DE2434214B2 - Aufhängevorrichtung für Kathoden in Elektrogewinnungs- oder Elektroraffinationszellen - Google Patents

Description

15

20

25

35

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufhängevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere auf eine Aufhängevorrichtung für Kathoden für die Kupferraffination.

Seit vielen Jahren ist die Kupferraffination durch elektrolytische Verfahren bekannt, wobei reines Kupfer an der Kathode einer elektrolytischen Zelle elektrolytisch abgeschieden wird, deren Anode normalerweise eine unreine, während der Elektrolyse verbrauchte Kupferanode ist. Es war allgemein üblich, in einer ersten Stufe eine dünne reine Kupferschicht auf einer speziell präparierten Mutterplatte elektrolytisch abzuscheiden, so in einer zweiten Stufe das frisch abgeschiedene reine Kupfer von der Mutterplatte in Form eines dünnen Ausgangsblechs abzustreifen und in einer dritten Stufe dieses Ausgangsblech als Kathode in einer anderen Zelle zu verwenden, in der eine dicke reine Kupferschicht elektrolytisch auf der Kathode abgeschieden wird. In jüngerer Zeit wurde Titan als Material für die Mutterplatte in diesem Prozeß eingesetzt Eine Weiterentwicklung besteht darin, eine dicke Abscheidung aus reinem Kupfer direkt auf einer Titankathode &o aufzubauen, von der es anschließend als dicke Platte abgestreift wird, wobei die erste und zweite Stufe des vorgenannten Prozesses wegfallen.

Wenn als Material für die Mutterplatte in dem ersten Prozeß oder für das Ausgangsblech in dem zweiten Prozeß Titan verwendet wird, ist jede Mutterplatte bzw. jedes Ausgangsblech über eine Aufhängeschiene an der Stromschiene angeschlossen. Die Aufhängeschiene erstreckt sich quer über die elektrolytische Zelle und ist mit der auf einer Seite oder beiden Seiten der Zelle befindlichen Stromschiene in Kontakt Bisher bestanden diese Aufhängeschienen aus Kupfer, wobei der Anschluß zwischen dem Kupfer der Aufhängeschiene und der Titanplatte durch Schrauben oder Niete erfolgte. Der elektrische Kontakt zwischen der Titanplatte und der Aufhängeschiene erwies sich jedoch als unzuverlässig.

Die Titanplatte und die Aufhängeschiene werden nahe den Schrauben oder der Niete dicht zusammengehalten, während sie sich an anderen Stellen leicht voneinander trennen können. Diese Trennung kann die Folge mechanischer Beanspruchung durch das Begehen der Zellen durch Bedienungspersonen und durch das Einsetzen der Kathode in die Zelle, das Herausnehmen aus der Zelle und das Entfernen der Kupferplatte und durch die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Titan sein. Wenn eine Trennung zwischen Aufhängeschiene und Kathodenblech entstanden ist können Elektrolytspritzer in diese Spalte eindringen. Beim Austrocknen bleiben dann Kristalle aus beispielsweise Kupfersulfat in den Spalten zurück. Die Kristalle verhindern dann ein Schließen der Spalte unter dem Einfluß anderer Verformungen. Vielmehr sammelt sich immer mehr Material in den Spalten an, was zu einem ständigen Aufspreizen der Spalte führt. Die damit verbundene Verringerung der Oberflächenkontaktfläche führt selbstverständlich zu einer Zunahme des Widerstandes der elektrischen Verbindung des Anschlusses.

Die früheren Anschlüsse von Kupfer an Kupfer hatten eine hohe Qualität. Die Elektrolytspritzer üben auf das Kupfer eine reinigende Wirkung aus, die jedoch bei Titan nicht vorliegt. Bei den bisher benutzten Strömen wurde das Problem des elektrischen Kontaktes dadurch gelöst, daß man zu seiner Verbesserung die Anzahl der Schrauben oder Niete vergrößerte. Durch die Benutzung höherer Stromstärken bei der elektrolytischen Raffination haben sich jedoch ernste Probleme hinsichtlich des Kontaktwiderstands ergeben.

Da viele Kathoden parallel geschaltet sind und der zugeführte Strom konstant ist, erhält eine Elektrode weniger Strom, wenn ihr Widerstand ansteigt. Dies führt nicht nur zu einer geringeren Abscheidungsgeschwindigkeit auf der Kathode, sondern erhöht auch den durch die übrigen Kathoden hindurchgehenden Strom. Dies kann dazu führen, daß die Kathode mit dem nächsthöchsten Widerstand überlastet wird und sich überhitzt, verformt und einen Widerstandsanstieg zeigt. Dies hat einen weiteren Stromanstieg für die übrigen Kathoden zur Folge, was zu einer Aufeinanderfolge von Störungen führen kann.

Die Erwärmung einer Kathode kann zusätzlich zu der wachsenden Belastung der übrigen Kathoden eine Verformung der erwärmten Kathode bewirken. Jede kleine Verformung ist jedoch mit einem außergewöhnlichen örtlichen Wachstum an der Stelle verbunden, an der sich die Kathode der Anode nähert. Dies kann zu einem kugeligen Wachstum und schnellen Aufbau der Abscheidung auf der Kathode führen und damit zu einem Kurzschluß zwischen der Kathode und der Anode.

Da auch der Energieverlust infolge Erhitzung des Anschlusses zwischen Kathodenplatte und Aufhängeschiene beträchtliche Werte annehmen kann und die Betriebskosten erhöht, hat dieser Faktor eine wesentliche Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit der elektrolyt!-

sehen Raffination.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufhängevorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, die sich durch anhaltend gute elektrische Kontaktgabe der Verbindung Aufhängeschiene-Titanblech auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst

Erfindungsgemäß ist somit die bekannte Schraub- bzw. Nietverbindung zwischen der Aufhängeschiene aus Kupfer und dem Titanblech durch eine zweiteilige Verbindung ersetzt, nämlich durch eine erste Verbindung zwischen dem Kupfer der Aufhängeschiene und dem Titan der Ummantelung und eine zweite Schweißverbindung zwischen der Ummantelung und dem Titanblech. Die Kupfer-Titanverbindung liegt damit in einer Zone, in der sie vor dem Eindringen von Elektrolytspritzern und der damit verbundenen Kristallbildung mit dem beschriebenen Aufspreizeffekt geschützt ist Elektrolytspritzer können allenfalls in nicht miteinander verschweißte Bereiche der Verbindung zwischen der Titanummantelung und dem Titanblech eindringen, die Schweißverbindung selbst jedoch nicht beeinträchtigen. Auf diese Weise ist ein hervorragender elektrischer Kontakt zwischen Aufhängeschiene und Kathode gewährleistet, der sich auch bei längerem Gebrauch der Kathode nicht verschlechtert. Die bei geschraubten bzw. genieteten Anschlußverbindungen von Zeit zu Zeit erforderlichen Wartungsmaßnahmen sind daher völlig überflüssig. Darüber hinaus liegt der Übergangswiderstand bei der erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung prinzipiell niedriger als bei Schrauboder Nietverbindungen, selbst wenn diese noch einwandfrei fest sind, so daß der Raffinationsprozeß insgesamt wirtschaftlicher abläuft Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung liegt nicht zuletzt darin, daß alle Kathoden denselben Strom führen und demgemäß die auf ihnen aufgebauten Abscheidungen gleiche Stärke besitzen.

Es ist zwar bereits bekannt (DL-PS 48 577), elektrische Leiter mit einem Mantel aus Titan und einem Kern aus Kupfer in Zellen zur Elektrolyse von Chloriden zu verwenden, die in die Zelle hineinführen und den Strom zu den Anoden führen. Ferner ist es bekannt (DT-OS 14 67 226), bei der elektrochemischen Abscheidung des Chlors in wäßriger Lösung Titan nur auf die wirksame Oberfläche von Graphitanoden aufzubringen. In beiden Fällen liegt der Grund für die Verwendung des Titans ausschließlich darin, daß es so gegen naszierendes Chlor widerstandsfähig ist, während das Chlor beispielsweise Kupfer in kürzester Zeit vollständig korrodieren würde. Da Titan schlecht leitet und teuer ist, versucht man, mit möglichst geringen Titanmengen auszukommen und schützt daher gute Leiter aus beispielsweise Kupfer durch Titanmäntel vor Korrosion. Diesen lange bekannten Anordnungen liegt also das Korrosionsproblem zugrunde, das bei der Elektroraffination nicht auftritt, wie die übliche Verwendung von Aufhängeschienen aus unbeschichtetern Kupfer zeigt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Aufhängeschiene vollständig mit Titan ummantelt.

Die Kante des Titanblechs ist vorteilhaft in Form von abgekröpften Schenkeln ausgebildet, wobei diese Schenkel mit der Aufhängeschiene verschweißt sind.

Die Schenkel sind vorzugsweise versetzt angeordnet, so daß das Titanblech unter der Mittellinie der Aufhängeschiene hängt Die Schenkel sind vorteilhaft voneinander auf Abstand gehalten, so daß in die dadurch entstehenden Ausnehmungen Greifelemente von Vorrichtungen zum Ausheben und Einsetzen der Kathoden eingreifen können.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Kante durch Punktschweißung mit der Aufhängeschiene verbunden. Die Punktschweißung gewährleistet einen hervorragenden elektrischen Kontakt und ist mechanisch außerordentlich widerstandsfähig.

Vorzugsweise liegt die Aufhängeschiene an mindestens einem ihrer Enden auf einer elektrischen Stromschiene auf, wobei die Ummantelung an dem Kontaktpunkt mit der Stromschiene entfernt ist

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von bekannten Aufhängevorrichtungen sowie erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt eines bekannten vernieteten Anschlusses,

F i g. 2 einen Teilschnitt eines bekannten verschraubten Anschlusses,

F i g. 3 einen Teilschnitt eines Endes einer Kupfer/Titangrenzfläche,

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung,

Fig.5 eine Ansicht in Richtung des Pfeils V der Fig. 4,

F i g. 6 eine vergrößerte Ansicht in Richtung des Pfeils VI der F i g. 4,

Fi g. 7 eine perspektivische Teilansicht einer elektrolytischen Zelle und eines Kathodeneinbaus,

F i g. 8 eine graphische Darstellung des Spannungsabfalls in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig.9 einen Querschnitt eines Strangpreßkörpers und

Fig. 10 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels für die Aufhängeschiene.

Fig. 1 zeigt zwei Kupferplatten 1, die in bekannter Weise durch einen Niet 3 mit einer Titanplatte 2 verbunden sind. Der Niet 3 ist in ein durch die Platten 1 und 2 reichendes Loch eingesetzt und zusammengepreßt Die Zusammenpressung führt zu einer Verdikkung in der Nietmitte, so daß diese in feste Berührung mit der Wandung des Lochs in der Platte 2 gedrückt wird. Die Nietköpfe werden ebenfalls in enge Berührung mit den Stirnflächen 5 der Platten 1 gepreßt Der Strom von der Titanplatte 2 zu den Kupferplatten 1 hat die Neigung, den Weg längs der Pfeilanordnung 6 durch die Grenzfläche zwischen der Bohrung in Platte 2 und der Oberfläche des Niets 3, längs des Niets und über die Stirnflächen 5 in die Kupferplatten 1 zu nehmen. Thermische Wechselbeanspruchung des Niets führt zu dessen Entspannung und infolgedessen zu einem Anstieg des Kontaktwiderstandes.

Die in F i g. 2 gezeigte, ebenfalls bekannte Schraubverbindung hat eine andere Gestalt Die Platten 1 und 2 sind durch die Schraube 7 und Mutter 8 miteinander verschraubt. Das Festziehen der Schrauben führt zu deren Dehnung und damit zu einer Verjüngung der Schraube, wodurch zwischen Schraube und Bohrung über deren Länge ein Spalt 9 entsteht Der Stromweg zwischen dem Titan 2 und dem Kupfer 1 erfolgt größtenteils längs der Pfeile 6a Es ist zu erkennen, daß der Strom größtenteils in den komprimierten Zonen unterhalb des Kopfes der Schraube 7 und der Mutter 8 zwischen dem Kupfer und dem Titan fließt Die thermische WechselbeansnnirhnncHiMPr Ancr-hlnRvpr-

bindung führt zu einem allmählichen Nachlassen der Zugspannung in der Schraube. Infolgedessen entsteht ein Druckabfall an der Grenzfläche zwischen dem Titan und dem Kupfer unterhalb des Kopfes der Schraube 7 und unterhalb der Mutter 8. Daher besteht abermals die Neigung, daß der Widerstand der Anschlußverbindung mit der Zeit zunimmt.

In beiden Fällen endet die Anschlußverbindung zwischen dem Kupfer 1 und dem Titan 2 an einem Bereich, wie er in Fig.3 dargestellt ist. In diesem Endbereich entsteht ein Spalt, in den Elektrolytspritzer eindringen und unter Bildung von Kristallen, z. B. Kupfersulfatkristallen, austrocknen. Während eines Temperaturanstiegs kann die unterschiedliche Wärmedehnung von Kupfer und Titan bewirken, daß sich das Kupfer von dem Titan entfernt, so daß sich die Abscheidung 10 aufbaut, die in F i g. 3 gezeigt ist. Wenn die Verbindung abkühlt, kann der Spalt zwischen dem Kupfer und dem Titan wegen des Kristallkeils 10 nicht vollständig verschwinden. Bei dem nächsten Temperaturzyklus wird daher das Kupfer weiter von dem Titan entfernt und dann abermals durch eine weitere Abscheidung von Elektrolytsalz, die den Keil 10 aufbaut, an einer Rückkehr gehindert. Es entsteht daher eine Spreizwirkung, die das Kupfer von dem Titan trennt und so den Kontaktwiderstand der Verbindungen erhöht.

Obgleich die Kupferplatten 1 auf beiden Seiten der Titanplatte 2 dargestellt sind, kann auch nur eine einzelne Kupferplatte 2 mit einer genieteten oder verschraubten Anschlußverbindung vorgesehen sein, wobei das gleiche Prinzip gilt.

Nach Fig.4 ist an eine Aufhängeschiene 11 ein Titanblech 12 angeschweißt. Das Titanblech hat an seinem oberen Ende abgekröpfte, versetzte Schenkel 13,14 und 15, von denen sich die Schenkel 13 und 15 auf der einen Seite der Aufhängeschiene 11 und der Schenkel 14 auf der anderen Seite der Aufhängeschiene 11 befinden. Die versetzten Schenkel 13, 14 und 15 haben voneinander Abstand, so daß Spalte 16 und 17 vorliegen, die die Handhabung der Kathode erleichtern. Die Schenkel 13,14 und 15 sind durch Punktschweißung bei 18 mit der Aufhängeschiene verbunden.

Die Aufhängeschiene 11 hat einen zentralen Kupferkern 19, wie besonders deutlich aus Fig.6 zu entnehmen ist. Der Kupferkern 19 ist von einer Titanummantelung 20 umgeben. Die Schenkel 13, 14 und 15 aus Titan sind selbst mit der Titanoberfläche verschweißt, so daß ein guter elektrischer Kontakt geschaffen wird. Die Enden 21 und 22 der Aufhängeschiene 11 sind maschinell so bearbeitet, daß der Titanmantel entfernt ist und eine Kupferfläche 23 freiliegt.

Die Fläche 23 des Kupfers ruht auf Stromschienen 24 beiderseits der elektrolytischen Zelle 25, wie es in der perspektivischen Teilansicht der F i g. 7 deutlich zu sehen ist.

Die Aufhängeschiene 11 wird durch gemeinsames Extrudieren eines Kupferkerns und eines Titanmantels bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 80O⁰C hergestellt, wobei eine gute metallurgische Bindung zwischen dem Kupfer und dem Titan entsteht. Beim Gebrauch der Kathode verläuft daher der elektrische Stromweg von den Kupfer-Stromschienen 24 über die Fläche 23 in den Kupferkern 19, und durch die Grenzfläche zwischen dem Kern 19 und der Ummantelung 20 und durch die Schweißstellen 18 in das Titanblech 12.

F i g. 8 zeigt den Spannungsabfall an der Grenzfläche Aufhängeschiene/Titanblech in Abhängigkeit von dei Benutzungszeit. Die Linien 26,27,28 und 29 zeigen der Spannungsabfall bei den bekannten Schraubverbindungen, während die Linie 30 den Spannungsabfall der beschriebenen geschweißten Anordnung zeigt. Es ist zu sehen, daß die Streuung des Spannungsabfalls an der Grenzfläche bei den Schraubverbindungen sehr groß ist Obgleich der Spannungsabfall an einigen Schraubverbindungen konstant bleibt oder nur um einen geringen Betrag ansteigt, gibt es Fälle, bei denen die Spannung außerordentlich stark ansteigt, wie Fall 29, wo Überhitzung eintritt und die Verbindung unbrauchbar wird. In einem solchen Fall muß die Kathode außer Betrieb genommen, die Aufhängeschiene und das Kathodenblech auseinandergeschraubt und die Schraubverbindung nach Säuberung der Kontaktflächen wieder hergestellt werden. Der Spannungsabfall an der geschweißten Verbindung beginnt dagegen mit einem viel kleineren Wert und bleibt konstant, da keine mechanische Verbindung schadhaft werden kann.

Obgleich die Schenkel 13, 14 und 15 versetzt dargestellt sind, ist eine solche Anordnung nicht notwendig. Die Schenkel könnten sich alle an einer Seite der Aufhängeschiene 11 befinden, in welchem Falle der Hauptkörper des Titanblechs 12 entweder abgekröpft sein kann, so daß er unter der Mittellinie der Aufhängeschiene hängt, oder er könnte direkt von der Linie der Punktschweißungen 18 nach unten hängen.

Andere Anordnungen können ins Auge gefaßt werden, bei denen die Spalte 16 und 17 fehlen und die Blechkante direkt an die Titanummantelung 20 angeschweißt ist. Obgleich oben eine Punktschweißung angegeben ist, können ggf. andere Schweißarten angewendet werden, wie die Nahtschweißung oder eine andere elektrische Widerstandsschweißung oder die Schmelzschweißung. Der Kern 19, der nach der vorstehenden Beschreibung aus Kupfer besteht, kann aus Aluminium gebildet werden, falls es erforderlich ist.

Obgleich die dargestellte und beschriebene Aufhängeschiene von einer durchgehenden Titanummantelung vollständig umgeben ist, kann auch ein Teilmantel, wie er beispielsweise in den Fig.9 und 10 dargestellt ist, vorteilhaft sein. Gemäß F i g. 9 wird ein Kupferstrang 31 zwischen zwei gekrümmten Titanblechen 32 eingesetzt und der Strang dann bei einer hohen Temperatur extrudiert, wobei eine metallurgische Bindung zwischen dem Kupfer und dem Titan erfolgt. Das überschüssige Kupfer wird dann von dem extrudierten Abschnitt maschinell abgetragen und dabei die Titanplatten 32 freigelegt, so daß Anschweißungen an ihnen vorgenommen werden können.

In F i g. 10 ist ein Kupferstrang 33 fast vollständig von einem Titanblech 34 umgeben. Diese Aufhängeschiene wird unter Bildung einer metallurgischen Bindung zwischen dem Titan und dem Kupfer extrudiert. Sie wird dann in gleicher Weise verwendet, wie oben beschrieben wurde.

Eine weitere einfache Methode, wie das Titanblech metallurgisch mit dem Kupfer verbunden werden kann,

ist die Explosionsschweißung, bei der ein dünnes Titanblech auf das Kupfer gelegt und dann in bekannter Weise durch Explosion mit diesem verbunden wird.

Erforderlichenfalls kann die Aufhängeschiene durch eine starke Stahleinlage verstärkt werden, um im Betrieb das Gewicht der beschichteten Kathode und auch das Gewicht des Bedienungspersonals tragen zu können, das auf der Oberfläche der Zellen entlang läuft und dabei die Aufhängeschienen als Laufsteg benutzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Aufhängevorrichtung für Kathoden in Elektrogevvinnungs- oder Elektroraffinationszellen, wobei die Kathoden jeweils aus einer Aufhängeschiene aus Kupfer und einem an dieser befestigten durchgehenden Titanblech bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängeschiene (If) mindestens teilweise mit Titan ummantelt ist und daß das Titanblech (12) längs einer Kante an der Ummantelung (20) der Aufhängeschiene angeschweißt ist

2. Aufhängevorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängeschiene (11) vollständig mit Titan ummantelt ist

3. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Kante in Form von abgekröpften Schenkeln (13, 14, 15) ausgebildet ist und diese Schenkel mit der Aufhängeschiene (11) verschweißt sind.

4. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Schenkel (13, 14, 15) versetzt angeordnet sind.

5. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die Schenkel (13, 14, 15) voneinander auf Abstand gehalten sind.

6. Aufhängevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Kante durch Punktschweißung mit der Aufhängeschiene (11) verbunden ist

7. Aufhängevorrichtung nach einem der Ansprüehe 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Aufhängeschiene (11) an wenigstens einem ihrer Enden auf einer elektrischen Stromschiene (24) aufliegt und die Ummantelung (20) an dem Kontaktpunkt (23) mit der Stromschiene (24) entfernt ist.

10