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(11) | EP 0 293 969 A2 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Cylindre conducteur pour cellule continue d'électrolyse et cellule équipée d'au moins un tel cylindre |
| (57) Cylindre conducteur (7,20) pour cellule continue d'électrolyse sur lequel se déplace
une bande métallique (9) à traiter par électrolyse et destinée à être raccordée à
une amenée de courant cathodique, au moins la couche de matière (25) de ce cylindre
destinée à venir en contact avec la bande métallique (9) et à être raccordée à l'amenée
de courant (31) présente une conductivité électrique moyenne d'au moins 10 % I.A.C.S.
à 20°C. |
[0001] La présente invention est relative à un cylindre conducteur pour cellule continue d'électrolyse comprenant une chambre d'électrolyse contenant une bande métallique à traiter, telle qu'une tôle d'acier destinée à être recouverte d'un film métallique de protection, à partir d'un cylindre conducteur d'entrée situé d'un côté de la chambre précitée et d'un cylindre conducteur de sortie 20 situé du côté opposé par rapport à cette chambre, ces deux cylindres conducteurs étant raccordés à une amenée de courant cathodique pour que la bande métallique fasse office de cathode, au moins une anode étant prévue dans la chambre d'électrolyse à une certaine distance en ragard de la bande métallique.
[0002] Il est connu de faire usage, dans de telles cellules d'électrolyse, notamment pour le recouvrement de tôles d'acier, d'un film de chrome et d'oxyde de chrome, de cylindres conducteurs dont la couche de matière, destinée à venir en contact avec cette tôle, est réalisée en acier et en acier inoxydable avec chromage en surface.
[0003] Il a, toutefois, été constaté que, en utilisant de tels cylindres surtout à la sortie de la chambre d'électrolyse, des coups d'arcs électriques se produisent entre la tôle et la surface du cylindre qui vient en contact avec la tôle, dès que le courant d'amenée cathodique vers ce cylindre atteint une certaine intensité. Ainsi, tant ces tôles que la surface du cylindre même se détériorent.
[0004] Un des buts essentiels de la présente invention est de procurer un cylindre conducteur qui permet d'éviter entièrement cette formation d'arcs électriques et ceci pour des densités de courant très importantes.
[0005] A cet effet, suivant l'invention, au moins la couche de matière de ce cylindre, destinée à venir en contact avec la bande métallique et à être raccordée à l'amenée du courant cathodique, présente une conductivité électrique moyenne d'au moins 10 % I.A.C.S. à 20°C, cette couche étant recouverte extérieurement d'un revêtement protecteur contenant essentiellement du tungstène ou un alliage de tungstène-molybdène.
[0006] Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, le revêtement précité présente une rugosité comprise entre 50 et 250 CLA, de préférence de l'ordre de 120 à 150 CLA.
[0007] Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention, la couche de matière précitée est essentiellement constituée de cuivre ou d'un alliage de cuivre contenant au moins 70 % de cuivre, tel qu'un alliage Cu-Fe-Al.
[0008] L'invention concerne également une cellule continue d'électrolyse équipée d'au moins un tel cylindre conducteur à la sortie de la chambre d'électrolyse.
[0009] D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, de quelques formes de réalisation particulières du cylindre conducteur suivant l'invention appliquées dans une cellule continue d'électrolyse et déterminée, avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue schématique latérale d'une cellule continue déterminée faisant usage du cylindre conducteur suivant l'invention.
La figure 2 est, à une échelle relativement importante, une coupe transversale d'un détail du cylindre conducteur suivant l'invention.
La figure 3 est une graphique permettant de définir la rugosité.
La figure 4 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'un cylindre conducteur suivant une première forme de réalisation de l'invention.
La figure 5 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'un cylindre conducteur suivant une deuxième forme de réalisation de l'invention.
La figure 6 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'un cylindre conducteur suivant une troisième forme de réalisation de l'invention.
[0010] Dans ces différentes figures, les mêmes chiffres de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
[0011] La figure 1 représente schématiquement une cellule continue d'électrolyse particulière dans laquelle le cylindre conducteur suivant l'invention peut être avantageusement appliqué.
[0012] Il s'agit d'une cellule d'électrolyse pour le chromage de bandes d'acier 9. Cette cellule comprend essentiellement une section d'entrée 1, une section de chromage 2 et une section de sortie 3.
[0013] La section d'entrée 1 se compose d'un bac de trempage 4 contenant un électrolyte 5, un rouleau de renvoi 6 baignant dans l'électrolyte 5, un cylindre conducteur d'entrée 7 de courant cathodique refroidi intérieurement par une circulation d'eau, connue en soi et non représentée, et un rouleau d'appui 8 qui applique la bande 9 sur le cylindre conducteur.
[0014] La section de chromage 2 est composée de deux blocs rectangulaires 10 et 11 superposés, dont les côtés dirigés l'un vers l'autre sont évidés de manière à délimiter une chambre d'électrolyse 12 à travers laquelle peut se déplacer la bande d'acier 9, comme indiqué par la flèche 13.
[0015] Chacun des deux blocs 10 et 11 est équipé de deux anodes 14, d'une série d'injecteurs d'électrolyte 15 et d'une conduite d'alimentation 16 d'électrolyte, situés de part et d'autre de la bande d'acier 9.
[0016] La section de sortie 3 se compose essentiellement de deux rouleaux de renvoi 17 et 18, montés au-dessus d'un bac de récupération d'électrolyte 19 et d'un cylindre conducteur de sortie 20 du courant cathodique contre lequel est appliquée la bande 9 par deux rouleaux d'appui 21 et 22.
[0017] Ainsi, la bande d'acier 9, s'appuyant sur ces deux cylindres conducteurs 7 et 20, fait office de cathode.
[0018] Comme montré schématiquement en traits interrompus à la figure 1, afin d'assurer une intensité de courant maximum aux anodes 14 et aux cylindres conducteurs 7 et 20 et ainsi donc de permettre une vitesse de défilement de la bande 9 à travers la chambre d'électrolyse 12 suffisante qui soit compatible avec le dépôt visé, l'amenée de courant a lieu à parir de deux sources de courant distinctes 23 et 24. La source de courant 23 alimente le cylindre conducteur 7 et les deux premières anodes 14, tandis que la source 24 alimente le cylindre conducteur de sortie 20 et les deux dernières anodes 14. Ainsi, il est parfaitement possible de contrôler d'une manière sensiblement autonome le courant appliqué aux cylindres conducteurs d'entrée 7 et de sortie 20.
[0019] Il a été constaté que le fait que la bande d'acier 9, qui entre en contact avec le cylindre conducteur de sortie 20, soit recouverte d'un film de chrome et d'oxyde de chrome, a comme conséquence que, si des précautions particulières ne sont pas prises, dès que la densité du courant cathodique au cylindre conducteur de sortie 20 dépasse un certain niveau, des coups d'arcs se produisent entre la surface du cylindre et la bande d'acier 9. Ceci peut créer une fusion partielle locale de la surface du cylindre et de la bande, voire même une perforation de cette dernière.
[0020] Suivant l'invention il a été constaté que l'on peut éviter ces coups d'arcs, mêmes à des densités de courant électrique très élevées supérieures à 20.000 A., en utilisant un cylindre conducteur de sortie 20 dont au moins la couche de matière destinée à venir en contact avec la bande métallique 9 et à être raccordée à l'amenée de courant cathodique présente une conductivité électrique moyenne d'au moins 10 % et, de préférence, d'au moins 13 % I.A.C.S.
[0021] De plus, au cas où cette matière ne présenterait pas une résistance chimique suffisante à l'électrolyte, notamment à l'acide chromique, on prévoit avantageusement sur cette couche de matière un revêtement protecteur, présentant également une conductivité électrique relativement important. A cet égard, suivant l'invention, il a été constaté que des résultats très satisfaisants ont été obtenus avec un revêtement qui est essentiellement constitué de tungstène ou d'un alliage de tungstène-molybdène. Ce revêtement est de préférence appliqué par plasma.
[0022] Par ailleurs, pour réduire davantage le risque des coups d'arcs et surtout pour éviter de détériorer la surface du cylindre conducteur au cas où, par suite d'une augmentation accidentelle locale et momentanée de la densité du courant cathodique par exemple, un coup d'arc se produirait quand même, le rvêtement précité présente avantageusement une rugosité comprise entre 50 et 250 CLA, de préférence entre 120 et 150 CLA.
[0024] Plus particulièrement, la rugosité moyenne Ra est la moyenne arithmétique de tous les écarts du profil de rugosité R d'une surface par rapport à une ligne moyenne. Ceci a été illustré par le graphique de la figure 3 et peut être représenté par la formule mathématique suivante :
[0026] Le revêtement protecteur précité présente de préférence une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,35 mm, tandis que l'épaisseur de la couche de matière précitée sur laquelle ce revêtement est appliqué dépend essentiellement de la conductivité de cette dernière et de l'intensité du courant cathodique. Il faut notamment que l'échauffement de cette couche de matière suite au passage du courant ne dépasse pas une limite déterminée. Généralement, cette épaisseur est au moins égale à 5 mm.
[0027] Par ailleurs, dans certains cas, pour obtenir une bonne adhérence du revêtement à cette couche de matière, celui-ci peut être appliqué sur un dépôt de nickel électrolytique.
[0028] Enfin, ce revêtement peut avantageusement être imprégné par un film anti-corrosion d'une résine, telle qu'une résine phénolique, ou de silicone d'une épaisseur qui soit de préférence comprise entre 0,01 et 0,05 mm.
[0029] Parmi les matières qui présentent une conductivité supérieure à 10 % I.A.C.S., il a été constaté que le cuivre ou un alliage de cuivre comprenant au moins 70 % de cuivre, tel qu'un alliage Cu-Al-Fe donne entièrement satisfaction. Un alliage de cuivre contenant de 10 à 11,2 % d'aluminium, 3 à 4,25 % de fer et tout au plus 0,50 % d'autres substances, le solde étant du cuivre, présente une bonne résistance mécanique et une conductivité de l'ordre de 13 % I.A.C.S.
[0030] La figure 2 représente schématiquement, à une échelle relativement importante, une coupe transverale de la surface d'un cylindre conducteur destiné à venir en contact avec la bande métallique.
[0031] Cette coupe montre successivement une couche de matière 25, telle que du cuivre, dont la surface extérieure présente la rugosité définie ci-dessus. Sur cette surface rugueuse est formé le dépôt de nickel électrolytique 26 permettant d'assurer une bonne adhérence du revêtement de tungstène ou d'un alliage tungstène-molybdène 27. Ce revêtement est alors recouvert d'un film anti-corrosion précité 28.
[0032] Comme montré à la figure 1, vu l'épaisseur relativement réduite du dépôt électrolytique de nickel, du revêtement protecteur et du film anti-corrosion, la surface extérieure de ce dernier présente sensiblement la même rugosité que celle de la surface de la couche de matière. Il y a, toutefois, lieu de noter que la figure 2 n'est qu'une représentation schématique dans laquelle les différentes épaisseurs relatives n'ont pas nécessairement été respectées.
[0033] Les figures 4 à 6 concernent trois formes de réalisation pratiques de cylindres conducteurs qui répondent aux caractéristiques générales décrites ci-dessus.
[0034] Dans chacune de ces formes de réalisation, le cylindre même 7 ou 20 forme un tout avec son arbre de rotation 29, qui tourne autour d'un axe 30 et est, comme cet arbre, entièrement plein.
[0035] Dans le cylindre suivant la figure 1, la couche de matière 25 est formée par la totalité du corps du cylindre et est entièrement réalisée en un alliage de Cu-Al-Fe dans les rapports définis ci-dessus. L'amenée du courant cathodique a lieu par l'intermédiaire de balais 31 coopérant avec les deux extrémités libres de l'arbre 29.
[0036] Le revêtement 27, qui est soit du tungstène soit un alliage de tungstène-molybdène, est appliqué directement par projection plasma sur la surface cylindrique du corps du cylindre conducteur et présente une épaisseur de l'ordre de 0,3 mm. Un film de silicone ou d'une résine phénolique 28, empêchant la corrosion par l'électrolyte entraînée par la bande d'acier 9, recouvre le revêtement 27. Ce film n'entrave pas le passage du courant à cause de son épaisseur réduite. La partie de l'arbre 29 entre le cylindre et les balais 31 ainsi que les flancs de ce dernier sont éventuellement protégés par un revêtement de chrome d'une épaisseur de l'ordre de 0,03 à 0,04 mm, non représenté à la figure 4.
[0037] Le cylindre conducteur suivant la figure 5 se différencie par rapport à celui de la figure 4 par le fait que le corps 25′ du cylindre et de l'arbre est réalisé en acier. La couche de matière conductrice 25 du courant cathodique est formée d'une chemise de cuivre appliquée tant sur le corps du cylindre que sur la paroi de l'arbre 29. L'épaisseur de la chemise de cuivre est de l'ordre de 9 mm sur la surface cylindrique du cylindre et de l'ordre de 20 à 25 mm sur l'arbre.
[0038] Une couche intermédiaire d'acier inoxydable 32 d'une épaisseur de l'ordre de 10 mm est prévue entre la chemise de cuivre 25 et le corps 25′ du cylindre. Pour assurer l'adhérence du revêtement de tungstène ou de tungstène-molybdène 27, il peut avantageusement être utile de prévoir entre la chemise de cuivre et ce revêtement un dépôt de nickel électrolytique non représenté à la figure 5. Par le fait que les balais 31 coopèrent avec la chemise de cuivre appliquée sur l'arbre 29, le courant cathodique passe donc directement par cette chemise vers la bande métallique 9 en contact avec la surface cylindrique du cylindre.
[0039] Dans le cylindre conducteur suivant la figure 6, la couche de matière 25 est formée par la totalité du corps du cylindre même et de l'arbre 29 et est réalisée en cuivre. Pour assurer la rigidité du cylindre et de l'arbre, ceux-ci sont renforcés par une chemise d'acier. La partie 33 de la chemise s'étendant autour de la surface cylindrique en cuivre du cylindre est de préférence en acier inoxydable d'une épaisseur de l'ordre de 20 mm, tandis que la partie 34 de la chemise s'étendant sur le flanc du cylindre et sur une partie de l'arbre est de préférence réalisée en acier carbone d'une épaisseur pouvant être de 25 mm ou plus. Il est important de noter que, pour que le courant cathodique se transmette à partir des balais directement au corps du cylindre en cuivre, les extrémités libres 29′ de l'arbre 29, avec lesquelles coopèrent les balais 31, sont entièrement dépourvues de la chemise en acier.
[0040] Le problème des coups d'arcs se pose surtout au cylindre conducteur de sortie 20, de sorte que, le cas échéant, on pourra faire usage d'un cylindre conducteur d'entrée 7 classique, c'est-à-dire en acier avec chromage en surface. En ce qui concerne le cylindre conducteur de sortie 20, il est important que la surface de contact entre la bande métallique et le cylindre soit aussi grande que possible. Ceci peut être obtenu par le choix du diamètre, qui est, pour les exemples montrés aux figures 4 à 6, de l'ordre de 320 mm, et par le choix de l'angle d'embrassement, qui, dans la cellule montrée à la figure 1, est de 180°.
[0041] Ci-après est donné un exemple concret d'application de la cellule précitée pour la formatin d'un dépôt électrolytique de chrome et d'oxyde de chrome sur une bande d'acier.
[0042] Les normes du produit sont comme suit :
Chrome :
niveau moyen minimum : 50 mg/m²/face
niveau ponctuel minimum : 30 mg/m²/face
Oxyde de chrome :
niveau moyen minimum : 7 mg/m²/face
niveau ponctuel minimum : 5 mg/m²/face.
- Composition de l'électrolyte dans la chambre d'électrolyse 12 :
CrO₃ : 97,5 g/l
H₂SiF₆ : 1,72 g/l
H₂SO₄ : 0,77 g/l
Cr³⁺ : 2,1 g/l
- Température de l'électrolyte : 51°C
- Vitesse de défilement de la bande d'acier : 400 m/min.
- Rendement de courant cathodique : 32 %
- Largeur de la bande : 894 mm
- Courants :
- au cylindre conducteur d'entrée 7 : 16.000 A.
- au cylindre conducteur de sortie 20 : 14.000 A.
- Aspect du dépôt : métallique sur les 2 faces
- Fini surface acier : brillant
- Cylindres conducteurs :
suivant la figure 4, avec un revêtement de protection en tungstène et une rugosité de 150 CLA.
- Dépôt sur la bande d'acier :
72 mg/m²/face de chrome suivi de
10 mg/m²/face d'oxyde de chrome.
- Absence totale de coups d'arcs sur les deux cylindres conducteurs.
1. Cylindre conducteur (7,20) pour cellule continue d'électrolyse comprenant une chambre
d'électrolyse (12) contenant un électrolyse à travers laquelle se déplace une bande
métallique à traiter (9), telle qu'une tôle d'acier, destinée à être recouverte d'un
film métallique de protection, à partir d'un cylindre conducteur d'entrée (7), situé
d'un côté de la chambre précitée(12) vers un cylindre conducteur de sortie (20) situé
du côté opposé par rapport à cette chambre (12), ces deux cylindres conducteurs (7,20)
étant raccordés à une amenée de courant cathodique pour que la bande métallique (9)
fasse office de cathode, au moins une anode (14)étant prévue dans la chambre d'électrolyse
(12) à une certaine distance en regard de la bande métallique (9),ce cylindre étant
caractérisé en ce qu'au moins la couche de matière (25) de ce cylindre (7, 20), destinée
à venir en contact avec la bande métallique (9) et à être raccordée à l'amenée de
courant cathodique (31) présente une conductivité électrique moyenne d'au moins 10
% I.A.C.S. à 20°C, cette couche étant, si nécessaire, recouverte extérieurement d'un
revêtement protecteur (27) contenant essentiellement du tungstène ou un alliage de
tungstène-molybdène.
2. Cylindre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement précité
présente une rugosité comprise entre 50 et 250 CLA, de préférence de l'ordre de 120
à 150 CLA.
3. Cylindre suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce
que le revêtement précité (27) présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,35 mm.
4. Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce
que la couche de matière précitée (25) présente une épaisseur d'au moins 5 mm, dépendant
de la conductivité de celle-ci et de l'intensité du courant cathodique appliqué.
5. Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce
que le revêtement (22) de tungstène ou d'un alliage de tungstène-molybdène est fixé
sur la couche de matière précitée (25) par l'intermédiaire d'un dépôt électrolytique
de nickel (26).
6. Cylindre suivant l'une quelconque des revendica tions 1 à 5, caractérisé en ce
que le revêtement précité (27) est recouvert d'un film anti-corrosion (28) en une
résine, telle qu'une résine phénolique, ou en silicone, présentant de préférence une
épaisseur comprise entre 0,01 et 0,05 mm.
7. Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce
que le revêtement (27) est appliqué par plasma.
8. Cylindre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce
que la couche de matière précitée (25) est essentiellement constituée de cuivre ou
d'un alliage de cuivre contenant au moins 70 % de cuivre, tel qu'un alliage Cu-Fe-Al.
9. Cylindre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de matière
(25) est formée par sensiblement la totalité du corps du cylindre et est réalisée
en un alliage de cuivre.
10. Cylindre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de matière
précitée (25) est formée par une chemise en cuivre ou en un alliage de cuivre, de
préférence d'une épaisseur de l'ordre de 5 à 15 mm appliquée sur un support en acier
(25′) formant le corps du cylindre, l'amenée du courant cathodique ayant directement
lieu à travers cette chemise en cuivre (25).
11. Cylindre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de matière
est formée par sensiblement la totalité du corps (25) du cylindre et est réalisée
en cuivre renforcé extérieurement par une chemise d'acier (33), de préférence d'une
épaisseur de l'ordre de 15 à 25 mm, sur laquelle est alors appliqué le revêtement
(27) en tungstène ou en un alliage de tungstène-molybdène.
12. Cellule continue d'électrolyse (12), contenant un électrolyte, à travers laquelle
se déplace une bande métallique à traiter (9), telle qu'une tôle d'acier destinée
à être recouverte d'un film de protection, à partir d'un cylindre conducteur d'entrée
(7) situé d'un côté de la chambre précitée (12) vers un cylindre conducteur de sortie
(20), situé du côté opposé par rapport à cette chambre (12), ces deux cylindres étant
raccordés à une amenée de courant cathodique pour que la bande métallique (9) fasse
office de cathode, au moins une anode étant prévue dans la chambre d'électrolyse (12)
à une certaine distance en regard de la bande métallique (9), cellule caractérisée
en ce qu'elle comprend au moins un cylindre conducteur de sortie (20) répondant à
l'une quelconque des revendications 1 à 11.