DE3209138A1 - Beschichtete ventilmetallanode zur elektrolytischen gewinnung von metallen oder metalloxiden - Google Patents
Beschichtete ventilmetallanode zur elektrolytischen gewinnung von metallen oder metalloxidenInfo
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Description
3209138 HOFFMANN · EITLET1A"PARTNER*"* """
D I Pl.-ING. K. FOCHSlE ■ DR. RE R. N AT. B. H AN SEN
ARABELLASTRASSE 4 . D-80Ö0 MO NCH EN 81 . TE LEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)
Conradty GmbH & Co. Metallelektroden KG,
8505 Röthenbach
8505 Röthenbach
Beschichtete Ventilmgtallanode zur elektrolytischen Gewinnung
von Metallen oder Metalloxiden
Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere
Anode aus beschichtetem Ventilmetall zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden, mit
einem stromführenden Bauteil, z.B. einem Stromzuleiter und/oder einem Stromverteiler, das aus einem Mantel
aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern aus elektrisch gut leitendem Metall, der mit dem Mantel
in elektrisch leitender Verbindung steht, besteht.
Beschichtete Metallanoden dieser Art sollen auf dem Gebiet der elektrolytischen Gewinnung von Metallen,
insbesondere Nichteisen-Metallen,aus das zu gewinnende Metall enthaltende Säurelösungen die ursprünglich
hierfür eingesetzten Anoden aus Blei oder Bleilegierun· gen oder aus Graphit ersetzen. Die arbeitende Fläche
dieser beschichteten Metallanoden besteht aus einem tragenden Kern aus einem Ventilmetall,
wie z.B. Titan, Zirkonium, Niob oder Tantal, auf den eine Beschichtung aus einem anodisch wirksamen
wie z.B. Titan, Zirkonium, Niob oder Tantal, auf den eine Beschichtung aus einem anodisch wirksamen
Material, z.B. aus Metallen der Platingruppe oder der Platinmetalloxxde,aufgebracht ist. Der wesentliche
Vorteil der Metallanoden besteht in der Einsparung elektrischer Energie gegenüber den herkömmlichen Blei-
oder GraphLtanoden. Die Energieersparnis resultiert aus der bei beschichteten Metallanoden erzielbaren
größeren Oberfläche, der hohen Aktivität der Beschichtung und der Formstabilität. Diese Energieersparnis
ermöglicht eine beträchtliche Erniedrigung der Anodenspannung. Die beschichteten Metallanoden erbringen
eine weitere Betriebseinsparung dadurch, daß die Reinigung und Neutralisation des Elektrolyten erleichtert
wird, da die Beschichtung der Anoden durch Cl , NO „ oder freies H2SO. nicht zerstört wird. Eine zusätzliche
Kostenersparnis ergibt sich dadurch, daß bei der Verwendung von beschichteten Metallanoden der Elektrolyt nicht
mit teuren Zusätzen, z.B. Kobalt oder Strontiumcarbonat, versetzt werden muß, wie dies bei der Verwendung von
Bleianoden erforderlich ist. Ferner entfällt die bei Bleianoden nicht zu verhindernde Verschmutzung des
Elektrolyten und des gewonnenen Metalls durch Blei. Schließlich erlauben die beschichteten Metallanoden
eine Erhöhung der Stromdichte und damit der Produktivität.
Bei der Auslegung dieser beschichteten. Metallanoden hat man sehr unterschiedliche Wege beschritten.
Bei einer bekannten Metallanode der zur Rede stehenden Art (DE-OS 24 04 167) wird das wesentliche Auslegungskriterium darin gesehen, daß die der Kathode gegenüberstehende
Anodenfläche 1,5 bis 20 mal kleiner ist als die Kathoden-
Oberfläche und die Anode dementsprechend bei einer Stromdichte betrieben wird, die 1,5 bis 20 mal größer
ist als die Kathodenstromdichte, Durch diese Maßnahmen soll angeblich auf wirtschaftliche Weise eine relativ
reine Metallabscheidung der gewünschten kristallinen
Struktur und Reinheit auf den Kathoden erhalten werden. Die Wirtschaftlichkeit der bekannten Anode soll
offensichtlich darin bestehen, daß aufgrund der gegenüber der Kathode reduzierten Fläche der Anode
der Werkstoffverbrauch für die Erzeugung der Anode erniedrigt und damit teurer Ventilmetall-Werkstoff eingespart wird.
Die Kostenreduzierung bei der Herstellung dieser Anode wird allerdings durch nicht unerhebliche Nachteile
erkauft. Einer der Nachteile besteht darin, daß der anodische Anteil der Zellenspannung hoch ist, weil,
die Anode mit einer hohen Stromdichte arbeitet. Dies bedingt als wesentlichen Nachteil einen hohen Energiebedarf
für die mit einer derartigen Anode ausgestatteten Zellen.Die große Stromdichte und der verkleinerte
Leiterquerschnitt der bekannten Anode aufgrund der verkleinerten wirksamen Fläche und damit des kleinen
Materialvolumens bedingen einen großen inneren Ohm1sehen
Spannungsabfall mit der Folge einer weiteren Erhöhung der notwendigen elektrischen Energie. Um den Nachteil
des großen inneren Ohm1sehen Spannungsabfalls zu beheben,
bestehen die in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Profilstäbe, welche die wirksame Fläche
bilden, aus einem Mantel aus Titan, der mit einem Kern aus Kupfer versehen ist. Einen vergleichbaren
Aufbau weisen auch die Stromzuleitungs- und verteilungsschienen auf. Diese sind kompliziert geführt, um die
Stromwege in der kleinen wirksamen Fläche der Anode weitgehend zu verkürzen. Der komplizierte Aufbau der
die wirksame Fläche bildenden Profilstäbe sowie die erforderlich langen Stromzuleitungs- und Verteilungsschienen verteuern die bekannte Konstruktion erheblich.
Bei einer weiteren bekannten beschichteten Metallanode (DE-OS 30 05 795) ist man zur Vermeidung der prinzipiellen
Nachteil der vorstehend geschilderten beschichteten Metallanode einen völlig anderen Weg gegangen,
der darin besteht, daß die wirksame Fläche dieser Anode dadurch sehr groß ausgebildet ist, daß die in
einer Ebene im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäbe, welche die wirksame Fläche
bilden, der Beziehung genügt, wonach die Gesamtoberfläche der Stäbe FA und die von der
Gesamtanordnung der Stäbe eingenommene Fläche Fp der Beziehung 6 - FA : Fp - 2
genügt. Diese vorzugsweise aus Reintitan hergestellte Anodenkonstruktion weist ausser der Haupt-Stromzuleitungsschiene
aus Kupfer keine weiteren Stromzuleiter und -verteiler auf. Der Stromtransport in vertikaler
Richtung wird mithin allein durch die Stäbe aus Ventilmetall vorgenommen. Insgesamt hat sich diese Anode
aufgrund der groß ausgebildeten wirksamen Fläche bei vielen elektrolytischen Metallgewinnungsverfahren
bestens bewährt.
Der den steigenden Kilowattstundcnpreisen anzupassende,
d.h. zu erniedrigende innere Ohm'sche Spannungsabfall der Titananoden erfordert inzwischen den Einsatz großer Leiterquerschnitte
für die stromführenden Bauteile aus diesem kostspieligen Metall. Bei Ausbildung der aktiven
Fläche aus in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Titanstäben müssen diese mit entsprechend
großem Querschnitt ausgelegt werden, um mit dem bei den dicken, massiven Bleianoden auftretenden inneren Ohm'schen
Spannungsabfall Schritt halten zu können, was wiederum
die technischen und kostenmäßigen Vorteile der Ventil-Metall τηοΊοη schmälert.
Bei den schon erwähnten Stromleitungs- und verteilungsschienen,
bestehend aus einem Kern aus Kupfer und einem diesen Kupferkern umgebenden Mantel aus Titan,
wird angestrebt,einen "metallurgischen Verbund" zwischen
dem Metall des Kerns und dem Metall des Mantels zu erreichen. Die Verringerung des inneren Spannungsabfalls,
die durch die Ausbildung des Kerns aus einem Metall mit
guter elektrischer Leitfähigkeit erreicht werden
soll, wird aber nur dann tatsächlich er zielt, wenn der Stromübergang
zum beschichteten Aktivteil durch einen großflächigen, einwandfreien metallurgischen Verbund
zwischen dem Werkstoff des Mantels und dem Werkstoff
des Kupfers gewährleistet ist. Diese Voraussetzung wird aber allenfalls bei einer sehr kostspieligen
Herstellung einigermaßen erreicht. Trotzdem haben sich
diese Stromzuleiter für Anoden bei der Chloralkalianalyse nach dem Diaphragma-Verfahren bewährt. Die
Temperaturempfindlichkeit des metallurgischen Verbunds
zwischen Kupfer und Titan setzt aber voraus, daß im Fall der Wiederbeschichtung dieser DIA-Anoden der
titanummantelte Kupferstab von dem zu beschichtenden
Aktivteil abgetrennt wird.
Im Zusammenhang mit einer Anode für die Chloralkalielektrolyse
(GB-PS 1 267 985) sind auch Stromzuleiter und Stromverteiler bekannt geworden, bei denen der
Mantel aus Titan mit einem Kern aus
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgefüllt ist.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metall des Kerns und dem Metall des Mantels soll durch eine
Diffusionsschicht aus einer Legierung erreicht werden, die zwischen dem Kernmetall und dem dieses umgebenden
Mantelmetall erzeugt wird. Obwohl auf ein exaktes Ausgießen des Mantels aus Titan mit dem Kernmetall im
flüssigen Zustand großen Wert gelegt wird, ist nicht auszuschließen, daß das Kernmetall bei dessen Erstarren
soweit schrumpft, daß entweder keine Diffusionsschicht
zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall erzeugt wird oder eine schon entstandene Diffusionsschicht
wieder reißt, jeweils mit der Folge, daß zumindestens bereichsweise Spalte zwischen dem Kernmetall und dem
Mantelmetall entstehen. Dies führt natürlich zu einem hohen Spannungsabfall beim Übergang des Strom? von dem
Kernmetall auf das Mantelmetall·.
Diese Problematik hat man schon lange bei stromführenden Bauteilen, wie Stromzuleiter und Stromverteiler,
bei Graphitanoden erkannt.
So ist eine Graphitelektrode mit metallischer Stromzuführung für die Chloralkalielektrolyse bekannt geworden
(DE-OS 15 71 735), bei der der Stromübergang Metall-Graphit durch Quecksilber bzw. ein bei Außentemperatur
flüssiges Amalgam vermittelt wird. Dadurch soll ein guter elektrischer Kontakt zwischen Metall
und Graphit gewährleistet sein, da Schrumpfungsrisse nicht auftreten.
Diese Entwicklung hat man auch bei Metallelektroden weiterverfolgt. Bei einer bekannten Metallelektrode
für Elektrolyseapparate zum elektrolytischen Herstellen von Chlor (DK-OG 27 21 9 58) bestehen nämlich mindestens
die Primärleiterschienen aus Rohron, in deren Innenräume
Metallstäbe angeordnet sind, die in einem unter Betriebstemperatur vorwiegend flüssigen, stromleitenden
Material eingebettet sind. Dieses unter Betriebstemperatur
vorwiegend flüssige, stromleitende Material kann aus niedrig schmelzenden Metallen oder Legierungen,
wie Wood's Metall, Roses Metall oder Lipowitz Metall, Natrium, Kalium oder deren Legierungen oder einem
anderen stromleitenden Material, wie Metalloxiden oder Graphit , welches mit Metallegierungen getränkt sein
kann , bestehen.
Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die elektrische
Leitfähigkeit dieser Werkstoffe relativ gering ist und
bei niedrigen Betriebstemperaturen der Metallgewinnungsverfahren zumindestens manche dieser Werkstoffe sich
nicht im flüssigen Zustand befinden. Darüber hinaus verkrusten die Kontaktmetalle bei dem für die Elektroden
üblichen Langzeiteinsatz.
Diese Entwicklung macht aber immerhin deutlich, daß es
ein erhebliches Problem darstellt, eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen dem Kernmetall und dem
Mantelmetall von stromführenden Bauteilen herbeizuführen,
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Elektrode mit stromführenden Bauteilen zu schaffen, die einen möglichst
kleinen inneren Spannungsabfall im Langzeitbetrieb ergeben, die sich darüber hinaus kostengünstig und
wirtschaftlich herstellen lassen, durch eine hohe Betriebssicherheit auszeichnen und gut in die Aktivteile
der beschichteten Ventilmetallanoden einfügen, so daß sich möglichst flachbauende Metallanoden ergeben.
Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der vorausgesetzten
Art mit einem stromführenden Bauteil, das aus einem Mantel aus Ventilmetall und einem darin
angeordneten Kern aus elektrisch gut leitendem Metall besteht, dadurch gelöst, daß in das Kernmetall des
stromführenden Bauteils eine Kontaktstruktur eingebettet ist, die aus Ventilmetall besteht und über eine Mehrzahl
von Schweißstellen mit der Innenfläche des Mantels verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrode,
insbesondere deren stromführendes Bauteil dahingehend,
TO daß die zur Rede stehende Kontaktstruktur einerseits
in das Kernmetall eingebettet und andererseits über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche
des Mantels verbunden ist, ergibt sich eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen dem Kernmetall
und dem Mantelmetall mit der Folge eines geringen Spannungsabfalls auch bei hohen Spannungen und großen
Stromstärken. Der erzielte innige Kontakt zwischen der Kontaktstruktur und dem Kernmetall
bleibt über eine lange Betriebszeit auch bei großen Temperaturdifferenzen erhalten.
Darüber hinaus verbessert die Kontaktstruktur die mechanische Festigkeit des entsprechend ausgebildeten
stromführenden Bauteils und damit der Metallelektrode insgesamt. Die erfindungsgemäße Elektrode ist
kostengünstig und wirtschaftlich herstellbar, weil die
bei den bekannten Anordnungen gegebenen Schwierigkeiten der metallurgischen Verbindung des Kernmetalls mit dem
Mantelmetall bzw. das Einbringen einer geeigneten Zwischenschicht,z.B. aus einem bei Betriebstemperaturen
flüssigen Werkstoff, entfallen. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode kann nämlich das Kernmetall
im flüssigen Zustand einfach in den Innenraum des Mantels eingegossen werden. Aufgrund der entsprechenden
Ausbildung der Kontaktstruktur umströmt
das Kernmetall innig die Kontaktstruktur und schrumpft auf dieses mit Vorspannung auf. Dadurch ergibt sich
der gewünschte innige Kontakt zwischen dem Kernmetall und der Kontaktstruktur. Diese wiederum ist elektrisch
gut leitend mit der Innenfläche des Mantels verschweißt.
Als Mantel für die stromführenden Bauteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind Dreieck-,Rechteck-, Trapez sowie
andere Vieleck-Profile, Wellblechbox-Profile,
Rohre oder dergleichen geeignet. Die Wandstärke des Mantels der erfindungsgemäßen stromführenden Bauteile
bewegt sich zweckmäßigerweise zwischen 0,5 mm und. einigen Millimetern. Der Mantel besteht aus einem
der schon angesprochenen Ventilmetalle. Falls der Mantel der erfindungsgemäßen stromführenden Bauteile
aus zwei oder mehreren Profilteilen zusammengesetzt ist und diese Profilteile miteinander verschweißt sind,
müssen die Schweißnähte gas- und flüssigkeitsdicht sein.
Die bei den erfindungsgemäßen stromführenden Bauteilen
vorgesehene Kontaktstruktur kann ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen orientierten Oberflächensein, das von dem Kernmetall aus mehreren Rich-
tungen her umgeben ist. Ein derartiges räumliches Gebilde wird beim Eingießen des flüssigen Kernmetalls
von diesem von mehreren Richtungen her umflossen bzw.
umgeben, so daß beim Erstarrungsprozeß das Kernmetall auf das räumliche Gebilde von mehreren Seiten innig aufschrumpft.
Auf diese Weise ist ein großflächiger und einwandfreier Verbund zwischen dem
Kernmetall und der Kontaktstruktur gewährleistet. Die
Problematik eines metallurgischen Verbunds zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall ist danach völlig
umgangen.
Die Kontaktstruktur weist bei großer Oberfläche ein kleines Volumen auf, gemessen am Volumen des Kernmetalls
.
Als Kontaktstruktur bzw. räumliches Gebilde kommen Streifen aus Streckmetall, Drahtnetz, Lochblech oder
dergleichen infrage. Mindestens ein Streifen wird im Inneren des Mantels des stromführenden Bauteils im
wesentlichen parallel zur Stromfließrichtung verlegt und mit der Innenfläche des Mantels mit einer Mehrzahl
von Schweißpunkten verschweißt. Dabei ist es möglich, den Streifen geradlinig oder gewellt verlaufen zu
lassen. Im letzteren Fall ergibt sich eine besonders vielfältige Orientierung der Oberflächen des Streifens
mit der Folge einer besonders innigen Einbindung der Kontaktstruktur in das Kernmetall.
Die Kontaktstruktur kann aber auch aus mindestens einem Draht gebildet sein, der im wesentlichen in Stromfließrichtung
im Bauteil gewellt verlegt ist und bevorzugt an einer Seite mehrfach mit der Innenfläche des Mantels
verschweißt ist. Durch diese Anordnungsart bildet auch ein Draht ein räumliches Gebilde mit in mehreren
Richtungen orientierter Oberfläche bzw. orientierten Oberflächenanteilen, das von dem Kernmetall beim Eingießen
von mehreren Seiten her umflossen werden kann, so daß das Kernmetall auf diese Kontaktstruktur innig
und fest aufschrumpfen kann. Anstelle eines Drahtes können auch Drahtabschnitte in Form von Drahtschlaufen
verwendet werden, die mit der Innenfläche des Mantels verschweißt sind.
-45-
Der gleiche Effekt ergibt sich dann/ wenn die Kontaktstruktur
aus einer Mehrzahl von Körpern,wie Bolzen mit
Verdickungen und/Oder Verdünnungen, dargestellt ist.
Die Bolzen können senkrecht zur Stromfließrichtung im Bauteil verlaufen, aber auch jeden anderen Winkel zu
dieser und zueinander einnehmen. Entscheidend ist lediglich, daß diese Körper ein ausreichendes Volumen
bzw. einen ausreichenden Querschnitt besitzen, um eine elektrisch gut leitende Verbindung mit möglichst geringern
Spannungsabfall zu dem Kernmetall einerseits und zu dem Mantelmetall andererseits herzustellen, so daß
selbst hohe Ströme mit niedrigem Spannungsabfall von
dem Kernmetall auf das Mantelmetall und weiter auf die aktive Fläche der Metallanode übertragen werden können.
Die Anzahl und der Querschnitt der Schweißpunkte zwischen
Kontaktstruktur und Mantel werden bestimmt anhand eines
vorgegebenen, zulässigen Spannungsabfalls.
Zur weiteren Erniedrigung des elektrischen Ubergangswiderstands
zwischen dem Kernmetall und der Kontaktstruktur kann letztere mit einer geeigneten Kontaktbeschichtung
versehen sein. Diese bietet sich an bei einer relativ kleinflächigen Kontaktstruktur oder bei
elektrisch besonders hochbelasteten stromführenden Bauteilen. Als Kontaktbeschichtung'kommen die in der
Elektrotechnik üblicherweise hierzu verwendeten Werkstoffe infrage, soweit diese mit dem jeweiligen Metall
des Kerns verträglich sind. Als Werkstoffe können edle Metalle bzw. der Oxide und/oder unedle Metalle
und deren elektrisch leitenden unterstöchiometrisehen bzw. dotierten Oxide verwendet werden.
Als Vergußmetali zur Herstellung des Kerns eines stromführenden Bauteils einer erfindungsgemäßen Elektrode
eignen sich Metalle mit einem Schmelzpunkt, der um mindestens 5OO°C niedriger liegt als der des Metalls
des Mantels des stromführenden Bauteils. Das Kernmetall soll darüber hinaus eine wesentlich höhere elektrische
Leitfähigkeit besitzen als das Ventilmetall des Mantels, z.B. Titan. Unter Berücksichtigung dieser Forderungen
kommen z.B. als Kernmetalle Zink, Aluminium, Magnesium, Zinn, Antimon, Blei, Kalzium, Kupfer oder Silber und entsprechende
Legierungen hiervon infrage. Selbstverständlich muß die Auswahl des Metalls für den Kern auch den speziellen
Erfordernissen des jeweiligen Metallgewinnungsverfahrens Rechnung tragen. So hat sich beispielsweise bei
der Zinkgewinnungselektrolyse als Kernmetall für ein stromführendes Bauteil einer erfindungsgemäßen Elektrode
metallisches Zink mit seinem niedrigen Schmelzpunkt von 420 C und seiner guten spezifischen elektrischen Leitfähigkeit
von 156 χ 1CH Q m ausgezeichnet bewährt.
Im Kurzschlußfall hat metallisches Zink noch den Vorteil, daß seine Korrosionsprodukte weder die
TO Wasserstoffüberspannung der Kathode noch die Reinheit
des abgeschiedenen Kathodenzinks beeinflussen.
Auch zur Gewinnung von Kupfer mittels der erfindungsgemäßen
Elektroden erweist sich Zink als Kernmetall für die stromführenden Bauteile geeignet. Es kommen
hierfür allerdings auch Aluminium, Magnesium oder Blei
sowie die entsprechenden Legierungen infrage·
Dem Lösungsvorschlag, daß das Metall des Kerns eines .
stromführenden Bauteils einer erfindungsgemäßen Elektrode
entsprechend den speziellen Erfordernissen des jeweiligen Metallgewinnungsverfahrens ausgewählt werden
sollte, tragen die bekannten Elektroden noch nicht Rechnung. Die Verbindung von titanummanteltem Kupfer
als Aktivteil bzw. Stromzuleiter und -verteiler, wie
dies bei den bekannten Lösungen der Fall ist, ist bei den meisten Metallgewinnungsverfahren nämlich nicht
tragbar, da während der Elektrolyse infolge Dendritenbildung des kathodisch abgeschiedenen Metalls manchmal
Kurzschlüsse auftreten, die den Titanmantel zerstören können. Bekanntlich löst sich das durch Kurzschluß feigelegte
Kupfer und Legierungs-Kontaktmetall anodisch
- Vf-
auf. Die sich dabei bildenden Metallionen werden an der Kathode niedergeschlagen, verunreinigen das
Kathodenprodukt und haben darüber hinaus Einfluß auf die Wasserstoffüberspannung und somit auf die Stromausbeute
des Metallgewinnungsprozesses. Dies ergibt ein unverkäufliches, weil verunreinigtes Kathodenmetall,
das zudem infolge verringerter Stromausbeute mit hohem Kostenaufwand erzeugt wird. Dabei sollte
nicht unerwähnt bleiben, daß ein einziger Kurzschluß z.B. bei der elektrolytischen Zinkgewinnung, eine
Vielzahl von Kathoden negativ beeinflussen kann. Titanplattiertes Kupfer mit metallurgischem Verbund erscheint
selbst bei der elektrolytischen Kupfergewinnung wegen der hohen Kurzschlußrate und der hohen Stabpreise
als wirtschaftlich ungeeignet.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das als Stromverteiler dienende
Bauteil dadurch in die aktive Fläche der Elektrode integriert ist, daß der Mantel zumindest teilweise durch ein
die aktive Fläche der Elektrode darstellendes Elektrodenblech gebildet ist und eine Kontakstruktur in einem
derartig ausgebildeten stromführenden Bauteil angeordnet ist.
Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht,
daß sich eine besonders kompaktbauende Elektrode ergibt, die sich insbesondere durch eine kleine Dicke
auszeichnet. Dadurch läßt sich nicht nur eine besonders raumsparende Zelle konstruieren, sondern es gestaltet
sich das Einführen und Wiederherausnehmen der Elektroden in bzw. aus einer derartigen Zelle besonders
problemlos.
Zwar ist bereits eine Elektrode zur Metallgewinnung bekannt (US-PS 4 260 470), bei der die aktive Fläche
durch vertikal angeordnete Platten gebildet ist, die zueinander überlappend angeordnet sind, wobei
in den Uberlappungsbereichen jeweils ein parallel zur PlattenerStreckung verlaufender Hohlraum, z.B. durch
U-förmiges Aufbiegen eines überlappenden Bereichs einer Platte, ausgebildet ist. In diese Hohlräume" ist ein
Metall eingegossen .
TO Darüber hinaus
sind in das gegossene Metall stromführende Stäbe eingebettet,
die mit einer horizontal verlaufenden Stromführungsschiene verbunden sind. Das Vergußmetali dient
hier in erster Linie als Versteifung der aus planen Platten bestehenden wirksamen Fläche der Elektrode.
Erst in zweiter Linie dient das Vergußmetall der elektrischen Verbindung der darin eingebetteten Stabe mit
der wirksamen Fläche der Elektrode. Diese Stäbe sind nicht mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Kontaktstruktur
vergleichbar, weil sie nicht ein räumliches Gebilde mit in verschiedenen Richtungen orientierten
Oberflächenanteiüen darstellen, auf das das Vergußmetall
aufgeschrumpft ist. Dementsprechend sind auch
die stromführenden Stäbe nicht wie die erfirdungsgemäße
Kontaktstruktur mit dem Mantel des stromführenden Bauteils bzw. dem entsprechenden Bereich der Elektrodenplatte selbst unmittelbar durch Verschweißung verbunden.
Schließlich sind die Probleme gegeben, die im Zusammenhang mit dem Schrumpfen von Vergußmetall
erläutert worden sind.
Bei der erfindungsgemäßen integrierten Elektrode empfiehlt es sich, daß die Kontaktstruktur mit dem den Mantel
zumindest teilweise bildenden Bereich des E'lektrodenblechs
verschweißt ist, da sich hierdurch eine
direkte Überleitung des Stroms vom Kernmetall des stromführenden Bauteils auf die wirksame Elektodenflache
ergibt.
Zur Ausbildung eines mit dem Kernmetall auszufüllenden
Hohlraums für dar» erfindungsgemäße , in die aktive Fläche integrierte stromführende Bauteil ist es
zweckmäßig, daß zumindestens der den Mantel teilweise bildende Bereich der Elektrodenplatte U-förmig oder
wellenförmig ausgebildet ist und dieser Bereich durch eine Abdeckplatte zu dem geschlossenen Mantel ergänzt
ist. Der dadurch ausgebildete Hohlraum Innerhalb des Mantels kann in schon beschriebener Weise mit einem
geeigneten Kernmetall ausgegossen werden, das sich mit
der Kontaktstruktur innig verbindet.
Die angesprochene Abdeckplatte/ die eine beliebige Form aufweisen kann, ist zweckmäßigerweise mit der
Elektrodenplatte gas- urd flüssigkeitsdicht verschweißt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die wirksame Fläche der Elektrode durch eine
Mehrzahl von in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Profilstäbe gebildet ist und die Kontaktstruktur
durch Abschnitte der Profilstäbe gebildet ist, die durch den Kern des stromführenden Bauteils hindurchgeführt
ist.
Auch diese Ausführungsform unterscheidet sich von der
bekannten Elektrode, nach der US-PS 4 260 470 dadurch,
daß bei der erfindungsgemäßen Lösung die Abschnitte der Profilstäbe, die durch das stromführende Bauteil
bzw. dessen Kern hindurchgeführt sind, mit dem Mantel
des stromführenden Bauteils verschweißt sind. Auf
diese Weise ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Lösung eine unmittelbare Verbindung der als Kontaktstruktur
dienenden Abschnitte der Profilstäbe mit der wirksamen Elektrodenfläche mit dem Ergebnis einer
guten Überleitung des Stroms. Darüber hinaus können die Abschnitte der Profilstäbe, die als Kontaktstruktur
wirken, bezüglich ihrer Oberfläche bzw. ihrer Form so ausgebildet sein, daß diese den Anforderungen genügen,
äie an die erfindungsgemäße Kontaktstruktur gestellt
sind. Sie können schließlich eine Kontaktbeschichtung aufweisen.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Elektrode
ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Elektrode,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Stromzuleiter der Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie .1.1:-1Γ,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Stromzuleiters,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Stromzuleiter der
Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie IV-IV,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Stromzuleiters,
Fig. 6 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche der Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie
VI-VI mit separatem Stromverteiler,
- 21" -
Fig. 7 einen Schnitt durch den Stromverteiler der Elektrode nac'
Fig. 6 gemäß der Schnittlinie VII-VII,
Fig. 8 einen horizontalen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 9 ebenfalls einen horizontalen Schnitt durch
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Elektrode,
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Elektrode,
Fig. 10 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Elektrode, bei der ein Stromverteiler
in das Aktivteil integriert ist,
in das Aktivteil integriert ist,
Fig. 11 einen Schnitt durch die Elektrode nach Fig.
10 gemäß der Schnittlinie IX-IX,
10 gemäß der Schnittlinie IX-IX,
Fig. 12 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Elektrode, bei der ebenfalls ein
Stromverteiler in das Aktivteil integriert ist,
Stromverteiler in das Aktivteil integriert ist,
Fig. 13 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 14 eine Ansicht der Elektrode gemäß der Fig. 13 nach der Linie XIV-XIV,
Fig. 15 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 16 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsfor
der erfindungsgemäßen Elektrode,
- yt -
Fig. 17 einen Schnitt durch die Elektrode nach
Fig. 16 gemäß der Schnittlinie XVII-XVII,
Fig. 18 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs—
gemäßen Elektrode, und
Fig. 19 ebenfalls eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektrode.
Aus Fig» 1 ergibt sich der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen beschichteten Metallanode. Danach
besteht diese Elektrode aus einem horizontal verlaufenden Stromzuleiter, der insgesamt mit 10 bezeichnet
ist. An der Unterseite dieses Stromzuleiters ist etwa
mittig ein vertikal laufender Stromverteiler 20 angeschlossen. Dieser Stromverteiler 20 ist mit dem insgesamt
mit 30 bezeichneten Aktivteil, d.h. der aktiven Fläche, der Elektrode verbunden. Zur Versteifung insbesondere
der vertikalen Randbereiche des Aktivteils 30 sind diese über Versteifungsstreben 40 mit dem Stromzuleiter
TO verbunden.
Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch den Stromzuleiter 10 nach Fig. 1. Danach besteht der Stromzuleiter
10 aus einem insgesamt mit 50 bezeichneten Mantel, der aus zwei ü-Profilen 51 und 52 zusammengesetzt
ist, die sich mit ihren freien Schenkeln teilweise überlappen und in diesen Bereichen durch Schweißnähte
53 miteinander verbunden sind. Der Mantel 50 besteht aus einem Ventilmetall, vorzugsweise Titan.
An zwei gegenüberliegenden Innenflächen des Mantels 50 ist jeweils ein Streifen 60 aus einem Streckmetall
aus demselben Ventilmetall wie der Mantel, nämlich Titan, über eine Vielzahl von Schweißpunkten 61 angeschweißt.
Dadurch ergibt sich sowohl eine feste
mechanische Verbindung als auch eine gut elektrisch leitende Verbindung zwischen dem jeweiligen Streifen
60 aus Streckmetall und dem Mantel 50. In den Hohlraum des Mantels ist ein Kern 70 aus einem geeigneten,
elektrisch gut leitenden Nicht-Ventilmetall eingegossen. Beim Eingießen des Kernmetalls 70 umfließt dieses die
Streifen 60 aus Streckmetall von allen Seiten und schrumpft beim Erstarren innig auf die Oberfläche der
Streifen 60 aus Streckmetall auf. Dadurch ergibt sich auch eine innige mechanische und elektrisch gut leitende
Verbindung zwischen dem Kernmetall 70 und den Streifen 60 aus Streckmetall. Die Streifen 60 aus
Streckmetall stellen deshalb die erfindungsgemäß gewünschten Kontaktstrukturen dar.
Die Streifen 60 aus Streckmetall verlaufen parallel zum Stromverlauf im Stromzuleiter 10, und zwar von
einem Anschlußkopf 11 des Stromzuleiters 10 bis mindestens zu der Stelle, an der der Stromverteiler
abzweigt. Falls es gewünscht wird, daß ein Teil des Stroms auch über den in Fig. 1 rechts liegenden Versteigungsstreifen
40 verlaufen soll, empfiehlt es sich, die Streifen 60 aus Streckmetall bis etwa in den Bereich der Abzweigungsstelle
dieses Verstärkungsstreifens 40 verlaufen zu lassen.
Aus Fig. 3 ergibt sich im Querschnitt eine etwas abgewandelte
Ausführungsform des Stromzuleiters 10 der Elektrode nach Fig. 1. In diesem Fall besteht nämlich
der Mantel 50 des Stromzuleiters 10 aus einem U-förmigen Profil 51a und einem planen Abschlußstreifen 54. Die
beiden Teile 53 und 54 des Mantels 50 sind an ihren Stoßstellen durch Schweißnähte 53 miteinander verbunden.
An der unteren Innenfläche des Mantels 50 ist
ein Streifen 60 aus Streckmetall angeordnet, der die
Kontaktstruktur darstellt und zu diesem Zweck von dem Kernmetall 70 umgössen und mit der Innenfläche des
Mantels 50 verschweißt ist.
5
5
Fig. 5 stellt einen Stromzuleiter TO mit einem einteiligen
Mantel 50 dar. Zum Zwecke der Herstellung dieser Ausführungsform geht man von einem U-Profil 55 aus, auf
dessen unterer Innenfläche ein Streifen 60 aus
Streckmetall verschweißt wird. Danach wird das Kernmetall 70 bis zu einer Höhe eingegossen, der der Höhe
des inneren Querschnitts der endgültigen Form des
Mantels des Stromzuleiters 10 entspricht. Die freien Schenkel 55a des U-Profils 55 werden danach nach innen
gebogen, wie in der Fig. 5 angedeutet, und durch Aufbringen
einer Schweißnaht 53 gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen.
Die Fig. 4 zeigt im Längsschnitt den Stromzuleiter der Elektrode nach Fig. 1 .· Jedoch ist in diesem Fall
eine etwas anders aufgebaute Kontaktstruktur vorgesehen. Die Kontaktstruktur besteht nämlich
aus zwei Drähten 61 , die in etwa in Stromverlaufsrichtung,
jedoch in Wellenform im Inneren des Mantels 50 verlegt sind. Die Drähte 61 berühren in Abständen die
Innenflächen des Mantels 50 und sind hier mit diesem verschweißt. Einer der Drähte 61 kann mit seinem dem
Anschlußkopf 11 zugewandten Ende mit einer Zwischenplatte 12 verschweißt sein, um auf diese Weise eine
direkte übertragung des Stroms vom Anschlußkopf 11 über
die Zwischenplatte 12 auf einen der Drähte 61 der dadurch gebildeten Kontaktstruktur zu erreichen.
Fig. 6 zeigt einen horizontalen Schnitt durch den Stromverteiler 20 der Elektrode nach Fig. 1 gemäß
der Schnittlinie VI-VI.Aus der Fig. 6 ergibt sich, daß der Stromzuleiter 20 in das Aktivteil 30 integriert
ist. Das Aktivteil 30 kann z.B. aus zwei beidseitig von dem Stromverteiler 20 sich erstreckenden
Platten 31 bestehen, die zur Vergrößerung der Oberfläche und der Steifigkeit in Form eines Wellblechs ausgebildet
sind. Der Stromverteiler 20 selbst besteht aus einem Mantel 50, der zusammengesetzt ist aus zwei
U-Profilen 56 und 57/ die Längsflansche 56a und 57a
miteinander durch Schweißnähte 53 verschweißt sind. Mit den Flanschen 57a sind auch die beiden Platten
31 des Aktivteils 30 verschweißt.
In dem durch den Mantel 50 gebildeten Hohlraum sind in Stromverlaufsrichtung wellenförmig verlegte Drähte
61 angeordnet, die die Kontaktstruktur darstellen. Der Hohlraum ist durch ein entsprechendes Kernmetall
70 ausgegossen.
Wie sich aus Fig. 7 ergibt, berühren die wellenförmig verlegten Drähte 61 in Abständen die Innenfläche des
Mantels 50 des Stromverteilers 20 und sind an diesen Stellen, bevorzugt nur an einer Seite, mit dem Me.ntel
50 verschweißt.
Fig. 8 zeigt im horizontalen Schnitt eine sogenannte
Box-Elektrode, bei der der Aktivteil 30 durch zwei Streckgitter-Bleche 32 gebildet ist, die sich zu einem
Hohlprofil ergänzen, in dessen Innerem der Stromverteiler 20 verläuft. Dieser Stromverteiler weist einen
Mantel 50 auf, der entsprechend der Fig. 2 aus zwei U-Profilen 51 und 52 zusammengesetzt ist und an den die
Bleche 32 angeschweißt sind. Der Hohlraum des Mantels
ist durch ein geeignetes Kernmetali 70 ausgegosssen.
Die Kontaktstruktur besteht aus Zapfen 62, die jeweils eine oder mehrere Verdünnungen bzw. Einschnürungen
62a aufweisen.
5
5
Die Fig. 9 zeigt eine im wesentlichen der Fig. 8 yer-,
gleichbare Elektrodenanordnung. Allerdings weisen bei der Konstruktion nach Fig. 9 die die Kontaktstruktur
darstellenden Zapfen 62 endseitige Verdickungen 6 2b auf.
Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Elektrode nit in das Aktivteil integriertem Stromverteiler. Bei dieser
Elektrode besteht das Aktivteil 30 bzw. die wirksame Fläche aus einem Wellblechprofil 33. Zur Ausbildung
des Stromverteilers 20 sind in zwei benachbarte Wellentäler vorzugsweise je ein Draht 61 in Wellenform eingelegt/die die Kontaktstruktur bilden. In diese beiden
Wellentäler ist zudem das Kernmetall 70 eingegossen.
Dieser Bereich des Wellblechprofils 33 des Aktivteils
30 bildet danach einen Teil des Mantels des Stromverteilers 20. Geschlossen wird der Mantel durch eine die
beiden Wellentäler abdeckende Abdeckplatte 80, die entsprechend der Wellenform des Wellblechprofils 33
abgewinkelt ist und im Bereich ihrer Abwinkelungen mit dem Wellblechprofil 33 verschweißt ist.
Eine ähnliche Ausbildung eines Aktivteil.s 30 mit integriertem
Stromverteiler 20 ergibt sich aus der Fig. 12. In diesem Fall weist das Wellblechprofil· 33 einen breiter als
die übrigen Wellen gestalteten U-förmigen Bereich 33a auf, der als Teil des Mantels des Stromverteilers 20 dient.
Auf der Innenfläche des Bereichs 33a des Wellblechprofils 33 ist als Kontaktstruktur ein Streifen 60
- 2>Τ-
aus Streckmetall aufgelegt, der mit dem Wellblechprofil 33 an einer Mehrzahl von Stellen verschweißt ist.
Der U-förmige Bereich 33a des Wellblechprofils 33 bildet gemeinsam mit einer Abdeckplatte 81, die mit dem
Wellblechprofil 33 in geeigneter Weise verschweißt ist, einen Hohlraum, in den das Kernmetall 70 eingegossen
ist.
Eine prinzipiell andere Ausführungsform einer Elektrode zeigen die Fig. 13 und 14. Danach besteht das Aktivteil
30 der Elektrode aus in einer Ebene im Abstand und zueinander parallel angeordneten Profilstäbe 34. Das
Profil dieser Stäbe 34 ist beliebig. Im dargestellten Fall handelt es sich um Rundstäbe. Der Stromverteiler
20 umfaßt einen rohrförmigen Mantel 50 mit zwei Reihen von einander gegenüberliegenden Radialbohrungen, durch
die die Profilstäbe 34 hindurchgesteckt sind. Die Profilstäbe 34 sind durch Schweißnähte 53 mit dem
rohrförmigen Mantel 50 des Stromverteilers 20 mechanisch und elektrisch leitend verbunden. In
den rohrförmigen Mantel 50 ist ein geeignetes Kernmetall 70 eingegossen. Die innerhalb des rohrförmigen
Mantels 50 des Stromverteilers 20 liegenden Abschnitte 6 3 der Profilstäbe 34 stellen die Kontaktstruktur dar.
Hierzu können diese Abschnitte 63 eine entsprechende Form oder Oberflächengestaltung oder eine Kontaktbeschichtung aufweisen, um das
Ziel eines innigen Aufschrumpfens des Kernmetalls 70
auf diese Abschnitte 63 der Profilstäbe 34 zu erreichen.
Die Fig. 15 bis 17 zeigen eine weitere prinzipielle Ausführungsform einer einschlägigen Metallelektrode.
Bei dieser ist das Aktivteil 30 durch zwei gegenüberliegende Wellblechprofile 35 bzw. 36 gebildet, die
-ig-
einen Hohlraum einschließen. Während das Wellblechprofil 35 gemäß Fig. 15 eine Zick-Zack-Form aufweist,
setzt sich das Wellblechprofil 36 nach Fig. 16 aus U-förmigen Bereichen zusammen. In den Hohlraum zwischen
den zwei Wellblechprofilen 35 bzw. 36 sind als
Kontaktstruktur Drähte 61 eingelegt, die in Abständen mit den Wellblechprofilen 35 bzw. 36 verschweißt sind.
Der übrigbleibende Hohlraum zwischen den zwei Wellblechprofilen
35 bzw. 36 ist mit"geeignetem. Kontakt-■
metall 70 ausgegossen. Dadurch ergibt sich zugleich das
stromführende Bauteil 20.
Fig. 18 zeigt eine Elektrode, bei der zwei Stromverteiler 20 in das Aktivteil 30 entsprechend den vorher
geschilderten Ausbildungsmöglichkeiten integriert sind. Das Aktivteil 30 ist bis an die Unterseite des
Stromzuleiters 10 herangeführt und mit dieser verbunden. In diesem Fall empfiehlt es sich auf alle Fälle, daß
die Kontaktstruktur im Inneren des Stromzuleiters 10 im wesentlichen über die gesamte Länge des Aktivteils
30 verläuft.
Fig. 19 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Streckgitter-Box-Elektrode
entsprechend den Fig. 8 und 9 mit zwei Stromverteilern 20 und jeweils einer endseitigen
Versteifungsstrebe 40.
Art und Herstellung der erfindungsgemäßen Elektroden
werden noch anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
-Wf-
Zur Herstellung eines Stromzuleiters wird auf einem 985 nun langen, 50 mm breiten, 15 mm hohen und
1,5 mm dicken U-förmigen Titanprofilblech innenseitig ' auf einer Länge von 500 mm entsprechend der Erstreckungslänge
des Aktivteils ein ungewalzter, 30 mm breiter Titan-Streckgitterstreifen als Kontaktstruktur mit
einer Maschenlänge von 10 mm, einer Maschenbreite von 5 mm, einer Stegdicke von 1 mm und einer Stegbreite
von 1 mm durch Punktschweißen befestigt. Der Abstand der 10 mm großen Schweißpunkte beträgt 30 mm. Das
so vorbereitete U-förmige Titanprofilblech wird mit einem zweiten Titanprofilblech der gleichen Abmessung,
jedoch ohne eingeschweißtem Titan-Streckgitterstreifen, zu einem Rechteckprofilmantel der Gesamtdicke 25 mm
überlappt und gas- und flüssigkeitsdicht zusammengeschweißt. Die eine Stirnseite des Rechteckprofilmantels
wird mittels einer 3 mm dicken aufgeschweißten Titanplatte dicht verschlossen. Anschließend
wird an diese Titanplatte ein Kontaktkopf aus Kupfer mit Silberhartlot angelötet. Der Stromzuleiter
ist nun fertig zum Vergießen mit Kernmetall.
Ein Stromverteiler mit einem 1150 mm langen, 80
breiten und 12 mm dicken Mantel aus Titan, in den jedoch
zwei Titanstreckgitterstreifen als Kontaktstruktur, d.h. an jedem der beiden U-Profile einen, beinhaltet, wird
in gleicher Weise vorbereitet.
Stromzuleiter und Stromverteiler werden in einem Ofen in inerter Atmosphäre auf ca. 5000C erhitzt. In deren
- ZA-
offene Enden wird anschließend 55O°C heißes schmelzflüssiges
Zink eingegossen. Nach Auffüllen, lunkerfreiem Erstarren und Abkühlen werden die Einfüllenden
der Mantel vom überschüssigem Zink befreit und gereinigt.
Es folgt nun das Verschließen der noch offenen Enden der Mäntel durch Aufschweißen von
Titanplatten.
Längs der beiden Schmalseiten des Stromverteilers.
werden zwei beschichtete Aktivteile der Abmessung 990 χ 242 mm aus 1 mm dickem Titanwellblech mit einer
Wellenlänge von ca. 24 mm, einer Amplitude von ca. 6 mm und einem Flächenfaktor Gesamtoberfläche :
projizierte Oberfläche von ca. 3 angeschweißt.
Das 160 mm aus dem Wellblechbereich herausragende
obere Ende des Stromverteilers wird inmitten der unteren Schmalseite des Stromzuleiters an diesen
angeschweißt. Weiter fixiert und versteift werden kann die Anodenkonstruktion durch Titanverbindungen
zwischen Stromzuleiter und der oberen Wellblechkante
(ebenfalls Fig. 1).
Die beschriebene Anode ist für eine Stromstärke von 390 A entsprechend einer anodenseitigen Stromdichte
2
von 350 A/m ausgelegt. Bei einer Stromstärke von
von 350 A/m ausgelegt. Bei einer Stromstärke von
390 A tritt in der Anode lediglich ein 0hm'scher
Spannungsabfall von ca. 50 mV auf. 30
Die Anodenkonstruktion ist steif und robust. Dies
resultiert aus der Wellblechstruktur und dem wie geschildert ausgebildeten Stromverteiler.
. -33-
Die Anode ist einfach im Aufbau, billig herstellbar aufgrund der geringen Menge an Titan und der kostengünstigen
Stromzuleiter und -verteiler mit Zinkkern und weist eine sehr große geometrische Oberfläche
auf. Sie wiegt ohne Kupferkontaktkopf 20 kg, wovon
lediglich 6 kg auf den teueren Werkstoff Titan entfallen
.
Dank des günstigen Flächenfaktors 3 wird bei dieser Anode die anodenseitige Stromdichte von 350 A/m5 auf
einen D -Wert (anodische Stromdichte) von ca. 235 A/m2 gesenkt.
Im Falle der elektrolytischen Zinkgewinnung, für die diese Anode bestimmt ist, resultiert aus dem oben
Gesagten und aus der katalytischen Effektivität der aktiven Komponenten der Beschichtung über lange Betriebszeit
eine besonders niedrige Sauerstoffüberspannung und Zellenspannung.
Als sehr vorteilhaft hat sich diese Anode auch bei der elektrolytischen Gewinnung von Mangandioxid erwiesen.
Die für die Abscheidung zur Verfügung stehende große Oberfläche der erfindungsgemäßen Anode mit dem
Flächenfaktor 3 und ihr äußerst geringer innerer Spannungsabfall mit ca. 18 mV bei einer anodenseitigen
Stromdichte von 120 A/m2 bewirken neben den Qualitätsverbesserungen
beim Elektrolytbraunstein auch beträchtliche Energieeinsparungen pro Tonne erzeugten
Produkts. Hinzu kommt eine beträchtliche Einsparung an spezifischem Arbeitsaufwand je Tonne erzeugten
Elektrolytbraunsteins dank der leichten Entfernbarkeit der Mn0_- Beläge von dieser Anode.
Eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Anodenkonstruktion
mit Stromzuleiter und -verteiler, die sich besonders
für den Einsatz in der elektrolytischen Gewinnung von Zink bei hoher Strombelastung mit anodenseitiger Stromdichte
von 600 A/m2 eignet, wird in folgender ,Weise hergestellt.
Auf einem 985 mm langen, 25 mm breiten, 60 mm hohen
und 1,5 mm dicken U-förmigen Titanprofilblech wird
innenseitig am Boden auf einer Länge von ca. 800 mm ein ungewalzter, 20 mm breiter Titanstreckgitterstreifen der gleichen Gittercharakteristik wie im
Beispiel 1 beschrieben durch Punktschweißung befestigt. Der Abstand der 10 mm großen Schweißpunkte
beträgt 25 mm. Das U-förmige Titanprofil wird mittels eines 1,5 mm dicken Titanblechstreifens passender
Abmessung zu einem Rechteckprofilmantel gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt. Die der Titan-Kontaktstruktur
nahe Stirnseite des Rechteckprofilmantels wird mit einer 3 mm dicken Titanplatte passender Abmessung,
die innenseitig ebenfalls ein Titanstreckgittergerüst aufweist, dicht verschlossen. An ihr ist der Kontaktkopf
aus Kupfer anzubringen. Das Vergießen dieses Stromleiters mit Zink und das Verschließen der Eingießöffnung
erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben.
Als Aktivteil für diese Anode dient ein 1150 nun langes,
565 mm breits und 1 mm dickes Titanwellblech der gleichen Charakteristik wie im Beispiel 1 beschrieben,
jedoch versehen mit zwei 1150 mm langen und 60 mm
breiten, ebenen,mittig in den beiden Wellblechhälften
angeordneten Bereichen. In diesen ebenen Bereichen
werden ungewalzte Titanstreckgitterstreifen mit Kontaktbeschichtung in der bereits beschriebenen
Weise angeschweißt. Durch überdeckende 1 mm starke Titanblechstreifen, die an die den ebenen Bereichen
beidseitig angrenzenden Wellenbergkanten dicht angeschweißt werden, entstehen zwei im Aktivteil integrierte
Stromverteilermäntel. Nach dem Vergießen mit Zink und dem Verschließen ergeben diese sehr funktionstüchtige
Stromverteiler.
Die danach beschichtete Wellblechanode, die zweckmäßigerweise auch einige die Elektrolytzirkulation
verbessernde Bohrungen aufweist, wird anschließend mit dem Stromzuleiter im Bereich der Stromverteilerenden
dicht und in den übrigen Zonen punktweise verschweißt .
Der Ohm'sche Spannungsfall dieser mit 670 A belasteten
Anode beträgt nur 50 mV. Die beiden im Aktivteil integrierten Stromverteiler zusammen mit dem verschweißten
Stromzuleiter und dem wellenförmigen Aktivteil ergeben
eine sehr steife, robuste und langlebige Konstruktion bei gleichzeitig sehr geringer Titanmenge von ca.
6,5 kg pro Anode. Das Gesamtgewicht der Anode beträgt ca. 23,5 kg. Der Flächenfaktor 3 des Aktivteils bewirkt
eine, die Zellenspannung vermindernde Absenkung der anodenseitigen Stromdichte von 600 A/m2 auf eine
D (anodische Stromdichte) von 400 A/m2.
Bei der Kupfergewinnungselektrolye mit einer anodenseitigen
Stromdichte von 350 A/m2 und einer Strombelastung von 590 A/Anode hat sich folgende beschichtete Titananode
bestens bewährt.
Der für diese Anode benötigte 1220 mm lange Titan-Stromzuleitermantel
und die beiden 1170 mm langen, 60 mm
breiten und 12 mm dicken Titan-Stromverteilermäntel sind gemäß Beispiel 1 ausgeführt.
Die Mantel des Stromzuleitejs und der beiden Stromverteiler
wurden in einem Ofen in inerter Atmosphäre auf ca. 75O°C erhitzt. In die offenen Enden der Mäntel
wurde anschließend 75O°C heißes, schmelzflüssiges Aluminium gegossen. Nach dessen Erstarren und der Reinigung
der Eingießöffnungen sind diese mit 3 mm dicken Titanplättchen
dicht verschweißt worden.
Die beiden Stromverteiler wurden in eine 990 mm hohe,
852 mm breite und 14 mm dicke, oben und unten offene, beschichtete Titan-Streckgitterbox der Gittercharakteristik
Maschenlänge 31,75 mm, Maschenbreite 12,7 mm, Stegbreite 2,46 mm, Stegdicke 1,0 mm inmitten
der jeweiligen Boxhälften auf der gesamten Höhe der Box mit dieser verschweißt. An die aus der Box herausragenden, oberen 180 mm langen Stromverteilerenden
wurde der Stromzuleiter mit seiner Schmalseite angeschweißt. Zusätzlich fixiert und versteift wurde die
Anodenkonstruktion durch Verbindungsstreifen aus Titan zwischen Stromzuleitermantel und den oberen Boxecken.
Das Titangewicht dieser Anode beträgt 6 kg, ihr Gesamtgewicht
13,2 kg. Trotz dieses geringen Titanbedarfs beträgt der Ohm'sche Spannungsabfall dieser Anode lediglich
35 mV.
, -36:
Leerseite
Claims (18)
1. Elektrode, insbesondere Anode aus beschichtetem Ventilmetall zur elektrolytischen Gewinnung von
Metallen oder Metalloxiden, mit einem stromführenden Bauteil, z.B. einem Stromzuleiter und/oder
einem Stromverteiler, das aus einem Mantel aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern
aus elektrisch gut leitendem Metall, der mit dem Mantel in elektrisch leitender Verbindung steht,
besteht,dadurch gekennzeichnet ,
daß in das Kernmetall· (70) des stromführenden Bauteils (10; 20) eine Kontaktstruktur (60-63) eingebettet
ist, die aus Ventilmetall besteht und über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der
Innenfläche des Mantels (50) verbunden ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß die Kontaktstruktur
(60-63) ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen orientierten Oberflächen ist, das
von dem Kernmetall (70) aus mehreren Richtungen her umgeben ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur
aus einem Streifen (60) aus Streckmetall, Drahtnetz, Lochblech oder dergleichen, gebildet
ist (z.B. Fig. 2) .
4. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Streifen (60) aus Streckmetall
oder dergleichen parallel zur Stromfließrichtung im Bauteil (10; 20) verlegt ist.
5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Streifen (60) aus Streckmetall
oder dergleichen geradlinig verläuft.
6. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Streifen (60) aus Streckmetall
oder dergleichen gewellt verläuft.
7. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur
aus mindestens einem Draht (61) gebildet ist, der in Stromfließrichtung im Bauteil (10; 20) gewellt
verlegt ist (Fig. 4 und 7) .
8. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur
aus einer Mehrzahl von Körpern wie Bolzen (62) mit Verdickungen (62b) und/oder Verdünnungen (62a)
dargestellt ist (Fig. 8 und 9).
9. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstruktur (60-S3) mit einer Kontaktbeschichtung
versehen ist.
10. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e ken η ζ ei c h η et , daß der
Kern (70) des stromführenden Bauteils (10; 20)
aus einem Metall besteht, dessen Schmelzpunkt um mindestens 500°C niedriger liegt als der des
Metalls des Mantels (50).
11. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das
Metall des Kerns (70) des stromführenden Bauteils (10; 20) eine wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit
aufweist als das Ventilmetall des Mantels (50).
12. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,daß das als Stromverteiler (20) dienende Bauteil dadurch in die
aktive Fläche (30) der Elektrode integriert ist,daß der Mantel zumindest teilweise durch ein die aktive
Fläche der Elektrode darstellendem Elektrodenblech
(30) gebildet ist und eine Kontaktstruktur (60, 61) in einem derartig ausgebildeten stromführenden
Bauteil angeordnet ist (Fig. 6, 10 bis 12 und
15 bis 17) .
13. Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur (60)mit dem den
Mantel zumindest teilweise bildenden Bereich des Elektrodenblechs (30) verschweißt ist (z.B. Fig.
12).
14. Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest der den Mantel
teilweise bildender Bereich des Elektrodenblechs (30) U-förmig oder wellenförmig ausgebildet ist
und dieser Bereich durch eine Abdeckplatte (80; 81) zu dem geschlossenen Mantel ergänzt ist (Fig. 10
und 12).
15. Elektrode nach Anspruch 14, dadurch g e k e η η zeichnet,
daß die Abdeckplatte (80; 81) mit dem Elektrodenblech verschweißt ist.
16. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,
daß das Elektrodenblech als einstückiges oder mehrstückiges Wellblech (31) ausgebildet ist.
17. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß das vorzugsweise als Wellblech (31) ausgebildete Elektrodenblech
beidseitig an den Mantel (50) des Stromverteilers (20) angeschweißt ist.
18. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die wirksame Fläche
(30) der Elektrode durch eine Mehrzahl von in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Profilstäben
(34) gebildet ist und die Kontaktstruktur durch Abschnitte (63) der Profilstäbe (34) gebildet ist,
die durch den Kern (70) des stromführenden Bauteils
(20) hindurchgeführt sind (Fig. 13, 14).
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