ES2327239T3 - Electrodeposicion de una banda metalica mejorada.sp. - Google Patents
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Abstract
Un proceso para el estañado electrolítico de alta velocidad de una banda de metal en el que la banda se somete a electrodeposición mediante la disolución anódica de ánodos de estaño orientados hacia la banda en el interior de una disolución de galvanoplastia, y depositando dicho estaño disuelto anódicamente sobre al menos una parte de la banda que actúa como cátodo, en el que el estaño es suministrado a la disolución de galvanoplastia en forma de pelets contenidos en una cesta de ánodo, que se caracteriza porque una parte de los ánodos de estaño se encuentra enmascarada empleando medios ajustables de enmascaramiento que se controlan y se guían dependiendo de la anchura de banda y/o la distribución de espesor de revestimiento de estaño.
Description
Electrodeposición de una banda metálica
mejorada.
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El invento se refiere a un proceso de estañado
electrolítico de alta velocidad de una banda metálica en el que la
banda se somete a electrodeposición disolviendo de forma anódica
ánodos de estaño orientados hacia la banda en el interior de una
disolución de galvanoplastia.
Dicho proceso se conoce en la práctica y se
describe en detalle por ejemplo en el manual "The Making, Shaping
and Treating of Steel", 10ª edición, pp.
1146-1153, en el que se muestra la descripción de un
proceso comercial típico de electrodeposición con estaño denominado
FERROSTAN.
Como es sabido, véase también las Figs.
36-5 de dicho manual, en dicho proceso conocido las
barras del ánodo deben ser sustituidas y las posiciones de la barra
del ánodo ajustadas de forma regular, lo que constituye una labor
intensiva debido al peso de las barras del ánodo de típicamente 50
kg, potencialmente peligrosa a la vista de los vapores, ácidos
fuertes y elevadas corrientes eléctricas y al deterioro del espesor
uniforme del revestimiento de estaño sobre la anchura de la
banda.
Cuando las barras se gastan debido a que
adquieren un espesor mínimo acordado, son retiradas de la sección
de electrodeposición y sometidas a reciclaje mediante un proceso de
re-fundición para la obtención de nuevos ánodos
fundidos.
Dado que con el fin de obtener una
electrodeposición estable y uniforme la colocación óptima de los
ánodos resulta importante, es preciso ajustar de forma regular las
posiciones del ánodo.
Es un objetivo minimizar las tareas
relativamente insalubres, duras e incómodas sobre las partes que se
encuentran por encima o cerca de las unidades de electrodeposición
que se emplean en los procesos de deposición electrolítica con
estaño.
Además, es un objetivo proporcionar un proceso
de galvanoplastia altamente estable que pueda controlarse de manera
adecuada, minimizar problemas provocados por el suministro, (la
pérdida) ajuste y retirada de las partes del ánodo.
Al menos algunos de estos y otros objetivos y
otras ventajas se consiguen en el proceso de acuerdo con los
aspectos del invento de la reivindicación 1 y siguientes.
En este contexto, se pretende que la expresión
"orientado hacia la banda" indique que al menos una parte del
estaño anódico "se encuentra visible" desde al menos una parte
de la banda.
En el proceso de acuerdo con el invento es
posible evitar el problema de tener que ajustar las posiciones del
ánodo con el fin de minimizar los bordes del estaño cuando varía la
forma y/o la anchura de la banda. Los ajustes se llevan a cabo
enmascarando parte del ánodo de forma controlada. En este contexto,
enmascarar significa colocar un objeto entre el ánodo y el cátodo
para de este modo dificultar la electrodeposición "en la sombra
del objeto" si se observa el ánodo como fuente de luz.
Teniendo en cuenta el hecho de que la sustancia
del ánodo, es decir estaño, se proporciona en forma de pelet y se
alimenta en cestas, no es necesario utilizar las barras de estaño
descritas anteriormente y tampoco se precisa su ajuste. Se
prescinde de la necesidad de proporcionar barras pesadas de ánodo.
Por el contrario, se suministra la sustancia del ánodo en forma de
pelet de ánodo de fácil manejo. El invento también evita la
retirada del material de ánodo gastado ya que es posible consumir
los pelets de forma completa.
Cabe la precisión de que, para los fines de esta
memoria descriptiva, el término pelet significa círculos, ovoides,
briquetas, gránulos y similares.
Se somete a enmascaramiento parte del ánodo de
acuerdo con la reivindicación 1, empleando para ello un medio de
enmascaramiento ajustable que está controlado y guiado en función de
la anchura de la banda y/o de la distribución de espesor del
revestimiento de estaño. Preferiblemente, el medio de
enmascaramiento presenta las características de la reivindicación
2. De manera sorprendente simplemente sometiendo a enmascaramiento
por ejemplo las partes de los bordes del ánodo mediante el empleo
de un dispositivo mecánico que actúa como obturador regulable o
como pantalla, es posible controlar de forma fácil y óptima la
electrodeposición de estaño también en las partes de los bordes de
la banda.
En una realización, los pelets se ponen en
contacto eléctricamente por medio de un colector de corriente
fabricado a partir de un material de baja resistencia eléctrica, lo
que permite un buen contacto eléctrico con los pelets de estaño y
resultando electroquímicamente inerte en el electrolito. Materiales
apropiados para el colector de corriente incluyen Ti y Zr.
En un aspecto, se proporciona un sistema
automático de suministro con el fin de añadir los pelets a la cesta
del ánodo.
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A continuación se aclara el invento haciendo uso
de los ejemplos en forma de descripción de los aspectos del proceso
convencional, como ejemplo comparativo y aspectos del invento.
En los dibujos
La Fig. 1 muestra un corte transversal de una
célula convencional de estañado y de varios elementos empleados en
dicha célula;
La Fig. 2 muestra un ejemplo de visión de
pantalla de un aparato de control de proceso que muestra espesores
de revestimiento en diferentes posiciones a lo largo de la anchura
de la banda en una línea convencional de estañado;
La Fig. 3 muestra una vista superior de una
parte que forma el puente de ánodo de una célula convencional de
estañado;
La Fig. 4 indica de forma esquemática el
movimiento de las barras de ánodo a lo largo del puente de ánodo de
un proceso convencional de estañado;
La Fig. 5 indica de forma esquemática la
retirada o la adición de barras de ánodo de un proceso convencional
de estañado;
La Fig. 6 indica de forma esquemática la
ubicación y el aspecto de una cesta de ánodo para ser utilizada en
el proceso de acuerdo con el invento;
La Fig. 7 indica de forma esquemática y con más
detalle una cesta de ánodo para ser utilizada en el proceso de
acuerdo con el invento;
La Fig. 8 es una gráfica que indica de forma
general i/i_{avg} en función de DES;
La Fig. 9 indica de forma esquemática un
obturador colocado en forma de dispositivo de enmascaramiento frente
a la cesta de ánodo, para ser utilizado en el proceso de acuerdo
con el invento.
Ejemplo
comparativo
La Fig. 1 muestra un sistema típico de ánodo
soluble. En la Fig. 1, se suministra estaño por medio del ánodo de
estaño 1 que presenta un hueco de ánodo 2 y una muesca de ánodo 3.
Cada una de las series 1 de ánodos de estaño está sujeta por un
puente de ánodo 4 en la parte superior cerca de la muesca de ánodo 3
y en la parte inferior en la caja de ánodo 5. Una placa aislada 6
separa las dos secciones de estañado de la célula de
electrodeposición. El cilindro conductor 7 suministra energía
eléctrica a la banda. En las proximidades de la parte inferior de
la célula de electrodeposición, la banda es guiada por el cilindro
colector 8. También se aprecia el cilindro de sujeción 9. El puente
de ánodo 4 comprende un espacio 10 aislado de bloqueo para el ánodo
de estaño 1 nuevo. Los ánodos de estaño 1 están conectados al
puente de ánodo 4 por medio de la banda de contacto 14.
Es posible distinguir tres procedimientos
diferentes durante la operación del sistema de ánodo soluble.
Procedimiento
1
Durante la electrodeposición con estaño es
preciso colocar los ánodos de manera apropiada con el fin de obtener
un espesor uniforme de revestimiento de estaño a lo largo de la
anchura de banda. En la Fig. 2, se muestra un ejemplo de valores de
espesor de revestimiento a lo largo de la anchura de banda en una
situación en la que los ánodos no se colocaron de manera
apropiada.
Para evitar la situación descrita anteriormente,
es preciso colocar los ánodos como se muestra en la Fig. 3, que
muestra una vista superior del puente de ánodo.
Dependiendo de la anchura de la banda 11, del
espesor de revestimiento y de la velocidad lineal, las posiciones
óptimas de los ánodos vienen determinadas por los parámetros
A-G. En un ejemplo específico los parámetros
óptimos vienen determinados por una velocidad lineal de 400 m
min^{-1}, una anchura de banda de 732 mm y un espesor de
revestimiento de estaño de 2,8 g m^{-2} sobre cada lado de la
banda.
- -
- A = 95 mm (a la altura del puente de ánodo) y 85 mm (a la altura de la caja de ánodo)
- -
- B = 60 mm (a la altura del puente de ánodo) y 50 mm (a la altura de la caja de ánodo)
- -
- C = 13 mm
- -
- D = 14 mm (ánodos colocados equidistantes)
- -
- E = 76 mm (anchura fija de ánodo); 8 ánodos en total
- -
- F = 50 mm
- -
- G = 15 mm
Empleando estos parámetros es posible obtener un
espesor uniforme de revestimiento de estaño a lo largo de la
anchura de la banda. El parámetro C es de especial importancia ya
que esta posición da lugar al fenómeno "borde de estaño"
ampliamente conocido, también denominado efecto de "hueso de
perro".
Además, el ánodo se encuentra más próximo a la
banda en la parte inferior con el fin de compensar las pérdidas
óhmicas en el ánodo y en la banda, lo que en caso contrario podría
provocar diferencias no deseadas en la densidad de corriente a lo
largo de la altura de la banda. Por tanto, los parámetros A y B son
menores en la parte inferior del ánodo que en la parte
superior.
En el sistema de ánodo soluble, el espaciado de
ánodo es una operación que se lleva a cabo de forma regular después
de la sustitución de los ánodos gastados (véase procedimiento 2),
después de modificar la anchura de la banda y después de producirse
un cambio en el revestimiento diferencial (véase procedimiento 3).
Los ánodos son espaciados de forma manual colocando un gancho
aislado en el interior del hueco de ánodo.
Con respecto al espaciado de ánodos es posible
identificar al menos tres desventajas importantes del sistema de
ánodo soluble. Una primera desventaja es la existencia de
variaciones en el espesor de revestimiento de estaño a lo largo de
la anchura de banda, por ejemplo en forma de los bordes de estaño;
los ánodos externos pueden estar colocados demasiado cerca del
borde la banda (parámetro C), o los ánodos pueden no ser
equidistantes (parámetro D), o incluso no ser consumidos a lo largo
de la longitud de la banda debido a la deficiente colocación de los
mismos. Una segunda desventaja es el carácter intensivo de la labor
de ajuste y una tercera desventaja es que el ajuste resulta
peligroso en cuanto a la exposición al electrolito, los vapores y la
presencia de partes de la instalación que se encuentran cargadas
eléctricamente.
Procedimiento
2
Se somete a control regular el espesor de los
ánodos gastados con un medidor de espesor. Cuando el espesor de
ánodo de la configuración de ánodo óptima descrita anteriormente
(véase procedimiento 1) se hace menor que 15 mm, se desengancha el
ánodo del puente de ánodo y se sustituye sobre el espacio de bloqueo
aislado más próximo, véase Fig. 4, en la que las flechas indican el
modo en el que los ánodos "se mueven" a lo largo del puente de
ánodo. En el otro lado, se coloca un nuevo ánodo sobre el espacio de
bloqueo aislado y se transfiere al puente de ánodo. Después de cada
sustitución, es necesario reposicionar de nuevo los ánodos (véase
procedimiento 1). En la Fig. 4 el ánodo de estaño nuevo está
designado como N y el ánodo gastado como W.
Durante la electrodeposición con estaño los
ánodos se disuelven, lo que se traduce en una distancia cambiante
del ánodo a la banda. Esto da lugar a una distribución no homogénea
del espesor de revestimiento de estaño sobre la anchura de la
banda. En la práctica, esto queda compensado mediante la colocación
del puente de ánodo y de la banda en un ángulo pequeño (véase
procedimiento 1, parámetros A y B).
Las desventajas del sistema de ánodo soluble
debido a la sustitución de ánodos se refieren principalmente al
espaciado de ánodo (véase procedimiento 1). Otra desventaja
adicional es que, durante la sustitución de ánodos, los ánodos no
se encuentran colocados de manera constante con respecto a la
disposición óptima de ánodo. Esto provoca variaciones en el espesor
de revestimiento de estaño sobre la anchura de banda.
Procedimiento
3
Tras modificar la anchura de banda, el parámetro
C de la Fig. 3 pierde su valor óptimo. Además, después de cada
cambio a revestimiento diferencial, es decir un menor peso de
revestimiento sobre un lado de la banda, se produce una mayor
acumulación de estaño en el borde sobre el extremo de bajo peso de
revestimiento. En la práctica, ambas situaciones se compensan
mediante la retirada (o adición) y/o re-ubicación de
los ánodos sobre el puente de ánodo.
En este sentido se hace referencia a la Fig. 5,
que indica la retirada o adición de ánodos después de cambiar a
otra anchura de banda o a revestimientos diferenciales.
Si la anchura de banda cambia por ejemplo de 732
mm a 580 mm en la configuración óptima descrita anteriormente
(véase procedimiento 1), es preciso desenganchar los ánodos del
puente de ánodo (véase Fig. 5). Tras la retirada de los ánodos, es
preciso re-ubicar de nuevo los ánodos restantes
(véase procedimiento 1).
Si se aplica un revestimiento diferencial de
2,8/5,6 g m^{-2} en la configuración óptima descrita anteriormente
(véase procedimiento 1), es preciso añadir un ánodo al puente de
ánodo que se encuentra orientado hacia el lado de la banda de
elevado peso de revestimiento. Tras la adición, es preciso que los
ánodos sean de nuevo re-ubicados (véase
procedimiento 1). Cuanto mayores sean las diferencias de peso de
revestimiento, más hacia el interior (parámetro C de la Fig. 3) con
respecto al borde la banda tendrán que ser desplazados los ánodos
más externos.
Las desventajas del sistema de ánodo soluble
debidas al cambio hacia otra anchura de banda o hacia un
revestimiento diferencial se refieren principalmente al espaciado
de ánodo (véase procedimiento 1). Una desventaja adicional es que,
durante la retirada o la adición de ánodos, los ánodos no se
encuentran colocados de acuerdo con la configuración óptima de
ánodo (véase procedimiento 1). Esto provoca variaciones en el
espesor de revestimiento de estaño sobre la anchura de banda.
Para solventar estas desventajas de ánodo
soluble (SA) que se mencionan en el ejemplo comparativo, en
ocasiones se emplean ánodos estables de dimensión (DSA). Este
sistema requiere menos trabajo y da lugar a menos variaciones del
espesor de revestimiento de estaño sobre la anchura de banda. La
principal desventaja de DSA es que se precisa un reactor de
disolución externa para reintroducir estaño en el electrolito.
De acuerdo con el invento, se combinan las
ventajas de un sistema de SA y de DSA, que es completamente nuevo
para el estañado electrolítico de alta velocidad de una banda,
denominándose en lo sucesivo dicho nuevo sistema como sistema DSSA
(ánodo soluble estable de dimensión).
De acuerdo con el método del invento, es posible
aplicar revestimientos de estaño más uniformes, incluso cuando el
trabajo resulta menos intensivo, implica menos peligro y resulta más
barato. Las provisiones de estaño pueden ser menores y, en
comparación con las del sistema de DSA, no se requiere un reactor de
disolución por separado. También se precisa menos personal para el
manejo del ánodo. De igual forma, mediante el empleo del ánodo de
estaño en forma de pelets que se encuentran contenidos en una cesta
de ánodo de acuerdo con el invento, es posible rebajar el voltaje
de la célula. Probablemente, esto es debido al aumento de la
superficie anódica. Resulta evidente que esto abre nuevas
oportunidades en cuanto a mayores velocidades de producción e,
implícitamente, en cuanto a rendimientos potencialmente mayores
para la línea en cuestión de producción de estañado
electrolítico.
A continuación se describirá el invento con más
detalle por medio de un ejemplo de acuerdo con el invento.
En el ejemplo de acuerdo con el invento, las
partes de la instalación de electrodeposición, los fluidos del
proceso y los parámetros fueron los convencionales, excepto cuando
se haga mención.
De acuerdo con un aspecto del invento, en lugar
de barras de estaño individuales, en referencia a las Figs. 1 y 6,
se montaron cestas de ánodo 12 sobre la barra de ánodo 4 a través de
la banda de contacto 14. Es posible revestir las bandas de contacto
14, fabricadas a partir de cobre en los experimentos de acuerdo con
este ejemplo, en la parte de la superficie que se encuentra en
contacto con la cesta de ánodo 12, con un metal noble tal como Au o
Pt. En la realización del invento, se revistieron las bandas de
contacto 14 con Pt, lo que dio buenos resultados.
Se rellenaron las cestas de ánodo 12 de la Fig.
6 con pelets (con un diámetro de 2-20 mm,
preferiblemente de 5-9 mm). Con el fin de
restablecer la sustancia anódica, se suministran de forma regular
pelets de estaño, operación que puede llevarse a cabo mientras la
línea de electrodeposición se encuentra completamente operativa.
Las cestas de ánodo 12, fabricadas de titanio en los experimentos de
acuerdo con este ejemplo, se diseñan y colocan de tal manera que el
ánodo se encuentra más próximo a la banda en la parte inferior con
el fin de compensar las pérdidas óhmicas en el ánodo y en la banda,
lo que de otro modo podría provocar diferencias no deseadas en la
densidad de corriente a lo largo de la altura de de la banda. En
cuanto a la producción de acuerdo con este ejemplo, se cubrió la
cesta de ánodo con una bolsa de ánodo con el fin de evitar la
entrada de pequeñas partículas de estaño en el electrolito. En
condiciones normales de operación, es necesario sustituir las
bolsas de ánodo 1-2 veces al año. Por otro lado,
resultó que para otra parte de la producción de acuerdo con este
ejemplo en la que no se empleó bolsa de ánodo alguna, no se produjo
el problema de la entrada de pequeñas partículas de estaño en el
electrolito.
Mediante la provisión de un sistema de DSSA con
un enmascaramiento de borde 13, véase Fig. 7, es posible incluso
reducir la acumulación de estaño (efecto de hueso de perro). Se
diseña la configuración de estos enmascaramientos de borde y del
sistema para moverlos de tal forma que sea posible operarlos a una
distancia segura de la línea de electrodeposición, sin que ello
suponga una labor intensiva o una tarea posiblemente peligrosa.
En una geometría de cátodo/ánodo en la que la
anchura de banda es 1020 mm y la anchura de ánodo se superpone
exactamente sobre la banda también a 1020 mm, cuando posteriormente
se modifica la anchura de banda de 1020 a 940 mm, la densidad de
corriente normalizada se define como i_{avg}, en la que i es la
densidad de corriente local y i_{avg} es la densidad de corriente
media (por ejemplo en A/m^{2}), y por tanto la cantidad de estaño
que se acumula en el borde de la banda alcanza un nivel inaceptable,
véase curva superior de la Fig. 8.
En la Fig. 8, el eje horizontal DES representa
la distancia en mm desde el borde de la banda, la curva inferior
muestra la relación i/i_{avg} frente a DES para una banda y una
anchura de ánodo de 1020 mm, y la curva superior muestra
i/i_{avg} después de modificar la anchura de banda hasta 940 mm,
dejando la configuración de ánodo ajustada para una anchura de
banda 1020 mm.
Para solventar este problema de la acumulación
de estaño en el borde de una banda de menor tamaño, se coloca un
obturador para producir el enmascaramiento enfrente de la cesta de
ánodo. La Fig. 9 muestra una representación esquemática de esto. En
la Fig. 9, el eje vertical (eje Y) representa un plano a través del
centro de la banda perpendicular a la superficie de la banda. Y = 0
representa un corte transversal de la cara de la banda, e Y = 50
representa un corte transversal de la cara del ánodo y los valores
del eje Y representan la distancia del cátodo abreviada como DAC.
El eje horizontal (eje X) representa la distancia desde el centro de
la banda, DCS. El área gris en X = (450;700) e
Y = (10;15) representa un corte transversal del obturador indicado por M.
Y = (10;15) representa un corte transversal del obturador indicado por M.
Si en la Fig. 9 se varía la colocación del
obturador de X = 470 mm (correspondiente a 0 mm de solapamiento con
la banda que tiene un anchura de 940 mm) hasta 440, 425 y 410 mm
(correspondiente a un solapamiento con la banda de 30, 45 y 60 mm
respectivamente), se reduce la densidad de corriente en el borde de
la banda, véase Fig. 10. En la Fig. 10 la curva superior
corresponde a un solapamiento de 0 mm, la siguiente curva inferior
a 30 mm, la siguiente curva inferior a 45 mm y la curva inferior a
60 mm.
En la práctica, es posible encontrar una
distribución óptima de espesor de capa de estaño a un solapamiento
de enmascaramiento y un ánodo de alrededor de 45 mm.
Resultará evidente que el invento implica una
gran desviación hacia una situación en la que sea posible mejorar
en gran medida las características y la operación de las líneas
existentes de electrodeposición mediante la provisión de un método
que pueda controlarse de manera fácil, sea menos trabajoso, elimine
riesgos y reduzca los flujos de residuos (regeneración).
Claims (5)
1. Un proceso para el estañado electrolítico de
alta velocidad de una banda de metal en el que la banda se somete a
electrodeposición mediante la disolución anódica de ánodos de estaño
orientados hacia la banda en el interior de una disolución de
galvanoplastia, y depositando dicho estaño disuelto anódicamente
sobre al menos una parte de la banda que actúa como cátodo, en el
que el estaño es suministrado a la disolución de galvanoplastia en
forma de pelets contenidos en una cesta de ánodo, que se
caracteriza porque una parte de los ánodos de estaño se
encuentra enmascarada empleando medios ajustables de enmascaramiento
que se controlan y se guían dependiendo de la anchura de banda y/o
la distribución de espesor de revestimiento de estaño.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación
1, que se caracteriza porque el medio de enmascaramiento
comprende un obturador o pantalla.
3. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque
los pelets se ponen en contacto eléctricamente por medio de un
colector de corriente fabricado a partir de un material con una
baja resistencia eléctrica que permite un buen contacto eléctrico
con los pelets de estaño y que se comporta de forma
electroquímicamente inerte en el electrolito.
4. El proceso de acuerdo con la reivindicación
3, que se caracteriza porque la cesta de ánodo está diseñada
de manera que sea el colector de corriente.
5. El proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1-4, que se caracteriza
porque se proporciona un sistema automático de suministro para
añadir los pelets a la cesta de ánodo.
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