CN104911637A - 一种直接电沉积设备 - Google Patents

Abstract

一种直接电沉积设备，包括阴极、阴极内衬、压环、阳极、阳极帽、上端盖，上端盖帽、下端盖、出料阀等。所述上端盖和下端盖与阴极上下法兰用螺丝连接，用耐酸O型密封；上端盖帽与上端盖为多头螺纹连接；阳极在阴极正中间，通过下端盖和上端盖帽中心定位，保证阴极和阳极同心；阴极内衬装在阴极内壁上，靠自身的弹力和压环与阴极内壁贴紧；本发明能有效克服浓差极化和电化学极化，电沉积液循环流量小，压力低，电积金属纯度高，电能转化效率高；无酸雾和废气自由排放；本直接电沉积设备可单个使用，也可若干个并联或串联使用；实现自动化、连续化生产。

Description

一种直接电沉积设备

技术领域

本发明涉及湿法冶金和从金属离子溶液里生产金属的技术领域。

背景技术

金属从溶液中直接电沉积，属于湿法冶金的范围，从矿石到原料，从原料到金属材料，涉及十分广泛的电化学现象和应用，理论与应用互相促进，推动了冶金电化学科技的发展。在湿法冶金过程中，金属的浸出、净化、提取到精炼，从目前应用技术来看，周期表中的大部分金属均可由电解方法制备出来，但目前工业上大规模化电解生产的金属约有二、三十种。

电解是将电流通过电解质溶液或熔融态物质,（又称电解液），在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程；电解广泛应用于冶金工业中，如从矿石或化合物提取金属(电解冶金)或提纯金属(电解提纯)，以及从溶液中沉积出金属(电镀)。电解是一种非常强有力的促进氧化还原反应的手段，许多很难进行的氧化还原反应，都可以通过电解来实现。例如：可将熔融的氟化物在阳极上氧化成单质氟，熔融的锂盐在阴极上还原成金属锂。电解工业在国民经济中具有重要作用，许多有色金属（如钠、钾、镁、铝等）和稀有金属（如锆、铪等）的冶炼及金属（如铜、锌、铅等）的精炼，基本化工产品(如氢、氧、烧碱、氯酸钾、过氧化氢、乙二腈等)的制备，还有电镀、电抛光、阳极氧化等，都是通过电解实现的。目前, 国内外业界为解决冶金电解过程中所带来的环境污染、能源消耗大等诸多弊端，正研究开发新的电解电积技术和设备。

电沉积是金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程，是金属电解冶炼、电解精炼、电镀、电铸过程的基础。这些过程在一定的电解质和操作条件下进行。

金属的还原析出与阴极极化密切相关。依据电沉积过程中所产生原因的不同，极化又分为浓差极化、电化学极化等类型。不同极化类型控制下的电沉积过程，将有不同的特征；浓差极化：在电沉积过程中，参加反应的粒子在电极表面上沉积，或电极反应生成物在电极表面附近积累，都会导致电极表面附近反应粒子的浓度发生变化，使电极表面附近与溶液本体的浓度出现差值。因浓度差引起的电极电位的改变，称为浓差极化。浓差极化有如下特点：随电极电流密度的增加浓差极化增加，当达到某一电位后，将出现不随电极电位变化的极限电流；搅拌溶液可以大大降低浓差极化，提高极限电流密度。在电沉积过程中，由简单金属盐组成的溶液，电极过程受浓差极化控制时，电极表面获得的金属沉积层往往比较粗糙；电化学极化：金属离子沉积时，液相的离子必须克服或越过某一能垒才能在阴极上沉积,由此引起的电极电位的改变称电化学极化。影响电化学极化的主要因素有：电极材料，不同的电极材料对电化学反应有不同的催化活性；现有技术中的电沉积大多采用电解工艺，要求浸出液金属离子的浓度高，酸度大，只适用于精炼；而采用直接电积设备，可从含金属离子的溶液中直接生产出金属，而且纯度高 ，节能环保。

发明内容

  为了使大部分金属离子溶液中的金属离子能通过电化学的方法，直接在阴极了生成金属，还要能耗低，环保，生产的金属纯度高，电能转化效率高。我们发明了本直接电沉积设备，采取的主要方案是阳极和阴极都为空心管，下端盖和上端盖固定安装在阴极两端，阳极通过下端盖和上端盖帽同心固定安装在阴极管内，阳极管壁上钻了若干个1毫米左右的斜小孔，小孔的的排列方式为：轴向从阳极进液管到阳极帽方向，孔距为等差数列，公差为正；径向均布排列若干列，相邻两列各孔为错位排列，每个孔都在其相邻两孔轴向的中间；小孔轴线与阳极管外圆柱面的交点处的切面和小孔的轴线成45°左右夹角；与此切面垂直且通过小孔轴线的平面与阳极管轴线成向上15°左右的夹角。阳极进液管处有导流板和导流档板，阳极材料为钛基涂烧结铱钽合金；阴极内壁装有阴极内衬，材料都为不锈钢，设置阴极内衬的目的是沉积在阴极内衬上的金属方便从阴极管取出，取出的阴极内衬在自身弹力的作用下与沉积的金属管分离，再把阴极内衬装入阴极管内继续沉积金属；电积电源正极与阳极连接，负极与阴极连接。

循环罐内的电沉积液经循环泵以一定的压力和流速打入阳极管内经导流板和导流挡板，使其在阳极管内部旋转起来，再从阳极管壁上的斜小孔喷射向阴极内衬面和沿阴极内衬内壁旋转各上流动，然后经上端盖出液孔流入循环罐中，形成回流，使金属离子不断在阴极内衬上不断被还原而沉积。

阳极管内的导流板和导流挡板，使液流在阳极管内部旋转起来，再从阳极管壁上的斜小孔喷射向阴极内衬面，因阳极管壁上的斜小孔孔距从下到上为等差排列，消除了电沉积装置内下部压力大于上部压力而带来对液流的影响，使大部分液流从阳极管底部的小孔喷出，绕阴极内衬内壁旋转向上流动，使阳极和阴极内衬之间的电沉积液从下到上均匀地喷射和旋转，从而保证了沉积在阴极内衬的金属不管从厚度，致密度，光洁度，纯度等都保持均匀一致，很好得克服了电沉积过程中的浓差极化。由于阳极采用了钛基涂烧结铱钽合金，可有效克服电沉积过程中的电化学极化，

由于本直接电沉积设备能很好地克服电沉积过程中的浓差极化和电化学极化，所以可使很多金属都能进行电沉积，电积液金属离子浓度低（只要几克/升就可电积），添加剂用量少，电沉积后的电积液金属离子含量极小（可小于1克/升），电沉积液循环流量小，压力低，电积金属纯度高，电能转化效率高；电沉积液在密封的容器内循环，无酸雾和废气自由排放，可实现自动化、连续化生产；真正的低能耗、低污染环境的新型直接电沉积设备。由于本直接电沉积设备可单个使用,也可若干个并联或串联使用。

 本发明的技术方案如下（图1）：一种直接电沉积设备，包括阴极管10、阴极内衬4、压环16、阳极管9、阳极帽15、上端盖13，上端盖帽14、下端盖5、排料阀24等；上端盖13，上端盖帽14，下端盖5和阳极帽15都为耐腐蚀的非金属绝缘材料注塑而成；上端盖13上有多头外螺纹和出液孔12，，中心有通孔，出液孔12在其外壁上，轴线与其外切圆切线平行，方向与阳极管9上的小孔8液流方向一致；上端盖帽14上有多头内螺纹；下端盖5内底面为斜面，斜面的最低处有排料孔23，可接排料阀24；下端盖5上端有凸台22，有下盖密封槽19，有预埋内螺母20；有阳极支撑柱25，密封槽21；下端盖5底面到另一端端面的距离大于阳极支撑柱25的端面的距离；凸台22外边有比较大的倒角；预埋螺母20是在注塑成型时预先埋好的；阴极内衬4为厚度为0.6左右的不锈钢板卷制而成，装入阴极管10内时直径和长度与阴极管10的内径和长度相等；自同状态下为轴向开口的半圆板；阳极管9和阳极帽15组成阳极，阳极管9一端有阳极进液管1，另一端与阳极帽15套接；阳极管9内有导流板6和导流档板7，阳极管9壁上有若干个小孔8，套装阳极帽15一端阳极管总长的五分之一左右没有小孔；阳极管9壁上的若干个小孔的排列方式为：轴向从阳极进液管1到阳极帽15方向，孔距为等差数列，公差为正；径向相邻两列各孔为错位排列，每个小孔都在其相邻两孔轴向的中间；通过小孔8轴线与阳极管9外圆柱面的交点的切面和小孔8的轴线成45°左右夹角；与此切面垂直且通过小孔8轴线的平面与阳极管9轴线成向上15°左右的夹角；导流板6为流线孤形板，以阳极管9轴线为中心，均布焊接在阳极管9端板的内平面上，导流板6孤线的切线方向与阳极壁小孔8的轴线方向一致，导流挡板7为一圆板，板的一面为平面（或其它光滑面），另一面的中间为内圆孤锥面，外围为平环面，平环面与导流板6点焊连接。

     直接电沉积设备安装方式为轴线与地面垂直安装，上端盖13在上，下端盖5在下；阴极管10两端有法兰，分别用螺丝与上端盖13的预埋内螺母17和下端盖5的预埋内螺母20连接；用上盖密封槽18和下盖密封槽19内的密封圈密封；与上端盖13相连接的一端称为上端，与下端盖5相连的一端称为下端；上端盖帽14的多头内螺纹与上端盖13的多头外螺纹相连接且与外界密封；阴极内衬4长度与阴极管10上下法兰之间的距离相等，插装入阴极管10内，下端插入阴极管10内壁与下端盖5的凸台22之间，上端内面插装压环16；压环16、下端盖5的凸台22和阴极内衬4的自然张力使其与阴极管10内面帖紧；阳极管9和阳极帽15组成阳极，阳极帽15外有两个密封槽11，可装密封圈使阳极管9与阳极帽15连接处密封，阳极管9为壁厚为3毫米左右的钛管，内外壁烧结了铱钽合金涂层，下端焊接在端面平板上的阳极进液管1，上端与阳极帽15相连； 阳极的阳极进液管1插装入下端盖5中心孔内；阳极帽导柱27插入上端盖帽导柱26内，阳极通过上端盖帽导柱26和下端盖5中心孔使其与阴极管10同心，通过阳极锁紧螺母3固定，阳极支撑柱25端面的密封槽21内的密封圈起密作用；电源的阳极接线柱用阳极线螺母2压紧接在阳极进液管1上，电源的阴极接线柱接在阴极管10法兰之间的任何部位。

循环罐盛装含金属离子溶液，循环泵入口与循环罐相连接，出口与阳极进液管1相连通，上端盖13的出液孔12与循环罐相连通，循环罐里的含金属液体经泵加压通过阳极进液管1进入阳极管9内部，导流挡板7挡住了液流不能直接冲向阳极管9上部，只能通过导流板6之间的空间流出，经导流板6的液流就会顺导流板6的方向旋转向上流动，有一定压力的液流再经过阳极管9壁上的斜小孔8，直接喷射向阴极内衬4内表面，也使液流在阳极与阴极内之间的空腔内旋转向上流动，再经上端盖出液孔12流回循环罐。

由于进入阳极管9内的液流有不定的压力和速度，如果没有导流挡板7，阳极管7壁上的小孔8为均布排列时，液流就会冲向阳极管9上部，在液体充满电沉积装置内部的情况下，下部的液压大于上部，液流会优先流向压力低的地方，所以大部分液体就会优先从阳极管9上部小孔中喷出，剩余液体遇到阳极帽15上板后从四周折反向下流动，在阳极管9内产生涡流，能耗会增加；还有就是进入阳极管9的液流有一定的速度，根据流体力学原理，与液流面接触面的压力就会小于外界的压力，所以还有可能会使阳极管9壁外的液体通过小孔8流入阳极管9内 ，使液流没有喷射到阴极内衬4上反而回流，因阴极内衬4上部液流喷射及液流旋转，很好地破坏了浓差极化，阴极内衬上部的沉积的金属质量好，致密，表面光洁，而下部就很差，晶格粗，生长快，有时会出现粉末，很快会使阳极和阴极接通面短路，无法沉积。

阳极管壁上的小孔轴线与阳极管外圆柱面交点处的切面是成45°左右而不是90°的直孔，如果是直孔那么液流只是直接喷射到阴极衬套4的内表面，液流不会旋转，喷射到的地方沉积的很好，而没喷射到的地方就沉积得差，电沉积金属的质量得不到保证，当沉积的厚度比较大时这种现象更为明显；阳极管壁上的孔的数量有限，不可能很多，多的话一是起不到喷射用，二流量会很大，耗能就会增大，所以要用尽可能少的小孔来达到很好的破坏浓差极化的效果，阳极管9上的小8孔的排列方式为：轴向从阳极进液管1到阳极帽15方向，孔距为等差数列，公差为正；径向相邻两列各孔为错位排列，每个小孔都在其相邻两孔轴向的中间；通过小孔8轴线与阳极管9外圆柱面的交点的切面和小孔8的轴线成45°左右夹角；与此切面垂直且通过小孔8轴线的平面与阳极管9轴线成向上15°左右的夹角。可以达到很好的效果。

本直接电沉积设备通过调整阳极和阴极的极距，阳极上小孔的数量和角度，再配合循环流量和压力，能很好地破坏电沉积过程中的浓差极化，电化学极化等，使金属离子在阴极上顺利地还原沉积在阴极表面，可使很多金属都能进行直接电沉积，电积液金属离子浓度低（只要几克/升就可电积），添加剂用量少，电沉积后的电积液金属离子含量极小（可小于1克/升），电沉积液循环流量小，压力低，电积金属纯度高，电能转化效率高；电沉积液在密封的容器内循环，无酸雾和废气自由排放，可实现自动化、连续化生产；真正的低能耗、低污染环境的新型直接电沉积设备。本直接电沉积设备可单个使用,也可若干个并联或串联使用。

Claims (9)

1.一种直接电沉积设备，其特征在于：由阴极管、阴极内衬、压环、阳极、上端盖，上端盖帽、下端盖、出料阀等组成；外部附属设备有循环罐，循环泵及循环管路，电沉积电源、阳极接线柱和阴极接线柱、控制系统等。

2.根据权利要求1所述的直接电沉积设备，其特征在于：下端盖为耐腐蚀的非金属绝缘材料注塑而成；内底面为斜面，斜面的最低处有出料孔，可接阀门；下端盖上端有凸台，有密封圈槽，有预埋螺母；下端盖中部有阳极支撑柱，端面有密封圈槽，中心有通孔。

3.根据权利要求2所述的下端盖，其特征在于：下端盖底面到另一端端面的距离大于阳极支撑柱的端面的距离；凸台外边有比较大的倒角；预埋螺母是在注塑成型时预先埋好的。

4.根据权利要求1所述的直接电沉积设备，其特征在于：阳极由阳极管和阳极帽组成，阳极管一端有阳极进液管，另一端与阳极帽套接；阳极管内有导流板和导流上档板，阳极管壁上有若干个小孔通孔，套装阳极帽一端阳极管总长的五分之一左右没有小孔。

5.根据权利要求4所述的阳极，其特征在于：导流板为流线孤形板，以阳极轴线为中心，均布焊接在阳极管端板的内平面上，孤线的切线方向与阳极壁小孔的轴线方向一致，导流挡板为一圆板，板的一面为平面，另一面的中间为内圆孤锥面，外围为平环面，平环面与导流板点焊连接。

6.根据权利要求4所述的阳极，其特征在于：阳极壁上的若干个小孔的排列方式为：轴向从阳极进液管到阳极帽方向，孔距为等差数列，公差为正；径向相邻两列各孔为错位排列，每个孔都在其相邻两孔轴向的中间。

7.根据权利要求5所述的阳极，其特征在于：通过小孔轴线与阳极管外圆柱面的交点的切面和小孔的轴线成45°左右夹角；与此切面垂直且通过小孔轴线的平面与阳极管轴线成向上15°左右的夹角。

8.根据权利要求1所述的直接电沉积设备，其特征在于：上端盖，上端盖帽和阳极帽都为耐腐蚀的非金属绝缘材料注塑而成；上端盖上有多头外螺纹和出液孔，上端盖帽上有多头内螺纹。

9.根据权利要求8所述的上端盖，其特征在于：上端盖的出液孔在外壁上，电沉积液流方向与阳极管上的小孔液流方向一致；出液孔轴线与其外切圆切线平行。