JP6059383B1 - 金属イオン供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成が複雑でなく、金属粒の溶解速度の低下が抑制されてスラッジの生じ難い金属イオン供給装置を提供すること。【解決手段】金属粒群内にめっき液を流通させて金属粒Ｐを溶解させ、生成された金属イオンをめっき液に供給する金属イオン供給装置１００であって、金属粒群を収容し、その内部に金属粒群を支持する多孔板１１を有している溶解槽１０と、溶解槽１０の上部にあってめっき液を溶解槽１０の上部からその内部に提供するめっき液提供管２１と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、溶解槽に収容された金属粒群にめっき液を流通させて金属粒を溶解させ、生成された金属イオンをめっき液に供給する金属イオン供給装置に関するものである。

鋼板等の金属板に錫やニッケル、亜鉛、銅などの各種電気めっきを施すに当たり、槽内にめっき液を流通させ、この流通過程で金属イオンをめっき液に補給する方法が一般に適用されている。

より具体的には、多孔板（目皿）を下方に備えた溶解槽内に所望の金属イオンを発生させる金属粒群を収容しておき、電気めっき槽から流れてきためっき液を溶解槽の上方から提供し、金属粒群とめっき液を接触させることにより、金属粒を溶解させて生成された金属イオンがめっき液に提供される。金属イオンが供給されためっき液は、溶解槽の上方に取り付けられた配管を介して電気めっき槽に流出されることになる。

ところで、金属粒である錫を溶解させる場合を取り上げると、めっき液が溶解槽内の金属粒に接触した際に、めっき液中に溶け込んでいる酸素と金属粒が化学反応を起こし、金属粒が溶解して金属イオンがめっき液中に溶出するために、金属イオンを含むめっき液中の酸素が過多な場合には金属イオンが酸化されて酸化物（錫の場合はSnO₂）が生成される。このような酸化物は不溶性であることからめっき液中にスラッジとして蓄積され、錫の原単位悪化やめっきの品質低下、操業および設備保全の面で不具合を生じさせる要因となり得る。

そこで、このようなスラッジの発生を抑制する方策として、金属粒の溶解速度を向上させることが挙げられる。たとえば、金属粒群が収容されてめっき液が流通する溶解槽内において金属粒とめっき液を接触させるに当たっては、溶解槽内の液流量が同一の場合においても、めっき液の流路となる金属粒間の空間が狭いほど、錫粒周辺のめっき液の流速が向上して金属粒の溶解速度が高くなる。このことから、溶解槽内における金属粒の流動を抑制しながら、金属粒間にできる空間を狭い状態に維持することが重要である。

ここで、特許文献１には、加圧板によって溶解槽内の金属粒群を加圧することで溶解槽内における金属粒の流動を抑制するとともに、加圧板を溶解槽の軸心周りに回転させることで金属粒群を均して密度を高め、金属粒間の空間を可及的に狭くすることを可能とした、めっき液へ金属イオンを補給する装置が開示されている。

ここで開示される装置においては、その構成要素である溶解槽の天井に開口を設け、この開口を介してロッドを貫通させ、ロッドの一端は溶解槽内にある加圧板に固定され、ロッドの他端は溶解槽外にあるモータおよび減速機に取り付けられた構成が適用されている。なお、このロッドはさらにその他端が溶解槽外にあるシリンダにも取り付けられており、このシリンダでロッドおよび加圧板を押し込むことができ、モータおよび減速機の回転によってロッドおよび加圧板を回転させることができる。

特許文献１で開示される金属イオン補給装置をはじめとする従来の金属イオン供給装置は、金属粒群が収容された溶解槽の下方からめっき液を提供し、溶解槽の上方からめっき液を流出させる形態が適用されている。

この理由は、溶解槽の上方からめっき液を提供した場合に、溶解して小さくなった金属粒が多孔板の孔から下方へ落下することが懸念されるためである。

しかしながら、このように溶解槽の下方からめっき液を提供する形態では、金属粒の流動化に伴って金属粒の溶解速度が低下し易く、溶解速度の低下は上記するスラッジの発生に繋がる。そのため、特許文献１で記載されるような加圧板で金属粒群を上方から抑え込むことで金属粒群の充填密度を高めて金属粒群の流動化を抑制し、金属粒の溶解速度低下を抑制する必要が生じる。

そして、加圧板で金属粒群を上方から抑え込む構成を必須の構成とした場合には、溶解槽に加圧板や加圧板を押込むアクチュエータ等が取り付けられることから装置構成が複雑になることは否めない。

特開昭６２−９３３９９号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、装置構成が複雑でなく、金属粒の溶解速度の低下が抑制されてスラッジの生じ難い金属イオン供給装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による金属イオン供給装置は、金属粒群内にめっき液を流通させて金属粒を溶解させ、生成された金属イオンをめっき液に供給する金属イオン供給装置であって、金属粒群を収容し、その内部に該金属粒群を支持する多孔板を有している溶解槽と、前記溶解槽の上部にあってめっき液を該溶解槽の上部からその内部に提供するめっき液提供管と、を備えているものである。

本発明の金属イオン供給装置は、めっき液を溶解槽内に提供するめっき液提供管を溶解槽の上部に備えていること、すなわち、溶解槽に対して上方からめっき液を供給することを特徴とするものである。なお、金属粒としては、錫やニッケル、亜鉛、銅など、電気めっきの種類に応じた金属種が適用される。

本発明者等によれば、溶解槽に対して上方からめっき液を供給した場合に、溶解槽内に収容された金属粒群のうち、めっき液が直接提供される上層の金属粒群の溶解が促進される一方で、多孔板の上方付近にある下層の金属粒群の溶解は穏やかに進んでその速度は極めて遅く、結果として金属粒群の溶解による金属粒の多孔板の孔からの落下の問題が殆ど生じ難いことが検証されている。

この検証結果を受け、本発明の金属イオン供給装置では、溶解槽に対して上方からめっき液を供給する構成を適用した。

この構成によって加圧板や加圧板を押込むアクチュエータ等を不要とすることができるため、複雑な装置構成の解消に繋がる。さらに、溶解槽に対して上方からめっき液を供給することで金属粒の流動が多孔板にて抑えられ、金属粒の流動化が生じ難くなり（非流動化）、金属粒の溶解速度の低下も抑制され、スラッジを生じ難くすることができる。

また、本発明による金属イオン供給装置の好ましい実施の形態は、前記溶解槽の下流側に該溶解槽と流体連通する補助溶解槽を備えているものである。

多孔板の上方付近にある下層の金属粒群の溶解速度が極めて遅いといっても、溶解されて小さくなった金属粒が多孔板の孔を通過する可能性は否定できない。

そこで、本実施の形態の金属イオン供給装置では、溶解槽の下流側に溶解槽と流体連通する補助溶解槽を備えておくことにより、多孔板の孔を通過した金属粒を補助溶解槽で捕捉することができ、金属粒が金属めっきラインを構成する循環タンク等へ流出するのを解消することができる。なお、補助溶解槽にて捕捉された金属粒は時間の経過に伴って補助溶解槽内で溶解することになる。

また、本発明による金属イオン供給装置の他の実施の形態は、前記多孔板の開口径が1〜1.5mmの範囲にあり、前記金属粒の粒径が2.5〜3mmの範囲にあり、前記溶解槽内において収容されている金属粒群の高さが500mm以上である。

本発明者等は、開口径が1〜1.5mmの範囲にある多孔板を備えた溶解槽内に粒径が2.5〜3mmの範囲にある金属粒群（錫粒群）を複数の高さで収容し、各ケースにおいて所定速度のめっき液を数時間流通させて金属粒の溶解に起因した重量減少量を測定し、この測定結果から一般的な設備メンテナンス周期である1年後の金属粒の重量減少量を算定し、重量減少後の金属粒の粒径を算定する実験および算定をおこなった。

この実験および算定の結果、金属粒群の高さを500mm以上とすると、金属溶解反応に一般的な溶存酸素量（100mg/L以下）のめっき液を使用した際に、算定された金属粒の粒径が多孔板の最大開口径1.5mmを下回らないことが確認でき、したがって、金属粒が多孔板の孔を通過しないことが分かっている。

以上の説明から理解できるように、本発明の金属イオン供給装置によれば、めっき液を溶解槽内に提供するめっき液提供管を溶解槽の上部に設け、溶解槽に対して上方からめっき液を供給することにより、複雑な装置構成を解消することができ、金属粒の流動化を生じ難くして金属粒の溶解速度の低下を抑制し、スラッジを生じ難くすることができる。

本発明の金属イオン供給装置と金属めっきラインの実施の形態１の構成図である。 本発明の金属イオン供給装置と金属めっきラインの実施の形態２の構成図である。 溶解槽内における金属粒群の充填高さの最適範囲を検証した実験および算定に基づく結果を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の金属イオン供給装置とこの金属イオン供給装置を備えた金属めっきラインの実施の形態１，２を説明する。

（金属イオン供給装置および金属めっきラインの実施の形態１）
図１は本発明の金属イオン供給装置と金属めっきラインの実施の形態１の構成図である。

図示する金属めっきライン２００は、溶解槽１０とめっき液供給管２１から構成される金属イオン供給装置１００と、めっき液排出管２２を介して溶解槽１０と繋がれる循環タンク３０と、めっき液戻し管５１とめっき液供給管５３を介して循環タンク３０と繋がれるめっきタンク４０と、から大略構成されている。

めっき液供給管２１には、めっき液供給ポンプ２４が介在し、さらに、制御弁２６を介して酸素タンク２７に通じる酸素供給管２５が連通している。

めっき液排出管２２には圧力調整弁２３が介在し、溶解槽１０内の圧力調整を実行できるようになっている。

金属イオン供給装置１００を構成する溶解槽１０の上方にめっき液供給管２１が配設されており、めっき液供給ポンプ２４を稼働して循環タンク３０からめっき液供給管２１に取り込まれためっき液は、その流通過程（Ｘ１方向）で酸素供給管２５から所望量の酸素が提供され（Ｘ２方向）、所望の溶存酸素量を有するめっき液が溶解槽１０の上方から溶解槽１０に供給される（Ｘ３方向）。

溶解槽１０の下方には多数の孔１１ａが開設された多孔板１１が設けてあり、多孔板１１の上に所定の高さｔで充填された金属粒Ｐからなる金属粒群が収容されている。

ここで、金属粒Ｐとしては、錫やニッケル、亜鉛、銅など、電気めっきの種類に応じた金属種が適用される。

上記する所定の高さｔは、後述する実験結果より、500mm以上に設定されるのが望ましい。

少なくともめっき液で溶解される前の金属粒Ｐの粒径は多孔板１１の孔１１ａよりも大きく、したがって孔１１ａから金属粒Ｐが落下することはない。

溶解槽１０の上方から提供されためっき液は金属粒群内の隙間を介して下方に流通していく過程でめっき液が金属粒群と接触し、金属粒Ｐが溶解して生成された金属イオンがめっき液に供給される。そして、金属イオンが供給されためっき液は、多孔板１１の多数の１１ａを介して下方に流出し（Ｘ４方向）、めっき液排出管２２を介して循環タンク３０に供給され（Ｘ５方向）、金属イオンが供給されためっき液Ｍが循環タンク３０に溜められる。

一方、複数のめっきタンク４０が隣接配置されており、各めっきタンク４０内には不溶性電極４１と液中ロール４２が配設され、めっきタンク４０の上方には通電ロール４３が配設されている。

通電ロール４３と液中ロール４２の回転により、鋼板Ｓは各めっきタンク４０の不溶性電極４１を通過してめっき液Ｍに浸漬され、次のめっきタンク４０に搬送されて（Ｙ方向）同様にめっき液Ｍに浸漬された後、めっきタンク４０から取り出される。

使用過程で金属イオンが所定量まで減少しためっき液はめっき液戻し管５１を介して循環タンク３０に戻され（Ｘ８方向）、めっき液供給ポンプ５２の稼働によって循環タンク３０から新たなめっき液がめっき液供給管５３を介して各めっきタンク４０に供給される（Ｘ７方向）。

図示する金属イオン供給装置１００のように、溶解槽１０に対して上方からめっき液を供給した場合に、溶解槽１０内に収容された金属粒群のうち、上層の金属粒群の溶解が促進される一方で、多孔板１１の上方付近にある下層の金属粒群の溶解は穏やかに進んでその速度は極めて遅く、結果として金属粒群の溶解による金属粒の多孔板１１の孔１１ａからの落下の問題は生じ難い。

そのため、溶解槽１０では、従来の溶解槽が備えていた金属粒群を加圧する加圧板や加圧板を押込むアクチュエータ等が不要となり、このことによって装置構成は極めてシンプルになる。また、溶解槽１０内に加圧板やアクチュエータ等が存在しないことで溶解槽１０のメンテナンスの頻度も少なくなり、メンテナンスも格段に容易となる。さらに、溶解槽１０に対して上方からめっき液を供給することで金属粒の流動化が生じ難くなり、金属粒Ｐの溶解速度の低下も抑制され、スラッジを生じ難くすることができる。

（金属イオン供給装置および金属めっきラインの実施の形態２）
図２は本発明の金属イオン供給装置と金属めっきラインの実施の形態２の構成図である。なお、図１で示す金属めっきライン２００と同様の構成の説明は省略する。

金属めっきライン２００Ａと金属めっきライン２００の相違点は、金属めっきライン２００Ａがめっき液排出管２２の途中に補助溶解槽６０を備えていることである。なお、金属めっきライン２００Ａでは、溶解槽１０と、めっき液供給管２１と、補助溶解槽６０から金属イオン供給装置１００Ａが構成される。

多孔板１１の上方付近にある下層の金属粒群の溶解速度は極めて遅いものの、溶解されて小さくなった金属粒Ｐが多孔板１１の孔１１ａを通過する可能性は否定できない。

そこで、金属イオン供給装置１００Ａでは、溶解槽１０の下流側に溶解槽１０と流体連通する補助溶解槽６０を備えておくことにより、多孔板１１の孔１１ａを通過した金属粒Ｐを補助溶解槽６０で捕捉することとしている。この構成により、多孔板１１の孔１１ａを通過した金属粒Ｐが金属めっきライン２００Ａを構成する循環タンク３０等へ流出するのをより確実に解消することができる。なお、補助溶解槽６０にて捕捉された金属粒Ｐは、時間の経過に伴って補助溶解槽６０内で溶解することになる。

（溶解槽内における金属粒群の充填高さの最適範囲を検証した実験および算定とその結果）
本発明者等は、溶解槽内における金属粒群の充填高さの最適範囲を検証した実験および算定をおこなった。

＜実験方法＞
この実験では、金属粒として錫粒を使用し、錫粒の粒径を2.5〜3mmとし、溶解槽下部の多孔板の孔の開口径（直径）を1〜1.5mmとし、錫充填高さを100mm、350mm、500mmの3ケースとし、各ケースで錫粒群中の溶存酸素量（溶解槽にめっき液が入る際の溶存酸素量）を30mg/L、70mg/L、100mg/Lに変化させて実験をおこなった。

また、溶解槽内におけるめっき液の平均流速は0.15m/secとし、6時間連続運転した際の錫粒の実験前後の重量を測定した。

＜算定方法＞
実験結果を用いた1年後の錫直径の算定方法は以下の通りである。すなわち、溶解槽のメンテナンス周期を一般的な1年とした場合、稼働率9割とした際の運転時間7884時間後の錫粒の重量減少率は（実験結果）(%)×7884(hr)/6(hr)=1年後の重量減少率(%)となり、粒の直径は質量の1/3乗に比例することから、（当初の粒の直径）(mm)×(1-(1年後の重量減少率))^(1/3)=(算定結果)(mm)となる。

＜実験結果および算定結果＞
実験結果と算定結果を以下の表１と図３に示す。ここで、表１には、当初の粒径が2.5mmの場合において、錫充填高さ100mm、350mm、500mmの3ケースに対し、それぞれ、溶存酸素量が30mg/L、70mg/L、100mg/Lの際の錫粒の重量減少量に関する実験結果と、実験結果から1年後の錫粒の直径を算定した算定結果を示す。

[表１]

算定結果に関し、たとえば充填高さ500mm、溶存酸素量100mg/Lの場合の1年後の重量減少量（7884時間で稼働率9割とした際）は、0.04(%)×7884(hr)/6(hr)=52.6(%)となる。2.5mmの錫粒に関し、1年後の錫粒の直径（算定結果）は、2.5(mm)×(1-0.526)^(1/3)=1.95(mm)となる。

本実験および算定では、溶解槽下部の多孔板の孔の直径のうちの最大の1.5mmと、各ケースで算定された1年後の錫粒の直径を比較し、図３では、算定結果が多孔板の孔より大きな場合を○（多孔板の孔を通過しない）、算定結果が多孔板の孔より小さな場合を×（多孔板の孔を通過する）としている。

表１および図３より、錫充填高さを500mmとした際に、一般操業時に可能な溶存酸素量30mg/L、70mg/L、100mg/Lのすべての条件下において溶解して小さくなった錫粒が多孔板の孔を通過しないことが分かった。

本実験結果と算定結果に基づき、溶解槽内において収容されている金属粒群の高さを500mm以上に規定するのが望ましいと結論付けることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０…溶解槽、１１…多孔板、１１ａ…孔、２１…めっき液供給管、２２…めっき液排出管、２３…圧力調整弁、２４…めっき液供給ポンプ、２５…酸素供給管、２６…制御弁、２７…酸素タンク、３０…循環タンク、４０…めっきタンク、４１…不溶性電極、４２…液中ロール、４３…通電ロール、５１…めっき液戻し管、５２…めっき液供給ポンプ、５３…めっき液供給管、６０…補助溶解槽、１００，１００Ａ…金属イオン供給装置、２００，２００Ａ…金属めっきライン、Ｐ…金属粒、Ｍ…めっき液、Ｓ…鋼板

Claims (2)

1. 金属粒群内にめっき液を流通させて金属粒を溶解させ、生成された金属イオンをめっき液に供給する金属イオン供給装置であって、
   金属粒群を収容し、その内部に該金属粒群を支持する多孔板を有している溶解槽と、
   前記溶解槽の上部にあってめっき液を該溶解槽の上部からその内部に提供するめっき液提供管と、を備えており、
   前記多孔板の開口径が1〜1.5mmの範囲にあり、
   前記金属粒の粒径が2.5〜3mmの範囲にあり、
   前記溶解槽内において収容されている金属粒群の高さが500mm以上である、金属イオン供給装置。
2. 前記溶解槽の下流側に該溶解槽と流体連通する補助溶解槽を備えている、請求項１に記載の金属イオン供給装置。

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