DE2553032A1

DE2553032A1 - Kontaktschiene aus elektrisch leitendem material

Info

Publication number: DE2553032A1
Application number: DE19752553032
Authority: DE
Inventors: Richard Deane; Ronald N Honey; Clifford J Krauss
Original assignee: Teck Metals Ltd
Current assignee: Teck Metals Ltd
Priority date: 1974-11-28
Filing date: 1975-11-26
Publication date: 1976-06-10
Also published as: YU300375A; FR2292779A1; AU8691875A; BE836102A; DE2553032B2; MX3226E; NO142179B; ES442975A1; CA1034533A; NL169351C; NL7513406A; YU39753B; JPS5177503A; GB1490309A; FI58356B; BG39114A3; FI58356C; IT1056286B; US4035280A; FR2292779B1

Description

Patentanwalt

0:η'.-ίη₃. föa,"icr Jackisch

Z Stuttg art N. Menzeistraße 4Q

Cominco Ltd. A 35 014

200 Granville Square

Tancouver, British Columbia 24. Nov, 1975

Canada

Kontaktschiene aus elektrisch leitendem Material

Die. Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktschiene der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art sowie auf die Verwendung dieser Kontaktschiene in einer elektrolytischen Zelle.

Bei bekannten elektrolyt!schen Zinkgewinnungsprozessen (TJS-PS 2 443 112) werden Reihen von elektrolyt is chen Zinkzellen verwendet, wobei jede Zelle den Elektrolyten enthält. Die Anoden und Kathoden jeder Zelle sind in gleichen Abständen und in alternierender Folge parallel zueinander angeordnet. Die Anoden sind in dem gewählten Elektrolyten unlöslich und bestehen üblicherweise aus Blei oder aus einer Silber-Bleilegierung. Die Anoden sind mit Kopfschienen versehen, welche die Zelle überspannen und aus einem elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise

sincC.

Kupfer, hergestellt/ Die Kathoden sind dagegen aus Aluminiumblech hergestellt. Diese Bleche erleichtern das Ab-

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streifen des an den Kathoden niedergeschlagenen Zinks. Die Kathoden sind ebenfalls mit Kopfschienen aus einem elektrisch leitendem Material, üblicherweise Aluminium hergestellt. Die Kopfschienen sämtlicher Elektroden stehen über die Seiten der Elektroden hinaus, die sie durch Schwerkraftwirkung haltern sollen. Einer der überstehenden Bereiche jeder Kopfschiene ist an seiner Unterseite mit einer Kerbe in Form eines umgekehrten V versehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kontaktschiene der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche einerseits die Elektroden einer elektrolytischen Zelle haltert und andererseits einen guten elektrischen Kontakt mit den Kopfschienen bildet, d.h., einen innigen Metall-Metall-Kontakt, so daß dem Durchtritt eines elektrischen Stroms zwischen den Kontaktschienen und den gekerbten Bereichen der Kopfschienen ein Minimum an elektrischem Widerstand entgegengesetzt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kontaktschiene nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2-8 gekennzeichnet.

Eine weitere Lösung der Aufgabe ist in dem Anspruch 9 gekennzeichnet.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kontaktschiene nach Anspruch 9 ergeben sich aus den Ansprüchen 10 - 15.

Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Kontaktschiene in einer elektrolytischen Zelle ist in dem Anspruch 16 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausführungen der elektrolytischen Zelle nach Anspruch 16 sind in den Ansprüchen 17-21 gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Kontaktschiene, welche eine generell zylindrische Form sowie einen mit spulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnitt besitzt, erzeugt Schräg-Berürfungskontakte zwischen den die spulenförmigen Eindrehungen bildenden Eingnuten und den in den Elektroden-Kopfschienen ausgebildeten Kerben. Die spulenförmigen Eindrehungen werden durch Einschneiden von Ringnuten in gleichen Abständen in die generell zylindrische Kontaktschiene hergestellt. Wenn die Kerben in den Kopfschienen in die Eingnuten zwischen den spulenförmigen Eindrehungen der Kontaktschiene positioniert werden, erzeugt das Gewicht der Elektroden Schräg-Berührungskontakte von hohem Anpreßdruck, woraue eine ausgezeichnete Stromübertragung zwischen den Kopfschienen und den Kontaktschienen resultiert.

Die erfindungsgemäße Kontaktschiene ist, wie bereits erwähnt, über ihre gesamte Länge zylindrisch und beeteht aus elektrisch leitendem Metall. Die Endabschnitte jeder Kon-

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.- 4 - ■

takt schiene sind Vollzylinder, während der Mittelabschnitt mit spulenförmigen Eindrehungen versehen ist. Dieser Mittelabschnitt wird durch Einschneiden einer Vielzahl von Ringnuten erzeugt, welche in gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet sind. Diese Ringnuten sind über die länge des Mittelabschnitts identisch oder abwechselnd identisch ausgebildet und durch zylindrische Schienenabschnitte gegenseitig getrennt. Jede einzelne Ringnut besitzt einen zylindrischen Mittelbereich, der einen wesentlich geringeren Durchmesser als die zylindrischen Endabschnitte der Kontaktschiene besitzt. Der Mittelbereich der Ringnuten sollte schmäler ausgebildet sein als die Breite der Elektroden-Kopf schienen in deren gekerbten Bereichen. Die Ringnuten besitzen abgeschrägte Seitenwände, die sich an gegenüberliegenden Seiten des zugeordneten zylindrischen Mittelabschnittes gegenüberliegen. Im Ergebnis bilden die Ringnuten somit spulenförmige Eindrehungen, weiche eine zylindrische Form und kegelstumpfförmige Seitenwände aufweisen.

Die erfindungsgemäßen Kontaktschienen können insbesondere für elektrolytisehe Zellen zur Gewinnung von Zink verwendet werden, doch ist auch eine Verwendung in Zellen zur elektrolytischen Gewinnung von anderen Metallen, wie beispielsweise Kupfer, Kadmium, Kobalt, Blei, Nickel und Silber in Metallgewinnungs- oder Metallraffinationsprozessen möglich.

Die Erfindung wird mit ihren weiteren Einzelheiten und Vor-

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teilen anhand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Kontaktschiene näher erläutert, welche in Zellen zur elektrolytisehen Zinkgewinnung verwendet werden kann. Es zeigen«

Pig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer Zellenreihe, bei der die erfindungsgemäße Kontaktschiene verwendet wird|

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kontaktschiene }

Fig. 3 eine Seitenansicht einer speziell ausgebildeten erfindungsgemäßen Kontaktschiene zur Verwendung bei den endseitigen Zellen der Zellenreihe, und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines endseitigen Kopfstückes, das an einem Ende jeder Kathoden-Kopf schiene starr befestigt ist.

Da Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Reihe elektrolytiseher Zellen mit den erfindungsgemäßen Kontaktschienen ist, zeigt diese Figur lediglich zwei Zellen an dem einen Ende der Zellenreihe und einen 5Deil einer Zelle an dem anderen Ende der Zellenreihe. Die Darstellung sämtlicher Zellen der Reihe würde eine untunliehe Wiederholung darstellen. Die veranschaulichten Zellen sind ebenfalls zur Vermeidung von Wiederholungen in Längsrichtung der Reihe aufgeschnitten, wie mit den Schnittlinien 10 und 11 angedeutet ist. Ferner ist die Zellenreihe quer zur Reihe aufgeschnitten, wie mit den

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Schnittlinien 12 und 13 veranschaulicht ist. Die beiden Zellen auf der linken Seite von Fig. 1 sind mit den Bezugszeichen 14A und 14B versehen, während die endseitige Zelle auf der rechten Seite von Mg. 1 mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist. Die Zellen 14A und 15 sind somit die beiden endseitigen Zellen. Sämtliche dazwischenliegenden Zellen der Reihe ähneln der Zelle 14B. In diesen Zellen sind die mit 16 bezeichneten Elektroden die Anoden, während die Kathoden mit 17 bezeichnet sind.

Samtliche Zellen besitzen einen herkömmlichen rechteckförmigen Aufbau. An jedem benachbarten Zellenpaar sind im wesentlichen rechteckförmige Isolatoren 19 befestigt, derart, daß jeder Isolator die beiden benachbarten Zellwände überbrückt. In jedem Isolator 19 ist eine Nut 20 vorgesehen, um eine er— findungsgemäße Kontaktschiene so zu positionieren, daß sie mit ihrer Längsachse in gleichen Abständen zwischen den parallel angeordneten Seitenwänden der Zellen liegt. Eine derartige Kontaktschiene ist in Fig. 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 21 versehen.

In Fig. 2 ist eine Kontakt schiene 21 in größerem Maßstab veranschaulicht. Wie hieraus hervorgeht, besitzt die Kontaktschiene 21 zwei zylindrische Endabschnitte 22 und einen mit spulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnitt 23. Dieser, mit spulenförmigen Eindrehungen versehene Mittelabschnitt 23 wird dadurch hergestellt, daß Ringnuten 25 in re-

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gelmäßigen Abständen eingeschnitten werden. Jede Ringnut 25 besitzt einen zylindrischen Mittelbereioh 26 und zwei abgeschrägte Wandbereiche 27. Die abgeschrägten Wandbereiche 27 sind kagelstumpfförmig ausgebildet. Die Ringnuten 25 sind durch zylindrische Schienenabsohnitte 28 voneinander getrennt. Die zylindrischen Mittelbereiche 26 bilden zusammen mit den abgeschrägten Wandbereichen 27 symmetrisch geformte "Spulen", die über die Länge des mit spulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnittes 23 gegenseitig durch die zylindrischen Schienenabschnitte 28 getrennt sind.

Die Kanten zwischen den abgeschrägten Wandbereichen 27 und den Schienenabschnitten 28 können leicht abgerundet sein, um das Einsetzen der Elektroden in die Zellen zu erleiehtera.

Die Länge der zylindrischen Mittelbereiche 26 der Ringnuten 25 wird durch die Breite der Elektroden-Kopfschienen bestimmt, während die Länge der zylindrischen Schienenabschnitte 28 durch den erforderlichen Abstand zwischen den Elektroden der Zelle bestimmt wird. Der Durchmesser der Mittelbereiche 26 der Ringnuten 25 sollte ausreichend groß bemessen werden, um den erforderliehen Strom führen zu können. Die fiefe der Ringnuten 26 sollte so gewählt werden, daß der Berührungskontakt zwischen den Kopfschienen und der Kontaktachiene etwa in der Mitte der abgeschrägten Wandbereiehe 27 hergestellt wird. Diese Abmessungen können in Abhängigkeit von dem speziellen, zu gewinnenden Metall variieren. Beispielsweise ist bei

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der elektrolytischen Zinkgewinnung die Länge des zylindrischen Schienenabschnittes 28 etwa gleich der Länge des Mittelbereiches 26 jeder Ringnut 25, während die Schrägung der Wände der Ringnut, d.h.-, die Schrägung der Bereiche 27, bevorzugt 45 Grad beträgt und der Durchmesser des Mittelbereichs 26 Jeder Ringnut 25 einen Wert im Bereich zwischen dem 0,33- und dem 0,75-fachen Wert des Durchmessers des zylindrischen Endabschnittes 22 besitzt und insbesondere gleich der Hälfte dieses Durchmessers ist. Die Kontakt schiene muß selbstverständlich aus einem Metall hergestellt sein, das ein guter elektrischer Leiter ist. Bevorzugterweise bestehen die Kontaktschienen aus Kupfer.

An der Endzelle HA ist längs der äußeren Stirnwand 29 ein Anoden-Endzellisolator 30 angebracht. Ferner ist längs der äußeren Stirnwand 29 eine Kontaktplatte 31, und zwar ebenfalls' aus Kupfer,angeordnet. Diese Kontaktplatte 31, welche nicht Bestandteil der Erfindung ist, ist in herkömmlicher Weise an eine Stromsammeischiene angeschlossen, welche die Zelle mit elektrischer Energie versorgt* Die Endzelle 15 auf der rechten Seite von Mg. 1 ist mit einem Kathoden-Endzellenisolator 32 versehen und besitzt ebenfalls eine Kontaktplatte 33 zur Herstellung eines Kontaktes mit der Stromsammelschiene, die an diesem Ende der Zellenreihe angeordnet ;ist. · ' _¥

Zur Herstellung eines Kontaktes mit den Platten 31 und 33

—9—

609824/07.16- ,: .' .

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werden spezielle, halbzylindrische Kontaktschienen 34 verwendet, von denen eine in Fig. 3 veranschaulicht ist. Diese speziellen Kontaktschienen 34 werden dadurch hergestellt, daß die erfindungsgemäßen Kontaktschienen 21 der länge nach aufgeschnitten werden. Die Kontaktschienen 34 werden mit ihren ebenen Flächen (welche bei dem Aufschneiden der Kontaktschienen 21 entstehen) auf die mit den Endzellen der Zellenreihe verbundenen Kontaktplatten 31 und 33 aufgesetzt und verbunden, wobei die erwähnten ebenen Flächen nach unten weisen.

Falls erwünscht, können die Kontaktschienen 21 und 34 einstückig oder in zwei oder mehreren Stücken hergestellt werden, die in bekannter Weise miteinander verbunden werden.

Bei der elektrolytischen Zinkgewinnung umfaßt ;}ede Kathode 17 eine Aluminium-Kopfschiene 35 mit Reenteckquerschnitt, die an ihrer Oberseite zwei angeschweißte Griffe 36 zum Anheben und an ihrer Unterseite ein angeschweißtes Aluminiumkathodenblech aufweist. Die Kathodenbleche tauchen in den Elektrolyten der Zelle ein. (Die Kathodenbleche, die unmittelbar unterhalb den Kopfschienen 35 liegen, sind aus Fig. 1 nicht ersichtlich, da diese eine Draufsicht darstellt) Jede Kopfschiene 35 ragt über jede Seite des Kathodenbleches hinaus, um die Kathode 17 durch Schwerkraftwirkung zu haltern.

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- ίο -

An das eine Ende jeder Kathoden-Kopfschiene 35 ist ein in Fig. 4 näher dargestelltes Kupfer-Kontaktstück 37 angeschweißt. Die Kontaktstücke 37 befinden sich, wie Fig. 1 zeigt, an den rechten Enden der dargestellten Kathoden 17. Jedes Kontaktstück 37 weist an seiner Unterseite eine Kerbe 37 in Form eines umgekehrten V auf, deren Seitenwände in bevorzugter Weise eine Schrägung mit einem Winkel von etwa 45 Grad bezüglich der Längsachse der Kathoden-Kopfschiene 35 (und des daran angeschweißten KontaktStückes 37) aufweisen. Das Kontaktstück 37 sollte eine Breite besitzen, welche größer ist als die Breite des zylindrischen Mittelbereichs 26 jeder Ringnut 25 der Kontaktschiene 21.

Obwohl die Verwendung einer V-förmigen Kerbe 37A bevorzugt ist, bei der beide Seitenwände einen Winkel von 45 Grad bezüglich der Längsachse der Kopfschiene und des damit verbundenen KontaktStückes 37 einschließen und damit der von der Kerbe eingeschlossene Winkel bevorzugt 90 Grad beträgt, kann dieser eingeschlossene Winkel bis zu 75 Grad verringert und bis zu 105 Grad vergrößert werden. Ein eingeschlossener Winkel von über 105 Grad gestattet eine unerwünschte Bewegung der Elektroden relativ zu den Kontaktschienen, wohingegen ein eingeschlossener Winkel von weniger als 75 Grad ungünstig ist, da hieraus ein Verklemmen der Elektroden-Kopfschienen mit den Kontaktschienen resultieren kann. Die Kupfer-Kontaktstücke 37 werden bevorzugt mit Silber beschichtet, bevor sie mit den Aluminium-Kopf schienen 35 ver- -

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schweißt werden. Die Kupfer-Kontaktstücke 37 sollten eine solche Masse besitzen, die ausreicht, um ohne Erwärmung den gesamten Strom zu führenj ferner sollte eine ausreichende Menge Schweißmaterial an der Verbindungsstelle zwischen jedem Kupfer-Kontaktstück 37 und seiner zugeordneten Kathoden-Kopfschiene 35 verwendet werden, um bei den Strömen, für welche die Zelle ausgelegt ist, eine Wärmebildung zu vermeiden.

Bei der elektrolytischen Zinkgewinnung umfaßt jede Anode 16 eine Kupfer-Kopfschiene 38, welche über jede Seite eines aus einer Silber-Bleilegierung bestehenden Anodenbleches übersteht, das an die Basis der Kupfer-Kopfschiene 38 angeschweißt ist.(Diese Anodenbleche sind aus Fig. 1 nicht ersichtlich, da diese eine Draufsicht darstellt und die Anodenbleche unmittelbar unterhalb den Mittelbereiehen der Kopfschienen 38 liegen). Die Kopfschienen 38 sind jeweils mit einem Mantel aus Antimonblei versehen, so daß die Anodenbleche an diesen Mantel und nicht unmittelbar an die Kupfer-Kopfschienen 38 angesehweißt sind. Die Anodenbleche sind vorzugsweise aus einer Silber-Bleilegierung hergestellt und können von oben nach unten leicht konisch verlaufen. Die Anoden-Kopfschienen 38 sind vorzugsweise mit Abstandshaltern 40 versehen, die dazu dienen, um die gewünschte parallele, alternierende Abstandsbeziehung zwischen den.Anoden 16 und den Kathoden 17 aufrecht zu halten. An dem einen. Ende jeder Anoden-Kopfschiene 38 sind die überstehenden Ind-

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bereiche mit V-förmigen Kerben 41 versehen, welche die gleiche JOm und den gleichen eingeschlossenen Winkel wie die umgekehrt Y-förmigen Kerben 37A in den Kupfer-Kontaktstücken 37 aufweisen.

Die Form und die Herstellungswerkstoffe der Elektroden und deren Teile sind nicht Gegenstand der Erfindung. Es versteht sich, daß die verwendeten Elektroden hinsichtlich ihrer Form und der Herstellungswerkstoffe variieren können, so daß sie für die elektrolyt isehe Gewinnung von Metallen, wie beispielsweise Kupfer, Kadmium, Kobalt, Blei, Nickel, Silber und Zink, geeignet sind. Das einzig wesentliche,überstimmende Merkmal der Elektroden ist die umgekehrt V-förmige Kerbe in dem einen Ende der Elektroden-Kopfschiene.

Bei der Zelle 14A kann festgestellt werden, daß die V-förmigen Kerben 41 an der Unterseite der Anoden-Kopfschienen 38 in jeder zweiten Ringnut der halbzylindrischen Kontaktschiene 34 liegen. Die gegenüberliegenden Enden jeder Anoden-Kopfs chiene lagern auf einem Isolierpolster 42, das mit dem Isolator 19 an den gegenüberliegenden Seiten der Zelle verbunden ist.

Im Falle der Kathoden-Kopfschienen 35 der Zelle 14A lagert das eine Ende auf einem mit dem Isolator 30 an der Außenseite der Zelle verbundenen Isolierpolster 43, während das andere Ende, d.h., dasjenige Ende, welches das mit der V-

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förmigen Kerbe 37A versehene Kupfer-Kontaktstück 37 umfaßt, in einer der Eingnuten 25 der zylindrischen Kontaktschiene 21 an der rechten Seite der Zelle lagert. Die Kontaktschiene 37 der Kathoden der Zelle HA belegen alternierend aufeinanderfolgende Ringnuten der zwischen den Zellen HA und HB angeordneten zylindrischen Kontaktschiene 21. Die anderen Eingnuten werden von den gekerbten Außenseiten der Anoden-Kopf schienen 38 der Anoden 17 der Zelle HB belegt. Zwischen jedem benachbarten Zellenpaar ist in ähnlicher Weise eine zylindrische Kontakt schiene 21 angeordnet. An der äußeren Wand der letzten Zelle H ist natürlich, wie bereits erwähnt, eine weitere halbzylindrische Kontaktschiene 34 vorgesehen. Von dieser Kontatschiene 34 wird nur die Hälfte der Ringnuten verwendet, in welche die Y-förmigen Kerben 37A der Kontaktstücke 37 am rechten Ende der Kathoden-Kopfschienen 35 der Zelle 15 eingesetzt sind (vgl. Fig. 1).

Obwohl in den Fign. die Ringnuten der Kontaktschiene 21 über die gesamte Länge der Kontaktschiene identisch dargestellt sind, können sie auch nur alternierend identisch ausgebildet sein. Dies ist manchmal erwünscht, um Anoden-Kopfschienen zu verwenden, welche dicker sind als die Kathoden-Kopfschienen. Wo dickere Anoden-Kopfschienen verwendet werden, sollten die zur Halterung dieser Kopfschienen vorgesehenen Ringnuten breiter sein als die zur Halterung der Kathoden vorgesehenen Ringnuten. Anstelle von identischen Ringnuten besitzt daher die Kontaktschiene in diesem Falle

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-H-

eine erste Reihe alternierend identischer, verhältnismäßig schmaler Ringnuten und eine zweite Reihe alternierend identischer, verhältnismäßig breiter Ringnuten. In diesem Falle besitzt die Kontaktschiene Ringnuten, die als alternierend identisch bezüglich der Mittellienien beschrieben werden
können, die in gleichen Abständen über die Länge des mit
spulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnitts 23 verteilt sind.

Me Querschnittsf lachen der Kontakt schienen müssen ausreichend bemessen sein, um sowohl den baulichen als auch
den elektrischen Anforderungen zu genügen. Im Palle einer

Kupfer-Kontakt schiene ist eine minimale Querschnittsfläche

2 -

von etwa 6,452 cm je 1000 A Stromstärke erforderlich. Für andere Metalle kann diese Beziehung abweichen.

Wenn von einer in Betrieb befindlichen Zelle Elektroden
entfernt "werden, erhöTit sich die Stromdichte in den verbleibenden Elektrodender Zelle und damit der Stromfluß
durch die Ieile der Kontaktschiene zwischen den in benachbarten Ringnuten verbleibenden Elektroden. Es ist daher notwendig, daß die Querschnittsf lache der Kontakt schiene ausreichend ist, um den. erhöhten Strom zu führen. Wenn die
Querschnittsflache zu gering ist, treten unerwünschte Effekte, wie beispielsweise eine Verbiegung oder eine Überhitzung auf. ..... . . .,,, . ,, .....

Der maximale Stromflu-ß durch die Kontakt schiene oder durch

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einen Teil der Kontaktschiene tritt auf, wenn die maximal zulässige Anzahl von Elektroden, d.h., Kathoden und/oder Anoden von der Zelle entfernt wird, wobei der von den verbleibenden Elektroden geführte Strom ebenfalls seinen Maximalwert besitzt. Die minimale Querschnittsfläche der Kontaktsehiene und insbesondere die Querschnittsfläche der zylindrischen Schienenabschnitte 28 muß ausreichend groß sein, um den HvS eines Stroms zu gestatten, der etwa gleich der maximalen Strombelastung einer einzelnen Elektrode ist.

Wenn beispielsweise 3ede zweite Kathode von einer Zelle entfernt wird, verdoppelt sich die Stromdichte in den verbleibenden Kathoden^ gleichzeitig verdoppelt sich aueh der Strom, der von der Kontakt schiene zwischen benachbarten Anoden geführt wird, welche in Berührung mit dieser Kontaktschiene und einer verbleibenden Kathode stehen. Da im normalen elektrolytischen Betrieb nur die Hälfte der Kathoden, d.h., jede zweite Kathode, von einer Zelle gleichzeitig entfernt werden, sollte die miniaale Querschnittsfläche der zylindrischen Bndabschnitte der Kontaktschiene, und vorzugsweise diejenige zwischen den Kontaktstellen benachbarter Elektroden, so gewählt werden, daß sie den Fluß eines Stroms durch die Kontaktschiene gestattet, der wenigstens etwa gleich der Strombelastung einer einseinen Anode ist.

Obwohl der Erfindungegedanke nicht an die theoretische Erklärung der außerordentlich zufriedenstellenden, mit der

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erfindungsgemäßen Kontaktschiene erzielten Ergebnisse gebunden ist, wird doch angenommen, daß die ausgezeichneten erzielten. Kontakte den nachstehend angeführten Umständen zuzuschreiben sind»

Ein Kontakt, der am besten als "Sehräg-Berührungskontakt" beschrieben werden kann, wird zwischen (a) den den Kathoden- und Anodenarmaturen zugeordneten V-förmigen Kerben 37A und 41 und (b) den kegelstumpfförmigen Seitenwänden 27 der Ringnuten 25 hergestellt, in welche die V-förmigen Kerben positioniert sind. Jeder Kontakt steht unter einem extrem hohen Kontaktdruck, der von dem Gewicht der Elektroden ausgeübt wird. Die Stärke des übertragenen elektrischen Stroms ändert sich unmittelbar mit dem Kontaktdruck, Da die Elektroden ziemlich schwer sind, wird an den Schräg-Berührungskontakt stellen zwischen den Kerben der Elektrodenarmaturen und.den Seitenwänden 27 der Ringnuten 25 ein hoher Druck erzeugt. Es versteht sich, daß das Gewicht einer Elektrodenarmatur einen Druck längs den Tangenten der abgeschrägten Oberflächen erzeugt, welche die Seitenwände 27 der Ringnuten 25 bilden. Die Form des mit den spulenförmigen Eindrehungen versehenen Abschnitts der Kontaktschienen erhöht daher den Druck je Kontakt, woraus die Fähigkeit resultiert, hohe Ströme,ohne unerwünschten Spannungsabfall je Kontakt zu führen.-. -; -■ :■.:·'>:-: . ·■;■.·■-■■:.■■'■. .. ■ - .

Zu den erfindungsgemäß erzielten Vorteilen gehört, daß die

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mit spulenförmigen Eindrehungen versehene Kontaktschiene die Positionierung und AbStandshaltung der Kopfschienen und ihrer zugeordneten Elektroden in drei Dimensionen ermöglicht, wenn die Kontaktschiene mit den umgekehrt V-förmigen Kerben der Elektroden-Kopfschienen zusammenwirkt. Die Kopfschienen der Elektroden der Zelle sind daher in drei Dimensionen eindeutig positioniert.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kontaktschienen besteht darin, daß die von ihnen gebildeten Schräg-Berührungskontakte selbst^entwässernd sind, wodurch das Entstehen von Salzablagerungen an den Kontaktstellen verhindert wird. Derartige Salzablagerungen müssen unbedingt vermieden werden, da sie die Bildung von niederohmigen Metall-Metallkontakten physikalisch verhindern.

Die mit spulenförmigen Eindrehungen versehenen, erfindungsgemäßen Kontaktschienen besitzen eine hohe Lebensdauer, da sie von zeit zu zeit gedreht werden können, um unverbrauchte Schräg-Berührungskontaktsteilen zu schaffen, sobald der Wirkungsgrad der in Benützung befindlichen Kontaktstellen durch Verschleiß oder physikalische Beschädigung beeinträchtigt wird. Im Falle der mit identischen Ringnuten ausgebildeten, halbzylindrischen Kontaktschienen 34 kann ferner aufgrund der Tatsache, daß bei diesen Kontaktschienen zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur die Hälfte der Ringnuten benutzt wird, die Lebensdauer dadurch verdoppelt werden,

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daß diese Kontakt schienen um ein dem Abstand zwischen zwei benachbarten Ringnuten entsprechendes Stück in Längsrichtung verschoben werden.

Es hat sich gezeigt, daß der mittlere Spannungsabfall an den Kontakten gering ist. Beispielsweise beträgt bei der elektrolytischen Zinkgewinnung der mittlere Spannungsabfall an einem Kathodenkontakt 20 mT oder weniger bei Stromstärken bis zu 1500 A. Ferner hat sich gezeigt, daß ein Betrieb bei Strömen bis zu 3000 A je Kontakt bei einem mittleren Spannungsabfall je Kontakt von 40 mV oder weniger möglich ist. Aufgrund der Gewichtsdifferenz zwischen Anoden und Kathoden ist der beobachtete Spannungsabfall je Kontakt bei den einen verhältnismäßig hohen Druck aufweisenden Anodenkontakten geringer als bei den Kathodenkontakten, da die Anoden schwerer sind als die Kathoden.

Falls erwünscht, können die einer Korrosion durch den Elektrolyten ausgesetzten Teile der Kopfschienen und der Kontaktschienen mit einem Schutzmaterial überzogen werden, beispielsweise mit geeigneten Werkstoffen wie Kunststoff, Farbe, Gummi, Metall oder Metallegierung, wobei die Metall-Metallkontakte zwischen den Elektroden-Kopfschienen und den Kontaktschienen erhalten bleiben.

Nachstehend sollen zwei spezielle Beispiele angeführt werden, welche die mit erfindungsgemäßen Kontaktschienen bei einem elektrolyt!sehen Zinkgewinnungsprozess erzielten Er-

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gebnisse veranschaulichen.

Beispiel 1

Die nachstehende Tabelle A veranschaulicht anhand eines Vergleichs zwischen den bei der elektrolytischen Zinkgewinnung üblicherweise verwendeten Kontakten und den erfindungsgemäß erzielten Schräg-Berührungskontakten die Verringerung des mittleren Spannungsabfalls je Kontakt der Anode und Kathode sowie die Erhöhung des über den Kontakt geführten Stroms.

Tabelle A

Sehräg-Berührungs- Herkömmkontakte liehe

Kontakte Stromstärke pro Kontakt (A) . 1000 - 1250 .700

Mittlerer Spannungsabfall '

pro Kontakt an der Anode (mV) 5,8' *

Mittlerer Spannungsabfall

pro Kontakt an der Kathode (mV) 17 40

*die herkömmliche Anoden-Kopfschiene ist an die Kontaktstange angeschweißt.

Beispiel 2 '

Die nachstehende Tabelle B veranschaulicht, daß durch die Verwendung erfindungsgemäßer Kontaktschienen der Strom je Schräg-Berührungskontakt bis zu 3000 A erhöht werden kann, wobei der. mittlere Spannungsabfall j,e Kontakt auf den bei : herkömmlichen Verfahren erzielten Werten oder nooh darunter gehalten werden kann. Die Temperatur 4es Elektrolyten in

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6 0 982 A /0.7.-1 5- -_{w ;} : , _;, _<:

8	9	10
27	34	40
40	47	60
48	60	78

den Zellen betrug 35⁰C

Tabelle B

1 Z 1 ± 1 Stromstärke pro Kontakt (A) 1000 1500 2000 2500 3000

Mittlerer Spannungsabfall

pro Kontakt an der Anode(mV) 5 7 Mittlerer Spannungsabfall

pro Kontakt an der Kathode(mV) 13 20

Mittlere Betriebstemperatur an den Kontakten der

Anode(⁰C) 36 37 Kathode(⁰C) 37 39

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen:

Die erfindungsgemäße Kontaktschiene ist für eine Verwendung bei elektrolytischen Zellen mit alternierenden, im gleichen Abstand angeordneten Anoden und Kathoden vorgesehen. Die Elektroden besitzen jeweils Kopfschienen, wobei jede Kopfschiene einen überstehenden, an ihrer Unterseite gekerbten Endbereich aufweist. Die erfindungsgemäßen Kontaktschienen können besonders vorteilhaft bei solchen Zellen eingesetzt werden, die für die elektrolytisehe Gewinnung von Metallen, wie beispielsweise Kupfer, Kadmium, Kobalt, Blei, Kickel, Silber und Zink verwendet werden. Die Kontaktschienen sind generell zylindrisch und besitzen zylindrische Endabschnitte sowie einen mit epulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnitt. Der mit spulenför-

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migen Eindrehungen versehene Mittelabschnitt wird durch Ausbilden einer Vielzahl von alternierend identischen Ringnuten hergestellt, deren Mittellinien über die Länge des erwähnten Mittelabschnitts in gleichen Abständen verlaufen« Die Seitenwände der Ringnuten sind abgeschrägt und bilden kegelstumpfförmige Wände, welche sich auf gegenüberliegenden Seiten der betreffenden Ringnut gegenüberstehen>. Jede dieser spulenförmigen Kontaktschienen erzeugt mit dem gekerbten Bereich einer zugeordneten Kopfschiene einen ausgezeichneten elektrischen Kontakt, wobei das Gewicht der Elektroden einen hohen Kontaktdruck zwischen den gekerbten Kopfschienen und den Stellen auf den Seitenwänden der Ringnuten gewährleistet. Der auf diese Weise erzeugte Eontakt kann am zutreffendsten als "Schräg-Berührungskontakt" beschrieben werden.

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Claims

Patentanwalt' L Q O J U O L

Dtp!.-ing. Wattsr Jackisch

S t u ttg a rt N. Menzelstraße 4Ö

Cominco Ltd. A 35 OH

Granville Square

Vancouver, British Columbia 2Λ NOV, 1975

Canada

Patentansprüche

1. Kontaktschiene aus elektrisch leitendem Material für eine elektrolytisehe Zelle mit alternierend im Abstand angeordneten Anoden und Kathoden, welche jeweils eine Kopfschiene aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) jede Kopfschiene (35, 38) einen überstehenden, an seiner Unterseite mit einer Kerbe (41) versehenen Endbereich aufweisti

(b) die Kontaktschiene (21) zylindrische Endabschnitte (22) und einen mit spulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnitt (23) aufweist;

(c) der mit spulenförmigen Eindrehungen versehene Mittelabschnitt (23) durch eine Vielzahl alternierend identischer Ringnuten (25) gebildet ist, deren Mittellinien über die Länge des Mittelabschnitts (23) in gleichen Abständen verteilt sind, und

(d) jede Ringnut folgende Bereiche (26, 27) aufweist: (aa) einen zylindrischen Mittelbereich (26), dessen

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Durchmesser wesentlich geringer als der Durchmesser der zylindrischen Endabschnitte (22) ist und der schmäler als die Breite des gekerbten Endbereichs der Kopfschienen ist, und (bb) zwei kegelstumpfförmige Bereiche (27), die sich auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Mittelbereichs (26) jeder Ringnut (25) gegenüberstehen.

2. Kontaktschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Ringnut (25) von der nächsten benachbarten Ringnut durch einen zylindrischen Schienenabschnitt (28) getrennt ist und daß jeder zylindrische Schienenabschnitt (28) im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die zylindrischen Endabschnitte (22) besitzt.

5. Kontakt schiene nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge jedes zylindrischen Schienenabschnittes (28) im wesentlichen gleich der länge jedes zylindrischen Mittelbereichs (26) der Ringnuten (25) ist.

4. Kontaktschiene nach'Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jede» zylindrischen Mittelbereichs (25) im wesentlichen gleich dem halben Durchmesser der zylindri-

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sehen Endabschnitte (22) der Kontaktschiene (21) ist.

5. Kontaktschiene nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a durch gekennzeichnet, daß der von

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d§h kegelst ümpfförmigen Bereichäa(27) der Ringnuten (25) mit der iiängs achse der Kontakt schiene (21) eingeschlossene Winkel'etwa %5 Grad beträgt.

6. Kontaktschiene nach Anspruch 1, 2 oder 3> da -

d u r /c h g e k e η η ζ ei c h η et, daß die Kontaktschiene (21) aus Kupfer besteht.

7. Kontaktschiene nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a du r.,e h _r g„e k e η η ze i c h η et , daß der Durchmesser, jedes zylindrischen Mittelbereichs (26) gleich dem 0,33- bis 0,75-fachen Durchmesser der zylindrischen Endabschnitte (22) der Kontaktschiene (21) ist.

8. Kontaktschiene nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Ringnuten (25) identisch sind.

9. Kontaktschiene aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus Kupfer, für eine elektrolytisehe Zelle, beispielsweise zur elektrolytischen Zinkgewinnung, mit alternierend in· gleichen Abständen angeordneten Anoden und Kathoden, welche elektrisch leitende Kopfschienen

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aufweisen und durch Schwerkraftwirkung in der Zelle gehaltert werden, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Kopfschiene (35 bzw. 38) jeder Anode (16) und Kathode (17) einen überstehenden, an seiner Unterseite mit einer umgekehrt V-förmigen Kerbe (41) versehenen Endbereich aufweist;

(b) die Kontaktschiene (21) derart geformt ist, daß sie ein Lager für die gekerbten Endbereiche der Kopfschienen (35, 38) bildet, welches einen tangentialen Metall-Metallkontakt zwischen der Kopfschiene und der Kontaktschiene bildet, wobei dem Durchtritt eines elektrischen Stroms zwischen den Kopfschienen und der Kontaktschiene ein Minimum an elektrischem Widerstand entgegengesetzt wird;

(c) die Kontaktschiene (21) zylindrische Endabschnitte (22) und einen mit spulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnitt (23) aufweist}

(d) der mit spulenförmigen Eindrehungen versehene Mittelabschnitt (23) durch eine Yielzahl alternierend identischer Ringnuten (25) gebildet ist, deren Mittellinien über die Länge des Mittelabschnitts (23) in gleichen Abständen verteilt sind, und

(e) jede Ringnut folgende Bereiche (26, 27) aufweist: (aa) einen zylindrischen Mittelbereich (26), dessen Durchmesser wesentlich geringer als der Durch-

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messer der zylindrischen Endabschnitte (22) ist und der schmäler als die Breite des gekerbten Endbereichs der Kopfschienen ist, und (bb) zwei kegelstumpfförmige Bereiche (27), die sich auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Mittelbereichs (26) jeder Ringnut (25) gegenüberstehen.

10. Kontaktschiene nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ringnut (25) von der nächsten benachbarten Ringnut durch einen zylindrischen Schienenabschnitt (28) getrennt ist und daß jeder zylindrische Schienenabschnitt (28) im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die zylindrischen Endabschnitte (22) besitzt.

11. Kontaktschiene nach Anspruch 10, dadurch gekenn ze i ohne t , daß die Länge jedes zylindrischen Schienenabschnittes (28) im wesentlichen gleich der Länge jedes zylindrischen Mittelbereichs (26) der Ringnuten (25) ist.

12. Kontaktschiene nach Anspruch 9, 10 oder 11, d a durchgekennzeichnet , daß der Durchmesser jedes zylindrischen Mittelbereichs (25) im wesentlichen gleich dem halben Durchmesser der zylindrischen Endabschnitte (22) der Kontaktschiene (21) ist.

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13. Kontaktschiene nach. Anspruch :9,- 10 oder 11, d a d u.r c h ge k,e, η η ζ β :'i c h ;n:e . t , daß der von deft, kegelstumpfförmigen Bereicb3i(:27.) der Ringnuten (25) mit der Längsachse der Kontakt; schiene (21) eingeschlossene Winkel etwa 45 G-rad beträgt.

14. Kontaktschiene nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Ringnuten (25) identisch .sind.

15. Kontaktschiene nach Anspruch 9, 10 oder 11, d a durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jedes zylindrischen Mittelbereichs (26) gleich dem 0,33- his 0,75-fachen Durchmesser der zylindrischen Endabschnitte (22) der Kontaktschiene (21) ist.

16. Zelle für die elektrolytisehe Metallgewinnung, mit einer Vielzahl von alternierend im Abstand angeordneten Anoden und Kathoden, welche elektrisch leitende Kopfsehienen aufweisen und durch Schwerkraftwirkung in der Zelle gehaltert werden, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Kopfschiene' (35 bzw. 38) jeder Anode (16) und Kathode (17) einen übestehenden, an seiner Unterseite mit einer umgekehrt Y-förmigen Kerbe (41) versehenen Endbereich aufweist;

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(b) die Kontaktschiene (21) derart geformt ist, daß sie ein Lager für die gekerbten Endbereiche der Kopfschiene (35, 38) bildet, welches einen tangentialen Metall-Metallkontakt zwischen der Kopfschiene und der Kontaktschiene bildet, wobei dem Durchtritt eines elektrischen Stroms zwischen den Kopfschienen und der Kontaktschiene ein Minimum an elektrischem Widerstand entgegengesetzt wird;

(c) die Kontaktschiene (21) zylindrische Endabschnitte (22) und einen mit spulenförmigen Eindrehungen versehenen Mittelabschnitt (23) aufweist;

(d) der mit spulenförmigen Eindrehungen versehene Mittelabschnitt (23) durch eine Vielzahl alternierend identischer Ringnuten (25) gebildet ist, deren Mittellinien über die Länge des Mittelabschnitts (23) in gleichen Abständen verteilt sind, und

(e) jede Ringnut folgende Bereiche (26, 27) aufweist: (aa) einen zylindrischen Mittelbereich (26), dessen Durchmesser wesentlich geringer als der Durchmesser der zylindrischen Endabschnitte (22) ist und der schmäler als die Breite des gekerbten Endbereichs der Kopfschienen ist, und (bb) zwei kegelstumpfförmige Bereiche (27), die' sich auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Mittelbereiehs (26) jeder Ringnut (25) gegenüberstehen,

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wobei die Quersehhitisf lache¹ ä§£ zyliMfis eheü BMäbsehhitte der EontaJd; ä chi engn so ggWäH.1% igt j daß ihre Stromübertragungskapazität wenigstens gleich ääm von einer einzelnen Anode gefühften Strom

17. Zelle haeli Anspruch. 16^ ä^:äl O ei ' |§ I z e i c h ή e t , daß ii§
benaeiibärtön ^ -bängeSüfiäien
takten öiiie deräriigd Qkefsenniitgfiäciig aufweisen^ ihre SirÖäüberträgüiigöMpäziläi ei^?ä gliieii ^öä irSh einzelnen Anode göiühriää Sirom

18. Zelle näeh Änspfüeh 16, d adiifoh gSHi z e i e h α e ΐ $ daß diö toniMiSehl&oeita (21J aüö Kupfer b

19. Zelle nach Anspruch I7j dadurch g β fe β ή h'. zeichnet , daß die Köirfeäktsehiöhsii (21) aus Kupfer bestehen und daß die" Querschnitts flächen der zylindrischen Endabsehhitte (22) und d§f EotitäKlsehienenbereiche zwischen behäehBärieil Bl§kti8ä§n'KoütälEten wenigsten^ ötwa 6,452 cm pro 1000 Ä Mödinström Betra gen.

20. Zelle nach Aiisprüeh 16, 17 oder 18* d ä ä ü r e h gekennzeichnet * daß die Eirßiii (41) in den Kopfsehienön (35^ 38) einen Wiiikel ifi Söreiöh zwischen etwa 75 Grad und etwa 105 Grad besitzen*

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21. Eeiie näeh Aüspruch 16, 17 Öder 18* dadurch gekennzeichnet , daß die Eopfsehienen (35i 38) der Elektroden (16, 17) in drei Dimensionen eiM§ütig positioniert sind.

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