EA004488B1 - Способ изготовления электрода и электрод - Google Patents

Abstract

Предложен способ изготовления электрода, используемого при электролизе металлов, при котором элемент (2) пластины электрода прикрепляют к штанге (1) подвески, которая также служит проводником энергии. Элемент (2) пластины прикрепляют к штанге (1) подвески посредством диффузионного соединения. Изобретение также относится к электроду.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу изготовления электрода, используемого при электролизе металлов. Изобретение также относится к конструкции электрода.

Уровень техники

Известно, что при электролизе металлов уже давно применяют способ, при котором используют затравочные пластины, которые сначала отдельно выращивают поверх основных пластин. Использование таких затравочных пластин в качестве электродов, в частности, в качестве катодов, состоящих из такого же металла, как металл, подлежащий осаждению при электролизе, например, медь, постепенно сужается, в частности, в связи с капиталовложениями в новые исследования. Многие новые установки электролиза обусловили использование постоянных катодов с пластинообразными элементами, которые обычно выполнены либо из кислотостойкой стали, либо из титана.

Постоянные катоды изготавливают в соответствии с многими разными способами, основными различиями между которыми стали конструкция штанги подвески катода и крепление элемента пластины к этой штанге подвески. Поскольку штанги подвески также служат проводниками энергии, их следует изготавливать так, чтобы потери энергии были минимальными.

В технике известно несколько различных путей реализации соединения меди и другого металла при изготовлении штанг подвески катодов. Проблематичным в структуре штанги подвески и в соединении элемента пластины с этой штангой является тот факт, что для подвода большой электрической энергии к элементу пластины штанга подвески должна включать в себя достаточное количество материала большой электропроводности, такого как медь, потому что кислотостойкая сталь, которую обычно используют в элементе пластины, имеет малую электропроводность и поэтому выпадает из рассмотрения в качестве подходящего материала для штанги подвески. С рынков сбыта доходит информация о том, что известна конструкция с полностью медной штангой подвески, к которой элемент пластины, выполненный из кислотостойкой стали, приварен путем использования проволочного электрода со специальным сплавом. Один из недостатков такой конструкции заключается в том, что требуемый сварной шов на специальной стали не является столь же стойким к коррозии, как другие детали катода. Другой недостаток заключается в том, что медная штанга подвержена деформации из-за мягкости упомянутой штанги подвески, в частности, когда используют катоды большей массы. Еще один недостаток известного технического решения заключается в трудности прикрепления различных лап подвески, которое - в соответствии с требованиями современной модернизиро ванной обработки материалов применительно к постоянному катоду - должно быть достаточно надежным над штангой подвески.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы реализовать способ изготовления электрода, в частности катода, посредством которого можно преодолеть недостатки известных конструкций. Задача настоящего изобретения также заключается в том, чтобы реализовать способ соединения медной штанги, служащей в качестве проводящей шины, и катодного элемента пластины, выполненного из высококачественной стали, таким образом, что достигается хороший электрический контакт, который также является достаточно жестким, чтобы выдерживать нагрузку, обусловленную катодной пластиной и материалом, подлежащим электролизу на ней. Задача изобретения заключается в том, чтобы добиться соединения со свойствами хорошей электропроводности, которые поддерживаются даже в условиях длительной коррозии.

Изобретение отличается признаками, приведенными в прилагаемой формуле изобретения.

Способ, соответствующий изобретению, имеет ряд существенных преимуществ. Посредством этого способа гарантируется равномерное распределение электрической энергии от проводящей шины к катодной пластине. Технологические этапы, осуществляемые посредством сварки, больше не нужны при изготовлении катодной пластины. Способ соединения является легко автоматизируемым, по сравнению со способами сварки. Путем нанесения слоя никеля на поверхность стали можно предотвратить потери никеля, выходящего из аустенитной нержавеющей стали в медь, что могло бы вызвать охрупчивание стали. Создание соединения активируют посредством нанесения слоя твердого припоя на поверхность стыка медной поверхности и стальной пластины, имеющей гальваническое никелевое покрытие. Посредством активатора можно использовать меньшие температуры соединения, в результате чего понижаются термические механические напряжения, создаваемые в зоне стыка. Когда применяемой штангой подвески является профилированная штанга, соответствующая предпочтительному конкретному варианту осуществления изобретения, достигается экономичная и стойкая конструкция с достаточной жесткостью.

В этой заявке термин «медь», помимо других объектов, выполненных из меди, относится к материалам сплавов с содержанием меди, в которые входит, по меньшей мере, 50% меди. Термин «нержавеющая сталь» в этой заявке относится главным образом к аустенитным легированным сталям, таким, как нержавеющие и кислотостойкие стали.

Перечень фигур чертежей

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на чертежи, где на фиг. 1 изображена структура стыка, соответствующая изобретению, перед этапом нагревания, на фиг. 2 изображена структура другого стыка, соответствующая изобретению, перед этапом нагревания, на фиг. 3 изображена структура третьего стыка, соответствующая изобретению, перед этапом нагревания, на фиг. 4 изображен электрод, соответствующий изобретению, и на фиг. 5 изображена деталь электрода, соответствующая изобретению, показанная в поперечном сечении вдоль линии У-У, представленной на фиг. 1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Изобретение относится к способу изготовления электрода, подлежащего использованию при электролизе металлов. При осуществлении этого способа элемент 2 электродной пластины прикрепляют к штанге 1 подвески, которая также служит проводником энергии. Согласно изобретению элемент 2 пластины прикрепляют посредством диффузионного соединения к штанге 1 подвески. В типичном случае элемент 2 пластины прикрепляют к штанге подвески в его верхней части, по меньшей мере, вдоль значительной его длины. На фиг. 1, 2 и 3 приведены упрощенные иллюстрации различных вариантов осуществления способа создания соединения перед этапом нагревания. Перед формированием соединения, между поверхностями стыка элемента 2 пластины и штанги 1 подвески, наносят, по меньшей мере, один промежуточный слой 3, 4, 5. Между поверхностями стыка элемента 2 пластины и штанги 1 подвески, подлежащих соединению друг с другом, наносят первый промежуточный слой 3 на поверхности стыка элемента 2 пластины или у упомянутой поверхности и по меньшей мере второй промежуточный слой 4 на поверхности стыка штанги 1 подвески или у упомянутой поверхности, после чего поверхности стыка, включая их промежуточные слои, прижимают друг к другу, и при осуществлении упомянутого способа нагревают, по меньшей мере, зону стыка. Применяемая штанга 1 подвески в типичном случае является медной штангой или штангой из медного сплава, которая, по существу, состоит в основном из меди. Применяемый элемент 2 электродной пластины выполнен из высококачественной стали, предпочтительно - из аустенитной Сг/Νίстали. Первый промежуточный слой 3 включает в себя в основном никель (N1) или хром (Сг) или их сплав или смесь. Второй промежуточный слой 4 состоит из активатора с температурой плавления, которая ниже, чем у объектов, подлежащих соединению друг с другом. Второй промежуточный слой 4 включает в себя в основном серебро (Ад) и/или олово (Зп) или в форме сплава или смеси серебро и медь (Ад+Си), алюминий и медь (А1+Си) или олово и медь (Зп+Си).

На фиг. 1 изображен конкретный вариант осуществления способа соединения, соответствующий изобретению, в поперечном сечении перед термообработкой. Этим способом соединяют друг с другом штангу 1 подвески, по существу, состоящую из меди, и элемент 2 пластины, состоящий из нержавеющей стали. В соединении между этими двумя объектами располагают промежуточные слои. Промежуточный слой 3, расположенный у нержавеющей стали, включает в себя в основном никель (N1). Кроме того, при создании соединения преимущественно используют так называемый агентактиватор 4, которым в случае приведенного примера является олово (Зп). Олово функционирует как активатор и приводит к понижению температуры, которая необходима при создании соединения.

Промежуточный слой 3 может быть образован на поверхности элемента 2 пластины посредством отдельной обработки. Когда в качестве промежуточного слоя 3 используют никель, упомянутый слой можно создавать, например, посредством электролиза. В типичном случае осуществляют гальваническое покрытие никелем, так что пассивационный слой, находящийся на нержавеющей стали, не является препятствием переносу материала на поверхности стыка между нержавеющей сталью и никелем. Промежуточный слой 3 также можно наносить в форме фольги.

На поверхностях стыка объектов 1, 2, подлежащих соединению друг с другом, создают диффузионное соединение (фиг. 5) в результате диффузии никеля, с одной стороны, и в результате диффузии меди и компонентов стали, с другой стороны. Формирование диффузионного соединения и создаваемые при этом структуры активируют посредством исключительно тонкого слоя твердого припоя, требование о наличии которого обуславливают применяемые условия изготовления и желательное соединение, или посредством совокупности из нескольких слоев твердого припоя, располагаемых на поверхности стыка между стальной пластиной, имеющей гальваническое никелевое покрытие, и медью.

Применяемые твердые припои и активаторы диффузии представляют собой сплавы серебра и меди, и олова, в чистом виде или в форме специальных трехслойных структур. Механически прочные соединения получаются в диапазоне температур 700-850°С. Выбор периодов термообработки можно провести так, что в готовом соединении не будет происходить создание хрупких интерметаллических фаз. Толщины твердых припоев, а также температуру и продолжительность термообработки выбирают так, чтобы потери никеля из стали предотвращались в результате того, что на одной поверхности стыка получается сплав с высоким содержанием никеля. Преимущество низкой температуры соединения заключается в том, что термические механические напряжения, создаваемые в зоне стыка, являются минимальными.

На фиг. 2 изображен другой конкретный вариант осуществления способа соединения, соответствующего изобретению, перед термообработкой. Этим способом соединяют друг с другом штангу 1 подвески, по существу, состоящую из меди, и элемент 2 пластины, состоящий из нержавеющей стали. На стыке между этими двумя объектами располагают промежуточные слои 3, 4, 5. Промежуточный слой 3, расположенный у нержавеющей стали, включает в себя в основном никель (N1). Кроме того, при создании соединения преимущественно используют так называемый агент-активатор 4, которым в случае приведенного примера является олово (8п). Олово функционирует как активатор и приводит к понижению температуры, которая необходима при создании соединения. Помимо слоя олова, соединение включает в себя третий промежуточный слой 5, выполненный из другого твердого припоя и предусмотренный между слоем 4 олова и слоем 3 никеля. В предпочтительном конкретном варианте осуществления, упомянутый слой состоит из твердого припоя на основе Ад+Си, преимущественно - в форме фольги. Согласно предпочтительному конкретному варианту осуществления второй слой твердого припоя включает в себя 71% Ад и 29% Си, предпочтительно в форме эвтектического состава. Твердый припой преимущественно имеет, при заданном составе сплава, эвтектический состав с медью. Зону стыка нагревают за один этап. В соответствии с предпочтительным конкретным вариантом осуществления способа, соответствующего изобретению, второй промежуточный слой 4 наносят на поверхность третьего промежуточного слоя 5. В типичном, но не обязательном случае, по меньшей мере, один из промежуточных слоев 3, 4, 5 наносят на зону стыка в форме фольги. Применяемыми твердыми припоями и активаторами диффузии промежуточных слоев 4, 5 могут быть сплавы серебра и меди, а также олово, либо в чистом виде, либо в форме специальных трехслойных структур. Механически прочные соединения получаются в диапазоне температур 600-850°С. Выбор периодов термообработки можно провести так, что в готовом соединении не будет происходить создание хрупких интерметаллических фаз. Толщины твердых припоев, а также температуру и продолжительность термообработки выбирают так, чтобы потери никеля из стали предотвращались в результате того, что на одной поверхности стыка получается сплав с высоким содержанием никеля. Преимущество низкой температуры соединения заключается в том, что термические механические напряжения, создаваемые в зоне стыка, являются минимальными.

На фиг. 3 изображен еще один вариант осуществления способа соединения, соответствующий изобретению, перед нагреванием штанги подвески и элемента пластины. На обеих поверхностях третьего промежуточного слоя 5 или у упомянутых поверхностей предусмотрен второй промежуточный слой 4. В этом варианте осуществления, как правило, можно использовать трехслойную фольгу, одна или обе поверхности которой обработаны, например, оловом.

Толщины промежуточных слоев, используемых при осуществлении этого способа, являются разными. Толщина слоя N1, используемого в качестве первого промежуточного слоя 3, в типичном случае составляет 2-50 мкм. После электролиза, она обычно составляет 2-10 мкм, а в виде фольги - порядка 20-50 мкм. Толщина фольги на основе Ад или Ад+Си, используемой в качестве третьего промежуточного слоя 5, в типичном случае составляет 10-500 мкм, предпочтительно 20-100 мкм. Толщина второго промежуточного слоя 4 в типичном случае зависит от толщины третьего промежуточного слоя 5 и составляет, например, 10-50% толщины третьего промежуточного слоя. Исключительно высококачественные соединения удалось получить путем нанесения, например, слоя олова толщиной 5-10 мкм на поверхности фольги твердого припоя на основе Ад+Си толщиной 50 мкм. Слои олова можно формировать, например, путем погружения твердого припоя в форме фольги в расплавленное олово, с последующей раскаткой фольги для выглаживания, когда это необходимо.

Пример 1. Соединяли друг с другом кислотостойкую сталь (А181 316) и медь (Си). На поверхность стыка стали в качестве первого промежуточного слоя наносили слой никеля (N1) толщиной 7 мкм. В качестве активатора диффузии и твердого припоя использовали твердый припой на основе Ад+Си, имеющий эвтектический состав, включающий в себя такие доли, выраженные в массовых процентах, как 71% Ад и 29% Си. Твердый припой был в форме фольги толщиной 50 мкм, а на поверхности фольги также формировали слой олова (8п) толщиной порядка 5-10 мкм. Объекты, подлежащие соединению друг с другом, помещали друг у друга таким образом, что фольга оставалась между поверхностями стыка. Объекты прижимали друг к другу, а зону стыка нагревали до температуры примерно 800°С, превышавшей температуру плавления твердого припоя. Время выдерживания составляло примерно 10 мин. Соединение в соответствии с этим примером было исключительно качественным. Полученный результат представлял собой металлургически компактное соединение с превосходными свойствами электропроводности.

Таким образом, изобретение также относится к электроду, подлежащему использованию, в частности, в установках электролиза металлов, причем упомянутый электрод содержит штангу 1 подвески и элемент 2 пластины, прикрепленный к упомянутой штанге 1 подвески. Электрод, соответствующий изобретению, отличается тем, что элемент 2 пластины прикреплен к штанге 1 подвески посредством диффузионного соединения (фиг. 5). Элемент 2 пластины преимущественно прикреплен, по существу, вдоль всей его длины в штанге 1 подвески.

Поверхность штанги 1 подвески, окаймляющая элемент 2 пластины, по меньшей мере, в основном состоит из меди или сплава меди. В типичном случае элемент 2 пластины выполнен из высококачественной стали, в частности, кислотостойкой стали.

В соответствии с предпочтительным конкретным вариантом осуществления изобретения штанга 1 подвески содержит паз или подобный ему конструктивный элемент, предназначенный для установки в него неотъемлемой части элемента 2 пластины.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления электрод, соответствующий изобретению, является постоянным катодом. Их обычно используют, например, при электролизе меди.

В электроде, соответствующем изобретению, имеются легко устанавливаемые элементы 8 подвески, используемые во время транспортировки. Упомянутые элементы 8 подвески можно прикреплять, например, такими крепежными средствами, как винты или заклепки, к элементам 9, проходящим до некоторой точки выше уровня штанги подвески элемента пластины. Средства подвески также могут состоять из элементов 9, проходящих до некоторой точки выше уровня штанги подвески элемента 2 пластины.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ изготовления электрода, используемого при электролизе металлов, при котором элемент (2) пластины электрода прикрепляют к штанге (1) подвески, которая также служит проводником энергии, отличающийся тем, что упомянутый элемент (2) пластины, выполненный из высококачественной стали, прикрепляют к штанге (1) подвески, выполненной из меди или сплава меди, который состоит главным образом из меди, посредством диффузионного соединения, причем между поверхностями стыка элемента (2) пластины и штанги (1) подвески перед созданием соединения располагают по меньшей мере один промежуточный слой (3), который состоит в основном из никеля (N1) или хрома (Сг) или их сплава или смеси.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что элемент (2) пластины прикрепляют к штанге (1) в его верхней части, по меньшей мере, вдоль его значительной длины.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что между поверхностями стыка элемента пластины и штанги подвески, подлежащих соединению друг с другом, располагают первый промежуточный слой (3) на поверхности стыка элемента (2) пластины или у упомянутой поверхности и второй промежуточный слой (3) на поверхности стыка штанги (1) подвески или у упомянутой поверхности, после чего поверхности стыка, включая их промежуточные слои, прижимают друг к другу и нагревают, по меньшей мере, зону стыка.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что второй промежуточный слой (4) состоит из активатора с температурой плавления, которая ниже, чем температура плавления объектов, подлежащих соединению друг с другом.
5. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что второй промежуточный слой (4) состоит в основном из серебра (Ад) и/или олова (8п) или представлен в форме сплава или смеси серебра и меди (Ад+Си), алюминия и меди (А1 +Си) или олова и меди (8п+Си).
6. 6. Электрод, используемый в установках электролиза металлов, содержащий штангу (1) подвески и элемент (2) пластины, прикрепленный к упомянутой штанге подвески, отличающийся тем, что элемент (2) пластины прикреплен к штанге (1) подвески посредством диффузионного соединения, с использованием вдоль поверхности стыка элемента (2) пластины и штанги (1) подвески по меньшей мере одного промежуточного слоя (3), состоящего в основном из никеля или хрома или их сплава или смеси, при этом поверхность штанги (1) подвески, которая окаймляет элемент (2) пластины, по меньшей мере, в основном состоит из меди или сплава меди, а элемент (2) пластины выполнен из высококачественной стали, в частности, кислотостойкой стали.
7. 7. Электрод по п.6, отличающийся тем, что элемент (2) пластины прикреплен к штанге (1) подвески, по существу, вдоль всей длины упомянутого элемента (2) пластины.
8. 8. Электрод по п.6 или 7, отличающийся тем, что штанга (1) подвески содержит паз (6) или подобный ему конструктивный элемент, предназначенный для установки в него неотъемлемой части элемента пластины.
9. 9. Электрод по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что штанга (1) подвески закреплена по обе стороны элемента (2) пластины.
10. 10. Электрод по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что упомянутый электрод является постоянным катодом.