EP0254703B1

EP0254703B1 - Procédé et installation d'électrozingage d'une bande d'acier

Info

Publication number: EP0254703B1
Application number: EP87870098A
Authority: EP
Inventors: Joseph Labye
Original assignee: Delloye-Matthieu Toleries SA
Current assignee: Delloye-Matthieu Toleries SA
Priority date: 1986-07-17
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1991-09-18
Anticipated expiration: 2007-07-13
Also published as: LU86520A1; ES2026947T3; EP0254703A1; ATE67529T1; DE3773075D1; GR3003356T3

Description

L'invention concerne un procédé d'électrozingage d'une bande d'acier (2) dans lequel on fait défiler une bande d'acier (2) jouant le rôle de cathode en face d'au moins une série d'anodes, tandis qu'on fait circuler entre la cathode et les anodes un flot d'électrolyte chargé de zinc.
L'industrie, notamment l'industrie automobile, fait usage de quantités de plus en plus grandes de tôles d'acier électrozinguées.
Les qualités des tôles électrozinguées dépendent de la morphologie du revêtement de zinc, laquelle dépend elle-même de la composition du fluide électrolytique, des conditions dynamiques du fluide électrolytique, de la densité du courant appliqué et du type de cellule électrolytique utilisé.
C'est de cette morphologie que dépendent principalement les qualités de résistance à la corrosion de ces tôles. Il est particulièrement intéressant de réaliser des structures cristallines mono-orientées compactes du dépôt de zinc.
Il est connu de procéder à l'électrozingage d'une bande d'acier au moyen d'un appareillage comprenant essentiellement un tambour rotatif de matière isolante autour duquel est entraînée la bande d'acier à électrozinguer, une série d'anodes disposées périphériquement autour d'une partie du tambour et un flot d'électrolyte (contenant le zinc, sous forme de sel) créé entre ces anodes et la bande d'acier jouant le rôle de cathode. Dans ce dispositif connu, les anodes sont disposées côte à côte et montées en parallèle.
On a constaté que ce dispositif ne permet pas d'obtenir un dépôt de zinc à structure cristalline monoorientée compacte. Ceci provient du fait que non seulement le flot d'électrolyte n'est pas unidirectionnel, mais aussi du fait que la répartition du courant électrique entre anodes et cathode n'est pas uniforme. Les causes de cette non-uniformité sont les suivantes :

hétérogénéité des anodes;
résistance électrique de la bande d'acier;
teneur variable en oxygène du liquide électrolytique, et
variations dans la position des anodes.

Les anodes sont constituées d'un corps coulé en alliage plomb-argent avec une âme de cuivre. La liaison entre le cuivre et l'alliage n'est pas toujours parfaite, de sorte que la résistance au passage du courant peut différer d'une anode à l'autre.
La résistance de la bande d'acier varie tout au long de celle-ci, de sorte que le courant passant par l'anode placée le plus bas rencontre une résistance plus grande que ce lui qui, passe par l'anode placée le plus haut.
De l'oxygène se dégage en grandes quantités sur les anodes. La concentration en oxygène dans l'électrolyte augmente de l'anode placée le plus bas à l'anode placée le plus haut et il y a donc des conditions différentes de passage du courant d'une anode à l'autre.
La position des anodes est évidemment variable de l'une à l'autre.
Quel que soit le débit du flot d'électrolyte et la manière dont celui-ci est produit entre la tôle d'acier constituant la cathode et la série d'anodes, il y aura donc inévitablement une variation des conditions de dépôt du zinc sur la bande, d'une anode à l'autre.
On connaît par le brevet US 3.900.383 un tambour d'électrozingage muni de plusieurs segments conducteurs isolés l'un de l'autre. Ces segments sont disposés de manière à être en contact électrique avec une bande métallique immergée dans un bain électrolytique. Un commutateur relie les segments l'un après l'autre à une source de courant électrique, de sorte que seuls les segments du tambour qui sont entièrement en contact avec la bande sont alimentés en courant. Ce tambour permet d'éviter la formation d'arcs électriques entre la bande et le tambour.
Ce commutateur peut également être constitué de cathodes indépendantes reliées à des anodes par des sources électriques, de manière à permettre le passage de courants électriques différents entre cathodes et anodes.
Ainsi le courant d'électrozingage peut être, par exemple, progressivement augmenté.
Le dispositif représenté à la figure 4 de ce document US-A-3900383 comprend un commutateur constitué de cathodes reliées à des anodes par des sources électriques réglables. Les anodes sont montées dans un circuit électrique débitant dans chacune d'elle un courant électrique, ce circuit comprenant un redresseur de courant et un dispositif de réglage de la tension.
Le document US-A-4,500,400 décrit un dispositif à contre courant pour un appareil d'électrodéposition. Il enseigne qu'il est préférable d'utiliser une haute densité de courant de manière à obtenir une grande vitesse de dépôt et que si une trop grande densité de courant est utilisée des problèmes apparaissent aux bords de la bande métallique.
Le procédé d'électrozingage d'une bande d'acier dans lequel on fait défiler une bande d'acier jouant le rôle de cathode en face d'au moins une série d'anodes, tandis qu'on fait circuler entre la cathode et les anodes un flot d'électrolyte chargé de zinc se caractérise en ce qu'on oblige le flot d'électrolyte de s'écouler entre une série d'anodes et la bande dans un sens et à une vitesse relative par rapport à la bande qui sont partout les mêmes, en ce qu'on alimente chaque anode de ladite série indépendamment des autres anodes en courant électrique et en ce qu'on règle la tension de chaque anode pour faire passer une quantité de courant électrique déterminé à travers chaque anode pour obtenir à partir de chacune de ces anodes une même densité de courant d'électrolyse en tous points de manière à obtenir sur la bande d'acier (2) un dépôt de zinc à structure cristalline mono-orientée compacte.
L'installation suivant l'invention pour revêtir en continu dans une cellule une bande d'acier d'un dépôt de zinc à structure mono-orientée compacte comprend un tambour autour duquel passe, en l'entraînant, la bande servant de cathode et une série d'anodes placées l'une à côté des autres en face de la cathode et séparées de celle-ci par un flot continu d'électrolyte, lesdites anodes étant montées dans un circuit électrique débitant dans chacune d'elles un courant électrique, chaque circuit comprenant un redresseur de courant et un dispositif de réglage de la tension.
Cette installation est caractérisée en ce que le tambour est réalisé en une matière isolante et en ce que la bande ferme le circuit électrique de façon que la résistance au passage du courant que présente cette bande varie de façon continue d'une anode à une anode adjacente, l'ensemble individuel permettant d'obtenir que le courant débité dans chaque branche corresponde à une même densité de courant dans chacune des branches comprenant respectivement une anode et une portion correspondante de la bande d'acier qui se déplace devant elle et en ce qu' une pompe à vitesse variable destiné à amener l'électrolyte par un conduit et rampe ou ajutage convergent dans la cellule et/ou un moteur à vitesse variable destiné à entraîner en rotation un tambour sur lequel vient s'enrouler la bande permettent de régler la vitesse relative du fluide par rapport à la bande de manière à obtenir un dépôt de zinc à structure cristalline mono-orientée compacte.
Dans une forme de réalisation particulière de l'installation, les anodes sont réparties autour de la circonférence du tambour et entourées par une enveloppe extérieure en sorte de constituer autour du tambour deux canaux symétriques par rapport à un plan vertical passant par l'axe du tambour, ces canaux étant traversés par un électrolyte contenant du zinc, l'alimentation en électrolyte se faisant par une extrémité supérieure de l'un des canaux, et l'évacuation de l'électrolyte usé, par l'extrémité de l'autre.
Une forme de réalisation préférée de l'installation suivant l'invention est une installation dans laquelle en dessous du tambour se trouve, entre les deux extrémités inférieures des deux canaux symétriques, un rotor à aubes entraîné par un moteur.
Les dessins joints au présent mémoire font mieux comprendre l'invention.
On y voit en

figure 1, représentés schématiquement, les traits essentiels d'une installation connue;
figure 2, une vue schématique d'une installation suivant l'invention;
figure 3, une vue analogue à celle de la figure 2, modifiée suivant un développement de l'invention, dans une forme de réalisation préférée;
figure 4, le détail d'un rotor à aubes et de rampes qui lui sont associées, et
figures 5 et 6, en perspective, des formes de rampes.

A la figure 1, on voit en coupe transversale un tambour 1 en matière isolante, tournant librement autour de son axe horizontal. Autour du tambour 1 se trouve la bande d'acier 2 débitée par un rouleau 3 et renvoyée sur un rouleau 4 dans une disposition qui permet de tenir la bande 2 tendue autour du tambour 1. En face du tambour 1, à sa partie inférieure, se trouvent, disposés de part et d'autre et répartis périphériquement de la même façon, deux groupes d'anodes accolées 5 et 6. Ces anodes sont alimentées respectivement par des circuits 7 et 8 de courant continu, dont les sources sont indiquées par 9 et 10. La bande 2 ferme le circuit du redresseur 9 par son brain 2' et l'ensemble de rouleaux 11, et le circuit du redresseur 10 par son brain 2" et l'ensemble de rouleaux 12. La partie inférieure du tambour 1 est entourée d'une enveloppe 13 formant autour du tambour 1 une paire de canaux 14 et 15 réunis à leur partie inférieure. Au point de rencontre des deux canaux 14 et 15 débouche un tuyau 16 d'alimentation du système en électrolyte. L'électrolyte s'écoule suivant les flèches F₁, F₂.
Comme les électrodes de l'ensemble d'entrée 5 et de l'ensemble de sortie 6 sont alimentées en parallèle, on se trouve confronté avec les problèmes évoqués dans l'introduction de description. C'est dire qu'il est impossible d'obtenir partout la même densité de courant et, par conséquent, qu'il est exclu de réaliser sur la bande d'acier un dépôt de zinc à structure cristalline mono-orientée compacte.
Si, par exemple, chaque groupe d'anodes 5, 6, supposé comporter huit anodes, est alimenté par un courant de 10.000 ampères, on pourrait s'attendre à ce que, dans chacune des branches du circuit, aboutissant à une anode quelconque 5', 6', circule un courant de 1250 ampères. On trouve cependant que les courants circulant dans les différentes branches présentent, par rapport à la valeur moyenne de 1250 ampères, des écarts en pourcentage indiqués à la deuxième ligne du Tableau I suivant, la première ligne de ce tableau contenant l'énumération des diverses anodes d'entrée 1E, 2E, etc..., et des diverses anodes de sortie 1S, 2S, etc...
Il est évidemment impossible de faire varier le débit du fluide électrolytique au droit de chaque anode, pour réaliser ainsi une densité de courant partout la même. C'est donc sur le circuit électrique, suivant l'invention, que l'on doit agir pour obtenir une densité de courant uniforme.
Dans l'installation suivant l'invention, dont le principe est représenté sur la figure 2, on voit qu'au lieu de deux groupes d'anodes accolées 5 et 6, on prévoit dans les passages 14 et 15, une série d'anodes 5' et 6' séparées les unes des autres, chacune des anodes 5' et 6' étant montée dans une branche du circuit 17 contenant une source de courant indépendante 18, réglée individuellement pour obtenir dans chaque cellule d'électrolyse la même densité de courant, c'est-à-dire que dans chaque branche 17 du circuit circulera un courant d'une même intensité, de 1250 ampères par exemple. Les diverses anodes 5' et 6' sont séparées l'une de l'autre par une couche de matière isolante 27. La tension de chaque anode est réglée de manière à permettre le passage d'une quantité déterminée de courant électrique à travers chaque anode pour obtenir à partir de chacune d'elles une même densité de courant d'électrolyse en tous points.
Il est connu que lorsqu'on réalise des structures cristallines mono-orientées compactes, il existe entre la densité de courant i et le nombre de Reynolds R_e caractérisant l'écoulement du fluide par rapport à la bande d'acier 2, une relation ${i = f(R}_{e})$
et plus précisément une relation de proportionnalité

${i = KcR}_{e} ^{0,7}$

dans laquelle K est une constante dépendant de divers facteurs, notamment du type de morphologie à obtenir et de la forme géométrique des cellules, tandis que c désigne la concentration en zinc de l'électrolyte. Le nombre de Reynolds est égal à

où V_r est la vitesse relative du fluide par rapport à la bande 2; D est le diamètre hydraulique équivalent du conduit à travers lequel passe le fluide électrolytique et ν est la viscosité cinématique de ce fluide.
On a évidemment :

Q est le débit du fluide électrolytique et S est la section du conduit de passage du fluide. Cette section est égale au produit de la longueur du tambour 1 et de la distance entre une anode quelconque 5', 6' et la bande d'acier 2; le signe ± est à choisir suivant le sens d'écoulement du fluide par rapport au sens du défilement de la bande 2. Ce défilement a lieu à une vitesse indiquée par V_D.
On a donc en définitive une relation de la forme $i = f(Q)$
qui montre que, toutes choses étant égales par ailleurs, on pourra agir sur la grandeur du débit Q pour obtenir une structure cristalline mono-orientée compacte déterminée.
Pour que la condition ${i = Kc(R}_{e})^{-0,7}$
soit partout satisfaite, il est indispensable que le sens de l'écoulement du flot d'électrolyte autour de la bande servant de cathode soit partout le même, et que la vitesse relative de ce flot par rapport à la bande 2 soit aussi partout la même.
Dans une installation telle que celle de la figure 2 où il y a, de part et d'autre du tambour 1, chaque fois un canal pour l'électrolyte, il faut donc que l'un de ces canaux, 14, par exemple, soit alimenté en électrolyte à sa partie supérieure et que l'électrolyte usé s'échappe de l'autre canal 15 par son extrémité supérieure. Cependant, sauf dispositions spéciales, les conditions d'écoulement dans le second canal pourraient ne pas être égales à celles qui règnent dans le premier. Pour parer à cet inconvénient, on peut réaliser le système suivant la figure 3 où l'on voit qu'en dessous du tambour 1, entre les extrémités inférieures des canaux 14, 15, on a installé un rotor 19 à aubes 22. Ce rotor dont l'arbre 20 est entraîné en bout par un moteur 21 à vitesse variable (voir figure 4) comporte des aubes radiales symétriques 22, la distance entre les extrémités des aubes 22 et le pourtour du tambour 1 étant la même que la distance des anodes 5', 6' à ce tambour 1. La fonction de ce rotor 19 est d'apporter à l'électrolyte qui descend suivant l'un des canaux, par exemple 15, une énergie supplémentaire pour faire remonter l'électrolyte dans l'autre canal, soit ici 14, les aubes 22 étant conçues pour distribuer cette énergie supplémentaire de façon uniforme sur toute la largeur du canal et garantir une circulation homogène de l'électrolyte en aval du rotor 19, en créant ainsi des conditions d'écoulement symétriques (voir flèches F et F" à la figure 3) par rapport à un plan vertical passant par l'axe du tambour 1. Les extrémités inférieures des canaux 14, 15 sont limitées, du côté opposé à celui du tambour 1, par des surfaces déflectrices ou rampes 23,24 dont l'arête extrême, telle que 25 sur les figures 4 et 5, s'étend parallèlement à l'axe 20 du rotor 19 et sur la même longueur que celui-ci. Cette arête 25 peut être avantageusement ondulée (figure 6). La disposition de ces rampes 23, 24 est encore symétrique par rapport au plan vertical passant par l'axe 20 du rotor 19 et par l'axe du tambour 1, afin que le fonctionnement du dispositif soit le même, quel que soit le sens de rotation du tambour 1. Suivant le sens d'inclinaison de la surface limite 23', 24' des rampes 23, 24, on peut augmenter ou diminuer la vitesse d'écoulement du liquide en aval de celles-ci.
Bien qu'il soit possible de donner à l'électrolyte un sens d'écoulement identique au sens de rotation du tambour 1, des études expérimentales ont montré qu'il est avantageux, pour avoir un dépôt convenable, de donner à l'électrolyte un sens d'écoulement inverse (voir flèches F et F" à la figure 3) du sens de rotation du tambour 1 (flèche F'), condition qui est réalisée par exemple sur la figure 3. Il s'est avéré également que, contrairement à ce qui a été dit plus haut, il peut être avantageux d'injecter de l'électrolyte dans les canaux à l'aide d'une rampe ou d'ajutages convergents (26, figures 2 et 3), répartis sur la longueur du tambour 1, afin de donner au liquide une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement ou défilement de la bande 2 jouant le rôle de cathode.
Il est évident que la rampe ou les ajutages convergents 26 peuvent être montés du côté gauche du tambour 1 plutôt que du côté droit du tambour comme montré aux figures 2 et 3.
Enfin, l'expérience a montré aussi que l'on doit, dans certaines conditions qui sont fonctions de la largeur de la bande 2 et de sa vitesse de défilement, faire tourner le rotor 19 dans le sens contraire à celui de l'écoulement du liquide dans les canaux 14, 15.
Dans l'un et l'autre cas, le rotor 19 intervient pour répartir uniformément l'énergie supplémentaire positive ou négative qu'il faut communiquer à l'électrolyte pour garantir une vitesse relative uniformément répartie en aval du rotor 19, pour satisfaire, suivant la vitesse de défilement de la bande et la densité de courant, aux conditions d'un dépôt de zinc du type mono-orienté compact.
Le procédé suivant l'invention consiste donc :

à obtenir une même densité du courant d'électrolyse en tous points grâce à une alimentation indépendante de chaque anode 5', 6' en courant électrique, et au réglage de la tension de chaque anode et
à régler la vitesse relative du fluide par rapport à la bande 2 pour réaliser des structures cristallines mono-orientées compactes.

La vitesse relative du fluide par rapport à la bande 2 peut être modifiée:

en changeant le débit d'électrolyte dans les passages 14, 15, c'est-à-dire en changeant la vitesse de rotation de la pompe 28 (voir figures 2 et 3) amenant l'électrolyte par le conduit 29 et la rampe ou l'ajutage convergent 26 dans la cellule et/ou
en changeant la vitesse de défilement de la bande d'acier 2, c'est-à-dire en changeant la vitesse du moteur 30 entraînant en rotation un tambour 31 sur lequel vient s'enrouler la bande d'acier 2 (voir figure 3).

Claims

Procédé d'électrozingage d'une bande d'acier (2) dans lequel on fait défiler une bande d'acier (2) jouant le rôle de cathode en face d'au moins une série d'anodes (5,6,5',6'), tandis qu'on fait circuler entre la cathode et les anodes (5',6') un flot d'électrolyte chargé de zinc, caractérisé en ce qu'on oblige le flot d'électrolyte de s'écouler entre une série d'anodes et la bande dans un sens et à une vitesse relative par rapport à la bande qui sont partout les mêmes, en ce qu'on alimente chaque anode de ladite série (5',6'), indépendamment des autres anodes en courant électrique et en ce qu'on règle la tension de chaque anode pour faire passer une quantité de courant électrique déterminée à travers chaque anode (5,6') pour obtenir à partir de chacune de ces anodes (5',6'), une même densité de courant d'électrolyse en tous points de manière à obtenir sur la bande d'acier (2) un dépôt de zinc à structure cristalline mono-orientée compacte.
Installation d'électrozingage pour revêtir en continu dans une cellule une bande d'acier (2) d'un dépôt de zinc à structure mono-orientée compacte selon le procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, cette installation comprenant un tambour autour duquel passe, en l'entraînant, la bande (2) servant de cathode et une série d'anodes placées l'une à côté des autres en face de la cathode et séparées de celle-ci par un flot continu d'électrolyte, lesdites anodes étant montées dans un circuit électrique débitant dans chacune d'elles un courant électrique, chaque circuit comprenant un redresseur de courant et un dispositif de réglage de la tension, caractérisée en ce que le tambour est réalisé en matière isolante et en ce que la bande (2) ferme le circuit électrique, l'ensemble individuel permettant d'obtenir que le courant débité dans chaque branche (17) corresponde à une même densité de courant dans chacune des branches comprenant respectivement une anode (5',6') et une portion correspondante de la bande d'acier (2) qui se déplace devant elle et en ce qu' une pompe à vitesse variable destiné à amener l'électrolyte par un conduit (29) et rampe ou ajutage convergent (26) dans la cellule et/ou un moteur à vitesse variable destiné à entraîner en rotation un tambour sur lequel vient s'enrouler la bande (2) permettent de régler la vitesse relative du fluide par rapport à la bande (2) de manière à obtenir un dépôt de zinc à structure cristalline mono-orientée compacte.
Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les anodes (5',6') sont séparées l'une de l'autre par une couche de matière isolante (27).
Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les anodes (5', 6') sont réparties autour de la circonférence du tambour (1) et entourées par une enveloppe extérieure (13) en sorte de constituer autour du tambour (1) deux canaux (14, 15) symétriques par rapport à un plan vertical passant par l'axe du tambour (1), ces canaux étant traversés par un électrolyte contenant du zinc, l'alimentation en électrolyte se faisant par une extrémité supérieure de l'un (14) des canaux, et l'évacuation de l'électrolyte usé par l'extrémité de l'autre canal (15).
Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'en dessous du tambour (1) se trouve, entre les deux extrémités inférieures des deux canaux symétriques (14, 15), un rotor (19) à aubes (22) entraîné par un moteur (21).
Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les extrémités inférieures des canaux (14, 15) sont limitées d'un côté par le tambour (1) et de l'autre côté par des rampes (23, 24).
Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que l'arête limite (25) des rampes (23, 24), située du côté le plus voisin du rotor (19), est ondulée.
Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les aubes (22) du rotor (19) sont radiales.
Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les extrémités des aubes (22) se trouvent à même distance du pourtour du tambour (1) que les surfaces des anodes (5', 6') orientées vers le tambour (1).
Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'alimentation des canaux (14, 15) se fait par injection d'électrolyte dans ces canaux au moyen de rampes ou d'ajutages convergents (26).
Installation suivant l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisée en ce que la bande (2) jouant le rôle de cathode est entraînée dans le même sens que celui de l'écoulement de l'électrolyte le long de la bande (2).
Installation suivant l'une des revendications 4 à 10, caractérisée en ce que la bande (2) jouant le rôle de cathode est entraînée dans le sens opposé à celui de l'écoulement de l'électrolyte le long de la bande (2).
Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisée en ce que le rotor (19) tourne dans le même sens que le tambour (1).
Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisée en ce que le rotor (19) tourne en sens opposé à celui du tambour (1).