁺浓度在线自动平衡的控制。

7.根据权利要求6所述的铜离子浓度自动平衡控制装置的控制方法，其特征在于，所述的步骤D中，当Cu²⁺在线监测仪检测到缓冲槽内的Cu²⁺浓度超过高于中心值时，中心控制模块完成数据运算处理后并发出高于中心值所对应的基准电压的可变电压信号给高频电源，当缓冲槽内的Cu²⁺浓度低于中心值时，中心控制模块完成数据运算处理后并发出低于中心值所对应的基准电压的可变电压信号给高频电源。

8.根据权利要求6或7所述的铜离子浓度自动平衡控制装置的控制方法，其特征在于，所述的中心值为180 g/L，所对应的基准电压为3伏。

9.根据权利要求7所述的铜离子浓度自动平衡控制装置的控制方法，其特征在于，高频电源输出的电压=基准电压+变化量，变化量为Cu²⁺浓度每升高或降低5g/L相对应电压增加或减少0.5V。