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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode zur Verwendung für Elektrolysen, bei dem eine Elektrodenplatte mit einem Träger verbunden wird, der seitlich über Ränder der Elektrodenplatte überstehende Endbereiche aufweist.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Elektrode zur Verwendung für Elektrolysen, die eine Elektrodenplatte und einen Träger aufweist, der seitlich über Ränder der Elektrodenplatte überstehende Endbereiche aufweist.
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Derartige Verfahren werden beispielsweise verwendet, um Kathoden zur Verwendung im Bereich der elektrolytischen Herstellung von Kupfer zu produzieren. Die Elektroden bestehen typischerweise aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl und werden mit den seitlich überstehenden Endbereichen der Träger in Elektrolysebäder eingehängt. Die Elektrodenplatten ragen hierbei in den Elektrolyten hinein und die Träger dienen zum einen zur mechanischen Halterung und Positionierung der Elektroden und zum anderen zur Verbindung mit Stromschienen, die typischerweise seitlich neben den Elektrolysebädern verlaufen.
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Insbesondere bei einer großtechnischen Anwendung derartiger Elektroden werden für die Durchführung der Elektrolysevorgänge erhebliche elektrische Versorgungsleistungen benötigt. Zwischen den Elektroden der jeweiligen Elektrolysebäder liegen relativ geringe Spannungen, es werden aber hohe Stromstärken verwendet. Zur Reduzierung elektrischer Verlustleistungen wird deshalb angestrebt, Übergangswiderstände zwischen einzelnen Bauelementen zu minimieren.
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Zur Reduzierung entsprechender Übergangswiderstände ist es bereits bekannt, Träger aus Edelstahl im Bereich ihrer Endbereiche galvanisch mit Kupfer zu beschichten. Eine derartige Kupferbeschichtung reduziert den Übergangswiderstand zwischen dem Träger und den Stromschienen und verbessert die chemische Beständigkeit gegenüber den aggressiven chemischen Medien des Elektrolysebades. Die dünnen derartigen elektrolytischen Beschichtungen sind jedoch mechanisch empfindlich und in chemischer Hinsicht nur zeitlich begrenzt widerstandsfähig. Ebenfalls werden nur geringe Querschnittflächen bereitgestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß elektrische Verlustleistungen beim Betrieb der Elektroden vermindert und gleichzeitig eine lange Verwendungsfähigkeit unterstützt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Kupfer enthaltendes Teil der Elektrode durch ein Elektronenstrahlschweißen oder Hartlöten mit mindestens einem weiteren Teil der Elektrode verbunden wird.
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Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß verminderte elektrische Übergangswiderstände bei gleichzeitiger lange Verwendungsfähigkeit unterstützt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Kupfer enthaltendes Teil der Elektrode mit mindestens einem weiteren Teil der Elektrode flächig verschweißt ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, gegenüber einer elektrolytischen Beschichtung deutlich dickere Elemente aus Kupfer dauerhaft mit weiteren metallischen Teilen der Elektrode, insbesondere Teilen aus Stahl bzw. Edelstahl, zu verbinden. Konventionelle Schweißverfahren, beispielsweise ein Schutzgasschweißen oder ein Laserstrahlschweißen, ermöglichen es nicht, Kupfer und Edelstahl in geeigneter Art und Weise miteinander zu verbinden. Insbesondere führen derartige Schweißverfahren auch nur zu örtlich vergleichsweise gering ausgedehnten Schweißnähten, in deren Bereich eine metallische und somit für einen elektrischen Strom passierbare Verbindung besteht. Alternativ zum Elektronenstrahlschweißen kann auch eine Hartlötpaste verwendet werden.
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Das Elektronenstrahlschweißen ermöglicht es hingegen, großflächige Verbindungen benachbarter metallischer Bauelemente herzustellen. Ein Stromfluß kann somit widerstandsarm über den gesamten Bereich der einander zugewandten Begrenzungsflächen der Bauteile erfolgen.
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Das Elektronenstrahlschweißen generiert sehr dünne flächige Bereiche, in denen die benachbarten Metallelemente aufgeschmolzen werden und hierdurch eine Übergangslegierung bilden. Die geringe Wärmeeinbringung und die geringe räumliche Dickenausdehnung der Schmelzzone vermeidet ein Verziehen der miteinander verschweißten Bauelemente bzw. reduziert dieses gegenüber anderen Schweißverfahren erheblich. Es lässt sich eine sehr hohe Leistungsdichte mit einem Strahlfokus von etwa 107 W/cm2 erreichen.
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Ein besonders geringer Übergangswiderstand in einem Kontaktbereich zu Versorgungsschienen kann dadurch erreicht werden, daß das Kupfer enthaltende Teil der Elektrode im Bereich des Trägers angeordnet wird.
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Eine hohe Beständigkeit wird dadurch unterstützt, daß eine Elektrodenplatte aus Edelstahl verwendet wird.
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Ein einfacher Fertigungsvorgang bei groß dimensionierten Übergangsflächen zwischen der Elektrodenplatte und dem Träger wird dadurch erreicht, daß ein Träger aus zwei stab- oder rohrartigen Profilen verwendet wird, die sich neben oder über der Elektrodenplatte erstrecken.
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Eine Kombination von Eigenschaften hinsichtlich eines geringen Baugewichtes sowie einer hohen Biegesteifigkeit werden dadurch erreicht, daß ein Träger mit mindestens einem Innenraum verwendet wird.
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Insbesondere ist daran gedacht, daß ein als Hohlprofil ausgebildeter Träger verwendet wird.
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Eine kompakte Gestaltung wird dadurch unterstützt, daß im Bereich des Aufnahmeraumes des Trägers mindestens ein Versteifungselement positioniert wird.
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Ebenfalls ist daran gedacht, daß neben dem Träger mindestens ein Versteifungselement positioniert wird.
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Gemäß einer typischen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Elektrode als eine Kathode ausgebildet wird.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer Elektrode mit Elektrodenplatte und Träger,
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2 eine teilweise Darstellung eines Längsschnittes gemäß Schnittlinie II-II in 1,
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3 eine gegenüber 2 abgewandelte Ausführungsform,
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4 eine nochmals abgewandelte Ausführungsform,
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5 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Elektronenstrahlschweißens,
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6 eine stark vergrößerte Darstellung von zwei durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbundener Bauelemente und
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7 einen Auflagebereich der Tragstange im Bereich der Stromschiene.
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Gemäß der Ausführungsform in 1 besteht eine Elektrode (1) aus einer Elektrodenplatte (2) und einem Träger (3). Der Träger (3) weist seitlich über Ränder (4, 5) der Elektrodenplatte (2) überstehende Endbereiche (6, 7) auf.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Elektrodenplatte (2) aus einem Hauptelement (8) sowie einem Basiselement (9), das dem Träger (3) zugewandt angeordnet und mit diesem verbunden ist. Das Hauptelement (8) und das Basiselement (9) sind typischerweise als ein gemeinsames einteiliges Bauelement ausgebildet. 1 zeigt hingegen eine Ausführungsform, bei der die Bauteile über eine Verschweißung (10) miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer typischen Ausführungsform besteht sowohl das Hauptelement (8) als auch das Basiselement (9) aus Edelstahl. Die Verschweißung (10) kann bei der zweiteiligen Ausführung beispielsweise durch ein Laserschweißen realisiert sein.
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Bei einem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich des Basiselementes (9) Ausnehmungen (11) angeordnet. Typischerweise erstrecken sich die Ausnehmungen (11) von der Verschweißung (10) oder einer entsprechenden Höhenlinie bis zum Träger (3). Es können eine Ausnehmung (11), die beiden dargestellten Ausnehmungen (11) oder mehr als zwei Ausnehmungen (11) vorgesehen sein. Die Ausnehmungen (11) können eine Handhabung der Elektrode (11) unterstützen.
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Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Träger (3) aus zwei Trägerelementen (12, 13), die jeweils seitlich und einander gegenüberliegend relativ zur Elektrodenplatte (2) angeordnet sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Trägerelemente (12, 13) aus massiven Metallprofilen. Als Material für die Trägerelemente (12, 13) wird Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet. Die Trägerelemente (12, 13) sind mit der Elektrodenplatte (2) durch eine Verschweißung (14) verbunden, die durch ein Elektronenstrahlschweißen realisiert ist. Alternativ kann auch eine Verbindung unter Verwendung einer Hartlötpaste erfolgen.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Elektrodenplatte (2) bis in den Bereich eines oberen Randes des Trägers (3). Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Träger (3) nach oben über die Elektrodenplatte (2) überstehen zu lassen oder umgekehrt die Elektrodenplatte (2) nach oben aus dem Träger (3) herausragen zu lassen. Die Verschweißung (14) verbindet die Elektrodenplatte (2) flächig und vorzugsweise im Bereich der gesamten einander zugewandten Flächen mit den Trägerelementen (12, 13).
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 weist die Elektrodenplatte (2) im Bereich ihrer dem Träger (3) zugewandten Ausdehnung eine Querplatte (15) auf. Die Querplatte (15) ist durch die durch Elektrodenstrahlschweißen hergestellte Verschweißung (14) mit dem Träger (3) verbunden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Träger (3) aus einem einteiligen massiven Profil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Querplatte (15) besteht typischerweise aus Edelstahl. Durch die in 3 dargestellte Ausführungsform kann eine erhöhte Biegesteifigkeit bereitgestellt werden.
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Die Querplatte (15) ist mit der Elektrodenplatte (2) durch eine Verschweißung (16) verbunden. Da typischerweise sowohl die Elektrodenplatte (2) als auch die Querplatte (15) aus Edelstahl ausgebildet sind, kann die Verschweißung (16) konventionell oder über ein Laserstrahlschweißen ausgeführt sein. Ebenfalls ist es möglich, auch für die Verschweißung (16) ein Elektronenstrahlschweißen zu verwenden.
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4 zeigt eine Ausführungsform, bei der zur Gewichtsverminderung der Träger (3) aus einem Hohlprofil besteht. Insbesondere zeigt 4 eine Ausführungsform, bei der in das Hohlprofil ein Versteifungselement (17) eingesetzt ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Versteifungselement (17) ebenfalls aus einem Hohlprofil. Der äußere Teil des Hohlprofils ist wiederum aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet und über eine Verschweißung (14), die durch ein Elektronenstrahlschweißen ausgeführt ist, mit der Elektrodenplatte (2) verbunden. Das Versteifungselement (17) besteht typischerweise aus Edelstahl und wird in geeigneter Art und Weise innerhalb des Hohlprofils fixiert.
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5 zeigt beispielhaft eine Anordnung zur Durchführung des Elektronenstrahlschweißens am Beispiel der Elektrode (1) gemäß 2. In einer Kammer (18) wird typischerweise ein gegenüber einem Umgebungsdruck reduzierter Innendruck, insbesondere ein Vakuum, generiert. Das Elektronenstrahlschweißen wird bei diesem Unterdruck durchgeführt. Typischerweise werden oberhalb oder unterhalb des Trägers (3) Strahlerzeuger (19, 20) angeordnet, die die erforderliche Elektronenströmung generieren. Die Elektroden (19, 20) werden ausreichend dicht an der Verschweißungsstelle positioniert. Nach einer Aktivierung der Schweißvorrichtung generieren die Elektroden (19, 20) durch einen zunächst zwischen der Elektrodenplatte (2) und den Trägerelementen (12, 13) bestehenden Spalt hindurch eine Elektronenströmung, die großflächig, aber hinsichtlich der Querausdehnung stark lokalisiert, ein Aufschmelzen der Grenzflächen der Bauelemente verursacht. Hierdurch wird die Verschweißung erzeugt.
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Bei einer Verwendung der Kammer (18) zur Durchführung des Schweißvorganges erweist es sich als vorteilhaft, die geteilte Ausbildung der Elektrodenplatte (2) aus dem Hauptelement (8) und dem Basiselement (9) vorzusehen. Innerhalb der Kammer (18) braucht bei dieser Ausführungsform lediglich das Basiselement (9) mit dem Träger (3) verschweißt zu werden. Eine Verbindung des Hauptelementes (8) mit dem Basiselement (9) kann hingegen außerhalb der Kammer (18) vorgenommen werden. Dies ermöglicht die Verwendung einer relativ kleinen Kammer (18) mit einem vergleichsweise geringen zu evakuierenden Innenvolumen.
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6 zeigt einen stark vergrößerten Bereich der Verschweißung (14). Bezüglich einer ursprünglichen Grenzfläche (21) zwischen den zuvor noch nicht verschweißten Bauteilen des Trägers (3) und der Elektrodenplatte (2) ergibt sich nach der Durchführung des Schweißvorganges und der Realisierung der Verschweißung (14) die bereits erläuterte großflächige Verschweißung (14) mit einer nur geringen Querausdehnung (22).
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7 zeigt den Auflagebereich der Tragstange zur Stromschiene. Dieser Bereich (Kontaktfläche) wird um Verluste zu vermeiden ausgespart und durch Kupfer ergänzt. In diesem Bereich ist eine Balligkeit vorgesehen, die ein Auspendeln des gesamten Kathodenblockes ermöglicht.
