DE3603770C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen galvanischen Abscheidung von Metalle bei hoher Stromdichte auf andere metallische in Bewegung befindliche Körper, ins­ besondere Stahlbänder, bestehend aus wenigstens einer Be­ handlungseinheit mit einer oberen und einer unteren Elektro­ lyt enthaltenden Kammer, die miteinander über zwei vertikale Elektroplattierzellen verbunden sind, wobei der zu plattieren­ de metallische Körper aus dieser oberen Kammer nach unten durch die erste dieser Zellen zu der unteren Kammer führbar ist, wo die Umlenkung und Rückführung nach oben durch die zweite dieser Zellen zur oberen Kammer erfolgt, während der Elektrolyt gezwungen wird, in der entgegengesetzten Richtung in jeder der beiden Zellen zu strömen.

Eine solche Vorrichtung ist bekannt aus der DE-OS 34 18 040.

Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der Elektrolyt in der gleichen Richtung, nämlich nach oben, durch beide der Zellen bewegt. Es ist somit nicht möglich, die spezifische in zwei Richtungen gerichtete Strömung der Vorrichtung, wie sie hier gewollt ist, zu erzeugen, auch nicht die weiter unten er­ wähnten wünschenswerten fluiddynamischen Bedingungen.

Bekanntlich werden beim kontinuierlichen galvanischen Ab­ scheiden von Metallen, insbesondere auf Stahlbänder, wie beispielsweise Zink, Zink legiert mit anderen Metallen wie Eisen, Nickel, etc., hohe Bandgeschwindigkeiten (die 150 m/min sogar überschrei­ ten können) und hohe Stromdichten (die sogar über 180 A/dm² liegen können) immer häufiger. Diese Pro­ zesse mit hoher Stromdichte erfordern natürlich eine gewisse Relativgeschwindigkeit zwischen Elektrolyt und zu plattierendem Band - das als Kathode wirkt - so daß garantiert wird, daß das Gas, welches unvermeidlicher­ weise abgegeben wird, aus der Nachbarschaft des Bandes entfernt wird und wodurch auch sichergestellt werden soll, daß die Elektrolytströmung ausreichend turbulent ist, um die Dicke der Grenzschicht zu vermindern, die an Metallionen, die abgeschieden werden müssen, ver­ armt ist, wodurch eine korrekte Abscheidung und ein zufriedenstellender Wirkungsgrad sichergestellt werden.

Die infrage kommenden Prozesse erfordern auch sehr konstante fluiddynamische Bedingungen - besonders beim Elektroplattieren bzw. elektrischen Galvanisieren - haben gerade diese doch einen Einfluß auf Qualität und Zu­ sammensetzung des Überzugs und auf den Wirkungsgrad des Prozesses.

Vom theoretischen Standpunkt aus haben Elektroplattier­ verfahren mit hoher Stromdichte ganz erhebliche Vor­ teile, von denen einige in gewissem Maße in bisher gebauten Anlagen erreicht wurden. Die Situation scheint aber noch nicht völlig stabilisiert zu sein, insbe­ sondere im Falle von Halbzeug, das verwendet wird, um gewisse sich schnell bewegende haltbare Konsumentenartikel, wie Autos, zu bauen, bei denen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, kombiniert mit sehr angenehmem Äußeren, gefordert wird, wie beispiels­ weise Bänder, die verwendet werden, um insbesondere Kraftfahrzeugkarosserien herzustellen.

Für solche Produkte, insbesondere mit Zink oder mit Zinklegierungen (Zink legiert mit anderen Metallen, wie Eisen, Nickel etc.) überzogene Stahlbänder, schien es zunächst, daß horizontale Zellausbildungen vermut­ lich die Antwort waren. Die praktische Erfahrung schien jedoch nicht zufriedenstellend zu sein, da Werke, die mit horizontalen Zellen arbeiteten, offensichtlich diese durch vertikale Zellen ersetzen.

Mit der bekannten vertikalen Anordnung (DE-OS 34 18 040) jedoch läuft das Band von oben nach unten in einer Gruppe von Zellen und von unten nach oben in einer anderen Gruppe, so daß es unmöglich wird, gleichförmige fluiddynamische Bedingungen an der Grenzfläche Band-Elektrolyt in sämtlichen Zellen sicher­ zustellen.

Um diese Schwierigkeit zu eliminieren, wurde bereits vorgeschlagen (DE-OS 35 25 183), die Strömungsrichtung des Elektrolyten in den Zellen so einzustellen, daß die notwendige Gleichförmigkeit der fluiddynamischen Be­ dingungen gewährleistet bleibt. Insbesondere bei einem Paar von Zellen, bei denen das zu plattierende Band von oben nach unten in einer Zelle und von unten nach oben in der anderen läuft, werden Einrichtungen zum Pumpen des Elektrolyten in jeder Zelle an den Stellen installiert, wo das Band in die Zelle eintritt oder diese verläßt, so daß die Strömung des Elektrolyten in einer Zelle des Paares in entgegengesetzter Richtung zu der in der anderen Zelle erfolgt.

Die Ausbildung der Vorrichtung wurde im Betrieb ein­ gesetzt und hat zu ausgezeichneten Ergebnissen geführt. Es sind jedoch einige sekundäre Nachteile in Kauf zu nehmen, die in der Praxis zu Problemen führen. Es ist zum Beispiel schwierig, die Pumpen in jedem Paar von Zellen zu steuern, um sicherzustellen, daß sie voll­ ständig ausgewogen arbeiten. Dies führt zu fehlender Gleichförmigkeit bei den Elektrolytströmungsbedingungen und hat einen nachteiligen Einfluß auf die Gleichförmig­ keit der Qualität beim Plattieren. Die Art und Weise, in der die Pumpen installiert sind, macht es darüber hinaus schwierig, Spritzschutz zu installieren, was jedoch eine mögliche Quelle für eine Beeinträchtigung der Oberflächenqualität des Bandes und des Überzugs ist, während die Wartung der Zelle behindert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst identische fluiddynamische Beziehungen in jeder der beiden vertikalen Zellen einer elektrolytischen Behand­ lungseinheit zu schaffen und somit die beste Qualität bei mit Überzug versehenen Produkten zu ermöglichen. Hierbei soll ein sehr schneller hochturbulenter Elektro­ lytfluß in den Behandlungseinheiten garantiert werden. Möglichst identische fluiddynamische Bedingungen in jeder Zelle des Paares sollen zur bestmöglichen Galvanisier­ ausbeute und ausgezeichneten Galvanisierqualitäten her­ beigeführt werden.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß bei einer Vorrichtung zur kontinuierlichen galvanischen Abscheidung von Metallen bei hoher Stromdichte auf andere metallische in Bewegung befindliche Körper, ins­ besondere Stahlbänder, dadurch, daß nur eine Pumpeinrichtung für jede Behandlungseinheit Verwendung findet, wobei diese an einem Ende nur einer der beiden Zellen angeordnet ist, derart, daß kontinuier­ lich der Elektrolyt durch jede der beiden vertikalen Zellen in dieser entgegengesetzten Richtung führbar ist.

Anders ausgedrückt: bei einer Anlage, die aus vertikalen Zellen für die kontinuierliche Abscheidung von Metallen bei hoher Stromdichte besteht, wobei die Grundbehandlungseinheit aus zwei vertikalen Elektrolyt­ zellen besteht, die eine obere Kammer und eine untere Kammer zum Sammeln und Speichern des Elektrolyten ver­ binden und in welchen der zu plattierende Körper, üb­ licherweise Metallband, aus der oberen Kammer durch eine dieser Zellen in die untere Kammer läuft, von der aus eine Rückführung durch die andere dieser Zellen in die obere Kammer erfolgt, während der Elektrolyt ge­ zwungen wird, innerhalb dieser Zellen in hochturbulentem Strömungszustand zwangsweise durchzufließen, ist die Verbesserung darin zu sehen, daß die Strömung des Elektrolyten durch nur eine Pumpeinheit geregelt wird.

Vorzugsweise wird die Pumpeinrichtung am unteren Ende der Zelle angeordnet, durch welche der zu plattierende me­ tallische Körper von unten nach oben geht, wobei die Lieferseite der Pumpe in die untere Kammer gerichtet ist.

Zweckmäßig kann die Pumpeinrichtung ein Ejektor sein, der am unteren Ende einer Zelle angeordnet ist und veranlaßt, daß der Elektro­ lyt durch diese Zelle aus dieser oberen Kammer gesaugt wird. In diesem wird die hohe kinetische Energie einer Menge von Primärfluid verwendet, um eine größere Menge an Sekundärfluid mitzureißen. Hierbei besteht das primäre Mitreißefluid aus Elektrolyt, der aus der unteren Kammer entnommen wird, während das mitgerissene Sekundärfluid aus Elektrolyt besteht, der aus der oberen Kammer durch die vertikale Zelle, in der der Ejektor installiert ist, abgezogen wird.

Die Pumpe kann aber auch die Elektrolytströmung in die Spalte zwischen Anoden und Band injizieren.

Während die untere Kammer mit Elektrolyt gefüllt und geschlossen wird - bis auf die Verbindung mit der oberen Kammer über die vertikalen Zellen - kann der mit dem Ejektor aus der oberen Kammer gegen die untere durch eine Zelle gepumpte Elektrolyt in die obere Kammer nur durch die andere Zelle aufsteigen.

Da Flüssigkeiten inkompressibel sind, genügt es, die beiden Zellen mit den gleichen Innenquerschnittsflächen aufzubauen, um sicherzustellen, daß der Elektrolyt­ durchsatz (Elektrolytströmungsrate) und dessen Ge­ schwindigkeit in jeder Zelle genau gleich sind.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnung näher er­ läutert werden, die einen Vertikalschnitt durch eine Vertikalzellen-Behandlungseinheit nach der Erfindung zeigt.

Gemäß dieser Ausführungsform besteht die Behandlungs­ einheit aus einem Behälter, der unterteilt ist in eine obere Kammer 1 und eine untere Kammer 2, welche von­ einander durch eine Trennwand 3 getrennt sind. Die Kammer 1 ist oben offen und verfügt über Walzen 4 und 5, die das Band 6 führen, während es in die Behandlungs­ einheit eintritt bzw. diese verläßt. Ventilbesetzte Auslässe 7 und 8 sind vorhanden, die dem Entleeren der Kammer 1 dienen und die eine Wiederherstellung des pH-Wertes sowie der Konzentration der verschiedenen Ionen für die Elektroabscheidung durch hier nicht ge­ zeigtes Gerät sorgen, da die in den subsidiären Vor­ gängen benützten Einrichtungen an sich bekannt sind und hier nicht näher beschrieben werden müssen.

Die untere Kammer 2 ist hermetisch gegen die Außenseite abgedichtet und steht in Verbindung mit der Kammer 1 lediglich über die Elektrolytzellen 9 und 10; sie ver­ fügt auch über ein Rohr 11 am Boden, komplett mit Ventil 14 zum Entleeren des Fluids aus der Kammer und über allgemein mit 12 und 13 bezeichnete Einrichtungen, die im oberen Teil der Kammer 2 für die kontinuierliche Evakuierung von Gas, das in der Kammer sich gesammelt haben mag, angeordnet sind.

Die Trennwand 3, die die Kammer 1 von der Kammer 2 trennt, ist so ausgebildet, daß sie eine größere Fläche in der Kammer 2 zum Sammeln solchen Gases, das sich möglicherweise hier ansammeln kann, bildet. Diese Trennwand 3 trägt Elektrolytzellen 9 und 10. Der untere Teil der Elektrolytzelle, durch welchen das Band von unten nach oben geht, verfügt über Einrichtungen, die den Elektrolyt aus der oberen Kammer 1 in die untere Kammer 2 durch die Zelle 10 selbst saugen. Diese Ein­ richtungen bestehen vorzugsweise aus einer Ejektor­ einheit 15, deren primäres Mitreißefluid der Elektrolyt selbst ist, der mittels einer Pumpe 16 aus dem mit der unteren Kammer 2 in Verbindung stehende Rohr 11 gepumpt wird, während das mitgerissene Sekundärfluid der Elektro­ lyt selbst ist, der in der Zelle 10 enthalten ist und kontinuierlich aus der oberen Kammer 1 abgezogen wird.

Im Betrieb nimmt die Pumpe 16 eine bestimmte Elektro­ lytströmung aus der Kammer 2 auf und führt sie über den Ejektor 15 zurück, so daß eine abgeglichene Zirku­ lation dieses Fluids in der Kammer stattfindet. Der durch den Ejektor als Primärfluid gepumpte Elektrolyt jedoch saugt aus der Kammer 1 durch die Zelle 10 an­ deren Elektrolyt an. Auf diese Weise stellt sich ein positiver Elektrolytausgleich bei Eintritt in die untere Kammer 2 ein.

Wegen des Aufbaus der unteren Kammer jedoch kann sich der aus der oberen Kammer abgesaugte Elektrolyt nicht ansammeln, kann nur von der unteren Kammer in die obere über die Elektrolytzelle 9 bei einem Strömungsdurch­ satz aufsteigen, der gewiß der gleiche wie in der Zelle 10 ist, vorausgesetzt, daß die Innenabmessungen der beiden Zellen die gleichen sind, was leicht erreichbar ist.

Die oben genannten Ziele der Erfindung lassen sich auf diese Weise vollständig und zufriedenstellend erreichen: die Anlage ist wirtschaftlicher und verläßlicher, weil nur noch eine Pumpeinheit für jedes Paar von Zellen notwendig ist; die Verwendung von Ejektoren sichert notwendigerweise eine hohe Elektrolytgeschwindigkeit und Strömung in den Zellen unter sehr turbulenten Bedingungen; die Unterdrucksetzung der unteren unver­ formbaren Kammer 2, die dauernd voll Flüssigkeit ist, wobei der Elektrolyt durch eine der beiden Zellen ein­ gesaugt wird: hierdurch wird sichergestellt, daß die gleiche Elektrolytströmung gegen die obere Kammer durch die andere der beiden Zellen aufsteigt, so daß identische fluiddynamische Bedingungen in den beiden Zellen garantiert werden.

Aus Gründen der Einfachheit und Kürze werden hier alle Einzelheiten fortgelassen, wie beispielsweise der Aufbau der Elektrolytzellen und Elektroden, der Strom­ kreise, der äußeren Kreise zum Einstellen des pH-Werts des Elektrolyten sowie der Konzentration, die keine unmittelbare Auswirkung auf die Erfindung haben und die an sich ausreichend bekannt sind, so daß eine spezielle Diskussion nicht erforderlich wird.

Wichtig ist jedoch, daß die vertikalen Zellen nach der Erfindung weitere Vorteile zusätzlich zu den bereits angegebenen, insbesondere hinsichtlich der großen vielfältigen Verwendungsmöglichkeit der verti­ kalen Zellen dieses Typs zeitigen. Da nämlich der obere Teil der Zellen völlig frei ist, können unlös­ liche oder lösliche Anoden eingesetzt werden; die Breite kann ohne weiteres verändert werden, während Masken zum Abschirmen des Randes des Streifens positio­ niert und verschoben werden können, was eine Anpassung an einen breiten Bereich von Abscheidungsprozessen auf beiden Seiten des Bandes oder nur auf einer Seite er­ möglicht, ohne daß im geringsten die Zellstruktur ver­ ändert würde sowie bei geringem Zeitverlust.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen galvanischen Abscheidung von Metallen bei hoher Stromdichte auf andere metallische in Bewegung befindliche Körper, insbesondere Stahlbänder, bestehend aus wenigstens einer Behandlungseinheit mit einer oberen (1) und einer unteren (2) Elektrolyt enthaltenden Kammer, die miteinander über zwei vertikale Elektroplattier­ zellen (9; 10) verbunden sind, wobei der zu plattierende metallische Körper (6) aus dieser oberen Kammer (1) nach unten durch die erste dieser Zellen (9) zu der unteren Kammer (2) führbar ist, wo die Umlenkung und Rückführung nach oben durch die zweite dieser Zellen (10) zur oberen Kammer (1) erfolgt, während der Elektrolyt gezwungen wird, in der entgegengesetzten Richtung in jeder der beiden Zellen zu strömen, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Pumpein­ richtung (16) für jede Behandlungseinheit Verwendung fin­ det, wobei diese an einem Ende nur einer (10) der beiden Zellen angeordnet ist, derart, daß kontinuierlich der Elektrolyt durch jede der beiden vertikalen Zellen (9; 10) in dieser entgegengesetzten Richtung führbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung (16) am unteren Ende der Zelle (10) angeordnet ist, durch welche der zu plattierende metalli­ sche Körper (6) von unten nach oben geht, wobei die Lieferseite der Pumpe (16) in die untere Kammer (2) ge­ richtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung (16) aus einem Ejektor (15) besteht, der am unteren Ende einer Zelle (10) angeordnet ist und veranlaßt, daß der Elektrolyt durch diese Zelle aus dieser oberen Kammer (1) saugbar ist.