Анодирование алюминиевых полос и листового алюминия

Потенциальным преимуществом анодирования полос металла на сплошных линиях является то, что обработка больших количеств материала, из которого впоследствии можно производить различные изделия, не требует больших затрат. Анодированные полосы алюминия находят своё применение при производстве форм плоской печати, марок производителя, прокладок для двойного остекления, световых отражателей, потолочных кессонов и обмотки трансформатора, в декоративной отделке, при отделке корпусов грузовиков, архитектурной плакировке. Производство рулонного материала для анодирования постоянно увеличивается, и только в США ежегодно производится 50000 тонн такого материала.

На сплошной архитектурной линии завода Coil Anodizing в Бельгии производится 10000 тонн металлической полосы и 40000 тонн листового металла для литографии в год. На подобных заводах в Германии ежегодно производится более 14000 тонн предварительно обработанной анодированием металлической полосы.  Большая часть рулонного анодированного материала имеет толщину менее 0.5 мм (20 мил), однако на некоторых заводах возможно производство материала для применения в строительстве, толщина которого может составлять до 3 мм (120 мил). При анодировании рулонного материала обычно получается анодное покрытие малой толщины – 5мкм (0.2 мил) и менее, однако на некоторых линиях возможно получение покрытий толщиной до 25 микрон.

Анодированные на сплошных линиях полосы могут выдерживать умеренные режимы формовки, включая вытяжку неглубоких полых изделий, и подходят для декоративного применения, однако образование небольших трещин плёнки в более толстых анодных покрытиях ограничивает их использование в коррозийной среде. Тем не менее, после десятилетних испытаний в агрессивной среде опытных образцов, произведённых на линии Coil Anodizing, на них не было отмечено признаков коррозии. Было, правда, отмечено образование волосных трещин при изгибе в радиусе 4-6 мм, однако серьёзной коррозии не наблюдалось. Подобный материал выпускают многие европейские компании, занимающиеся производством и обработкой алюминия, а его применение в строительстве уже описывали Печиней и Максвелл.  Раньше скорость на сплошных линиях для анодирования была  очень невысокой (2-3 м/мин), что являлось одновременно как недостатком, так и преимуществом, так как благодаря этому проведение на одной и той же линии работ по покраске, уплотнению или лакировке не представляло никаких трудностей.

В Норвегии на заводе такого типа каждый год производилось анодирование многих тысяч тонн металлической полосы, находившей своё применение в производстве алюминиевых  контейнеров для хранения пищевых продуктов, и с учётом приводившихся выше оговорок, было выяснено, что тонкое покрытие толщиной около 1.5 мкм, способное выдерживать формовку, можно было получить в 10% (вес/объём) растворе серной кислоты при плотности тока 1.5 А/дм², постоянном напряжении 15-20 В и температуре 21-27ºС. На другой цепи, также используемой в Норвегии, прошедшая анодирование, ополаскивание и сушку полоса металла лакировалась валиком и обжигалась в одном и том же цикле. На этой "лакировочной" линии, очистка полосы не так важна, как если бы лак наносился на "голый" металл, и её можно вообще опустить, если в электролит на основе серной кислоты в качестве смачивателя добавить небольшое количество метил целлюлозы.

Похожая сплошная линия для анодирования и покрытия лаком алюминиевых полос была построена на заводе Alcan Industries Ltd. в Роджерстоуне. Скорость её составляет 30 м/мин, а анодирование осуществляется при напряжении 12-24В в 15% (вес) растворе серной кислоты, в результате чего получается покрытие толщиной 0.3 мкм. Чрезмерный унос электролита предотвращался благодаря прохождению полосы через отжимной вал в конце резервуара для анодирования, поле чего полоса ополаскивалась, высушивалась горячим воздухом и охлаждалась перед лакировкой с одной или двух сторон, а затем высушивалась в печи.

Впоследствии эти линии были заменены очисткой в горячем электролите, которая проводится на очень большой скорости (до 450 м/мин). Частичное ограничение скорости на ранее используемых линиях было связано с потребностью в катящихся контактах для подведения тока к полосе. Хотя подобные катящиеся контакты до сих пор используются на некоторых линиях, они могут приводить в образованию электрической дуги, в особенности при обработке тонких полос. К тому же на воздухе пропускная способность самой полосы достаточно низка, что ограничивает использование тока определённой плотности.

Чикагской компании  International Anodizing Ltd., использующей процесс Lloyd удалось в некоторой степени снизить ограничение скорости при анодировании полосы на сплошной линии с целью получения более толстых анодных покрытий. В данном случае алюминиевая полоса двигается по горизонтально расположенным графитным блокам, подсоединённым к источнику энергии, а тесный контакт с ним обеспечивается с помощью всасывания. При применении данного процесса происходит анодирование только одной стороны листа, а большая поверхность контакта позволяет использовать ток плотностью до 10.8А/дм² при температуре электролита 43ºС, в результате чего образование покрытия толщиной 10 мкм происходит за 22 минуты. Для того, чтобы решить проблему большого количества выделяемого тепла, был изобретён новый способ механического перемешивания, который состоит в использовании бесконечного резинового ремня с зазубренной поверхностью, который двигается близко к анодной полосе в обратном направлении, и таким образом анолит постоянно удаляется и снова пополняется. В установках длиной около 40 м происходит травление, сушка и герметизация, а покрытие толщиной до 25 мкм наносится на длинные листы, которым впоследствии придаётся волнообразная форма для дальнейшего использования в строительстве.

Баркман также серьёзно изучал проблему ограничения скорости процесса и показал, что алюминиевая полоса в жидкой фазе может выдерживать ток плотностью более чем 15000 А/дм² в площади поперечного сечения, а также исследовал какая часть этого тока может быть использована для анодирования. Он пришёл к выводу, что при постоянном увеличении плотности тока она может достигать 300 А/дм², однако при последовательном анодировании существует естественная тенденция к уменьшению плотности тока из-за того, что часть тока уходит с полосы по мере её продвижения по резервуару. Баркману удалось справиться с этой тенденцией посредством применения многокатодной системы, которая была сконструирована таким образом, что плотность тока увеличивается по всей длине резервуара в соответствии с заранее установленным графиком. Статические испытания подтвердили возможность функционирования подобной системы. Благодаря сочетанию многокатодной системы с принципом подведения тока через жидкость в дополнительном гальваническом элементе, ему удалось проводить анодирование на скоростях до 30 м/мин при средней плотности тока 60 А/дм², которая возрастала с начальных 5 до 100 А/дм² на конце катода.

Тем не менее, наиболее значительные разработки в области анодирования на сплошной линии связаны с принципом жидкостного контакта при анодировании. Этот принцип был прекрасно описан Куком. Электрический ток поступает от положительного выхода источника энергии к аноду в первом электролите, и при его поступлении в раствор происходит обычная реакция; в данном случае происходит выделение кислорода. По отношению к аноду полоса в данном растворе является катодной, и поэтому начинается катодная реакция и происходит выделение водорода. Ток проходит по всей длине алюминиевой полосы до того, как она входит во второй раствор, где полоса является анодной по отношению к катоду в данном электролите. Таким образом, плёнка биполярна: она является катодной в первой секции и анодной во второй. Такой метод анодирования иногда называют методом "биполярного электрода".

Водород, выделяющийся на поверхности алюминия, очень эффективен при удалении СОЖ для прокатки с листа и смазки с проволоки и является основой для упоминавшейся ранее электролитической очистки.Ток, проходящий по полосе от катодной до анодной секции, вызывает эффект нагревания , и именно это нагревание ограничивает количество проходящего тока. В крайнем случае полоса может расплавиться, размягчиться и переломиться.

В литературе можно найти описание многих систем жидкостного контакта. Среди разработчиков следует особенно выделить Фромсона, который запатентовал много гальванических элементов. Он описывает использование относительно простых систем жидкостного контакта и то, как благодаря использованию дополнительных элементов можно увеличить плотность тока при анодировании, а следовательно и скорость полосы. Таким же образом он может варьировать используемые процессы, то есть на анодированную полосу можно наносить гальваническое покрытие или окрашивать его гальваническим способом. Также в литературе можно найти описания других процессов электрофоретического нанесения лака и электролитического окрашивания непрерывно анодируемого алюминия. Во многих подобных случаях возможно использование на разных частях полосы как постоянного, так и переменного тока.

Как можно видеть из вышеизложенных цифр, протяжённость пути полосы от катодной до анодной секций элемента может быть достаточно большой, и чтобы избежать этого были разработаны расположенные в линию элементы с перегородками между ними. Наиболее совершенной из подобных систем является система, разработанная компанией Alcan. В этом случае длинному узкому гальваническому элементу не требуется никаких физических перегородок между катодной и анодной секцией, а анодирующий электролит может растекаться по поверхности полосы в направлении, противоположном её движению. Это эффективный способ борьбы с нагреванием полосы, который позволяет использовать ток очень большой плотности. Данный принцип применяется в процессе электролитической очистки и в анодирующих элементах на линии компании Alcan в Нахтерштедте. Бришау и др. изучали возможность применения математического моделирования при разработке элементов жидкостного контакта, а Эллард и Ковиесон использовали в разработке гальванических элементов принцип интенсивного потока электролита.

Печиней описал процесс, при использовании которого пока происходит анодирование одной из сторон, вторая находится контактирует с вращающимся цилиндром . Уже существует завод непрерывной обработки в Польше, на котором проводится анодирование полосковых проводников для электромагнитов. Обработка происходит при плотности тока 36 А/дм² в растворе на основе серной кислоты и сульфата натрия при постоянном и переменном напряжении, что похоже на систему Холодного. Компания Alusuisse использует метод множества катодов, а компания Ano-coil описывает систему непрерывной печати на анодированном алюминии с использованием сублимируемых чернил.

Алюминий, анодированный на непрерывной линии, используется в основном в индустрии производства офсетных печатных форм, и поэтому существует множество описаний гальванических элементов, применяющихся при электролитическом зернении переменным током или анодировании постоянным током. Подобными разработками занимались компании Hoechst, Alusuisse и Fuji Film.