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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießform zur Herstellung von hochreinem Kupfer mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und eine Kupferanode zur Herstellung von hochreinem Kupfer mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 6.
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Eine Vielzahl von metallischen Werkstoffen werden in einem geschmolzenen Zustand in Formen gegossen, um Werkstücke mit einer vorgegebenen Kontur herzustellen. Beispielsweise wird ein derartiger Gießvorgang bei der Herstellung von Kupferanoden durchgeführt. Derartige Kupferanoden werden bei der Kupferproduktion in einem Zwischenschritt hergestellt, um als Endprodukt hochreines Kupfer zu erzeugen.
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Eine typische Kupferproduktion wird derart durchgeführt, dass zunächst aus sulfidischen Kupferkonzentraten (oder aus kupferhaltigen Sekundärmaterialien und Kupferschrotten) über mehrere Prozessschritte durch Schmelzen und Oxidieren ein Produkt mit einem Anteil von mehr als 90 Gew.-% an reinem Kupfer hergestellt wird. Dieses Rohkupfer wird dann zu Kupferanoden verarbeitet, die einer elektrolytischen Raffination in Elektrolysebädern unterworfen werden. Eine typische Verarbeitung des Rohkupfers zu Anoden erfolgt derart, dass das flüssige Rohkupfer in metallische Formen eingegossen wird. Bewährt haben sich insbesondere die Verwendung von Formen aus Kupfer, die vor dem Eingießen des flüssigen Rohkupfers mit einem Trennmittel beschichtet werden, um einen anschließenden Entformungsvorgang zu erleichtern.
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Das Rohkupfer wird mit einer rechteckigen Geometrie einer Anodenplatte (10) mit Haltearmen (2), wie in 1 gezeigt, ausgeformt und verfestigt. Die am häufigsten verwendete Art, um Rohkupfer zu gießen, erfolgt mithilfe eines Gießrades, das eine bestimmte Menge von Kupfergießformen umfasst, in die das Rohkupfer bei einer Temperatur von mindestens 1100 °C gegossen wird. Nach dem Gießen des Kupfers in das Gießrad beginnt sich das Gießrad zu drehen, und das geschmolzene Rohkupfer kühlt sich zunächst bei Umgebungstemperatur ab, bis der obere Teil des Rohkupfers fest ist. Anschließend durchläuft das Rohkupfer eine Kühlstufe, die eine obere Wasserkühlung und eine untere Wasserkühlung aufweist. Während dieser Phase verringert das Rohkupfer seine Temperatur, bis es einen völlig festen Zustand erreicht hat.
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Das Rohkupfer wird in eine Form (7) gegossen, die einen rechteckförmigen mittleren ersten Hohlraum (8) aufweist, um das flüssige Rohkupfer zur Bildung der Anodenplatte (10) aufzunehmen. Auf dem oberen Teil der Form (7) an den Ecken des mittleren ersten Hohlraums (8) befinden sich zwei zweite Hohlräume (9) zur Aufnahme des flüssigen Kupfers, welche dann die Haltearme (2) der zu gießenden Anodenplatte (10) bilden, wie dies in den 6 und 7 ersichtlich ist.
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In den Raffinerien wird die Kupferanode (1) in eine Elektrolysezelle (3) eingeführt, die eine Kathode (4) aufweist, die je nach verwendetem Verfahren ungelöst oder in Form einer Mutterplatte mit entsprechenden Aufhängestangen (5) ausgebildet ist. Die Kupferanode (1) wird mit den Haltearmen (2) auf Kontakte (6) in Form jeweils einer Stromschiene aufgelegt. Die Elektrolysezelle (3) ist mit einer Säurelösung gefüllt, und es wird eine elektrische Spannung an die Kontakte (6) angelegt, um die Elektrogewinnung von Kupfer von der Kupferanode (1) in Richtung der Kathode (4), wie in den 2 bis 5 gezeigt, zu erzeugen. In diesem Verfahren bleibt die Kupferanode (1) nur bis zu einem oberen Rand eingetaucht. Damit ist der obere Teil der Kupferanode (1) mit den Haltearmen (2) nicht an dem Elektrolyseverfahren beteiligt, wie dies in 3 gezeigt ist. Die Haltearme (2) dienen damit nur dem Transport der Anodenplatten (1) bzw. der Anodenreste nach der Elektrolyse und zur Herstellung des elektrischen Kontaktes der Anodenplatte (1) mit einer externen Stromschiene, gebildet durch die Kontakte (6). Damit müssen die Haltearme (2) eine bestimmte Formsteifigkeit bzw. Tragfähigkeit aufweisen, um die während des Transportes und der Halterung der Kupferanode (1) in der Elektrolysezelle (3) zu übertragenden Kräfte aufzunehmen. Dabei ist insbesondere das hohe Gewicht der Kupferanode (1) von 200 bis 400 kg zu berücksichtigen. Außerdem müssen die Haltearme (2) eine entsprechend plane stromleitende Oberfläche aufweisen, welche aufgrund der zu berücksichtigenden maximalen Stromdichte eine gewisse Mindestfläche aufweisen muss.
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Nach Beendigung des Elektrolysekreislaufs bleiben die Haltearme (2) und ein Teil der Anodenplatte (10) erhalten und bilden zusammen den Rest der Kupferanode (1). Dieses Material muss zur Bildung einer neuen Kupferanode (1) und zum Fortsetzen des vollständigen Kreislaufes erneut aufgeschmolzen werden. Der Transport und das wiederholte Aufschmelzen der Anodenreste bedeutet Folgekosten, welche ein wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens des hochreinen Kupfers sind. Dabei ist die Masse des Anodenrests insofern von Bedeutung, da hierdurch der Wirkungsgrad des Elektrolyseverfahrens hinsichtlich des abgeschiedenen hochreinen Kupfers in Bezug zu dem eingesetzten Rohkupfer begrenzt bzw. verringert wird. Ferner müssen die Anodenreste gehändelt und transportiert werden, so dass das Gewicht der Anodenreste insbesondere bei einem manuellen Transport von besonderer Bedeutung ist.
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Im Stand der Technik sind ferner verschiedene Lösungen zur Reduzierung von Anodenresten bekannt. Das Dokument
DE 11 2012 003 846 T5 beschreibt ein System bestehend aus einer wiederverwendbaren Anodenaufhängevorrichtung und einer Anode ohne Haltearme. Unbestreitbar lässt sich die Menge an Anodenresten reduzieren, da den Resten der Anode die Haltearme fehlen, eine Kostenreduzierung wird sich damit aber nicht erzielen lassen. Vielmehr führt die Verwendung einer solchen Anodenaufhängevorrichtung zu höheren Folgekosten, da zuerst eine Anode ohne Haltearme vor dem Einsatz in einem Elektrolyseverfahren mit der Anodenaufhängevorrichtung mechanisch verbunden werden muss, und die Anodenreste nach Abschluss des Elektrolyseverfahrens von der Anodenaufhängevorrichtung getrennt werden müssen. Ein weiterer Kostenfaktor neben dem Montagevorgang sind die Herstellungskosten und die Kosten für die Wartung und Pflege der Anodenaufhängevorrichtung. Eine weitere Elektrodenbaugruppe mit Hängevorrichtung ist z.B. aus der
EP 3 748 041 A1 bekannt, welche jedoch den Nachteil aufweist, dass auch hier die Hängevorrichtung in einem mechanischen Montagevorgang zunächst mit der Anode verbunden werden muss.
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Das Dokument
DE 11 2015 003 170 T5 beschreibt eine Hängeschiene zum Tragen einer Anode ohne Haltearme, welche vollständig im Elektrolyten eintaucht. Im Gegensatz zur im Dokument
DE 11 2012 003 846 T5 beschriebenen Anodenaufhängevorrichtung, welche starre Haltearme verwendet, ist die Hängeschiene mit schwenkbaren Haltearmen ausgerüstet. Ein Nachteil der beschriebenen Hängeschiene ist die aufwendige Mechanik, um die Anode sicher zu halten. Ferner werden unter üblichen Bedingungen eines großtechnischen Elektrolyseverfahrens starke mechanische Belastungen auf die Hängeschiene beim Transport und Einhängen in das Elektrolysebad ausgeübt, so dass diese einem starken Verschleiß ausgesetzt ist, welcher einen erhöhten Wartungsaufwand zur Folge hat. Dieser Nachteil wird zudem durch das Eintauchen der Hängeschiene in den Elektrolyten verstärkt, da sich systembedingt immer Verkrustungen im oberen Bereich also hier im Bereich der Hängeschiene bilden. Um die Funktionsfähigkeit der Mechanik der Hängeschiene zu gewährleisten, müssen auftretende Verkrustungen entfernt werden, wodurch der Wartungsaufwand insbesondere aufgrund der sicherzustellenden Bewegbarkeit der Haltearme zusätzlich erhöht wird.
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Das Dokument
CN 106835196 beschreibt eine Elektrodenplatte mit beidseitig angebrachten elektrisch leitenden Halterungen. An diese Halterungen werden beidseitig konventionelle Metallanoden mit Haltearmen angehängt. Die Elektrodenplatte mit den beidseitig angehängten Anoden wird dann in ein Elektrolysebad eingehängt, wobei die Anoden vollständig im Elektrolyt eintauchen. Während des Elektrolyseprozesses lösen sich die angehängten Anoden im Elektrolyten langsam auf, wodurch ein Zustand erreicht wird, ab dem die mechanische Stabilität der Haltearme einer Anode nicht mehr gewährleistet, das Restgewicht der teilaufgelösten Anode zu tragen. Dadurch fällt die teilaufgelöste Anode in das Elektrolysebad und muss anschließend aus diesem entfernt werden, um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden. Eine vollständige Auflösung der Anoden ohne anfallende Anodenreste ist mit dieser Elektrodenplatte nicht möglich.
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Ein weiteres Problem bei der Auslegung der Kupferanode (1) ist, dass sich die Kupferanode (1) selbst bei dem Elektroloyseverfahren auf eine Temperatur von ca. 60 Grad erwärmt. Diese grundsätzliche Erwärmung der Kupferanode (1) kann im Falle eines Kurzschlusses der Kupferanode (1) selbst oder einer benachbarten Kupferanode (1) auf eine erhöhte Temperatur von bis zu 150 Grad im Bereich der Haltearme (2) ansteigen, wodurch wiederum die Formstabilität der Kupferanode (1) im Bereich der Haltearme (2) reduziert wird. Diese Erwärmung der Haltearme (2) und die damit verbundene Reduzierung der Formstabilität darf aber in keinem Fall dazu führen, dass die Haltearme (2) ihre Haltefunktion (2) nicht mehr wahrnehmen können oder die Kupferanode (1) durch eine Verformung der Haltearme (2) in dem Elektrolysebad verkippt.
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Ein weiteres Problem bei derartigen Kupferanoden ist darin zu sehen, dass die zur Formung der Haltearme vorgesehenen Hohlräume in den Gießformen beim Einströmen des flüssigen Rohkupfers aufgrund ihres großen Volumens ungleichmäßig mit flüssigem Rohkupfer gefüllt werden, indem das Rohkupfer beim Einströmen Schwingbewegungen ausführt, was wiederum nach dem Erstarren des Rohkupfers zu Haltearmen mit einer ungleichmäßigen Außenform und insbesondere mit unterschiedlichen bzw. variierenden Dicken führt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gießform bereitzustellen, welche ein Gießen von Kupferanoden mit Haltearmen mit einer verbesserten Formgenauigkeit ermöglicht. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Kupferanode bereitzustellen, welche formgenauer gegossen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe eine Gießform zur Herstellung von Kupferanoden zur Herstellung von hochreinem Kupfer mit einem ersten flächigen Hohlraum, welcher durch zwei parallel zueinander ausgerichtete Seitenflächen begrenzt ist, und zwei strömungstechnisch mit dem ersten Hohlraum verbundenen zweiten Hohlräumen, welche an einer Randseite des ersten Hohlraumes an unterschiedlichen Ecken angeordnet sind und sich seitlich nach außen von dem ersten Hohlraum weg erstrecken vorgeschlagen, wobei der Grundgedanke der Erfindung darin zu sehen ist, dass in den zweiten Hohlräumen jeweils mittig ein Kern vorgesehen ist, welcher den jeweiligen zweiten Hohlraum wenigstens abschnittsweise zu einer in Umfangsrichtung geschlossenen Ringform unterteilt. Der Kern bildet für das in den zweiten Hohlraum einströmende Rohkupfer eine Barriere oder Prallwand, welche das Rohkupfer in der Zuströmgeschwindigkeit abbremst und in den ringförmigen Hohlraum seitlich verdrängt. Hierdurch kann die Strömung des Rohkupfers vergleichmäßigt werden, was wiederum eine gleichmäßigere und insbesondere vollständigere Füllung des zweiten Hohlraumes mit Rohkupfer ermöglicht. Der zweite Hohlraum ist rinnenförmig ausgebildet und über den ersten Hohlraum zu einem geschlossenen Ring vervollständigt. Abschnittsweise ist dabei so zu verstehen, dass der zweite Hohlraum durch den Kern nicht vollständig zu einer Ringform unterteilt sein muss. Es reicht aus, wenn der Kern eine geringere Höhe als die Tiefe des zweiten Hohlraumes aufweist oder lediglich die Einströmöffnung des zweiten Hohlraumes unterteilt und dadurch als eine die Strömung des Rohkupfers abbremsende Barriere wirkt, damit die Haltearme mit einer gleichmäßigeren und insbesondere konstanteren Dicke gegossen werden.
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Der Kern kann aber auch so bemessen sein, dass er den zweiten Hohlraum vollständig zu einer in Umfangsrichtung geschlossenen Ringform unterteilt. In diesem Fall wird die Strömung des Rohkupfers maximal gebremst und vergleichmäßigt. Ferner wird durch den Kern eine zu gießende Kupferanode ermöglicht, welche im Bereich der Haltearme eine Durchgangsöffnung aufweist und damit hinsichtlich ihres Gewichts im Bereich der Haltearme maximal gewichtsreduziert ist.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Kern den zweiten Hohlraum zu einem ersten Abschnitt mit einer geschlossenen Ringform und einem zweiten flächigen Abschnitt unterteilt, wobei der zweite flächige Abschnitt seitlich an dem ersten Abschnitt angeordnet ist. Der Kern bildet damit aufgrund seiner Formgebung einen zweiten flächigen Abschnitt in dem zweiten Hohlraum, welcher zusätzlich zu einem Abbremsen und einer Vergleichmäßigung der Strömung des Rohkupfers in dem zweiten Hohlraum führt.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der Kern durch einen Spalt in zwei Teilkerne unterteilt ist. Der Spalt bildet praktisch eine zusätzliche Strömungsverbindung zwischen den beiden Rändern des ringförmigen ersten Abschnitts des zweiten Hohlraumes und ermöglicht dadurch eine weiter verbesserte und insbesondere gleichmäßigere und vollständigere Füllung des zweiten Hohlraumes mit Rohkupfer.
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Dabei ist der Spalt bevorzugt in einem Winkel von 0 bis 45 Grad zu einer Längsmittelachse des ersten Hohlraumes ausgerichtet. Die Längsmittelachse des ersten Hohlraumes entspricht der Hauptströmungsrichtung des in die Gießform einströmenden Rohkupfers. Aufgrund der vorgeschlagenen Ausrichtung des Spaltes strömt das Rohkupfer vektoriell in der Hauptrichtung in Richtung der Hauptströmungsrichtung des Rohkupfers in den Spalt ein.
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Ferner wird zur Lösung der Aufgabe eine Kupferanode zur Herstellung von hochreinem Kupfer mit einem Anodenblatt, und wenigstens zwei Haltearmen vorgeschlagen, bei der in wenigstens einem der Haltearme wenigstens eine Aussparung vorgesehen ist, wobei die Haltearme einstückig mit dem Anodenblatt ausgebildet sind. Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die vorgeschlagene Aussparung in dem Haltearm, in den Hohlräumen der Gießform zur Herstellung der Haltearme Kerne vorgesehen werden müssen. Diese Kerne bilden während des Gießvorganges eine Barriere für das einfließende flüssige Rohkupfer und reduzieren das Volumen der mit Rohkupfer zu füllenden Hohlräume in der Gießform, was wiederum dazu führt, dass das Rohkupfer verlangsamt und gleichmäßiger in die Seitenkanäle neben dem Kern einströmt. Diese Vergleichmäßigung der Strömung des flüssigen Rohkupfers führt dazu, dass die Haltearme mit einer gleichmäßigeren Dicke gegossen werden, als dies bei den Gießformen mit den kernlosen Hohlräumen für die Haltearme der im Stand der Technik bekannten Kupferanoden der Fall war.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch die Aussparung der Anteil des Anodenrests also des nicht auflösbaren Anteils des Rohkupfers der Kupferanode im Verhältnis zu dem Rohkupfer der gesamten Kupferanode verringert werden kann. Im Umkehrschluss kann dadurch der Wirkungsgrad der Abscheidung also die Menge des abgeschiedenen hochreinen Kupfers im Verhältnis zu dem gesamten eingesetzten Rohkupfer der Kupferanode vergrößert werden. Ferner kann dadurch das Gewicht der Kupferanode vor der Elektrolyse und besonders vorteilhaft das Gewicht des nach der Elektrolyse verbleibenden Anodenrests verringert werden. Dies hat Vorteile bei der Handhabung und spart Kosten für den Transport. Außerdem werden die Kosten für das wiederholte Aufschmelzen verringert, da die Masse des aufzuschmelzenden Anodenrestes geringer ist. Dabei ist die erfindungsgemäße Kupferanode bewusst einstückig mit den Haltearmen und der Anodenplatte ausgebildet, so dass die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erforderliche Montage der Haltearme oder Anodenaufhängevorrichtung an der Anodenplatte und die Wartung der wiederverwendbaren Haltearme bzw. Anodenaufhängevorrichtung entfällt. Die Aussparung ist als eine Vertiefung in den Haltearmen zu verstehen, welche sich in Bezug zu einer durch die Anodenplatte aufgespannten Ebene in die Haltearme erstreckt. Damit wird die Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig unveränderten Außenabmaßen erreicht.
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Ferner wird die erfindungsgemäße Kupferanode durch einen einzigen Gießvorgang mit der Anodenplatte und den Haltearmen hergestellt und kann dann ohne eine weitere Bearbeitung und insbesondere ohne weitere Montageschritte anschließend in das Elektrolysebad eingehängt werden. Die Haltearme dienen neben der Schaffung des elektrischen Kontaktes in einer zentralen Funktion der Handhabung und Halterung der 200 bis 400 kg schweren Kupferanode während des Transportes und in dem Elektrolysebad. Dazu müssen die Haltearme in sich eine ausreichend hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit aufweisen, welche durch eine entsprechend dicke Bemessung der Haltearme erreicht wird. Aus diesem Grunde sind die an die Anodenplatte einstückig angeformten Haltearme im Stand der Technik bewusst steif und entsprechend massiv ausgebildet.
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Die erfinderische Leistung der vorgeschlagenen Lösung liegt nun darin, dass trotz der zentralen Anforderung an die Tragfähigkeit insbesondere auch unter einem erhöhten Wärmeeintrag in den Haltearmen wenigstens eine Aussparung vorgesehen ist, durch welche die oben genannten Vorteile erreicht werden können. Dabei ist die Aussparung so bemessen, dass die Tragfähigkeit der Haltearme auch unter dem erhöhten Wärmeeintrag dennoch ausreicht, um die Kupferanode bestimmungsgemäß während des Transportes und in dem Elektrolysebad zu halten. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, indem die Gewichtsreduzierung durch eine Aussparung verwirklicht ist, so dass die für die Steifigkeit besonders wichtigen Außenabmaße unverändert sind.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Aussparung eine Form aufweist, welche einer maßstabsverkleinerten Außenform des Haltearmes entspricht. Durch die maßstabsverkleinerte Form der Aussparung wird der jeweilige Haltearm in seinem Gewicht und der Masse des Rohkupfers maximal reduziert, gleichzeitig aber möglichst gleichmäßig geschwächt, so dass die maximale Spannung in dem Haltearm bei der Halterung und Handhabung der Kupferanode auf einen möglichst geringen und gleichmäßigen Wert reduziert werden kann.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Aussparung wenigstens abschnittsweise durch eine Stützwand verschlossen ist. Die Stützwand bildet eine zusätzliche Versteifung des Haltearmes im Bereich der Aussparung, wodurch ein verbesserter Kompromiss zwischen beiden Anforderungen nämlich der geforderten Steifigkeit und der Gewichtsreduzierung verwirklicht werden kann. Dabei steht in der Dicke der Stützwand ein zusätzlicher Auslegungsparameter zur Verfügung, um die notwendige Tragfähigkeit des Haltearmes zu erreichen.
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Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass die Tiefe der Aussparung bis zu der Stützwand wenigstens der Hälfte der Dicke des Haltearmes senkrecht zu einer durch das Anodenblatt aufgespannten Ebene entspricht. Die Stützwand weist damit eine Dicke auf, welche maximal der Hälfte der Dicke des Haltearmes entspricht. Damit kann eine wesentliche Gewichtsreduzierung bei einer gleichzeitig ausreichenden Steifigkeit des Haltearmes erreicht werden.
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Die Gewichtsreduzierung kann weiter erhöht werden, indem die Aussparung wenigstens abschnittsweise als eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Ferner können die so geschaffenen Durchgangsöffnungen zusätzlich zum Transport der Kupferanode durch Einhängen entsprechender Haken oder Hängevorrichtungen genutzt werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Aussparung mittels einer Versteifungsrippe in zwei Teilaussparungen unterteilt ist. Die Versteifungsrippe bildet praktisch einen die Aussparung unterteilenden Steg, der den Haltearm fachwerkartig versteift, wobei die Steifigkeit des Haltearmes durch die Dicke und Ausrichtung der Versteifungsrippe entscheidend mit beeinflusst werden kann.
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Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass die Versteifungsrippe in einem Winkel von 0 Grad bis 45 Grad zu einer zwischen den Haltearmen verlaufenden Längsmittelachse des Anodenblattes ausgerichtet ist. Durch die vorgeschlagene Ausrichtung werden die Haltearme in der hängenden Anordnung der Kupferanode speziell gegenüber den auf die Kupferanode einwirkenden schwerkraftbedingten Zugkräften versteift.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Aussparung derart bemessen ist, dass die Haltearme an ihrer Seite der elektrischen Kontaktfläche wenigstens abschnittsweise eine größere Wandstärke in einer durch das Anodenblatt aufgespannten Ebene aufweisen als an der Seite, welche keine elektrische Kontaktfläche aufweist. Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass der Haltearm im Bereich der Einleitung des elektrischen Stromflusses in seiner Wandstärke dicker ausgebildet ist, so dass dadurch die Stromflussdichte in dem Haltearm speziell in diesem Bereich verringert werden kann, während die Seite, an der keine Kontaktfläche vorgesehen ist, gezielt dünner im Sinne einer höheren Gewichtsersparnis ausgebildet ist. Sofern die Kupferanode mit der Seite des Haltearmes mit der elektrischen Kontaktfläche zur Auflage aus einer externen Stromschiene vorgesehen ist, wird der Haltearm dadurch außerdem gezielt an seiner Unterseite versteift, in welcher beim Halten der Kupferanode auf der Stromschiene die für die Verformungen des Haltearmes entscheidenden Zugspannungen wirken. Durch die entsprechend dickere Bemessung der Haltearme an dieser Seite können die wirkenden maximalen Zugspannungen in dem Haltearm verringert werden, so dass dessen Tragfähigkeit erhöht werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 bis 7 eine Anode, eine dazugehörige Gießform und ein Elektrolysebad nach dem Stand der Technik; und
- 8 bis 16 verschiedene erfindungsgemäße Anoden mit zugehörigen Gießformen unterschiedlicher Ausführungsformen.
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In der 8 ist eine zur besseren Erkennbarkeit einseitig geöffnete Gießform 7 zur Herstellung einer in der 9 zu erkennenden Kupferanode 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zu erkennen. Die Gießform 7 weist einen ersten Hohlraum 8 zur Herstellung eines Anodenblattes 10 und zwei zweite sich daran anschließende Hohlräume 9 zur Herstellung der Haltearme 2 auf. Der erste Hohlraum 8 ist flächig in Form eines Rechtecks mit parallel zueinander ausgerichteten Seitenflächen in einem der Dicke des Anodenblattes 10 entsprechenden Abstand ausgebildet. Die zweiten Hohlräume 9 sind durch einen mittigen Kern 20 in einen ersten rinnen- und ringförmigen Abschnitt 24 und einen flächigen zweiten Abschnitt 25 unterteilt, in dem der Kern in der Höhe geringer bemessen ist als die Tiefe des zweiten Hohlraumes 9. Der erste rinnen- und ringförmige Abschnitt 24 ist über den ersten Hohlraum 8 zu einem geschlossenen Ring vervollständigt und darüber strömungstechnisch mit dem ersten Hohlraum 8 verbunden. Der flächige zweite Abschnitt 25 des zweiten Hohlraumes 9 ergibt sich durch die geringere Höhe des Kerns 20 und erstreckt sich hier über die gesamte Seitenfläche des Kerns 20 und geht an seinen Rändern in den ersten ringförmigen Abschnitt 24 über ist also mit diesem strömungstechnisch verbunden. Die Kupferanode 1 wird durch Einfüllen von flüssigem Rohkupfer in die Gießform 7 gegossen, wie dies in der Beschreibungseinleitung beschrieben wurde und in Bezug zu einem Ausführungsbeispiel auch in der 16 gezeigt ist.
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Die in der 9 zu erkennende in der Gießform 7 gegossene Kupferanode 1 weist damit ein flächiges, rechteckförmiges Anodenblatt 10 mit einer in etwa konstanten Dicke in die Darstellungsebene auf. An dem oberen Rand des Anodenblattes 10 sind zwei Haltearme 2 einstückig angeformt, welche ebenfalls eine in etwa konstante Dicke in die Darstellungsebene aufweisen. Die Haltearme 2 ragen nach oben und nach außen von dem Anodenblatt 10 vor und bilden an ihren Unterseiten jeweils eine Kontaktfläche 12 zur Anlage an den in Form von Stromschienen gebildeten Kontakten 6 aus (siehe 3 bis 5).
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Die Haltearme 2 weisen aufgrund der Formgebung der zweiten Hohlräume 9 mit den mittigen Kernen 20 jeweils einen entsprechend der Form des rinnenförmigen ersten Abschnitt 24 geformten oberen Rand 14 und einen unteren Rand 13 auf, welche an ihren Enden miteinander verbunden sind und eine Aussparung 11 zwischen sich einschließen, welche in der Form durch die Form des Kerns 20 gebildet ist. Die Aussparungen 11 sind in der Darstellung an ihren Hinterseiten durch Stützwände 15 verschlossen, welche durch die Form der flächigen zweiten Abschnitte 25 der zweiten Hohlräume 9 gebildet sind. Die Stützwände 15 sind durch ebene Wände gebildet, welche parallel zu der durch das Anodenblatt 10 aufgespannten Ebene ausgerichtet sind. Die durch das Anodenblatt 10 aufgespannte Ebene entspricht der Darstellungsebene und wird nachfolgend nur als Ebene I bezeichnet, was auch für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele gilt.
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Wie auch in der 16 zu erkennen ist, wirkt der in dem zweiten Hohlraum 9 vorgesehene Kern 20 zur Herstellung der Aussparung 11 als eine Barriere für das einströmende Rohkupfer beim Gießen der Kupferanode 1. Das einströmende Rohkupfer wird dadurch seitlich der Barriere in den zweiten Hohlraum 9 verdrängt, welcher in diesem Fall entsprechend der zu formenden Ränder 13 und 14 in einem ersten Abschnitt 24 rinnen- und ringförmige und in einem zweiten Abschnitt 25 zur Bildung der Stützwand 15 flächig ausgebildet ist. Dadurch wird die Strömung des Rohkupfers verlangsamt und gleichzeitig vergleichmäßigt, was wiederum zu einer gleichmäßigeren Dicke Haltearme 2 der Kupferanode 1 nach dem Gießen führt. Dabei strömt das Rohkupfer ausgehend von dem ersten Hohlraum 8 über den ersten rinnenförmigen Abschnitt 24 und gleichzeitig über den zweiten flächenförmigen Abschnitt 25 stirnseitig in den zweiten Hohlraum 9 ein.
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Bei der im Stand der Technik bekannten, in der 7 zu erkennenden Gießform 7 fehlt der Kern 20, was dazu führt, dass das Rohkupfer ungebremst in den entsprechend volumengrößeren Hohlraum 9 einströmt, sich dabei hochschaukelt und zu Haltearmen 2 unterschiedlicher Dicke erstarrt. Dieser Effekt wird durch die vorgesehenen Kerne 20 vermieden, und die zweiten Hohlräume 9 werden gleichmäßiger und vollständiger mit flüssigem Rohkupfer gefüllt, was dazu führt, dass die Haltearme 2 der gegossenen Kupferanode 1 anschließend eine wesentlich konstantere Dicke und ebenere Oberfläche aufweisen.
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Die Aussparungen 11 sind durch Vertiefungen in den Haltearmen 2 gebildet und reduzieren außerdem die Menge des in den Haltearmen 2 vergossenen Rohkupfers. Die Außenabmaße der Haltearme 2 sind bewusst nicht reduziert, da durch entsprechend große Außenabmaße eine besonders hohe Tragfähigkeit und Formstabilität der Haltearme 2 erreicht werden kann. Der untere Rand 13 und der obere Rand 14 der Haltearme 2 weisen eine im wesentliche konstante Wandstärke B in der Ebene I auf, so dass die Aussparung 11 eine in Bezug auf die Außenform der Haltearme 2 maßstabsverkleinerte Formgebung aufweist. Der untere Rand 13 kann aber auch eine geringfügig größere Wandstärke aufweisen, damit anschließend durch eine Fräs- oder Schleifbearbeitung der Oberfläche eine entsprechend plane Kontaktfläche 12 geschaffen werden kann, ohne dass dadurch die Tragfähigkeit der Haltearme 2 soweit reduziert wird, dass sie ihre Haltefunktion nicht mehr ausüben können.
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Die Haltearme 2 sind durch die Aussparungen 11 gewichtsreduziert und durch die Stützwände 15 gleichzeitig versteift. Dabei sind die Stützwände 15 parallel zu der Ebene I der Anodenplatte 10 ausgerichtet, so dass sie die Haltearme 2 gegenüber den in der Ebene I wirkenden Zugkräften maximal versteifen. Damit weisen sie die erforderliche Tragfähigkeit zum Handhaben und Tragen der Kupferanode 1 auf, während gleichzeitig ihre Masse verringert ist, so dass der Restanteil der Kupferanode 1 nach dem Elektrolysevorgang mit den oben beschriebenen Vorteilen verringert ist. Die Stützwände 15 sind aufgrund ihrer parallelen Anordnung zu der Ebene I beim Anheben der Kupferanode 1 und beim Hängen der Kupferanode 1 in dem Elektrolysebad parallel zu der auf die Kupferanode 1 wirkenden Schwerkraft ausgerichtet und bewirken dadurch eine maximale Versteifung der Haltearme 2 gegenüber den über die Kontaktfläche 12 ausgeübten Druckkräften beim Tragen der Kupferanode 1.
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In den 10 und 11 ist ein zweites weiterentwickeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erkennen, bei dem der in der Darstellung rechte Haltearm 2 eine Aussparung 11 aufweist, welche einseitig in dem oberen Abschnitt durch eine Stützwand 15 verschlossen ist. Die Stützwand 15 deckt die Aussparung 11 bewusst nicht vollständig ab, so dass die Aussparung 11 in dem unteren Abschnitt als Durchgangsöffnung 16 ausgebildet ist. Der in der Darstellung linke Haltearm 2 ist entsprechend der Haltearme 2 der 9 ausgebildet. Der rechte Haltearm 2 ist damit durch die Durchgangsöffnung 16 weiter gewichtsreduziert, wobei die Abmaße und die Form der Stützwand 15 hinsichtlich der zu erreichenden Steifigkeit des Haltearmes z.B. im Wege einer Finiten-Element-Berechnung formoptimiert werden kann. Die Aussparung 11 ist wiederum durch einen Kern 20 in dem zweiten Hohlraum 9 der Gießform 7 gebildet, wobei die Durchgangsöffnung 16 dadurch geformt ist, indem der Kern 20 eine der Tiefe des zweiten Hohlraumes 9 entsprechenden Höhe aufweist, und dadurch den zweiten Hohlraum 9 vollständig in einen ersten rinnen- und ringförmigen Abschnitt 24 ohne den zweiten Abschnitt 25 unterteilt.
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In den 12 und 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu erkennen, bei dem die Aussparungen 11 in beiden Haltearmen 2 vollständig als Durchgangsöffnungen 16 ausgebildet sind, wodurch die Gewichtsreduzierung weiter maximiert werden kann.
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Die erforderliche Steifigkeit der Haltearme 2 wird hier allein durch die Bemessung der Haltearme 2 in ihren Rändern 13 und 14 erreicht, wobei hier insbesondere die Bemessung der Wandstärke B der Ränder 13 und 14 in der Ebene I zu Verfügung steht.
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In den 14 und 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erkennen, bei dem die Aussparungen 11 in den Haltearmen 2 durch jeweils eine Durchgangsöffnung 16 gebildet sind, welche durch jeweils eine Versteifungsrippe 17 fachwerkartig in zwei Teildurchgangsöffnungen 18 und 19 unterteilt sind. Die Versteifungsrippen 17 sind in diesem Ausführungsbeispiel so ausgerichtet bzw. angeordnet, dass ihre Längsachsen C in etwa parallel zu einer Längsmittelachse A des Anodenblattes 10 verläuft. Durch die Versteifungsrippen 17 werden die Haltearme 2 mit einem möglichst geringen Materialeinsatz bzw. Zusatzgewicht versteift, wobei die Ausrichtung parallel zu der Längsmittelachse A besonders vorteilhaft ist, da die Versteifungsrippe 17 die Haltearme 2 dadurch besonders effizient gegenüber auf die Kontaktfläche 12 ausgeübten Druckkräften versteift. Die Versteifungsrippen 17 können aber auch in einem Winkel bis zu 45 Grad gegenüber der Längsmittelachse A ausgerichtet sein und bewirken dennoch eine wirkungsvolle Versteifung der Haltearme 2.
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Dazu ist der Kern 20 in den zweiten Hohlräumen 9 durch einen Spalt 21 in zwei Teilkerne 22 und 23 unterteilt. Durch den Spalt 21 wird die Versteigungsrippe 17 gegossen, welche die durch die Teilkerne 22 und 23 geformten Teildurchgangsöffnungen 18 und 19 voneinander trennt.
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Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass das Gewicht des Anodenrestes verringert und der Wirkungsgrad des Elektrolyseverfahrens in Bezug zu dem eingesetzten Rohkupfer auf sehr einfache Art und Weise erhöht werden kann, ohne den Vorteil der erheblich kostengünstigeren einstückigen Fertigung der Kupferanode 1 mit der Anodenplatte 10 mit den Haltearmen 2 aufzugeben. Dabei sind die Aussparungen 11 bewusst als Vertiefungen in den Haltearmen 2 also als sich von einer planen Oberfläche der Haltearme 2 in die Haltearme 2 hinein erstreckenden Hohlräume ausgebildet, so dass eine hohe Steifigkeit der Haltearme 2 bedingt durch die beibehaltene Außenform bei einer gleichzeitigen Reduzierung des Gewichts der Haltearme 2 durch die darin vorgesehenen Aussparungen 11 erzielt werden kann. Dabei sind die Aussparungen 11 bewusst in den Haltearmen 2 vorgesehen, so dass die Menge des herzustellenden hochreinen Kupfers nicht reduziert wird, da die Haltearme 2 in dem Elektrolyseverfahrens nicht aufgelöst werden und damit keinen Beitrag zur Gewinnung des hochreinen Kupfers liefern.
