DE112011102660T5

DE112011102660T5 - Vorrichtung zur Verwendung in der elektrolytischen Raffination und der elektrolytischen Gewinnung

Info

Publication number: DE112011102660T5
Application number: DE112011102660T
Authority: DE
Inventors: Duncan Grant
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Corp
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-05-29
Also published as: PL404171A1; US20150191840A1; JP5850935B2; CL2013000395A1; AU2011288299A1; CL2015003185A1; MX2013001502A; US20130126337A1; EA023794B1; BR112013003320A2; MX339882B; PL410261A1; PL410586A1; WO2012020243A1; US20150197868A1; US9783900B2; AU2011288299B2; PL410260A1; CA2806505A1; JP2016000869A

Abstract

Vorrichtung zur Verwendung in der elektrolytischen Produktion von Metallen, umfassend eine Mehrzahl von Anoden (2) und eine Mehrzahl von Kathoden (1) in verschachtelter Konfiguration, wobei jedes Anoden- und Kathodenpaar eine Zelle bildet; eine Mehrzahl von Netzteilen (9), wobei jede Zelle zu einem oder mehreren jeweiligen Netzteilen gehört; und die Netzteile angeordnet sind, um einen Gleichstrom in der einen oder den mehreren Zellen auf einen vorgegebenen Wert zu steuern bzw. zu regeln.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die elektrolytische Produktion von Metallen.
Stand der Technik
Bei der elektrolytischen Raffination (ER) und der elektrolytischen Gewinnung (EW) werden Elektroden in einen Elektrolyten eingetaucht und zwischen ihnen fließt ein elektrischer Strom. Die Anode wird positiv und die Kathode negativ geladen, so dass elektrischer Strom durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode fließt.
Bei der elektrolytischen Raffination (ER) ist die Metallanode löslich. Das heißt, dass das Metall unter dem Einfluss des Potentials zwischen der Anode und der Kathode in den Elektrolyten gelangt. Beispielsweise besteht bei der elektrolytischen Raffination von Kupfer die Anode aus Kupfer, und das Kupfer gelangt aus der Anode in den Elektrolyten. Das nun im Elektrolyten befindliche Metall wird durch den Elektrolyten oder von ihm zur Kathode transportiert, wo es sich abscheidet. Das Metall, aus dem die Kathode ist, kann das gleiche sein wie jenes, das sich abscheidet, oder aber ein anderes. Einst war es bei der elektrolytischen Raffination von Kupfer beispielsweise üblich, eine Kathode aus Kupfer einzusetzen. Heutzutage wird jedoch gewöhnlich eine Edelstahlkathode benutzt, die sich rasch mit Kupfer überzieht und von diesem Zeitpunkt an im Wesentlichen als Kupferkathode fungiert. Das abgeschiedene Kupfer wird mechanisch von der Edelstahlkathode entfernt, und die Kathode wird wieder verwendet. Das auf der Kathode abgeschiedene Kupfer ist hochrein. Unreinheiten, die sich im Anodenmetall befanden, fallen als Feststoff aus, während sich die Anode auflöst, und diese können nützliche Nebenprodukte wie etwa Gold enthalten. Außer Kupfer zählen zu den durch ER gereinigten Metallen Gold, Silber, Blei, Kobalt, Nickel, Zinn und weitere Metalle.
Die elektrolytische Gewinnung (EW) unterscheidet sich von der elektrolytischen Raffination dadurch, dass das angestrebte Metall in die Zellen eingebracht wird und bereits im Elektrolyten enthalten ist. Im Beispiel von Kupfer wird typischerweise Schwefelsäure verwendet, um Kupfer aus einer Oxidform von Kupfererz zu lösen und der sich daraus ergebende Liquor wird, nach Konzentration, in eine Zelle zur elektrolytischen Gewinnung eingebracht, um das Kupfer abziehen zu lassen. Eine Anode und eine Kathode sind in den Elektrolyten eingetaucht, und zwischen ihnen fließt Strom, wobei erneut die Anode positiv und die Kathode negativ ist. Bei der elektrolytischen Gewinnung ist die Anode nicht löslich, sondern besteht aus einem inerten Material. Bezeichnenderweise wird im Fall von Kupfer eine Bleilegierungsanode verwendet. Das Metall, aus dem die Kathode besteht, kann das gleiche sein wie jenes, das aus dem Elektrolyten herausgezogen wird, oder sie kann aus einem anderen Material sein. Beispielsweise können im Fall von Kupfer Kupferkathoden eingesetzt werden, obgleich gewöhnlich Edelstahlkathoden benutzt werden, die schnell in Kupfer gehüllt werden. Unter dem Einfluss des elektrischen Stroms verlässt das Metall, das gewonnen werden soll, die Elektrolytlösung und scheidet sich in sehr reiner Form auf der Kathode ab. Durch diesen Prozess wird der Elektrolyt, der einen großen Anteil seines Metallgehalts eingebüßt hat, verändert. Außer Kupfer gehören zu den durch elektrolytische Gewinnung erhaltenen Metallen Blei, Gold, Silber, Zink, Chrom, Kobalt, Mangan, Aluminium und weitere Metalle. Bei einigen Metallen, etwa Aluminium, ist der Elektrolyt eher eine Materialschmelze als eine wässrige Lösung.
Als Beispiel für die Spannungen und den Strom, die involviert sind, beträgt bei der Kupferraffination die Zellspannung im Allgemeinen etwa 0,3 V, die Stromdichte etwa 300 A pro Quadratmeter und die Fläche jeder Elektrode gegenwärtig etwa 1 Quadratmeter. Diese Zahlen unterscheiden sich erheblich für verschiedene Metalle, jedoch findet die Erfindung Anwendung auf die Raffination und die Gewinnung aller Metalle.
Die elektrischen Charakteristiken von ER- und EW-Zellen stimmen nicht überein. In ER-Zellen tendieren die Überpotentiale an der Kathode und der Anode dazu, sich aufzuheben, so dass die Zelle die Charakteristik eines Widerstands besitzt, der in herkömmlichen Systemen vom Elektrolytwiderstand dominiert wird. In EW-Zellen beläuft sich das Nettoüberpotential nicht auf null und kann den größten Teil der Spannung zwischen der Anode und der Kathode ausmachen. Allerdings wird es zusätzlich einen gewissen Spannungsabfall aufgrund des Elektrolytwiderstands geben. Diese Charakteristiken sind in 13 erläutert. 13 verwendet beispielshalber Werte, die annähernd bezeichnend für jene sind, die bei der ER und der EW von Kupfer vorgefunden werden.
14 veranschaulicht die Entstehung der ER-Geraden aus 13, die das Verhältnis zwischen Kathodenstrom und Anoden/Kathoden-Spannung bezüglich ER zeigt. Bei ER heben sich das Überpotential der Anode und jenes der Kathode auf, so dass die Charakteristiken einer Kathode und ihrer benachbarten Anoden (in diesem Beispiel bestehend aus einer Kathode und zwei Anoden, die durch die Elektrodenzwischenräume (inter-electrode gaps) IEG1 und IEG2 getrennt sind) annähernd jene eines 0,5-Milliohm-Widerstands sind. Dieser Widerstand setzt sich effektiv aus zwei parallelen 1-mOhm-Widerständen zusammen, wobei 1 mOhm der annähernde Widerstand jedes der beiden IEGs ist.
15a zeigt eine die ER-Situation darstellende elektrische Schaltung. Der Gesamtkathodenstrom teilt sich auf zwischen den beiden Seiten der Kathoden in umgekehrtem Verhältnis zu dem Widerstand des Elektrodenzwischenraums und zu diversen anderen kleinen Widerständen. Die Fläche jeder Seite der Kathodenplatte ist gleich. So verhält sich die Stromdichte auf jeder Seite der Platten umgekehrt proportional zum Widerstand des IEGs (und zu sonstigen kleinen Beiträgen zum Widerstand). Der Widerstand jedes IEGs ist ungefähr proportional zur Breite des Elektrodenzwischenraums (IEGs). Falls die IEGs unterschiedlich breit sind, ist der Gesamtstrom an jeder Seite der Kathode (und daher die Stromdichte auf jeder Seite) verschieden.
15b zeigt eine die EW-Situation darstellende elektrische Schaltung. In 13 veranschaulicht die mit EW gekennzeichnete Gerade das Verhältnis zwischen Kathodenstrom und Anoden/Kathoden-Spannung bezüglich EW. Die Anordnung der Elektroden ist die gleiche wie in 14. In 13 ist die Gerade für EW um einen Betrag nach oben verschoben, der gleich dem Nettoüberpotential in einer Zelle ist, und dieses beläuft sich bezüglich der EW von Kupfer auf ungefähr 1,5 V. Für andere Metalle kann es weitaus größer, sogar über 3,0 V, sein. Daher ist die Gesamtspannung über einer Zelle gleich der Summe des Nettoüberpotentials und der Spannung aufgrund des Fließens von Strom durch den Elektrolytwiderstand (sowie einiger anderer geringfügiger Beiträge zum Widerstand). Die elektrisch annähernd äquivalente Schaltung für EW ist in 15b abgebildet. Wie zuvor bei der ER kann bei der EW jede beliebige Ungleichheit des Widerstands des Elektrolyten in den IEGs auf beiden Seiten der Kathode eine Ungleichheit der Stromdichte auf jeder Seite der Kathode verursachen, sofern nicht jeder IEG durch eine geregelte Stromzufuhr individuell angesteuert wird. In ähnlicher Weise wird jede beliebige Variation des Nettoüberpotentials in jedem der IEGs ungleiche Stromdichten in den IEGs zur Folge haben, sofern nicht jeder IEG individuell versorgt wird.
Terminologie
Bei der ER und der EW besteht der Ausgangspunkt in einer Anode, die neben einer Kathode in einem Elektrolyten angeordnet ist, der in einer Wanne enthalten ist. Jedoch können etliche Kathodenplatten und etliche Anodenplatten verwendet werden, und zwar verschachtelt, bei paralleler Schaltung sämtlicher Anodenplatten und bei paralleler Schaltung sämtlicher Kathodenplatten, die innerhalb einer einzigen Elektrolytwanne enthalten sind. Aus elektrischer Sicht stellt dies noch immer eine einzige Zelle dar und wird demzufolge in der Industrie gewöhnlich als „Zelle” bezeichnet.
In der ER- und EW-Industrie wird „Zelle” beinahe universell gebraucht, um eine mit parallelen Anoden und Kathoden gefüllte Wanne zu bezeichnen.
In der ER- und EW-Industrie kann „Wanne” je nach Zusammenhang die gleiche Bedeutung besitzen wie vorstehend „Zelle” oder den Behälter an sich bezeichnen.
Somit ist die Möglichkeit zur Verwechslung gegeben, falls die Anzahl paralleler Platten ungenannt bleibt. Die vorliegende Erfindung ist auf eine Zelle anwendbar, die aus einer Kathode und einer Anode sowie einem Elektrodenzwischenraum (IEG) besteht. Daher kann das Wort „Zelle” in seiner grundlegendsten Bedeutung synonym zu einem einzigen IEG sein. In der folgenden Beschreibung wird „Zelle” gebraucht, um zusammenwirkende Elektroden zu bezeichnen, die durch einen Elektrodenzwischenraum getrennt sind. Falls beide Seiten der Kathode für die Metallabscheidung genutzt werden sollen, sind zwei Anoden erforderlich, die zwei IEGs ergeben. Zwecks weiterer Vergrößerung der Kathodenfläche müssen weitere Anoden und Kathoden hinzugefügt werden, womit weitere IEGs hinzukommen. Es sind doppelt so viele IEGs wie Kathoden vorhanden.
Zunächst mit Blick auf 1 ist eine allgemein mit 24 bezeichnete elementare Zelle dargestellt, die aus einer Kathode 1 und einer Anode 2 sowie einem Elektrodenzwischenraum (IEG) 3 besteht. Die Kathode 1 und die Anode 2 sind in einen Elektrolyten 4 eingetaucht, der in einer Wanne 5 enthalten ist.
2 zeigt eine Kathode 1 und zwei Anoden 2, die parallel geschaltet sind, wobei die gesamte Anordnung zwei IEGs 3 schafft.
In Wannengebäuden sind „Wannen” in Reihe geschaltet. Ein typisches ER-Wannengebäude kann deshalb eine elektrische Versorgung in der Größenordnung von 36000 A bei 250 Volt benötigen.
Probleme bei den Verfahren des Stands der Technik
In einem typischen Verfahren ist eine Anzahl von Anoden- und Kathodenplatten verschachtelt und wird aus positiven und negativen Sammelschienen parallel versorgt, so dass jedes Anoden/Kathoden-Plattenpaar aus einer gemeinsamen Spannungsquelle effektiv versorgt wird. Dies resultiert in einer Streuung der Stromdichte in den Zellen aufgrund von Unterschieden im Widerstand der Zellen. Diese Unterschiede entstehen aus einer Streuung der Werte von, unter anderem, Plattentrennung, Platteninnenwiderstand, Widerstand des Kontakts zwischen den Platten und den Sammelschienen, Ausrichtung und Flachheit der Platten, Status der Platten und Elektrolytzustand.
Die Effizienz und die Geschwindigkeit des Verfahrens zur elektrolytischen Produktion können beeinträchtigt werden, falls die Stromdichte in der Zelle nicht innerhalb gewisser Grenzen gehalten wird. Zudem kann die Qualität des abgeschiedenen Metalls durch die Stromdichte beeinflusst werden.
Zusätzlich kann eine schlecht kontrollierte Stromdichte das Wachstum von Metallspikes auf den Platten fördern, was zu Kurzschlüssen zwischen den Platten führen kann.
Durch die parallele Schaltung aller Anoden in einer Wanne und die parallele Schaltung aller Kathoden in einer Wanne sind gewöhnlich viele Zellen parallel geschaltet, aber eine Reihenparallelschaltung oder eine Reihenschaltung ist ebenfalls möglich. Daher wird die Stromdichte in einer gegebenen Zelle durch den Zustand anderer Zellen beeinflusst und kann somit vom Ideal abweichen.
Elektroden müssen mit einem hohen Maß an Präzision hergestellt und positioniert werden, um die Einheitlichkeit von Zellcharakteristiken zu gewährleisten.
Die Stromdichte, die ideal für eine Zelle ist, ist möglicherweise nicht ideal für eine andere Zelle.
Die Spannung, die ideal für eine Zelle ist, ist möglicherweise nicht ideal für andere Zellen.
Die Elektrolytkonzentration kann von Zeit zu Zeit variieren und die Charakteristik einer gegebenen Zelle während des elektrolytischen Gewinnungs- oder des elektrolytischen Raffinationsprozesses dynamisch verändern.
Der Strom wird mit einem hohen Stromwert über erhebliche Strecken zu den Zellen transportiert. Da die Verluste in einem Leiter proportional zum Quadrat des Stroms sind, ist dieser Vorgang energieverschwendend.
Die an jede Zelle angelegte Spannung lässt sich schlecht regulieren, insbesondere wenn sie durch lange Hochstromsammelschienen zugeführt wird, die mit Zellen beladen sind, deren Zustand variabel ist.
Der Kontaktwiderstand zwischen den Platten und den Sammelschienen kann beträchtlich variieren und in schlechter Regelung des Stroms durch die Platten sowie der Stromdichte auf den Platten resultieren.
In einigen Systemen, beispielsweise bei der Kupferraffination, wird zuweilen eine Stahlkathode eingesetzt, wobei die sich ergebende Kupferabscheidung abgestreift und die Platte wieder verwendet wird. Die Stahlplatten können sich mit der Zeit und ihrer Verwendung verschlechtern und Veränderungen ihres Innenwiderstands erfahren, die schlechte Regelung des Stroms durch die Platten und schlechte Stromdichteregelung auf den Platten verursachen.
Anodendicke und -charakteristiken verändern sich während eines Crops (d. h. während des Prozesses der elektrolytischen Produktion) und zwischen Crops, was es erschwert, die ideale Stromdichte während irgendeines bestimmten Crops zu erhalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verwendung in der elektrolytischen Produktion von Metallen geboten, umfassend eine Mehrzahl von Anoden und eine Mehrzahl von Kathoden in verschachtelter Konfiguration, wobei jedes Anoden- und Kathodenpaar eine Zelle bildet; eine Mehrzahl von Netzteilen, wobei jede Zelle zu einem oder mehreren jeweiligen Netzteilen gehört; und die Netzteile angeordnet sind, um einen Gleichstrom in der einen oder den mehreren Zellen auf einen vorgegebenen Wert zu steuern bzw. zu regeln.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verwendung in der elektrolytischen Produktion oder elektrolytischen Raffination geboten, umfassend: erste und zweite Elektroden; zumindest eine Sammelschiene; zumindest ein Netzteil; wobei ein Netzteil zu einer Elektrode gehört und angeordnet ist, um eine Stromversorgung aus einer Sammelschiene zur Elektrode zu regulieren.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung für elektrolytische Produktion oder elektrolytische Raffination von Material geboten, umfassend: eine Elektrode, die umfasst: eine erste leitende Schicht und eine zweite leitende Schicht; wobei die erste leitende Schicht und die zweite leitende Schicht durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt sind.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für elektrolytische Produktion von Materialien geboten, umfassend erste und zweite Elektroden sowie Aktoren zum Steuern bzw. Regeln einer Trennung zwischen denselben in Abhängigkeit von zumindest einem von: Entwicklung der Strom/Spannungs-Charakteristik zwischen den ersten und zweiten Elektroden; Elektrodenzustand; Zeit.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur elektrolytischen Produktion geboten, wo zumindest einige Verbinder bzw. Anschlussteile zwischen Netzteilen, Hängerschienen und Elektroden Kontakte umfassen, die gegen eine kooperierende leitende Fläche drücken.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur elektrolytischen Produktion geboten, die umfasst:
eine Mehrzahl von Elektroden;
Stromsensoren, die zu zumindest einigen der Elektroden gehören, und Ausgabe- oder Datenverarbeitungsschaltungen zum Ausgeben oder Verarbeiten der Strommessungen.
Beschreibung der Zeichnungen
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben, in denen:
1 eine Darstellung einer elementaren Zelle oder eines IEGs ist;
2 eine Seitenansicht zweier Anoden und einer Kathode ist, die zwei IEGs schaffen;
3 eine Seitenansicht mehrerer paralleler Anoden und mehrerer paralleler Kathoden ist;
4 eine Draufsicht auf eine Mehrzahl von Wannen in Reihe ist;
5 eine Darstellung eines Konverterlayouts als einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wo IEG-Spannungen variiert werden;
6 eine Darstellung eines Konverters als einer Ausführungsform des Erfindungslayouts ist, wo die Elektrodenspannungen geregelt werden;
7a bis 7c Seitenansichten einer Elektrode sind, die veranschaulichen, wie sich Konverter oder Regler zwischen Platten und Sammelschienen einfügen lassen;
8 ein Schaltplan eines Konverters mit einem Brückengleichrichter im Ausgang ist;
9 ein Schaltplan eines Konverters ist, der eine Transformatorsekundärwicklung mit Mittelabgriff aufweist;
10 ein Schaltplan eines Abwärtsreglers ist;
11 ein Schaltplan einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung ist;
12 eine schematische Zeichnung eines Zellsteuer- bzw. -regelsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
13 eine graphische Veranschaulichung der Strom-Spannungs-Charakteristiken von ER- und EW-Zellen ist;
14 eine Seitenansicht wie 2 ist, die weiterhin den elektrischen Ursprung von ER-Zellcharakteristiken erläutert;
15a eine elektrische Schaltung zeigt, die ER-Zellen repräsentiert;
15b eine elektrische Schaltung zeigt, die EW-Zellen repräsentiert;
16 eine Vorderansicht einer Elektrode ist, wobei Regler zwischen den Elektrodenfahnen und den Sammelschienen eingefügt worden sind;
17 eine Vorderansicht einer Elektrode ist, wobei Regler in die Fahnen eingegliedert worden sind;
18 eine Vorderansicht einer Elektrode ist, wobei zwei Regler zu einem einzigen Regler integriert worden sind, der die Hauptplatte von der Schiene mitsamt Fahnen trennt;
19 eine Veranschaulichung einer Abwandlung der Ausführungsform aus 18 mit mehreren Reglern ist;
20 eine mechanisch robustere Version der in 19 gezeigten Anordnung ist;
21 die in 20 dargestellte Anordnung von ihrem Ende zeigt;
22 die in 20 dargestellte Anordnung von ihrem Ende zeigt, wobei die Regler in einer alternativen Anordnung positioniert worden sind;
23 eine Seitenansicht einer Wanne ist, die veranschaulicht, wie die Netzteile auf einer Trägerschiene über den Wannenkontaktelektroden via Federstifte getragen werden können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
24 eine Draufsicht auf die Anordnung aus 23 ist;
25 eine Draufsicht auf eine Wanne ist, wobei zwei oder mehr Trägerschienen in der Trägerschienenanordnung eingesetzt werden;
26 eine Seitenansicht der Wanne ist und veranschaulicht, wie sich ein Trägerschienensystem nutzen lässt, um Kathoden anzusteuern;
27 eine Draufsicht auf die Anordnung aus 26 ist;
28 darstellt, wie sich Rahmen entfernen und stapeln lassen;
29 eine Draufsicht ist, die eine Konfiguration von Trägerschienen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
30 ein Verfahren zur Entfernung von Trägerschienen und Abdeckungsanordnungen zeigt;
31 eine Seitenansicht der oberen Enden dreier Elektroden ist und ein Verfahren zur Verwendung eines Querteils erläutert, das auf Anoden ruht, um eine Kathode und einen Regler zu tragen;
32 eine Randansicht einer dreilagigen Kathodenplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
33 eine Draufsicht auf eine Elektrodenkonfiguration ist und ein Mittel zur Bewegung von Platten in einer Wanne im Produktionsliniendurchlauf veranschaulicht;
34 eine Längsanordnung für den Produktionsliniendurchlauf aus 33 darstellt;
35 eine Anordnung für Längsdurchlauf zeigt, wenn sich Anoden, Kathoden und Netzteile zusammen bewegen;
36 eine Abwandlung der Anordnung aus 35 ist;
37 ein Schaltplan eines Abwärtsreglers mit einem Synchrongleichrichter ist, der den Freilaufstrom trägt;
38 ein Schaltplan eines Abwärtsreglers ist, der zum Ansteuern von Kathoden angepasst ist;
39 die in Betrieb befindlichen technischen Elemente im Zusammenspiel mit der Schaltung aus 38 bezeichnet;
40 ein Schaltplan eines vereinfachten Schaltreglers ist, der mit anderen Schaltreglern in zeitlich verschachtelter Weise einzusetzen ist, um einen konstanten Strom in der Hängerschiene aufrechtzuerhalten;
41 ein Schaltplan eines Mehrphasen-Abwärtswandlers ist; und
42 eine schematische Darstellung eines Energieverwaltungssystems gemäß einem Aspekt der Erfindung ist.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 3 zeigt die Darstellung eine Wannenanordnung, die in Anlagen zur elektrolytischen Gewinnung und elektrolytischen Raffination des Stands der Technik gängig ist. Mehrere Kathoden 1 sind parallel geschaltet, und mehrere Anoden 2 sind parallel geschaltet, um die Gesamtkathodenfläche zu vergrößern. Vorhanden sind doppelt so viele IEGs wie Kathoden.
4 zeigt ein System des Stands der Technik, das eine Vielzahl in Reihe geschalteter Wannen 5 aufweist. Eine Ausgleichsleitung 6 verbindet die Wannen und besteht in der Praxis nicht in einem einzelnen Kabel, sondern es werden mehrere Verbindungen hergestellt via Ausgleichsschienen, die gewährleisten, dass zwischen den Wannen an mehreren Punkten ein Anschluss gebildet wird.
Jede beliebige Anordnung, die die Kathode mit einer bestimmten Spannung (in Bezug auf ihre benachbarten Anoden) oder die die Kathode mit Strom speist, wird schwerlich die gleiche Stromdichte auf jeder Seite der Kathode aufrechterhalten. Anoden sind typischerweise eine festgesetzte Strecke (normalerweise 10 cm) voneinander beabstandet. Im Laufe der Jahre sind Anstrengungen unternommen worden, um Kathodenplatten in einem flachen Zustand zu halten und um sie innerhalb der Wanne präzise anzuordnen. Nichtsdestoweniger gelten eine Genauigkeit von 2,5 mm bei der Beabstandung und eine Abweichung von 2,5 mm bei der Flachheit als gute Ergebnisse. Sogleich wird verständlich, dass ein Fehler von 5 mm in einem Elektrodenzwischenraum von 50 mm zu einem Fehler von annähernd 10% bei der Stromdichte auf beiden Seiten der Kathode führen könnte. Außerdem variiert die Anodendicke während und zwischen des Croppings und setzt eine weitere Möglichkeit für die Entstehung ungleicher Breiten von IEGs hinzu. Der Erfinder hat erkannt, dass es zur Erzielung einer genauen Stromdichte auf beiden Seiten der Kathodenplatte vorteilhaft ist, den Strom im IEG oder zu den individuellen Kathoden zu steuern bzw. zu regeln. Die hierin beschriebene Erfindung bietet die Steuerung bzw. Regelung von Strom in entweder der Kathode oder dem IEG in Entsprechung zu der Version, die der Benutzer am zweckmäßigsten hält, wobei die präziseste Steuerung bzw. Regelung der Stromdichte erreicht wird, wenn der IEG-Strom gesteuert bzw. geregelt wird.
Der Erfinder hat erkannt, dass sich die Effizienz des Prozesses der elektrolytischen Raffination oder der elektrolytischen Gewinnung durch Individualzellregelung verbessern lässt. Im konventionellen Prozess, in dem nicht jeder Zellstrom individuell geregelt wird, besteht ein Grund für das Muss einer großer Plattentrennung darin, die Stromdichte weitgehend unbeeinträchtigt von Fehlern bei der Plattentrennung oder von Problemen mit der Plattenflachheit zu halten. Falls der Strom in jeder Zelle individuell geregelt wird, kann die Stromdichte unempfindlich gegenüber Plattentrennung und Plattendistorsion gemacht werden, weshalb sich die Platten näher beieinander platzieren lassen. Dies wiederum verringert die Zellspannung und somit die von der Zelle für die Produktion einer gegebenen Menge Metall verbrauchte Energie.
Zusätzlich zeigt sich die Effizienz jeder Zelle (hinsichtlich produzierten Metalls/Energieverbrauch in kWStd) empfindlich gegenüber der Stromdichte in der Zelle. Daher ermöglicht die Fähigkeit, die Stromdichte auf dem gewünschten Wert zu halten, der Zelle das Arbeiten mit optimaler Effizienz. Ferner kann die für optimale Effizienz benötigte Stromdichte während des Raffinations- oder Gewinnungsprozesses variieren. Die Erfindung lässt die dynamische Änderung der Zielstromdichte in Übereinstimmung mit den Zellbedingungen zu, die sich anhand der Zellspannung oder sonstiger gemessener Parameter (z. B. Elektrolytstärke oder -temperatur) erkennen lassen.
Demzufolge ist ein Stromumwandlungssystem (das auch als Netzteil angesehen werden kann) für Zellen zur elektrolytischen Raffination oder elektrolytischen Gewinnung vorgesehen, in dem Energie aus einem Anschluss mit verhältnismäßig hoher Spannung (AC oder DC) genommen und am Ort der Zelle zu Niederspannungs-DC umgewandelt wird, um eine einzelne Zelle zu versorgen, so dass in einer Anlage aus vielen Zellen jede Zelle ihren eigenen Stromkonverter hat. Der Stromkonverter befindet sich angrenzend an die Zelle oder bildet einen Teil von ihr und wird als Stromquelle betrieben, wodurch die Regelung der Stromdichte für jede Zelle gewährleistet ist. Die Stromdichte lässt sich in Übereinstimmung mit dem Zustand der Zelle lokal modifizieren, oder der Zellzustand kann einem zentralen Kontrollsystem gemeldet werden, das den optimalen Strom für jene Zelle berechnet und den Stromkonverter anweist, den gewünschten Strom zu liefern. Als Alternative dazu kann der Stromkonverter eine Kathodenelektrode mit Strom speisen, wobei die Anoden auf jeder Seite der Kathode miteinander und mit dem Konverter verbunden sind. Jedoch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass in dieser Anordnung keine Kontrolle darüber besteht, wie sich der Kathodenstrom in den beiden individuellen Zellen (eine auf jeder Seite der Kathode) verteilt, aber diese Anordnung ist besser für die Nachrüstung bestehender ER- und EW-Wannen geeignet.
Beim Abernten von Wannen ist es nach Stand der Technik notwendig, diese aus der Wannenreihenschaltung zu entfernen. Dies involviert die Bereitstellung teurer Schütze, die die Wanne aus der Schaltung nehmen und eine Bypassverbindung zur Verfügung stellen, durch die der Strom weiterhin fließen kann. Ein Nutzen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass es dort, wo jede Kathode oder jeder IEG durch ein separates Netzteil mit Energie versorgt wird, es lediglich erforderlich ist, diese Netzteile abzuschalten, um zu ermöglichen, dass das Abernten oder Warten der Zellen vorangeht.
5 zeigt, wie sich die Elektroden versorgen lassen, wenn die Elektrodenzwischenräume (IEGs) durch Stromkonverter 9 angesteuert werden. Die sich abwechselnden Kathodenplatten 1 und Anodenplatten 2 sind mit A C A C A gekennzeichnet und von ihrem Ende aus dargestellt (d. h. in einem vertikalen Plattensystem von oben). Die Stromkonverter 9 sind durch Kreise veranschaulicht. Die Platten (und daher die Elektrodenzwischenräume 3) können von beiden Rändern (Ecken) aus versorgt werden unter Verwendung aller abgebildeten Konverter (9A bis 9H einschließlich). Alternativ dazu lassen sich die Platten von einem Rand (einer Ecke) aus versorgen, indem lediglich Konverter 9A bis 9D einschließlich eingesetzt werden. Als weitere Alternative dazu besteht die Möglichkeit, die Platten von beiden Rändern (Ecken) aus zu versorgen, wobei jedoch die Stromkonverter nur auf sich abwechselnde Elektrodenzwischenräume wirken (aktiv sind Stromrichter 9A, 9C, 9F und 9H). Erwägungen z. B. hinsichtlich des Verringerns der Konverterzahl, der optimalen Konverterenergie und des Erhalts gleichmäßiger Stromverteilung legen fest, welche Konverterverteilung genutzt wird.
In einer alternativen Ausführungsform können die Elektroden 1, 2 (statt der Elektrodenzwischenräume) angesteuert werden, wie aus 6 ersichtlich. Diese Konfiguration ist vor allem (aber nicht ausschließlich) anwendbar, wenn der Konverter ein Abwärtsregler ist, der zwischen dem herkömmlichen Sammelschienen-Verteilungssystem und der Platte eingefügt ist, und die Konfiguration davon wird nachstehend detaillierter erläutert. Die sich abwechselnden Anodenplatten 2 und Kathodenplatten 1 sind mit A C A C A gekennzeichnet. Die Stromkonverter 9 sind durch Kreise veranschaulicht. Der eine Anschluss der Konverter 9A bis 9J ist mit einer Platte verbunden und der andere mit einem gemeinsamen Bus 10, dem die Spannung 0 V zugeordnet worden ist. Versorgt werden können die Platten von einer Seite aus mittels der Konverter 9A bis 9E einschließlich oder von beiden Seiten aus bei Einsatz der Konverter 9A bis 9J einschließlich. Bezeichnenderweise würden alle Konverter eine ähnliche IEG-Spannung hervorbringen, so dass zum Beispiel im Fall einer Zellspannung von 0,4 V die an Anoden angebrachten Konverter die halbe Zellspannung (+0,2 V) und die die Kathoden versorgenden Konverter ebenfalls die halbe Zellspannung (–0,2 V) liefern würden. Durch den gemeinsamen 0 V-Bus würde etwas Strom fließen, aber dies wäre hauptsächlich örtlich zirkulierender Strom, so dass seine Größe den Zellstrom oder höchstens das Doppelte des Zellstroms nicht überschreiten sollte. Als Alternative dazu lassen sich die Konverter zwecks Verringerung der Konverterzahl in verschachtelter Weise einsetzen. Beispielsweise könnten lediglich Konverter 9A, 9C, 9E, 9G und 9I benutzt werden. Ferner besteht die Möglichkeit, einige Platten nicht direkt mit einem Konverter zu versorgen. Die Kathodenplatten könnten beispielsweise direkt an die 0 V-Sammelschienen angeschlossen werden. Die Konverter 9A, 9C, 9E, 9F, 9H und 9J würden die Anodenplatten mit Strom bei voller Zellspannung (von 0,4 V im obigen Beispiel) versorgen. Erneut ließe sich die Anzahl benutzter Konverter senken, und zwar durch Betrieb von lediglich Konvertern 9A, 9C, 9E oder lediglich Konvertern 9A, 9H, 9E.
Als Alternative dazu könnten die Anoden alle an einen gemeinsamen Bus angeschlossen werden. Dann würden die Konverter 9B, 9D, 9G und 9I die Kathoden versorgen (im Beispiel mit –0,4 V). Die Anzahl der Konverter ließe sich halbieren durch Verwendung von lediglich Konvertern 9B und 9D oder lediglich Konvertern 9G und 9I. Alternativ dazu könnten die Konverter zwischen verschiedenen Seiten der Wanne versetzt angeordnet werden. Es wird der Tatsache Rechnung getragen, dass in Fällen, in denen wie in diesem Beispiel sämtliche Anoden eine gemeinsame Leitung haben und nur die Kathoden angesteuert werden, der Strom in den Zellen, die sich durch ein Paar Elektroden und einen zugehörigen Elektrodenzwischenraum definieren, nicht individuell geregelt wird.
Die hierin erläuterten Konverterschaltungen stellen wahrscheinliche Anwärter für den zu verwendenden Schaltungstyp dar. Selbstverständlich gibt es eine Vielfalt von Methoden zum Umwandeln von DC in DC oder von AC in DC, die sich in den beschriebenen Systemen anwenden lassen. Bei den hierin angeführten Beispielen handelt es sich um Double-ended-Konverter, aber auch Single-ended-Konverter können eingesetzt werden. Wenn sehr hohe Schaltfrequenzen in den Konvertern benutzt werden, um die Stromdichte der Konverter zu erhöhen, kann es sich als zweckmäßig erweisen, Resonanz- oder Quasiresonanzkreise zu gebrauchen. Der in den Schaltungen hierin veranschaulichte Gleichrichtungsprozess nutzt Synchrongleichrichtung. Falls es sich jedoch beim verursachten Leistungsverlust nicht um einen erheblichen Gesichtspunkt handelt, könnten einfache Diodengleichrichter (Schottky oder PN) verwendet werden.
Vorteilhafterweise nutzt der Stromumwandlungsprozess eine Hochfrequenz-Schalt-Technologie, die einen Konverter zur Verfügung stellt, der klein, leichtgewichtig, effizient und in hohem Maße regelbar sein kann.
7 zeigt, wie sich die Konverter aus 6 in die konventionell verwendeten Plattenkonfigurationen eingliedern lassen. 7a veranschaulicht in einem herkömmlichen System, wie Elektrodenvorsprünge, hierin als Fahnen 11 beschrieben, auf Sammelschienen 12 ruhen, um eine Verbindung zwischen den Elektrodenplatten und den Sammelschienen herzustellen. Wie aus 7b ersichtlich, kann eine Konverter- oder Reglerschaltung 9 zwischen der Fahne 11 und der Sammelschiene 12 eingefügt werden, um den Stromfluss zwischen der Fahne 11 und der Sammelschiene 12 zu regulieren.
Als Alternative dazu kann, wie aus 7c hervorgeht, eine mit Strom versorgte Einheit 13 (d. h. eine Einheit, die gegebenenfalls eine weitere Stromversorgung erhält) zwischen der Fahne 11 und der Sammelschiene 12 eingefügt werden. Diese Einheit kann die Spannung, die für die mit der Fahne 11 verbundene Elektrode verfügbar ist, erhöhen, indem sie die Spannung der Sammelschienen 12 verstärkt (die Spannung der Sammelschiene 12 senkt, falls es eine negative Sammelschiene ist). Verbindungen werden via Kontaktplatten 15a und 15b hergestellt, die voneinander durch eine Isolationsschicht 16 getrennt sind. Typischerweise bildet die Fahne 11 einen Teil einer Hängerschiene, die eine Elektrodenplatte trägt, wenn es sich bei der Elektrode um eine Kathode handelt.
8 zeigt, wie sich die Konverternetzteilschaltung 9 implementieren lässt. Wegen des hohen Spannungsverhältnisses, das bezeichnenderweise zwischen der Konvertereingangsspannung und der Konverterausgangsspannung besteht, wird ein Transformator 20 eingesetzt. Die Verwendung eines Transformators ermöglicht Leistungshalbleiterschaltern, mit einem Tastverhältnis zu arbeiten, das dem Strom in diesen Schaltern einen guten Formfaktor verleiht, wodurch Leistungsverlust minimiert wird. Die Primärseite des Transformators 20 besteht in einem Vollbrückenwechselrichter, aber selbstverständlich kann auch ein Halbbrückenwechselrichter eingesetzt werden. Der Transformator arbeitet mit einer hohen Frequenz zwecks Verringerung der Größe und der Kosten des Transformators und beliebiger anderer passiver Komponenten (z. B. der Kondensatoren), die verwendet werden. Diese hohe Frequenz kann 20 kHz oder mehr betragen. Obgleich die in der Primärseite dargestellten Schalteinrichtungen 21 (Q5 bis Q8) Leistungs-MOSFETs sind, lassen sich hier selbstverständlich auch andere Halbleiterschalter wie IGBTs oder BJTs verwenden. Ein Kondensator 22 ist vorgesehen, um Hochfrequenzschaltströme zirkulieren zu lassen. Der Ausgangsstrom aus der Sekundärwicklung wird in einem Vollbrücken-, Vollwegleichrichter gleichgerichtet, damit sich DC zur Verwendung in der Zelle ergibt. Die Body-Drain-Dioden der Leistungs-MOSFETs 23 (Q1 bis Q4) könnten benutzt werden, um den AC-Ausgangsstrom der Sekundärwicklung des Transformators gleichzurichten, so dass das Ende A der Zelle 24 positiv in Bezug auf das Ende B wird. Allerdings würde sich aus dem Durchlassspannungsabfall über diesen Dioden ein signifikanter Leistungsverlust in den MOSFETs ergeben. Deshalb werden die MOSFETs vorteilhafterweise als Synchrongleichrichter betrieben. Ihre Kanäle werden angeschaltet, wenn die Body-Drain-Dioden leitend sein sollen (d. h. die MOSFETs werden synchron mit den Schalteinrichtungen in der Primärseite des Konverters betrieben). Der Rds(on) jedes MOSFETs kann effektiv so klein wie notwendig gemacht werden, entweder durch Auswählen eines MOSFETs mit den passenden Nennwerten oder durch paralleles Schalten von MOSFETs in effizienter Weise, um einen MOSFET-Schalter zu bilden. Dadurch lässt sich der Leistungsverlust in den MOSFETs 23 auf einem akzeptablen Niveau halten. Falls beispielsweise der Konverter 300 A bei 0,4 V DC ausgibt, würden MOSFET-Schalter mit einem Rds(on) von 0,1 mOhm einen Spannungsabfall von 30 mV über ihnen schaffen. Mit zwei MOSFET-Schaltern im Strompfad würde der Gesamtspannungsabfall 60 mV oder 15% der Ausgangsspannung betragen. N-Kanal-MOSFETs wird im Allgemeinen der Vorzug gegeben, weil der Preis für einen gegebenen Rds(on) meist geringer ist, aber natürlich lassen sich n- und p-Kanal-MOSFETs in jeder beliebigen Kombination verwenden, falls erforderlich.
Wird eine Anzahl von MOSFETs parallel geschaltet, um eine Einrichtung mit einem niedrigeren Rds(on) zu schaffen, als ihn ein einzelnes MOSFET besitzt, ist es bei den sehr geringen Stärken von Rds(on), die in einem einzelnen Silicium-Die zur Verfügung stehen, von Vorteil, diese Dies nicht als individuell gehäuste Einrichtungen, sondern als nackte Dies zu konfigurieren, die in einem einzigen Gehäuse intern parallel geschaltet werden. Beispielsweise kann sich der Rds(on) eines 0,8-mOhm-MOSFET bei individuellem Gehäuse aus 0,3 mOhm Siliciumwiderstand und 0,5 mOhm Gehäusewiderstand zusammensetzen. In einem solchen Fall ist es klar von Vorteil, die Silicium-Dies innerhalb eines einzigen Gehäuses parallel zu schalten, da sich die Verbindungen der Dies untereinander mit weniger Widerstand herstellen lassen, als wenn die Drain- und Source-Verbindungen aus dem Gehäuse einer Single-Die-Einrichtung herausgenommen und in das Gehäuse einer anderen Single-Die-Einrichtung eingebracht werden müssen.
Wenn die Ausgangsspannung aus der Sekundärwicklung des Transformators unter einem Peak von 0,7 V liegt, kann jeder der MOSFET-Schalter 23 als bilateraler Schalter angesehen werden (was bedeutet, dass er in der Lage ist, in beide Richtungen zu sperren, und in der Lage, in beide Richtungen zu leiten). Daher kann die Sekundärbrücke so geschaltet werden, dass sie einen positiven Ausgangswert an B in Bezug auf A bei beiden Halbzyklen der Transformatorsekundärspannungs-Wellenform hervorbringt (d. h. die Zellspannung und der Stromfluss werden umgekehrt). Es hat sich gezeigt, dass eine zeitweilige Umkehr der Zellpolarität unter gewissen Umständen eine günstige Wirkung besitzt (z. B. Wiederherstellung der Zelleffizienz oder Verringerung der Metallspitzen auf den Platten). Unter diesen Umständen lassen sich die MOSFETs selbstverständlich in jedem beliebigen Teil der Brücke auf die eine wie die andere Art anschließen, zwecks Regelung nach Belieben. Falls eine Umkehr bei höheren Spannungen (über etwa 0,7 V) erforderlich ist, können die Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 durch ein Paar antiserieller MOSFETs ersetzt werden.
(Nicht dargestellte) Kapazität kann über der Zelle 24 hinzugefügt werden, um die Spannungswellenform an der Zelle zu glätten. Falls erhebliche Induktivität in der Zelle vorhanden ist und die damit verbundene Verdrahtung, lässt sich durch Anschalten eines Paars Transistoren (beispielsweise Q1 und Q2) ein Zirkulationsstrompfad anlegen, um zirkulierende Ströme zu kontrollieren.
Die Stromtransformatoren CT1 und CT2 können sich auf jeweils der Primär- und der Sekundärseite befinden, um ein Signal abzuleiten, das sich auf den DC-Ausgangsstrom aus der Gleichrichterbrücke bezieht. CT1 misst einen Strom, der den primären Magnetisierungsstrom und den reflektierten sekundären Laststrom enthält. Diese Messung kann ausreichend genau ausfallen zum Zwecke der Regelung des DC-Ausgangsstroms des Konverters. Natürlich kann der DC-Ausgangsstrom unmittelbar am Ausgang mithilfe irgendeiner Form von DC-Stromtransducer gemessen werden (z. B. Hall-Effekt).
Der eingesetzte Transformator besitzt vorzugsweise eine niedrige Leckinduktivität, da von der Sekundärwicklung große Stromwerte geliefert werden. Ein planer Transformator mit verschachtelter Primär- und Sekundärwicklung kann die erforderliche niedrige Leckinduktivität bieten sowie ein zweckgemäß geringes Profil aufweisen und sich für Leitungskühlung eignen. Setzen sich die Synchrongleichrichter-MOSFET-Schalter aus einer Anzahl paralleler MOSFETs zusammen, besteht die Option, eine Anzahl von Sekundärwicklungen zu benutzen, nämlich eine pro MOSFET, so dass die gleichgerichteten Ströme erst nach jedem der Synchrongleichrichter-MOSFETs kombiniert werden. Auch Transformatoren mit torusförmigem Kern sind dafür bekannt, dass sie eine niedrige Leckinduktivität bieten.
Gegebenenfalls ist die Stromumwandlungsschaltung zweckdienlich so konfiguriert, dass sie umkehrbar gemacht werden kann. Dies bedeutet, dass sich die Spannung und der Stromfluss umkehren lassen. Es wurde herausgefunden, dass sich ein Zeitraum umgekehrten Stromflusses in einigen Verfahren günstig auf die Förderung höherer Effizienz auswirkt, wenn der Vorwärtsstromfluss wiederhergestellt wird. Der Gebrauch eines in den Zellen angesiedelten Konverters für jede Zelle ermöglicht die Nutzung dieser Technik in vorteilhaftester Weise.
Ausgangsstrom und Ausgangsspannung werden durch die Anwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) in wohlbekannter Weise geregelt. Diese PWM-Regelung lässt sich an der Primärseite oder an der Sekundärseite oder auch auf beiden Seiten anwenden. Neben PWM stehen weitere Formen der Regelung zur Verfügung, die jedoch alle davon abhängen, dass die MOSFETs in einer Weise an- und abgeschaltet werden, die das gewünschte Ergebnis hervorbringt. PWM wird hierbei im Telegrammstil verwendet für „geregelt in einer jener Weisen, die bei Schaltkonvertern typischerweise angewandt werden”.
9 zeigt eine Konverterschaltung, in der ein Transformator 30 mit einer Sekundärwicklung 31 mit Mittelabgriff verwendet wird. CT1 und CT2 bezeichnen geeignete Stellen für die Stromtransformatoren, damit das DC-Stromausgangsfeedbacksignal erhalten wird. Sekundärseitentransistoren Q1 und Q2 werden wie zuvor als Synchrongleichrichter betrieben. Die Fähigkeit, Umkehrstromfluss in der Zelle bereitzustellen, beschränkt sich auf Ausgangsspannungen von ungefähr 0,3 V. Falls die Umkehrbarkeit bei einer höheren Spannung benötigt, können Q1 und Q2 durch ein Paar antiserieller MOSFETs ersetzt werden, die dann zur Funktion als bilaterale Schalter veranlasst werden.
Die Stromkonverter sind in Übereinstimmung mit der Größe der Platten ausgelegt, die angesteuert werden. Die Zellen können größer oder kleiner gestaltet werden als üblich, um die hierin beschriebene Technik auszunutzen. Die Trennungsdistanzen zwischen den Elektroden müssen nicht den konventionell verwendeten Werten entsprechen. Tatsächlich besteht einer der Vorzüge der vorliegenden Erfindung darin, dass sich die Plattentrennung verringern lässt aufgrund präziserer und schnellerer Regelung des Stroms in der Zelle sowie der Möglichkeit, die Zellstromdichte so abzustimmen, dass sie zu den vorherrschenden Bedingungen passt. Eine geringere Plattentrennung führt zu einer Verringerung des Zellwiderstands und ergibt einen geringeren Energieverlust in der Zelle. Optionen bei der Plattenkonfiguration, einschließlich Variationen bei der Plattentrennung, sind nachstehend detaillierter erläutert.
Wo es von Vorteil ist, dies zu tun, können die Stromkonverter kontinuierlich oder vorübergehend auf Grundlage irgendeines anderen Regelungsprinzips (z. B. als Spannungsquelle) betrieben werden.
Gegebenenfalls können die Stromkonverter und ihre Regelungssysteme so gebaut werden, dass sie (im Elektrolyten) versenkbar sind. Der Kontakt mit den Platten kann am unteren Teil der Platten erfolgen, wenn Schwerkraft und Gewicht der Platten einen elektrischen Kontakt zwischen den Platten und Kontaktstreifen (wohl aus einem korrosionsbeständigen, verschleißfreien Material) auf dem Boden der Wanne herstellen können.
Im einfachsten der Regelungs-(Optimierungs-)Systeme kann der Konverter so eingestellt werden, dass er einen Strom mit einem festen Wert produziert. Die Größe des an die Zelle gelieferten Stroms kann, falls erforderlich, durch ein Gleichstromsensorverfahren direkt wahrgenommen werden, da jedoch der Stromumwandlungsvorgang nahe bei und für eine einzelne Zelle stattfindet, kann das Stromsignal zweckgemäß innerhalb des Stromumwandlungsvorgangs wahrgenommen werden (beispielsweise durch Anwendung eines Wechselstromtransformators an irgendeinem günstigen Punkt in der Schaltstromumwandlungsschaltung, wie zuvor mit Blick auf 8 und 9 beschrieben.
Was ein anspruchsvolleres Regelungssystem anbelangt, ist dieses fähig, die Stromdichte dem Zustand der Zelle anzupassen. Der Zustand der Zelle lässt sich unter Verwendung einer Anzahl von Variablen – beispielsweise der Zellspannung – messen. Weitere Parameter können überwacht werden, etwa Elektrolyttemperatur, Elektrolytkonzentration und optische Hinweise auf Spikewachstum. Ferner lassen sich sonstige Charakteristiken zur Überwachung des Zellzustands nutzen. Beispielsweise kann der Zellstrom kurz abgeschaltet und seine Wiederherstellung, bei Anlegen einer bestimmten Spannung oder eines bestimmten Stroms, beobachtet werden.
In einer herkömmlichen ER- oder EW-Anlage ist eine weite Streuung der Stromdichte auf den Kathodenseiten zu erwarten. Die vorliegende Erfindung kann die Fähigkeit besitzen, den Strom in den IEGs (oder gegebenenfalls den Gesamtstrom für eine Kathode) auf einer Genauigkeit zu halten, die lediglich von der Genauigkeit des bzw. der zur Strommessung eingesetzten Stromsensors/-en abhängt. Mit Gleich- oder Wechselstromsensoren ist eine Genauigkeit von 0,1% erzielbar. Preislich günstigere Stromsensoren können eine Genauigkeit von 1% erreichen. Daher fällt die Standardabweichung bei den Stromdichten zwischen den vielen Zellen in einem ER- oder EW-System bei weitem geringer aus als jene, die durch die gegenwärtige Praxis erhalten wird, und dies führt zu weniger Kurzschlüssen und zu Kupfer von höherer Qualität.
Im Allgemeinen bestehen zwei Arten der Strommessung-DC und AC. Beide sind bei der Erfindung einsetzbar.
Wie vorstehend dargelegt, lässt sich Wechselstrommessung durch Anwendung eines Stromtransformators in ziemlich wirtschaftlicher Weise vornehmen. Die Anoden, Kathoden und IEGs in der Erfindung werden mit DC gespeist. Wenn jedoch diese Gleichströme mittels Schalttechnologie erzeugt oder reguliert werden, stehen Wechselstromsignale zur Verfügung, die sich mittels preisgünstiger AC-Transducer auf Grundlage des wohlbekannten AC-Transformatorverfahrens messen lassen. Wo mehrere Strompfade im Konverter oder Regler bestehen, kann es ausreichen, den Absolutwert des Beitrags einer dieser Pfade präzise zu messen. Die Strommessanordnung in den anderen Pfaden ist nur erforderlich zur Sicherstellung, dass der Strom in sämtlichen Pfaden gleich ist, nicht aber zur Vornahme einer Absolutmessung. Die Gesamtstromgröße lässt sich durch Multiplizieren des einen Absolutmessergebnisses mit der Anzahl der Pfade erhalten.
Andere Techniken der Strommessung sind möglich.
Das grundlegendste Verfahren zur Erzielung einer Gleichstrommessung wird dadurch erhalten, dass ein Widerstand mit bekanntem Wert in den Strompfad eingefügt wird. Wenn allerdings die Spannung des Netzteils (wie in diesem Fall) gering ist und der Strom (wie in diesem Fall) groß, wird ein Widerstand mit sehr kleinem Widerstand benötigt. Solche Widerstände sind tendenziell schwer herzustellen und teuer im Erwerb. Darüber hinaus ist der Wert des Widerstands temperaturabhängig, was Messungenauigkeiten zur Folge haben kann, falls der Strom, der durch den Messwiderstand fließt, diesen erheblich erhitzt.
Ferner ist Gleichstrommessung durch Anwendung eines magnetischen Kreises möglich, der den Leiter umgibt. In einen Schlitz im magnetischen Pfad wird ein Hall-Effekt-Sensor eingefügt. Dann wird der Strom gemessen, indem der Fluss im magnetischen Kreis entweder mittels eines Open-Loop-Verfahrens oder mittels des Nullfluss-Verfahrens ermittelt wird. Zwar ist diese Anordnung praktisch, aber sie kann sperrig und teuer sein.
12 veranschaulicht schematisch ein Regelungssystem. Der Zellstromkonverter 50 wird aus einem 48 V-DC-Anschluss 48 versorgt und liefert einer Zelle 49 für elektrolytische Raffination oder elektrolytische Gewinnung einen stromgeregelten Ausgangswert. Der erforderliche Strompegel wird durch Anwendung eines geeigneten Schalttastverhältnisses im Konverter 50 erzielt, der von einem PWM-Tastverhältnissignal 51 angesteuert wird. Dieses Signal wird in einem Stromregelkreis 52 abgeleitet, indem ein Strombedarfssignal 53 mit einem Strommesssignal 54 verglichen wird, das einen gemessenen Strom darstellt. Das Strommesssignal 54 wird aus Stromdetektoren im Konverter 52 oder an dessen Ausgang abgeleitet. Das Strombedarfssignal 53 kann voreingestellt sein, oder es kann aus einem Zellcontroller 55 abgeleitet werden, der die Zellspannung 56 misst und möglicherweise Informationen aus sonstigen relevanten Quellen 57 (z. B. Sensoren in der Zelle und in der Nähe) ableitet, um den Strombedarf an sich ändernde Bedingungen anzupassen. Weiterhin kann der Zellcontroller eine Zwei-Wege-Kommunikation 58 mit einer zentralen Regelungsvorrichtung führen zu den Zwecken, eine Historie der Crop-Einheiten herunter zuladen oder den Zellzustand und Betriebsparameter jederzeit zu melden sowie revidierte Anweisungen darüber zu erhalten, wie die Zelle arbeiten sollte. Das simultane Verwenden eines Stromkonverters für jede Zelle verschafft eine Strommesseinrichtung für die jeweilige Zelle. Wie zuvor erwähnt, können Variablen wie die Zellspannung auch als Teil des Regelungsprozesses gemessen werden und stehen demzufolge zwecks Analyse und Bericht über den Zellzustand zur Verfügung. Der Zellzustand kann durch den Konverter gemessen werden, der an Ort und Stelle oder von fern die Anweisung zum Durchführen einer Aufgabe erhält (z. B. Stufenveränderung des Stroms oder Addieren einer AC-Komponente zum DC-Ausgangsstrom des Konverters), um die Beobachtung des Zellzustands zu ermöglichen. Die Zellleistung lässt sich dadurch erhöhen, dass die Zelle (an Ort und Stelle oder von ferne) angewiesen wird, leistungssteigernde Manöver wie eine kurze Stromumkehr vorzunehmen.
Ist in die Konverter die Fähigkeit zur Änderung der Stromrichtung eingegliedert, kann ein Stromumkehrungsintervall Signale hervorbringen, die einen guten Hinweis auf den Zellzustand geben. Eine derartige Messung kann gleichzeitig auf zwei Zellen anzuwenden sein, die zu einer einzigen Kathode gehören.
Ein visuelles oder akustisches Warnsystem kann in mehrere oder jeden Konverter und deren bzw. dessen Regelungssystem(e) eingegliedert sein, um vor Problemen zu warnen. Eine Anzeige auf einem Konverter kann einen vorbeikommenden Bediener über den zugehörigen Zellzustand oder die zugehörige Zellleistung in Kenntnis setzen.
Das Regelungssystem ermöglicht, dass Informationen über jede Platte aus Strom- und Spannungsmessungen (und andere Variablen im Falle einer Messung) erhalten werden, so dass Daten über Plattenqualität, -größe, -flachheit und -ausrichtung zwecks Analyse an ein zentrales Kontrollsystem zurückgesendet werden können. Diese Informationen lassen sich in einem Qualitätskontroll- und -verbesserungssystem nutzen, wodurch die Effizienz der gesamten Verarbeitungsanlage gesteigert wird. Daher besteht ein Vorzug der Erfindung in der Fähigkeit, Informationen über individuelle Zellen und Elektroden durch Überwachung elektrischer Größen an den einzelnen Konvertern zu gewinnen.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Spannung, mit der die Zellen versorgt werden, nicht durch einen Kompromiss zwischen Sicherheit und Effizienz festgelegt wird. Die herkömmliche Methode zum Betrieb von Wannen in Reihe kann die eingesetzte Gleichspannung und daher die Effizienz des Gleichrichtungsprozesses erhöhen, jedoch steigt gleichzeitig die Gefahr eines Elektroschocks und gefährlicher Fehlzustände. Mit geregelter lokaler Umwandlung kann die Stromzuführung zu den Konvertern mit irgendeiner geeigneten Spannung erfolgen, da diese Energie durch isolierte Kabel zugeführt wird. Allerdings erwarten wir nach Betrachtung der 4 und 5, dass keine Elektrode mehr als eine Zellspannung über dem Massepotential liegt. Dies minimiert auch Leckstrom gegen Masse durch verschütteten Elektrolyten. Wo sich beispielsweise viele Zellen in einer Wanne befinden, kann eine Elektrode (beispielsweise eine Anode) an Masse gelegt werden, so dass alle anderen Kathoden und Anoden innerhalb von ein paar Volt des Massepotentials bleiben.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, aus einem Kurzschluss zwischen Platten resultierenden Fehlerstrom zu kontrollieren und das Auftreten eines Kurzschlusses rasch zu erfassen. Die Veränderung der V/I-Charakteristiken der Zellen lässt sich nutzen, um das Wachstum eines Metallspikes zu erkennen, bevor er einen vollständigen Kurzschluss entstehen lässt, und ermöglicht ein Melden des Potentialfehlers und ein Ergreifen von Abhilfsmaßnahmen, bevor sich ein vollständiger Kurzschluss ergibt.
16 veranschaulicht eine Konfiguration, die zu jener aus 7b identisch ist, wobei jedoch der Vollständigkeit halber beide Seiten der Elektroden dargestellt sind. Die Elektrodenfahnen oder Hängerschienenenden 11 ruhen auf einem Regler oder Konverter 9 und einer Sammelschiene 12. Der Konverter 9 regelt den Stromfluss zwischen den Fahnen 11 und den Sammelschienen 12.
Gegebenenfalls können mehrere Netzteile eingesetzt werden, um entweder Kathoden oder IEGs anzutreiben, wie aus 16 hervorgeht. Unter solchen Bedingungen kann es wünschenswert sein, jedem Netzteil mehr Strom oder Energiekapazität zuzuteilen, als es bei normalem Betrieb benötigen würde. Daher können, sollte einer der Konverter ausfallen, die anderen Konverter die Last aufnehmen, wodurch sie einer Kathode oder Kathodenseite ermöglichen, deren volle Quote an Metall in der zugeteilten Zeit zu ernten ungeachtet des Versagens eines Netzteils.
In einem Fall, in dem mehr als ein Stromkonverter pro Elektrode verwendet wird, kann die Mehrzahl von Konvertern, die zu jeder Zelle gehört, der Kontrolle eines gemeinsamen Regelungssystems unterliegen, und jedem wird ein entsprechender Anteil des von der Zelle benötigten Stroms zugeführt. Falls die Platte im Zusammenspiel mit Elektroden auf jeder Seite derselben arbeitet (d. h. die Zellen werden auf jeder ihrer Seiten angesteuert, wie in 5 dargestellt), besteht die Möglichkeit, dass an jeder Fahne, wie etwa 16 zeigt, zwei Konverter angebracht sind, was insgesamt vier pro Platte ergibt (zwei pro Zelle, wobei eine Zelle hierbei verwendet wird, um den Raum zwischen einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte zu beschreiben). Deshalb könnten sich in einer einzigen Wanne, die eine Anzahl verschachtelter Anoden- und Kathodenplatten enthält, Konverter zwischen jedem der Kathoden/Anoden-Fahnen-Paare auf jeder Seite der Wanne befinden, so dass zweimal so viele Konverter im Einsatz wären, wie Platten vorhanden (Anoden- und Kathodenzahlen zusammengenommen). Die Stromdichte zwischen einer Seite einer Anodenplatte und jener Seite der Kathode, die ihr zugewandt ist, würde das Hauptziel des zu einem Paar Konverter gehörenden Regelungssystems bleiben. Die Konverter, die mit denselben Platten, jedoch auf entgegengesetzten Seiten der Wanne, verbunden sind, müssten in Kommunikation stehen, wenn sie sich die Stromlast für den Anoden/Kathoden-Zwischenraum teilen sollen.
17 veranschaulicht eine Ausführungsform, in der eine Mehrzahl von Reglern 9 in die Fahnen 11 eingegliedert ist, aber elektrisch weiterhin die gleiche Rolle erfüllt wie jene in der Konfiguration aus 7(a–c) und 16.
Alternativ dazu können die beiden Regler zu einer einzigen Einheit kombiniert und zwischen die Schiene 66 mit Fahnen 11 und die Elektrodenplatte 67 bewegt werden, wie 18 zeigt.
Um eine bessere Stromverteilung in der Platte 67 zu erzielen, können mehrere Regler 65 zwischen der Hängerschiene 66 und der Platte angeordnet werden, wie in 19 veranschaulicht. 20 zeigt eine mechanisch robustere Version der in 19 abgebildeten Anordnung, wie nun mit Blick auf 21 beschrieben.
21 veranschaulicht die Hängerschiene 66 aus 20 von ihrem zur Platte 67 gewandten Ende statt von vorne. Wie dargestellt, lässt sich die Hängerschiene 66 in zwei Teile 66a und 66b aufteilen, damit sich ein mechanisches Gleichgewicht ergibt. Bevorzugt ist die Hängerschiene durch Isolatoren 68 elektrisch von der Platte 67 isoliert. Ein Verbindungsbolzen 69 ist vorzugsweise aus isolierendem Material oder in anderer Weise von entweder den Hängerschienen 66a und 66b oder der Platte 67 isoliert. Strom fließt (im Fall der Kathode) von der Platte durch die Regler 65 zur Hängerschiene.
Die Regler 65 lassen sich in einer alternativen Position platzieren. Beispielsweise befinden sich die Regler 65, wie in 22 abgebildet, über der Hängerschiene 66, wobei der elektrische Isolator 68 auch thermische Isolation verschafft und die Hängerschiene 66 Wärme aus den Reglern 65 in die Umgebungsluft abführt. Ein elektrischer Leiter 70 stellt eine elektrische Verbindung bereit, ohne viel Wärme in den Konverter 65 strömen zu lassen.
Der Hängerschienen- oder Fahnenwiderstand kann durchaus signifikant sein. Im herkömmlichen ER- oder EW-System ruhen die Hängerschienen oder Eletrodenfahnen auf Sammelschienen, die entlang den Rändern der Wannen verlaufen, und stellen Kontakt mit ihnen her. Der Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche hat einen Widerstand, der einen Spannungsabfall (typischerweise in der Größenordnung von 20 mV für Kupfer-ER) in den Elektrodenpfad einbringen kann. Der Gesamtspannungsabfall für beide Elektroden kann sich auf 40 mV belaufen. Der Erfinder hat erkannt, dass dies nicht nur für einen ernstzunehmenden Energieverlust verantwortlich ist, sondern auch eine weitere potentielle Quelle für ein Ungleichgewicht der Stromdichte zwischen den Seiten der Kathodenelektroden darstellt, weil die Anoden auf jeder Seite einer Kathodenplatte möglicherweise nicht auf dem gleichen Potential liegen, falls der Potentialabfall in ihren Kontakten nicht für jede Anode der gleiche ist.
10 zeigt einen Abwärtsregler, der sich als Alternative zu individuelle Zellen versorgenden individuellen Konvertern einsetzen lässt, wobei aber weiterhin das Prinzip des Einsatzes von Strommessung und Stromregelung zur Verbesserung der Zellleistung angewandt wird. Der Konverter umfasst Leistungs-MOSFET 32, Spule 33, Kondensator 34 und Diode 35. Vin und Vout liegen hinsichtlich ihrer Größe enger beieinander als die zuvor erläuterten Konverter. Tatsächlich kann die Eingangsspannung nur einen kleinen Prozentsatz über der Ausgangsspannung liegen, und das Tastverhältnis des Konverterschalters kann nahezu 100% betragen. Dennoch bietet die Schaltung Stromregelung und die Möglichkeit zur Strommessung mittels eines Wechselstromtransformators (mit Reset), falls gewünscht. Der Konverter kann zwischen den Sammelschienen und den Platten eines herkömmlichen Systems für elektrolytische Raffination oder elektrolytische Gewinnung eingefügt werden. Die Diode 35 kann durch einen Synchrongleichrichter (einen weiteren Leistungs-MOSFET) ersetzt werden, um die Effizienz des Reglers zu erhöhen. Auf die Spule 33 lässt sich (ebenso wie auf den Kondensator 34) verzichten, falls Ripple-Strom in den Zellen akzeptabel ist. Die Regelung wird auf den Regler in der zuvor bezüglich anderer Konverter erörterten Weise angewandt. Wo eine bestehende Anlage mit dieser Art von Konverter nachgerüstet wird, ist die Wahrscheinlichkeit gegeben, dass die DC-Busspannung (Eingang in den Konverter) geringfügig erhöht werden muss, damit sich etwas Freiraum ergibt, innerhalb dessen die PWM-Regelschaltung arbeiten kann. Ein Hilfskonverter oder Hilfsnetzteil kann erforderlich sein, um eine Stromversorgung mit adäquater Spannung für die Regelschaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen. Der Strom kann durch einen Wechselstromtransformator CT1 25 gemessen werden, solange das Tastverhältnis unter 100% liegt.
Die bei EW und ER verwendeten Stromstärken sind hoch in Bezug auf jene Größenordnung von Strom, die in vernünftigem Maße von einem Transistor getragen werden kann. Eine Lösung liegt darin, Konverter parallel arbeiten zu lassen. Diese Lösung ist in Fällen vernünftig, in denen sie angewandt wird, um die Lieferung von Strom auf verschiedene Stellen einer Elektrode auszuweiten. Jedoch besteht der Nachteil dieser Lösung darin, dass dort, wo ein einziger Stromlieferpunkt (oder Stromregulierungspunkt) in Betracht gezogen wird, das Parallelschalten von Konvertern unwirtschaftlich sein kann, weil mit jedem Konverter die Kosten für ein Gehäuse, Anschlüsse, ein emc Filter etc. verbunden sind.
Daher besteht die bevorzugte Lösung darin, innerhalb jedes Konverters eine Mehrphasengestaltung zu nutzen. Der Vorteil der Mehrphasenlösung ist, dass Spulengrößen ein vernünftiges Maß annehmen. Spulen, die eine zu große Stromstärke haben und gleichzeitig einen zu hohen Induktivitätswert aufweisen, sind nicht optimiert. Die Vorteile liegen in der Transformatorversion, in der sich Leckinduktivität zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung, die den Verlust von Ausgangsspannung verursachen kann, durch die Mehrphasenmethode verbessern lässt.
11 zeigt einen Konverter, der ausgehend von einem AC-Anschluss 36 mit einer Leistungsfaktorkorrektur-(PFC: Power-Factor Correction)-Schaltung am vorderen Ende gemäß einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet. Die AC/DC-Umwandlung auf der Primärseite könnte mithilfe eines einfachen Gleichrichters und Brückengleichrichters erfolgen, aber bei großen Lasten ist an einem gewissen Punkt gewöhnlich Leistungsfaktorkorrektur erforderlich. Falls Energie an die Konverter mit beispielsweise 48 V DC verteilt wird, kann die 48 V-DC-Versorgung mit Leistungsfaktorkorrektur an geeigneten Punkten im gesamten Wannengebäude erzeugt werden. 11 veranschaulicht eine PFC-Schaltung, die ein Fachmann auf dem Gebiet der Leistungselektronik sofort erkennt. Die AC-Eingangsspannung ist Vollweg-gleichgerichtet, wobei ein Vollweggleichrichter Dioden (D1 bis D4) umfasst, um eine Vollweggleichgerichtete Spannungswellenform herzustellen. Ein Kondensator 38 ist ein kleiner Bypasskondensator für Hochfrequenzschaltstromkomponenten. Eine Ausgabe des Gleichrichters wird einer Spule 40, einer Diode 41 und einem Ladekondensator 42 bereitgestellt. Ein Halbleiterschalter 39 wird in einer solchen Weise betrieben, dass der Strom durch die Spule (abgesehen vom Hochfrequenz-Ripple) die gleiche Wellenform aufweist wie die Vollweggleichgerichtete Spannungswellenform. Nach Steuerung durch die Dioden in der Vollweggleichrichterbrücke 37 tritt diese Stromwellenform als AC-Wellenform in Phase mit der AC-Spannungswellenform hervor. Typischerweise ist ein Regelkreis vorhanden, der die Durchschnittsspannung über dem Ladekondensator 42 auf dem gewünschten Wert hält. Die DC-Ausgabe wird dann als Eingabe für die individuellen Zellkonverter verwendet, die an anderer Stelle erläutert sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass der Zellengleichstromumrichter bei vollem Duty-Cycle betrieben wird (im Fall von Transformator-basierten Konvertern geschieht dies bei maximalem Spannungsübertragungsverhältnis) und dass der Stromregelkreis nicht nach dem Duty-Cycle des Zellkonverters arbeitet, sondern nach der PFC-Schaltung, so dass der PFC-Konverter das richtige Maß an Energie aus dem AC-Anschluss zieht, damit sich der gewünschte Strom in der Zelle ergibt. Der Vorteil davon ist eine Vereinfachung der Regelungsschaltungsanordnung insgesamt. Regelkreise werden nicht in unnötiger Weise dupliziert, und der Formfaktor der Stromwellenformen in den Leistungs-MOSFETs des Zellkonverters ist optimal, wodurch Verluste in jenen Einrichtungen minimiert werden.
Ein Vorteil der Anwendung von Mehrphasenkonvertern besteht darin, dass sich der Stromripple im Ausgang in wirtschaftlicher Weise auf null reduzieren lässt. Es ist generell inakzeptabel, dass ein DC-Netzteil ein hohes Maß an Ripple in seiner Ausgangsspannung oder seinem Ausgangsstrom liefert. Daher sind Schaltkonverter meist mit einer Filteranordnung ausgestattet, die diese Ripplekomponenten auf akzeptable Größen senkt. Allerdings sind Filterkomponenten teuer. Falls ein Mehrphasenkonverter eingesetzt wird und ein Tastverhältnis von 1/N hat, worin N für die Anzahl verwendeter Phasen steht, lässt sich der Ripplestrom ohne weitere Filterung auf null reduzieren. Dann können Ausgangsspannung (und damit der Ausgangsstrom) durch Variieren der Eingangsspannung auf die Mehrphasenversorgung eingestellt werden. Falls der Konverter seine Eingangsspannung von einer AC/DC-PFC-Stufe ableitet, lässt sich die PFC-Stufe so regeln, dass sie ihre Ausgangsspannung variiert. Eine 2:1-Variation der Ausgangsspannung gewöhnlich eingesetzter PFC-Stufen ist machbar, was adäquat ist, um jenen Grad an Variation der Spannung und des Stroms zu bewirken, der an EW- und ER-Zellen bei Normalbetrieb zu liefern ist.
In Ausführungsformen, in denen ein Regler zwischen den Sammelschienen eines herkömmlichen Wannensystems und der Platte der Elektrode, typischerweise einer Kathode, eingefügt wird, lässt sich die Einstellung am Strom vornehmen, der in die Platte im konventionellen Wannengebäudesystem gelangt, in dem Energie aus einer zentralen Quelle zugeführt wird.
Gegebenenfalls kann die von der herkömmlichen zentralen Gleichstromquelle gelieferte Spannung geringfügig erhöht werden, um dem Regler etwas Freiraum zu verschaffen, innerhalb dessen er arbeitet, so dass er das Fließen von Betriebsstrom zulassen kann, ungeachtet des durch den Regler eingebrachten Spannungsabfalls.
Alternativ dazu kann ein Netzteil zwischen der Elektrode und den herkömmlichen Systemstromschienen eingefügt werden. Somit kann dieses Netzteil zur Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode beitragen. Wird beispielsweise eine Anodenspannung von 0 V angenommen, im Falle der Einstufung einer Zelle als isoliert und des Verwendens der Anodenspannung als Bezugsspannung, könnte die Kathodenstromschiene typischerweise bei –0,32 V liegen. Falls eine Erhöhung des Elektrodenstroms (typischerweise des Kathodenstroms) auf einen Wert über seinem normalen Pegel gewünscht wird, kann via das Netzteil Extraspannung in den Anoden/Kathoden-Pfad injiziert werden, d. h. auf 0,39 V, wobei 0,07 V zur insgesamt verfügbaren Spannung hinzugefügt werden. Daher wäre, um das Beispiel fortzuführen, ein Hilfsnetzteil mit 600 A und 0,07 V notwendig. Das Netzteil kann in einer wohlbekannten Abwärtsreglerschaltung oder einer anderen wohlbekannten Schaltnetzteilschaltung bestehen. Dieses Hilfsnetzteil kann unter Umständen in der Lage sein, den Stromfluss zur Elektrode (beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses) abzuschalten in Abhängigkeit von der für die Stromversorgung benutzten Schaltung. Der Großteil der in der Zelle genutzten Energie stammt aus den konventionellen Sammelschienen und zentralisierter Versorgung, während die aus dem Hilfsnetzteil gelieferte Energie nur einen Bruchteil des Gesamten darstellt, wobei dieser Bruchteil durch den Anteil der vom Hilfsnetzteil zugeführten Gesamtspannung festgelegt wird. Der Vorteil davon ist, dass der Wanne nur ein Bruchteil der in einer Wanne verbrauchten Gesamtenergie durch eine neue Energieversorgungsanordnung am Ort der Wanne geliefert werden muss. Diese bescheidene Energiemenge kann durch herkömmliche Mittel (z. B. Kabel, Kontakte oder Verbinder) oder durch alternative Mittel wie induktive Energieübertragung geliefert werden.
In Ausführungsformen, in denen die Regler oder Netzteile integrale Bestandteile der Hängerschiene und/oder der Elektrodenplattenanordnung bilden, kann in den Reglern oder Netzteilen erzeugte Wärme in die Platte und so in den Elektrolyten geleitet werden. Allerdings liegt der Elektrolyt typischerweise bei 55 bis 60°C bezüglich ER und bei 40 bis 45°C bezüglich EW (beispielsweise in Verfahren mit Kupfer), und die in den Reglern erzeugte Wärme lässt sich nahezu auf null reduzieren, indem eine große Anzahl von Leistungs-MOSFETs parallel eingesetzt wird, wobei die Kosten praktisch den einzigen einschränkenden Faktor beim Reduzieren des Widerstands der parallelen MOSFET-Kombination darstellen, in welchem Fall es wahrscheinlich ist, dass der Elektrolyt die Transistoren eher erhitzt, als sie zu kühlen. Deswegen sollten die Transistoren thermisch von der Platte, die in den Elektrolyten getaucht ist, isoliert und mit einer separaten Kühlanordnung ausgestattet werden. Diese könnte eine mit Lamellen bzw. Rippen versehene, durch Umgebungsluft gekühlte Wärmesenke sein. Alternativ hierzu könnte die Hängerschiene als Wärmesenke genutzt werden.
Wo die Erfindung in eine bestehende Anlage als Nachrüstung eingegliedert wird, kann es sich als praktisch erweisen, vom vorhandenen Ausgleichsschienensystem zu profitieren. Zur Verfügung stehen diverse Systeme. Typischerweise zielt die Ausgleichsschiene darauf ab, Kathoden oder Anoden auf beiden Seiten der Wanne miteinander zu verbinden, so dass über jeder Wanne Anoden und Kathoden eine einheitliche Spannung aufweisen. Ein weiteres Ziel besteht darin, einen Pfad für Strom aufrechtzuerhalten, damit er zu einer Elektrode hin- oder von dieser wegfließen kann, sollte eine ihrer Fahnen (Hängerschienenenden) kontaminiert werden und sollte es ihr nicht gelingen, sich richtig an den Anoden- oder Kathoden-Bus anzuschließen, dem sie Strom abnehmen oder Strom liefern sollte. Dies bedeutet, dass entlang den Rändern jeder Seite einer Wanne sowohl eine positive als auch eine negative Sammelschiene mit einem Potential über ihr vorhanden ist, das gleich dem Spannungsabfall zwischen der Anode und der Kathode einer einzelnen Zelle ist. Dies kann als Energieversorgung für einen auf der Kathode befindlichen Konverter verwendet werden, der das Kathodenpotential über die Normalspannung hebt bzw. unter diese senkt, um eine Feinabstimmung am von jener Kathode gezogenen Strom vorzunehmen. Alternativ dazu können die Ausgleichsschienen in einer Nachrüstung eingesetzt werden, um Netzteilen auf den Kathoden oder an der Seite der Wannen AC zuzuführen, wenn die IEGs versorgt werden.
Ein Dreiphasen-AC-Versorgungssystem wird gewöhnlich die Energiequelle für ein Wannengebäude sein. Eine Kupfer-ER-Wanne mit 60 Kathoden benötigt etwa 14 kW. Etwa 75 kW benötigt eine Kupfer-EW-Wanne mit 60 Kathoden. Diese beiden Leistungsniveaus könnten aus einem Einphasentransformator geliefert werden. Jedoch kann es erstrebenswert sein, der Dreiphasenversorgung, die mit ziemlicher Sicherheit ein Metallveredelungs- oder ein Metall-EW-System speisen würde, eine ausgeglichene Last zu bieten. Im Interesse der Sicherheit sollten verschiedene Phasen eines Dreiphasensystems nicht unmittelbar nebeneinander liegen, weil in einem Dreiphasensystem die Spannung Außenleiter Außenleiter im Wesentlichen größer als die Spannung Außenleiter Neutralleiter ist. Deshalb würde eine gute Anordnung darin bestehen, dass jede Wanne ausgehend von einer einzigen Phase arbeitet, dass aber Wannen in Dreierblöcke aufgeteilt sind, wobei jeder einzelne aus einer der Phasen eines Dreiphasen-, Vierdrahtnetzteils versorgt wird.
Wenn die Netzteile aus Einphasen-AC gespeist werden, kann es zweckgemäß sein, beide Leiter als Außenleiter zu verwenden, um die Spannung Außenleiter Masse im Interesse der Sicherheit zu senken. Statt beispielsweise die Netzteile aus zwei Leitern, nämlich aus einem mit 230 V in Bezug auf Masse (dem Außenleiter) und einem mit 0 V in Bezug auf Masse, zu versorgen, ist es sicherer, beide Leiter mit 115 V in Bezug auf Masse zu versorgen (das heißt, mit zwei gegenphasigen Außenleitern). Dies könnte besonders dort von Bedeutung sein, wo die AC-Leiter exponiert entlang den Seiten der Wannen verlaufen. Beispielsweise könnten benachbarte Ränder zweier Seite an Seite liegender Wannen Außenleiter A mit, sagen wir, 57 V tragen, während die anderen Seiten dieser Wannen Außenleiter B (in Gegenphase zu Außenleiter A) mit 57 V tragen könnten. Daher ließe sich ein Stromschlag bei 114–115 V nur bekommen durch Berühren der Leiter auf entgegengesetzten Rändern irgendeiner gegebenen Wanne. Ein Reststromschaltungsunterbrecher lässt sich einsetzen, um Benutzer vor Stromschlägen zu schützen, die sich aus der Berührung irgendeiner der 57 V-Schienen ergeben.
Falls eine AC-Versorgung verwendet wird, um den Konvertern Energie zuzuführen, können Transformatoren an günstigen Stellen in einer viele Wannen fassenden Halle platziert werden, um die Spannung in Stufen herunter zu transformieren, so dass ausgewählten Stellen Strom mit hoher Spannung zugeführt und dort zwecks Verteilung an die individuellen Konverter auf eine niedrigere Spannung herunter transformiert werden kann. Daher findet Energieübertragung bei einer Spannung statt, die für den Pegel des Stroms, der übertragen wird, geeignet ist, woraus sich ein reduzierter Verlust elektrischer Energie ergibt. Alternativ dazu lässt sich Strom an ausgewählten Stellen zu einer DC-Versorgung mit niedrigerer Spannung umwandeln. Leistungsfaktorkorrektur kann an diesen Stellen oder an individuellen Zellkonvertern angewandt werden, falls ihre Versorgung mit AC erfolgt. Einzelheiten der diversen Ausführungsformen sind nachstehend detaillierter erläutert.
Als Alternative zu einer Energieversorgung mit Hochspannung (also einer, die signifikant größer als die individuelle Zellspannung ist) lässt sich eine Energieversorgung mit einer Spannung nahe der Zellspannung verwenden. Typischerweise könnte dies bei der Notwendigkeit erfolgen, den Konverter und sein Regelungssystem in einem Wannengebäude mit einer Gestaltung einzusetzen, die der gegenwärtig verwendeten sehr nahe kommt. Ein Abwärtswandler, wie jener in 37, kann zwischen dem gegenwärtig gebrauchten DC-Sammelschienen-Energieverteilungssystem und den Elektroden eingefügt werden. 37 zeigt einen Schaltabwärtsregler, wie in 10 beschrieben, außer dass die Diode 35 durch einen im Synchrongleichrichtermodus arbeitenden Leistungs-MOSFET 130 ersetzt worden ist, um die Effizienz der Schaltung zu verbessern. In diesem Fall würde der Strom, der in eine Platte gelangt und diese verlässt, von einem Konverter (oder Konvertern) geregelt, platziert zwischen Fahnen und der DC-Niederspannungs-Sammelschiene. Wo Strom durch mehr als einen Anschlusspunkt (z. B. eine Fahne) in eine Platte hinein- oder aus dieser hinaus fließt, würde die Stromeinstellung für jeden Konverter unter Berücksichtigung dessen erfolgen, und wo der Strompegel während des Betriebs modifiziert wurde, müssten die separaten Konverter über die Veränderung informiert werden, oder sie müssten miteinander kommunizieren. Die Anwendung synchroner Gleichrichtung kann im Freilaufteil der Schaltung erfolgen, um die Effizienz des Reglers zu steigern. Im Fall von EW sind die Anoden beständig, wohingegen im Fall von ER die Anoden löslich sind. Daher ist es im Fall von ER wahrscheinlicher, dass der Regler die Kathode begleitet. 38 zeigt die Schaltung aus 37, angepasst für den optimalen Einsatz mit einer Kathode. Der Kondensator 131 ist hinzugefügt worden, um einen Pfad für hochfrequente Wechselströme zur Verfügung zu stellen. Die Spule 33 glättet gemeinsam mit dem Kondensatorfilter 34 die geschaltete Wellenform am Drain von MOSFET 32. Das Vorhandensein der Spule 33 in dieser Filterschaltung macht die Einbeziehung eines zweiten MOSFET 130 notwendig, um einen Zirkulationsstrompfad für den Strom in der Spule 33 zu schaffen, wenn MOSFET 32 abschaltet. Allerdings handelt es sich hierbei um verhältnismäßig teure Komponenten.
39 macht einige technische Elemente der Schaltung aus 38 kenntlich. Die Zelle 24 besteht aus dem Elektrolyten, der zwischen einer Kathodenplatte 132 und einer Anodenplatte 133 körperlich vorhanden ist. Ein zirkulierender Strom in der Spule 33 zirkuliert durch MOSFET 130, wenn MOSFET 32 abschaltet. Die Abzweigung 134 der Schaltung stellt eine DC-Quelle oder -Senke mit Anodenpotential für den zirkulierenden Strom bereit. Aufgrund des Kondensators 34 besteht auch ein AC-Ground. Die Abzweigung 135 der Schaltung verbindet Abzweigung 134 mit der Anode sowie dem positiven Anschluss des Netzteils und kann andere körperliche Gegebenheiten aufweisen.
Wenn mehrere Schaltregler parallel auf einer einzigen Kathode gebraucht werden, besteht die Möglichkeit, auf die Filterelemente und Freilaufdiode (oder den Synchrongleichrichter-MOSFET) in jedem der Regler zu verzichten, vorausgesetzt, dass bei Abschalten eines Schalters ein Pfad vorhanden ist, durch den der Strom fließen kann, der in der parasitären Induktivität der Platte zirkuliert. Dies ist im Allgemeinen der Fall, weil die MOSFETs 32 die meiste Zeit an sind, da die Netzteile, wenn sie als Regler arbeiten, die in der herkömmlichen ER- und EW-Situation die Feinabstimmung des Stroms vornehmen, mit einem Pulsweitenmodulations-Taktverhältnis nahe Einheit arbeiten. Falls ein geeignetes Schaltmuster für die MOSFETs 32 angenommen wird, kann der Strom in der Hängerschiene annähernd konstant gehalten werden, in welchem Fall es keinerlei hohe Veränderungsrate im Strom in der Hängerschiene gibt, die mit parasitärer Induktivität zusammenwirken könnte, um Überspannung der MOSFETs zu verursachen. Dennoch ist es möglich, dass hohe di/dt-Werte im Zusammenwirken mit parasitärer Induktivität Überspannung der für die Schalter verwendeten MOSFETs hervorrufen. Allerdings muss dies kein Problem darstellen, da die meisten MOSFETs für den Lawinenbetrieb ausgelegt sind. Um die Wahrscheinlichkeit jeglicher übermäßiger Spannung aufgrund parasitärer Induktivität weiter zu senken, kann die Rate, mit der das MOSFET 32 geschaltet wird (und daher di/dt) gesenkt werden – das heißt, seine An- und Abschaltzeit kann verlängert werden. Dies wird Schaltverluste in den MOSFETs vergrößern, welche jedoch tolerierbar sein sollten. Um das Schalten weiter zu soften, kann die Amplitude der ans Gate jedes MOSFETs gelegten Schaltregelungswellenform auf einer verhältnismäßig niedrigen Amplitude gehalten werden, um übermäßig abruptes Schalten des MOSFETs zu verhindern. Ein Hauptvorteil eines Schaltreglers wie dieses liegt darin, dass preisgünstige AC-Sensoren verwendbar sind, um eine präzise Messung des Stroms zu Überwachungs- und Kontrollzwecken zu verschaffen.
MOSFETs 32 sind durch große Leiter vereint, die die Verringerung der parasitären Induktivität zwischen den MOSFETs 32 unterstützen. Daher können im Interesse der Wirtschaftlichkeit und als Ergebnis der obigen Beobachtungen die Regler in 39 auf einen einzigen MOSFET 32 reduziert werden, wie in 40 dargestellt.
41 ist eine Mehrphasen-Abwärtsreglerschaltung, die sich zum Herunterregeln der Spannung in Situationen hohen Stroms eignet. Eine Eingangsspannung 140 wird zu einer niedrigeren Ausgangsspannung 141 umgewandelt. MOSFET-Schalter 142, als Synchrongleichrichter verwendete MOSFETs 143 und Spulen 144 bilden die Komponenten jeder Phase. Alle Phasen tragen zur Ausgangsspannung 141 bei, die von einem Kondensator 145 geglättet wird. Die Ausgangsspannung wird einer Zelle 146 zugeführt.
42 ist die schematische Darstellung einer möglichen Systemanordnung zur Gesamtenergieverwaltung. Die durch Widerstand 146 repräsentierte Zelllast wird von einem (Einphasen- oder Mehrphasen)-Abwärtswandler 150 versorgt. Konverter 151 schafft eine DC-Versorgung 152 aus einer AC-Versorgung 153 (z. B. 230 V, 50 Hz). Dieser Konverter 151 kann eine Leistungsfaktorkorrekturstufe beinhalten. Eine Zwischenversorgung 152 kann irgendeine DC-Spannung, aber auch die aus einer Leistungsfaktorkorrekturstufe abgeleitete DC-Spannung sein, und sie kann wesentlichen Spannungs-Ripple enthalten sowie eine Spannung aufweisen, die größer als die Peakspannung der AC-Versorgung 153 ist. Für effizientes Funktionieren des Abwärtsreglers 150 sollte die ihm an den Zwischenspannungsschienen 155 zugeführte Zwischenspannung nicht zu weit von der Ausgangsspannung (d. h. der Zellspannung) entfernt werden. Typischerweise sollte die Eingangsspannung dieses Konverters nicht viel mehr als das Zehnfache der Ausgangsspannung betragen, wenn der Konverter ein einfacher Abwärtswandler ist. Daher kann ein Zwischenkonverter 154 erforderlich sein, um die Ausgangsspannung des Konverters 151 in eine Spannung umzuwandeln, die sich zur Einspeisung in den Konverter 150 eignet. Die Eingangsspannung in den Konverter 150 kann weitaus höher ausfallen, wenn es sich um einen Transformator-basierten Konverter handelt, wofür Beispiele in Bezug auf 8 und 9 beschrieben wurden.
Um Gleichstrom zu den Kathoden und Anoden unter ER- oder EW-Gegebenheiten zu transportieren, wird eine optionale Alternativlösung geboten. Dementsprechend werden Netzteile auf einer Schiene oder einem Rahmen (Trägerschiene) getragen, die bzw. der entweder auf den beiden Wannenseiten oder auf den Elektroden selbst ruht und Elektrizität an die Elektroden via Federkontaktstifte oder -stäbe weiterleitet, die auf die Elektroden oder ihre Hängerschienen drücken. Die Stifte sind via flexible Leiter mit ihrem jeweiligen Netzteilanschluss verbunden. Diese Leiter eröffnen die Möglichkeit zur Eingliederung von DC-Transducern, falls erforderlich, wobei der flexible Leiter in der Lage ist, das Fenster allgemein erhältlicher DC-Transducer mühelos und zweckgemäß zu passieren. Die Trägerschiene kann unabhängig getragen werden, oder sie kann von den auf den Elektroden ruhenden Federstiften getragen werden. Druck von der Schiene bewirkt, dass die Stifte in Kontakt mit ihren jeweiligen Elektroden gezwungen werden, entweder durch das Gewicht der Schiene und der Komponenten, die sie trägt, oder durch die Trägerschiene, die durch irgendein Mittel in Richtung der Elektroden hinabgepresst und in dieser Position fixiert wird. Die Trägerschiene lässt sich, zusammen mit allen zu ihr gehörenden Komponenten, aus ihrer Serviceposition entfernen, wenn der Austausch der Anoden oder die Entfernung der Kathoden zwecks Cropping nötig ist. Benutzt werden können zwei oder mehr Trägerschienen, die der Länge nach verlaufen und an den Enden durch ein isolierendes Querteil verbunden sind. Die Beschreibung diverser Ausführungsformen und Optionen erfolgt nachstehend.
23 zeigt, wie sich die Zellen und insbesondere die IEGs in einer Wanne von Netzteilen aus ansteuern lassen, die auf einer Schiene 75 über der Wanne 76 getragen werden. Die Wanne 76 steht auf dem Boden 77 und ist von der Seite abgebildet, d. h. die Elektroden werden vom Rand gezeigt. Die Wanne kann beliebigen Ausmaßes sein sowie eine beliebige Anzahl von Anoden und Kathoden enthalten. Die Wanne enthält Kathoden 1 und Anoden 2. Die Elemente 79 sind zu jeder Elektrode gehörende Hängerschienen oder Fahnen, die diese Elektroden an isolierten Trägern entlang der Seite der Wanne 76 tragen. Die Netzteile 80, die den IEGs DC zuführen, werden auf einer Trägerschiene 75 getragen. Metallstifte oder -stäbe 81 verlaufen durch die Trägerschiene 75 oder neben ihr und sind von der Trägerschiene 75 durch eine Isolierhülle isoliert, falls die Trägerschiene 75 ein Leiter ist. Falls die Trägerschiene 75 aus isolierendem Material besteht, sind die isolierenden Hüllen nicht notwendig. Die Stifte 81 sind federbelastet, so dass sie zu einem gewissen Grad nachgeben, sobald sie in Kontakt mit den Elektroden kommen, auf die sie drücken. Die Stifte 81 stellen Kontakt mit den Hängerschienen her (typischerweise im Fall einer Kathode) oder mit der Elektrodenfläche (typischerweise im Fall einer Anode).
Die Hängerschienen (z. B. der Kathoden) können ein spezielles Metallpatch haben, wo durch die Stifte 81 Kontakt hergestellt wird, um guten elektrischen Kontakt sicherzustellen. Die Elektroden (z. B. die Anoden) können einen Bereich ihrer Metallfläche aufweisen, der speziell präpariert ist, um den Kontakt mit dem Stift 81 zu halten, so dass ein guter elektrischer Kontakt zwischen ihnen besteht.
Die Netzteile 80 auf der Trägerschiene 75 liefern eine Versorgung mit Gleichstrom, mit dem die Anoden und die Kathoden gespeist werden. Drähte 82 verbinden den positiven Ausgang der Netzteile 80 mit den Anoden sowie den negativen Ausgang der Netzteile 80 mit den Kathoden. Die Trägerschiene 75 kann unabhängig getragen werden, oder sie kann von den Federstiften 81 getragen werden, die auf den Elektroden ruhen. Das Funktionsprinzip dieser Anordnung besteht darin, dass von der Schiene 75 ausgehender Druck bewirkt, dass die Stifte 81 in Kontakt mit ihren jeweiligen Elektroden gezwungen werden, und zwar entweder durch das Gewicht der Schiene 75 und der Komponenten, die sie trägt, oder indem die Trägerschiene 75 durch irgendein Mittel in Richtung der Elektroden hinabgepresst und in dieser Position fixiert wird. Die Trägerschiene 75, gemeinsam mit sämtlichen zu ihr gehörenden Komponenten, kann aus ihrer Serviceposition entfernt werden, wenn es nötig ist, die Anoden auszutauschen oder die Kathoden zwecks Cropping zu entfernen. 24 veranschaulicht die gleiche Anordnung wie 23, jedoch von oben.
Als Alternative dazu verlaufen zwei oder mehr Trägerschienen in Längsrichtung der Wanne, wie aus 25 ersichtlich. In der Darstellung werden zwei Schienen 75 als Beispiel verwendet, jedoch lässt sich jede beliebige Zahl von Schienen 75 benutzen. Die Schienen 75 sind an jedem Ende der Wanne zusammengefügt und dies gegebenenfalls durch Querteile 83, weshalb die gesamte Anordnung aus Querteilen 83 und Schienen 75 einen Rahmen bildet. Der Vorteil eines Rahmens ergibt sich, wenn er auf der Wanne und vor allem, wenn er nur von den Stiften 81 getragen wird, die auf den Elektroden 77 und 78 lagern. Es wird der Tatsache Rechnung getragen, dass es eine Vielfalt von Wegen zur Fertigung eines stabilen Rahmens gibt, die alle in dieser Erfindung einbegriffen sind.
Die Netzteile können auf Schienen 75 getragen werden, oder sie können auf nicht aktiven Schienen getragen werden oder auch auf einer Plattform, die von den Trägerschienen 75 oder nicht aktiven Schienen getragen wird.
Die Netzteile können ihre Energie beispielsweise ableiten aus:

1) einem Einphasen-AC-Anschluss, der jedes der Netzteile mit Einspeisungen versorgt, in die Leistungsfaktorkorrektur (PFC: Power Factor Correction) einbezogen ist;
2) einem Einphasen-AC-Anschluss, der jedes der Netzteile mit Einspeisungen ohne darin einbezogene PFC versorgt;
3) einem Einphasen-AC-Anschluss, der eine Anzahl von PFC-Einheiten (nicht unbedingt die gleiche Anzahl wie die Anzahl der Anschlüsse) speist, wobei diese PFC-Einheiten jeweils eine Anzahl von Netzteilen mit DC versorgen, in welchem Fall die Netzteile Gleichstromumrichter sind;
4) einem Dreiphasenanschluss, der gemäß irgendeiner der oben beschriebenen Optionen speist, wobei jedoch die Last zwischen den drei Phasen des Dreiphasenanschlusses verteilt wird;
5) einem Dreiphasen-AC-Anschluss, der AC/DC-Wandler (Gleichrichter) ohne PFC-Stufen speist, wobei von der verbesserten Leistungsfaktorkorrektur und den Möglichkeiten der Harmonic Elimination profitiert wird, die von einer Dreiphasenversorgung geboten werden. Die so geschaffene Zwischen-DC-Versorgung kann in die Netzteile gespeist werden, die dann Gleichstromumrichter sind.
6) einem DC-Anschluss, in welchem Fall die Netzteile Gleichstromumrichter sind.

Flexible Kabel können den Rahmen oder die Schiene an diese Stromquellen anschließen. Die Kabel können die Schiene oder den Rahmen entweder an dem oder den Enden der Schiene oder des Rahmens speisen. Alternativ dazu können die Kabel die Schienen oder Rahmen an irgendeinem zentralen oder gemeinsamen Punkt speisen. Die Kabel können entweder aus einem Overhead-Verteilungssystem oder aus einem Verteilungssystem entlang den Wannen oder an dem Ende oder den Enden der Wannen Energie einbringen. Gegebenenfalls kann die flexible Kabelversorgung einen Steckanschluss zwecks Verbindung und Trennung beinhalten.
Alternativ dazu kann der Strom durch AC oder DC tragende Druckkontakte zum Rahmen gebracht werden. In dieser Situation lässt sich der Rahmen bewegen, ohne dass es notwendig wäre, irgendein Steckanschlusssystem zu trennen.
Wo Hot Swapping an Netzteilen vorgenommen wird, gibt es vorteilhafterweise eine Anordnung zur Verhinderung von Lichtbogenbildung, beispielsweise für momentanes Herunterschalten der Netzteile während des Austauschvorgangs.
Eines der Probleme der ER- oder EW-Umgebung stellt das Vorhandensein eines Elektrolyten dar, der für elektrische Kontakte schädlich sein kann. Wird Wechselstrom transportiert, lässt sich die Technik der induktiven Energieübertragung vorteilhaft verwenden. In einem solchen Energieübertragungssystem befindet sich eine Energiesendeeinheit und eine Energieempfängereinheit, die nahe beieinander platziert sind und sich vorzugsweise berühren. Die Sendereinheit ist effektiv eine Hälfte eines Transformatormagnetkerns und dessen Primärwicklung, während die Empfängereinheit die andere Hälfte des magnetischen Kreises und die Sekundärwicklung ist. In beiden Hälften müssen keine elektrischen Leiter exponiert werden. Die magnetischen Kerne werden so nahe zusammengebracht, wie es geht, so dass so wenig Abstand wie möglich zwischen den magnetischen Kernen besteht. Idealerweise sollten sie in Kontakt sein. Falls die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des magnetischen Kernmaterials durch den Elektrolyten gegeben ist, kann es sich als notwendig erweisen, die Kernflächen mit einem dünnen Schutzfilm aus chemisch inertem Material zu überziehen. Hinsichtlich der Kernformen bestehen diverse Gestaltungsmöglichkeiten (z. B. ein Blatt innerhalb eines gegabelten Kerns, ein Kern innerhalb eines konischen Empfängers oder ein einfacher E-an-E-Kern oder auch ein kreisförmiger Kern (vom Topftyp) an einem kreisförmigen Kern). Induktive Energieübertragung würde auch die Notwendigkeit von Methoden zur Lichtbogenverhinderung in jenem Fall beseitigen, wo Hot Swapping benutzt wird.
Alternativ dazu kann die Kathode – als Gegensatz zum IEG – mit Energie gespeist werden, wie in 26 und 27 veranschaulicht. 26 veranschaulicht die Wanne in Seitenansicht (ähnlich jener aus 23).
27 zeigt eine Ansicht von oben (ähnlich jener aus 25). Die Netzteile 80 besitzen zwei gemeinsame positive Anschlüsse 84 und einen negativen Anschluss 85. Es sind drei aktive Schienen vorhanden, die einen Rahmen bilden, wie zuvor beschrieben. Anhand des Vorangehenden wird verständlich, dass es viele Möglichkeiten gibt, aktive und nicht aktive Schienen in einem Rahmen zu kombinieren. Der negative Anschluss 85 des Netzteils 80 ist mit den Stiften, die eine Kathode speisen, via Drähte 82 verbunden. Die positiven Anschlüsse 84 des Netzteils 80 sind mit den Stiften, die benachbarte Anoden speisen, via Drähte 82 verbunden. Somit liegen alle Anoden auf dem gleichen Potential.
29 stellt eine alternative Ausrichtung einer Reihe Stifte dar, die die Elektroden kontaktieren. In 29 wird eine Wanne von oben gezeigt. Anoden 96 und Kathode 97 werden von Fahnen oder Hängerschienen auf den Seiten der Wanne getragen, die isolierend sind. Trägerschienen 98 verlaufen quer durch die Wanne über den Elektroden und liegen in der gleichen Ausrichtung wie diese Elektroden. Die Trägerschienen 98 tragen Federkontaktstifte 99 wie zuvor. Die Stifte in einer Trägerschiene können miteinander via flexiblen Draht verbunden sein, falls die Trägerschiene 98 aus isolierendem Material besteht, oder die Trägerschiene 98 kann aus leitendem Material sein, in welchem Fall sie die Verbindung zwischen den Stiften bilden kann. Isolierende Endrahmenteile, die die Trägerschienen verbinden, können mechanische Steifheit verleihen und einen Rahmen bilden. In der Anordnung aus 29 werden die IEGs von den Netzteilen 100 angesteuert. In diesem Beispiel steuert eine Anzahl von Netzteilen (hier sind es vier, obgleich jede beliebige Anzahl von Netzteilen, einschließlich eines, möglich ist) jeden IEG an. Daher sind die Netzteile mittels ihrer positiven Anschlüssen mit der Trägerschiene und Stiften über den Anoden verbunden, und mittels ihrer negativen Anschlüssen sind sie mit der Trägerschiene und Stiften über der Kathode verbunden. Folglich arbeiten die Netzteile parallel. Da sie Strommodusnetzteile sind, können sie natürlich die Stromlast entsprechend der Einstellung von jedem teilen, oder falls diese Anordnung eine Tendenz aufweist, zu Instabilität zu führen, können sie miteinander durch Signaldrähte verbunden sein, so dass ihr Beitrag zum Gesamtstrom in koordinierter Weise geregelt wird. Stifte 101 stellen dort die Verbindungspunkte dar, wo Verbindung hergestellt wird zwischen den Netzteilen und den Trägerschienen (falls diese leitend sind) oder dem Verdrahtungssystem, falls die Trägerschienen nicht leitend sind.
Ein Vorzug der in 29 abgebildeten Anordnung besteht darin, dass, falls sich Netzteile nur an den Extremitäten der Elektrodenzwischenräume (d. h. nahe den Seiten der Wanne) befinden, der Raum zwischen den Elektroden von oben sichtbar und zugänglich ist, so dass sich der Zustand des Zwischenraums visuell überprüfen lässt und, falls notwendig, Kurzschlüsse zwischen Elektroden physikalisch entfernt werden können (beispielsweise indem sie mit einer zwischen die Elektroden eingefügten Isolierstange abgewehrt werden).
Die Anordnung mit mehreren Stiften besitzt den Vorzug, diesen Kontaktwiderstand zu verringern, da alle Stifte für eine Elektrode parallel sind, so dass der effektive Gesamtwiderstand durch die mehreren Strompfade gesenkt wird, die die Stifte zur Verfügung stellen.
Das Gewicht des Rahmens kann ausreichend sein, um einen guten Kontakt der federbelasteten Stifte mit den Elektroden herzustellen. Falls jedoch auf dem Rahmen Extragewicht benötigt wird, könnte der Rahmen auch einen oder mehrere Netztransformatoren tragen, um die Netzspannungsversorgung für die Netzteile zu reduzieren. Die Last auf dem Rahmen könnte beispielsweise bestehen aus einem einzigen Einphasentransformator, drei Einphasentransformatoren, die von derselben Netzphase aus arbeiten, oder drei Einphasentransformatoren, die von drei verschiedenen Netzphasen aus arbeiten. Typischerweise würden diese Transformatoren eine Spannung im Bereich von 1 kV bis 3 kV auf eine Spannung im Bereich von 110 V bis 250 V herunter transformieren zwecks Versorgung der Netzteile. Die Abwärtsnetztransformatoren würden durch flexible Kabel von oben oder von der Seite der Wannen versorgt.
Während in 29 der Kontakt zu den Elektroden via Federstifte 99 hergestellt wird, muss dies nicht die Anordnung zur Herstellung von Kontakt mit den Elektroden sein. Eine alternative Anordnung würde darin bestehen, die leitende Trägerschiene auf der oberen Fläche der Elektrode oder deren Hängerschiene ruhen zu lassen, so dass der Kontakt kontinuierlich entlang der Länge der Elektrode hergestellt wird. Dadurch lässt sich der Kontaktwiderstand zwischen den Netzteilen (via die Trägerschiene) und den Elektroden auf ein sehr geringes Niveau reduzieren. Dies ist von Vorteil beim Senken der Verluste in einem ER- oder EW-System. Typischerweise können bis zu 10% Energie in den Kontakten zwischen Elektroden und den Sammelschienen in einem herkömmlichen System verloren gehen.
Typischerweise steht ein Laufkran zur Verfügung, um Elektroden in die Wanne ein- und aus ihr auszuladen, und dieser ist auch zum Heben und Senken des Rahmens einsetzbar, der die Transformatoren und Netzteile trägt.
Um das Einladen frischer Anoden oder das Cropping der Kathoden zu ermöglichen, muss ein Laufkran Zugriff auf die Anoden und/oder Kathoden haben. Dies verlangt die zeitweilige Verlagerung des Schienen- oder Rahmenenergieversorgungssystems.
28 veranschaulicht, wie Rahmen von Laufkränen aus den Wannen entfernt und aufeinander gelagert werden können, um den Zugriff auf die Elektroden zu ermöglichen. Bei Verwendung einer einzigen Schiene ist es machbar, die Schiene in ein Trägersystem zu legen, das zu diesem Zweck der Wanne entlang verläuft. Falls ein Rahmen benutzt wird, kann der Rahmen gedreht und an irgendeiner günstigen Stelle entlang der Wanne vertikal aufgehängt werden. Rahmen können ohne Rotation hochgehoben und auf eine benachbarte Wanne gestapelt werden, wie aus 28 ersichtlich, in der 90 eine von ihrem Ende aus dargestellte Wanne bezeichnet. Die Wannen stehen auf dem Boden 91. Das Netzteil und die Stiftanordnung haben Schenkel 93, die bei Betrieb auf den Wannenseiten ruhen oder die zum Tragen eines Rahmens verwendbar sind, wenn er, wie dargestellt, auf einem anderen steht.
30 zeigt eine alternative Anordnung zum Entfernen von Rahmen und Abdeckanordnungen, wenn Raum an den Extremitäten der Wannen vorhanden ist. Die Netzteile, Elektrodenkontaktanordnungen und Abdeckungen werden in diesem Beispiel als zwei Einheiten 105 entfernt, die jeweils die Hälfte der Wannen bedecken. Diese Einheiten werden hochgehoben, um sie von den Elektroden zu lösen und dann in Längsrichtung von der Mitte der Wannen wegbewegt, um einem Laufkran Zugang zu den Elektroden zu geben.
Bei der ER ist es gängige Praxis, die Wannen mit einem Stoff oder einer Haube oder auch einer anderen Abdeckung abzudecken, um unter anderem den Wärmeverlust zu verringern. Bei Einsatz einer Rahmenanordnung lässt sich der Bereich zwischen Trägerschienen und Rahmenschienen mit einem festen flächigen Material oder einem Stofftuch ausfüllen, so dass dies die zusätzliche Funktion des Abdeckens der Wanne erfüllt. Netzteile für die Elektroden können auf diesen Rahmen getragen werden. Im Fall von EW, wo es zur Gasbildung und möglicherweise zur Erzeugung von Säurenebel kommt, können die Hauben, die häufig verwendet werden, um die Emission von Nebel zu kontrollieren, auch in die Rahmen eingegliedert werden.
Netzteile können durch leitende Trägerschienen parallel zueinander geschaltet werden. Falls jedoch die Stifte von der Trägerschiene isoliert sind oder die Trägerschiene aus nicht leitendem Material besteht und eher die Netzteile die Stifte speisen als die Trägerschienen, findet das Parallelschalten der Netzteile auf den Elektroden statt. Dies kann von Vorteil sein, um eine gleichmäßige Verteilung des Stroms in den Elektroden zu erzielen.
Bei konventionellem Aufhängen der Anoden via Fahnen, die auf den Seiten der Wanne ruhen, können die Kathode und die Energieversorgungsanordnung auf einem orthogonalen leitenden Querteil getragen werden, das auf der oberen Fläche der Anoden ruht. Entweder die Kathoden oder die IEGs können durch dieses Verfahren angesteuert werden. Falls die IEGs angesteuert werden, müssen die beiden Hälften des Trägerquerteils elektrisch isoliert werden. 31 ist eine Darstellung der Wanne von der Seite und der Elektroden vom Rand und veranschaulicht eine solche Ausführungsform. Die Anoden 106 sind konventionell aufgehängt via Fahnen, die auf den Seiten der Wanne ruhen. Die Kathode 109 und die Energieversorgungsanordnung (die das leitende Querteil 107 und das Netzteil 108 umfasst) ruht auf der oberen Fläche der Anoden. Entweder die Kathoden oder die IEGs können durch dieses Verfahren angesteuert werden. Falls die IEGs angesteuert werden, müssen die beiden Hälften des Trägerquerteils 107 elektrisch isoliert sein.
Während Fahnen auf beiden Seiten der Elektrodenplatten erwähnt sind als typische Mittel, um Platten zu tragen und Strom in die Platten hinein und aus ihnen heraus zu bringen, könnten die Stromkonverter zentral an die Platten oder sandwichartig zwischen den Platten angeschlossen sein. Es stellt einen Nutzen des Systems dar, dass sich die Zufuhr von Strom zu den Platten als eine vom Aufhängen der Platten separate Schwierigkeit betrachten lässt. Das Problem des Spannungsabfalls in den Bereichen des Kontakts zwischen der DC-Quelle und der Platte kann somit wesentlich gemildert oder ausgemerzt werden.
Das vorstehend beschriebene Rahmensystem wird eingesetzt, um den Elektroden oder Elektrodenpaaren Gleichstrom zuzuführen. Als Alternative können die Netzteile von den Elektroden getragen werden. Beispielsweise können die Konverter auf den Kathodenhängerschienen getragen werden und die Kathoden in Bezug auf die Anoden versorgen, wie an anderer Stelle in dieser Beschreibung erläutert. In diesem Fall lassen sich das Rahmen-/Schienen- und Stiftsystem nutzen, um den Konvertern Wechselstrom zuzuführen, wobei sich die Konverter selbst nicht auf der Schiene oder dem Rahmen, sondern auf den Kathoden befinden. Das Schienen-/Rahmensystem ist alternativ verwendbar, um den auf den Kathoden befindlichen Konvertern oder Reglern DC zuzuführen.
In jede beliebige Rahmenanordnung lässt sich eine zentrale Anzeigetafel eingliedern, um den Zustand sämtlicher individueller Kathoden oder IEGs an einer Stelle anzugeben. Dies könnte beispielsweise ein Überwachungsanzeigeschirm oder eine Tafel LEDs sein. Solch eine Anzeige ließe sich günstigerweise am Ende einer Wanne nächst einem Durchgang platzieren.
Der Erfinder hat erkannt, dass im Falle der Speisung einer Kathode durch ein Netzteil oder einen Regler, keine Kontrolle darüber besteht, wie sich der Strom zwischen den beiden Seiten der Kathode – das heißt, zwischen den IEGs – verteilt. Allerdings kann eine Kathode gegebenenfalls aus zwei Metallblechen mit einer isolierenden Schicht dazwischen bestehen.
32 zeigt, wie sich eine dreilagige Kathode einsetzen lässt, um ein unabhängiges Regeln der Stromdichte auf beiden Seiten der Kathode zu ermöglichen. Die drei Lagen können zusammen gebondet oder zusammengeklebt werden, um mechanisch ein einziges flächiges Gebilde zu schaffen, dessen beide Seiten jedoch elektrisch isoliert sind. Dann kann jede Seite dieser „Sandwich”-Kathode unabhängig durch separate Netzteile oder Regler 112a und 112b versorgt werden. Drähte 113a und 113b verbinden die Konverter oder Regler 112a und 112b mit jeweiligen Metallplatten 110a und 110b. Die Konverter oder Regler werden von der Hängerschiene 114 getragen. Daher lässt sich die Spannung in Bezug auf die benachbarte Anode für jede Seite der Kathodenplatte regeln. Wahrscheinlich wird es einen kleinen Spannungsunterschied zwischen den Seiten der Kathode geben, weshalb die Metallbleche des Sandwichs geringfügig schmäler und kürzer ausfallen können, um auf beiden Seiten einen Rand aus Isoliermaterial um die Peripherie der Sandwichkathode zu lassen, und so ergibt sich für jeglichen Strom, der versucht, von der einen Seite der Sandwichkathode zur anderen zu gelangen, eine wesentliche Trackingdistanz, wodurch ein erheblicher Widerstand in den Pfad eines jeglichen solchen Stromflusses gelegt wird.
Einstellbare IEG-Breite und Längssysteme
Wie zuvor dargelegt, verleiht das Speisen der IEGs mit individuellen Netzteilen Anoden und Kathoden potentiell eine neue Mobilität, die sich nutzen lässt, um den Raum zwischen Anoden und Kathoden einstellbar zu machen. Der Zwischenraum kann zwischen Croppings reguliert werden, um jenem Problem in herkömmlichen Systemen Herr zu werden, bei dem die Breite des IEGs von einem Crop zum nächsten mit Dünnerwerden der Anode zunimmt. Dies würde die Verwendung der kleinstmöglichen Spannung zum Ansteuern jeder Kathode oder jedes IEGs mit dem erforderlichen Strom oder der erforderlichen Stromdichte erlauben, womit Energie gespart würde. Außerdem kann die Elektrodenbeabstandung zwecks Verfahrensoptimierung eine veränderliche Variable im Prozess der ER oder EW werden. Die konventionelle Praxis besteht darin, eine Fixbreite zu verwenden und die Anoden und Kathoden in einer Distanz voneinander anzuordnen, die das Risiko von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden minimiert. Der Einsatz örtlicher Netzteile, um die Kathoden oder IEGs mit Energie zu versorgen, erleichtert die Anwendung einer regulierbaren IEG-Breite. Falls beispielsweise das Netzteil auf der Kathodenhängerschiene getragen und durch AC-Eingangsstrom aus einem flexiblen Kabel oder einem auf einem freihängenden Draht gleitenden Kontakt versorgt wird, sind die Kathoden ungehindert bewegbar.
Für den Rückstrompfad können auch die Anoden einen Gleitkontakt oder ein Kabel aufweisen, das sie ans Netzteil auf der Kathode anschließt. Als Alternative dazu könnten alle Elektroden auf Rädern getragen werden, und der Wechselstrom könnte durch diese Räder mit einem flexiblen Kabel oder Strap abgenommen werden, das bzw. der den notwendigen Pfad für Gleichstrom zwischen dem auf der Kathode montierten Netzteil und der Anode schafft. Das Mittel zum Bewegen der Elektroden könnte sich auf den Elektroden oder außerhalb der Elektroden befinden. Beispielsweise könnten die oben beschriebenen Räder motorisiert sein. Die Zeit zwischen den Crops in einem Wannengebäude mit der Technik von heute beläuft sich typischerweise auf sieben Tage. Deswegen besteht keine Notwendigkeit für Hochgeschwindigkeitsbewegung oder rapide IEG-Breitenveränderungen. Diese ließen sich durch kostengünstige Motoren oder Aktoren mit sehr niedriger Leistung bewirken. Werden mehrere Anoden und Kathoden in einer Wanne benutzt, wie in den Wannenhäusern von heute, könnten sich die Elektroden langsam voranschieben, um ihre Positionen zueinander mit kaum wahrnehmbarer Geschwindigkeit anzupassen.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit ist in 33 abgebildet. Eine Produktionslinienmethode kann angewandt werden, in der sich Elektroden 120 entlang einer einzigen langen Wanne 121 voranbewegen, wobei sie an dem einem Ende starten und an dem anderen Ende auftauchen, wenn es Zeit ist, sie abzuernten. Dadurch könnten sich Arbeitskosten im Wannengebäude wesentlich verringern. Falls sich zwischen den Elektroden ein Kurzschluss entwickelt oder dessen Entwicklung droht, kann die Trennung zwischen den Elektroden dynamisch reguliert werden, um den Kurzschluss zu beheben oder zu verhindern. Andernfalls könnten Elektroden so nahe aneinander bewegt werden wie möglich, um durch Elektrolytwiderstand bedingten Energieverlust zu minimieren. Rolleinrichtungen 122 ermöglichen den Elektroden, sich mit ihren Netzteilen 123 mitzubewegen.
Zusätzlich oder alternativ lassen sich mobile Elektroden in neuer Ausrichtung verwenden, wie in 34 abgebildet. Die herkömmliche Ausrichtung der Elektroden kann um 90 Grad gedreht werden, wie 34 zeigt. Die Kathoden können sich nach Produktionslinienart zwischen statischen Anoden bewegen, wobei sie an einem Ende des Prozesses eintreten und am anderen Ende, bereit für die Aberntung der Metallabscheidung, aus der Wanne herauskommen. Die Anoden sind statisch. In dieser Anordnung wäre irgendeine Form von Gleitkontakt notwendig, um den elektrischen DC-Kreis zwischen den Kathoden- und den Anodenelektroden zu schließen.
Zusätzlich oder alternativ ließe sich ein in Längsrichtung ausgerichtetes Produktionssystem benutzen, wie aus 35 hervorgeht. Kathoden 125, Anoden 126 und Netzteile bewegen sich alle gemeinsam der Produktionslinie entlang, wobei entweder die IEGs von den Netzteilen gespeist werden oder die Kathoden von den Netzteilen gespeist werden. Der Wechsel- oder Gleichstrom für die Netzteile wird von einer freihängenden Overheadleitung abgenommen, wobei entweder beide Teile dieser Versorgung von freihängenden Leitungen abgenommen werden oder lediglich ein Teil abgenommen wird, wobei der andere Teil durch das die Elektroden tragende Schienensystem fließt. 36 zeigt, wie sich eine Vielzahl von Kathoden- und Anodenleitungen entlang einer Produktionslinie so vorwärtsbewegen kann, wie in 35 dargestellt, und die Verwendung beider Seiten von Anoden ermöglicht.
Alternativ dazu und um die Notwendigkeit von Gleitkontakten, die IEG- oder Kathodenstrom tragen, zu beseitigen, können sich Anoden und Netzteile alle gemeinsam entlang der Produktionslinie bewegen, wobei entweder die IEGs durch die Netzteile gespeist werden oder die Kathoden durch die Netzteile gespeist werden. Der Wechsel- oder Gleichstrom für die Netzteile wird aus einer freihängenden Overheadleitung abgenommen, wobei entweder beide Teile dieser Versorgung aus freihängenden Leitungen abgenommen werden oder lediglich ein Teil abgenommen wird, wobei der andere Teil durch das die Elektroden tragende Schienensystem fließt. Die Breite der IEGs auf beiden Seiten der Kathode lässt sich variieren, indem die Schienen, die die Anoden tragen, näher an die Kathodenträgerschiene heran oder weiter von ihr weg bewegt werden. Dies ist dynamisch ausführbar, während sich das Produkt die Linie hinabbewegt. Mögliche Kurzschlüsse lassen sich durch Einfügen fixierter Isolierstangen in den Raum zwischen den Kathoden und Anoden abwenden, so dass die Stange, während die Kathoden vorbeiziehen, hohe Stellen abbaut. Falls eine Erhöhung der Produktionsdichte gewünscht wird, können mehrere Reihen von Kathoden und Anoden benutzt werden, wenn sich statt einer Kathode und zwei Anoden ein Anoden-Kathoden-Array der Produktionslinie entlang fortbewegt.
Obgleich die Erörterung bis jetzt erfolgt ist im Hinblick auf die Regelung des Stroms, der den Elektroden zugeführt wird, und vorzugsweise des Stroms quer durch den Elektrodenzwischenraum in einer Zelle, hat der Erfinder erkannt, dass vom Anlagenpersonal für elektrolytische Gewinnung und elektrolytische Raffination, einige den Elektrodenstrom anfänglich kaum messen wollen.
In einer Variante können Mittel zur Strommessung zumindest einigen, aber vorzugsweise jeder Kathode und/oder Anode zugeordnet werden. In einer bevorzugten Anordnung gehört Strommessausrüstung zu jeder Elektrode.
Hat die Elektrode, wie in 7b und 7c der Fall, Vorsprünge, z. B. Fahnen 11, die in Kontakt mit Sammelschienen 12 stehen, lassen sich die Netzteile 9 und 13, die elektrisch zwischen die Fahne 11 und die Sammelschiene 13 geschaltet sind, durch Strommesstransducer ersetzen. Weist die Elektrode zwei Fahnen auf, muss zu jeder Fahne eine Messeinrichtung gehören.
Die Strommesseinrichtungen können einem zentralen Prozessor Rückmeldungen zukommen lassen. Eine solche Kommunikation könnte drahtlos oder drahtgebunden stattfinden. Drahtgebundene Kommunikation kann via jeweilige Datendrähte, einen gemeinsamen Datenbus oder sogar durch Hineinmodulieren von Daten in die Sammelschienen selbst erfolgen
Die Strommessung von Gleichströmen lässt sich vornehmen, indem der Spannungsabfall über einem bekannten Widerstand gemessen wird. Alternativ kann der Strom gezwungen werden, einem Stromflusspfad zu folgen, und das magnetische Feld um den Pfad kann gemessen werden. Geeignete Techniken stehen in Form von Hall-Effekt-Vorrichtungen und magnetoresistiven Sensoren zur Verfügung. Im Handel erhältliche Sensoren enthalten häufig Bias- und/oder Flipping-Spulen, so dass derartige Sensoren, ob sie nun allein oder in Kombination arbeiten, externe magnetische Felder wie jene aus der Sammelschiene kompensieren können.
In ähnlicher Weise ist es, da die Fahnen 11 kurze, aber gut definierte leitende Pfade darstellen, möglich, einen auf einem magnetischen Feld basierenden Stromtransducer zum Messen des Stroms in den Fahnen 11 einzusetzen.
In ähnlicher Weise können, bei Anwendung von Elektroden mit der Konfiguration aus 21 und 22, die Regler 65 durch Stromsensoren ersetzt werden, mit zugehöriger Signalverarbeitungs- und Übertragungsschaltungen.
In ähnlicher Weise können, bei Anwendung von Elektroden mit der Konfiguration aus 21 und 22, die Regler 65 durch Stromsensoren ersetzt werden, mit zugehörigen Signalverarbeitungs- und Übertragungsschaltungen.
Vorteilhafterweise beinhalten die Strommesstransducer auch Spannungsmessschaltungen, entweder bezogen auf eine benachbarte Elektrode oder auf ein Bezugspotential (wie Ground), so dass sich die Spannungen über einem Elektrodenzwischenraum direkt messen oder berechnen lassen.
Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Strom-Spannungs-Charakteristik zwischen benachbarten Elektroden zu messen und folglich in der Lage zu sein, die Bildung von Metallspikes zu erfassen, die Elektrodenleistung zu verstehen, die Crop-Historie mit Stromfluss zu verknüpfen, usw.
In ähnlicher Weise kann eine Strommessschaltung, bei Versorgung der Elektroden via kurze (oder lange) Drähte, um jeden Draht platziert und der Stromfluss zu jeder Zelle gemessen werden, obgleich dies das Summieren mehrerer Messungen erfordern kann, wenn eine Elektrode mehrere Stromspeisungen hat.
Derartige Messungen lassen sich auch auf audiovisuellen Meldungseinheiten anzeigen. So kann eine Warnung erfolgen, wenn sich der Strom für eine Elektrode außerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs bewegt.
Selbst nur das Messen des Stroms kann schon einige Produktionsvorteile bringen, genauso wie das Vergleichen des Stromflusses zwischen benachbarten Elektroden auf eine Elektrodenfehlausrichtung aufmerksam machen kann, die sich durch geringfügiges Bewegen der Elektrode beheben lässt.
Es ist zu beachten, dass sich lokale Datenverarbeitung und -speicherung in jedes Netzteil oder jede Strommesseinrichtung einbeziehen lässt. Dies kann dort zweckmäßig sein, wo das Hinzufügen von Kommunikationen zu einem zentralen Computer möglicherweise schwer oder teuer ist. In einer solchen Anordnung können Daten zwecks Analyse lokal gespeichert und periodisch gesammelt werden, durch Mittel mit oder ohne Kontakt.
Zusammengefasst bietet die vorliegende Erfindung mehrere Vorteile. Die Kathoden- und Anodenelektroden müssen nicht dieselbe Größe aufweisen. Falls es zweckmäßig ist, könnten einer Elektrode des einen Typs (Anode oder Kathode) zwei (oder mehr) Elektroden des anderen Typs (Kathode oder Anode) zugewandt (d. h. in eine Zelle eingegliedert) werden, wobei jede der Platten halber Größe (oder verringerter Größe) versorgt wird von einem Konverter mit der halben (oder weniger) Kapazität von jener, die erforderlich wäre, wenn beide (alle) Platten die volle Größe hätten. Diese Anordnung könnte besonders nützlich sein, wenn Platten aus Fahnen oder Anschlüssen auf jeder Seite versorgt werden (wenn die Platten vertikal in eine Wanne gehängt werden). Jede Seite (Platte halber Größe) kann aus ihrem eigenen Konverter versorgt werden. Eine Isolierschiene quer durch die Wanne würde den beiden Flächengebilden halber Größe mechanischen Halt liefern.
Bei Betrachtung von sowohl ER als auch EW ist der Bereich der aus den Netzteilen benötigten Ausgangsspannung beachtlich. Am oberen Ende kann die EW von Zink eine Spannung in der Größenordnung von 3,5 Volt erfordern. Am unteren Ende beträgt das typische Nettoüberpotential in der ER von Kupfer gerade etwas über 0,2 V. Herkömmlichen Erwartungen zufolge kann unter der Wirkung des Spannungsabfalls in Elektrolytwiderstand, Kontaktwiderständen und Leiterwiderstand die benötigte Spannung in der Größenordnung von 0,3 V liegen. Die Erfindung strebt an, diese Spannung herunter zu treiben, um Energie zu sparen (da die von einer Zelle verbrauchte Energie gleich dem Produkt des durch die Zelle fließenden Stroms und des Spannungsabfalls über der Zelle ist). Die Erfindung macht es möglich, Anoden und Kathoden näher beieinander anzuordnen, als es das Vorurteil konventioneller industrieller Praxis lehrt, wodurch der Widerstand des elektrolytgefüllten Elektrodenzwischenraums verringert wird. Weiterhin können die Netzteile, die in der Erfindung IEGs speisen (oder individuelle Kathoden, falls notwendig), sehr nahe an den IEGs (oder Elektroden) angeordnet werden, wodurch der resistive Abfall vermieden wird, der anzutreffen ist, wenn Kabel von mehr als ein paar Zentimetern Länge benutzt werden, um die Netzteile an die Elektroden anzuschließen. In der Erfindung können sich die Netzteile gegebenenfalls auf den Elektroden (typischerweise den Kathoden) selbst befinden, und jegliche Verwendung von Kabel lässt sich vermeiden. Wenn das IEG angesteuert wird, können die Netzteile so konstruiert sein, dass sie eine ähnliche Dicke aufweisen wie der IEG und sich deshalb für die Anordnung auf dem Wannenrand nahe den Elektroden eignen. Daher ist entweder kein Kabel notwendig, oder es werden nur ein paar Zentimeter Kabel benötigt, um die Verbindung zwischen den Netzteilen und den Elektroden herzustellen. Das Ergebnis der Anwendung dieser Techniken für die Reduktion des Spannungsabfalls besteht darin, dass die Netzteile im normalen Betrieb möglicherweise eine Spannung unterhalb der normalerweise akzeptierten Betriebsspannung liefern müssen. In der ER von Kupfer heben sich Überpotentiale auf, so dass es keine theoretische Grenze dafür gibt, wie niedrig die Spannung zwischen Anode und Kathode werden kann. Ferner kann außerhalb des normalen Betriebs ein Metallspike auf der Kathode entweder einen Kurzschluss zwischen der Anode und der Kathode erzeugen, oder ein Kurzschluss kann durch ihn drohen. Mit dieser Situation kann auf vielerlei Weise verfahren werden, beispielsweise kann das Netzteil seine Ausgangsspannung verringern, um den durch den Metallspike oder Kurzschlusskreis fließenden Strom zu reduzieren, in welchem Fall zu diesem Zeitpunkt eine sehr geringe Netzteilausgangsspannung benötigt wird.

Claims

Vorrichtung zur Verwendung in der elektrolytischen Produktion von Metallen, umfassend eine Mehrzahl von Anoden (2) und eine Mehrzahl von Kathoden (1) in verschachtelter Konfiguration, wobei jedes Anoden- und Kathodenpaar eine Zelle (24) bildet; eine Mehrzahl von Netzteilen (9), wobei jede Zelle (24) zu einem oder mehreren jeweiligen Netzteilen (9) gehört; und die Netzteile (9) angeordnet sind, um einen Gleichstrom in der einen oder den mehreren Zellen (24) auf einen vorgegebenen Wert zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Netzteil zu einem Controller (55) gehört, der angeordnet ist, um den Gleichstrom so zu steuern bzw. zu regeln, dass eine Stromdichte in der einen oder den mehreren Zellen (24) auf einem vorgegebenen Wert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromdichte variabel ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Strom als Funktion von zumindest einer Kathoden-Anoden-Trennung innerhalb einer Zelle (24), einer Kathoden-Anoden-Spannung über einer Zelle (24), einer Elektrodengröße, einer Elektrodenkonfiguration, einer Elektrodenflachheit, einer Elektrodenqualität, einer Elektrodenimpedanz, einer Temperatur, einer Elektrolytkonzentration oder einer Entwicklung einer Strom-Spannungs-Charakteristik der Zelle (24) im Verlauf der Zeit geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kathoden-Anoden-Spannung über einer Zelle (24) so gesteuert bzw. geregelt wird, dass sie zwischen 0,2 V und 3,5 V liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stromfluss umkehrbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Netzteil (9) einen Schaltstromwandler (136) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder Controller (55) zu seinem zugehörigen Netzteil (9) gehört oder einen Teil davon bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei jedes Netzteil (9) eine Strommesseinrichtung (CT1) aufweist und ein zugehöriger Controller (55) den Betrieb des Netzteils (9) in Reaktion auf von der Strommesseinrichtung (CT1) vorgenommene Strommessungen steuert bzw. regelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Netzteile (55) eine Kommunikationseinrichtung zum Austauschen von Daten mit einem Computer (59) beinhalten.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Netzteile zu einem Statusindikator gehört oder diesen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Statusindikator zumindest eins von einer optischen Anzeige und einem Tonsignal aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Zelle (24) nicht in Reihenstromflusskommunikation mit ihrem Nachbarn ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die beiden Seiten einer oder mehrerer der Anoden (2) und Kathoden (1) elektrisch voneinander isoliert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei eines oder mehrere der Netzteile ausgebildet sind, um jeweiligen Seiten der einen oder mehreren Anoden (2) oder Kathoden (1) Strom zu liefern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei jede N-te Anode (2) oder Kathode (1) auf einer vorgegebenen Spannung gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die vorgegebene Spannung Ground ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin zumindest einen Abwärtstransformator (10) aufweist, um eine Versorgungsspannung auf eine Zwischenspannung zur Einspeisung in die Netzteile (9) zu senken.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Transformator in zwei Teile trennbar ist, die, wenn sie zusammengebracht werden, eine induktive Energiekopplung bilden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Netzteil (55) einen Datenprozessor oder eine andere Einrichtung aufweist, um Stromfluss zu hemmen, wenn ein Spannungs-Strom-Verhältnis in der zugehörigen Zelle ein Indikator dafür ist, dass ein Kurzschluss aufgetreten ist oder wahrscheinlich innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens auftreten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei einer oder mehrere der Controller (55) oder der Computer (59) ansprechen auf Messungen von Strom in und Spannung über einer Zelle (24), um festzustellen, ob sich ein Bump oder Spike in der Zelle (24) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehr als ein Netzteil (9) pro Anode (8) oder pro Kathode (1) eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei, wo eine Mehrzahl von Netzteilen (24) mit einer gemeinsamen Anode (2) oder Kathode (1) verbunden ist, ihre jeweiligen Controller (55) miteinander kooperieren, um sich die Steuerung bzw. Regelung und vorgegebene Strominformationen zu teilen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Anode (2) oder Kathode (1) in Subelektroden (110a, 110b) aufgeteilt ist, jede mit einem jeweiligen Netzteil (9) oder mit jeweiliger Stromsteuerung bzw. -regelung.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Kathoden (1) und/oder einige der Anoden (2) von einem Träger (66) herabhängen, der sich über Elektrolyt in einer Elektrolytwanne (76) erstreckt, und vom Träger (66) isoliert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der Träger (66) ein leitendes Element ist, das an ein Wannennetzteil gekoppelt ist, und zumindest eines der Netzteile (9) Energie aus dem Träger (66) erhält und eine zugehörige Kathode (1) oder Anode (2) versorgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Netzteile (9) Transistoren umfassen, die mit einer Schaltfrequenz in Verbindung mit Resonanz- oder Quasiresonanzkreisen angesteuert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Schaltfrequenz größer als 20 kHz ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei elektrische Kontakte für die Anoden-(2)- oder die Kathoden-(1)-Platten an einem Boden oder in sonstiger Weise innerhalb einer Elektrolytwanne (76) versenkt vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche wenn abhängig von Anspruch 2, wobei die Controller (55) die Interelektrodenspannung zwischen Anoden (2) und Kathoden (1) überwachen und steuern bzw. regeln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Anoden-Kathoden-Zwischenraum einstellbar ist und in Reaktion auf die Stromdichte in der Zelle oder die Spannung über der Zelle (24) gesteuert bzw. geregelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Netzteile (9) die Anoden-(2)- oder Kathoden-(1)-Spannungen steuern bzw. regeln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Netzteile einen oder mehrere Leistungs-MOSFETs umfassen.
Vorrichtung zur Verwendung in der elektrolytischen Produktion oder der elektrolytischen Raffination, umfassend: erste und zweite Elektroden (1, 2, 67); zumindest eine Sammelschiene (12); zumindest ein Netzteil; wobei ein Netzteil zu einer Elektrode gehört und angeordnet ist, um eine Stromversorgung aus einer Sammelschiene zur Elektrode zu regulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 34, die weiterhin einen Controller (55) zu jedem Netzteil (9) gehörig umfasst, um den Stromfluss zur Elektrode (67) auf einem vorgegebenen Wert zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei jeder Controller (55) angrenzend an sein zugehöriges Netzteil (9) ist oder einen Teil davon bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei jedes Netzteil (9) eine Stromüberwachungseinrichtung (CT1) aufweist und jeder zugehörige Controller (55) den Betrieb des Netzteils (9) in Reaktion auf von der Strommesseinrichtung (CT1) vorgenommene Strommessungen steuert bzw. regelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 37, wobei zumindest einige der Netzteile (55) eine Kommunikationseinrichtung zum Austauschen von Daten mit einem Computer (59) beinhalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 38, wobei zumindest eines der Netzteile (55) zu einem Statusindikator gehört oder diesen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei der Statusindikator eins oder mehrere von einer optischen Anzeige und einem Tonsignal aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 40, wobei zumindest eines der Netzteile (9) als Stromquelle betrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 41, wobei zumindest eines der Netzteile (9) ein Schaltstromwandler ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 42, wobei zumindest eines der Netzteile einen oder mehrere Leistungshalbleiterschalter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 42 und 43, wobei der Duty-Cycle des Betriebs des Netzteils (9) größer als 20 kHz ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 39, wobei die Sammelschienen (12) an zumindest einen Abwärtstransformator elektrisch gekoppelt sind und wobei zumindest einem der Netzteile (9) via die Sammelschienen (12) Energie zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 45, wobei zumindest eines der Netzteile (9) Hilfsenergie zusätzlich zu der von den Sammelschienen (12) bereitgestellten Energie bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 46, wobei die Elektrode (67) eine Mehrzahl von Vorsprüngen (11) aufweist, die angeordnet sind, um auf den Sammelschienen (12) zu ruhen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 47, wobei die Elektrode (67) auf einer Hängerschiene (66) aufgehängt ist, wobei die Hängerschiene (66) angeordnet ist, um auf der Mehrzahl von Sammelschienen (12) zu ruhen.
Vorrichtung nach Anspruch 48, wobei die Hängerschiene (66) von der Elektrode (67) elektrisch isoliert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 47, wobei das zumindest eine Netzteil (9) zwischen einem oder mehreren aus der Mehrzahl von Vorsprüngen und den Sammelschienen (12) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 47, wobei das zumindest eine Netzteil (9) in die Vorsprünge (11) eingegliedert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 47, wobei das zumindest eine Netzteil (9) in eine oder auf einer Elektrode (67) eingegliedert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 48 oder 52, wobei das zumindest eine Netzteil (9) zwischen der Hängerschiene (66) und der Elektrode (67) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 48 oder 52, wobei das zumindest eine Netzteil (9) in die Hängerschiene eingegliedert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 54, wobei eine der Elektroden (67) eine erste Seite und eine zweite Seite umfasst und wobei die erste Seite und die zweite Seite elektrisch isoliert voneinander sind.
Vorrichtung nach Anspruch 55, wobei der Stromfluss in der ersten Seite der Elektrode unabhängig vom Stromfluss in der zweiten Seite der Elektrode geregelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 56, wobei eine Mehrzahl von Netzteilen (55) gemeinsam zur selben Elektrode (67) gehört und miteinander kooperiert, um sich die Steuerung bzw. Regelung und vorgegebene Strominformationen bezüglich der zugehörigen Elektrode (67) zu teilen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 57, die weiterhin zumindest einen Abwärtstransformator aufweist, um eine Versorgungsspannung auf eine Zwischenspannung zur Einspeisung in die Netzteile (9) zu senken.
Vorrichtung zur elektrolytischen Produktion oder elektrolytischen Raffination von Material, umfassend: eine Elektrode (67), die umfasst: eine erste leitende Schicht (110a) und eine zweite leitende Schicht (110b); wobei die erste leitende Schicht (110a) und die zweite leitende Schicht (110b) durch eine elektrisch isolierende Schicht (111) getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 59, wobei die erste leitende Schicht (110a) an die elektrisch isolierende Schicht (111) gebondet oder geklebt ist und die zweite leitende Schicht (110b) an die elektrisch isolierende Schicht (111) gebondet oder geklebt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 59 bis 60, wobei sich die elektrisch isolierende Schicht (111) erstreckt, um zumindest einen Teil der Ränder der Elektrode (67) zu bedecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 59 bis 61, die weiterhin eine Mehrzahl von Netzteilen (9) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 62, wobei eines oder mehrere der Netzteile (9) als Stromquelle betrieben werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 59 oder 63, wobei eines oder mehrere der Netzteile (9) einen Schaltstromwandler umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 59 bis 64, wobei der ersten leitenden Schicht (110a) und der zweiten leitenden Schicht (110b) unabhängig Energie zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 59 bis 65, wobei jedes Netzteil (9) eine Stromüberwachungseinrichtung (CT1) aufweist und ein zugehöriger Controller (55) den Betrieb des Netzteils (9) in Reaktion auf von der Strommesseinrichtung (CT1) vorgenommene Strommessungen überwacht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 63 bis 66, wobei zumindest einige der Netzteile eine Kommunikationseinrichtung zum Austauschen von Daten mit einem Computer (59) beinhalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 59 bis 67, die weiterhin zumindest einen Abwärtstransformator aufweist, um eine Versorgungsspannung auf eine Zwischenspannung zur Einspeisung in die Netzteile (9) zu senken.
Vorrichtung zur elektrolytischen Produktion von Materialien, umfassend erste und zweite Elektroden sowie Aktoren zum Steuern bzw. Regeln einer Trennung zwischen denselben in Abhängigkeit von zumindest einem von: Entwicklung der Strom-Spannungs-Charakteristik zwischen den ersten und zweiten Elektroden; Elektrodenzustand; Zeit.
Vorrichtung zur elektrolytischen Produktion, wo zumindest einige Verbinder bzw. Anschlussteile zwischen Netzteilen, Hängerschienen und Elektroden Kontakte umfassen, die gegen eine kooperierende leitende Fläche drücken.
Vorrichtung nach Anspruch 70, wobei die Kontakte Stifte oder dergleichen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 70 oder 71, wobei die Kontakte federbelastet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 70, wobei die Kontakte elastisch sind.
Vorrichtung zur elektrolytischen Produktion, umfassend: eine Mehrzahl von Elektroden; Stromsensoren, gehörend zu zumindest einigen der Elektroden, und Ausgabe- oder Datenverarbeitungsschaltungen zum Ausgeben oder Verarbeiten der Strommessungen.