DE69315091T2 - Verfahren und vorrichtung zur elektrolytischen herstellung von kupferdraht - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen kontinuierlichen technischen elektrolytischen Prozeß für die Verdickung von Draht und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für die elektrolytische Raffination oder die elektrolytische Extraktion von Metallen, insbesondere von Kupfer, durch elektrolytisches Abscheiden von Metall auf einen metallischen Ausgangsdraht während des Prozesses.
• Das herkömmliche, überall in der Industrie angewandte Verfahren zur Herstellung von Kupferdraht beginnt mit allgemein als "Kathoden" bezeichneten quadratischen Reinkupferplatten mit einer Kantenlänge von etwa 3,3 ft. (1000 mm) und einer Dicke von etwa 5/8 Zoll (15 mm). Die Kathoden werden während der Prozesse der elektrolytischen Raffination oder der elektrolytischen Extraktion durch elektrolytisches Abscheiden von Reinkupfer auf dünne Starterbleche von Garkupfer oder auf ein Metall wie z.B. rostfreien Stahl gebildet, von denen das abgeschiedene Material rückextrahiert wird. Diese quadratischen Starterbleche, die ebenfalls eine Kantenlänge von etwa 3,3 ft. (1000 mm) aufweisen, aber etwa 0,04 Zoll (1 mm) dick sind, müssen diskontinuierlich in die Elektrolyttanks eingeführt werden, wenn die dicker gewordenen Raffinat- Kathodenplatten als Fertigerzeugnis ausgetragen werden, wobei beide Prozesse Handarbeit anwenden. Darüberhinaus wird die Elektrolyse im allgemeinen bei niedrigen Stromdichten durchgeführt, wobei die Stromdichte definiert ist als die an die Tanks, die über den eingetauchten Flächenbereich der Gesamtanzahl der vorhandenen Kathoden-Starterbleche verteilt sind, angelegte Stromstärke (Kathodenstromdichte), oder ausgedrückt wird in Form der benetzten Bereiche der zu raffinierenden Rohkupferanoden oder der inerten Anoden bei elektrolytischen Extraktionsprozessen (Anodenstromdichte). Niedrige Dichten sind im allgemeinen ineffizient, da die abgeschiedene Kupfermenge direkt proportional ist zu der Menge des zugeführten Stroms. Dennoch werden höhere Stromdichten im allgemeinen beim gegenwartigen Stand der Technik nicht angewandt, um den Durchsatz zu verbessern und die Herstellungskosten einer Kupfererzeugniseinheit zu verringern, da die Qualität des auf diese Weise in herkömmlichen Tanks erhaltenen plattierten Metalls gemindert werden würde und/oder die sich ergebende Rauheit des Produktes unerwünscht wird.
• Um Draht herzustellen, müssen die Kathoden dann in einer getrennten und komplizierten Vorrichtung geschmolzen, gegossen und warmgewalzt werden, um eine Stange mit einem Durchmesser von normalerweise 5/16 Zoll (7,94 mm) herzustellen. Diese Stange wird dann in Draht, z.B. eine Kabelader, umgewandelt. Der erste Schritt in diesem Prozeß ist das "Stangenvorband", bei dem die Stange bis auf etwa AWG (amerikanische Drahtlehre) Nr. 14 (1,628 mm) kaltgezogen wird. Der Zwischendraht wird nach dem "Stangenvorband" bis auf die Endproduktgröße weiter kaltgezogen. Während des Kaltziehprozesses muß der Draht periodisch geglüht werden.
• Folglich verbraucht das herkömmliche Verfahren der Kupferdrahtproduktion, das mit einem elektrolytischen Raffinations- oder einem elektrolytischen Extraktionsprozeß beginnt, viel Energie und erfordert beträchtliche Lohnkosten und hohen Kapitalaufwand. Die Schmelz-, Gieß- und Warmwalzprozesse setzen das Produkt außerdem einer zusätzlichen Oxidation und einer potentiellen Verunreinigung durch Fremdstoffe, wie z.B. feuerfeste Materialien und Walzenwerkstoffe, aus, was in der Folge zu Problemen bei den Drahtziehern, im allgemeinen in Form von Drahtbrüchen wghrend des Ziehens, führen kann.
• Im Stand der Technik wurde versucht, die mit den herkömmlichen Verfahren für die Produktion von Draht und Stangen verbundenen Probleme durch Anwenden eines kontinuierlichen elektrolytischen Prozesses zu überwinden, durch den ein Ausgangsdraht aus Reinkupfer verstärkt wird, indem der Draht als eine Kathode durch einen Tank geführt wird, der Elektrolyt enthält, und indem unreines Kupfer oder Blei als Anode verwendet wird. Viele Patente wurden über die Jahre auf diesem Gebiet veröffentlicht, der Bedarf nach effizienteren elektrolytischen Prozessen und Vorrichtungen der Drahtherstellung, die technisch und wirtschaftlich realisierbar sind, besteht jedoch weiter.
• Das U.S.-Patent Nr. 1,058,048 beschreibt das elektrolytische Abscheiden von Kupfer auf Draht durch Vorschieben des Drahtes in einem Elektrolyttrog in einer kontinuierlichen Reihe von endlosen Bewegungsschleifen. Das U.S.-Patent Nr. 4,097,354 veranschaulicht das kontinuierliche elektrolytische Plattieren von Metall unter Verwendung beweglicher Kathoden und Anoden in Form von Blechen oder Platten. Das britische Patent Nr. 1,172,906 betrifft das Herstellen von Kupferdraht durch elektrolytisches Abscheiden in einem kontinuierlichen Prozeß, der das kontinuierliche Formen eines länglichen Stabes durch elektrolytisches Abscheiden auf eine bewegliche Kathodenfläche, das Abziehen des Stabes von der Kathodenfläche und sein Durchlaufen durch einen Elektrolyten neben den Anoden umfaßt, damit seine Dicke zunimmt. Das britische Patent Nr. 1,398,742 veranschaulicht einen kontinuierlichen Prozeß zum elektrolytischen Abscheiden von Kupfer auf Draht durch Führen des Drahtes als eine Kathode durch das Bad mittels einer Vielzahl von Walzen, die einen entsprechenden Weg beschreiben und, nach Auftauchen aus dem Bad, durch Hindurchführen des Drahtes durch Wascheinrichtungen. Das U.S.-Patent Nr. 4,196,059 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Einführen getrennter dünner Kupferdrähte als eine kathodische Starterfläche oder Ausgangsfläche für einen einzigen Durchgang durch einen Tank zum Raffinieren von Anodenblöcken aus unreinem Kupfer, wodurch die Drähte durch elektrolytisches Abscheiden dicker werden, so daß Stangen mit großem Durchmesser (etwa 20 mm) entstehen. Es wird behauptet, daß der Prozeß bei hohen Stromdichten ohne Verunreinigung der raffinierten Stange durch die normalen Beimengungen durchgeführt werden kann, die in den Anodenschlammrückständen festgestellt werden.
• Das U.S.-Patent Nr. 4,395,320 offenbart außerdem eine Elektroplattiervorrichtung zum Vergrößern des Querschnitts eines Drahtes, bestehend aus einer Kaskade von Elektrolysebädem, die durch Walzen getrennt sind, die auf den zu verstärkenden Dräht drücken, um seine durch die in dem Verfahren verwendeten hohen Stromdichten verursachte rauhe Oberfläche zu glitten.
• Das U.S.-Patent Nr. 3,676,322 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines elektrolytisch plattierten Drahtes, umfassend das wiederholte Einbringen eines einzelnen Drahtes in einen Elektrolyten mit anschließendem Herausnehmen aus ihm, der in Tanks enthalten ist, die zwischen iußeren Führungsrollen angeordnet sind. Die Rollen führen den Draht kontinuierlich stufenweise hin und zurück durch die Tanks zwischen den Führungsrollen, wobei der Draht als kathodische und anodische Elektrode wirkt, um das elektrolytische. Plattieren herbeizuführen.
• Das U.S.-Patent Nr. 4,891,105 veranschaulicht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdicken eines einzelnen Kupferdrahtes durch mehrmaliges Herumführen des Drahtes um äußere, elektrisch leitende und motorgetriebene Wellen, wobei mindestens ein Paar von Drahtvorhängen in dem Tank gebildet wird. Der Draht durchläuft während des Verdickungsvorgangs mehrmals eine Anzahl von längsgerichteten Kanälen in entgegengesetzten Richtungen.
• Das U.S.-Patent Nr. 3,929,610 veranschaulicht die Elektroformung von Metallitzen unendlicher Länge durch kontinuierliches elektrolytisches Abscheiden von Metall auf ein leitendes Band mit einer schmalen Closed-Loop-Plattierungsfläche.
• Das U.S.-Patent Nr. 4,053,377 betrifft nicht die Drahtproduktion und ist von Interesse, um das elektrolytische Abscheiden von Kupfer auf eine Kathode unter den Bedingungen des turbulenzfreien Elektrolytstroms zu zeigen, der durch ein Venturiprofil und durch ein einziges Kathoden-Anoden-Paar erreicht wird.
• Obwohl der Stand der Technik viele Fortschritte auf diesem Fachgebiet gemacht hat, besteht Bedarf an verbesserten Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Kupferdraht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zur effektiven und effizienten elektrolytischen Verdickung großer Mengen von Draht bereitzustellen.
• Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden ohne weiteres offensichtlich aus der folgenden Beschreibung, die sich bequemerweise auf die Verdickung von Kupferdraht mit Kupfer bezieht.
• Es wurde jetzt entdeckt, daß ein Ausgangsmaterial, wie z.B. Draht, effektiv und effizient durch Verwenden einer Vorrichtung elektrolytisch verdickt werden kann, in der der Draht in Form vertikaler Vorhänge horizontal durch die Vorrichtung transportiert wird, die eine Anzahl von Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik aufweist. In der einen Ausführungsform wird mindestens eine Gruppe oder ein Paar von äußeren, an entgegengesetzten Enden eines Tanks angeordneten Antriebswellen verwendet, auf denen mindestens zwei Drähte transportiert und mehrmals in einen speziell konstruierten elektrolytischen Plattierungstank mit einer gewünschten Geschwindigkeit und/oder Stromdichte und/oder Durchlaufzahl eingeführt und aus ihm herausgeführt werden, bis verdickte Drähte der gewünschten Größe erhalten werden. In einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Sätze von äußeren Antriebswellen zusammen mit einzelnen oder mehreren Ausgangsdrähten darauf zum Verdicken verwendet. In Ausführungsformen entweder mit einzelnen oder mit mehreren Wellen können konvergierende Walzen verwendet werden, um den Weg des Drahtes zu ändern und die Drahtvorhänge in horizontaler Richtung dichter zusammen anzuordnen. Eine weitere Ausführungsform verwendet konvergierende Walzen und wendet die Walzen in Verbindung mit mehreren Sätzen von speziell, d.h. winkelförmig oder dreieckförmig, angeordneten äußeren Antriebswellen an, wobei diese Ausführungsformen die Tankgröße minimieren, die zum Bearbeiten einer speziellen Anzahl von Drähten erforderlich ist.
• Fig. 1 veranschaulicht die Draufsicht der einen Ausführungsform für das elektrolytische Plattieren von Kupferdraht und die Herstellung von verdicktem Draht gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 veranschaulicht eine seitliche Querschnittsansicht der erwähnten Vorrichtung entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1.
• Fig. 3 veranschaulicht die Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
• Fig. 4 veranschaulicht die Draufsicht einer Ausführungsform der Erfindung, die lediglich die drahtzusammenführenden Walzen und mehrere äußere, dreieckförmig angeordnete Antriebswellen zeigt.
• Fig. 5 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform der Erfindung, die mehrere äußere Antriebswellen veranschaulicht, die konvergierende Walzen verwenden, sowie zu der Achse des Tanks winkelförmig angeordnete Antriebswellen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die kontinuierliche Herstellung von verdicktem Draht durch elektrolytisches Abscheiden auf einen kathodischen Ausgangsdraht unter Verwendung unreinen Metalls oder inerter Materialien, wie z.B. Blei, für die Anode, und bezieht sich zweckmäßigerweise auf metallisches Kupfer und kupfernen Ausgangsdraht.
• Fig. 1 und 2 veranschaulichen eine Draufsicht und eine seitliche Querschnittsansicht der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier vorgenommene Verweisungen beziehen sich übereinstimmend auf alle diese Figuren. Die in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen sind ihrem Charakter nach lediglich beispielhaft, die Zeichnungen und die begleitende Beschreibung illustrieren dagegen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Positionen.
• Ein aus einem geeigneten Werkstoff, wie z.B. PVC, Hartpolyethylen, faserverstärktem Polyester oder anderen synthetischen Materialien und Polymerbeton gefertigter Tank 10 mit Stirnwänden 10a und 10b und Innenwänden 10a' und 10b' enthält das Elektrolysebad 11 (den Elektrolyten). Ein bevorzugter Konstruktionswerkstoff ist Polymerbeton. Anoden 12 (es sind Gruppen aus vier Anoden dargestellt) sind in Reihen wie in Fig. 1 angeordnet und bilden durchgehende parallele Kanäle 16 für den Draht 13 (dargestellt als vier (4) getrennte Drähte 13a, 13a', 13b und 13b'), die durch den Tank laufen. Die Anoden 12 können unterschiedlich hoch sein, um einen etwaigen Durchhang der Drähte 13 in dem Tank zu kompensieren. Eine nichtleitende Trenneinrichtung 27, z.B. Leisten, auf der Anode 12 normalerweise mit einer Dicke bis zu 1 Zoll (2,54 mm), je nach der Größe des Kanals 16, kann verwendet werden, um durch Kontakt des Drahtes 13 mit der Anode 12 verursachte Kurzschlüsse zu minimieren. Die Leisten können in jeder geeigneten Form auf der Anode - normalerweise vertikal oder oberhalb und unterhalb des Drahtvorhangs - angeordnet sein, um den Abstand zwischen Draht und Anoden aufrechtzuerhalten. Die Leisten 27 sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Ferner können Anodenkörbe benutzt werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Zwischen dem Draht 13 und den Anoden 12 können Membranen verwendet werden, um die Verunreinigung des Drahtes durch Schlamm und/oder Gas zu minimieren. Eine Anodensammelschiene 23 und Anschlußschienen 23a liefern Strom für die Anoden 12 und sind vorzugsweise zusammen mit Anodenhaltern 24 herausnehmbar, um das Herausnehmen des Drahtes 13 zum Reinigen des Tanks, zum Instandsetzen von Drahtbrüchen usw. zu ermöglichen. Fig. 1 veranschaulicht eine einzige Elektrolysezelle und, wenn mehrere Zellen verwendet werden, können Gruppen oder Sätze jeder Zelle elektrisch zu einer Parallelschaltung verdrahtet werden, um die Reparatur einer einzelnen Zelle oder ihrer Hilfsausrüstung zu ermöglichen.
• Drähte 13a, 13a', 13b und 13b' aus Reinkupfer werden viele Male durch den Tank 10 und rund um Gruppen von elektrisch leitenden Wellen 14 geführt (dargestellt als zwei (2) Gruppen von Wellen 14a und 14a' und 14b und 14b'), wobei die Drähte vier Vorhänge 25 bilden. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, sind getrennte Drähte 13a und 13b vertikal auf der Gruppe von -- Wellen 14a und 14b und getrennte Drähte 13a' und 13b' vertikal auf der Gruppe von Wellen 14a' und 14b' angeordnet. Die elektrisch leitenden Wellen können unabhängig voneinander durch Motoren 28 (dargestellt als Motoren 28a und 28b) angetrieben werden. Die Wellen können geriffelt sein, um, neben anderen Vorteilen, das Herausnehmen des Drahtes und der Wellen aus dem Tank als eine geschlossene Einheit zur Instandsetzung von Drahtbrüchen, zum Anlaufen des Prozesses usw&sub6; zu erleichtern. Die kupfernen Ausgangsdrähte 13a, 13a' 13b und 13b' wirken als Kathoden und werden den rotierenden Wellen von Ablaufspulen oder Ablaufhaspeln 17 (dargestellt als 17a und 17b, wobei 17a' und 17b' nicht dargestellt sind) zugeführt, vorzugsweise auf dem Bügel verdreht, um die axiale Drehung zu übertragen, und dadurch viele Male durch die Wände 10a, 10a', 10b und 10b' in den Tank eingeführt und aus ihm herausgeführt. Ein doppelwandiger Tank, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, ermöglicht es, daß der durch die Wände 10a' und 10b' austretende Elektrolyt in der Doppelwand aufgefangen und beispielsweise durch Rohrleitungen 18 dem Tank 10 wieder zugeführt wird. Schlamm und/oder Elektrolyt können durch die Rohrleitung 19 entfernt werden, und Ventile 22 regeln den Zufluß des Elektrolyten 11 oder des Schlamms zu einem Rückgewinnungs- oder Reinigungsabschnitt, oder führen den Elektrolyten dem Tank 10 wieder zu. Dargestellt ist ein Tank 10 mit schrägem Boden, der das Sammeln und Abziehen des Schlamms erleichtert. Die durch die elektrolytische Wirkung dicker gewordenen Drähte werden von den Wellen 14 abgenommen (dargestellt als Wellen 14a, 14a', 14b und 14b') und in Spulen oder Haspeln auf Wickler 20 (dargestellt als 20a, 20a', 20b und 20b') aufgewickelt und können von den gleichen Motoren angetrieben werden, die die Wellen an den jeweiligen Enden des Tanks antreiben.
• Die Tankwände 10a und 10b und 10a' und 10b' weisen Öffnungen 15 auf, die jede beliebige Konfiguration und Größe haben können, die erforderlich sind, um den Durchgang des Drahtes durch sie zu ermöglichen. Für einen Draht mit kreisförmigem Querschnitt werden die Öffnungen 15 gewöhnlich ebenfalls kreisförmig sein und eine Größe besitzen, die groß genug ist, um den Durchgang des Drahtes ohne übermäßige Reibung zu ermöglichen. Für einige Anwendungen ist es allerdings wünschenswert, die elektrolytische Zirkulation in dem Tank zu verstärken, um z.B. die Grenzen der Diffusionsschicht zu minimieren und folglich die Stromdichteeffekte zu verzögern, und die Öffnungen 15 in den Wänden 10a' und 10b' besitzen eine spezielle Größe, um den Durchtritt von Elektrolyt durch sie mit geregelten Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Die Größe der Öffnungen 15 kann beispielsweise vom Boden zum oberen Ende des Tanks 10 zunehmen, um ein gleichförmiges Strömungsbild in dem Tank zu erzeugen. Die Phasengrenzfläche Draht- Elektrolyt kann beispielsweise auch durch Resonanzschwingungen der Drähte in den Vorhängen bewegt werden. Außerdem kann anstelle von einzelnen Öffnungen ein Schlitz in den Wänden 10a' und 10b' verwendet werden, die Breite des Schlitzes kann ebenfalls zum oberen Ende des Tanks hin zunehmen, um einen gleichförmigen Elektrolytstrom zu erzielen. Für Ausführungsformen, von denen der Draht und die äußeren Antriebswellen aus dem Tank als eine geschlossene Baugruppe entfernt werden können, wie oben erörtert wurde, werden die Wände 10a, 10a', 10b und 10b' Schlitze aufweisen, um das Entfernen aus dem Tank zu ermöglichen.
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das elektrolytische Abscheiden auf den Draht 13 solange verhindert wird, bis der Draht z.B. durch die Wirkung des Elektrolyten wirksam gereinigt wurde, beispielsweise durch einen oder mehrere derartige Durchgänge durch den Tank 10. Dies kann z.B einhergehen mit der Durchführung jedes Drahtes 13, der in den Tank 10 eintritt, durch eine in dem Tank angeordnete dielektrische Leitung (Rohrleitung) oder mit der Durchführung des Drahtes oberhalb oder unterhalb der wirksamen Anodenfläche.
• Ein Hebezeug, das zum Ersetzen der korrodierten (verarmten) Anoden benutzt wird, ist in den Figuren nicht dargestellt. Im Hinblick auf das Ersetzen der Anoden wird es vorgezogen, die kathodischen Drahtvorhänge 25 durch ihr Abschirmen während des Auswechselvorgangs zu schützen, beispielsweise durch Einsetzen hängender U-förmiger nichtleitender Schutzvorrichtungen über die Drahtvorhänge während des Anodenwechsels.
• Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die zu verdickenden Drähte um konvergierende Hilfswalzen 30 herumgeführt werden, die bewirken, daß das Strecken des Drahtes ausgeglichen und die Richtung der Drähte geändert wird und demzufolge die Abstände der Drähte 13 in dem Tank 10 zu den Anoden 12 und den Tankseitenwänden 31 verändert werden. Für zahlreiche Prozesse ist ein enger Abstand zwischen Draht und Anode wünschenswert, um z.B. durch Minimieren des Spannungsabfalis durch das Bad die elektrische Energie zu verringern, die erforderlich ist, um eine Einheit verdickten Kupferdrahtes zu erzeugen. Die konvergierenden Walzen 30 können bewegbar oder ihre Größe kann austauschbar sein, um die Abstände Anode-Kathode zu regeln. Der Abstand kann außerdem durch Anordnen der Anoden auf den Anodenhaltern 24 geregelt werden. In der einen Ausführungsform können Doppelreihen von Anoden 26 (wie in Fig. 3 dargestellt) verwendet werden, um Kanäle 16 zu bilden, wobei jede Reihe zur maximalen Stromwirksamkeit seitlich zu den Drahtvorhängen angeordnet ist. Die Anoden können des weiteren während des Prozesses bewegt werden, um den gewünschten Abstand Anode-Kathode aufrechtzuerhalten. Dieser veränderliche Abstand Anode-Kathode hat darüberhinaus den Effekt, die ohmsche Erwärmung zu minimieren, die einen Temperaturanstieg des Elektrolyten verursacht.
• Wenn jedoch die angewandte Stromdichte und/oder der elektrische Widerstand durch das Bad verhältnismäßig niedrig sind, kühlt der Elektrolyt, der durch Konvektion Wärme an die Umgebungsluft abgibt, von seiner Normaltemperatur von etwa 50 bis 60 ºC ab. In der einen Ausführungsform sind wärmeisolierende Abdeckungen 32 vorgesehen, wie in Fig. 1 (teilweise) und in Fig. 2 (die vollständige Abdeckung) dargestellt, um den oberen Teil des Tanks während des Prozesses abzudecken, und wenn der Prozeß dazu benutzt wird, Kupfer elektrolytisch zu extrahieren, können derartige Abdeckungen zusätzlich halbfest befestigt sein, wodurch sich unangenehmer Säurenebel, der von der Freisetzung von Sauerstoff an den Anoden herrührt, wirksam kontrollieren läßt.
• Fig. 2 veranschaulicht außerdem eine vertikale Halterung 29, die normalerweise etwa in der Mitte des Tanks in jedem Kanal angeordnet ist und aus PVC oder einem anderen geeigneten Material besteht und Öffnungen aufweist, um die Drähte durch sie hindurchzuführen, und die bewirken, daß die Position der Vorhänge stabilisiert wird.
• In einer weiteren Ausführungsform können die konvergierenden Walzen 30 in Verbindung mit einem dreieckförmigen Zwischenraum der äußeren Wellen 14 und mit einem Zwischenraum der Anoden 12 verwendet werden, um die Minimierung der Tankgröße zu ermöglichen, die zum Herstellen des verdickten Drahtes erforderlich ist. Fig. 4 veranschaulicht eine derartige Konfiguration unter Verwendung einer zusätzlichen Welle 14a" und eines Drahtes 13a" (es wird darauf hingewiesen, daß sich auf jeder Welle nur ein Draht befindet), und es wird besonders erwähnt, daß die zum Verdicken der Drähte erforderliche Tankgröße kleiner sein kann als andere Konfigurationen, die keine konvergierenden Walzen 30 und beabstandete äußere Wellen 14, insbesondere dreieckförmig beabstandete Wellen, verwenden, da die Drähte in horizontaler Richtung dichter zusammengepackt sind.
• Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, den kathodischen Flächenbereich, der der Elektrolyse in einem gegebenen Tankäbschnitt ausgesetzt ist, zu maximieren, um den Kapitalaufwand der technischen Installation zu minimieren und die Effektivität des Systems zu optimieren. In dieser Hinsicht ist es wirtschaftlich vorteilhaft, den vertikalen Abstand zwischen den Drähten in einem Vorhang und den Zwischenraum zwischen jedem Drahtvorhang und der angrenzenden Anode zu optimieren. Für eine gegebene Anodenstromdichte, wie sie am Beginn dieser Offenbarung definiert ist, ergeben die vorhergehenden Konzepte eine Kupferabscheidung höchster Güte auf den Ausgangsdraht und den kostenwirksamsten Betrieb des Systems. Anders ausgedrückt, ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, das System so auszulegen, daß das Verhältnis von Kathodenstromdichte zu Anodenstromdichte, das typischerweise größer ist als 1, minimiert wird und typischerweise kleiner ist als 15 und vorzugsweise zwischen 1 und 10 liegt. Beispielsweise hat sich ein System, das eine Kathodenstromdichte von 120 A/ft.² (0,13 A/cm²) und eine Anodenstromdichte von 18 A/ft.² (0,02 A/cm²) verwendet, als praktisch und geeignet erwiesen.
• Eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anzahl der Drahtvorhänge in einem gegebenen Tank maximiert ist, ist in Fig. 5 veranschaulicht. Die äußeren Wellen 14 (14a und 14a') sind auf eine winklig zur Längsabmessung des Tanks angeordnete Achse ausgerichtet. Konvergierende Walzen 30 sind so angeordnet, daß sie die Drähte 13a und 13a' in eine parallele, eng beabstandete Position führen (es sei darauf hingewiesen, daß sich auf jeder Welle nur ein Draht befindet).
• Obgleich die Größe des Tanks 10, der Drähte 13, der Gruppen von Wellen 14 und die Anzahl der Anoden 12 beträchtlich variieren können, wird erwartet, daß die meisten Benutzer Ausgangsdrähte mit einem Durchmesser bis zu etwa 4 mm, normalerweise mit einem Durchmesser von 1 bis 2 mm, verwenden und Fertigdrähte mit einem Durchmesser bis zu etwa 6 mm, normalerweise mit einem Durchmesser von etwa 2 bis 4 mm, verwenden werden. Eine bevorzugte Verdickung des Drahtes beträgt bis zu etwa 150 %, bezogen auf das Gewicht des Ausgangsdrahtes. Normalerweise wird der Draht um etwa 25 % bis 200 % oder mehr dicker gemacht, z.B. um 100 % bis 150 %.
• Obgleich die in Fig. 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsformen zwei Gruppen von Wellen und zwei Ausgangsdrähte auf jeder Gruppe von Wellen verwenden, kann auch ein einzelner Draht bzw. können auch zusätzliche Drähte auf jeder Gruppe von Wellen verdickt werden, und/oder durch Verwenden zusätzlicher Gruppen von Wellen und Anoden 12, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
• Die Größe des Tanks 10 wird je nach der gewünschten Verdikkung und der Anzahl der gleichzeitig elektrolytisch zu plattierenden Drähte sowie dem zu erzielenden Durchsatz variieren. Für eine Konstruktion gemäß Fig. 1 kann die Länge des Tanks 10 bis zu 40 ft. oder mehr und die Höhe bis zu 5 ft. oder mehr betragen. Die Antriebswellen 14, 14a' usw. bestehen vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Material, wie z.B. Kupfer oder Edelstahl, und besitzen einen Durchmesser bis zu etwa 600 mm. Die Drahtgeschwindigkeit durch die Zelle kann in Abhängigkeit von der Länge der Zelle, von der Anzahl der Ausgangsdrähte, vom Grad der Verdickung und von der angewandten Stromdichte erheblich variieren.
• Es ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, daß der Wellendurchmesser in Beziehung gesetzt wird zu der Drahtgröße und dem Grad der Verdickung, um übermäßige Spannungen zu vermeiden, die ein Brechen des Drahtes während des Verdickungsprozesses verursachen können. Im allgemeinen wird das Verhältnis des Wellendurchmessers zu der Dicke der elektrolytischen Abscheidung, definiert als der Enddurchmesser minus dem Wert des Ausgangsdurchmessers, dividiert durch zwei, größer sein als etwa 100.
• Die folgende TABELLE 1 veranschaulicht einige Probedraht- Verdickungen für einen Ausgangsdraht mit AWG 15 (1,45 mm) und das sich ergebende Verhältnis von Wellendurchmesser zu Plattierungsdicke (Verhältnis). TABELLE 1
• Für die bevorzugte Betriebsart wird der Draht von einer Drahtgröße von etwa 1 bis 2 mm auf eine Enddrahtgröße von etwa 1,8 bis 3,2 mm verdickt. Der bevorzugte Wellendurchmesser beträgt etwa 100 bis 350 mm.
• Gesteigerter Durchsatz und erhöhter Wirkungsgrad des Prozesses ergeben sich im allgemeinen durch Vergrößern der Anzahl der Drahtwicklungen auf den Wellen 14 für jede zu verdickende Drahtgröße, und die Anzahl der Wicklungen je Welle ist durch die Strombelastbarkeit des Wellenkontaktes begrenzt. Im allgemeinen können bis zu etwa 160 Wicklungen je Ausgangsdraht verwendet werden. Ein vertikaler Drahtmittenabstand der Drähte, die die Vorhänge in den Kathodenkanälen 16 bilden, von bis zu etwa 20 mm kann zusammen mit einem Zwischenraum von etwa 2 bis 14 mm verwendet werden, z.B. zusammen mit einem Zwischenraum von 5 bis 12 mm, der allgemein üblich ist.
• Für viele Anwendungen kann es erwünscht sein, die Stromausbeute des Prozesses durch stetiges Messen des Durchmessers des Drahtes zumindest an einer Stelle während des Prozesses zu überwachen. Handelsübliche optische Geräte oder Lasergeräte 21, wie z.B. eine berührungsfreie Contrologic-Meßvorrichtung, würden den Drahtdurchmesser messen und deri gemessenen Wert mit einem vorbestimmten Wert vergleichen. Gestützt auf den Vergleich kann die Stromausbeute bestimmt und eine geeignete Änderung der Stellgröße vorgenommen werden, wenn die Stromausbeute unter einem gewünschten Niveau liegt. Beispielsweise wird die Stromausbeute durch Kurzschluß zwischen der Anode und der Kathode und durch die Zusammensetzung des Elektrolyten beeinflußt, und ein niedriger Wert kann durch zeitweiliges Verringern der Drahtgeschwindigkeit kompensiert werden, bis die Ursache der niedrigen Stromausbeute behoben ist.
• Ein weiteres Merkmal der Prozeßsteuerung überwacht die Drahtvorschubgeschwindigkeit und die Drahtaustraggeschwindigkeit zum Nachweis von Brüchen. Gestützt auf einen Vergleich dieser beiden Geschwindigkeiten, kann ein Bruch entdeckt und eine korrigierende Änderung der Stellgröße vorgenommen werden. Die Messung der Drahtspannung und die Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit können ebenfalls als Merkmale der Prozeßsteuerung herangezogen werden.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, den Draht 13 zu spülen, wenn er aus dem Tank 10 austritt (hinter den Wänden 10a und 10b), und das Spülwasser zum Spülen der Wellen 14 zu benutzen, z.B. durch Fluten. Dies hat den Effekt, daß die Drähte gereinigt werden und außerdem die Wellen von metallischen Ansätzen freigehalten werden und daß der elektrische Widerstand des Kontaktes zwischen Draht und Welle verringert wird. Die aus dem Tank 10 austretenden Drähte werden zum Aufwickeln auf Haspeln oder Spulen 20 vorzugsweise luft-vakuumgetrocknet.
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft das Glühen des Drahtes an mindestens einem Punkt während des Prozesses. Das Glühen trägt dazu bei, das Kristallgefüge sowohl des Ausgangsdrahtes als auch des plattierten Kupfers zu modifizieren, indem es einen Prozeß auslöst, der den Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht (weniger Drahtbrüche usw.), und der ein plattiertes Produkt mit verbesserten physikalischen und elektrischen Eigenschaften liefert. Die herkömmliche Glüheinrichtung ist nicht dargestellt, und das Glühen wird im allgemeinen an dem verdickten Draht durchgeführt, der dann zum Verkauf und/oder als Zuführungsdraht für den Prozeß auf die gewünschte Größe gezogen wird. Es wird außerdem erwogen, die Glüh- und Ziehvorgänge zwischen Zellen durchzuführen, die ein stufenweises Verfahren vorsehen, um das Endprodukt mit der gewünschten Größe zu erhalten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Kupferdraht durch elektrolytisches Abscheiden von Kupfer auf einen kupfernen Ausgangsdraht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) einen kupfernen Ausgangsdraht auf Antriebswellen durch ein Bad aus einem Elektrolyt mit darin gelöstem Kupfer führen, wobei der Kupferdraht mit Hilfe der Antriebswellen durch das Bad geführt wird, jedes Paar von Antriebswellen außerhalb an entgegengesetzten Enden des Bades angeordnet ist, und der Kupferdraht durch im Abstand angeordnete parallele Kanäle läuft, die durch eine Vielzahl von Anoden gebildet werden, die im Abstand und parallel zu einander in dem Bad angeordnet sind;

(b) den Draht kontinuierlich aus dem Bad herausziehen, nachdem er jeden Kanal durchlaufen hat, und den Draht immer wieder neu in das Bad einführen, so daß Kupfer elektrolytisch auf, dem Draht abgeschieden wird, wenn sich der Draht an dem entsprechenden Kanal zwischen den Antriebswellen entlangbewegt;

(c) gleichzeitig einen elektrischen Strom an den Ausgangsdraht und die Anoden anlegen, so daß der Draht als Kathode wirkt und Kupferionen elektrolytisch auf dem Draht abgeschieden werden, wodurch die Querschnittsfläche desselben immer mehr vergrößert wird; und

(d) den dicker gewordenen Kupferdraht kontinuierlich aus dem Bad herausziehen, wenn der Kupferdraht die gewünschte dickere Stärke erreicht hat; dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei kupferne Ausgangsdrähte gleichzeitig durch das Bad geführt werden, wobei jeder Draht mit nur einem Paar der entgegengesetzt angeordneten Antriebswellen in Verbindung steht und nur zwischen diesem einen Paar von Antriebswellen die Kanäle durchläuft, wobei die kupfernen Ausgangsdrähte entweder (i) auf dem gleichen Paar von entgegengesetzt angeordneten Antriebswellen oder (ii) auf jeweils verschiedenen Paaren einer Vielzahl von Paaren von entgegengesetzt angeordneten Antriebswellen durch das Bad geführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Draht bis zu etwa 200 Gew.-% des Ausgangsdrahtes dicker wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verhältnis des Wellendurchmessers zur erhöhten Dicke der elektrolytisch aufgebrachten Schicht größer ist als etwa 100.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis der Kathodenstromdichte zur Anodenstromdichte weniger als etwa 15 beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der so hergestellte Draht wieder in das Elektrolysebad eingeführt wird, nachdem der Draht gezogen und geglüht wurde, um den Draht wieder auf eine gewünschte Enddicke zu bringen.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Kupferdraht durch elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf einen kupfernen Ausgangsdraht (13), wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:

(a) einen Tank (10) zur Aufnahme eines Elektrolysebades (11);

(b) voneinander beabstandete und parallele Anoden (12) in dem Bad (11), die über die Länge des Tanks (10) Kanäle (16) bilden;

(c) Antriebswellen (14), die außerhalb an entgegengesetzten Enden des Tanks (10) angeordnet sind, um einen Kupferdraht (13) durch die Kanäle (16) zu führen, wobei die Anoden (12) und der Kupferdraht (13) an einen elektrischen Strom angeschlossen werden können;

(d) eine Zuführrolle (17) zum Zuführen des kupfernen Ausgangsdrahtes (13) zu den Antriebswellen (14), wobei der Draht (13) kontinuierlich um die Antriebswellen (14) gewickelt ist und zwischen diesen hin und her und durch den Tank (10) läuft; und

(e) eine Aufwickelrolle (20) zur Aufnahme des mit der elektrolytischen Schicht versehenen Kupferdrahtes (13); gekennzeichnet durch zwei oder mehr Zuführrollen (17) und zwei oder mehr Aufwickeirollen (20), die so positioniert sind, daß sie zwei oder mehr Kupf erdrähte (13) von demselben Paar von entgegengesetzt angeordneten Antriebswellen (14) oder von zwei oder mehr Paaren von entgegengesetzt angeordneten Antriebswellen (14) zuführen und aufwickeln, so daß jeder Draht (13) nur mit einem Paar von entgegengesetzt angeordneten Antriebswellen (14) in Verbindung steht und die Kanäle (16) nur zwischen dem einen Paar von entgegengesetzt angeordneten Antriebswellen (14) durchläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Tank (10) an den Enden doppelwandig ausgeführt ist, wobei in den Wänden (10a, 10a', 10b, 10b') Öffnungen (15) zum Hindurchführen der Drähte (13) vorgesehen sind, und die Antriebswellen (14) so positioniert sind, daß ein im wesentlichen paralleler Weg für den Draht (13') in den Kanälen (16) des Tanks (10) entsteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Anoden (12) im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß eine einzige Anodenreihe neben jedem Drahtstück (13) liegt, wenn der Draht (13) durch den Tank (10) läuft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der in dem Raum zwischen den durch den Tank (10) laufenden Drahtstücken (13) eine doppelte Anodenreihe vorgesehen ist, außer in den Kanälen (16) neben den Seitenwänden (31) des Tanks (10).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der zusätzliche konvergierende Wellen (30) zwischen den Antriebswellen (14) und dem Tank (10) vorgesehen sind, um den Weg des Drahtes (13) in dem Tank (10) zu ändern und den Abstand zwischen den Drahtwegen zu verringern.