DE19541231A1 - Trommelaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und zugehörige Einrichtungen zur elektrolytischen Oberflächenbehandlung einer Charge schütt­ fähiger Massenteile in einer, um ihre Längsachse rotierender Tauchtrommel vornehmlich prismatischer Raumform mit einer per­ forierten Wandung aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, welche für eine vorgegebene Zeitperiode in eine, mit einer wäßrigen Behandlungslösung gefüllten Wanne eingebracht und darin im einge­ tauchten Zustand eingerichtet wird. Ein Satz stationärer Anoden ist starr an der Wannenwandung befestigt. Die elektrolytische Metallabscheidung zwischen bipolaren Anordnungen von Anoden und Kathoden in wäßrigen Lösungen folgt dem Ohm′schen Gesetz; die räumliche Verteilung der kathodischen Stromdichten an den Ober­ flächen der zu behandelnden Werkstücken entspricht den örtlichen linearen Abständen zwischen den beiden Polen entgegengesetzten Vorzeichens, demnach der Geometrie des besagten Systems.

Es ist offensichtlich, daß man zur Erreichung eines möglichst hohen Wirkungsgrades der metallischen Reduktion bestrebt ist, die Werkstücke - als Kathoden - mit einer Anordnung zentrisch um­ hüllender Anodensegmente zu umgeben, wobei die Abstände zwischen den Kathodenoberflächen und den Anoden möglichst gleich unterein­ ander (äquidistant) sind.

Eine Charge schüttfähiger Massenteile erstreckt sich entlang der horizontalen zylindrischen Tauchtrommel und wird durch deren Rota­ tion umgewälzt; die dabei stattfindende kontinuierliche Durch­ mischung der Massenteile geht hauptsächlich am Chargenumfang vor sich. Die Chargenmasse wälzt sich als Ganzes, dem Trommelmantel folgend, im Rotationssinn um. Die Charge wirkt dabei - im techni­ schen Maßstab - als Faraday′scher Käfig, und hat demzufolge ein gleiches elektrisches Potential sowohl entlang ihrer gesamten Hüll­ fläche als auch innerhalb ihres gesamten Rauminhaltes.

Die, im allgemeinen vertikal im Elektrolyten hängenden ortsfesten Anoden sind in zwei, untereinander parallelen Reihen entlang des horizontal rotierenden Trommelzylinders in gleichen Abständen zu dessen Mantel angeordnet. Die Anoden bestehen sowohl aus löslichen als auch aus unlöslichen flachen Platten oder aus Anodenwürfeln (-Kugeln), die in ebenen Körben aus Titan oder aus einem anderen Material enthalten sind.

Eine bekannte Maßnahme zur Steigerung der Stromaufnahme der Tauch­ trommel besteht darin, die Anoden auch unterhalb des Trommelkörpers konzentrisch zu diesem anzuordnen, um ein möglichst gleichmäßiges elektrisches Feld in diesem Bereich zu erzeugen. Das erweiterte homogene Feld maximal zulässiger kathodischer Stromdichten er­ möglicht Steigerungen der Galvanisierleistung in der Größenordnung von annähernd 30%.

Die Trommel wird üblicherweise nur zu einem Drittel ihres Raum­ inhaltes mit der Charge gefüllt. Zwei Drittel ihrer räumlichen Kapazität verbleiben leer und sind demnach verfahrenstechnisch ungenützt. Diese Einschränkung ist durch die Mechanik des statt­ findenden Durchmischungsvorgangs während der elektrolytischen Metallabscheidung bedingt. Die Massenteile des Chargenkonglomerates neigen dazu, konzentrische Bahnen um dessen Kern herum zu beschrei­ ben. Eine Wanderbewegung der einzelnen Massenteile vom Kern der Charge zu dessen Umfang hin und in umgekehrter Richtung zurück geht nur zögernd vor sich. Mit steigendem Füllvolumen des Trommel­ zylinders fällt der Wirkungsgrad des Durchmischungsvorgangs; die Folgen sind längere Expositionszeiten und höhere Ausschußquoten mangelhaft behandelter Massenteile.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Beschichtung aller Massenteile bedarf es jedoch notwendigerweise, daß alle Massenteile häufig und regelmäßig Wanderbewegungen vom Kern der Charge aus zu dessen Umfang hin und zurück durchführen.

Der zwingende Grund ist durch den elektrolytischen Reduktionsvor­ gang (das sogenannte Galvanisieren) gegeben, welcher im wesent­ lichen nur im peripheren Randbereich der als Faraday′scher Käfig wirkenden Charge vor sich geht. Fernerhin, das umhüllende elektri­ sche Feld der Charge ist, in Abhängigkeit von der Geometrie des zugeordneten Anodensystems örtlich unterschiedlich stark; die kathodischen Stromdichten an der Hüllfläche der Charge sind dem­ entsprechend ungleichmäßig verteilt.

Der prismatische Trommelkörper rotiert kontinuierlich und die, in der Tauchtrommel befindliche Charge folgt - durch ihr Eigengewicht bedingt - sich umwälzend und durchmischend dem Trommelmantel im Rotationssinn. Es entsteht je nach der geometrischen Form, Größe sowie Menge der Massenteile und der Drehgeschwindigkeit der Trommel eine Scheitelstelle der Charge, von der aus die Massenteile stän­ dig entlang einer geneigten Böschungsebene nach unten kollern. Die Charge wird dabei - im Drehsinn - zum überwiegenden Teil zu einer der beiden parallelen Anodenreihen hingeschoben und gleich­ zeitig von der anderen, gegenüberliegenden Reihe entfernt.

Mit der Verlagerung der Charge zu einer der beiden Anodenreihen tritt zwangsweise auch eine Verlagerung (Konzentration) des Gal­ vanisierstromes zu jenem Bereich des Chargenumfanges hin ein, welcher der Anodenreihe räumlich am nächsten steht. Die ungleich­ mäßige Verteilung der Stromdichten über die Peripherie der Charge hat zwangsläufig eine ungleichmäßige Galvanisierung niedrigen Wirkungsgrades zur Folge.

Mißt man die kathodischen Stromdichten entlang des peripheren Um­ fanges der Charge und trägt man die Meßwerte in einem Koordinaten­ system ein, so sind die entsprechenden Kurvenbereiche der geneigten Böschungsebene und insbesondere des Chargenscheitels durch sehr niedrige Ordinatenwerte gekennzeichnet. Deren arithmetisches Mittel liegt größenordnungsmäßig erheblich unter der Hälfte der, in anderen Intervallen des Chargenumfangs auftretenden kathodischen Stromdichten. Der Wirkungsgrad der elektrolytischen Reduktion in den besagten Chargenbereichen ist offensichtlich viel niedriger als 50%.

Die vorangegangenen Darlegungen heben die beiden kritischen Be­ reiche der Charge hervor, die bei ihrer elektrolytischen Ober­ flächenbehandlung nach dem Stand der Technik in horizontalen, um ihre Längsachse rotierenden Tauchtrommel auftreten und erhebliche verfahrenstechnische Nachteile mit sich bringen.

Die beiden Schwachstellen des Systems, der Bereich um den Scheitel­ punkt der Charge und die unmittelbar daran angrenzende Böschungs­ ebene befinden sich an der Hüllfläche des Chargenkonglomerates, welches - zufolge des Faraday′schen Käfigeffektes - einen elektro­ lytisch unaktiven Kern umschließen. Es treten demnach zwei kri­ tische Bereiche auf, einer außerhalb, und einer innerhalb der Chargenmasse ein. Der Stand der Technik kennt die besagten Mängel und vermag nicht ihre nachteiligen Auswirkungen in der betrieb­ lichen Praxis zu beheben.

Es ist im oberen Zusammenhang vorgeschlagen worden (beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 39 20 873 A1) die Anoden chargenkonform, d. h. tunlichst in äquidistanten Abständen zur Hüllfläche der, in der Tauchtrommel beinhalteten Charge anzu­ ordnen. Die Zielsetzung der Erfindung besteht darin, mittels der konzentrischen Umhüllung der Trommelcharge mit Anodensegmenten die schwächsten Stellen des elektrischen Feldes, und zwar haupt­ sächlich jene der geneigten Böschungsebene und am Scheitel der Charge wirkungsvoll zu verstärken. Die vorgenannte Erfindung sieht die Einrichtung stationärer, starr an den einzelnen Wannen be­ festigter Anodensysteme vor, die mit schwenkbaren, über die obere Hälfte der Trommelzylinder klappbaren Anodensegmenten ausgerüstet sind.

Der Trommelzylinder ist bekanntlich ein integrierter, untrenn­ barer Bestandteil eines sogenannten Trommelaggregates und wird als solcher durch einen, im allgemeinen programmgesteuerten Lauf­ wagen von einer Behandlungsstation als Anlage zur nächsten beför­ dert, in die Badlösung der dortigen Wanne eingetaucht und gemäß einen Zeit-Weg-Diagramm nach einem vorgegebenen Zeitintervall wieder abgeholt.

Das Einbringen in die, und das anschließende Herausnehmen des Trommelzylinders aus den einzelnen Wannen setzt dabei (entsprechend der Patentanmeldung DE 39 20 873 A1) zwangsweise das zeitpe­ riodische Schwenken der örtlichen Anodensegmente in ihre wechseln­ den Betriebspositionen programmabhängig im Einklang mit dem auto­ matischen Transportmechanismus voraus. Es bedarf keines besonderen Hinweises, daß der hierzu notwendige apparative steuertechnische Kostenaufwand erheblich ist. Fernerhin, die Anordnung chargen­ konformer Anoden vermag keinen Einfluß auf den Aufbau eines aktiven elektrischen Feldes innerhalb des Chargenkonglomerates, also in dessen Kernbereich auszuüben. Die Anordnung chargenkonformer Ano­ densegmente läßt es nicht zu, die durchschnittlichen Chargengrößen über das Maß des üblichen Drittels des Trommelvolumens hinaus zu erhöhen (ohne die bekannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen).

Wie bereits erwähnt, geht der elektrolytische Reduktionsvorgang dem Gesetz des Faraday′schen Käfigs entsprechend, im wesentlichen nur am peripheren Umfang der Charge vor sich.

Um die volumsmäßige Auslastung des. Trommelzylinders durch größere Chargenmengen im Gegensatz zum betrieblich Üblichen eines Drittels vorteilhafter ausnützen zu können, ohne die Nachteile nach dem Faraday′schen Gesetz und jene einer nicht hinreichenden Durch­ mischung in Kauf nehmen zu müssen, ist entsprechend dem deutschen Patent DE 14 96 816 vorgeschlagen worden, bei der Galvanisierung der Charge in alkalischen Behandlungslösungen den elektro­ lytisch "toten" Raum um den Chargenkern herum durch Einsetzen dortselbst eines Gegenpols (einer Anode) auszufüllen. Ein solcher Gegenpol ist gegenüber der, ihm umgebenden kathodisch polarisier­ ten Chargenmasse durch einen umhüllenden perforierten Mantel aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff isoliert.

Es entsteht ein ringförmiger Innenraum im Trommelzylinder, der mit den Massenteilen ausgefüllt wird, und die partiell oder voll­ ständig den, die zentrale Anode isolierenden Mantel aus einem synthetischen Material abdecken.

Es sei zur Veranschaulichung des Standes der Technik Anwendungsfall aus der betrieblichen Praxis in der Form eines einschlägigen numerischen Beispiels wiedergegeben.

Der Trommelzylinder wird erfahrungsgemäß zu einem Drittel seines Rauminhaltes mit der Charge gefüllt. Die Potentialdifferenz zwischen jedem beliebigen Ort des Chargenumfangs und den zugeordneten Anoden möge 6 V als Gleichrichter-Spannung betragen. Der Unter­ schied zwischen dem Potential der Anoden und den, im geometrischen Chargenkern hingegen ist jedoch nur etwa 0,5 V und bleibt näherungsweise konstant innerhalb des gesamten rotierenden Haufens der Massenteile. Der meßtechnisch erfaßbare, an der Chargen­ peripherie auftretende Potentialabfall entspricht erwartungsgemäß der Tatsache, daß die Charge als Faraday′scher Käfig wirkt. Es gibt keinen bedeutsamen Unterschied weder in der Richtung zur perforierten Trommelwandung noch zur Böschungsfläche oder zum Scheitel des sich umwälzenden Konglomerates hin.

Der Gegenstand des Patentes DE 14 96 816 vermag daher offensichtlich nicht, die kritischen Bereiche der elektrischen Felder an der Chargenperipherie, insbesondere oberhalb des Scheitels und ent­ lang der daran angrenzenden Böschungsebene der Charge zu er­ fassen, um diese verstärken zu können.

Fernerhin, die zentrale Innenanode des vorgenannten Patentes hat aus einem unlöslichen Werkstoff zu bestehen. Während des Elektro­ lysevorganges in einer alkalischen Behandlungslösung entsteht Wasserstoff an der unlöslichen Anode, welcher als harmlos unter den Bestimmungen der Gewerbeordnung eingestuft werden kann.

Würde man entsprechend dem Gegenstand des Patentes DE 14 96 816 eine unlösliche Anode in einem sauren Elektrolyten anwenden, welcher im allgemeinen chloridhaltige Komponenten enthält (bei­ spielsweise Zinkchlorid in einem sauren Zinkbad), dann entsteht Chlorgas - eine äußerst giftige Substanz - an der Anode. Das Verfahren nach dem vorgenannten Patent ist demnach unge­ eignet zur Anwendung in saueren Elektrolyten.

Das Patent DE 14 96 816 beschreibt eine Einrichtung zur elektro­ lytischen Oberflächenbehandlung schüttfähiger Massenteile, die sich im wesentlichen aus einem Trommelzylinder, aus löslichen Anoden außerhalb der perforierten Trommel und aus einer, inner­ halb dieser befindlichen Anode aus einem unlöslichen Werkstoff zusammensetzt. Die besagte Innenanode ist durch ein, koaxial mit der Längsachse des Trommelzylinders verlaufenden, perforiertes Rohr aus einem elektrischen Nichtleiter von der kathodisch polari­ sierten Charge getrennt. Die außerhalb der Trommel angeordneten Anoden sind stationär, d. h. an der, die Behandlungslösung ent­ haltenden Wanne befestigt. Im Gegensatz hierzu ist die, koaxial in der Trommel angeordnete unlösliche Anode mobil, d. h. sie wan­ dert nach einem vorgegebenen Zeit-Weg-Diagramm unabhängig mit der Trommel und somit mit der Charge von einer Behandlungsstation zur nächsten. Das Vorhandensein einer zentralen Innenanode im Trommelzylinder vermag jedoch keinen verstärkenden Einfluß auf das, die äußere Chargenperipherie umgebenden elektrische Feld auszuüben.

Die allgemeine Betriebspraxis lehrt, daß die Chargengröße in Trommeln nach dem Stand der Technik nur zu ungefähr einem Drittel den Rauminhalt des rotierenden Zylinders zu füllen haben. Diese Regel ist auf die Erkenntnis zurückzuführen, daß der elektrolytische Reduktionsvorgang zufolge des Faraday′schen Käfig-Effektes nur an der Hüllfläche der Chargenmasse vor sich geht und das elektrische Feld innerhalb des Chargenkonglomerates vernachlässigbar klein ist.

Würde man versuchen, die Chargengröße über das übliche Richtmaß eines Drittels der Trommel-Füllmengen zu steigern, so hat man zwangsläufig mit längeren Expositionszeiten und einer höheren Ausschußquote mangelhaft behandelter Massenteile zu rechnen. Die Ursache liegt offensichtlich in der ungünstigen Relation Hüllfläche - Volumen der Charge. Die Häufigkeit und Beständigkeit der periodischen, von der Trommelrotation primär abhängigen Wanderbewegungen der Massenteile vom Kernbereich zur Chargen­ peripherie hin und zurück ist nicht hinreichend groß, um die ge­ forderte gleichmäßige Oberflächenbehandlung aller Teile zu gewährleisten.

Das besagte Drittel der zulässigen Füllmenge eines Trommel­ zylinders nach dem Stand der Technik ist ein empirischer Er­ fahrungswert. Es ist naheliegend zu folgern, daß der unver­ meidliche Verlust von zwei Dritteln der Ladungskapazität der Trommel erhebliche wirtschaftliche Nachteile sowohl bei der Dimensionierung von Trommelanlagen, als auch bei deren Betreiben mit sich bringt.

Das zuvor Dargelegte soll anhand eines numerischen Beispiels veranschaulicht werden.

Eine Trommel hexagonalen Querschnitts habe eine lichte Schlüssel­ weite von 312 mm und eine Länge von 950 mm, wobei die Charge von 44 kg ein Drittel des Trommelvolumens (bei einem mittleren Schütt­ gewicht von 2,5 kg/dm³) einnimmt.

Würde man die Charge auf 88 kg vergrößern, dann verdoppelt sich wohl der von dieser ausgefüllte Innenraum des Trommelzylinders um das Zweifache und nimmt hiermit zwei Drittel des verfügbaren Trommelvolumens in Anspruch. Die Charge hat sich folglich um 100% vergrößert, ihre zugehörige periphere Expositionsfläche dagegen nimmt nur um etwa 45% zu. Die Galvanisierzeit muß daher zwangsläufig verlängert und eine höhere Ausschußquote in Kauf genommen werden.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt eine weitgehende Aus­ lastung des Innenraumes, also des gesamten Volumens perforierter, um ihre Längsachse rotierender Tauchtrommel durch erheblich größere Chargen, weit über das übliche Maß eines Drittels nach dem Stand der Technik hinaus, zu erhöhen. Die besagte Erhöhung hat bei unverändert langen Galvanisierzeiten und bei Beibehaltung gleicher, d. h. zulässiger kathodischer Stromdichten an der Char­ genperipherie zu erfolgen. Die Erfindung steigert fernerhin den Wirkungsgrad der periodischen rotationsabhängigen Durchmischung aller Massenteile - zwecks Qualitätsverbesserung - drastisch.

Die Erfindung hat sich - stichwortmäßig definiert - das Ziel ge­ setzt, den Durchsatz galvanisierter Massenteile in Tauchtrommeln überraschend hoch im Vergleich zum allgemeinen Stand der Technik durch eine neuartige Kombination mehrerer vorrichtungsmäßiger Merkmale zu steigern.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tauchtrommel und ein darin enthaltener zentraler Hohlzylinder gemeinsam mit den, im entstehenden ringförmigen Innenraum der Trommel angeordneten Kontaktelementen zur kathodischen Polari­ sierung der, im besagten ringförmigen Innenraum der Trommel be­ findlichen Charge als Komponenten eine vorrichtungsmäßige, mechanisch starr zusammengefügte, synchron rotierende Dreier­ kombination bilden.

Die Erfindung bewirkt eine maximale (wirtschaftliche) Auslastung des Trommelvolumens mittels einer wesentlich vergrößerten Charge, durch Ausschaltung des elektrolytisch inaktiven, Ausschuß för­ dernden zentralen Kernbereichs der Charge und durch die simultane Erzeugung homogener elektrischer Felder entlang der gesamten Außenperipherie sowie - gegebenenfalls - auch an der sich erge­ benden Innenperipherie der Chargenmasse. Die, in diesem Zusammen­ hang erfolgende Optimierung des elektrischen Feldes an den kri­ tischen Bereichen des Chargenscheitels sowie der angrenzenden Böschungsebene stellen ein besonderes Merkmal der Erfindung dar.

Der kritische zentrale Raum im Chargeninneren wird erfindungsge­ mäß durch Einsetzen eines, mit der Längsachse des Trommelzylinders koachsialen Hohlzylinders ausgefüllt. Es entsteht somit ein ring­ förmiger Raum in der Trommel, welcher - der Erfindung ent­ sprechend - fast zur Gänze von den Chargenteilen eingenommen wird. Der noch verbleibende leere Innenraum oberhalb des Hohlzylinders zwingt alle Massenteile, während ihrer Rotation darüber hinweg zu kollern und sich bei jeder einzelnen Drehung durchzumischen. Trommelzylinder, zentraler Hohlzylinder und die, im entstehenden ringförmigen Innenraum der Trommel angeordneten elektrischen Kontakte bilden, als voneinander untrennbare Komponenten eine synchron rotierende, mechanisch starr zusammengefügte Dreier­ kombination.

Der zentrale Hohlzylinder kann an seiner äußeren Oberfläche voll­ ständig oder partiell als Kontaktelement zur kathodischen Polari­ sierung der im ringförmigen Innenraum des Trommelzylinders be­ findlichen Charge ausgebildet werden.

Die erfinderische Maßnahme sei im Gegensatz zum vorangehenden Beispiel aus der betrieblichen Praxis besprochen.

Der, in der besagten Trommel eingesetzte Hohlzylinder habe einen Durchmesser von 125 mm. Die verdoppelte Charge von 88 kg befindet sich nun im ringförmigen Innenraum zwischen dem polygonalen Trom­ melmantel und dem Hohlzylinder; der Umfang der Chargenperipherie, also auch die Expositionsfläche der Charge, vergrößert sich näherungsweise proportional zum erhöhten Chargenvolumen. Die Durchmischung der Massenteile ist ausgezeichnet, die Ausschuß­ quote wird auf ein Minimum reduziert.

Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht die An­ ordnung einer Scheitelanode direkt oberhalb des Trommelzylinders vor.

Die ursprüngliche Dreierkombination der Erfindung, bestehend aus den starr zusammengekoppelten Merkmalen der perforierten Tauch­ trommel, des zentralen Hohlzylinders und der dazwischen ange­ ordneten Kontaktelemente, wird um eine weitere Komponente - die Scheitelanode - auf eine erfindungsgemäße Viererkombination erweitert.

Schließt man die Scheitelanode am zugeordneten Gleichrichter an, so tritt überraschenderweise eine sprunghafte Steigerung des Galvanisierstromes zufolge der drastischen Verstärkung des elek­ trischen Feldes im Bereich des Scheitels und der angrenzenden geneigten Böschungsfläche der Charge ein.

Die Charge nimmt als Ganzes in dem, von ihr ausgefüllten Innen­ raum der Tauchtrommel näherungsweise die geometrische Raumform eines, um seine horizontale Längsachse rotierenden zylindrischen Hohlkörpers, dessen Wandung aus den schüttfähigen Massenteilen besteht.

Durch die erfindungsgemäße Zuschaltung der Scheitelanode entsteht ein in sich geschlossenes, konzentrisches und homogenes elektri­ sches Feld konstanter, maximal zulässiger kathodischer Strom­ dichten rund um den gesamten peripheren Umfang der zylindrischen Trommelcharge herum.

Das zugeordnete Anodensystem setzt sich aus der mobilen (orts­ unabhängigen) Scheitelanode am Trommelaggregat und aus einem Satz stationärer (ortsfesten) sowie starr an der Wanne mit der Be­ handlungslösung befestigter Anoden zusammen.

Die mobile Scheitelanode ist vorzugsweise unlöslich, die stati­ nären Anoden dagegen sind im allgemeinen löslich.

Das Aggregat setzt sich im wesentlichen aus der perforierten Tauchtrommel, deren beiden Tragarme, ein Zahnradsatz zur Über­ tragung der Rotationsbewegung von einem, im allgemeinen auf dem zugehörigen Traggerüst aufgesetzten Getriebemotor sowie aus wei­ teren Bauelementen zusammen, um es auf den Rädern der Wanne mit den verschiedenen Behandlungslösungen der Anlagenstationen auf­ zusetzen, bzw. mittels der Laufwagen des Transportmechanismus befördern zu können.

Die Scheitelanode und der Hohlzylinder innerhalb der Tauchtrommel sind starr aneinander als integrierte Bauelemente des Trommel­ aggregates mechanisch gekoppelt und durchlaufen mit diesen nach einem vorgegebenen Zeit-Weg-Diagramm vermöge des programmge­ steuerten Transportmechanismus die gesamte Anlage.

Wie bereits erwähnt rotiert die, im Ringraum der Tauchtrommel befindliche Charge synchron mit dem Trommelzylinder. Die Massen­ teile führen keine gleitenden Relativbewegungen untereinander, vom Bereich des schmalen Sektors des ringförmigen Innenraumes ausgenommen, in welchem der Durchmischungsvorgang vor sich geht, aus. Gegenseitige mechanische Beschädigungen empfindlicher Artikel wie beispielsweise Transistoren oder Schrauben, sind praktisch ausgeschlossen.

Die Wandung des hohlen, vornehmlich koaxialen Innenzylinders kann je nach Anwendungszweck perforiert oder massiv, d. h. nicht mit Perforationen versehen sein.

Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht die Anordnung einer länglichen Innenanode in dem zentralen Hohl­ zylinder der Tauchtrommel vor. Der Hohlzylinder besteht in einem solchen Fall aus einem elektrischen Nichtleiter, beispielsweise aus Polypropylen, und trennt (isoliert) die Innenanode von der, den Hohlzylinder umgebenden Charge polarisierter Massenteile.

Das Eingliedern der Innenanode in den Aggregatskomplex bedeutet eine zusätzliche Erweiterung der ursprünglichen erfindungsgemäßen Dreierkombination auf eine fünffache, welche sich aus einer ent­ sprechenden Anzahl mechanisch starr zugeordneter Merkmalkomponente zusammensetzt.

Die, vorzugsweise unlösliche zentrale Innenanode wird meistens in alkalischen Elektrolyten angewandt, die sich durch hohe anodische (von rund 100%) und geringere kathodische Stromaus­ beuten (beispielsweise um 80%) auszeichnen.

Die Ausgestaltung der Tauchtrommel mit einer unlöslichen Anode trägt desgleichen zur Stabilisierung des elektrochemischen Gleich­ gewichtes der alkalischen Elektrolyte bei.

Die, im Trommelaggregat integrierte Innenanode kann durch alle Behandlungsstationen der Anlage durchgefahren werden und ist daher als mobil zu bezeichnen.

Die Aufgabe der Innenanode besteht hauptsächlich darin, einen elektrischen Gegenpol im Kernbereich der kathodisch polarisierten, d. h. am inneren peripheren Umfang der (als Faraday′scher Käfig wirkenden) Charge zu bilden. Die Innenanode erzeugt demnach inner­ halb des sich umwälzenden Haufens ein zusätzliches zentrales Feld, und aktiviert somit die elektrolytische Reduktion in einem Raum, dessen Wirkungsgrad ansonsten vernachlässigbar klein wäre.

Die allgemeine Leistungssteigerung zufolge der Einführung der Innenanode ist überraschend hoch, der von den Außen- und von der Innenanode zufließende Galvanisierstrom summiert sich und erreicht fast das Dreifache im Vergleich zu Tauchtrommeln gleicher Ab­ messung nach dem allgemeinen Stand der Technik.

Die sich einstellende Gleichrichterspannung fällt zufolge der Parallelschaltung der Außen- und Innenanode um rund die Hälfte. Die sich ergebenden Vorteile sind offensichtlich; die Kosten für die, an sich recht teuren gleichgerichteten elektrischen Energie und die zusammenhängende Kühlung des (durch die Joule′sche Wärme erwärmten) Elektrolyten vermindern sich anteilmäßig um näherungs­ weise 50%.

Die Erfindung ermöglicht somit das simultane Entstehen zweier komplementärer elektrischer Felder homogener Natur unter maxi­ maler Ausnützung der Geometrie des, aus Charge, Trommelzylinder und Anoden bestehende funktionellen Systems. Die beiden, völlig unabhängig voneinander erzeugten Felder außerhalb und im zen­ tralen Kernbereich der Charge durchdringen sich gegenseitig und wirken, vermöge ihrer Überlappung verstärkt auch innerhalb des Chargenkonglomerates selbst.

Die erfindungsgemäß erreichbare außerordentliche Leistungs­ steigerung führt zu entsprechend drastischen Konsequenzen bei der Konstruktion von Trommelanlagen. Die Aggregate mit Doppel­ trommeln lassen sich durch erfindungsgemäße Einzeltrommeln, bei unvermindert bleibenden oder sogar gesteigertem Umsatz der An­ lage ersetzen. Im Falle von Aggregaten mit Einzeltrommeln nach dem Stand der Technik, kann ihre Zahl um rund die Hälfte reduziert werden, sofern Trommelzylinder mit den Erfindungsmerkmalen eingesetzt werden.

Im ersten erwähnten Anwendungsfall werden die betreffenden An­ lagen um annähernd die Hälfte schmäler bei gleichbleibender Länge, im zweiten Fall um etwa ein Drittel kürzer. Die Kostenein­ sparungen bei der Herstellung solcher Anlagen und der geringere, hierzu benötigte Platzbedarf für ihre Aufstellung stellen aus­ schlaggebende wirtschaftliche Vorteile dar.

Die doppelte Auslastung der Trommelvolumina durch entsprechend größere Chargen reduziert desgleichen die Anzahl der, die verschie­ denen Behandlungslösungen beinhaltenden Wannen (Anlagenstationen). Weniger Anlagenstationen verkleinern dementsprechend den kostenauf­ wendigen programmgesteuerten Transportmechanismus.

Würde man eine Anlage nach dem Stand der Technik mit Trommel­ aggregaten umrüsten, welche durch die erfindungsgemäßen Merkmale gekennzeichnet sind, dann tritt eine Verdoppelung des Anlagen­ durchsatzes bei verringerten Betriebskosten ein.

Die Anordnung von Außenanoden um die äußere Hüllfläche der Charge gewährt äquidistante Abstände zwischen den beiden Elektroden ent­ gegengesetzten Vorzeichens. Die Außenanoden, bestehend aus der erfindungsgemäßen mobilen Scheitelanode des Trommelaggregates und den stationären, ortsfesten an der Wanne befestigten löslichen Anoden, bilden ein geschlossenes zylindrisches System um die Charge herum.

Die angewandten kathodischen Stromdichten an der äußeren Chargen­ peripherie können somit überall bis zu ihrem oberen zulässigen Grenzwert erhöht werden. Ein vergleichbarer Zustand tritt auch an der inneren Peripherie der Trommelcharge entlang der per­ forierten Wandung des Innenzylinders ein, welcher die Zentral­ anode umschließt.

Die Summe der Expositionsflächen der äußeren sowie inneren Chargenperipherie und die allerorts konstante höchstzulässige kathodische Stromdichte ergeben erfindungsgemäß einen Galvani­ sierstrom in einer, ansonsten auch nicht vergleichbaren Größen­ ordnung nach dem Stand der Technik.

Die Scheitelanode besteht vorzugsweise aus einem, unter anodischem Potential unlöslichen Werkstoff; die zentrale, mit der Rotations­ achse der Tauchtrommel koaxiale Innenanode ist unlöslich.

Die, an den Wannenrändern befestigten stationären Anoden können sowohl löslich als auch unlöslich, je nach dem angewandten elektrolytischen Verfahren sein.

Die, oberhalb des Trommelzylinders parallel zu dessen Längsachse verlaufende Scheitelanode ist starr an dessen beiden vertikalen Tragarmen befestigt.

Bei einer abstrakten Betrachtungsweise der Erfindung ließen sich diese als ein System definieren, welches sich aus der zentralen Innenanode als dessen axialer Mittelpunkt, mit der Charge schütt­ fähiger Massenteile und den Außenanoden als zugeordnete konzen­ trische? Komponenten zusammensetzt.

Das Ausfüllen des ringförmigen Innenraumes in der Tauchtrommel ist mengenmäßig dann am günstigsten bemessen, wenn der hohle Innenzylinder knapp von den Massenteilen bedeckt wird, und somit noch hinreichend viel Raum für den Durchmischungsvorgang der, diesen umkreisenden Massenteile frei läßt.

Die erfindungsgemäße Auslastung des Trommelvolumens mit der Charge ist folglich größenordnungsmäßig mindestens doppelt so groß wie jene, einer Trommel gleicher Abmessungen nach dem Stand der Technik.

Die ermöglichte doppelte Auslastung der Trommelvolumina bedeutet desgleichen erheblich längere Taktzeiten der automatisch be­ triebenen Anlage und geringere Ausschleppungsverluste durch die, an den Trommeln anhaftenden Restmengen der Behandlungslösungen.

Die Erfindung wird anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele der betrieblichen Praxis dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Aggregat mit einem perforierten Trommelzylinder und dessen koaxialen inneren Hohlzylinder gemäß dem Quer­ schnitt A-A der Fig. 2.

Fig. 2 gibt den zugehörigen Längsschnitt der, mit der Charge gefüllten Trommel entlang ihrer Längs- bzw. Rotations­ achse wieder.

Fig. 3 veranschaulicht den Querschnitt eines Trommelaggregates, dessen perforierter Hohlzylinder mit einer Innenanode ausgerüstet ist.

Fig. 4 stellt den Querschnitt senkrecht zur Längs- bzw. zur Rotationsachse der Aggregatstrommel aus der Fig. 3 dar.

Das Trommelaggregat wird in einer, den Elektrolyten enthaltenden Wanne 1 eingefahren und dortselbst eingerichtet. Der Trommel­ zylinder 2 rotiert unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Bad­ lösung im Gegenuhrzeigersinn, entsprechend dem eingezeichneten Richtungspfeil.

Die Charge 3 füllt fast vollständig den ringförmigen Innenraum zwischen dem perforierten polygonalen Trommelmantel 2 und dem koaxialen hohlen Innenzylinder 4. Die Massenteile 3 kollern, sich kontinuierlich durchmischend während der konstanten Rotationsbe­ wegung der Tauchtrommel 2 und dem, darin befestigten Hohlzylinder 4 über diesen hinweg.

Die Massenteile 3 verändern ihre Positionen nur während ihres Fallens über den Hohlzylinder 4. Der periodische Ruhezustand er­ möglicht während dieser Zeit direkte mechanische Kontaktierungen sowohl zwischen den einzelnen Massenteilen 3 untereinander, als auch mit den kathodischen Kontaktelementen 14 der Trommel 2. Mechanische Beschädigungen der Chargenteile 3 werden dadurch weitgehendst ausgeschlossen.

Trommelkörper 2 und hohler Innenzylinder 4 bestehen aus einem elektrisch nichtleitenden, sowohl gegen konzentrierte alkalische als auch gegen saure Elektrolyte chemisch beständigen syntheti­ schen Werkstoff (beispielsweise aus Polypropylen).

Trommel 2, Hohlzylinder 4 und die senkrecht zu ihnen stehenden Stirnseiten 5 bilden ein behälterähnliches Gehäuse zur Aufnahme der Charge 3; der verschließbare Deckel 6 ist zum Beladen und Ent­ laden der Tauchtrommel 2 mit den Massenteilen 3 bestimmt.

Die Charge 3 erhält sein kathodisches Potential durch die me­ tallische Kontaktscheibe 14, welche starr an einer der beiden Stirnseiten 5 der Tauchtrommel 2 befestigt ist. Der Scheibenkon­ takt 14 rotiert synchron mit dem Trommelzylinder 2; die Zuführung des elektrischen Stromes vom Gleichrichter erfolgt über den verti­ kalen, an seinem unteren Ende rechtwinklig gekrümmten Leiter­ stab 15. Der, vorzugsweise aus Kupfer bestehende Leiter 15 wird durch einen Faltenbalg 16 aus einem elastischen synthetischen Material von der alkalischen oder sauren Elektrolytlösung isoliert und somit von chemischen Angriffen geschützt.

Die waagrecht rotierende Tauchtrommel 2 wird durch zwei vertikale Tragarme 7 gehalten, die an einem rechteckigen, rahmenförmigen flachen Gerüst 8 angeordnet sind. Ein, im allgemeinen auf dem Gerüst 8 aufgesetzter Getriebemotor 9 dreht die Tauchtrommel über den Antriebsritzel 10, das Zwischenrad 11 (am Tragarm 7) und den Zahnradkranz 12 (an der Stirnseite 5 der Tauchtrommel 2) an.

Die Kontaktscheibe 14 rotiert gemeinsam mit dem Trommelzylinder 2, und der stabförmige Leiter 15 steht; die schleifende Stromüber­ tragung geht über einen Satz gehärteter Federn aus einer Kupfer- Beryllium-Legierung vor sich. Die Federn werden mit ihren abge­ kanteten Enden im waagrechten Teil des Leiters 15 verankert.

Der Innenzylinder 4 kann sowohl perforiert als auch nichtper­ foriert sein; seine geometrische Position muß nicht zwingend koaxial mit jenem des Trommelmantels 2 sein.

Die stationären, an der Wanne 1 befestigten hufeisenförmigen Anodenkörbe 13 bestehen vorzugsweise aus Titan und enthalten ein, unter anodischem Potential lösliches Metall, beispielsweise Zink oder Nickel in Kugel- oder Würfelform.

Die halbkreisförmig vorgesehenen Anodenkörbe 13 ermöglichen die Herstellung eines konzentrischen elektrischen Feldes gleich­ mäßiger Stärke auch unterhalb der Tauchtrommel 2.

Die Scheitelanode 17 ist direkt oberhalb des Trommelzylinders 2 angeordnet und taucht knapp unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Behandlungslösung in diese ein. Die Anode 17 verläuft parallel zur Längsachse der Tauchtrommel 2 und ist an mindestens einem ihrer beiden Enden an einem der Tragarme 7 starr befestigt. Die geneigte Scheitelanode 17 wird seitlich versetzt gegenüber der Trommelmitte angeordnet, um das Beladen bzw. Entladen der Charge 3 nicht zu behindern.

Der Werkstoff der Anode 17 ist - unter anodischem Potential - löslich oder unlöslich. Im Falle eines löslichen Materials (vor­ zugsweise beim Einsatz in chloridhaltigen Elektrolyten) wird die Anode 17 in einem Kästen aus Titan untergebracht, dessen Wände teilweise aus Streckmetall bestehen.

Die betriebliche Position der Scheitelanode 17 zwischen den, beiderseits des Trommelkörpers vorgesehenen Reihen aus vertikal hängenden stationären Anoden 13 schließt effektvoll den ansonsten weit klaffenden Bereich des - nach dem Stand der Technik - äußerst schwachen elektrischen Feldes oberhalb der Tauchtrommel 2.

Die erfindungsgemäße Kombination des hohlen zentralen Innenzy­ linders 4 mit der Scheitelanode 17 oberhalb der Tauchtrommel 2 hat eine überraschend, sprunghafte Steigerung der Galvanisier­ leistung zur Folge.

Die Verdoppelung der Trommelauslastung durch die Verdoppelung des Chargenvolumens bewirkt - von der Geometrie her - näherungs­ weise einen verdoppelten Galvanisierstrom. Der Trommeldurchsatz erhöht sich verhältnisgleich um das Zweifache bei unverändert bleibenden Expositionszeiten.

Die Querschnitte in den Fig. 1 und 3 veranschaulichen die verdoppelte Auslastung der Trommel bei gleichzeitiger Ver­ größerung der Expositionsfläche an der Chargenperipherie, die nahezu jenem des gesamten polygonalen zylindrischen Trommelum­ fangs entspricht.

Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht vor, auch das elektrische Feld an der Innenperipherie der Charge 3, d. h. entlang des Umfangs des inneren Hohlzylinders 4 auf das maximal Mögliche zu aktivieren.

Die Erzeugung des zusätzlichen elektrischen Feldes, das von inner­ halb des perforierten zentralen Hohlzylinders 4 ausgeht, erfolgt durch das Einsetzen einer koaxialen Innenanode 18.

Die Erfindung ist in diesem besonderen Anwendungsfall durch ein System gekennzeichnet, welches sich aus einer Kombination von Anoden 13, 17 und 18 sowohl außerhalb als auch innerhalb der Charge 3 der schüttfähigen Massenteile zusammensetzt.

Die Innenanode 18 ist vorzugsweise unlöslich; die außerhalb der Charge 3 (d. h. außerhalb des Trommelzylinders 2) an den Wannen­ wänden befindlichen Anoden 13 und die ebenfalls oberhalb der Charge 3 ( d. h. außerhalb des Zylinders 2) angeordnete Scheitel­ anode 17 können - je nach Verfahren - löslich oder unlöslich sein.

Es ergibt sich eine Geometrie konzentrischer Elemente mit den perforierten, die Innenanode 18 beinhaltenden Hohlzylinder 4 als Mittelpunkt, der seinerseits kreisförmig von der Charge 3 der Massenteile im ringförmigen Innenraum der Tauchtrommel 2 umgeben ist, welche ihrerseits von den Außenanoden 13 sowie von der Scheitelanode 17 umhüllt werden. Das, von den Anoden 13 und 17 erzeugte elektrische Feld durchdringt - von der äußeren Peripherie her kommend - die Charge 3 - und überlappt sich darin mit jenem Feld, welches von der Innenanode 18 erzeugt wird. Das resultierende äußerst homogene elektrische Feld an der Außen- und Innenperipherie der Charge 3 ist von außerordentlicher Gleich­ mäßigkeit und Stärke; es führt zu einer sprunghaften Beschleu­ nigung des elektrolytischen Abscheidungsvorgangs, d. h. zu ent­ sprechend hohen Steigerungsraten des Durchsatzes galvanisierter Massenteile verbesserter Qualität.

Als komplementäre vorteilhafte Auswirkungen sind die drastisch verringerten Personalkosten und der Aufwand für die benötigte gleichgerichtete elektrische Energie zu nennen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsches Patent DE 14 96 816
Deutsche Patentanmeldung DE 33 23 240 A1

Claims (13)

1. Einrichtungen zur elektrolytischen Oberflächenbehandlung einer Charge schüttfähiger Massenteile in einer, um ihre Längsachse rotierenden Tauchtrommel vornehmlich prismatischer Raumform mit einer perforierten Wandung aus einem elektrisch nicht­ leitenden Werkstoff, welche für eine vorgegebene Zeitperiode in eine, mit einer wäßrigen Behandlungslösung gefüllten Wanne eingebracht und darin im eingetauchten Zustand eingerichtet wird, wobei stationäre Anoden starr an der Wannenwandung be­ festigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchtrommel (2) und ein, darin enthaltenen zentralen Hohlzylinder (4) gemeinsam mit den, im entstehenden ringförmigen Innenraum der Trommel (2) angeordneten Kontaktelementen (14) zur Polarisierung der, im besagten ringförmigen Innenraum der Trommel (2) befindlichen Charge (3) als Komponenten eine vorrichtungsmäßige, mechanisch starr zusammengefügte, synchron rotierende Dreierkombination bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Füll­ menge schüttfähiger Massenteile (3) des, im ringförmigen Innen­ raum der vorzugsweise vollständig in die Behandlungslösung eintauchenden Trommelzylinders (2) hinreichend groß ist um die Charge (3) als Ganzes zu zwingen, synchron mit dem Trommel­ zylinder (2) zu rotieren wobei die, lose über den hohlen Innen­ zylinder (4) hinweg kollernden Chargenteile (3) sich konti­ nuierlich durchmischen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Charge (3) näherungsweise zwei Drittel des gesamten Rauminhaltes des Trommelzylinders (2) ausfüllt wobei der, im restlichen Rauminhalt des Trommelzylinders (2) vorgesehene zentrale Hohlzylinder (4) ein Volumen hat, das annähernd einem Drittel des gesamten Trommelinhaltes gleich ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Hohlzylinder (4) vollständig oder partiell als Kontaktelement (14) zur kathodischen Polarisierung der im ringförmigen Innenraum des Trommelzylinders (2) befindlichen Charge (3) ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Scheitelanode (17) außerhalb des Trommel­ zylinders (2) direkt oberhalb dessen und parallel zu ihrer Rotationsachse verlaufend angeordnet ist, wobei der Trommel­ zylinder (2) und die Scheitelanode (17) zwei voneinander un­ trennbare, räumlich starr zusammengekoppelte Konstruktions­ elemente eines Trommelaggregates sind.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheitelanode (17) aus einem, unter anodi­ schem Potential unlöslichen Werkstoff besteht.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheitelanode (17) aus einem, unter anodi­ schem Potential löslichen Werkstoff besteht.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kathodisch polarisierte Charge (3) als Ganzes im wesentlichen die geometrische Raumform eines, um eine horizontale Längsachse rotierenden zylindrischen Kon­ glomerates (3) aus schüttfähigen Massenteilen hat, dessen Zentrum von einem hohlen Innenzylinder (4) ausgefüllt und von einem konzentrisch angeordneten Anodensystem umgeben ist, welches sich aus einer mobilen, von dem Trommelaggregaten un­ trennbaren Scheitelanode (17) direkt oberhalb der Chargen­ masse (3) und aus einem Satz stationärer, seitlich sowie parallel zur Rotationsachse der Chargenmasse (3) an der Wannen­ wandung (1) befestigter Anoden (13) zusammensetzt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wandung des hohlen Innenzylinders (4) mittels Perforationen durchlocht ist.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der innere Hohlzylinder (4) eine längliche zen­ trale Innenanode (18) enthält, welche durch den, aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff bestehenden perforierten Mantel des Hohlzylinders (4) von der kathodisch polarisierten Charge (3) getrennt und von dieser dadurch isoliert ist.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zentralanode (18) aus einem, unter anodi­ schem Potential unlöslichen Werkstoff besteht.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das, dem Trommelzylinder (2) zugeordnete Anoden­ system aus einer Kombination besteht, welche sich als Kompo­ nenten aus der, direkt oberhalb des Trommelzylinders (2) be­ festigten mobilen, mechanisch starr mit diesem gekoppelten Scheitelanode (17), aus der ebenfalls mit dem Trommelzylinder (2) gekoppelten mobilen, innerhalb des, mit der Längsachse des Trommelzylinders (2) koaxialen perforierten Hohlzylinders (4) befindlichen Zentralanode (18) und aus den stationären, an der Wannenwandung (1) befestigten Anoden (13) zusammensetzt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unteren Teile der, beiderseits des Trommel­ zylinders (2) vertikal hängenden stationären Anoden (13) zu diesem hin abgewinkelt (abgebogen) sind.