本发明涉及一种工业化的金属丝连续电解工艺，特别是，通过将该金属电沉积在一起始金属丝上，电解精炼或电解冶炼金属（尤其是铜）的一个方法和一种装置。 工业上采用的生产铜丝的常规方法，是以通常称作“阴极”的纯铜极板开始（约3.3平方英尺（1000mm2）5/8英寸厚（15mm））。这种阴极是在电精炼或电解冶炼过程中将纯铜电沉积到精铜起始薄板上或一种金属，如不锈钢上（电沉积物从其上剥离）而形成的。当镀好的精阴极板作为最终产物从电解槽中移出时，这些起始薄板（也是约3.3平方英尺但只有约0.04（1mm）英寸厚）必须间断地换进电解槽中，而这两种操作都是手工劳动。此外，电解一般是在低电流密度下进行的，该电流密度被定义为，施加在电解槽中所有的起始阴极极板的浸润表面区域上的电流强度（阴极电流密度），或者表示为施加在待精炼的粗铜阳极或在电解冶炼中的惰性阳极浸湿区域上的电流强度（阳极电流密度）。由于沉积的铜量直接与所施加的电流大小成正比，所以低电流密度通常效率很低。尽管如此，目前的工艺一般不采用高电流密度以提高产率并降低单位铜的生产成本，这是因为在常规电解槽中这样获得的金属板的质量会降低和/或由此导致产品的粗糙程度不合要求。
欲制造金属丝，阴极必须于另一复杂装置中经熔融、浇铸和热轧以生产一般直径为5/16英寸（7.94mm）的金属棒，再将棒变成丝，亦即电线。该处理过程的第一步“棒粗轧”，金属棒冷拔至粗细约为AWG14＃（1.628mm），“棒粗轧”以后的中间金属丝再冷拔至最终产品的粗细，在冷拔操作中必须周期地对金属丝进行退火。
因此，以一个电精炼或电解冶炼过程开始的传统地铜线生产方法能耗大，且需大量劳动力和资金成本。熔化、浇铸和热轧操作使产品容易遭受进一步的氧化和由外来物质（如耐火材料及轧制材料）可能引起的玷污，而这会给拔丝工人带来问题（拔丝时会引起断裂）。
通过采用连续电解工艺流程，以前的工艺一直试图克服与生产金属丝和棒的传统方法有关的问题。在连续电解工艺中，通过将金属丝（作为阴极）插入含电解液的电解槽中以及用不纯铜或铅用作阳极，可在一起始纯铜丝上进行电镀。过去几年在该领域已发表了许多专利，但是对工业上及经济上可行的更有效的电镀金属丝的生产工艺及设备的需求仍然存在。
美国专利No.1，058，048描述了在一连续系列环形传输循环中将金属丝放进一桶电解液中将铜电沉积在金属丝上的方法;美国专利No.4，097，354表明了用薄板状或板状移动式阴极和阳极连续电解沉积金属的方法;英国专利No.1，172，906是关于在一连续流程中通过电沉积生产铜线，该工艺包括通过在一移动阴极表面电沉积连续地形成一细长条，将细长条从阴极表面上剥离使其通过邻近阳极的电解液从而增加厚度;英国专利No.1，398，742阐述了在金属丝上电沉积铜的连续工艺，在该工艺中，将作阴极的金属丝经过任意轨迹的多个滚筒导入电解槽，一离开电解槽，马上使金属丝通过洗涤装置;美国专利No.4，196，059揭示了连续地插入两个彼此隔开的作为起始阴极或基表面细铜线的方法及装置，其中一个通入电解槽以提炼不纯的铜阳极坯从而通过电解沉积使该金属丝镀成一大直径金属棒（约20mm）。据称该工艺可在高电流密度下操作，而精炼铜棒不会受到阳极泥残渣中常见杂质的玷污。
美国专利No.4，395，320也揭示了一种电镀金属丝的装置，该装置由紧压在所电镀金属丝上的滚筒隔开的电解池串所组成，其目的是为了使由于该工艺中采用高电流密度而引起的粗糙表面得以减轻。
美国专利No.3，676，322揭示了连续生产一种电镀线的装置和方法，包括使一根金属线重复出入装在多个电解槽内的电解液中（电解槽位于外部导辊之间），滚筒在外导辊之间逐步地前后移动使金属线连续地通过电解槽，金属丝交替作为阴极和阳极从而影响电解沉积。
美国专利No.4，891，105阐明了电镀单根铜线的方法和装置，使金属丝绕导电外向型机动轴多次通过，从而在电解槽中至少形成一对金属线帘。该金属线在电镀过程中反方向多次往返经过多个纵向通道。
美国专利No.3，929，610说明了通过在一具有狭窄的、闭路电镀面的导电片上连续电沉积金属来电沉积无限长金属丝的方法。
美国专利No.4，053，377不是关于金属线的生产，而是饶有兴味地揭示了在电解液非湍流流动条件下铜在阴极上的电沉积，这种流动方式是靠一段文氏管和一副阴-阳极对而实现的。
以上专利所揭示的内容都通过参考而引入本文。
尽管以前的工艺方法在这一领域取得许多进展，对工业上生产铜线的改进方法的需求仍然存在。本发明的目的在于，提供用电解法有效和高效地电镀大量金属线的装置及工艺。
本发明的其它目的和优点从以下描述中可更为清楚，为描述方便，以下主要是结合在铜线上镀铜的方便方法进行说明。
本发明人发现，采用一种装置可有效电镀一种起始材料（如金属丝），在该装置中，将金属丝水平地输入该装置以形成竖帘，在先前工艺的基础上作了很多改进。一个实施方案是采用位于一电解槽两端上至少一套或一对外向驱动轴，其上至少两根金属线以一定的速率和/或电流密度和/或通过次数传输并通过重复进出特别设计的电镀槽，直至获得所需沉积厚度的金属丝。另一实施方案是，采用多套外向驱动轴，其上放置单个或多个起始金属丝用于电镀。无论是单轴或多轴的实施方案，均可用汇聚辊来改变金属丝的轨迹和将金属线帘水平地紧压在一起。还有一实施方案采用金属线汇聚辊，并且与特殊放置的（即成一定角度或三角形排布）多套外向驱动轴一起使用，该实施方案能使电镀加工一定数量线金属线所需的电镀槽的尺寸变得最小。
图1是金属按本发明的原理铜线电镀和生产铜材的一实施方案的俯视图。
图2是取自图1“2-2截面”透视的所说装置的剖面侧视图。
图3是本发明另一实施方案的俯视图。
图4是本发明一种实施方案的俯视图，仅显示金属线汇聚辊和多个三角形放置的外驱动轴。
图5是本发明一种实施方案的俯视图，表示了使汇聚辊及驱动轴与电解槽的轴向成一定角度的多个外驱动轴。
本发明涉及连续生产金属镀线的一种方法及装置，其中，使用不纯金属或惰性材料象铅等作阳极将金属电解沉积到一阴极起始金属丝上，因此为方便起见，将结合铜金属和起始铜线进行描述。
图1和图2是本发明一种实施方案的俯视图和侧视剖面图，这里将同时结合这些附图同时加以说明。这些图示仅是示范性的，但图纸及附加的文字说明阐明了本发明的原理，所有图中类似的数字表示类似的项目。
由合适材料如PVC，高密度聚乙烯、纤维增强聚酯或其它合成材料和聚合物混凝土做成的具有外壁（10a和10b）和内壁（10a′和10b′）的一个电解槽（10）装有电解液（11）。一种较好的建筑材料是聚合物混凝土，阳极12（图示由四个阳极组成的阳极组）按图1排成一排，形成不受阻的平行渠道或通道（16），使金属线（13）（表示成4根互相隔开的线13a，13a′，13b和13b′）通过该电解槽。阳极（12）可位于不同高度以补偿金属线（13）在电解槽中的下沉。依据通道（16）的尺寸大小，在阳极（12）表面采用通常厚达1英寸的绝缘分离装置（27），即长条隔片，以使金属线（13）和阳极（12）接触从而引起短路的可能性减小至最低程度。这些长条片可在阳极上以任何方便的形式排列-通常是竖直方向或安置在金属丝帘的上方或下方从而使阳极隔开金属丝。图1和图2中已图示了长条片（27），也可使用本工艺中众所周知的阳极筐。还可以在金属丝（13）和阳极（12）之间加上隔膜以减轻残渣和气体对金属丝的玷污。一根阳极棒（23）和连接棒（23a）向阳极（12）供电且最好能随阳极支座（24）一起能自由移动移动，从而能移出金属丝（13）清洗该电解槽，修复金属断线等。图1所示的是一个电解池，当使用多个电解池时，电解池组中的每一个电解池用导电线并联成一排，以修理单个电解池或其辅助设备。
纯铜线13a，13a′，13b和13b′多次经过电解槽（10）且环绕能导电的驱动轴（表示为2套轴，14a和14a′及14b和14b′）形成4个金属线帘（25）。正如图1和图2所示，两根相互隔开的金属线13a和13b竖直放置在14a和14b这套轴上，13a′和13b′竖直放置在14a′和14b′这套轴上，这些导电传动轴可独自由电机（28）驱动（图示电机28a和28b）。可在这些传动轴上铣凹槽，首要的优点是这样易于将金属线和传动轴作为一整体单元从电解槽中移出，从而修复断线，开始该流程等。起始铜线13a，13a′，13b和13b′充当阴极并从松卷线圈或卷筒（17）传送到旋转的驱动轴上（以17a和17b表示，17a′和17b′未表示出来），最好在空中旋转以传递轴向旋转，因之使其在侧壁（10a，10a′，10b和10b′）多次出入该电解槽。图1和图2所示的双壁电解槽使通过侧壁10a′和10b′漏出来的电解液能够被收集在双壁之间并再循环，亦即通过管道（18）再回到电解槽中。经过管道（19）和阀门（22）控制电解液（11）或残渣流入回收和/或纯化部位或再循环流入电解槽（10）以除去残渣和/或电解液。图示中给出了底部倾斜的电解槽（10），可方便地收集和除去残渣。电解沉积制得的金属线从轴14上移开（表示为14a，14a′，14b和14b′）再在卷线装置（20）上绕成线圈或卷筒（表示成20a，20a′，20b和20b′），可用操纵电解槽两端上的传动轴的同样的电机驱动。
电解槽侧壁10a，10b，10a′和10b′上具有金属线能穿过任何形状和尺寸的开口（15）。通常，对一环形线而言，这些开口（15）也得是圆形的，且孔径要大至足以让金属线无摩擦地通过。然而，在某些使用场合，希望加快电解液在电解槽中的循环，亦即要减小扩散层范围从而抑制电流密度效应，这对侧壁10a′和10b′的开口（15）的尺寸必须在一定范围内，从而使电解液按控制速度通过。例如，开口（15）的大小可自电解槽底部到顶部逐渐增加，从而在电解槽内产生均流流动。也可搅动金属线-电解液界面，亦即金属线在帘中共振。侧壁10a′和10b′上也可采用狭缝而不用离散的开口，狭缝宽度亦可沿电解槽往上逐渐增加以产生均匀的电解液流动。对于上面已讨论过的金属线和外向驱动轴可作为一个整体装置从电解槽中拿开的实施方案而言，侧壁10a，10a′，10b和10b′也要有狭缝使其能从电解槽中移出。
本发明的另一特点是能够在金属线被充分清洁之前防止在金属线（13）上的电沉积，例如可通过电解液的运动，亦即使该电解液一次或多次流经电解槽（10）来清洗金属线。例如，让浸入容器（10）的每根金属线（13）通过放在电解槽内的一绝缘导管，或让金属线在有效阳极表面的上方或下方移动来完成清洗工作。
图中没有表示出来用于更换已侵蚀（废弃的）阳极的升降装置。就更换阳极而言，在更换操作过程中，最好将阴极线帘（25）屏蔽起来加以保护，例如在更换阳极时在线帘上方插入一倒u形绝缘保护器。
图3表示本发明的一种实施方案，其中，欲电镀的金属线围绕汇聚辊（30）通过，汇聚辊（30）作用是平衡金属线的伸展，改变金属线的方向，结果也就改变了电解槽（10）内金属线（13）相对于阳极（12）和电解槽侧壁（31）间的距离。对许多工艺而言，阳极和金属丝靠近较为合适，亦即通过尽量减小通过电解液的电压降，从而降低生产单位铜线所需的电能消耗。汇聚辊（30）为可移动式或尺求大小可互换以控制阳极和阴极之间的间距。也可以将阳极安放在阳极支座（24）上来控制间距。在一种实施方案中，采用双排阳极26（图3所示）以形成通道（16），每排与线帘相对横向安放以获取最大电流效率，在该过程中也可以移动阳极从而维持所要求的阴极和阳极间的间距。这种可变阴极-阳极间距还有大大降低电阻热的作用（电阴热会使电解液的温度升高）。
然而，当电解槽所使用的电流密度和/或电阻相对较低时，通过对流向邻近空气中散热的电解液会从正常温度（约50～60℃）慢慢冷却。在一种实施方案中提供了热罩（32），如图1（部分地）和图2（整罩）所示，操作过程中盖在容器顶部。若用于电冶炼铜，这种罩还可以半永久固定，以有效地控制因阳极释放氧气所产生的令人讨厌的酸雾。
图2也表示了通常在每一通道内位于电解槽中心附近且由PVC或其它合适材料做成的并具有孔隙的竖直支座（29），金属线从支座穿过，支座起固定线帘位置的作用。
在另一实施方案中，汇聚辊（30）也可配合外传动轴（14）的三角形间隙以及阳极（12）间隙一起使用，从而使生产电镀线所需的电解槽尺寸可以尽量减小。图4表示使用附加传动轴14a″和金属线13a″这种装置的结构（注意每一传动轴上仅有一根金属线），值得提请注意的是，用来电镀金属线的电解槽尺寸比不使用汇聚辊（30）和相互隔开的外传动轴（14）的其它结构要小（尤其是成三角形间隔开，因为金属线被横向紧压而靠近）。
根据本发明的这一方面的内容，在电解槽的给定段中，为了尽可能降低工业装置的资金成本，优化系统的效率，使接触电解液的阴极表面积尽量大一些是有利的。这方面，优选线帘中金属线间的垂直距离及每个线帘与邻近阳极之间的间距，经济上是有利的。对一给定阳极电流密度而言（如本文开始部分所定义的），上述概念导致高质量的铜沉积到起始金属丝上，并且即可最有效地操作本系统。虽然可用不同的概念来表述，本发明的一个重要目的是设计该系统，使阴极电流密度和阳极电流密度之间的比率（通常大于1）尽量减小，通常小于15，最好介于1和10之间。例如已证明了采用120安/英尺2的阴极电流密度和18安/英尺2的阳极电流密度的一个系统是实用和合适的。
图5表示本发明的另一实施方案，其中，在一给定电解槽中的线帘数量已尽可能多。使外传动轴14（14a和14a′）与一个轴平行（该轴与电解槽的轴向成一角度），装上汇聚辊（30）以操纵金属线13a和13a′使其平行紧挨排列（注意每个传动轴上仅有一条金属线）
虽然电解槽（10），金属线（13）和传动轴装置（14）的尺寸大小以及阳极数目可在很宽范围内变化，但是可以预期，大多数用户将采用直径最大约4mm的起始金属线（通常约为1～2mm），生产的成品金属线直径至多约6mm（通常约为2～4mm）。根据起始金属线的重量，最好是将金属线镀厚增重约150%。通常，金属线将镀到增重25%～200%或更多些，例如100%～150%。
当图1～3所示的实施方案采用两套传动轴以及每套传动轴上有两根起始金属线，和/或利用附加的传动轴和阳极12（示于图4），也可在每套传动轴上沉积单根或附加的金属线。
电解槽（10）大小依据所要求的增厚效果和要同时电镀的金属线数量以及所要达到的产率而不同。对图1所示的这种装置，电解槽的长度可长达40英尺或更长些，高5英尺或更高些。驱动轴（14，14a′）等最好用能导电抗侵蚀材料（如铜或不锈钢）制造、且直径宜达到约600mm。根据电解槽长度、起始线数目、镀厚率和所使用的电流密度的不同，金属线通过电解池的速率可在很宽范围内变化。
使传动轴直径与金属线粗细与镀厚率相适应以避免金属线过度受压（这在电镀过程中可能导致金属线断裂），这是本发明的一个重要特征。一般说来，传动轴直径与金属线的电沉积镀层厚度的比率（定义为最终直径值减去起始直径值，再除以2）将约大于100。
下面的表1给出了一根AWG15＃（1.45mm）起始铜线的几次实镀情况和传动轴直径与镀层厚度的比率（比率）。
表1
最终直径 镀层厚度(A) % 比率(B/A)
(mm) (mm) 镀厚增重率 传动轴直径(B)
101.6mm 304.8mm
1.776 .163 50 626 1878
2.292 .421 150 241 723
2.511 .531 200 191 573
对较佳的操作方式而言，应用约1～2mm的起始线镀成最终直径约1.8～3.2mm的金属线，较佳的传动轴直径约100～350mm。
对于所镀的每一种线尺寸来讲，增加传动轴（14）上线匝数一般会提高产率和操作效率，但每个传动轴上的线匝数受传动轴接点上的电流量限制。一般地，可采用每根起始线160匝。在阴极通道（16）组成线帘的金属线之间的垂直中心间距可以高达约20mm，通常采用的间距约为2～14mm，如5～12mm。
通过在该过程中至少一点上连续测量金属线直径来监测过程中的电流效率、在许多应用场合是需要的。工业用光学或激光仪器（21）如一台Contrologic非接触式测量仪可用来测量金属线直径并且将所测值与一预定值比较。根据比较结果，即可确定电流效率，当电流效率低于所要求的水平时，可采取适当措施调节。例如，阳极和阴极之间短路和电解液组成影响电流效率，此时可暂时减慢金属线速度以补偿低电流效率直至完全消除低电流效率的起因为止。
另一个过程控制特征是对金属线的进线速度和出线速度进行监测以探测断裂。依据这两种速度的比较结果，可以探查出断裂并采取改正措施。还可以通过采用线张力测量和电导监测作为过程控制特征。
本发明的另一个实施方案是，当金属线从电解槽（10）中出来时（通过侧壁10a和10b），对金属线进行冲洗，并且用该冲洗水冲洗传动轴（14），这起到既冲洗金属线，同时又使传动轴不沉积金属以及减小金属线与传动轴接触点间的电阻的作用。从电解槽（10）中出来并缠绕到线轴或线圈（20）上去的金属线最好经真空干燥。
本发明的另一特征是，工艺过程中应至少在一点个上对金属线进行退火。退火会改变起始线和镀上去的铜的晶态组织，结果形成能提高操作效率（较少的线断裂等）以及能生产出物理及电学性质得到加强的电镀产品的工艺流程。这种常规退火炉图中没有表示出来，通常对电镀线进行退火然后将金属线拉至出售所要求的尺寸和/或用作工艺流程中的原料线。考虑在电解池之间进行退火拔丝操作，提供一分段式流程以获得所要求粗细的最终产品。