Brevet FR2586037A1 — publié le 19870213

DISPOSITIF A CELLULE RADIALE POUR LE PLACAGE ELECTROLYTIQUE. La présente invention concerne un dispositif à cellule radiale pour le placage électrolytique (électro- déposition) et, de manière plus précise, un dispositif convenant particulièrement bien pour le placage électroly- tique de métaux et d'alliages métalliques à densité de courant élevée permettant de régler les conditions d'écou- lement de l'électrolyte de manière à optimiser le procédé de placage et la quantité de revêtement ainsi obtenue. Dans le placage électrolytique en continu de métaux ou d'alliages métalliques sur des rubans métalli- ques, en particulier sur des feuillards d'acier, les procédés à densité de courant élevée, qui utilisent des densités de courant supérieures à 50 A/dm2, se sont impo- sés; actuellement on atteint des densités de courant de 80-120 A/dm2, mais on prévoit pour l'avenir des valeurs notablement plus élevées. Comme on le sait, si l'utilisation de densités de courant élevées permet d'un côté d'obtenir une vitesse de dépôt ou de placage élevée, elle nécessite d'un autre côté de conférer à l'électrolyte une vitesse importante par rapport au ruban à revêtir afin de réduire le plus possible l'épaisseur de la couche d'électrolyte, appauvrie en ions métalliques à déposer, en contact avec ledit ruban métallique. C'est seulement ainsi qu'il est possible, en fait, de maintenir la vitesse et l'efficacité du placage électrolytique. Toutefois, dans les procédés de placage de ce type pour lesquels on exige une efficacité de procédé élevée, une qualité élevée et constante du produit et, évidemment, un coût de production limité, il est néces- saire d'optimiser une série de paramètres opératoires parmi lesquels les plus importants sont le parallélisme constant entre le ruban (cathode) et les contre-électrodes (anodes), les chutes de tension entre les électrodes et le long du ruban, les conditions d'écoulement de l'électroly- te, le degré d'aération de l'électrolyte lié au dégagement de gaz qui s'effectue aux anodes, ainsi que la densité de courant. En ce qui concerne les paramètres que l'on peut immédiatement considérer comme importants, à savoir le parallélisme entre les électrodes et les chutes de ten- sion, on a trouvé une réponse très efficace dans l'intro- duction et le perfectionnement des cellules dites radia- les. En fait, dans ces dispositifs, un gros tambour rota- tif est partiellement immergé dans l'électrolyte et le ruban métallique à revêtir est mis en contact étroit avec la partie immergée dudit tambour et est mis en mouvement en même temps que celui-ci. Les anodes sont placées à faible distance de la surface du tambour et on fait passer l'électrolyte dans l'espace se trouvant entre le tambour - et donc le ruban - et les anodes. Comme le ruban est maintenu en contact étroit avec la surface immergée du tambour, le problème de la constance de la distance entre le ruban et les anodes est résolu. Ensuite, le tambour lui-même peut être rendu conducteur ou bien on peut placer des rouleaux porte-courant en contact avec le ruban en un point très proche de l'endroit o celui-ci pénètre dans l'électrolyte; de cette manière, le problème de la chute de tension est également résolu. Toutefois, les autres problèmes et, en particu- lier, ceux de la vitesse et de l'aération de l'électrolyte n'ont été reconnus que récemment et n'ont pas, jusqu'à présent, trouvé de solution satisfaisante. Il a été démontré que la qualité de revêtement et aussi, dans le cas de placage électrolytique d'allia- ges, l'uniformité de sa composition sont liées à l'unifor- mité de la vitesse relative entre le ruban et l'électroly- te. On a en outre reconnu récemment qu'il est nécessaire de maintenir une relation fixe entre la densité de courant et la turbulence de l'électrolyte afin d'obtenir un dépôt de qualité très élevée (voir la demande de brevet italien 48371-A/85 du 18.7.1985). Toutes ces contraintes montrent que les données et les propositions reprises dans l'état de la technique ne sont pas absolument suffisantes pour garantir l'obtention de produits de qualité suffisamment élevée pour justifier la nature très sophistiquée des installa- tions et des procédés, ainsi que leur coût. En fait, pour avoir une longueur industrielle- ment utile de cellule de placage il faut prévoir des tambours de grand diamètre, par exemple deux mètres, dont la demi-circonférence immergée est d'environ trois mètres et ceci est trop long pour permettre un écoulement régu- lier et constant de l'électrolyte dans la cellule (on rappelle que les rubans peuvent avoir jusqu'à 1,8 mètre de largeur et que l'espace entre les électrodes va de 6-8 mm à 2,5-3 cm au maximum). En outre, cette grande longueur ne permet pas de réaliser une dispersion efficace du gaz qui est inévitablement dégagé aux anodes. Pour obvier à ces deux inconvénients, on introduit l'électrolyte dans la partie la plus basse du réservoir qui contient le tambour et on le divise en deux branches qui montent pour venir effleurer la surface cylindrique du tambour dans un sens perpendiculaire à ses génératrices. Toutefois, même cette disposition n'est pas satisfaisante étant donné que d'un côté l'électrolyte rencontre le ruban qui se déplace en sens opposé tandis que de l'autre côté les deux se rencon- trent en se déplaçant dans le même sens, ce qui ne peut pas évidemment respecter les conditions de constance de vitesse relative entre le ruban et l'électrolyte. On a dès lors proposé des dispositifs dans lesquels plusieurs chambres contenant l'élecrolyte sont disposées autour du tambour, le mouvement de l'électroly- te, étant réglé chambre par chambre. Ces solutions pa- raissent néanmoins complexes et difficiles à équilibrer pour pouvoir être adoptées sans problème dans n'importe quelle installation. On a aussi proposé des installations dans les- quelles les deux branches d'écoulement de l'électrolyte autour du tambour sont alimentées l'une par le bas et l'autre par le haut, de façon à réaliser l'uniformité de mouvement désirée entre le ruban et l'électrolyte. Toute- fois, cette solution impose d'amener le courant au ruban 2586037. par l'intermédiaire du tambour et ceci, pour diverses raisons, ne constitue pas une solution satisfaisante. Dans le cas o, au contraire, le courant est amené par des rouleaux presseurs porte-courant mis en contact avec le ruban en amont et en aval du tambour, il se produit que dans le parcours de l'électrolyte allant du bas vers le haut l'accumulation maximale de gaz produit aux anodes s'effectue au voisinage de l'amenée de courant au ruban, o la chute de tension est minimale, et les effets opposés de la concentration de gaz et de la chute de tension minimale se compensent. Toutefois, dans l'autre parcours, on se trouve dans la situation opposée dans laquelle le maximum de concentration de gaz se produit en concomitance de la chute de tension maximale sur le ruban. Il est aisé de comprendre que, de cette manière, les processus de dépôt s'effectuent dans des conditions différentes dans ces deux parcours, ce qui se traduit par des différences dans les dépôts réalisés et par conséquent par une dégra- dation de la qualité du produit final. En outre, les dispositifs à cellule radiale ne conviennent que pour réaliser des revêtements sur une seule face du ruban, à savoir celle qui n'est pas en contact avec le tambour. Cependant, le marché demande aussi des quantités considérables de rubans revêtus sur les deux faces. Pour ce faire, on a construit des instal- lations de placage électrolytique de type radial qui permettent de produire des revêtements sur les deux faces, le ruban parcourant - après avoir tourné de 180 degrés - le même groupe de cellules, en sens inverse de celui du premier dépôt, ou un groupe de cellules parallèle au premier. Cette dernière solution est quelque peu désavan- tageuse car il est évident que la deuxième section de l'installation ne fonctionne que lorsqu'il est nécessaire de produire des rubans revêtus sur les deux faces. De plus, en tout cas, les conditions d'écoulement au cours du revêtement de la deuxième face sont l'opposé de celles du revêtement de la première face, ce qui entraîne les consé- quences négatives sur la qualité finale du produit que l'on a déjà mentionnées précédemment. Ainsi donc, ayant épuisé les possibilités de mouvement réciproque entre le ruban et l'électrolyte ainsi que les possibilités d'alimentation en courant du ruban à revêtir sans avoir trouvé de solution satisfaisante au problème de l'optimisation de la qualité du produit obte- nu, l'état de la technique actuel laisse clairement enten- dre que les dispositifs de placage électrolytique à cellu- le radiale ne sont utilisables que dans des conditions de procédé particulières et limitées, à moins d'accepter que le produit obtenu soit de qualité inférieure et variable. L'objet spécifique de la présente invention consiste, en particulier, à procurer un dispositif de placaque électrolytique à cellule radiale qui peut être utilisé de manière satisfaisante dans des conditions opératoires variables (vitesse du ruban, densité de cou- rant, aération de l'électrolyte). A cette fin, on suggère suivant la présente invention une solution structurale basée essentiellement sur l'observation que, à partir des autres conditions (et pourvu que l'électrolyte ait une vitesse et par conséquent que son écoulement soit suffisamment turbulent), pour obtenir un dépôt de qualité très élevée à haute densité de courant il est nécessaire qu'il y ait entre le ruban et l'électrolyte une certaine vitesse relative dont seule est importante la valeur absolue et non le sens du mouvement par rapport au ruban. Cette observation a ouvert des perspectives complètement nouvelles pour les installations de placage électrolytique (électrodéposition) à cellule radiale, permettant de diriger l'écoulement de l'électrolyte, dans les zones o s'effectue l'électrodéposition, dans une direction quelconque qui convient pour assurer le rende- ment et l'efficacité générale du procédé. Il en résulte un enseignement technique nouveau consistant en l'indication spécifique de la disposition des moyens de mise en circulation de l'électrolyte de manière à permettre de régler aisément la direction et la vitesse de l'écoulement de l'électrolyte. Dès lors, l'objet spécifique de l'invention consiste en un dispositif à cellule radiale pour le placa- ge électrolytique comprenant un tambour rotatif à axe horizontal qui entraîne le ruban à revêtir qui est mis en contact avec sa surface cylindrique et des jeux d'électro- des disposés en paires faisant face à la surface cylindri- que du tambour de manière à déterminer avec la surface à revêtir deux canaux traversés par le ruban, l'un de haut en bas - appelé canal descendant - et l'autre de bas en haut - appelé canal ascendant -, lesdites électrodes se terminant dans le bas à une certaine distance l'une de l'autre, et comprenant enfin au moins une paire de con- duits, disposés dans la partie terminale inférieure des jeux d'électrodes, pour le passage forcé de l'électrolyte dans les canaux descendant et ascendant, caractérisé par le fait que les conduits de chaque paire de conduits sont pourvus de moyens tubulaires pour l'aminentation d'éjec- teurs disposés dans chacun des conduits pour aspirer l'électrolyte à travers les canaux descendant et ascen- dant, à partir d'une cuve placée au-dessus des canaux et communiquant avec ceux-ci, chacun desdits conduits étant muni de moyens permettant d'introduire l'électrolyte en sens opposé à celui du fonctionnement des éjecteurs pour refouler l'électrolyte depuis les conduits, à travers les canaux descendant et ascendant, vers ladite cuve, des moyens coopérants étant finalement prévus pour que dans chacun des canaux ascendant et descendant l'écoulement de l'électrolyte prenne la direction et la vitesse prédéterminées. Les éjecteurs de chacune desdites paires d'éjec- teurs sont, de préférence, alimentés par le même alimen- teur via une soupape à trois voies, de manière à pouvoir alimenter l'un ou l'autre des éjecteurs, les deux ou aucun d'eux. Pour le réglage de la direction et de la vitesse de l'écoulement de l'électrolyte dans chacun desdits canaux, ascendant et descendant, indépendamment l'un de l'autre et en fonction des conditions réelles du procédé, on prévoit des moyens appropriés consistant essentielle- ment en des soupapes à trois voies, en des moyens de réglage du débit des pompes nécessaires et en des soupapes de réglage du débit. De préférence, lesdits conduits sont en outre reliés entre eux, par l'intermédiaire de soupapes à trois voies disposées en aval desdits éjecteurs et de tubulures raccordant lesdites soupapes à trois voies, ces tubulures pouvant exercer la fonction de dérivation de la soupape à trois voies d'alimentation des éjecteurs. On va à présent expliciter l'invention de maniè- re plus détaillée en se référant à une réalisation illus- trée, à simple titre d'exemple nullement limitatif, dans lesplanches de dessin représentant, aux figures 1 et 2, les schémas de deux modes d'exécution possibles du dispositif. Dans la figure 1, le tambour 1 qui tourne autour de son axe entraîne le ruban 2 qui suit donc, en se dépla- çant dans le sens des flèches, un parcours descendant dans le canal 6, entre l'anode 4 et le tambour 1, et ensuite un parcours ascendant dans le canal 5, entre l'anode 3 et le tambour 1. Les rouleaux porte-courant sont indiqués par 41 et 42. Les électrodes 3 et 4 sont raccordées en bas à des conduits, respectivement 8 et 9, et en haut aux cuves 22 et 25 pourvues de cloisons de séparation et d'un trop- plein 38 et 39 qui délimitent des zones de réception 23 et 26 de l'électrolyte qui y arrive par lesconduits 35 et 36. Les turbulences et les projections éventuelles, dans ces zones 23 et 26, sont évitées par les éléments 24 et 27. Suivant le schéma d'écoulement de la figure, les cuves supérieures 22 et 25, qui communiquent entre elles, sont remplies au moyen de la pompe 29 qui envoie de l'élec- trolyte frais depuis le réservoir 28 à travers le té 40, la soupape de réglage 43 et la tubulure 35. De cette manière, le canal 5 se remplit aussi. La pompe 30 envoie également de l'électrolyte frais depuis le réservoir 28 par l'intermédiaire de la tubulure 13 à la soupape à trois voies 12, laquelle - dans la position représentée - 258603Z--- alimente l'éjecteur 10 qui, à son tour, par l'intermédiai- re du conduit 8, rappelle de l'électrolyte frais de la zone 23 à travers le canal 5. La soupape 14, dans la position indiquée, permet de décharger par le conduit 16 le liquide primaire de l'éjecteur 10 et le liquide secon- daire rappelé à travers le conduit 8. De cette manière, le côté droit du dispositif, c'est-à-dire celui du canal ascendant 5, est actif et en fonctionnement. Le côté gauche du dispositif, c'est-à-dire celui du canal descendant 6, est à son tour rendu actif et en fonctionnement de la manière suivante. L'électrolyte pompé par la pompe 29, arrivé au té 40, est envoyé en partie (avec un débit réglé par la soupape de réglage 44) dans la tubulure 19 et via celle-ci à la soupape à trois voies 32 laquelle, dans la position indiquée, envoie l'électrolyte en sens contraire à celui du fonctionnement de l'éjecteur 11, par l'intermédiaire de la tubulure 34 et de la soupape à trois voies 15, dans le conduit 9 à partir duquel l'électrolyte remonte dans le canal 6 et dans la zone 26, d'o il passe le trop-plein 39 et, via le conduit 20, est déchargé dans le réservoir 28. Il est à noter qu'en réalité le réservoir 28 peut être constitué par une série de réservoirs et de dispositifs non seulement de stockage, mais aussi d'épura- tion de l'électrolyte qui revient des cellules de placage électrolytique par exemple pour éliminer le gaz qui se forme inévitablement aux anodes 3 et -4 - ainsi que de remise en état de la composition et du pH optimums de l'électrolyte. La figure 1 des dessins annexés concerne un schéma d'écoulement dans lequel l'électrolyte et le ruban à revêtir circulent à contre-courant. Toutefois, il est aisé de comprendre qu'en modifiant adéquatement les conditions d'ouverture des soupapes 12, 14, 15, 31 et 32 il est possible de réaliser n'importe quelle condition d'écoulement de l'électrolyte désirée dans les canaux 5 et 6. Ainsi, par exemple, s'il était nécessaire d'ob- tenir un produit revêtu sur les deux faces, le ruban - adéquatement tourné de 180 degrés - serait renvoyé dans les cellules en direction inverse de celle représentée jusqu'à présent; dans ce cas, il suffirait simplement d'inverser les conditions d'ouverture des soupapes 12, 14, , 31 et 32 pour maintenir complètement l'écoulement à contrecourant. Ce qui précède n'épuise pourtant pas les possi- bilités d'intervention de la présente invention pour répondre aux exigences évidentes du procédé et/ou de la qualité du produit. En effet, on a fait observer précédemment qu'il convient de respecter un certain rapport entre l'état de mouvement du fluide (turbulence) et la densité de courant appliquée, en vue d'obtenir un revêtement de qualité excellente. Si l'on suppose que la densité de courant adop- tée et les caractéristiques générales du dispositif exi- gent que la vitesse relative optimale entre l'électrolyte et le ruban soit de 2 m/s, si la circulation se fait exclusivement à contre-courant, comme il est nécessaire que l'électrolyte ait une certaine vitesse, les vitesses relatives admissibles pour le ruban sont relativement basses, jusqu'aux environs de 1,5 m/s. Toutefois, dans ces conditions, la vitesse de l'électrolyte ne permet pas d'obtenir une dilution suffisante du gaz dégagé aux ano- des, ce qui réduit le rendement du procédé et la qualité du produit. Dans ce cas (figure 2), il suffit que dans le canal descendant 6 la circulation de l'électrolyte se fasse dans le même sens que le ruban 2 à une vitesse assez élevée pour maintenir la valeur absolue de vitesse relati- ve désirée. Suivant la configuration de la figure 2, l'opé- ration est réalisée grâce à un choix de la disposition des soupapes à trois voies 12, 14, 15, 31 et 32 tel que le fluide pompé en 30 soit amené aux deux éjecteurs à travers la soupape 12, en aspirant par les conduites 8 et 9 l'électrolyte venant des cuves 22 et 25. Dans la configu- ration indiquée, les soupapes à trois voies 31 et 32 sont réglées de manière à permettre l'arrivée directe de l'élec- trolyte, grâce à la pompe 29, aux cuves 22 et 25. On peut constater que cette configuration permet de réaliser un écoulement différentiel convergent de l'électrolyte. Toutefois, une installation de placage électro- lytique moderne peut facilement adopter des vitesses de ruban supérieures à 2 m/s; il est évident que dans ces conditions, avec la vitesse relative entre le ruban et l'électrolyte susmentionnée, il ne sera possible en aucun cas d'obtenir un produit présentant la meilleure qualité possible. Dans un tel cas, il suffira d'envoyer l'électro- lyte dans les deux canaux, à une vitesse suffisamment élevée, dans le même sens que le ruban pour maintenir la vitesse relative désirée. Une autre disposition possible est celle qui permet de réaliser un écoulement différentiel divergent dans laquelle l'électrolyte est envoyé dans les deux conduits 8 et 9 en sens opposé à celui du fonctionnement des éjecteurs 10 et 11. Par conséquent, il est clair que suivant la présente invention, il est possible, en modifiant simple- ment la position de fonctionnement de quelques soupapes à trois voies, de réaliser n'importe quelle condition voulue et/ou nécessaire du mouvement de l'électrolyte dans les cellules de placage électrolytique, en assurant dans tous les cas la meilleure qualité possible du produit. Finalement, il existe encore une autre possibi- lité d'emploi de la présente invention. S'il est nécessai- re de produire une faible épaisseur de revêtement, au lieu d'éliminer un certain nombre de cellules de la ligne, ce qui peut être difficile à réaliser tout en maintenant un positionnement correct des enrouleuses réceptrices, il est possible - grâce au dispositif suivant la présente inven- tion - de réduire la densité de courant et par conséquent l'écoulement de l'électrolyte dans les cellules, en n'uti- lisant qu'un seul des éjecteurs, le numéro 10 par exemple, en fermant la soupape d'interception 37 et en réglant les soupapes 15 et 14 de telle manière que l'électrolyte venant de la conduite 8 remonte directement dans la con- duite 9 en passant par les tubulures 16 et 17. Il faut noter enfin la fonction de la partie 7 qui délimite un espace de séparation entre les canaux 5 et 6; la surface de cette partie 7 qui fait face au tambour est plus rapprochée de celui-ci que les surfaces des électrodes 3 et 4. De plus, cette surface présente une rugosité élevée afin d'augmenter notablement les pertes de charge du fluide qui coule du conduit à pression plus élevée vers celui qui est à pression moins élevée. De cette manière, on a enregistré des débits d'écoulement inférieurs à 20% du débit dans la branche à pression plus élevée. La présente invention a été décrite en se réfé- rant à quelques-unes de ses formes d'exécution, mais il est bien entendu que des variantes et des modifications pourront être apportées par les experts de la branche sans sortir pour autant de la portée de la protection de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif à cellule radiale pour le placage électrolytique comprenant un tambour rotatif(1) à axe hori- zontal qui entraîne le ruban(2) à revêtir qui est mis en contact avec sa surface cylindrique et des jeux d'électro- des(3,4) disposés enpaires faisant face à la surfacecyclin- drique du tambour(l) de manière à déterminer avec la surface du ruban à revêtir (2) deux canaux (5,6) traversés par le ruban(2),l'un de haut en bas -appelé canal descendant(6) -et l'autre de bas en haut - appelé canal ascendant (5) -,lesdites électrodes(3,4) se terminant dans le bas à une certaine distance l'une de l'au- tre, et comprenant enfin au moins une paire de conduits (8,9),disposés dans la partie terminale inférieure des jeux d'électrodes, pour le passage forcé de l'électrolyte dans les canaux descendant et ascendant (5, 6), caractérisé par le fait que les conduits (8,9) de chaque paire de conduits sont pourvus de moyens tubulaires pour l'alimentation d'éjecteurs (10,11) disposés dans chacun des conduits(8,9) pour aspirer l'électrolyte à travers les canaux descendant et ascendant (5,6), à partir d'une cuve(22,25)placée au-dessus des canaux et communiquant avec ceux-ci, chacun desdits conduits étant muni de moyens(31,32) permettant d'introduire l'électrolyte en sens opposé à celui du fonctionnement des éjecteurs(10, 11) pour refouler l'électrolyte depuis les conduits(8,9), à travers les canaux descendant et ascendant(5,6), vers ladite cuve(22), des moyens coopérants(12,14,15) étant finalement prévus pour que dans chacun des canaux ascendant et descendant (5,6) l'écoule- ment de l'électrolyte prenne la direction et la vitesse prédéterminées. 2. Dispositif à cellule radiale pour le placage électrolytique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les éjecteurs (10,11) de chacune des paires d'éjecteurs sont alimentés par le même alimenteur (28) via une soupape à trois voies (12). 3. Dispositif à cellule radiale pour le placage électrolytique suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que lesdits conduits sont reliés (8,9) entre eux par l'intermédiaire de soupapes à trois voies (14,15) disposées en aval desdits éjecteurs (10,11), ces tubulures pouvant exercer la fonction de dérivation de la soupape à trois voies (12) d'alimentation des éjecteurs (10,11). Il.