KR20060127076A - 금속 스트립 전기주석도금방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 금속 스트립 전기주석도금방법에 관한 것으로서, 전기주석도금 용액내에서 스트립과 마주하는 주석 애노드를 양이온으로 용해하는 단계와 캐소드로 작용하는 상기 스트립의 적어도 일부에 상기 양이온으로 용해된 주석을 피착시키는 단계에 의해 상기 스트립이 도금되며, 주석은 애노드 바스켓내에 유지되는 펠릿의 형태로 상기 전기주석도금 용액에 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 스트립 전기주석도금방법{IMPROVED METAL STRIP ELECTROPLATING}

본 발명은 전기도금용액내로 향하는 금속 스트립과 마주보는 주석 애노드를 양이온으로 용해시킴으로써 도금되는 고속 금속 스트립 전기주석도금방법에 관한 것이다.

이러한 방법은 실무상 알려져 있으며, 핸드북 "The Making, Shaping and Treating of Steel", 10th ed., pp. 1146-1153에 상세히 기술되어 있으며, FERROSTAN으로 불리는 통상의 상업적 주석도금방법에 대한 기재를 본 명세서에 참조로 편입한다.

알려진 바와 같이, 상기 핸드북의 도면 36-5에서 또한 볼 수 있는 상기 방법은 실질적으로 50 ㎏ 중량인 애노드 바(anode bar)를 교체시키고, 애노드 바의 위치를 정기적으로 조정하기 때문에 노동 집약적이고, 연무, 강산 및 고전류의 관점에서 유해하며, 스트립 폭 전체에 걸친 균일한 주석도금두께를 저하시킨다.

애노드 바가 소정의 최소 두께로 소비되었을 때, 애노드 바는 도금부에서 제거되고 재용융 공정에서 새로운 주조 애노드로 재생된다.

애노드의 최적 위치는 안전하고 균일한 도금을 위해 중요하기 때문에, 애노드 위치는 정기적으로 조정되어야 한다.

본 발명의 목적은 전기주석도금 방법에서 사용된 도금 유닛 위 또는 근처에 서의 비교적 건강에 해롭고, 무겁고, 불편한 작업을 최소화하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 적절하게 제어될 수 있고, 애노드 부품의 공급, 조정 및 제거에 의해 야기된 방해를 최소화할 수 있는 고안정성 전기주석도금 방법을 제공하는 것이다.

이들 및 다른 목적과 또 다른 이점은 청구항 1 등에 청구된 바와 같은 본 발명의 관점에 따른 방법으로 달성된다.

본 명세서에서의 용어 "금속 스트립과 마주보는(facing the strip)"은 애노드 주석의 적어도 일부가 스트립의 적어도 일부에서 "보여지는" 것을 나타내는 것이다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 스트립 경로 및/또는 스트립 폭을 변경할 때 주석 에지를 최소화하도록 애노드 위치를 조정해야 하는 문제점을 피할 수 있다. 조정은 애노드 부분의 제어된 마스킹에 의해 적절하게 이루어질 수 있다. 여기서, 마스킹은 애노드를 광원으로 가정할 때 "대상물의 그림자 부분에서" 도금을 방해하도록 애노드과 캐소드 사이에 대상물을 위치시키는 것을 의미한다.

애노드 물질, 즉 주석이 펠릿 형태로 제공되어 바스켓에 공급되는 사실에서, 전술한 바와 같은 주석 바는 더 이상 사용되지 않으며, 따라서 주석 바를 조정할 필요성이 더 이상 없다. 무거운 애노드 바를 제공할 필요성도 제거된다. 그 대신에 애노드 물질은 용이하게 취급될 수 있는 애노드 펠릿 형태로 제공된다. 본 발명은 또한 펠릿은 완전히 소비될 수 있기 때문에 소비된 애노드 재료를 제거할 필요성이 없다.

본 명세서에서의 용어 "펠릿"은 원형, 계란형, 연탄형(briquet), 과립형 등을 의미한다.

바람직한 실시예에 있어서, 애노드의 일부는 청구항 2에 따라 마스킹된다. 바람직하게는, 마스킹 수단은 청구항 3의 특징을 갖는다. 조정가능한 셔터 또는 블라인드로서 작용하는 기계장치를 사용하여 애노드의 에지부를 간단하게 마스킹 하는 것에 의해 스트립 에지부에서의 주석도금을 최적으로 제어할 수 있다.

실시예에 있어서, 펠릿은 펠릿과의 양호한 전기접촉을 허용하며, 전해질과 전기화학적으로 불활성인 낮은 전기저항을 갖는 재료로 제조된 집전기(current collector)를 통해 전기적으로 접촉된다. 집전기에 대한 적절한 재료는 Ti와 Zr을 포함한다.

한 관점에 있어서, 애노드 바스켓에 주석 펠릿을 보충하는 자동 공급 시스템이 제공된다.

본 발명은 비교예로서의 종래 방법의 관점과 본 발명의 관점의 기술을 통해 설명될 것이다.

도면에 있어서,

도 1은 종래의 주석도금 셀과 이러한 셀에 사용된 다양한 구성요소의 단면도,

도 2는 종래의 주석도금라인에서의 스트립 폭 전체에 걸친 다른 위치에서의 도금 두께를 표시하는 처리제어장치의 스크린 숏(screen shot)의 예를 도시하는 도면,

도 3은 종래의 주석도금 셀의 애노드 브릿지부의 평면도,

도 4는 종래의 주석도금방법에서의 애노드 브릿지를 따라서 애노드의 이동을 개략적으로 도시하는 도면,

도 5는 종래의 주석도금방법에서의 애노드 바를 제거하거나 또는 부가하는 것을 개략적으로 도시하는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 방법에서 사용하기 위한 애노드 바스켓의 배치 및 형상을 개략적으로 도시하는 도면,

도 7은 본 발명에 따른 방법에 사용하기 위한 애노드 바스켓을 더욱 상세하게 도시하는 도면,

도 8은 D ES의 함수로서 i/i_avg를 도시하는 그래프 및

도 9는 본 발명에 따른 방법에서 사용하기 위한 애노드 바스켓의 전면에 마스크로서 위치된 셔터를 개략적으로 도시하는 도면이다.

비교 실시예 : 희생애노드시스템

전형적인 가용성 애노드 시스템은 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 있어서, 주석은 애노드 갭(2)과 애노드 노치(3)를 갖는 주석 애노드(1)으로 공급된다. 연속하는 주석 애노드(1)의 각각에 있어서 그의 상부의 애노드 노치(3)는 애노드 브릿지(4)에 의해 지지되며, 그의 하부는 애노드 박스(5)에 의해 지지된다. 격리판(6)은 2개의 주석도금부를 1개의 도금 셀(plating cell)로 분리한다. 전력은 도전 체 롤(7)을 통해 스트립에 공급된다. 도금 셀의 하부 가까이에서, 스트립은 싱크 롤(sink roll)(8)에 의해 안내된다. 또한, 죔쇠 롤(hold-down roll)(9)이 도시되어 있다. 애노드 브릿지(4)는 새로운 주석 애노드(1)을 위한 격리된 파킹 공간(10)을 포함한다. 주석 애노드(1)은 접촉 스트립(14)을 통해 애노드 브릿지(4)에 연결된다.

가용성 애노드 시스템의 동작 동안 3개의 서로다른 처리로 구분될 수 있다.

처리 1 - 애노드 스페이싱 (anode spacing)

주석도금 동안, 애노드는 스트립 폭 전체에 걸쳐 균일한 주석도금두께를 얻도록 적절하게 위치되어야 한다. 도 2에 있어서, 애노드가 적절하게 위치되지 않은 상황에서의 스트립 폭 전체에 걸친 주석도금두께의 값을 나타낸다.

전술한 상황을 방지하기 위해, 애노드는 애노드 브릿지의 평면도를 도시한 도 3에 도시된 바와 같이 위치되어야 한다.

스트립(11)의 폭, 주석도금두께 및 라인속도에 따라, 최적의 애노드 위치는 파라미터 A-G로 주어진다. 특정 일실시예에 있어서, 최적의 파라미터는 400 m min^-1의 라인속도, 732 mm의 스트립 폭 및 각 스트립 면의 2.8 g m^-2의 주석도금두께로 주어진다.

- A = 95 mm(애노드 브릿지 높이에서) 및 85 mm(애노드 박스 높이에서)

- B = 60 mm(애노드 브릿지 높이에서) 및 50 mm(애노드 박스 높이에서)

- C = 13 mm

- D = 14 mm(동일간격으로 위치된 애노드)

- E = 76 mm(고정된 애노드 폭); 전체 8개 애노드

- F = 50 mm

- G = 15 mm

이들 설정을 이용하여, 스트립 폭 전체에 걸쳐 균일한 주석도금두께가 실현될 수 있다. 파라미터 "C"가 특히 중요하며, 이 위치는 "도그-본(dog-bone)" 효과로 알려진 "주석 에지(tin edge)" 현상이 얻어진다.

더욱이, 스트립과 애노드에서의 저항손실(ohmic loss)을 보상하기 위해 하부에서 애노드가 스트립에 가까우면, 스트립의 높이에 걸쳐서 원치않는 전류밀도 차가 일어난다. 따라서, 파라미터 "A"와 "B"는 애노드의 상부보다 하부에서 더 작다.

가용성 애노드 시스템에 있어서, 애노드 스페이싱(anode spacing)은 소모된 애노드의 교체 후(처리 2 참조), 스트립 폭 변경 후, 및 편차 도금(differential coating)으로 변경 후(처리 3 참조)의 규칙적인 순환 동작이다. 애노드는 절연 후크를 애노드 갭내로 위치시키는 것에 의해 수동적으로 이격된다.

가용성 애노드 시스템의 적어도 3개의 중요한 결점은 애노드 스페이싱과 관련하여 알 수 있다. 첫번째 결점은 스트립 폭 전체에 걸쳐 주석도금두께의 변화, 즉 주석 에지 형태이며; 외측 애노드가 스트립 에지에 너무 가깝게 위치될 수 있거나(파라미터 "C") 또는 애노드가 비동일 간격(파라미터 "D")일 수 있거나, 또는 부 적절한 애노드 위치에 의해 야기된 스트립의 길이 전체에 걸쳐 균등하게 소모되지 않는 것이다. 두번째 결점은 조정하는데 노동이 많이 필요하다는 것이며, 세번째 결점은 전해질로의 노출, 연무 및 전기충전된 설치부품의 존재에 따른 조정의 위험성이다.

처리 2 - 소모된 애노드 교체

소모된 애노드의 두께는 두께 게이지로 정기적으로 검사된다. 전술한 최적의 애노드 배열(처리 1 참조)에서의 애노드 두께가 15 mm 미만으로 되기 시작하면, 애노드는 애노드 브릿지로부터 분리되며, 가장 가까운 절연 파킹 공간에 위치된다(애노드 브릿지를 따라 어떻게 애노드가 "이동하는"지를 화살표로 나타내는 도 4 참조). 다른 측면상의 새로운 애노드가 격리된 파킹 공간에 위치되어 애노드 브릿지로 이동된다. 각 교체 후에, 애노드를 다시 재위치시킬 필요가 있다(처리 1 참조). 도 4에 있어서, 새로운 주석 애노드는 N으로 표시되며, 소모된 애노드는 W로 표시된다.

주석도금 동안, 애노드는 용해되고 스트립 거리에 따라 애노드가 변화된다. 이는 스트립 폭 전체에 걸쳐 비균질 주석도금두께 분포를 일으킨다. 실무상, 이는 애노드 브릿지와 스트립을 작은 각도로 위치시키는 것에 의해 보상된다(처리 1, 파라미터 "A", "B" 참조).

애노드 교체에 의한 가용성 애노드 시스템의 결점은 주로 애노드 스페이싱(처리 1 참조)에 관한 것이다. 추가적인 결점은 애노드 교체 동안, 애노드가 최적 의 애노드 배열에 따라 일정하게 위치되지 않는 것이다. 이는 스트립 폭 전체에 걸쳐 주석도금두께의 변화를 일으킨다.

처리 3 - 다른 스트립 폭 또는 편차 도금으로의 변경

스트립 폭 변경 후에, 도 3에서의 파라미터 "C"는 더 이상 최적 값을 가지지 않는다. 더욱이, 편차 도금, 예컨대 스트립의 일면에 저중량 도금으로 변경한 후에 주석 에지 빌드-업(build-up)은 저중량 도금면상에 더욱 심하게 되기 시작한다. 실무상, 양쪽 상황은 애노드 브릿지상의 애노드를 제거(또는 부가) 및/또는 재위치시키는 것에 의해 보상된다.

이는 도 5에 도시되어 있으며, 다른 스트립 폭 또는 편차 도금으로 변경 후에 애노드를 제거 또는 부가하는 것을 나타낸다.

스트립 폭을 732 mm에서 580 mm로 변경한다면, 전술한 최적 애노드 배열(처리 1 참조)은 2개의 애노드를 애노드 브릿지로부터 분리시켜야 한다(도 5 참조). 애노드 제거 후에, 나머지 애노드를 다시 재위치시킬 필요가 있다(처리 1 참조).

2.8/5.6 g m^-2의 편차 도금이 적용되면, 전술한 최적 애노드 배열(처리 1 참조)은 스트립의 고중량 코팅면에 면하는 애노드 브릿지상에 1개의 애노드를 부가하여야 한다. 부가 후에, 애노드를 다시 재위치시킬 필요가 있다(처리 1 참조). 극단적인 코팅 중량 차이에서는, 최외부 애노드는 스트립 에지에 관해 최내측으로 이동되어야 한다.

종래기술의 결점과 본 발명의 이점

다른 스트립 폭 또는 편차 도금으로의 변경으로 인한 가용성 애노드 시스템의 결점은 애노드 스페이싱(처리 1 참조)에 주로 관련되어 있다. 추가적인 결점은 애노드 제거 또는 부가 동안, 애노드가 최적의 애노드 배열(처리 1 참조)에 따라 위치되지 않는 것이다. 이는 스트립 폭 전체에 걸쳐 주석도금두께의 변화를 일으킨다.

비교예에서 언급된 가용성 애노드(SA)의 결점을 해소하기 위해, 치수안정 애노드(DSA)이 가끔 사용된다. 이 시스템은 노동 강도가 적고, 스트립 폭 전체에 걸쳐 주석도금두께의 작은 변화가 얻어진다. DSA의 주 결점은 전해질에 주석을 보충하기 위한 외부 용해 반응기가 요구되는 것이다.

본 발명에 따르면, SA 및 DSA 시스템의 이점은 완전히 새로운 고속 스트립 전기주석도금 시스템으로 조합되며, 이 새로운 시스템은 이하에서 DSSA(크기안정 가용성 애노드) 시스템으로 언급된다.

본 발명의 방법에 따르면, 낮은 노동 강도, 낮은 위험성과 저비용으로 더욱 균일한 주석도금이 적용될 수 있다. 주석 스톡(tin stock)은 개별 용해 반응기가 필요하지 않아 DSA 시스템과 비교하여 저가이다. 또한, 애노드 취급에 필요한 인원이 적다. 또한, 본 발명에 따른 애노드 바스켓(anode basket)에 유지된 펠릿 형태의 애노드 주석을 사용하는 것에 의해, 셀 전압이 더 낮아질 수 있다. 아마도, 이는 애노드 표면의 증가에 의한 것이다. 또한, 제조속도를 증가시켜 전기주석도 금 제조라인의 잠재적으로 높은 수율을 달성할 것이다.

본 발명은 본 발명에 따른 실시예를 기술하는 것에 의해 더욱 상세히 기술될 것이다.

본 발명에 따른 실시예

본 발명에 따른 실시예에 있어서, 도금 장치 부품과 처리 유체 및 파라미터는 이하에 언급하는 것을 제외하고는 종래기술의 것과 같다.

본 발명의 관점에 따르면, 도 1 및 도 6의 개개의 주석 바 대신에, 애노드 바스켓(12)이 접촉 스트립(14)을 통해 애노드 바(4)에 장착되었다. 이 실시예에 따른 실험에서는 구리로 제조된 접촉 스트립(14)은 애노드 바스켓(12)과 접촉하는 그들의 표면상에 Au 또는 Pt 등의 귀금속으로 코팅될 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 접촉 스트립(14)은 Pt로 코팅되었고, 효과가 좋았다.

도 6의 애노드 바스켓(12)은 주석 필렛(직경 2-20 mm, 바람직하게는 5-9 mm)으로 충전되었다. 애노드 물질을 보충하기 위해, 주석 필렛은 도금라인이 완전히 작동하는 동안 규칙적으로 공급된다. 이 실시예에 따른 실험에서, 애노드 바스켓(12)은 티타늄으로 제조되며, 스트립 높이에 걸쳐 원치않는 전류밀도 차이가 일어나는 애노드과 스트립에서의 저항손실을 보상하기 위해 하부에서 애노드가 스트립에 더 가까이 위치되는 방식으로 설계 및 위치되어 있다. 이 실시예에 따른 제품의 일부에서는, 애노드 바스켓은 작은 주석 미립자가 전해질에 들어가는 것을 방지하기 위해 애노드 백(anode bag)으로 덮혀있다. 통상의 작동조건하에서, 애노드 백은 매년 1-2회 교체가 필요할 수 있다. 한편, 이 실시예에 따른 제품의 다른 부분에서는, 애노드 백이 사용되지 않으며, 작은 주석 미립자가 전해질에 들어가는 문제점이 발생되지 않았다.

도 7에 도시된 에지 마스크(edge mask)(13)를 구비한 DSSA 시스템을 제공하는 것에 의해, 주석의 빌드-업(도그본 효과)은 감소될 수 있다. 이들 에지 마스크의 구성과 시스템은 노동 강도와 위험한 작업을 포함하는 도금라인으로부터 안전한 거리에서 작동될 수 있는 방식으로 설계되어 있다.

스트립 폭은 1020 mm이며, 애노드 폭이 스트립과 정확하게 중첩되는 1020 mm인 캐소드/애노드 구조에 있어서, 그 후에 스트립 폭이 1020 mm에서 940 mm로 변경되면, 표준 전류밀도는 i_avg로 규정되며, 여기서 i는 로컬 전류밀도를 나타내고, i_avg는 평균 전류밀도(즉, A/m²)이며, 따라서 스트립 에지에서의 주석 빌드-업의 양은 허용할 수 없는 레벨에 도달한다(도 8의 상부 곡선 참조).

도 8에 있어서, 수평축은 스트립의 에지로부터의 거리(mm)를 나타내는 D ES를 나타내며, 하부 곡선은 스트립에 대한 i/i_avg 대 D ES 관계 및 1020 mm의 애노드 폭을 나타내며, 상부 곡선은 스트립 폭이 940 mm으로 변경된 후 1020 mm의 스트립 폭을 위해 구성된 애노드 구성을 남긴 상태에서의 i/i_avg 를 나타낸다.

작은 스트립 폭의 에지에서의 주석 빌드-업의 이 문제점을 해소하기 위해, 애노드 바스켓의 전면에 마스크로서 셔터가 위치된다. 도 9에 이 상황을 개략적으로 나타낸다. 도 9에 있어서, 수직축(Y-축)은 스트립 중앙을 관통하는 스트립 표 면에 수직인 면을 나타낸다. Y=0은 스트립 면의 단면을 나타내며, Y=50은 애노드 면의 단면을 나타내며, Y-축의 값은 D AC로 약기한 캐소드로부터의 거리를 나타낸다. 수평축(X-축)은 스트립의 중앙으로부터의 거리(D CS)를 나타낸다. X=(450;700) 및 Y=(10;15)의 회색 영역은 M으로 표시된 셔터의 단면을 나타낸다.

도 9에서, 셔터의 위치가 X=470 mm(940 mm의 폭을 갖는 스트립과의 0 mm 중첩에 대응)에서 440, 425 및 410 mm(각각 30, 40 및 60 mm의 스트립과의 중첩에 대응)로 변화되면, 스트립 에지에서의 전류밀도는 도 10과 같이 감소된다. 도 10에 있어서, 상부 곡선은 0 mm 중첩에 대응하며, 다음의 하부 곡선은 30 mm, 그 다음의 하부 곡선은 45 mm, 최하부 곡선은 60 mm 중첩을 나타낸다.

사실상, 최적의 주석층 두께 분포는 약 45 mm의 마스크와 애노드의 중첩에서 발견되었다.

본 발명은 대약진을 동반하며, 전기주석도금 라인의 특징 및 작동은 쉽게 제어될 수 있고 낮은 노동 강도, 리스크 제거 및 폐기물(재생) 흐름을 감소킬 수 있는 방법을 제공하는 것에 의해 크게 개선될 수 있다.

Claims (6)

1. 전기주석도금 용액내에서 스트립과 마주하는 주석 애노드를 양이온으로 용해하는 단계와 캐소드로 작용하는 상기 스트립의 적어도 일부에 상기 양이온으로 용해된 주석을 피착시키는 단계에 의해 상기 스트립이 도금되는 고속 금속 스트립 전기주석도금방법에 있어서,

   주석은 애노드 바스켓내에 유지되는 펠릿의 형태로 상기 전기주석도금 용액에 공급되는 것을 특징으로 하는 전기주석도금방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 주석 애노드의 일부는 스트립 폭 및/또는 주석 코팅 두께 분포에 따라 제어되고 안내되는 조정가능한 마스킹 수단에 의해 마스킹되는 것을 특징으로 하는 전기주석도금방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 마스킹 수단은 셔터 또는 블라인드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기주석도금방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 펠릿은 주석 펠릿과 양호한 전기접촉을 허용하고 전해질과 전기화학적 으로 불활성인 낮은 전기저항을 갖는 재료로 제조된 접전기를 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기주석도금방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 애노드 바스켓은 상기 집전기인 것을 특징으로 하는 전기주석도금방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

   주석 펠릿을 상기 애노드 바스켓에 부가하기 위한 자동 공급시스템이 제공된 것을 특징으로 하는 전기주석도금방법.

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