CN105008592B - 用于监测在互连的电解池中的电流分布的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于连续监测电解器的阴极和阳极中的电流分布的设备，所述电解器包括至少两个相邻的电解池，每个包含多个阴极和阳极。根据本发明的所述设备关键地由至少一个具有适合支撑所述电极的外壳的电流收集母线条和所述母线条邻接在其上的绝缘材料的基部构成。所述基部具有用于测量电压的集成的探针。本发明还涉及常设的检测系统，允许对特别使用在金属电解制取或金属电解精炼的电解池中的每个电极上的连续的电流分布进行评估。本发明还涉及用于改造电解器的方法，包括用具有用于测量电压的集成的探针的新的基部元件置换现存的绝缘基部。

Description

用于监测在互连的电解池中的电流分布的设备

技术领域

本发明涉及用于监测在电冶金应用的电解池中的电流分布的系统。

背景技术

供给到电化学装置的电解池(特别是金属电解制取装置或者金属电解精炼装置的电解池)的电流可能以非常多样的方式分布在安装在所述电解池中的电极中，其对生产具有负面的影响。这样的现象可能因为几个原因而发生。例如，在金属电解制取装置或者金属电解精炼装置的具体情况下，负极性的电极(阴极)频繁地从其座移开以允许采收沉积在其上的产品，之后为随后的生产周期放回其原来的位置。这样的频繁操作，一般对非常大数量的阴极执行，经常导致在各自的电流收集母线条上的不完美的复位，造成不够理想的电接触，其也可能是由于座的污垢的原因。产品沉积可能以不规则的方式额外地发生在电极表面，产品质量梯度的形成改变阴极的表面轮廓。这不论何时发生，发生电不平衡的状态，所述电不平衡的状态由沿着整个表面的不再恒定的阳极到阴极的间隙造成：电阻抗(其为每对阳极和阴极之间的距离的函数)变成可变的，使不规则的电力分布问题更严重。

电流可能因此以不同的程度分配到每个电极，既由于电极本身和电流收集母线条之间的糟糕的电接触，也因为阴极的表面轮廓的改变。而且，即使简单的阳极的磨损也可能影响电流分布。

这些电流的分配上的不均匀可能导致阳极到阴极的短路。在这种情况下，电流倾向于集中在短路区域，对对面的阳极造成严重伤害。另外，短路电路带来在受影响的阴极上的电流的集中，减小到达剩余的阴极的电流并且严重地妨碍生产，其不能继续直到短路的阴极被断开。

除了提到的产生质量和生产能力的损失以外，不平均的电流分布还将威胁到现有技术的阳极的完整性和寿命，所述阳极开始从钛网格获得。

在工业装置中，给定了存在大数量的电解池和电极，检测电流的分配上的不规则性的工作是非常复杂的。这样的测量实际上包括数以千计次的手动测量，由操作员经由红外检测器或者磁性检测器来执行。在金属电解制取的装置或者金属电解精炼的装置的特殊情况下，这些检测由操作员在高温环境和存在酸雾的条件下来做，所述酸雾主要由硫酸构成。

而且，由操作员使用的传统的手动设备(诸如高斯计或者具有红外传感器的仪器)只允许追查大的电流分布的不平衡，因为它们实际检测由磁场或者温度变化产生的非直接的不平衡，而磁场或者温度变化又是本地电流强度的函数。

存在已知的用于无线监测电解池的系统，所述系统尽管是常设的并且连续地运作，也仅对每个电解池的电压和温度的变化进行检测而不是对每一个电极。如上文所述，这样的信息是几乎不准确的并且全局上是不充足的。另外，现在存在发展的项目，目标在于通过依赖霍尔效应(Hall effect)的固定的电流传感器连续检测供给到工业阴极的电流：这些传感器是有源组件，需要大型的外部电源，诸如大的电池组。

基于电磁传感器的系统也是已知的，尽管它们不提供足够的测量的准确度。

总之，这些手动的或者半手动的系统具有不适合连续操作的劣势，只允许偶尔的检查；而且，它们具有只能够揭示大幅度的电流变化的劣势，另外还非常昂贵。

出于这些原因，工业需要技术上和经济上可行的系统，用于常设地并且连续地监测安装在电解制取装置或者电解精炼装置的电解池中的所有电极中的电流分布。

发明内容

本发明通过报警系统报告一个或多个具体电极的故障，允许连续地监测电化学装置(例如金属电解制取装置或者金属电解精炼装置)中的数以千计的电极的电流分布，而不使用从外部供电的组件并且不需要操作员的出现来在不健康的环境中执行手动测量。

不存在有源电子组件(诸如红外传感器或者磁性传感器)允许更廉价的并且几乎不需要维护的系统。

本发明的各种方面在所附的权利要求中被陈述。

在一个方面下，本发明涉及用于连续监测电解器的阴极和阳极中的电流分布的设备，所述电解器包括至少两个相邻的电解池，每个包含多个阴极和阳极，所述设备包括至少一个由均匀导电性的延长的主体构成的池内的电流收集母线条，所述主体包括适合支撑阴极和/或阳极并且建立与其的电接触的外壳，所述外壳平均地间隔开，所述池内的电流收集母线条邻接至少一个由绝缘材料制成的基部元件，所述至少一个基部元件装配了集成的探针，用于检测电压并且用于建立与所述池内的电流收集母线条的外壳对应的电接触。

术语“外壳”此处用于表示容纳并且支撑阳极和阴极的适合的座(seat)，同样支持电极和母线条之间的优化的电接触。

通过为电流收集母线条选择在各个方向传导性都恒定的适合的材料、选择设置在母线条上的电极外壳的界定良好的几何结构以及选择母线条和电极之间的适合的电接触，到电极的电流分配可以与电势差值直接对应地来进行，所述电势差值可以在电流收集母线条上被测量。

在另一方面下，本发明涉及用于连续监测电解器的阴极和阳极中的电流分布的设备，所述电解器包括至少两个相邻的电解池，每个包含多个阴极和阳极，所述设备包括辅助的阴极母线条、辅助的阳极母线条和布置在其间的至少一个池内的电流收集母线条，所述辅助的母线条和池内的母线条由均匀传导性的延长的主体构成，由均匀传导性的延长的主体构成的所述池内的电流收集母线条包括用于支撑所述阴极和/或阳极并且建立与其的电接触的外壳，所述辅助的母线条和池内的母线条邻接至少一个由绝缘材料制成的基部元件，所述基部元件包含集成的探针，用于检测电压并且用于建立与所述池内的电流收集母线条的外壳对应的电接触，且用于检测电压并且用于建立在每个辅助的母线条上平均地间隔开的电接触。

所述辅助的母线条具有吸收电流的功能，其将在电极故障后被中断。有益地，此特征允许在电极故障的情况下不停止装置，并且允许通过测量辅助的母线条上的电压获得更准确的定量的对故障的评估。

在一个实施例中，基部元件的绝缘材料是纤维增强塑料(FRP)。

基部元件可以由单块构成或者由多个单独的部件组成，每个电流收集母线条(包括辅助的母线条)对应一个部件。

电流收集母线条可以具有不同的形状，使得外壳可以沿着所述条的长度被等距地放置；在另一个实施例中，更宽的母线条可以设置有沿着其长度交替地放置于相对侧的外壳。

在一个实施例中，用于检测电压和建立电接触的探针是缆线或导线。

为了确保更有效的接触，与电接触区域对应，探针可以装配有可缩回的尖，以补偿电流收集母线条或者绝缘的基部元件的任何变形。

所述可缩回的尖被定位为与所述电接触对应。

即使检测探针集成在绝缘的基部元件中，基部元件本身已经设置一些保护，考虑到腐蚀性酸雾环境和接近接触点的酸性溶液，额外的绝缘保护是优选的。

在一个实施例中，基部元件包括衬以塑料纤维的弹簧或者由橡胶材料制成的封盖，与可缩回的尖对应以保护它们对抗侵犯性的环境。

在另一个方面下，本发明涉及电解器，其包括用于金属电沉积的多个电解池，所述多个电解池通过如上所述的设备以电串联的方式相互连接。

在一个实施例中，本发明涉及电解器，其中多个电解池以电串联的方式连接，在一端具有终端电解池，其阳极通过装配有用于阳极电接触的外壳的电流收集母线条连接到直流电源的正极；而在另一端具有终端电解池，其阴极通过装配有用于阴极电接触的外壳的电流收集母线条连接到所述直流电源的负极，而所述电流收集母线条邻接在由绝缘材料制成的基部元件上，包含用于检测电压和建立电接触的集成的探针。

在另一个方面下，本发明涉及用于连续地监测电解器中的阴极和阳极中的电流分布的系统，所述电解器包括用于金属电沉积的电解池，每个电解池装配有多个所述阴极和阳极，所述系统包括：如上所述的设备；模拟计算装置或数字计算装置，用于从由所述探针检测到的电势值开始获取每个个体的阴极和每个阳极中的电流强度值；报警设备，适合于将由所述计算装置提供的电流强度测量结果与一组为每个阴极和每个阳极预先设定的临界值进行比较的处理器；用于只要当所述电流强度结果不符合所述对应的为任何阴极和阳极预先设定的临界值之时启动所述报警设备的装置。

在进一步的方面中，本发明涉及用于改造由至少两个相邻的电解池构成并且装配有至少一个池内的电流收集母线条的电解器的方法，所述池内的电流收集母线条由均匀导电性的延长的主体构成、装配有用于平均地间隔开的用于支撑阴极和/或阳极并且建立与其的电接触的外壳，所述池内的电流收集母线条邻接在至少一个由绝缘材料制成的初始基部元件上，所述方法包括以下步骤：

-从所述初始基部元件举升所述至少一个池内的电流收集母线条；

-用由绝缘材料制成的至少一个置换基部元件替换所述初始基部元件，所述置换基部元件包含集成的探针，用于检测电压和建立与所述至少一个电流收集母线条的所述外壳对应的电接触；以及

-将所述池内的电流收集母线条与所述置换基部元件邻接地放置。

在一个实施例中，本发明涉及一种方法，其中由至少两个相邻的电解池构成的电解器装配有一个池内的电流收集母线条、一个辅助的阴极母线条和一个辅助的阳极母线条。

在进一步的实施例中，本发明涉及一种方法，其中将所述池内的电流收集母线条与所述置换基部元件邻接地放置的步骤借助于引导装置来执行。

现在参照附图描述例示本发明的一些具体实施方式。附图的唯一目的在于例示相对于本发明的所述具体实施方式的不同元件的相互布置；特别地，附图不一定按比例绘制。

附图说明

图1、2、3和4示出了本发明的实施例的三维图，包括池内的电流收集母线条、辅助的阳极母线条和辅助的阴极母线条以及基部元件，所述基部元件包含用于检测电压和用于建立电接触的集成的探针。

图5示出了装置的示意图，所述装置由3个串联连接的电解池组成，每个电解池包括5个阳极和4个阴极。

图6示出了电解池的示意图，所述电解池包括辅助的母线条。

图7示出了电路的示意图，所述电路代表包括5个阳极和4个阴极的系统的二维模型。

具体实施方式

图1示出了设备的三维顶视图，所述设备包括传导性的池内的电流收集母线条0、阳极的辅助母线条1、阴极的辅助母线条2和基部元件3。

图2示出了传导性的池内的电流收集母线条0、阳极的辅助母线条1、阴极的辅助母线条2、用于检测电势的探针4和可缩回的尖5的三维底视图。

图3示出了将用于检测电势的探针4和可缩回的尖5集成到基部元件3的布置。

图4示出了基部元件3、可缩回的尖5和封盖橡胶圈6的细节的三维顶视图。

在图5中，示出了电解器系统的示意图，所述电解器包括电串联连接的3个电解池(电解池1、电解池2和电解池3)，每个电解池包括5个阳极(阳极1和阳极5表示2个外部阳极)、4个阴极(阴极1和阴极4表示2个外部阴极)、阳极的电流收集母线条(母线条1)、阴极的电流收集母线条(母线条4)、2个池内的电流收集母线条(母线条2和母线条3)，箭头指示电流的流向6，用于测量电势的点(a_21-25,k_21-24,a_31-35,k_31-34)。

图6示出了电解池的示意图，所述电解池包括辅助的母线条(新阳极平衡母线)，箭头指示主要电流的方向(I阳极Y)，箭头指示补偿电流(I平衡阳极Y)。

在图7中示出了电路的示意图，所述电路代表为具有4个阴极和5个阳极的电解池再生二维电流路径的模型。附图标记1、2、3和4分别代表到阴极1、阴极2、阴极3和阴极4(未示出)。附图标记5、6、7、8和9分别代表到阳极1、阳极2、阳极3、阳极4和阳极5(未示出)。附图标记10指示代表电流收集母线条的电性质的电阻。附图标记11指示所述条内的电流。附图标记12指示在所述条上的两个连续的电极的两个邻接点之间的接触点处的电压差。附图标记13指示进行测量之处的点。

由发明人获得一些最重要的结果在下列示例中被例示，其不旨在限制本发明的范围。

示例

根据图5的示意图组装铜的电解制取装置。3个电解池(每个包括5个由涂覆了基于氧化铱的催化层的钛网格组成的阳极和4个铜的阴极)依靠2个铜的具有用于阳极和阴极的梯形外壳的池内的电流收集母线条(见图1)来电串联地连接起来。2个母线条然后容纳在纤维增强塑料的基部元件上，所述基部元件包含与要建立的36个电接触(每个电极2个)对应的36个具有可缩回的尖的探针。探针又连接到装配有微处理器和数据库的数据记录器，其被编程以在与设置值比较检测到10％的不符的情况下触发连接到其的警报。

用于计算在此具体情况下的电流分配的所述方法是基于由下列公式表达的模型，给出了与每个电解池2的阳极和每个阴极相关的电流I：

I(阳极1)＝I’(k₂₁,a₂₁)

I(阳极2)＝I”(k₂₁,a₂₂)+I’(k₂₂,a₂₂)

I(阳极3)＝I”(k₂₂,a₂₃)+I’(k₂₃,a₂₃)

I(阳极4)＝I”(k₂₃,a₂₄)+I’(k₂₄,a₂₄)

I(阳极5)＝I”(k₂₄,a₂₅)

I(阴极1)＝I’(k₃₁,a₃₁)+I”(k₃₁,a₃₂)

I(阴极2)＝I’(k₃₂,a₃₂)+I”(k₃₂,a₃₃)

I(阴极3)＝I’(k₃₃,a₃₃)+I”(k₃₃,a₃₄)

I(阴极4)＝I’(k₃₄,a₃₄)+I”(k₃₄,a₃₅)

其中I’和I”表示流过包括在横跨每个阴极和每个阳极的每对电接触之间的电流收集母线条的部分的电流，而k₂₁和a₂₁表示流过阴极1和阳极2之间的节段中的各自的池内的电流收集母线条的电流(其余的对具有相似的含义)，k和a的每个下标的前者指示电解池号，而后者分别指示阴极号或阳极号。

对一般的电解池X，下列关系因而适用：

I(阳极Y)＝I”[k_X(Y-1),a_XY]+I’(k_XY,a_XY)

I(阴极Y)＝I’[k_(X+1)Y,a_(X+1)Y]+I”[k_(X+1)Y,a_(Y+1)(Y+1)]

考虑到材料的均匀性和电流收集母线条的配置，在母线条的2个连续的电接触之间的电阻R的值是相同的。

如果V是在2个一般的连续的电接触之间的电压差，那么相应的电流等于(1/R)×V(或者更简单地为V/R)。

如果I_tot是总电流，并且存在N个阴极加上N+1个阳极，那么对于任何给定的电解池：

I_tot＝∑I(阳极Y)，Y的范围从1到N+1，或者I_tot＝∑I(阴极Y)，Y的范围从1到N。

对于所有电解池：I_tot＝(1/R)×{∑V[k_X(Y-1),a_XY]+V(k_XY,a_XY)}，Y的范围从1到N+1，因此对于每个电解池：1/R＝I_tot/{∑V[k_X(Y-1),a_XY]+V(k_XY,a_XY)}，Y的范围从1到N+1。

1/R的相同的求值可以从电解池中的阴极电流开始。

此操作对所有的电流收集母线条执行：按这种方式，R的值利用多个电压读数来确定。当确定R时(其取决于池内的电流收集母线条的物理结构)，能够确定在多个电极中流的电流的值。特别地，对于一般的电解池X的个体的阳极和阴极，其保持：

I(阳极Y)＝(1/R)×{V[(k_X(Y-1),a_XY)]+V(k_XY,a_XY)}

I(阴极Y)＝(1/R)×{V[k_(X+1)Y,a_(X+1)Y]+V[k_(X+1)Y,a_(Y+1)(Y+1)]}

本领域技术人员可以使用其它模型，诸如例如存在辅助的母线条的情况下。

在这种情况下，参照图6，如果I(平衡阳极Y)是通过辅助的母线条(其上阳极邻接在另一测上)供给到阳极的电流并且b_X是在辅助的母线条和阳极之间的接触的点，那么其保持：

I(平衡阳极Y)＝I[b_X(Y+1),b_XY]-I[b_XY.b_X(Y-1)]

因此，通过用R_b标示在2个连续的电接触之间的辅助的母线条的部分的电阻，获得下列关系：

I(平衡阳极Y)＝(1/R_b)x{V[b_X(Y+1),b_XY]-V[b_XY.b_X(Y-1)]}，并且供应到每个阳极的总电流将是：

I(总电流阳极Y)＝I(阳极Y)+I(平衡阳极Y)

应注意，在电流完美分配到所有阳极和阴极的理想情况下，在辅助条中的电流是零：当各种接触具有最小的和相似的值时，这情况可能在新的装置中观察到。随着操作的进行，作为由阴极的抽出和复位所导致的机械应力以及由酸雾造成的腐蚀现象的结果，接触被恶化，而因此电流开始流经的辅助的母线条发挥作用：这样的电流的强度代表接触的劣化度。

I(一般的阳极Y的总电流)和在完美地均衡的分布的理想情况下每个阳极期望的电流之间的差值允许检查电流分布的实际情况，并且允许只要当这样的差值超过预先设定的值之时，介入装置组件的维护或者置换操作。

之前的说明不应该旨在限制本发明，而可以根据不同的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下被使用，并且其界限仅由所附的权利要求界定。

贯穿本发明的说明书和权利要求，术语“包括”和其变形诸如“包含”和“具有”不旨在排除其它元件、组件的或者额外的过程步骤的存在。

文档、动作、材料、设备、文章等等的讨论包括在本说明书中，仅为提供本发明的背景的目的。未暗示或代表任何或全部这些事物形成现有技术基础的部分或者属于在本申请的每项权利要求的优先权日之前的与本发明相关的领域的公知常识。

Claims (11)

1.一种用于连续监测电解器的阴极和阳极中的电流分布的设备，所述电解器包括至少两个相邻的电解池，每个电解池包含多个所述阴极和阳极，所述设备包括至少一个池内的电流收集母线条以及至少一个基部元件，所述池内的电流收集母线条由均匀导电性的延长的主体构成，所述延长的主体包括用于支撑所述阴极和/或阳极并且建立与其的电接触的外壳，所述外壳平均地间隔开，所述池内的电流收集母线条邻接由绝缘材料制成的所述至少一个基部元件，所述至少一个基部元件装配有集成的探针，用于检测电压并且用于建立与所述池内的电流收集母线条的所述外壳对应的电接触，其中用于检测电压并且建立电接触的所述探针装配有与所述电接触对应的可缩回的尖。

2.一种用于连续监测电解器的阴极和阳极中的电流分布的设备，所述电解器包括至少两个相邻的电解池，每个电解池包含多个阴极和阳极，所述设备包括辅助的阴极母线条、辅助的阳极母线条、布置在其间的至少一个池内的电流收集母线条、以及至少一个基部元件，所述辅助的母线条和所述池内的母线条由均匀导电性的延长的主体构成，由均匀导电性的延长的主体构成的所述池内的电流收集母线条包括用于支撑所述阴极和/或阳极并且建立与其的电接触的外壳，所述辅助的母线条和所述池内的母线条邻接由绝缘材料制成的所述至少一个基部元件，所述至少一个基部元件包含集成的探针，用于检测电压并且用于建立与所述池内的电流收集母线条的所述外壳对应的电接触，且用于检测电压并且用于建立在每个所述辅助的母线条上平均地间隔开的电接触，其中用于检测电压并且建立电接触的所述探针装配有与所述电接触对应的可缩回的尖。

3.根据权利要求1或2所述用于连续监测电流分布的设备，其中所述至少一个基部元件的所述绝缘材料由纤维增强塑料FRP制成。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中用于检测电压并且建立电接触的所述探针是缆线或者导线。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个基部元件包括与可缩回的尖对应的橡胶圈或者衬以塑料纤维的弹簧。

6.一种电解器，包括多个用于金属电沉积的电解池，所述电解池通过根据权利要求1到5中的任何一项所述的设备以电串联的方式相互连接。

7.根据权利要求6所述的电解器，其中所述多个电解池以串联的方式连接：

-在一端具有终端电解池，其阳极通过装配有用于阳极电接触的外壳的电流收集母线条连接到直流电源的正极；

-在另一端具有终端电解池，其阴极通过装配有用于阴极电接触的外壳的电流收集母线条连接到所述直流电源的负极；

所述电流收集母线条邻接由绝缘材料制成的至少一个基部元件，所述基部元件包含用于检测电压和建立电接触的集成的探针。

8.一种系统，用于连续监测电解器的阴极和阳极中的电流分布，所述电解器具有多个用于金属电沉积的电解池，每个电解池装配有多个所述阴极和阳极，所述系统包括：

-根据权利要求1或2所述的设备；

-模拟计算装置或数字计算装置，用于从由所述探针检测到的电势值开始获取每个个体的阴极和每个阳极中的电流强度值；

-报警设备；

-处理器，适合于将由所述计算装置提供的电流强度测量结果与一组为每个阴极和每个阳极预先设定的临界值进行比较；

-用于只要当所述电流强度结果不符合所述对应的为任何阴极或阳极预先设定的临界值之时启动所述报警设备的装置。

9.一种用于改造电解器的方法，所述电解器由至少两个相邻的电解池构成并且装配有至少一个池内的电流收集母线条，所述池内的电流收集母线条由均匀导电性的延长的主体构成、装配有平均地间隔开的用于支撑阴极和/或阳极并且建立与其的电接触的外壳，所述池内的电流收集母线条邻接至少一个由绝缘材料制成的初始基部元件，所述方法包括以下步骤：

-从所述初始基部元件举升所述至少一个池内的电流收集母线条；

-用由绝缘材料制成的至少一个置换基部元件替换所述初始基部元件，所述置换基部元件包含集成的探针，用于检测电压和建立与所述至少一个电流收集母线条的所述外壳对应的电接触，其中用于检测电压并且建立电接触的所述探针装配有与所述电接触对应的可缩回的尖；以及

-将所述池内的电流收集母线条与所述置换基部元件邻接地放置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中由至少两个相邻的电解池构成的所述电解器装配有一个池内的电流收集母线条、一个辅助的阴极母线条和一个辅助的阳极母线条。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中将所述池内的电流收集母线条与所述置换基部元件邻接地放置的所述步骤借助于引导装置来执行。