BR112016019065B1

BR112016019065B1 - Estrutura anódica para células de eletroprodução, sistemas para deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal e método para deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal

Info

Publication number: BR112016019065B1
Application number: BR112016019065-3A
Authority: BR
Inventors: Felix PRADO PUEO
Original assignee: Industrie De Nora S.P.A.
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2022-03-29
Also published as: US10309023B2; TW201546332A; EA201691667A1; JP6580057B2; JP2017511428A; EP3108037A2; CN106034404B; PL3108037T3; WO2015079072A2; US20170009359A1; CL2016000367A1; CN106034404A; KR102281669B1; ES2679595T3; WO2015079072A3; AP2016009431A0; PH12016501660B1; PE20161107A1; CA2939337A1; KR20160122826A

Abstract

estrutura anódica para células de eletroprodução, sistemas para deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal, e métodos para deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal . a invenção se refere a uma estrutura anódica para células de eletroprodução que compreende uma barra de suspensão de ânodo, uma estrutura de suporte de material isolante, pelo menos uma malha de ânodo que tem um substrato de metal de válvula dotado de um revestimento catalítico, sendo que o pelo menos um ânodo é subdividido em pelo menos duas submalhas mutuamente isoladas, em que as ditas submalhas são individualmente dotadas de corrente elétrica através de meios condutores conectados à dita barra de suspensão de ânodo, em que a estrutura anódica é adicionalmente dotada de pelo menos um sistema eletrônico que compreende pelo menos uma sonda de corrente e pelo menos um atuador para medir e controlar individualmente o fornecimento de corrente para uma cada das ditas submalhas.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a uma estrutura anódica adequada para gerenciar um crescimento uniforme do depósito de metal, para impedir curtos-circuitos ou reduzir dano elétrico de ânodo em células eletrolíticas usadas, em particular, em usinas de eletroprodução ou eletrorefino de metais não ferrosos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] O fornecimento de corrente para células de usinas eletroquímicas, com referência particular a usinas de eletroprodução ou eletrorefino de metal, pode ser distribuído para os eletrodos de célula individuais de um modo muito diverso e heterogêneo, afetando negativamente a produção. Esse tipo de fenômeno pode ocorrer devido a diversas diferentes razões. Por exemplo, no caso particular de usinas de eletroprodução ou eletrorefino de metal, os eletrodos negativamente polarizados (cátodos) são frequentemente retirados de seus apoios a fim de permitir a coleta do produto depositado nesses e são colocados de volta no lugar posteriormente para um ciclo de produção subsequente. Esse manuseio frequente, o qual é geralmente realizado em um número muito grande de cátodos, causa frequentemente um reposicionamento imperfeito nos barramentos e contatos elétricos bastante insuficientes, também devido à possível formação de incrustações nos apoios relevantes. Também é possível que a deposição de produto ocorra de uma maneira irregular no eletrodo, sendo que a formação de gradientes de massa de produto altera o perfil de superfícies do cátodo. Quando isso ocorre, uma condição de desequilíbrio elétrico é estabelecida devido ao intervalo entre ânodo e cátodo que, de fato, não é mais constante ao longo de toda a superfície: a resistência elétrica, a qual é uma função do intervalo entre cada par ânodo-cátodo, se torna variável, agravando o problema de desigualdade na distribuição de corrente. Tal fenômeno é frequentemente observado, por exemplo, no caso de cobre, em que uma menor deposição ocorre na parte superior dos cátodos, onde uma maior quantidade de gás está presente, causando um aumento da resistência elétrica.

[003] Outro problema, particularmente comum novamente no caso de cobre, é a formação ocasional de depósitos dendríticos, os quais se desenvolvem localmente tão rapidamente quanto à diminuição do intervalo local entre ânodo e cátodo, até que uma condição de curto-circuito seja estabelecida. Mediante a ocorrência de curto-circuito, a corrente tende a se concentrar no cátodo curto-circuitado, diminuindo a corrente para os cátodos remanescentes e prejudicando seriamente a produção, a qual não pode ser recuperada antes que o cátodo curto-circuitado seja desconectado da célula.

[004] Uma distribuição desigual de corrente também gera uma perda de qualidade e capacidade de produção, como mencionado acima, desafiando a integridade e a vida útil de ânodos de conceito moderno fabricado a partir de malhas de titânio.

[005] Em usinas industriais, dado o grande número de células e eletrodos presentes, as tarefas de manter uma deposição uniforme, impedir curtos-circuitos ou reduzir danos ao ânodo devido ao curto-circuito são de alta complexidade e de difícil execução prática.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006] A presente invenção permite gerenciar um crescimento uniforme do metal depositado na superfície de cátodo de células de eletroprodução e/ou impedir o curto- circuito ou danos ao ânodo que podem ocorrer, por exemplo, devido ao fenômeno de dendritos, ao crescimento de deposição irregular ou a acidentes mecânicos que colocam ânodos e cátodos em contato elétrico direto.

[007] Além disso, a presente invenção permite que se mantenha o ânodo em operação no caso das ocorrências acima, descontinuando-se seletivamente o fluxo de corrente apenas em correspondência de porções limitadas do ânodo, limitando-se perdas de produção e otimizando-se o processo de deposição de metal.

[008] Consequentemente, a presente invenção promove um aumento de capacidade e qualidade da produção e preserva a estrutura anódica.

[009] Vários aspectos da invenção são estabelecidos nas reivindicações anexas.

[0010] Sob um aspecto, a invenção se refere a uma estrutura anódica para células de eletroprodução que compreende uma barra de suspensão de ânodo, uma estrutura de suporte produzida a partir de material isolante elétrico, pelo menos uma malha de ânodo que compreende um substrato de metal de válvula dotado de um revestimento catalítico, sendo que a dita pelo menos uma malha de ânodo é subdividida em pelo menos duas submalhas mutuamente isoladas, em que as ditas submalhas são individualmente dotadas de corrente elétrica através de meios condutores conectados com a dita barra de suspensão de ânodo, em que a dita estrutura anódica é adicionalmente dotada de pelo menos um sistema eletrônico que compreende pelo menos uma sonda de corrente e pelo menos um atuador para medir e controlar individualmente o fornecimento de corrente para cada submalha individual.

[0011] O termo "malha de ânodo" é destinado a definir um eletrodo voltado para um cátodo correspondente.

[0012] O termo "submalhas" é destinado a definir uma série de superfícies geométricas projetadas nas quais a malha de ânodo é subdividida.

[0013] O termo "malha" é usado para indicar uma estrutura foraminosa.

[0014] A estrutura anódica de acordo com a invenção pode compreender duas malhas de ânodo conectadas a uma mesma barra de suspensão e localizadas em lados opostos da estrutura de suporte, em que cada malha de ânodo está voltada para um cátodo correspondente e em que cada malha de ânodo é subdividida em pelo menos duas submalhas. A estrutura anódica pode compreender, ainda, um painel fino comprimido entre duas malhas de ânodo. O painel pode ser constituído por uma pluralidade de subpainéis menores. O painel pode ter uma área geral comparável à área de superfície projetada da malha de ânodo e pode ter alguns milímetros de espessura; pode ser produzido a partir de um material, como plástico ou resina, resistente ao eletrólito ácido e pode ser apto para funcionar nas temperaturas operacionais da célula.

[0015] As submalhas nas quais a malha de ânodo é subdividida podem ter área igual ou diferente.

[0016] De preferência, a estrutura de suporte do material isolante, bem como de todos os elementos imersos no eletrólito durante a operação da estrutura anódica, deve ser resistente ao ambiente do eletrólito ácido.

[0017] A estrutura anódica de acordo com a invenção pode ter a vantagem de permitir, através de seu sistema de controle de corrente, a operação contínua do ânodo, mesmo no caso de dendritos ou deposição altamente irregular de metal no cátodo, desconectando-se apenas as seções da malha de ânodo que estão sendo afetadas pelas irregularidades de corrente. As submalhas descritas anteriormente no presente documento podem ser isoladas de modo mutuamente elétrico com materiais como plásticos ou resinas. Além disso, ou como uma alternativa, as submalhas podem ser isoladas mutuamente pela presença de um intervalo físico entre elas. O intervalo físico, se houver, pode ser vantajosamente escolhido como acima de 3 mm, por exemplo, cerca de 8 mm.

[0018] A medição individual da corrente fornecida para cada submalha individual pode ser realizada com uma medição direta ou por meio de uma análise indireta da corrente que flui para a submalha, como, por exemplo, avaliando-se as variações de temperatura local ou causando uma resposta elétrica específica à intensidade de corrente em componentes eletrônicos passivos (por exemplo, termístores ou fusíveis rearmáveis, em que cada um pode atuar tanto como sonda de corrente quanto como atuador do sistema eletrônico).

[0019] Em uma modalidade da estrutura anódica de acordo com a invenção, a dita pelo menos uma malha de ânodo é subdividida em submalhas de área na faixa de 25 cm2 e 225 cm2.

[0020] O termo "área" é destinado a definir a área geométrica projetada.

[0021] Em uma modalidade, os meios condutores da estrutura anódica de acordo com a invenção são barras, placas ou cabos de metal. Os meios condutores podem ser miniaturizados e/ou montados em um ou mais circuitos eletrônicos.

[0022] Em uma modalidade, as barras, as placas ou os cabos de metal da estrutura anódica de acordo com a invenção são produzidos a partir de um material eletricamente condutivo com resistividade elétrica de 1,5x10-8 a 3,0x10-8 Qxm, como cobre, alumínio ou ligas desses. A resistividade elétrica dos meios condutores se refere a uma medição realizada a 20 °C com um multímetro, com o uso de uma configuração de medição de quatro fios.

[0023] Em uma modalidade, a estrutura anódica de acordo com a invenção tem as ditas submalhas em isolamento elétrico mútuo presas à dita estrutura de suporte do material isolante por meios de preensão.

[0024] Em uma modalidade adicional, a estrutura anódica de acordo com a invenção tem os ditos meios condutores e o dito pelo menos um sistema eletrônico incorporado e vedado no interior da estrutura de suporte por meio de materiais como resinas ou plásticos.

[0025] Em uma modalidade adicional, cada submalha da estrutura anódica de acordo com a invenção é equipada com pelo menos um sistema eletrônico que controla individualmente a alimentação de corrente da submalha.

[0026] Em outra modalidade, o sistema eletrônico compreende componentes ativos, como transistores, MOSFETS, interruptores, interruptores de carga, amplificadores operacionais, Unidades de Microcontrolador (MCUs), Conversores de Analógico para Digital (ADCs) e/ou componentes eletrônicos passivos.

[0027] O uso de componentes ativos pode ter as vantagens de permitir o controle ativo e fornecer capacidades de registro e gerenciamento da corrente que flui nas submalhas.

[0028] A fim de energizar esses componentes ativos, é possível obter vantagem da diferença de potencial elétrico entre a estrutura anódica de acordo com a invenção e a barra intercelular catódica ou barra de equilíbrio, se houver, do eletrolisador. O sistema eletrônico, ou um ou mais de seus componentes, pode ser eletricamente conectado a meios condutores, como um cabo de metal, que se estende a partir da estrutura anódica e está em contato elétrico com a barra intercelular catódica ou barra de equilíbrio.

[0029] Em outra modalidade, o sistema eletrônico compreende componentes passivos, como termístores ou fusíveis rearmáveis (como fusíveis PPTC rearmáveis, também conhecido como fusíveis, polifusíveis ou poli-interruptores de Coeficiente Positivo Polimérico de Temperatura). O inventor constatou que o uso desses componentes passivos pode simplificar a configuração do sistema. Os termístores e fusíveis rearmáveis são dispositivos passivos autoatuáveis que fornecem uma medição indireta da corrente que flui através de um circuito e oferece um meio simples de controlar e cancelar sobrecorrentes, atuando tanto como a sonda de corrente quanto o atuador do sistema eletrônico. São caracterizados por uma relação de resposta altamente não linear entre tensão e corrente e impedem falhas de sobrecorrente autoacionando-se a interrupção/ativação do fluxo de corrente em um circuito sem a necessidade de fontes de alimentação externas ou intervenções de terceiros. Esses componentes passivos para controle de corrente podem ser implementados em conjunto com componentes ativos que podem ser usados para propósitos de registro e alerta.

[0030] Sob outro aspecto, a invenção se refere a um sistema para a deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal eletroquímico que compreende pelo menos uma estrutura anódica, como descrito anteriormente no presente documento. O sistema também pode ser empregado em usinas de eletrogalvanização e eletrorefino e pode ser usado para impedimento de curto-circuito, redução de danos ao ânodo devido a contato com dendrito e/ou para gerencias a deposição homogênea de metal. O sistema permite, ainda, que se mantenha o ânodo em operação, mesmo na ocorrência de anomalias de corrente localizadas, descontinuando-se apenas porções da estrutura anódica, devido à divisão da malha de ânodo em pelo menos duas submalhas. O inventor constatou que, ao interromper seletivamente a fonte de alimentação para certar submalhas através do sistema eletrônico, é possível retardar fortemente o crescimento de quaisquer dendritos formados no cátodo na direção perpendicular à superfície do ânodo, bem como obter uma deposição uniforme de metal no cátodo.

[0031] Sob outro aspecto, a invenção se refere a um sistema para deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal, o qual compreende pelo menos uma estrutura anódica, como descrito anteriormente no presente documento, em que cada submalha é eletricamente conectada em série com pelo menos um sistema eletrônico passivo escolhido entre termístores ou fusíveis rearmáveis de coeficiente positivo de temperatura. A fim de impedir falhas de sobrecorrente, cada sistema eletrônico passivo é selecionado de acordo com seus parâmetros característicos de corrente. Quando o sistema passivo é um fusível rearmável de coeficiente positivo de temperatura, seus parâmetros característicos de corrente podem ser escolhidos de modo vantajoso, como descrito anteriormente no presente documento: 1) um valor de corrente de manutenção igual à corrente nominal máxima que pode ser fornecida em condições de operação para cada submalha individual; 2) um valor de corrente de abertura menor do que a corrente máxima de segurança para cada submalha. É recomendável escolher um sistema eletrônico passivo em que a queda de tensão é estável e tem baixo valor sob condições nominais de operação, a fim de minimizar a perda de energia e superaquecimento quando o dispositivo passivo opera em correntes abaixo da corrente de manutenção.

[0032] As definições a seguir se referem a quantidades medidas nas temperaturas operacionais da estrutura anódica, como descrito anteriormente no presente documento, tipicamente 45 °C a 55 °C.

[0033] O termo "corrente de abertura" é destinado a definir o limite de corrente característico do sistema eletrônico passivo em cuja passagem o sistema eletrônico interrompe o fluxo de corrente. Apenas pequenos valores de correntes de fuga, conhecidas como correntes de vazamento, podem fluir através do componente passivo em um estado "liberado".

[0034] O termo "corrente de manutenção" é destinado a definir o limite de corrente característico, sendo que abaixo ou igual a esse, garante-se que o componente passivo não desarma o dispositivo.

[0035] O termo "corrente máxima de segurança" é destinado a definir à corrente máxima que não prejudica a segurança e a preservação das submalhas e circuitos individuais.

[0036] O termo "corrente nominal" é destinado a definir a corrente que flui nas submalhas sob condições operacionais ideais, isto é, na ausência de criticidades relevantes que ocorrem no processo de produção.

[0037] O termístores ou fusíveis rearmáveis descritos anteriormente no presente documento podem ser alojados em câmaras preenchidas com ar ou espuma para isolá- los termicamente do ambiente e garantir sua confiabilidade durante a operação.

[0038] O inventor constatou que uma interrupção seletiva e oportuna da energia fornecida a certas submalhas por meio de sistemas eletrônicos passivos, como termístores ou fusíveis rearmáveis, impede danos curto-circuito consideráveis à submalha de um modo vantajosamente simplificado, mesmo no caso de contato com dendrito ou desalinhamento dos contatos de ânodo/cátodo, já que esses componentes passivos não exigem fontes de alimentação externas e sua operação é autorregulada.

[0039] Os sistemas descritos anteriormente no presente documento podem ser pareados a um sistema de registro de dados e/ou alerta. Por exemplo, a estrutura anódica pode ser equipada com um Diodo Emissor de Luz (LED) que pode ser usado para fornecer uma advertência visual de uma anomalia de corrente ocorrendo em pelo menos uma submalha da estrutura anódica. Além disso, ou como alternativa, a estrutura anódica de acordo com a presente invenção pode ser equipada com um dispositivo de comunicação sem fio que envia dados referentes à operação do sistema para um computador central principal.

[0040] Sob outro aspecto, a invenção se refere a um método para a deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal, em que, para cada malha de ânodo, o sistema eletrônico detecta a corrente em cada submalha em intervalos de tempo predefinidos. O sistema eletrônico, após a realização da medição, determina para cada malha de ânodo a corrente máxima relativa que circula em suas submalhas e descontinua o fornecimento de corrente para a submalha, ou para as submalhas, correspondente ao máximo relativo detectado. Em tal pelo menos uma submalha, o sistema descontinua a corrente até a medição subsequente. Esse método promove um crescimento uniforme do metal depositado na superfície de cátodo.

[0041] Já que existe uma diferença de potencial elétrico entre a estrutura anódica e a submalha descontinuada, cujo potencial elétrico corresponde àquele do eletrólito, a pessoa versada na técnica pode usar essa diferença de energia para energizar, totalmente ou em parte, os componentes ativos do sistema eletrônico e/ou o meio de registo de corrente ou alerta.

[0042] Sob outro aspecto, a invenção se refere a um método para a deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal, em que, para cada malha de ânodo, o sistema eletrônico detecta a corrente em cada submalha em intervalos de tempo predefinidos. O sistema eletrônico, após a realização da medição, determina para cada malha de ânodo a corrente máxima relativa que circula em suas submalhas e compara a corrente máxima relativa a um certo valor predefinido. Se o valor de corrente máxima relativa excede o dito limite predefinido, o sistema eletrônico descontinua o fornecimento de corrente para a submalha, ou submalhas, correspondente ao máximo relativo detectado até próxima medição. O limite de corrente predefinido pode ser redefinido após cada medição. Seu valor pode ser definido por uma MCU, com base, por exemplo, no histórico de valores de corrente das submalhas.

[0043] Em uma usina de eletrorefino ou eletroprodução de metal, o método descrito anteriormente no presente documento pode ser empregado de modo vantajoso, por exemplo, para a deposição de metal homogênea, impedimento de curto-circuito ou redução de danos de curto-circuito ao ânodo.

[0044] Sob outro aspecto, a invenção se refere a um método para a deposição de metal em uma usina para deposição eletroquímica de metal, em que, para cada malha de ânodo, o sistema eletrônico mede a corrente de cada submalha em intervalos de tempo predefinidos e descontinua o fornecimento de corrente naquelas submalhas, se houver, em que os valores de corrente excedem um certo limite predefinido. Em tais submalhas, o sistema descontinua a corrente até a medição subsequente. Também nesse caso, o limite de corrente predefinido pode ser redefinido após cada medição e pode ser diferente para diferentes submalhas. Para cada malha de ânodo, é possível predefinir um número máximo de submalhas que podem ser desconectadas durante a operação, a fim de impedir qualquer risco de colapso do sistema. Nesse caso, as submalhas a serem desconectadas podem ser escolhidas priorizando-se as submalhas de acordo com seu valor de corrente, posição relativa e histórico prévio de corrente. O método descrito anteriormente no presente documento pode ser empregado de modo vantajoso, por exemplo, para impedimento de curto-circuito ou para redução de danos de curto-circuito ao ânodo.

[0045] Sob outro aspecto, a invenção se refere a um método ara deposição de metal em uma usina de eletroprodução de metal, adequado para impedimento de curto- circuito ou redução de danos de curto-circuito ao ânodo, que compreende pelo menos uma estrutura anódica, como descrito anteriormente no presente documento, em que, para cada malha de ânodo, o sistema eletrônico detecta a corrente em cada submalha em intervalos de tempo predefinidos. Para cada malha de ânodo, o sistema eletrônico calcula a corrente média que flui nas submalhas, na qual a malha de ânodo é subdividida e calcula seu desvio relativo da média. Por desvio relativo, quer-se dizer a diferença entre o valor de corrente da submalha e a média, dividida pelo valor de corrente média. O sistema descontinua o fornecimento de corrente para as submalhas nas quais o desvio relativo excede um valor predefinido. Em tal submalha, o sistema descontinua a corrente até a medição subsequente. O dito valor predefinido pode variar entre submalhas e no tempo, por exemplo, pode ser redefinido por uma MCU após cada medição, e seu valor pode ser baseado no histórico de valores de corrente e na posição da submalha.

[0046] Algumas implementações que exemplificam a invenção serão descritas agora com referência aos desenhos anexos, os quais têm o propósito único de ilustrar a disposição recíproca dos diferentes elementos em relação às ditas implementações particulares da invenção; em particular, os desenhos não são necessariamente desenhados em escala.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0047] A Figura 1 mostra uma vista tridimensional da estrutura anódica de acordo com a invenção que tem ambas as malhas de ânodo subdivididas em cem submalhas.

[0048] A Figura 2 mostra um esquema de conexão de submalha à barra de suspensão de ânodo e um possível sistema de ajuste/desconexão de corrente ativa associado ao mesmo.

[0049] A Figura 3 mostra um esquema das conexões das submalhas à barra de suspensão de ânodo e um possível sistema de ajuste/desconexão de corrente passiva associado ao mesmo.

[0050] A Figura 4 mostra uma representação esquemática da estrutura anódica de acordo com a invenção que implementa um sistema de controle passivo com polifusíveis, painéis (I) e (II) mostram vistas frontal e lateral da estrutura anódica; painéis (III) e (IV) mostram, respectivamente, o corte transversal designado da estrutura anódica e uma vista explodida da porção designada do corte transversal.

[0051] A Figura 5 mostra uma representação esquemática da estrutura anódica de acordo com a invenção que implementa um sistema de controle ativo que compreende uma MCU e transistores de energia, painéis (I) e (II) mostram vistas frontal e lateral da estrutura anódica; painéis (III) e (IV) mostram, respectivamente, o corte transversal designado da estrutura anódica e uma vista explodida da porção designada do corte transversal.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS

[0052] Na Figura 1, é mostrada uma barra de suspensão de ânodo (100), sustentando duas malhas de ânodo mecanicamente conectadas a uma estrutura de suporte de cinco barras verticais (110). A malha de ânodo frontal (101), a qual oculta parcialmente a malha de ânodo posterior (não mostrada), é subdividida em (100) submalhas, como a submalha (102). Também são mostrados cabos de conexão elétrica (103), o intervalo de isolamento (104) entre as submalhas e o cátodo (106). O sistema eletrônico de ajuste de corrente pode ser posicionado em um local correspondente (1051). Além disso, ou como alternativa, o sistema eletrônico de ajuste de corrente pode ser posicionado diretamente de modo correspondente à submalha a ser controlada, como a posição (1052) para a submalha (102).

[0053] Na Figura 2, é mostrado um diagrama esquemático de um microcircuito elétrico ativo que indica a área correspondente ao sistema eletrônico circuito (105), conectado à submalha (102) por meio do cabo de conexão relevante (103), em um lado, e à barra de suspensão de ânodo (100) no outro lado. O circuito de sistema eletrônico ativo 105 compreende um resistor (109) e uma combinação de componente de controle (107) e componente ativo (108). O último componente pode ser, por exemplo, um transistor, um MOSFET, um transistor de comutação ou um interruptor de carga.

[0054] Os elementos (107) e (108) podem comparar a queda de tensão no resistor a uma tensão de referência predefinida; quando a queda de tensão do resistor é maior do que a referência de tensão para um período de tempo pré- configurado, o elemento (107) aciona a trava de porta do elemento (108).

[0055] Na Figura 3, é mostrado um diagrama de um sistema elétrico passivo que indica a área correspondente ao dispositivo eletrônico passivo (101), a qual pode ser um coeficiente positivo de temperatura termístor ou fusível rearmável, conectado à submalha (102) por meio do cabo de conexão relevante (103), em um lado, e à barra de suspensão de ânodo (100) no outro.

[0056] Na Figura 4, os painéis I e II mostram, respectivamente, uma vista frontal e lateral de uma estrutura anódica que implementa componentes de controle e sonda de corrente passiva e que compreende barra de suspensão eletricamente condutora (100) com contatos terminais 101 e duas malhas de ânodo, sendo que cada uma é dividida em 36 submalhas, como a submalha (102). A submalha (102) é conectada ao meio de sustentação (110) através de rebites quimicamente resistentes e condutores (300), os quais podem ser produzidos a partir, por exemplo, de titânio ou ligas desse. O painel III mostra o corte transversal da estrutura anódica do Painel I obtido ao longo da linha de ponto e traço. A região encerrada da área tracejada que compreende o meio de sustentação (110) e a submalha (102) é ampliada no painel IV, o qual mostra uma vista explodida da conexão entre a submalha (102) e o meio de sustentação (110). Os meios de sustentação (110), os quais são eletricamente conectados à barra de suspensão de ânodo (não mostrada), compreendem uma barra condutora (500), a qual é fixada à placa de circuito impresso (450) por meio de rebites (350). A barra condutora (500) é conectada a um pino do Polifusível (410) por meio da linha da placa de circuito impresso 550. O segundo pino do Polifusível (410) está em contato elétrico com a submalha (102) através do rebite (300). O Polifusível (410) é alojado em uma região termicamente isolante (250) (a qual pode ser preenchida, por exemplo, com ar ou espuma termicamente isolante). Uma cobertura de material quimicamente resistente e eletricamente isolante (200) veda, isola e protege do eletrólito os componentes e circuitos mencionados acima, com exceção do rebite (300), o qual emerge parcialmente do meio de sustentação e prende a submalha (102) à estrutura (110).

[0057] Na Figura 5, os painéis I e II mostram, respectivamente, uma vista frontal e lateral de uma estrutura anódica que implementa componentes de controle de corrente ativa que compreende a barra de suspensão eletricamente condutora (100) com contatos terminais (101) e duas malhas de ânodo que consistem em submalhas 6x6, como a submalha (102). A estrutura anódica compreende, ainda, pelo menos uma MCU (130). A conexão por cabo (120) conecta a MCU à barra intercelular catódica ou à barra catódica de equilíbrio, se houver, em um lado, e à barra de suspensão (100), no outro lado (conexões não mostradas). A submalha (102) é conectada ao meio de sustentação 110 através de rebites quimicamente resistentes e condutores (300), os quais podem ser produzidos a partir, por exemplo, de titânio ou ligas desse. O Painel III mostra o corte transversal da estrutura anódica do Painel I obtido ao longo da linha de ponto e traço. A região alojada na área tracejada que compreende o meio de sustentação (110) e a submalha (102) é ampliada no painel IV. O Painel IV mostra uma vista explodida da conexão entre a submalha (102) e o meio de sustentação (110). Os meios de sustentação (110), os quais são eletricamente conectados à barra de suspensão de ânodo (não mostrada), compreendem a barra condutora (500), a qual é fixada à placa de circuito impresso (450) por meio de rebites (350). A barra condutora (500) é conectada a um terminal de transistor (420) por meio da linha da placa de circuito impresso (550). O transistor (420) é adicionalmente conectado com resistência de derivação (430), o qual está em contato elétrico com a submalha (102) por meio do rebite (300). A conexão entre a resistência de derivação (430) e a MCU (130) e a conexão entre essa última e a porta do transistor (420) não são mostradas na figura. Essas conexões portam respectivamente os sinais de entrada e saída para/a partir da MCU, a qual pode ser equipada com um conversor analógico para digital (não mostrado). O transistor (420) e a resistência de derivação (430) podem ser conectadas de acordo com o diagrama da Figura 2 a um transistor de controle adicional (não mostrado). Uma cobertura de material quimicamente resistente e eletricamente isolante (200), como resina ou plástico, veda, isola e protege do eletrólito os componentes e circuitos mencionados acima, com exceção do rebite (300), o qual emerge parcialmente do meio de sustentação e prende a submalha (102) à estrutura (110).

[0058] Alguns dos resultados mais significantes obtidos pelo inventor são apresentados nos exemplos a seguir, os quais não são destinados a limitar o escopo da invenção.

EXEMPLO 1

[0059] Uma campanha de teste de laboratório foi realizada no interior de uma célula de eletroprodução, a qual contém um cátodo e um ânodo equipados com um sistema eletrônico de controle de corrente ativa. Uma lâmina de aço inoxidável AISI 316 com 3 mm de espessura, 50 mm de largura e 1000 mm de altura foi usada como o cátodo; o ânodo consistia em uma malha expandida com alto teor de titânio de 2 mm de espessura, 150 mm de largura e 1000 mm de altura, ativado com um revestimento de óxidos mistos de irídio e tântalo, subdividido em submalhas de 1 dm2 cada. O cátodo e o ânodo estavam voltados um para o outro verticalmente com um intervalo de 40 mm entre as superfícies externas. Um dendrito foi produzido artificialmente inserindo-se um parafuso, como um centro de nucleação, na placa de aço inoxidável perpendicularmente ao ânodo, sendo que a ponta do parafuso está a 4 mm de distância do ânodo. Cada submalha foi eletricamente conectada à barra de suspensão de ânodo e ao sistema eletrônico de acordo com o diagrama da Figura 2. Para cada submalha, o sistema eletrônico compreendia dois diferentes transistores MOSFET, um que trabalha como o interruptor de energia (108) e o outro como controlador (107). O interruptor de energia era caracterizado por uma tensão de ruptura dreno-fonte de -30 V e uma resistência em ativação de 8 mQ a uma tensão limite de porta de -10 V. O transistor do controlador foi caracterizado por uma tensão de ruptura dreno-fonte de -30 V e uma resistência em ativação de 85 mQ a uma tensão limite de porta de 4,5 V. no lugar do resistor (109) da Figura 2, uma resistência de derivação de 2 mQ foi usada. Uma MCU de 32 bits e 67 MHz registrou os valores de corrente de cada submalha em intervalos de tempo de 1 milissegundos, calculando o desvio relativo da corrente média de cada submalha. A MCU foi programada para interromper a corrente nas submalhas em que o desvio relativo excede 5 %. Além disso, um sistema de comunicação por rádio sem fio ZigBee foi instalado no ânodo e envia as informações coletadas pela MCU para um computador de controle principal, para propósitos de gerenciamento e alerta. Após 4 dias de operação, um crescimento lateral de cobre foi observado no dendrito, não alcançando a superfície do ânodo. A produção de cobre nas áreas voltadas para as submalhas restantes não mostrou nenhuma irregularidade.

CONTRAEXEMPLO 1

[0060] A estrutura anódica do Exemplo 1 foi testada nas mesmas condições sem ativar o sistema eletrônico de controle. O dendrito alcançou a superfície do ânodo após 4 horas de operação, danificando o ânodo de modo irreparável.

EXEMPLO 2

[0061] Uma campanha de teste de laboratório foi realizada em uma célula de laboratório, simulando uma célula de eletroprodução, contendo um cátodo e uma estrutura anódica equipada com um sistema eletrônico de controle de corrente passiva. Uma lâmina de aço inoxidável AISI 316 com 3 mm de espessura, 150 mm de largura e 1000 mm de altura foi usada como cátodo; o ânodo consistia em uma barra de suspensão de cobre com 180 mm de comprimento, 20 mm de largura e 40 mm de altura e em uma malha expandida com alto teor de titânio de 1 mm de espessura, 155 mm de largura e 1030 mm de altura, ativado com um revestimento de óxidos mistos de irídio, subdividido em 18 submalhas, cada uma com 75 mm de largura e 110 mm de altura, com um intervalo de 8 mm entre cada par de submalhas. A estrutura anódica também foi equipada com um LED, um dispositivo de comunicação por rádio ZigBee e um reforçador com uma tensão de saída de 3,3 V. O reforçador foi usado para energizar o LED e o dispositivo ZigBee, os quais foram instalados para propósitos de alerta e gerenciamento de operação. Cada submalha estava eletricamente conectada à barra de suspensão de ânodo e ao sistema eletrônico de acordo com o diagrama da Figura 3. Mais especificamente, o sistema eletrônico compreendia um coeficiente positivo de temperatura polifusível caracterizado por especificações de corrente de abertura e de manutenção a 23 °C de 14,0 A e 23,8 A, respectivamente (uma caracterização dependente de temperatura desses parâmetros foi realizada pelo inventor a fim de avaliar e verificar o desempenho do polifusível nas temperaturas operacionais da célula. A corrente de manutenção a 40 °C era de 12,2 A e a corrente de abertura era de 25,4 A). Cada submalha era adicionalmente conectada a um diodo. O total de 18 diodos foi conectado para formar um circuito de diodo-OR que fornece energia para o reforçador e apenas ativa o LED no caso de contato elétrico entre uma ou mais submalhas e o cátodo.

[0062] O cátodo e o ânodo estavam voltados um para o outro verticalmente com um intervalo de 35 mm entre as superfícies externas. Um dendrito foi produzido artificialmente inserindo-se um parafuso, como um centro de nucleação, na placa catódica de aço inoxidável perpendicularmente à malha de ânodo; a ponta do parafuso estava a 4 mm de distância do ânodo. Após 1 dia de operação em condições potenciostáticas, com uma tensão de célula de 1,8 V, o cobre depositado na ponta do parafuso entraria em contato com a submalha de ânodo frontal, resultando em uma deposição de cobre na submalha específica, na ativação do LED e em um sinal de advertência do dispositivo de comunicação ZigBee para um computador central principal. O teste foi continuado por 60 horas e, durante esse momento, o cobre se espalhou pelas bordas do painel da submalha. Ao fim do teste, nenhum dano mecânico devido ao curto-circuito se fez presente na malha de ânodo; a corrente estava na faixa de 55 a 65 A.

[0063] Por fim, a produção de cobre nas áreas voltadas para as submalhas restantes não mostraram nenhuma irregularidade.

CONTRAEXEMPLO 2

[0064] Uma estrutura anódica similar àquela do Exemplo 2 foi testada nas mesmas condições sem dotá-la do sistema eletrônico de controle. O dendrito alcançou a superfície do ânodo após 1 dia de operação, danificando a malha de ânodo de modo irreparável.

[0065] A descrição anterior não deve ser destinada a limitar a invenção, a qual pode ser usada de acordo com diferentes modalidades sem que haja desvio dos escopos dessa, e cuja abrangência é definida apenas pelas reivindicações anexas.

[0066] Ao longo da descrição e das reivindicações do presente pedido, o termo "compreender" e variações desse, como "que compreende" e "compreende", não são destinados a excluir a presença de outros elementos, componentes ou etapas de processo adicionais.

Claims

1. ESTRUTURA ANÓDICA PARA CÉLULAS DE ELETROPRODUÇÃO, compreendendo uma barra de suspensão de ânodo (100), uma estrutura de suporte de material isolante (110), pelo menos uma malha de ânodo (101) que tem um substrato de metal de válvula dotado de um revestimento catalítico, sendo que a dita pelo menos uma malha de ânodo (101) é subdividida em pelo menos duas submalhas (102) mutuamente isoladas, caracterizada pelas ditas submalhas (102) serem individualmente abastecidas com corrente elétrica através de meios condutores conectados à dita barra de suspensão de ânodo (100), em que a estrutura anódica é adicionalmente dotada de pelo menos um sistema eletrônico (105) que compreende pelo menos uma sonda de corrente e pelo menos um atuador para medir e controlar individualmente o fornecimento de corrente a cada uma das ditas submalhas (102).

2. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela dita pelo menos uma malha de ânodo (101) ser subdividida em submalhas (102) de área na faixa de 25 cm2 a 225 cm2.

3. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelos ditos meios condutores serem placas, barras ou cabos de metal.

4. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelas ditas barras, placas ou cabos de metal serem produzidos a partir de material eletricamente condutivo com resistividade elétrica a 20 °C de 1,5x10-8 a 3,0x10-8 Qxm.

5. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo dito material eletricamente condutivo ser escolhido entre cobre, alumínio ou ligas desses.

6. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelas ditas submalhas mutuamente isoladas serem presas à dita estrutura de suporte de material isolante (110) por meios de preensão.

7. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelos ditos meios condutores e o dito pelo menos um sistema eletrônico (105) serem incorporados e vedados no interior da dita estrutura de suporte isolante (110) por meio de resinas ou plásticos.

8. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada por cada submalha (102) ser equipada com o dito pelo menos um sistema eletrônico (105).

9. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo dito sistema eletrônico (105) compreender componentes eletrônicos ativos ou passivos.

10. ESTRUTURA ANÓDICA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelos ditos componentes eletrônicos passivos serem termístores ou fusíveis rearmáveis.

11. SISTEMA PARA DEPOSIÇÃO DE METAL EM UMA USINA DE ELETROPRODUÇÃO DE METAL, caracterizado por compreender pelo menos uma estrutura anódica, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.

12. SISTEMA PARA DEPOSIÇÃO DE METAL EM UMA USINA DE ELETROPRODUÇÃO DE METAL, compreendendo pelo menos uma estrutura anódica, de acordo com a reivindicação 10, em que cada submalha (102) é equipada com pelo menos um fusível rearmável, e em que cada dito fusível rearmável é caracterizado por: - um coeficiente positivo de temperatura; - um valor de corrente de manutenção igual a um valor de corrente predefinido, em que o dito valor de corrente predefinido corresponde à corrente nominal máxima que é fornecida para cada submalha (102) individual; - um valor de corrente de abertura menor do que a corrente máxima de segurança para cada submalha (102).

13. MÉTODO PARA DEPOSIÇÃO DE METAL EM UMA USINA DE ELETROPRODUÇÃO DE METAL, caracterizado por compreender pelo menos uma estrutura anódica, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, que compreende as etapas de: - detectar a corrente em cada submalha (102) de cada malha de ânodo (101) em intervalos de tempo predefinidos por meio do sistema eletrônico (105); - determinar as submalhas (102) de cada malha de ânodo (101) correspondente a um máximo relativo de corrente; - descontinuar o fornecimento de corrente para as ditas submalhas (102) correspondentes a um máximo relativo de corrente até a detecção subsequente.