DE2234424B2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Behandlung von Metallbändern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Behandlung von Metallbändern

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Belandlung von horizontal geführten Metallbändern.
Eine elektrolytische bzw. elektrochemische Beiandlung von Metallen kann durchgeführt werden, im Metall abzutragen und dadurch die Oberfläche zu riodifizieren, insbesondere aufzurauhen, um eine Dxidschicht zu erzeugen oder um eine Metallschicht galvanisch abzuscheiden.
Wenn das Metall dabei als endloser Formkörper, ι. B. als Draht oder Band, vorliegt, wird die Behandlungvorzugsweise durchgeführt, indem der Formkörper kontinuierlich durch das Behandlungsbad geführt
wird.
Aus der deutschen Offenlegyngsschrif11621115 ist es z. B. bekannt, ein Auiminiumband nacheinander durch eine Reihe von verschiedenen elektrochemisehen Behandlungsbädern zu führen, in denen es zuerst elektrolytisch aufgerauht und dann anodisch oxydiert wird. Die Förderung des Bands erfolgt über Umleakrollen.
In der französischen Patentschrift 1424643 ist eine
ίο Vorrichtung zur anodischen Behandlung von Aluminiumbändern beschrieben, bei der das Band ohne Umlenkrollen horizontal durch das Behandlungsbad läuft, wobei es durch je eine abgedichtete Ein- und Austrittsöffnung in den Seitenwänden des Badbehäl-
is ters geführt wird. Die Badflüssigkeit wird mittels einer Pumpe derart im Kreislauf umgepumpt, daß eine starke turbulente Strömung zwischen dem Band und der Elektrode aufrechterhalten wird. Hierdurch wird ein rascher Elektrolytaustausch an der Bandoberfläehe und eine rasche Wärmeableitung gewährleistet. Unter dieser. Bedingungen ist es möglich, mit hohen Stromdichten und damit hohen Durchsatzgeschwindigkeiten für das Band /u 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 Strö-
mung über die gesamte Breite des zu behandelnden Bande;. 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.
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 Bad-
durchmischung 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 Flüssigkeitsmenge 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 des Elektrolyten zwischen dem Band und dem als Gegenelektrode dienenden Boden des Trogs stets eine Längs- und eine 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 4ie Breite des Schlitzes za erreichen.
Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Behandlung von Metallbändern vorzuschlagen, die die geschilderten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und bei denen insbesondere keine Umienkre'ten 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 elektrolytischen Behandlung von horizontal geführten Metallbändern mit einem Elektrolytbehälter, der in den beiden Stirnwänden unterhalb des Flüssigkeitsspiegels je eine Eintritts- und Austrittsöffnung für das Metallband aufweist, mindestens einer oberhalb des Metallbands angeordneten Elektrode, einer Pumpe zum Umwälzen des Elektrolyten und Einrichtungen zur Erzeugung eines raschen Elektrolytstroms im Raum zwischen Band und Elektrode.
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.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur kontinuierlichen elektrolytischen Behandlung eines Metallbands unter Verwendung der erfindungsgemä-Ben Vorrichtung vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ausfließen des Elektrolyten aus den Ein- und Austrittsöffnungen für das Band durch Erzeugen eines Unterdrucks über der Oberfläche des in der glockenartigen Kammer befindlichen Elektrolyten verhindert wird.
Die Ein- und Austrittsöffnungen für das Metallband liegen im allgemeinen in gleicher Höhe, so daß das Metallband eben und horizontal durch die Elektrolytflüssigkeit geführt wird. Die ötinungen 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 Gdsraum 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 zwischen der glocken artigen Kammer und dem Hauptflüssigkeitsraum strömt aus dem letzteren Elektrolytflüssigkeit durch den 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 Zurückpumpeu 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 Flüssipkeitsinhalt mit dem der übrigen Wanne nur durch den Spalt zwischen der Elektrode und dem Transportweg des Metallbands
jo 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 ausschließlich 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 ist.
ao 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 od. 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 ledern 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.
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/dm2 liegen können. Beim elektrochemischen Ätzen wird bevorzugt im Bereich von otwa 25 bis 120 A/dmJ 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 1424643 beschrieben ist. die Strömungsgeschwindigkeit so bemessen sein, daß sich unter den gegebenen Abmessungen Reynolds-Zahlvn (Re) oberhalb von etwa 2500 ergeben. Die Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt durch Veränderung der Förderleistung der Pumpe, die die Elektrolytflüssigkeit aus dem Reservebehälter in die Behandlungswanne /urückpumpt und gegebenenfalls durch Veränderung der Saugleistung an der glockenartigen Kammer. Außerdem kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Veramlcrung der Spaltbreite /wischen Band und Elektrode verändert werden. Die Spaltbreite liegt normalerweise in der Größenordnung von etwa 1 bis 5 cm. kann aber an der Verbindungssteile /ur 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 eingelassen 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 abgesehen, praktisch unverändert. Das Band kann aber auch ohne wesentliche Nachteile auf dem Boden dei Wanne aufliegen.
In den glockenartigen Kammern an den Enden der Vorrichtung werden je nach der Saugleistung mehr oder weniger große Mengen Luft durch die Elektrolytflüssigkeit 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 Steile 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.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Vorteil aus mehreren der oben beschriebenen Grundeinheiten mit einer Behandlungswanne und zwei glokkenartigen Kammern zusammengesetzt sein. Zwischen diesen Grundeinheiten sind zweckmäßig Waschstationen angebracht, um das Band von der anhaftenden Flüssigkeit einer Behandlungsstation zu befreien. Ebenso können vor, hinter oder zwischen den elektrochemischen Behandlungsstationen chemische Ätz- 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 Aluminium -bands. Ebenso können Ätz- und Galvanisierbehandlungen von Aluminium-, Kupfer-, Stahl-oder anderen Metalibändern in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in mehreren aufeinanderfolgenden Stationen durchgefühlt werden.
Im folgenden werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Fig. 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.
Der Elektrolyt behälter 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 4' und 4", die in ihren Außenwänden 5' und 5" Ein- und Austrittvoff nungen 6' und 6" für das Band 3 aufweisen. .Die Innenwände T und 7" der glockenartigen Kammern 4' und 4" sind an ihren unteren Enden mit den Elektroden 8' und 8" verbunden. Aus dem Gasraum der Kammern 4' und 4" führen Gasableitungen 9' und 9", die mit einer Absaugpumpe 10 verbunden sind.
Im Flüssigkeitsraum der Kammern 4' und 4" befinden sich Überlaufrohre 11' 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.
Im Reservebehälter 12 wird die Elektrolytflüssigkeit durch Wärmeaustauscher 13 auf der gewünschten Temperatur gehalten, wobei normalerweise die bei is der elektrochemischen Behandlung entstandene Wärme abgeführt wird. Aus dem Reservebehälter 12 führt eine Leitung 14 über die Pumpe 15 zurück in den mittleren Teil der Wanne 1. Die beiden Ausflußöffnungen 14' und 14" der Leitung 14 befinden sich oberhalb der Elektroden 8' und 8" nahe den Wänden T und 7". Durch diese Anordnung wird erreich!, daß sich die groben Turbulenzen der zurückgepumpten Elektrolytflüssigkeit beruhigen, ehe diese in den Spalt 16' bzw. 16" zwischen der Elektrode und dem Band as einströmt.
Der Reservebehälter 12 ist zugleich als Sicherheitsund 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 Betriebsstörungen werden die Schlitze 17' und 17" geschlossen, so daß keine Elektrolytflüssigkeit 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 1 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 8' 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 Unterdnicks in der glockenartigen Kammer geringe Flüssigkeitsmengen aas 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.
E* ist auch möglich, eine andere Stromführung zu wählen. Für diesen Fall ist die Walze 20 vorgesehen, die in leitendem Kontakt mit dem Metallband steht. Dabei wird der eine Pol der Stromquelle an die Walze 20 und der andere Pol an die Elektroden gelegt. In diesem Falle kann gegebenenfalls auch nor mit einer Elektrode gearbeitet werden. Auch die Trennwand 18 ist dann entbehrlich.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in vereinfachter Form zwei Anordnungsmöglichkeiten von je 2 Vorrichtungen gemäß Fig. 1 (Grundeinheiten), um gegebenenfalls voneinander verschiedene elektrochemische Behänd-
lungsstufen an einem Band durchzuführen.
In Fig. 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 8' und 8" geschaltet, wobei es in der Grundeinheit A gegenüber der ersten Elektrode 8' als Anode und gegenüber der Elektrode 8" 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 Fig. 3 ist die Möglichkeit einer Umschaltung angegeben. Es werden zwei unabhängige Gleichstromquellen 17, und U2 verwendet. Die Spannung i/, 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
ίο an der Anode. Wenn sich S in der gestrichelten Stellung befindet, sind jeweils die Elektroden 8" negativ und die Elektroden 8' positiv, das Band 3 dient als Mittelleiter.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
509540/39/

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Behandlung von horizontal geführten Metallbändern mit einem Elektrolytbehälter, der in den beiden Stirnwänden unterhalb des Flüssigkeitsspiegels je eine Eintritts- und A.ustrittsöffnung für das Metallband aufweist, mindestens einer oberhalb des Metallbands angeordneten Elektrode und einer Pumpe zum Umwälzen des Elektrolyten und Einrichtungen zur Erzeugung eines raschen Elektrolytstroms im Raum zwischen Band und Elektrode, gekennzeichnet durch je eine entlang jeder Stirnwand (5', 5") der Wanne (1) abgeordnete, glockenartige Kammer (4', 4"), die einen Überlauf (H', 11") für die Elektrolytflüssigkeit mit einer Flüssigkeitsableitung in einen unterhalb der Wanne befindlichen Reservebehälter (12), einen gegenüber der Außenluft abgeschlossenen Ciasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und eine in diesem Gasraum beginnende, mit einer Absaugpumpe (10) verbundene Gasableitung (9', 9") enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der glockenartigen Kammern (4', 4") an ihrer dem Inneren des Elektrolytbehälters zugekehrten Wand (7', 7") mit einer Elektrode (8', 8") verbunden ist und ihr Flüssigkeitsinhalt mit dem übrigen Behälterinhalt nur durch den Spalt (16', 16") zwischen der Elektrode und dem Metallband (3) verbunden ist.
.V Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede glockenartige Kammer (4\ 4") mit einer Elektrode (8'. 8") verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytbehälter (1) in der Mitte durch eine vertikale Zwischenwand (18) geteilt ist und die beiden Elektroden (8', 8") an die Pole einer Spannungsquelle angeschlossen sind.
5. Verfahren zur kontinuierlichen elektrolytischen Behandlung eines Metallbands unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfließen des Elektrolyten aus den Ein- und Austrittsöffnungen für das Band durch Erzeugen eines Unterdrucks über der Oberfläche des in der glockenartigen Kammer befindlichen Elektrolyten verhindert wird.
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