DE68917672T2

DE68917672T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Elektroplattierung einer Seite eines durchlaufenden Metallbandes.

Info

Publication number: DE68917672T2
Application number: DE68917672T
Authority: DE
Inventors: Bala Kumaran Dr Paramanathan
Original assignee: Hoogovens Groep BV
Current assignee: Tata Steel Ijmuiden BV
Priority date: 1988-09-23
Filing date: 1989-09-06
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: US4990223A; NL8802353A; DE68917672D1; JPH0694600B2; AU4161889A; CA1336697C; JPH02115393A; EP0364013B1; EP0364013A1; ES2057093T3; AU626905B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Elektroplattierung einer Seite eines durchlaufenden Metallbandes, bei dem das Band als Kathode mit einer sich drehenden Rolle in Kontakt gebracht ist und eine unlösliche Anode über einen Teil des Umfangs der Rolle konzentrisch mit der Rolle mit einem Abstand von dem Band angeordnet ist, so daß ein Spalt gebildet wird, in dem die Elektroplattierung stattfindet, wobei das Elektrolyt mit einer ausreichend großen Durchschnittsgeschwindigkeit durch den Spalt fließt, so daß sich eine turbulente Strömung ergibt, und wobei das Elektrolyt von einer Düse als Fluidstrahl mit einer Tangentialkomponente entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des Bandes, an dem Ende des Spaltes, an dem das Band austritt, in den Spalt gefördert wird, und auf eine Vorrichtung zum Elektroplattieren einer Seite eines durchlaufenden Metallbandes, die eine drehbare Rolle, um die das Band im Gebrauch läuft, eine unlösliche Anode, die mit besagter Rolle konzentrisch ist und einen Umfangsspalt zwischen dem Band und der Anode vorsieht, Mittel, die eine Einlaßdüse beinhalten, um besagtem Spalt Elektrolyt zuzuführen, um eine von dem Bandausgangsende desselben aus im allgemeinen in Umfangsrichtung verlaufende Strömung entlang des Spaltes mit einer derartigen Durchschnittsgeschwindigkeit zu bewirken, daß sich eine turbulente Strömung ergibt, und Mittel zur Zufuhr elektrischem Strom zu besagtem Band als Kathode und zu besagter Anode aufweist, um das Elektroplattieren zu bewirken.
Die EP-A-125 707 beschreibt ein Elektroplattierungsverfahren, bei dem das durchlaufende Metallband als Kathode mit einer elektrisch leitenden äußeren Oberfläche einer sich drehenden Kathodenrolle in Kontakt steht, und bei dem eine unlösliche Anode konzentrisch mit der Rolle über einen Teil des Umfangs der Rolle mit einem Abstand von dem Metallband angeordnet ist. Somit wird ein Spalt über dem Umfangsteil gebildet, in den Elektrolyt zugeführt wird, und in dem die Plattierungg stattfindet, wobei das Elektrolyt im allgemeinen mit einer derartigen Durchschnittsgeschwindigkeit durch den Spalt fließt, daß sich eine turbulente Strömung ergibt. Das Elektrolyt wird als Fluidstrahl an einem Ende des Spaltes mit einer Tangentialkomponente bezüglich des Weges des Bandes in den Spalt eingespeist. Dieses Verfahren zur Elektroplattierung eines Bandes hat eine Reihe von Vorteilen verglichen mit anderen bekannten Verfahren.
Die EP-A-282 980 offenbart eine ähnliche Vorrichtung, bei der das Elektrolyt am Bandausgangsende des Spaltes zugeführt wird.
Dort wo der Strom dem Band über die Rolle zugeführt wird, braucht er nicht mit Widerstandsverlusten entlang des Bandes geleitet werden, wie es bei flachen, vertikalen oder horizontalen Zellen der Fall ist, sondern er kann vielmehr direkt von der Kathodenrolle auf das Band übertragen werden; dieser Vorteil ist von besonderer Wichtigkeit für dünne Bänder wie z.B. beim Plattieren von Weißblech mit einer Stärke von 0,17 mm. Ein zweiter Vorteil ist es, daß (im Gegensatz zu flachen, vertikalen oder horizontalen Zellen, bei denen das Band zwischen zwei Anoden geführt wird, die mit einem Abstand von dem Band entfernt angeordnet sind) der Weg des Bandes fixiert ist, weil das Band um die Kathodenrolle herum geführt ist. Dies bedeutet, daß der Spalt zwischen dem Band und der Anode während dem Plattieren weniger variiert, insbesondere wenn die Anode eine unlösliche Anode ist, wobei dadurch eine gleichförmigere Dicke der Plattierungsschicht erreicht wird.
Ungeachtet der obengenannten Vorteile ist bei den durch den Anmelder durchgeführten Experimenten mit dem Verfahren der EP-A-125 707 herausgefunden worden, daß es eine Reihe von Nachteilen hat. Vor allen Dingen ist die Gleichförmigkeit der Stärke der Plattierungsschicht über die Breite des Bandes nicht zufriedenstellend. Zweitens kann unter bestimmten Bedingungen die Leistungsfähigkeit des bekannten Verfahrens sehr niedrig sein, insbesondere bei etwas höheren Bandgeschwindigkeiten. Diese Nachteile werden unten weiter beschrieben werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, bei denen eine bessere Einheitlichkeit der Dicke der Plattierungsschicht erhalten werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das unter jeglichen Bedingungen eine hohe Leistungsfähigkeit hat.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist die relative Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektrolytes verglichen mit dem Band in dem Spalt mindestens 5 m/sec und das Elektrolyt wird dem Spalt mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die nirgends mehr als 1∅% von der besagten Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektrolytes von einer Düse abweicht, die eine Gestalt hat, die im wesentlichen über die gesamte Breite des Streifens gleichförmig ist, die eine spaltförmige Auslaßmündung hat, die über die gesamte Breite des Bandes ununterbrochen offen ist und die über die gesamte Breite des Bandes eine einheitliche Breite hat, und die mit einem Versorgungsgefäß verbunden ist, das sich über die Breite des Bandes erstreckt, wobei das Gefäß bezüglich des Volumens der Düse ein großes Volumen hat und mittels einer Vielzahl von Durchlässen, die über die Breite des Bandes verteilt sind, mit Elektrolyt versorgt wird. Das Elektrolyt wird an dem Ende des Spaltes zugeführt, bei dem das Band austritt, mit einer tangentialen Komponente, die der Bewegungsrichtung des Bandes entgegengesetzt ist. Diese Anordnung optimiert die Elektrolytfließbedingungen in dem Spalt zwischen dem Streifen und der Anode, wodurch über die Breite des Bandes eine sehr einheitliche Stärke der Plattierungsschicht und eine hohe Leistungsfähigkeit des Plattierungsprozesses erhalten wird. Zudem kann die Pumpenergie, die für die Zuführung des Elektrolytes in den Spalt benötigt wird, gering sein.
Die durchschnittliche Relativgeschwindigkeit des Elektrolytes in dem Spalt ist vorzugsweise wenigstens 5 m/sec und noch besser 7 m/sec. Der Vorteil dabei ist, daß beim Plattieren hohe Stromdichten verwendet werden können, so daß die für das Plattieren verwendete Vorrichtung kompakt sein kann.
Die Düse hat vorzugsweise eine spaltförmige Auslaßmündung, die im wesentlichen über die Breite des Bandes ununterbrochen geöffnet ist und über die Breite des Bandes eine einheitliche Breite hat. Die Düse kann eine Förderdüse sein.
Geeigneterweise wird die Düse von einem Gefäß versorgt, das sich über die Breite des Bandes erstreckt, wobei das Gefäß bezüglich des Volumens der Düse ein großes Volumen hat und mittels einer Vielzahl von über die Breite des Bandes verteilten Durchlässen mit Elektrolyt versorgt wird. In diesem Fall wird bevorzugt, daß die Auslaßrichtung der Durchlässe nicht mit der Düse fluchtet und daß ein Kernkörper in dem Gefäß angebracht sein sollte. Weiterhin bildet die Düse mit der Tangentialrichtung des Spalts einen spitzen Winkel α, wobei der Winkel vorzugsweise kleiner als 45º ist und noch besser ungefähr 30º ist.
Die Zufuhr des Versorgungsgefäßes für die Düse durch eine Anzahl von Durchlässen ergibt reduzierte aber noch erhebliche Geschwindigkeitsschwankungen in dem Gefäß. Durch das Ausrichten der Versorgungsströme von den Durchlässen zu einer geschlossenen Seite des Gefäßes hin werden diese Schwankungen gedämpft. Zum Beispiel werden die Zuführdurchlässe rechtwinklig zu der Auslaßöffnung des Gefäßes angeordnet. Die Geschwindigkeitsveränderungen werden ebenso durch teilweises Ausfüllen des Gefäßes mit einem Kernkörper reduziert. In dem Gefäß sind die Strömungsgeschwindigkeiten wegen des vergleichsweise großen Volumens des Gefäßes relativ niedrig. Dies bedeutet, daß die Geschwindigkeitsveränderungen proportional kleiner werden. Ebenso sind die nicht-radialen Geschwindigkeitskomponenten in dem Gefäß kleiner, was bedeutet, daß sich eine gleichförmige Längenverteilung über die Auslaßöffnung ergibt. Das Elektrolyt wird ebenso durch die Düse mit einem kleinen Winkel in den Spalt eingespritzt. Der kleine Winkel und die Verengung der Düse nahe der Stelle, wo das Elektrolyt austritt, erzeugen einen kleinen Unterdruck in der Ausgangsöffnung des Bandes, was folglich das Auslaufen des Elektrolytes durch diese Ausgangsöffnung reduziert. Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung und für ein 850 mm breites Band kann eine einheitliche Geschwindigkeit erreicht werden, die nicht mehr als + 6% und - 7% von der Durchschnitsgeschwindigkeit abweicht.
In einem weiteren Gesichtspunkt wird die Erfindung durch eine Vorrichtung verkörpert, bei dem besagte Düse über die Breite des Bandes eine im wesentlichen gleichförmige Gestalt hat, eine spaltförmige Auslaßmündung hat, die über die gesamte Breite des Bandes ununterbrochen geöffnet ist und über die gesamte Breite des Bandes eine einheitliche Breite hat, und ist mit einem Versorgungsgefäß verbunden, das sich über die Breite des Bandes erstreckt, wobei das Gefäß bezüglich des Volumens der Düse ein großes Volumen und eine Vielzahl von über die Breite des Bandes verteilten Durchlässen zur Versorgung mit Elektrolyt hat, so daß das Elektrolyt dem Spalt mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, die nirgends mehr als 10% von der Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektrolytes in dem Spalt abweicht.
Die Erfindung wird nun unten mit einem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden, in denen;
Figur 1 zeigt schematisch eine die Erfindung verkörpernde Radialdüsenzelle zum Gebrauch in dem Verfahren gemäß der Erfindung,
Figur 2 ist ein Querschnitt des Spaltes der Zelle aus Figur 1,
Figur 3 ist eine Ansicht gemäß dem Pfeil III aus Figur 2,
Figur 4 ist ein Diagramm mit experimentellen Ergebnissen, die sich auf das Plattierungsgewicht beziehen, und
Figur 5 ist ein Diagramm, das eine Wirkungslinie des Verfahrens gemäß der Erfindung bei optimaler Prozeßeffizienz zeigt.
In der schematischen Zeichnung der Radialdüsenzelle von Figur 1 wird ein Metallband 1 gezeigt, das mit einem elektrisch leitenden Teil 2 der äußeren Oberfläche einer sich drehenden Kathodenrolle 3 in Kontakt gebracht ist, wenn es in der durch Pfeile an gegebenen Richtung durch einen Spalt 5 geleitet wird, der durch die unlösliche Anode 4 gebildet wird, die konzentrisch mit der Rolle 3 ist. Die Kathodenrolle 3 ist mit dem negativen Pol und die Anode ist mit dem positiven Pol einer gleichgerichteten Spannung verbunden. Das Elektrolyt wird dem Spalt 5 mit einem spitzen Winkel α (siehe Figur 2) von einem Gefäß 8, das sich über die gesamte Breite des Bandes 1 erstreckt, und das mit einem zentralen Kernkörper 7 versehen ist, durch eine spaltförmige zusammen laufende Düse 9 als Flüssigkeitsstrahl an dem Bandausgangsende des Spaltes einheitlich derart über die Breite des Bandes verteilt zugeführt, daß eine Tangentialkomponente entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des Bandes erhalten wird. Eine Durchschnittsgeschwindigkeit in dem Spalt wird derart bewirkt, das sich eine turbulente Strömung ergibt. Das Elektrolyt wird dem Gefäß 8 durch vier Zuführrohre 6 zugeführt, die mit einem Abstand voneinander getrennt über die Breite des Bandes und aus der Flucht mit der Düse 9 angeordnet sind. Die Düse 9 hat eine Auslaßmündung mit einheitlicher Breite, die über die Breite des Bandes 1 ununterbrochen geöffnet ist. Nachdem das Elektrolyt durch den Spalt 5 passiert ist, wird es durch einen Kanal 10 ausgestoßen, und dann wird die Metallionen-Konzentration in dem Elektrolyt auf das gewünschte Niveau zurückgebracht (dies wird in der Zeichnung nicht gezeigt) und schließlich wird das Elektrolyt wieder durch die Zuführrohre 6 gepumpt.
Figur 2 zeigt, daß die Rohre 6 nicht mit der Düse 9 fluchten, sondern rechtwinklig zu ihr stehen. Gleichzeitig zeigt Figur 2, daß sich die Düse 9 mit einem spitzen Winkel α an den Spalt 5 anschließt; der gezeigte Winkel α ist 30º. Weiterhin zeigt Figur 2, daß das Volumen des Gefäßes B verglichen mit dem Volumen der Düse 9 groß ist. Figur 2 zeigt ebenso, daß die Düse 9 leckfrei mit der Anode 4 an dem Ausgangsende des Spaltes 5 verbunden ist. Schließlich zeigt Figur 2 die Ausgangsöffnung 11 des Bandes an der Düse. In dieser wird wegen des kleinen Winkels α durch die Düse ein kleiner Unterdruck erzeugt, der folglich das Austreten des Elektrolytes durch die Ausgangsöffnung begrenzt.
Figur 4 zeigt einige experimentelle Ergebnisse, die sich auf das Plattierungsgewicht beim Verzinnen beziehen. Das Diagramm zeigt vertikal das aufgenommene Plattierungsgewicht Wm und horizontal das theoretische Plattierungsgewicht Wt. Die Ergebnisse beziehen sich auf Versuche, in denen die Strömungsrichtung des Elektrolyts in dem Spalt die gleiche war, wie die Bewegungsrichtung des Bandes, d.h. wie bei dem Verfahren gemäß der EP-A-125 707, und bei denen verschiedene Kombinationen von Band und Elektrolytgeschwindigkeiten verwendet wurden. Es wurde herausgefunden, daß bei vielen Kombinationen das aufgenommene Plattierungsgewicht, d.h. die Effizienz des Plattierungsverfahrens, groß ist. Jedoch ist bei bestimmten Kombinationen (in dem schraffierten Gebiet) das aufgenommene Plattierungsgewicht viel niedriger als das theoretische Plattierungsgewicht; dort ist die Effizienz des Plattierungsgewichtes 50% und weniger. Es wurde herausgefunden, daß sich die niedrige Effizienz mit Kombinationen ergibt, bei denen die Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektrolyts V&sub1; ungefähr so groß ist wie die Bandgeschwindigkeit Vb, d.h. wo V&sub1; /Vb ungefähr 1 ist, oder in anderen Worten innerhalb des in der EP-A-125 707 angegebenen Bereichs.
Aus diesen experimentellen Ergebnissen wurde herausgefunden, daß die Relativgeschwindigkeit des Elektrolyts verglichen mit dem Band ein wichtiger Parameter bei dem Plattierungsverfahren ist, und ein Parameter ist, der nicht zu klein sein sollte. In der vorliegenden Erfindung wird durch die Wahl der Flußrichtung des Elektrolytes eine niedrige Relativgeschwindigkeit des Elektrolytes vermieden.
Figur 5 zeigt eine Korrelation von experimentellen Ergebnissen, die das Verfahren gemäß der Erfindung beim Verzinnen betreffen, mit einer Plattierungsverfahrenseffizienz von 95% und darüber unter gleichen Konzentrationsbedingungen und Temperaturen des Elektrolytes. Es wurde herausgefunden, daß es eine einzige liniare Beziehung zwischen der angewandten elektrischen Stromdichte i (vertikale Achse in dem Diagramm von Figur 5) und der Relativgeschwindigkeit Vr des Elektrolytes verglichen mit dem Band (horizontale Achse) gibt.
Die in das Diagramm eingezeichnete Linie ist eine Wirkungslinie und beim Verzinnen eines Stahlbandes mit unterschiedlichen Plattierungsgewichten gemäß der Erfindung mit einer Effizienz von 95% und darüber. Die Anwendung einer durchschnittlichen Relativgeschwindigkeit des Elektrolytes in dem Spalt von mindestens 5 m/sec und besser mindestens 7 m/sec wird bevorzugt. Die Verwendung einer derartig hohen Relativgeschwindigkeit des Elektrolytes bedeutet, daß die Einrichtung kompakt sein kann.
In den oben beschriebenen Experimenten wurden 850 mm breite Stahlbänder unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit dünnen Plattierungsgewichten von zwischen 0,5 und 2,8 g/m² verzinnt. In den meisten Fällen wurde herausgefunden, daß das Zinnplattierungsgewicht nicht mehr als von ± 0,04 bis ± 0,02 g/m² streute. Wenn die Messungen bei dem Verfahren gemäß der Erfindung übernommen werden, wird ein plattiertes Produkt mit einer Plattierungsschicht erhalten, die sehr einheitlich ist und die eine gute Morphologie hat.

Claims

1. Verfahren zur Elektroplattierung einer Seite eines durchlaufenden Metallbandes (1), bei dem das Band als Kathode mit einer sich drehenden Rolle (3) in Verbindung steht und eine unlösliche Anode (4) konzentrisch mit der Rolle (3) über einem Teil des Umfangs der Rolle mit einem Abstand von dem Band (1) angeordnet ist, so daß ein Spalt (5) gebildet wird, in dem das Elektroplattieren stattfindet, wobei das Elektrolyt mit einer ausreichenden Durchschnittsgeschwindigkeit durch den Spalt (5) strömt, so daß sich eine turbulente Strömung ergibt, und wobei das Elektrolyt von einer Düse (9) als Fluidstrahl mit einer Tangentialkomponente entgegensetzt zu der Bewegungsrichtung des Bandes (1) an dem Ende des Spaltes (5), bei dem das Band (1) austritt, in den Spalt (5) gefördert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Relativgeschwindigkeit des Elektrolytes verglichen mit dem Band (1) in dem Spalt (5) mindestens 5 m/sec ist, und dadurch, daß das Elektrolyt mit einer Geschwindigkeit in den Spalt gefördert wird, die nirgends mehr als 1∅% von der besagten Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektrolytes von einer Düse (9) abweicht, die eine Gestalt hat, die über die gesamte Breite des Bandes im wesentlichen einheitlich ist, die eine spaltförmige Auslaßmündung hat, die über die gesamte Breite des Bandes ununterbrochen geöffnet ist und über die gesamte Breite des Bandes (1) eine einheitliche Breite hat, und die mit einem Zuführgefäß (8) verbunden ist, das sich über die Breite des Bandes (1) erstreckt, wobei das Gefäß (8) bezüglich des Volumens der Düse (9) ein großes Volumen hat und mittels einer Vielzahl von Durchlässen (6), die über die Breite des Bandes verteilt sind, mit Elektrolyt versorgt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die durchschnittliche Relativgeschwindigkeit des Elektrolytes verglichen mit dem Band (1) in dem Spalt (5) mindestens 7 m/sec ist.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem sich besagte Düse (9) mit einem spitzen Winkel a an den Spalt (5) anschließt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Auslaßrichtung der besagten Durchlässe (6) nicht mit der Düse (9) fluchtet.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem ein Kernkörper (7) in dem Gefäß (8) angeordnet ist.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem besagter spitzer Winkel a kleiner als 45º ist.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6, bei dem besagter spitzer Winkel α ungefähr 3∅º ist.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Düse (9) an dem Bandausgangsende des Spaltes (5) auf im wesentlichen leckfreie Weise mit der Anode (4) verbunden ist.

9. Vorrichtung zur Elektroplattierung einer Seite eines durchlaufenden Metallbandes (1), die eine drehbare Rolle (3), um die das Band im Gebrauch verläuft, eine unlösliche Anode (4), die konzentrisch mit besagter Rolle ist und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Spalt (5) zwischen dem Band und der Anode vorsieht, Mittel, die eine Einlaßdüse (9) beinhalten, um besagtem Spalt (5) Elektrolyt zuzuführen, um eine von dem Ausgangsende desselben aus im allgemeinen in Umfangsrichtung verlaufende Strömung entlang des Spaltes mit einer derartigen Durchschnittsgeschwindigkeit zu bewirken, daß sich eine turbulente Strömung ergibt, und Mittel aufweist, um besagtem Band (1) als Kathode und besagter Anorde (4) elektrischen Strom zuzuführen, um Elektroplattieren zu bewirken,

dadurch gekennzeichnet, daß besagte Düse (9) über die Breite des Bandes eine im wesentlichen einheitliche Gestalt hat, eine spaltförmige Auslaßmündung hat, die über die gesamte Breite des Bandes ununterbrochen geöffnet ist und über die gesamte Breite des Bandes (1) eine gleichförmige Breite hat, und die mit einem Zuführgefäß (8) verbunden ist, das sich über die Breite des Bandes (1) erstreckt, wobei das Gefäß (8) verglichen mit dem Volumen der Düse (9) ein hohes Volumen und eine Vielzahl von Durchlässen (6) über die Breite des Bandes (1) verteilt hat, um Elektrolyt zuzuführen, so daß das Elektrolyt mit einer Geschwindigkeit in den Spalt eingespeist wird, die nirgends mehr als 1∅% von der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Elektrolytes in dem Spalt abweicht.