BR112017016139B1 - Método para fabricação de material sob a forma de placa para processamento eletroquímico - Google Patents

Método para fabricação de material sob a forma de placa para processamento eletroquímico Download PDF

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Abstract

MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE MATERIAL SOB A FORMA DE PLACA PARA PROCESSO ELETROQUÍMICO. A invenção refere-se a um método para fabricação de um material sob forma de placa, que é usado no processo eletroquímico de metal como uma parte de um catodo em cuja superfície um metal é depositado. A aspereza de superfície do material sob forma de placa para a adesão entre o depósito de metal e o material sob forma de placa é obtida com pelo menos um tratamento em uma linha de transformação de bobinas.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método para fabricação de um material sob a forma de placa que é utilizado no processamento eletroquímico de metal, tal como eletrorrefino ou extração eletrolítica.
[002] A rugosidade superficial de um material sob a forma de placa catódica é um parâmetro importante para a adesão de metais chapeados eletroquimicamente na indústria hidrometalúrgica. Experiências da indústria mostraram que a superfície precisa ser suficientemente áspera para garantir a adesão e evitar a pré-decapagem do metal chapeado, mas, por outro lado, não muito áspera a fim de evitar que a força de aderência seja muito alta tornando a remoção da placa chapeada muito difícil ou danificando as placas no processamento de decapagem. Na indústria de cobre os aços inoxidáveis tem sido usado como placas catódicas tanto para a eletrorrefino como para a extração eletrolítica. O grau de aço inoxidável preferido para placas catódicas tem sido o grau EN 1 .4404 (316L / UNS S31603) com uma superfície laminada a frio 2B. Este grau de aço inoxidável contém tipicamente 10 - 13 % em peso de níquel, que é um componente caro. Portanto, a indústria de cobre não está apenas buscando alternativas mais econômicas, como os aços inoxidáveis duplex como placas catódicas, mas também processamentos mais econômicos para fabricar uma placa catódica.
[003] Uma etapa de processamento eletroquímico é uma das etapas finais no processamento de por exemplo cobre metálico. Na eletrorrefino anodos e catodos de cobre são posicionados em uma solução eletrolítica que contém sulfato de cobre e ácido sulfúrico. Uma corrente elétrica é passada através da solução fazendo com que o cobre do anodo carregado positivamente seja depositado no catodo carregado negativamente. Recuperação de cobre por eletrólise de metais na solução é feita através de um processamento similar, mas o cobre é removido da solução, ao invés do anodo, e depositado no catodo. Quando uma quantidade apropriada de cobre foi depositada no catodo, o catodo é removido da solução e decapado a fim de remover o depósito de cobre da superfície da placa catódica.
[004] A patente Americana 7,807,029 refere-se a uma placa catódica de aço inoxidável permanente, o catodo sendo composto de um aço duplex com baixo nível de níquel ou um aço de grau mais baixo "304", sendo que pelo menos uma das superfícies catódicas apresenta uma rugosidade de superfície para produzir a adesão necessária a fim de permitir aderência operacional. A adesão é suficientemente forte para impedir a separação mecânica do depósito de cobre da superfície. Porém, a adesão desejada na patente Americana 7,807,029 baseia-se apenas nas características de adesão pré-determinadas que determina para a respectiva superfície uma rugosidade de superfície Ra dentro da faixa de 0,6 - 2,5 micrômetros. Qualquer determinação específica para adesão na superfície não é apresentada assim como o método para fabricação de uma placa catódica.
[005] A publicação WO 2012/175803 descreve um catodo permanente e um método para o tratamento da superfície de um catodo permanente. No método, os contornos de grãos da superfície de placa catódica permanente são tratados quimicamente ou eletroquimicamente a fim de obter as propriedades de superfície desejadas para a adesão de metal depositado na superfície e a decapagem de metal da superfície.
[006] Tanto a patente Americana citada 7,807,029 como a publicação WO citada 2012/175803 destacam o tratamento de superfície em relação a uma placa catódica individual e separada a ser usada como um eletrodo na extração eletrolítica de eletrorrefino. Essas referências não descrevem como a placa catódica individual e separada foi produzida.
[007] O objeto da presente invenção é impedir algumas desvantagens do estado da técnica e obter um método melhorado para fabricação de um material sob forma de placa a ser usado no processamento eletroquímico de metal, tal como eletrorrefino ou extração eletrolítica. As características essenciais da presente invenção aparecem listadas nas reivindicações anexas.
[008] De acordo com a presente invenção um material sob forma de placa é usado como parte de um catodo sobre cuja superfície um metal é depositado no processamento eletroquímico de metal, tal como eletrorrefino ou extração eletrolítica. O material sob forma de placa é fabricado em uma linha de bobinagem, tal como uma linha de processamento de laminação a frio, de modo que a rugosidade de superfície desejada para adesão entre o depósito de metal e o material sob forma de placa seja obtida. A rugosidade de superfície da placa a ser usada como uma parte de um catodo é feita por pelo menos um tratamento mecânico e/ou químico na linha de bobinagem. Os tratamentos para a rugosidade de superfície desejada podem ser por exemplo um ou mais dos seguintes tratamentos laminação, lixamento úmido, lixamento seco, jateamento com granalha, decapagem, escovação, acabamento e encruamento superficial ou qualquer combinação desses tratamentos.
[009] O material sob forma de placa a ser tratado na linha de bobinagem é vantajosamente uma tira feita de aço inoxidável. Após o tratamento final na linha de bobinagem o material sob forma de placa, um produto recebido da linha de bobinagem, apresentando a rugosidade de superfície desejada, é mantido como um formato de placa, mas pode ser vantajosamente tratado para apresentar uma forma de uma bobina. Como um formato de uma placa o material pode ser cortado nas dimensões desejadas a ser utilizado como uma parte de um catodo em cuja superfície um metal foi depositado em um processamento eletroquímico. No caso, o material sob forma de placa está como uma forma de uma bobina, o material sob forma de placa é essencialmente fácil de transferir a um local onde o processamento eletroquímico de metal é realizado. O material bobinado sob forma de placa é então cortado em um formato vantajoso para a operação do processamento eletroquímico de metal.
[010] A linha de bobinagem de acordo com a invenção contém vantajosamente as etapas de processamento tal como recozimento, tratamento de superfície químico, tratamento de superfície mecânico, laminação a frio. O tratamento de superfície químico pode ser por exemplo decapagem. O tratamento mecânico pode ser por exemplo lixamento, lixamento úmido ou lixamento seco, escovação e jateamento com granalha. A laminação a frio pode ser feita por exemplo por laminação. Quaisquer combinações dessas etapas de processamento podem ser utilizadas a fim de apresentar um material sob forma de placa com a rugosidade de superfície desejada. De acordo com uma concretização preferida da invenção a linha de bobinagem para o material sob forma de placa consiste nos tratamentos pre- recozimento e decapagem, laminação a frio, lixamento, recozimento final e decapagem.
[011] O material sob forma de placa tratado de acordo com a invenção é utilizado como uma parte de um catodo em um processamento eletroquímico de metal, onde o metal a ser depositado no material sob forma de placa é por exemplo cobre, níquel ou prata. O processamento eletroquímico pode ser por exemplo eletrorrefino ou extração eletrolítica.
[012] Para obter uma rugosidade de superfície desejada para a placa a ser usada no processamento eletroquímico de metal, a adesão no processamento eletroquímico de metal é determinada pela medição de uma força de cisalhamento necessária para desprender o metal depositado entre a superfície de uma placa e o metal depositado na superfície da placa. A força de cisalhamento é medida utilizando-se uma ferramenta para uso em uma máquina de ensaio de tração. Um corpo de prova feito de um material sob forma de placa tal como aço inoxidável é colocado na ferramenta de tal forma que o corpo de prova seja móvel, mas suficientemente apertado de modo que um depósito de metal sobre a superfície do corpo de prova permaneça na parede de ferramenta onde a peça de metal é fixada. A ferramenta com o corpo de prova é então colocada em uma máquina de ensaio de tração de modo que o corpo de prova seja pressionado para baixo, enquanto o depósito de metal é mantido em uma posição fixa. A força de cisalhamento necessária para separar o depósito de metal do corpo de prova é medida quando o corpo de prova é abaixado.
[013] A invenção é descrita mais detalhadamente com relação ao desenho a seguir onde:
[014] A figura 1 mostra uma concretização preferida da invenção, com cobre como o metal a ser depositado no material sob forma de placa, ilustrando a correlação entre a força de cisalhamento e a rugosidade de superfície Ra,
[015] A figura 2 mostra uma concretização preferida da invenção, com cobre como o metal a ser depositado no material sob forma de placa, ilustrando a correlação entre a força de cisalhamento e a rugosidade de superfície Ra em escala industrial.
[016] Os efeitos de uma rugosidade de superfície e a composição química do material sob forma de placa em relação à força de cisalhamento entre cobre a ser depositado e a placa a ser usada no processamento eletroquímico de cobre são determinados por um lado utilizando material diferente sob forma de placa e por outro lado diferentes valores de rugosidade de superfície na superfície de placa. Para comparar se um material sob forma de placa propriamente dito faz uma diferença com relação à força de cisalhamento, corpos de prova sob forma de placa são lixados até um valor similar de rugosidade de superfície. Para a determinação dos efeitos em relação à força de cisalhamento causada pela rugosidade de superfície, diferentes rugosidades de superfície são obtidas para os corpos de prova feitos do mesmo material sob forma de placa. Além disso, o efeito do alinhamento de ranhuras obtidas vantajosamente por lixamento sobre a superfície do corpo de prova sob forma de placa é determinado pela obtenção sobre a superfície tanto de ranhuras de lixamento que são paralelas ao comprimento do corpo de prova como ranhuras de lixamento, que são essencialmente perpendiculares ao comprimento do corpo de prova.
[017] O depósito de cobre sobre a superfície do corpo de prova sob forma de placa é obtido em uma célula eletroquímica, onde um eletrólito consistindo em sulfato de cobre hidratado, cloreto de sódio, tiouréia e ácido sulfúrico está simulando o eletrólito em escala industrial na eletrorrefino de cobre. Na célula eletroquímica um eletrodo de referência calomelano (SCE) é usado para registrar o potencial durante a operação e uma malha de platina é servida como um eletrodo oposto. Durante o processamento eletroquímico ar é borbulhado para dentro do eletrólito a fim de promover agitação. O processamento eletroquímico é paralisado quando uma quantidade desejada de cobre é depositada sobre a superfície do corpo de prova sob forma de placa.
[018] Os conteúdos de elemento principal das
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Tabela 1
[019] A liga A representa um aço inoxidável austenítico de EN 1.4404 (316L / UNS S31603) que é usado tipicamente para uma placa catódica e que contém em % em peso menos de 0,03 % de carbono (C), menos de 2 % de manganês (Mn), 16,5 -18,5 % de cromo (Cr), 10 - 13 % de níquel, 2 - 2,5 % de molibdênio (Mo) e menos de 0,10 % de nitrogênio (N).
[020] A liga B representa um aço inoxidável ferrítico austenítico duplex de EN 1.4162 (LDX 2101 /UNS32101) que contém tipicamente em % em peso menos de 0,04 % de carbono (C), 4 - 6 % de manganês (Mn), 21 - 22 % de cromo (Cr), 1 ,35 - 1 ,70 % de níquel, 0,1 - 0,8 % de molibdênio (Mo), 0,2 - 0,25 % de nitrogênio (N) e 0,1 - 0,8 de cobre (Cu).
[021] A liga C representa um aço inoxidável ferrítico austenítico de EN 1.4462 (2205/UNS32205) que contém tipicamente em % em peso menos de 0,03 % de carbono (C), menos de 2 % de manganês (Mn), 21 - 23 % de cromo (Cr), 4,5 - 6,5 % de níquel, 2,5 - 3,5 % de molibdênio (Mo) e 0,10 - 0,22 % de nitrogênio (N).
[022] Para a determinação da correlação entre a rugosidade de superfície e a força de cisalhamento nas ligas A - C, diferentes valores de rugosidade de superfície foram obtidos pelo uso de diferentes cintas abrasivas e pelo uso de cintas abrasivas que haviam sido mais ou menos desgastadas. Além disso, diferentes rugosidades de superfície são obtidas lixamento seco ou lixamento úmido da superfície. Também superfícies jateadas por granalhas e decapadas foram testadas assim como um material que é submetido a acabamento e encruamento artificial em uma linha de bobinagem.
[023] De acordo com a invenção, as medições de rugosidade de superfície para os valores de rugosidade de superfície Ra (média de rugosidade) são realizadas com um medidor de rugosidade de superfície onde o corte é ajustado a 0,8 mm e a velocidade de transversal de agulha a 0,5 mm/s para aqueles corpos de prova com o valor Ra inferior a 2,26 micrometros. Para os corpos de prova possuindo valor Ra superior a 2,26 micrometros o corte é ajustado a 2,5 mm e a velocidade transversal de agulha a 1 mm/s.
[024] Cada corpo de prova sob forma de placa foi ajustado na célula eletroquímica a fim de obter um depósito de cobre sobre a superfície de cada corpo de prova sob forma de placa. Antes do início do processamento de cisalhamento verificou-se que a interface entre o cobre depositado e o corpo de prova mostra que o apresenta uma penetração muito boa em características topográficas muito pequenas da superfície de corpo de prova.
[025] Para a medição da adesão por força de cisalhamento entre o cobre depositado e a superfície de placa, os corpos de prova com o cobre depositado são ajustados em uma ferramenta de modo que o corpo de prova possa ser movimentado, mas o cobre depositado permanece na posição fixa. A ferramenta é então ajustada na máquina de ensaio de tração, e o corpo de prova sob forma de placa catódica é movido para a medição da força necessária para separar o depósito de cobre do corpo de prova sob forma de placa.
[026] Os corpos de prova sob forma de placa com sua rugosidade de superfície assim como a força de cisalhamento medida são listados na tabela 2 a seguir e na figura 1 para a rugosidade de superfície Ra. Também os valores do material de referência são listados na tabela 2. Na tabela 2 o termo “cinta desgastada " significa uma cinta abrasiva que foi utilizada para o tratamento de lixamento pelo menos uma vez antes do tratamento atual enquanto o termo “cinta nova” significa uma conta abrasiva que não foi usada para o tratamento de acordo com a invenção, antes do tratamento atual.
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Tabela 2
[027] Na tabela 2, os resultados são baseados em três testes onde a rugosidade de superfície é obtida por lixamento úmido e um teste onde a rugosidade de superfície é obtida pela combinação de jateamento com granalha e decapagem. Verificou-se que a adesão medida pela força de cisalhamento aumenta quando os valores de rugosidade de superfície vão aumentado. Uma tendência essencialmente linear pode ser vista para as superfícies lixadass por via úmida. A força de cisalhamento medida entre a placa e o cobre depositado sobre a superfície da placa é ajustada pela rugosidade de superfície da placa, e conforme mostrado na figura 1 a força de cisalhamento é diretamente proporcional à rugosidade de superfície da placa quando a rugosidade de superfície da placa é obtida por lixamento. O valor máximo de força de cisalhamento foi medido para o corpo de prova, que foi tratado como uma combinação de jateamento com granalha e decapagem, primeiro por jateamento com granalha e então por decapagem. Além disso, também verificou-se a partir da interface entre o depósito de cobre e a superfície de aço inoxidável que o depósito de cobre apresenta boa penetração em traços topográficos extremamente pequenos da superfície de aço inoxidável. Portanto, a rugosidade de superfície Ra 0,7 - 5,5 micrometros, preferivelmente 0,7 - 2,5 micrometros, é suficiente para a adesão desejada entre depósito de cobre e a superfície de aço inoxidável. Desse modo, a força de cisalhamento é de 250 - 800 N, preferivelmente 250 - 650 N.
[028] A conexão entre a rugosidade de superfície e a força de cisalhamento também foi testada e em escala industrial e os resultados são apresentados na tabela 3 e respectivamente na figura 2 para a liga B.
Figure img0004
Tabela 3
[029] Os resultados de teste na tabela 3 e na figura 2 mostram que a rugosidade de superfície e a força de cisalhamento apresentam uma dependência linear entre si. Além disso, os resultados para a adesão medida por forças cisalhantes situam-se essencialmente nas mesmas faixas como dos valores para as forças cisalhantes em escala de laboratório.

Claims (23)

1. Método para fabricação de um material de placa que é usado no processamento eletroquímico de metal como parte de um catodo em cuja superfície um metal é depositado, caracterizado pelo fato de que o material de placa é fabricado em uma linha de processamento de laminação à frio, de modo que a rugosidade da superfície do material de placa para a adesão entre o depósito de metal e o material de placa é obtida na forma de uma bobina com pelo menos um tratamento na linha de processamento de laminação a frio; em que a rugosidade da superfície pela rugosidade média Ra é de 0,7 a 5,5 micrômetros, preferivelmente 0,7 a 2,5 micrômetros; e a força de cisalhamento é 250 a 800 N, preferivelmente de 250 a 650 N.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida mecanicamente.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida por lixamento a úmido.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida por lixamento a seco.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida por jateamento de granalha.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida por escovação.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida por laminação.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida quimicamente.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida mecanicamente e quimicamente.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida por jateamento de granalha e decapagem.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a rugosidade da superfície do material de placa é obtida por uma combinação dos tratamentos.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para processamento eletroquímico de cobre.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para eletrorrefino de cobre.
14. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para extração eletrolítica de cobre.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para processamento eletroquímico de prata.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para eletrorrefino de prata.
17. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para extração eletrolítica de prata.
18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para processamento eletroquímico de níquel.
19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para eletrorrefino de níquel.
20. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de o material de placa ser para extração eletrolítica de níquel.
21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de o material de placa, como um produto de uma linha de processamento de laminação, ser feito de um aço inoxidável austenítico que contém em % em peso: menos que 0,03% de carbono (C), menos de 2% de manganês (Mn), 16,5 a 18,5% de cromo (Cr), 10 a 13% de níquel, 2 a 2,5% de molibdênio (Mo) e menos de 0,10% de nitrogênio (N), o restante do referido aço sendo composto por ferro e impurezas inevitáveis.
22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de o material de placa, como um produto de uma linha de processamento de laminação, ser feito de um aço inoxidável ferrítico austenítico duplex, que contém em % em peso: menos de 0,04% de carbono (C), 4 a 6% de manganês (Mn), 21 a 22% de cromo (Cr), 1,35 a 1,70% de níquel, 0,1 a 0,8% de molibdênio (Mo), 0,2 a 0,25% de nitrogênio (N) e 0,1 a 0,8% de cobre (Cu), o restante do referido aço sendo composto por ferro e impurezas inevitáveis.
23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de o material de placa, como produto de uma linha de processamento de laminação, ser feito de um aço inoxidável ferrítico austenítico duplex que contém em % em peso: menos de 0,03% de carbono (C), menos de 2% de manganês (Mn), 21 a 23% de cromo (Cr), 4,5 a 6,5% de níquel, 2,5 a 3,5% de molibdênio (Mo) e 0,10 a 0,22% de nitrogênio (N), o restante do referido aço sendo composto por ferro e impurezas inevitáveis.
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