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Verfahren und Vorrichtung zum elektrolytischen Abscheiden von Metallen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrolytischen Abscheiden
von Metallen insbesondere Zink; aus wässrigen Lösungen der Metall litze auf Metallbandj
insbesondere Stahlband unter Anwendung hoher Relativströmungsgeschwindigkeiten zwischen
Elektrolyt und dem Metallband sowie den Anodenj wobei das Metallband vertikal in
den Elektrolyten eingeführt; umgelenkt und aus dem Elektrolyten vertikal herausgeführt
wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei der oberhalb
einer Elektrolysezelle dem Metallbandein. und -auslauf zugeordnet, jeweils eine
Umlenkrolle und/oder eine Stromrolle vorgesehen sind; und das Metallband im unteren
Teil der Elektrolysezelle um eine Tauchrolle sowie im Einlaufbereich und Auslaufbereich
zwischen Anoden geführt ist; Verfahren zum elektrolytischen Abscheiden von Metallen
auf Metallband sind in verschiedenen Ausführungsformen bei horizontaler3 radialer
oder vertikaler Bandführung in der Veredelungszone bekannt£ Im einzelnen ist aus
der bekanntgemachten AT-Patentanmeldung A 3014-82 ein Verfahren zur ein. oder beidseitigen
kontinuierlichen Beschichtung eines, in einer3 von der Horizontalen abweichenden
Richtung geführten Metallbandes mit einer Metallschicht auf elektrolytischem Wege
bekanntj wobei der Elektrolyt zwischen zumindest einer plattenförmigen Anode und
dem Metallband als Kathode strömt; das dadurch gekennzeichnet istj daß der Elektrolyt
im oberen Bereich der Anode frei einlaufend und unter denz Einfluß der Schwerkraft
nach unten strömend ein geschlossenes Strömungsvolumen im Raum zwischen Anode und
Metallband bildetj wobei der Raum ständig mit Elektrolyt nachgefüllt wird;
Der
Elektrolyt wird bei diesem bekannten Verfahrenj bei dem die Anoden nicht in das
Elektrolytbad eintauchenj dem aus der Elektrolysezelle auslaufenden Metallband entgegengeführt
(gegenläufige Strömung) und mit dem in die Zelle einlaufenden Metallband mitgeführt
(mitläufige Strömung), Abgesehen davonj daß dieses Verfahren nur dann sinnvoll anwendbar
ist, wenn der Abstand zwischen der Anode und der Kathoden d,h; dem Metallband nicht
größer als 2 bis 20 mm, vorzugsweise 10 mmj istj weil sonst die umzupumpenden Elektrolytmengen
viel zu groß werden, führt dieses bekannte Verfahren zu unterschiedlichen Strömungsverhältnissen
beim einlaufenden und auslaufenden Metallband und damit auch zu unterschiedlichen
Abscheidebedingungen; Bei einem weiteren von der Anmelderin vorgeschlagenen Verfahren
(P 32 28 641:4) zur elektrolytischen Abscheidung von Metallen aus wässrigen Lösungen
der Metallsalze auf Stahlband unter Anwendung hoher Relativströmungsgeschwindigkeiten
zwischen Elektrolyt und Stahlband sowie Anoden zum Erreichen großer Stromdichten
bei möglichst geringem Energieeinsatz; wird eine dünne Diffusionsschichtdicke dadurch
erreichtj daß ein parallel zum Stahlband gerichteter Elektrolytstrom durch Elektrolytteilströme
quer zur Bandlaufrichtung in einen turbulenten Strömungszustand versetzt wird: Auch
bei diesem Verfahren wird der Elektrolyt dem auslaufenden Metallband entgegengeführtj
während er mit dem Band in gleicher Richtung beim Einlaufen des Bandes in die Elektrolysezelle
fließt Bei allen diesen bekannten Ausführungsformen von elektrolytischen Abscheideverfahren
kann man die Stromdichte nur mit erhöhtem Aufwand den unterschiedlichen Relativströmungsgeschwindigkeiten
im Einlauf und Auslaufteil der Elektrolysezelle entsprechend dem ablaufenden und
auflaufenden Trumm des Metallbandes anpassen; infolgedessen ist es schwierig wenn
nicht gar unmöglichj gleichmäßige Abscheidebedingungen in diesen beiden Teilen der
Elektrolysezelle zu erzielen Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundej ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffenj die auch bei einer
Vertikalzelle vertikal auf dem durch einen Elektrolyten geführten Metallband, insbesondere
Stahlband, die Anwendung hoher Stromdichten ermöglichtj sowie gleiche Relativströmungen
zwischen Metallband und Elektrolyt und damit gleichzeitig auch gleichmäßige Abscheidebedingungen
für das ein- und auslaufende Metallband erzeugt werden können;
Diese
Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Elektrolyt im gesamten Bereich
zwischen den Anoden und dem Metallband der Bandlaufrichtung zwangsweise entgegengeführt
wird In bevorzugter Weise wird dies dadurch erreicht, daß die Strömung des Elektrolyten
durch eine Druckerhöhung vergrößert wirdi wobei vorteilhafter Weise der Druck im
Einlauf- und/oder Auslaufteil erhöht wird: Eine weitere Möglichkeit der Ausführung
der Erfindung ist dadurch gegeben; daß der Elektrolyt im Bereich des Bandauslaufes
mit einer nach unten gerichteten Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird; daß
der Elektrolyt entgegen der Bandlaufrichtung gepumpt wird, sowie ferner dadurchj
daß örtlich in der Zelle ein Unterdruck erzeugt wird.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Vorrichtung
nach der Erfindung ist so aufgebaut; daß die Elektrolysezelle mit schachtförmigen
Beo reichen für den Bandeinlauf und den Bandauslauf versehen ist; innerhalb der
Bereiche die Anoden in bekannter Weise zueinander und zu dem Metallband angeordnet
und die Bereiche für den Bandeinlauf und Bandauslauf durch ein Unterteil kommunizierend
miteinander verbunden sind sowie die Oberkante des Bereiches für den Bandeinlauf
um ein Maß h unterhalb der Oberkante des Bereiches für den Bandauslauf angeordnet
ist. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsge mäßen Vorrichtung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen; Die Vorteile
der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen; daß nunmehr auch bei einer vertikalen
Führung des Metallbandes'. und zwar sowohl im Einlaufteil als auch im Auslaufteil
der Elektrolysezellej eine nicht laminare Strömung des Elektrolyten in den Elektrolysezonen
erzielt wird; wodurch sich zunäct,st eine Verkleinerung der kathodischen Diffusionsschicht
und die Zurverfügungste!lung einer genügend großen Menge abscheidungsfähiger lonen
ergibt und darüber hinaus die Anwendung hoher Stromdichten; vorzugsweise beim Verzinken
von Stahlband mit mehr als 60 A/dm2j ohne "Anbrennen" des abgeschiedenen Metall-
(Zink-) überzuges möglich wird, dh;, auch eine Erhöhung der Abscheidegeschwindigkeit
erreicht wird; ferner werden gleichzeitig im Elektrolyt vorhandene Partikel daran
gehindert; sich auf dem Metallband
abzusetzen und/oder in den Bereich
der Strornübe tragungsrollen zu gelangen.
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Demgemäß wird letzten Endes eine einwandfreie Oberfläche der abgeschiedenen
Metallschicht schneller und mit einfacheren Mitteln als nach dem Stand der Technik
erreicht.
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Insgesamt wird das Verfahren mit einer Relativströmungsgeschwindigkeit
zwischen mehr als 0,5 bis 2,5, vorzugsweise 3,0 m/sec, durchgeführt, wobei die Relativströmungsgeschwindigkeit
die Differenzgeschwindigkeit zwischen der Metallband und der Elektrolytströmungsgeschwindigkeit
darstellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung anhand bevorzugter
Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei die Fig. 1 bis
5 in schematischer Form Elektrolysezellen in verschiedenen Varianten mit einem ein-
und auslaufenden Metallband zeigen.
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Wie sich aus den Fig. 1 bis 5 ergibt, ist oberhalb einer allgmemein
mit 1 bezeichneten Elektrolysezelle jeweils oberhalb vom Metallbandeinlauf und Metallbandauslauf
in bzw. aus der Zelle 1 eine Umlenkrolle 2, 3 sowie je eine Stromübertragungsrolle
4 5 vor gesehen. Das zu veredelnde, z.B. zu verzinkende M allband 6 läuft entsprechend
der Richtung der Pfeile 7 zwischen der Umlenkrolle 2 und der Stromrolle 4, durch
die die Stromübertragung auf das Metallband 6, z.B. ein Stahlband, linienberührend
erfolgt, abwärts in den Einlaufbereich 8 zwischen den Anoden 9, um die Tauchrolle
10 und dann aufwärts zwischen den Anoden 11 im Auslaufbereich. Nach dem Austritt
aus dem Auslaufbereich 12 der Elektrolysezelle 1 wird das Metallband 6 zwischen
Umlenkrolle 3 und Strom rolle 5 z.B. der nächsten Elektrolysezelle zugeführt. Als
Anoden 9, 11 sind entweder lösliche oder unlösliche Anoden eingesetzt. Alternativ
können anstelle der Umlenkrollen 2 und 3 Strom rollen eingesetzt werden, wodurch
die Strom rollen 4 und 5 entfallen können.
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Wie sich weiter aus den Fig. 1 bis 5 ergibt, ist sowohl der Einlaufbereich
8 als auch der Auslaufbereich 12 schachtförmig ausgebildet, wobei diese Bereiche
8, 12 durch ein Unterteil 13, in dem die Tauchrolle 1o angeordnet ist; kommunizierend
miteinander verbunden sind. Weiterhin ist die Oberkante des Einlaufbereiches 8
um
das Maß h unterhalb der Oberkante des Auslaufbereiches 12 angeordnet. Wird die Elektrolytflüssigkeit
in den Auslaufbereich 12, LB. über einen in Fig. 3 dargestellten Elektrolyteinlauf
14 eingegeben; so ergibt sich während des Durchlaufes des Metallbandes durch die
Elektrolysezelle 1 eine Strömung des Elektrolyten entgegen der Bandlaufrichtungj
d;h; im Auslaufbereich 12 ist die Strömung nach unten und im Einlaufbereich 8 nach
oben gerichtet. Demgemäß tritt der Elektrolyt an der Oberkante des Einlaufbereiches
8 - wie durch Pfeile 18 angedeutet - aus; Der Wert für das Maß h ergibt sich aus
der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit und den Strömungsverlusten für den Elektrolyten
im Auslaufbereich 12, im Unterteil 13 und im Einlaufbereich 8; Die für die Beschichtung
bzw; Veredelung des Metallbandes 6 wirksame Länge der Anoden 9j 11 ist in Fig; 1
mit a angegebene Bei der Ausführungsform der Elektrolysezelle 1 gemäß Fig; 2 sind
die Anoden 9 um den Wert S h verkürzt; so daß die Unterkante der Anoden 9 im Einlaufbereich
8 in gleicher Höhe liegt wie diejenige der Anoden 11 im Auslaufbereich 12; Um insbesondere
eine optimale Länge der Anoden 9 im Einlaufbereich 8,- d;h; eine möglichst lange
Abscheidungsstrecke zu erzielen, sind nach Fig; 3 Einlauftrichter 14 für den Elektrolyten
im Auslaufbereich 12 des Metallbandes 6 vorgesehen; wird der Elektrolyt in diese
Einlauftrichter 14s die zwischen die Anoden 11 reichen; eingeführt, so ergibt sich
im Auslaufbereich 12 eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten zwischen
dem Metallband 6 und den Anoden 11 entgegen der Laufrichtung des Metallbandes 6;
Damit diese Strömung an jeder Stelle der Elektrolysezelle entgegengesetzt der Bandlaufrichtung
aufrechterhalten bleibt und die notwendige DifferenzhöheA h gering gehalten werden
kann; sind unterhalb der Anoden 11 Absaugrohre 15 mit einer Pumpe 16 vorgesehen;
mittels derer Elektrolyt abgesaugt und in den Einlaufbereich 8 unterhalb der Anoden
9 dadurch Speiserohre 17 eingedrückt wird. Hierdurch wird eine zusätzliche nach
oben gerichtete Strömungskomponente in dem Einlaufbereich 8 ausgebildet; um dadurch
Strömungsverluste nahezu auszugleichen; Mit den Pfeilern 18 ist der überlaufende
Elektrolyt angedeutet;
In dem weiteren Ausführungsbeispiel nach
Fig. 4 ist - wie auch in Fig.-' 3 * der zwischen dem Einlauf- und Auslaufbereich
8; 12 der Elektrolysezelle 1 liegende Bereich als Überlaufbehälter 19 ausgebildet;
in dem eine Pumpe 20 angeordnet ist; Der aus dem Einlaufbereich 8 in den Überlaufbehälter
19 laufende Elektrolyt - durch den Pfeil 21 angedeutet - wird mittels der Pumpe
20 - wie durch den Pfeil 22 angedeutet - in die Öffnung des Auslaufbereiches 12
des Metallbandes 6 zurückgepumpt. Demgemäß muß nur eine geringej von einem nicht
dargestellten Vorratsbehälter kommende Elektrolymenge zusätzlich in den Auslaufbereich
12 eingepumpt werden, um die notwendige Strömung entgegengesetzt zur Bandlaufrichtung
zu erzeugen bzw. zu erhöhen.
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Durch Einpumpen einer Elektrolytmenge mit großer Geschwindigkeit kann
dagegen der notwendige Höhenunterschied zur Erzielung einer Strömung reduziert werden;
Die nicht benötigte Elektrolytmenge fließt vom Überlaufbehälter 19 direkt in den
Vorratsbehälter zurück (Pfeil 23); Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
zeigt Fig: 5. Hier ist oberhalb der Elektrolysezelle 1 ein Vorratsbehälter 24 mit
einem Verbindungsrohr 25 zu den Eine lauftrichtern 14 angeordnet: In dieser Elektrolysezelle
1 wird die notwendige Strömungsenergie dadurch erzielt; daß von dem Vorratsbehälter
24 ein gerichteter Elektrolytstrom in die Einlauftrichter 14 des Auslaufbereiches
12 geführt wird; Zur Erzielung einer gleichmäßigen Füllung des Ausiaufbereiches
12 ist es erforderlich, daß stets ein Teil des Elektrolyten aus diesem Bereich 12
- wie durch den Pfeil 26 angedeutet - überläuft. Mittels einer Pumpe 27, die im
Unterteil 13 der Elektroiysezelle 1 unterhalb der Tauchrolle 10 angeordnet ist;
wird unterhalb des Schachtes 12 eine Druckabsenkung und unterhalb des Schachtes
8 eine Drucksteigerung erzielt so daß der Höhenunterschied zwischen den Oberkanten
des Einlauf- und Auslaufbereiches 8, 12 sehr klein gehalten werden kann; Zur Verringerung
der Gesamt -Pumpenergie ist es ferner möglich; wie in Fig. 4 dargestellt1 durch
die Pumpe 20 im Überlaufbehälter 19 eine gewisse Elektrolytmenge direkt in den Vorratsbehälter
24 zurückzuführen;
1 Elektrolysezelle 2j 3 Umlenkrolle 43 5 Stromübertragungsrolle
6 Metallband 7 Pfeile (Bandlaufrichtung) 8 Einlaufbereich 9 Anoden (Einlaufbereich)
10 Tauchrolle 11 Anoden (Auslaufbereich) 12 Auslaufbereich 13 Unterteil 14 Einlauftrichter
15 Absaugrohre (unterhalb Anoden) 16 Pumpe 17 Speiserohre (unterhalb Anoden 9) 18
Pfeile (Einlaufbereich) 19 Überlaufbehälter 2O Pumpe 21 Pfeil (in Überlaufbehälter
19) 22 Pfeil (in Auslaufbereich 12) 23 Pfeil (in Vorratsbehälter) 24 Vorratsbehälter
25 Verbindungsrohr 26 Pfeil 27 Pumpe