CN1703538A - 用于获得电解槽汇流排上良好接触表面的方法和汇流排 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在电解金属中使用的电解槽汇流排上形成良好接触表面的方法。汇流排的接触表面，即将被浸入到槽中的电极的支撑棒或接线柱被降放到其上的表面，涂覆有高导电金属。本发明还涉及电解槽汇流排，在其表面上形成高导电的涂层。
Description
本发明涉及用于在电解金属所使用的电解槽汇流排(busbar)上形成良好接触表面的方法。汇流排的接触表面，即，要被浸入到槽中的电极的支撑棒或接线柱(lug)被降低放到其上的表面，涂覆有高导电金属。本发明还涉及电解槽汇流排，在其表面上形成高导电的涂层。
许多金属例如铜、锌和镍的制造包括电解步骤，在该步骤中，使用电流要生产的纯金属沉积在阴极上，将杂质留在溶液中。电解回收例如在充入含硫酸的电解质的电解槽中进行，并且由导电材料制成的电极(阳极和阴极)依次浸入电解质中。电极通过支撑在槽边缘上的支撑棒或接线柱被悬吊在电解槽中。
电解槽串连成组地连接，使得前一个槽的阳极通过各槽间壁顶上的汇流排而电连接到下一个槽的阴极。汇流排一般由铜制成，或者至少是铜涂覆的。构造典型地还包括在汇流排顶上经过的有凹口的绝缘托架，其将在前槽的阴极与在后槽的阳极汇流排隔开。电极支撑棒的一端放在汇流排顶上，另一端通常在绝缘托架顶上。将要生产的金属可以作为可溶解阳极——术语称为活性阳极——而被引入到工艺中(电解精炼)，或者，金属可以溶解在电解质中，在这种情况下，阳极是不能溶解的或者惰性的阳极(电解沉积)。
汇流排的几何形状可以改变。例如在美国专利3,682,809中描述了横截面为三角形的连续汇流排。在其他情况中，电极在槽中的放置通过汇流排的设计来安排。这种汇流排在例如美国专利4,035,280中有介绍，其中，电极被放在汇流排边缘上的倾斜凹槽上。
另一方面，美国专利6,342,136描述了一种主汇流排，其在长度方向上是连续的，并且具有不同高度的突起，在突起之间放置绝缘结构(insulating profile)。阴极支撑棒的一端放在主汇流排顶上，另一端设定在位于绝缘结构顶上的铜电压平衡棒顶上。当汇流排是连续的时，电极的支撑棒或接线柱可以放下在所述排的期望点顶上。这样，整个汇流排可以作为对于支撑棒或接线柱的接触表面。如果汇流排具有凹口或者被成形为能够使得电极的位置被确定，那么凹口或被成形的点作为所述排的接触表面。
接触表面的快速磨损是铜汇流排的一个问题。这主要是由于在电解质的作用下，铜氧化成氧化物，氧化物腐蚀成硫酸铜。在接触表面上形成的硫酸铜进一步弱化了汇流排的电导率，此外，硫酸铜溶解到电解质中。氧化致使电压下降的增加，这是因为铜氧化物的电导率远远小于纯铜的电导率。此外，在锌电解中从汇流排溶解下来的铜例如将不必要地增加阴极锌中铜的水平。
现在已经研发了一种方法，其涉及在电解金属中使用的电解槽汇流排上获得良好的接触表面，其中，至少所述排的表面部分由铜制成。
根据现在研发的方法，电极将被降放到其上的汇流排区域，即接触表面，涂覆有高导电的金属或金属合金，例如银或银合金。铜和银通过传递层而彼此相接。当在形成于汇流排的铜上的传递层与涂层材料之间形成金属接合时，就避免了由于接触件下表面的磨损或氧化而引起的问题。本发明还涉及通过该方法制造的汇流排，用于在电解金属的电解槽中使用，其中，至少与电极接触的点即接触表面由高导电的层形成。当在文中使用术语汇流排时，它也意味着在现有技术中所说的电压平衡棒(potential balancing bar)。
在权利要求中给出的特征是本发明的特性。
汇流排中的接触表面可以良好地导电是很重要的。使用例如银或银合金的高导电金属作为涂层材料，确保了从汇流排到电极的有效电流馈送。使用银的冶金学原理是，虽然它在表面上形成氧化物，但是在较低温度下氧化物不再稳定并分解回到金属形态。由于上述原因，在汇流排的镀银接触表面上不会类似在例如铜表面上形成的氧化物膜。涂层有助于确保电解的电学质量水平在较长时间上也能维持较高。
银不会直接在铜上形成附着牢固的冶金接合，所以必须首先在铜上形成薄的传递层，优选为锡或主要含锡的合金中的一个。在下文中为了简便，我们将只谈到锡，但是该术语也包括主要含锡的合金。锡层可以以许多方式形成，例如预先经过加热、电解涂覆形成，或者通过在实际涂覆之前直接在表面点上热喷涂来形成。之后，可以用银或银合金涂覆锡表面。例如可以通过热喷涂或钎焊技术来有利地进行对汇流排铜接触表面的银涂覆。
在形成涂层之前，将氧化物从汇流排的作为接触表面的部分上去除。在新汇流排上进行该工序也是有利的，但是特别地，当该方法是被用来改进使用过的汇流排的导电性时，去除氧化物才是必要的。这种去除例如可以通过喷砂来完成。
对汇流排进行涂覆的方法在一定程度上取决于排或棒的几何尺寸。当汇流排或电压平衡棒在长度方向上是连续的时，沿着排或棒的整个长度进行涂覆，并且在这种情况下，通过热喷涂技术来进行涂覆是优选的，当然也可以使用钎焊技术。如果在汇流排上已经形成了作为对电极的接触表面的凹口或凹槽，那么自然就不值得在除这些接触表面之外的区域上进行涂覆了。同样，在这些情况下，钎焊技术也是形成涂层的有利方法。
可以使用热喷涂技术来用银涂覆汇流排，因为银的熔点是960℃。也可以使用AgCu合金作为涂层材料，例如以丝状或粉末的形式。低共熔AgCu合金的熔点甚至比Ag的熔点还低，因此适于通过所讨论的技术涂覆接触表面。
在可应用的热喷涂技术中，在实践中，已经证明至少基于气体燃烧的技术是可行的。在这些技术中，高速氧燃料(HVOF)喷涂是基于高压下喷枪燃烧室中存在的燃料气体或液体与氧气连续燃烧，并通过喷枪产生快速气流而实现的。涂层材料最常见的是以粉末形式通过载气沿轴向被送入枪喷嘴。粉末颗粒在喷嘴中加热，获得非常高的运动速度(每秒几百米)，并被导向待涂覆的物件。
在普通的火焰喷涂中，当燃料气体和氧气的混合物燃烧时，会使丝状或粉末形式的涂层材料熔化。一般使用乙炔作为燃料气体，因为它具有极热的火焰。涂层材料丝由使用压缩空气涡轮机或电动机的送料设备经由丝管口被送入。在丝管口前面燃烧的气焰使丝端熔化，并用压缩空气将熔体吹成金属雾并吹到待涂覆的物件上。颗粒速度在100m/s的数量级上。
热喷涂技术使表面材料熔化，由于含银涂层的熔融液滴具有很高的温度，所以在铜、锡与在汇流排接触表面的涂层中的涂层材料之间生成冶金结合。因此，接合处的导电性是很好的。该金属接合方法在例如380～600℃温度范围在接合区域中会引起银、锡和铜的三元合金的共晶。如果需要，在喷涂之后可以进行单独的热处理，这会促进冶金接合的形成。
当使用钎焊技术来在汇流排的接触表面上形成涂层时，对待处理的表面进行清洁，然后在其上形成锡层，优选地小于50μm厚。然后，使用某种合适的燃烧器来进行银涂覆。锡层熔化，并且在将涂层片放到熔融锡上时，定位在正确的位置是很容易的。
该方法还涉及在电解槽中使用的汇流排或电压补偿杆(rail)。在汇流排的铜表面上，尤其是在那些与电极支撑棒或接线柱接触的接触表面上，形成高导电层。关于高导电的金属或金属合金，使用银，或者银合金，例如银铜合金。优选地通过例如钎焊或热喷涂技术来进行接触表面的涂覆，其中，在接触表面与涂层之间形成冶金接合。如果汇流排是在长度方向上连续的，那么优选地沿汇流排的整个长度对其进行涂覆。如果使接触表面位于具有用于电极的凹口或凹槽的排或棒上，那么只对这些接触表面进行根据本发明的涂覆。
通过下面的实例和附图1对根据本发明的方法做了进一步的描述，
图1示出了在根据本发明的电解槽汇流排中以及在对比汇流排中的相对电压下降。
实例
在铜电解(电解精炼)中的三个电解槽，每一个都有81个电极，其到达电解槽汇流排的接触表面传统地由铜制成。槽中的一个按照本发明的实施例配置，其中，槽汇流排的接触表面涂覆有银。另两个槽具有标准的铜汇流排。图1显示，银涂覆排的电压下降比传统汇流排的小很多。电压下降计算为电极的平均值。使最严重的槽汇流排电压下降的值为100，其他槽中的汇流排的电压下降参照此值给出。
Claims (24)
1.一种用于在电解金属中使用的电解槽汇流排上形成良好接触表面的方法，其中，至少汇流排的表面由铜制成，并且接触表面形成电极将被降放到其上的区域，其特征在于，在所述汇流排的铜接触表面上形成传递层，之后，用高导电的金属或金属合金对接触表面进行涂覆，其中，涂层材料与铜和传递层形成冶金接合。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，传递层由锡或主要含锡的合金制成。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，高导电的涂层是银。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，高导电的涂层是银铜合金。
5.根据任何上述权利要求的方法，其特征在于，除了汇流排之外，电解槽还配备有电压平衡棒，在该电压平衡棒上，在与电极接触的铜表面上形成传递层，之后用高导电的金属或金属合金对接触表面进行涂覆，其中，涂层材料与铜和传递层形成冶金接合。
6.根据任何上述权利要求的方法，其特征在于，汇流排在长度方向上是连续的，这样涂层沿着汇流排的整个长度形成。
7.根据任何上述权利要求的方法，其特征在于，电极被降低放到其上的汇流排接触表面形成有凹口或凹槽，其中，涂层在汇流排的凹口或凹槽区域上形成。
8.根据任何上述权利要求的方法，其特征在于，高导电涂层通过钎焊技术形成。
9.根据任何权利要求1至7的方法，其特征在于，高导电涂层通过热喷涂技术形成。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，热喷涂技术是基于气体燃烧的。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，热喷涂技术是高速氧燃料喷涂。
12.根据任何上述权利要求的方法，其特征在于，高导电涂层材料是粉末形式的。
13.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，热喷涂技术是火焰喷涂。
14.根据任何权利要求1至11或13的方法，其特征在于，高导电涂层材料是丝状的。
15.根据任何上述权利要求的方法，其特征在于，在涂覆之后对接触表面进行热处理。
16.一种在电解金属时使用的电解槽汇流排，至少汇流排的表面部分由铜制成，并且接触表面形成电极被降低放到其上的区域，其特征在于，传递层形成在汇流排的接触表面上，之后，接触表面用高导电金属或金属合金进行涂覆，其中，铜、传递层和涂层材料已经形成冶金接合。
17.根据权利要求16的汇流排，其特征在于，传递层是锡或主要含锡的合金。
18.根据权利要求16或17的汇流排，其特征在于，高导电的涂层是银。
19.根据权利要求16或17的汇流排，其特征在于，高导电的涂层是银铜合金。
20.根据任何权利要求16至19的汇流排，其特征在于，高导电涂层通过钎焊技术形成。
21.根据任何权利要求16至19的汇流排，其特征在于，高导电涂层通过热喷涂技术形成。
22.根据任何权利要求16至21的汇流排，其特征在于，汇流排在长度方向上是连续的，其中，涂层沿着汇流排的整个长度形成。
23.根据任何权利要求16至21的汇流排，其特征在于，电极被降低放到其上的汇流排接触表面形成有凹口或凹槽，其中，涂层在汇流排的凹口或凹槽区域上形成。
24.根据任何权利要求16至21的汇流排，其特征在于，汇流排是电压平衡棒。
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