DE2234424A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen elektrochemischen behandlung von metallbaendern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen elektrochemischen behandlung von metallbaendern

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Description

für ein Patent auf
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung von Metallbändern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung von Metallbändern.
Eine elektrochemische Behandlung von Metallen kann durchgeführt werden, um Metall abzutragen und dadurch die Oberfläche zu modifizieren, insbesondere aufzurauhen; um eine Oxidschicht.zu erzeugen oder um eine Metallschicht galvanisch abzuscheiden.
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Wenn das Metall dabei als endloser Formkörper, z. B. als Draht oder Band, vorliegt, wird die Behandlung vorzugsweise durchgeführt, indem.der Formkörper kontinuierlich durch das Behandlungsbad geführt wird. .
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 621 115 ist es z. B. bekannt, ein Aluminiumband nacheinander durch eine. Reihe von.verschiedenen elektrochemischen Behandlungsbädern zu führen, in denen es zuerst elektrolytisch aufgerauht und dann anodisch oxydiert wird. Die Förderung des Bands erfolgt über Umlenkrollen.
In der französischen Patentschrift 1 424 643 ist eine Vorrichtung zur anodischen Behandlung von Aluminiumbändern besehrieben, bei der das Band ohne Umlenkrollen horizontal durch das Behandlungsbad läuft, wobei es durch je eine abgedichtete Ein- und Austrittsöffnung in den Seitenwänden des Badbehälters geführt wird. Die Badflüssigkeit wird mittels einer Pumpe derart im Kreislauf umgepumpt, daß eine starke turbulente Strömung zwischen dem
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Band, und der Elektrode aufrechterhalten wird. Hierdurch wird ein rascher Elektrolytaustausch an der Bandoberfläche und eine rasche Wärmeableitung gewährleistet. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, mit hohen Stromdichten und damit hohen Durchsatzgeschwindigkeiten für das Band zu arbeiten. Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie keine korrosionsanfälligen Umlenkrollen und deren Lager in dem Elektrolytbad erfordert.
Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist die Verwendung von schleifenden Gummiabdichtungen an der Ein- und Austrittsstelle des Bands. Sie können leicht
zu einem Verkratzen insbesondere der elektrochemisch behandelten Oberfläche führen. Weiterhin gewährleistet die dort beschriebene Art der Elektrolytumwälzung keine optimale Durchmischung der gesamten Badflüssigkeit und keine absolut gleichförmige Strömung über die gesamte Breite des zu behandelnden Bandes. Hierdurch können Strömungsstrukturen auf der behandelten Oberfläche auftreten. Auch ist dort die Entgasung des Elektrolyten, d. h. das Entweichen des bei den meisten elektrochemischen Prozessen entstehenden Wasserstoffs, erschwert.
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Bei der Vorrichtung der deutschen Offenlegungsschrift 1 521 068, die eine Galvanisiervorrichtung für endlose Metallbänder beschreibt, werden keine Abdichtungen benötigt; es ist auch eine bessere Baddurchmischung gewährleistet. Dort wird das Band horizontal durch einen Elektrolyttrog geführt, der an seinen Enden Wehre enthält, über die der Elektrolyt abfließt. Der Zufluß des Elektrolyten erfolgt, durch einen Schlitz im Boden des Trogs, der sich über dessen gesamte Breite erstreckt. Das Band wird dabei dicht unterhalb 'des Flüssigkeitsspiegels (etwa 3 bis 6 mm darunter) geführt. Bei dieser Vorrichtung ist es ein kritisches Problem, das Band stets gleichmäßig mit Flüssigkeit bedeckt zu halten, da die über die Wehre abfließende Flüssig-, keitsmenge nicht unmittelbar beeinflußt werden kann und das Niveau der Wehre notwendig unterhalb der Bahn des Bands liegt. Da die oberhalb des Bands befindliche Flüssigkeitsmenge nur dadurch ergänzt bzw. aufrechterhalten werden kann, daß der Elektrolyt seitlich um das Band herumströmt, hat die Strömung der Elektrolyten zwischen dem Band und dem als Gegenelektrode dienenden Boden des Trogs stets eine Längs- und eine
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Querkomponente mit wechselndem Anteil. Das kann dazu führen, daß sich auf der galvanisierten Oberfläche Strömungsstrukturen abbilden. Auch ist es praktisch nicht möglich, mit dem dort verwendeten Zuführschlitz im Boden des Trogs, der sich durch Aufweitung aus einem'verhältnismäßig engen Rohr entwickelt, eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über die Breite des Schlitzes zu erreichen._ ■
Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung von Metallbändern vorzuschlagen, die die geschilderten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und bei denen insbesondere keine Umlenkrollen und keine schleifenden Abdichtungen verwendet werden, eine ständige Bedeckung des Bands mit Elektrolytflüssigkeit im Behandlungsbad gewährleistet ist,' wobei der Elektrolyt zwischen dem Band und der Gegenelektrode mit hoher Geschwindigkeit und völlig gleichförmig in einer Richtung strömt und eine wirksame Entgasung des Elektrolyten erfolgt.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung von Metallbändern mit einer mit Elektrolytflüssigkeit gefüllten
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Behandlungswanne, je einer,Eintritts- und Austrittsöffnung für das Metallband in den beiden Stirnwänden der Wanne unterhalb des Flüssigkeitsspiegels ^ mindestens einer oberhalb des Metallbands angeordneten Elektrode und Einrichtungen zur Erzeugung eines raschen Elektrolytstroms zwischen dem Transportweg des Bands und der Elektrodenoberfläche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch je eine entlang jeder Stirnwand der Wanne angeordnete glockenartige Kammer, die einen überlauf für die Elektrolytflüssigkeit mit einer Flüssigkeitsableitung in einen unterhalb der Wanne befindlichen Reservebehälter, einen gegenüber der Außenluft abgeschlossenen Gasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und eine in diesem Gasraum beginnende, mit einer Absaugpumpe verbundene Gasableitung enthält, und eine Pumpe zum Fördern der Elektrolytflüssigkeit aus dem Reservebehälter in die Wanne.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung eines Metallbands vorgeschlagen, bei dem man das Band in einer im
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wesentlichen horizontalen Ebene durch eine in einer Behandlungskammer befindliche Elektrolytflüssigkeit ■ führt und das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Ausfließen der Elektrolytflüssigkeit aus den Ein- und Austrittsöffnungen für das Band durch Erzeugen eines Unterdrucks über der Oberfläche der Flüssigkeit verhindert .
Die Ein- und Austrittsöffnungen für das Metallband liegen vorzugsweise in gleicher Höhe, so daß das Metallband eben und horizontal durch die Elektrolytflüssigkeit geführt wird. Die öffnungen sind Schlitze in den Außenwänden der glockenartigen Kammern von solcher Breite und Länge, daß das Metallband bequem berührungsfrei durch sie hindurchgeführt werden kann. Wenn nur die eine Seite des Bands elektrochemisch behandelt werden soll, wird es zweckmäßig in möglichst geringem Abstand über dem Boden der Behandlungswanne geführt. Aus dem Gasraum der glockenartigen Kammern wird ununterbrochen Luft abgesaugt. Dadurch wird ein Unterdruck im Gasraum der glockenartigen Kammer erzeugt, der ein Ausfließen der Badflüssigkeit aus der Ein- bzw. Austrittsöffnung verhindert. Infolge der Druckdifferenz
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zwischen der glockenartigen Kammer und dem Hauptflüssigkeitsraum strömt aus dem letzteren Elektrolytflüssigkeit durch de"n Spalt zwischen Band und Elektrode in die glockenartige Kammer und aus dieser durch den überlauf in den Reservebehälter ab. Die Elektrolytflüssigkeit im Hauptflüssigkeitsraum wird durch Zurückpumpen aus dem Reservebehälter ergänzt.
Zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet, daß mindestens eine der glockenartigen Kammern an ihrer dem Inneren der Behandlungswanne zugekehrten Wand mit einer Elektrode verbunden ist und daß ihr Flüssigkeitsinhalt mit dem der übrigen Wanne nur durch den Spalt zwischen der Elektrode und dem Transportweg des Metallbands verbunden ist. Vorzugsweise sind beide glockenartigen Kammern in dieser Weise mit je einer Elektrode verbunden.
Durch diese Ausführung wird gewährleistet, daß das Nachströmen der Elektrolytflüssigkeit aus dem Hauptflüssigkeitsraum in die glockenartige Kammer aus-
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schließlich durch den Raum zwischen der Elektrode und dem Band erfolgt und daß die Flüssigkeitsströmung über die gesamte Breite dieses Raums praktisch gleichmäßig stark und parallel gerichtet
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Metallbänder auf verschiedene Weise elektrochemisch behandelt werden. So kann z. B. ein Band durch Gleich- oder Wechselstrombehandlung oberflächlich gereinigt, entzundert, aufgerauht oder dgl. werden. Es ist weiterhin möglich, eine anodische Oxydation durchzuführen oder das Band zu galvanisieren.
Die Behandlungswanne kann in an sich bekannter Weise in der Mitte durch eine vertikale, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bands angeordnete, dicht oberhalb des Bands endende Zwischenwand geteilt werden. In jedem Teil der Behandlungswanne wird dann eine Elektrode angebracht, und beide Elektroden -werden mit den Polen einer Spannungsquelle verbunden. Dabei fließt der Strom von einem zum anderen Teil des Bads im wesentlichen durch das Band als Mittelleiter.
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Diese Art der Schaltung wird vor allem bei Wechselstrombehandlung angewendet, sie kann aber auch bei Gleichstrombehandlung Verwendung finden. In diesem Falle ist das Band in der einen Hälfte der Behandlungswanne als Anode, in der anderen als Kathode geschaltet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, mit sehr hohen Stromdichten zu arbeiten, die je nach der
Art der Behandlung zwischen etwa 2 und 150 A/dm liegen können. Beim elektrochemischen Ätzen wird
bevorzugt im Bereich von etwa 25 bis 120 A/dm gearbeitet. Man erreicht dabei im allgemeinen Behandlungszeiten von etwa 10 Sekunden bis 2 Minuten.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Elektrolytflüssigkeit in dem Spalt zwischen Band und Elektrode wird auf den für die gewünschte Stromdichte ausreichenden Wert eingestellt. Zweckmäßig sollte, wie es in der französischen Patentschrift 1 424 643 beschrieben ist, die Strömungsgeschwindigkeit so bemessen sein, daß sich unter den gegebenen Abmessungen Reynolds-Zahlen (Re) oberhalb von etwa 2500 ergeben. Die Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt durch Veränderung
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der Förderleistung der Pumpe, die die Elektrolytflüssigkeit aus dem Reservebehälter in die Behandlungswanne zurückpumpt und ggf. durch Veränderung der Saugleistung an der glockenartigen Kammer. Außerdem kann die Strömungsgeschwindigkeit durch "Veränderung der Spaltbreite zwischen Band und Elektrode verändert werden. Die Spaltbreite liegt normalerweise in der Größenordnung von etwa 1 bis 5 cm, kann aber an der Verbindungsstelle zur glockenartigen Kammer auf einen Bruchteil dieses Werks verengt sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im wesentlichen zur einseitigen elektrochemischen Behandlung von Metallbändern vorgesehen und geeignet. Prinzipiell ist auch eine beidseitige Behandlung möglich, indem weitere Elektroden in den Boden der Behandlungswanne einge'lassen werden und das Band mit einem entsprechenden Abstand vom Boden der Wanne durch das Bad geführt wird. Bei der besonders bevorzugten einseitigen Behandlung wird das Bad im allgemeinen in so geringem Abstand vom Boden geführt, daß es ihn gerade nicht mehr berührt. Bei dieser Arbeitsweise bleibt die Rückseite des Bands von schmalen Randzonen ab-
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gesehen praktisch unverändert. Das Band kann aber auch ohne wesentliche Nachteile auf dem Boden der Wanne a"ufliegen.
In den glockenartigen Kammern an den Enden der Vorrichtung werden je nach der Saugleistung mehr oder weniger große Mengen Luft durch die ElektrolytflÜBsigkeit gesaugt. In Verbindung mit dem in diesen Kammern herrschenden Unterdruck bewirkt die hindurchperlende Luft eine wirksame Entgasung der Elektrolytflüssigkeit, d. h. eine weitgehende Abtrennung des beim Durchströmen des Spalts zwischen Band und Elektroden entstandenen Wasserstoffs. Die entgaste Elektrolytflüssigkeit sammelt sich in dem Reservebehälter und wird dort oder an einer anderen geeigneten Stelle ihres Kreislaufs gekühlt. Sie kann ferner vor dem Zurückpumpen,in die Behandlungswanne durch ein Filter oder Sieb geleitet werden, um sie von dispergierten Verunreinigungen zu befreien. Die Erneuerung der Elektrolytflüssigkeit kann durch portionsweises Abnehmen von verbrauchtem Elektrolyten und Zusetzen der entsprechenden Menge an frischem Elektrolyten in dem Reservebehälter erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann rait Vorteil aus mehreren der oben beschriebenen.Grundeinheiten mit einer Behandlungswanne und zwei glockehartigen Kammern zusammengesetzt sein. Zwischen diesen Grundeinheiten sind zweckmäßig Waschstationen angebracht, um das Band von der anhaftenden Flüssigkeit einer Behandlungsstation zu befreien. Ebenso körinen vor, hinter oder zwischen den elektrochemischen Behandlungsstationen chemische A'-tz- oder Beizstufen angeordnet werden. Ein Beispiel für die Kombination mehrerer elektrochemischer Behandlungsstufen in einer kontinuierlichen Anlage ist die elektrochemische Aufrauhung und anschließende anodische Oxydation eines Aluminiumbands. Ebenso können Ätz- und Galvanisierbehandlungen von Aluminium-, Kupfer-, Stahl- oder anderen Metallbändern in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in mehreren aufeinanderfolgenden Stationen durchgeführt werden.'
Im folgenden werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnung im einzelnen erläutert.
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Pig. 1 ist ein Längsschnitt durch die Grundeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2 und Fig. 3 sind vereinfachte Längsschnitte
durch mögliche Kombinationen von jeweils zwei Grundeinheiten gemäß Fig. 1.
Die Behandlungswanne. 1 hat einen nichtleitenden Boden 2, über den das zu behandelnde Metallband 3 geführt wird. An den Enden der Wanne 1 befinden sich die glockenartigen Kammern 41 und 4", die in ihren Außenwänden 5f und 5" Ein- und Austrittsöffnungen 61 .und 6" für das Band 3 aufweisen. Die Innenwände 7' und 7" der glockenartigen Kammern 4' und 4" sind an ihren unteren Enden mit den Elektroden 81 und 8" verbunden. Aus dem Gasraum der Kammern 4' und 4" führen Gasableitungen 91 und 9"» die mit einer Absaugpumpe 10 verbunden sind.
Im Flüssigkeitsraum der Kammern 4· und 4" befinden sich Überlaufrohre II1 und 11", die in dem unterhalb der Wanne 1 liegenden Reservebehälter 12 enden und die, von der Zeichenebene aus betrachtet, vor oder hinter dem Band 3 vorbeiführen.
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Im Reservebehälter 12 wird die Elektrolytflüssigkeit durch Wärmeaustauscher 13 auf der gewünschten Temperatur gehalten, wobei normalerweise die bei der elektrochemischen Behandlung entstandene Wärme abgeführt wird. Aus dem Reservebehälter 12 führt eine Leitung lh über die Pumpe 15 zurück in den mittleren Teil der Wanne 1. Die beiden Ausflußöffnungen 14' und 14" der Leitung Ik befinden sich oberhalb der Elektroden 81 und 8" nahe den Wänden 71 und 7". Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich die groben Turbulenzen der zurückgepumpten Elektrolytflüssigkeit beruhigen, ehe diese in den Spalt 16» bzw. 16" zwischen#der Elektrode und dem Band einströmt.
Der Reservebehälter 12 ist zugleich als Sicherheits- und Auffangbehälter für die in der Wanne 1 enthaltene Elektrolytflüssigkeit vorgesehen. Er enthält an den entsprechenden Stellen seiner Vorder- und Hinterwand abdichtbare Schlitze 17' und 17" für das
Band 3. Beim An- und Ausfahren der Behandlungsanlage, beim Ausfall der Absaugpumpe 10 oder bei anderen
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Betriebsstörungen werden die Schlitze 17· und 17" geschlossen, so daß keine Elektrolyt flüssigkeit aus dem Behälter 12 nach außen entweichen kann.
Die Elektroden 8* .und 8" sind mit den Polen einer Wechselspannungsquelle verbunden. In der Mitte der Wanne 1 befindet sich eine nichtleitende Trennwand 18, die dicht oberhalb-des Bands 3 endet und die Wanne in zwei im wesentlichen symmetrische Hälften teilt. Der Stromfluß erfolgt deshalb von der Elektrode 8' über den Spalt 16· zu dem Band 3 und von diesem in der rechten Hälfte über den Spalt 16" zu der Elektrode 8". Bei dieser Anordnung ist der direkte Stromfluß von der Elektrode 81 durch den Elektrolyten in dem Spalt zwischen der Wand 18 und dem Band 3 zu der Elektrode 8" praktisch zu vernachlässigen.
Für den Fall, daß während des Betriebs der Vorrichtung trotz des Unterdrucks in der glockenartigen Kammer geringe Flüssigkeitsmengen aus den öffnungen 6' und 6" auf das Band austreten, sind schlitzförmige Luftdüsen 19' '.und 19" vorgesehen, die die ausgetretene Flüssigkeit vom Band abstreifen und in den Reservebehälter 12 fließen lassen.
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Es ist auch möglich, eine andere Stromführung zu wählen, Für diesen Pail ist die Walze 20 vorgesehen, die in leitendem Kontakt mit dem Metallband steht. Dabei wird der eine Pol der Stromquelle an die Walze und der andere Pol an die Elektroden gelegt. In diesem Falle kann ggf. auch nur mit einer Elektrode gearbeitet werden. Auch die Trennwand 18 ist dann entbehrlich.
Die Figuren 2 und 3 zeigen in vereinfachter Form zwei Anordnungsmöglichkeiten von je 2 Vorrichtungen" gemäß Figur 1 (Grundeinheiten), um ggf. voneinander verschiedene elektrochemische Behandlungsstufen an einem Band durchzuführen.
In Figur 2 läuft das Band 3 nacheinander durch zwei Grundeinheiten A und B, Vor, hinter und zwischen den Grundeinheiten A und B befinden sich normalerweise noch Entfettungs-, Beiz- und Waschstationen, die der Übersichtlichkeit halber fortgelassen worden sind. In beiden Grundeinheiten ist das Band als Mittelleiter zwischen den Elektroden 81 'und 8" geschaltet,
wobei es in der Grundeinheit A gegenüber der ersten Elektrode 8f als Anode und gegenüber der Elektrode 8"
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als Kathode geschaltet ist. In der Grundeinheit B ist die Reihenfolge umgekehrt. Ebenso kann in der Grundeinheit A Wechselspannung angelegt werden, und in der Grundeinheit B können das Band 3 an die Anode und die beiden Elektroden an die Kathode einer Gleichspannung angelegt werden.
In Figur 3 ist die Möglichkeit einer Umschaltung angegeben. Es werden zwei unabhängige Gleichstromquellen U. und Up verwendet. Die Spannung U. kann durch Verstellen des Umschalters S umgepolt werden, 'in der ausgezogenen Stellung des Schalters S liegen das Band 3 an der Kathode und alle Elektroden an der Anode. Wenn sich S in der gestrichelten Stellung befindet, sind jeweils die Elektroden 8" negativ und die Elektroden 81 positiv, das Band 3 dient als Mittelleiter.
Selbstverständlich sind noch zahlreiche andere Variationen möglich.
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Claims (6)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen elektro- * chemischen Behandlung, von Metallbändern mit einer ■ mit Elektrolytflüssigkeit gefüllten Behandlungswanne, je einer Eintritts- und Austrittsöffnung für das Metallband in den beiden Stirnwänden der Wanne unterhalb des Flüssigkeitsspiegels, mindestens einer oberhalb des Metallbands angeordneten Elektrode und Einrichtungen zur Erzeugung eines raschen Elektrolytstroms zwischen dem Transportweg des Bands und der Elektrodenobeijflache, gekennzeichnet durch je eine entlang jeder Stirnwand (·5!, 5") der Wanne (1) angeordnete, glockenartige Kammer (41, 4"), die einen überlauf (H1, 11") für die Elektrolytflüssigkeit mit einer Flüssigkeitsableitung in einen unterhalb der Wanne befindlichen Reservebehälter (12), einen gegenüber der Außenluft, abgeschlossenen Gasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und eine in diesem Gasraum beginnende, mit einer Absaugpumpe (10) verbundene Gasableitung (9«,. 9") enthält, und eine Pumpe (15) zum Fördern der Elektrolytflüssigkeit aus dem Reservebehälter in die Wanne.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transportweg des Metallbands O) durch die Behandlungswanne (1) eben und horizontal verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der glockenartigen Kammern (41, 4").an ihrer dem Inneren der Behandlungswanne zugekehrten Wand (7f, 7") mit
einer Elektrode (81, 8") verbunden ist und daß
ihr Flüssigkeitsinhalt mit dem der übrigen Wanne nur durch den Spalt (16', 16") zwischen der
Elektrode und dem Transportweg des Metallbands (3) verbunden ist,
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß jede glockenartige Kammer (4f, 4") mit einer Elektrode (8·, 8") verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungswanne (1) in der Mitte durch eine vertikale Zwischenwand (18) geteilt ist und daß die beiden Elektroden (81, 8") an die Pole einer Spannungsquelle geschaltet sind.
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6 j Verfahren zur kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung eines Metallbands, bei dem man das Band in einer im wesentlichen horizontalen Ebene durch eine in einer Behandlungskammer befindliche
Elektrolytflüssigkeit führt, dadurch gekennzeichnet, daß man das Ausfließen der Elektrolytflüssigkeit aus den Ein- und Austrittsöffnungen für das Band durch
Erzeugen eines Unterdrucks- über der Oberfläche der
Flüssigkeit verhindert. .
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