EA023794B1 - Устройство для применения при электрорафинировании и электровыделении металлов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству для применения при получении металлов электролитическими способами, содержащему множество анодов (2) и множество катодов (1) в чередующейся конфигурации, в которой каждая состоящая из анода и катода пара образует ячейку; множество источников (9) питания, причем каждая ячейка связана с одним или больше чем одним соответствующим источником питания и источники питания организованы таким образом, чтобы регулировать постоянный ток в одной или большем количестве ячеек до заданной величины.

Description

Данное изобретение относится к устройству для получения металлов электролитическими способами.

Предпосылки создания изобретения

При электрорафинировании (ЭР) и электровыделении (ЭВ) металлов электроды погружены в электролит, и между ними проходит электрический ток. Анод является электроположительным, а катод является электроотрицательным, так что электрический ток проходит через электролит от анода к катоду.

При электрорафинировании металлический анод является растворимым. То есть можно сказать, что металл поступает в электролит под влиянием разности потенциалов, существующей между анодом и катодом. Например, при электрорафинировании меди анод изготовлен из меди, и медь поступает в электролит из анода. Металл, теперь уже находящийся в электролите, переносится через электролит или посредством электролита к катоду, где он осаждается. Катод может состоять из такого же металла, как и металл, который осаждают, или же это может быть другой металл. Например, при электрорафинировании меди когда-то было принято использовать катод, изготовленный из меди. Однако в настоящее время обычно используют катод из нержавеющей стали, который быстро покрывается медью и который с этого момента ведет себя, по существу, как медный катод. Осажденную медь механически удаляют с катода из нержавеющей стали и катод используют повторно. Осадок меди на катоде является очень чистым. Примеси, которые присутствовали в металле анода, выпадают в виде нерастворимых веществ по мере растворения анода, и они могут содержать представляющие ценность побочные продукты, например золото. Помимо меди, металлы, которые можно очистить с помощью ЭР, включают золото, серебро, свинец, кобальт, никель, олово и другие металлы.

Электровыделение (ЭВ) отличается от электрорафинирования тем, что искомый металл вносят в ванну, и он уже находится в электролите. В примере с медью для растворения меди из окисленной формы медной руды обычно применяют серную кислоту, и полученную жидкость после концентрирования вносят в ванну электровыделения, чтобы извлечь из нее медь. В электролит погружены анод и катод, и между ними течет ток; при этом анод снова является положительным, а катод - отрицательным. При электровыделении анод является нерастворимым, и он изготовлен из инертного материала. Обычно в случае меди используют анод из свинцового сплава. Катод может быть из того же металла, который извлекают из электролита, или он может быть другим материалом. Например, в случае меди можно использовать медные катоды, хотя обычно применяют катоды из нержавеющей стали, которые быстро покрываются медью. Под влиянием электрического тока металл, который следует выделить, выходит из раствора электролита и осаждается на катоде в очень чистой форме. В ходе этого процесса электролит изменяется, отдавая значительную долю своего содержания металла. Кроме меди, металлы, получаемые способом электровыделения, включают свинец, золото, серебро, цинк, хром, кобальт, марганец, алюминий и другие металлы. Для некоторых металлов, например для алюминия, электролит представляет собой расплавленный материал, а не водный раствор.

В качестве примера напряжений и тока, применяемых в процессе, при рафинировании меди напряжение на ячейке обычно составляет около 0,3 В; плотность тока составляет около 300 А/м², а площадь каждого электрода в настоящее время составляет около 1 м². Эти цифры значительно различаются для разных металлов, но данное изобретение применимо к рафинированию и выделению всех металлов.

Электрические характеристики ячеек ЭР и ЭВ отличаются. В ячейках ЭР перенапряжения на катоде и аноде близки к нулю, так что ячейка имеет характеристики по сопротивлению, которые в традиционных системах определяются главным образом сопротивлением электролита. В ячейках ЭВ суммарное перенапряжение не равно нулю и может составлять большую часть напряжения между анодом и катодом. Однако, кроме того, может существовать некоторое падение напряжения из-за сопротивления электролита. Эти характеристики проиллюстрированы на фиг. 13. Фиг. 13 использует в качестве примера величины, которые приблизительно являются типичными для величин, имеющихся при ЭР и ЭВ меди.

Фиг. 14 иллюстрирует происхождение графика ЭР на фиг. 13, который изображает зависимость напряжения между анодом и катодом от катодного тока для ЭР. При ЭР перенапряжение на аноде и катоде близко к нулю, так что характеристики одного катода и ближайших к нему анодов (состоящих в данном примере из одного катода и двух анодов, разделенных междуэлектродными зазорами МЭЗ1 и МЭЗ2) примерно соответствуют характеристикам 0,5 мОм резистора. Этот резистор эффективно составлен из двух 1 мОм резисторов, соединенных параллельно; при этом сопротивление каждого из двух МЭЗ равно примерно 1 мОм.

Фиг. 15а изображает электрическую цепь, представляющую ситуацию при ЭР. Общий катодный ток разделен между двумя сторонами катода обратно пропорционально сопротивлению междуэлектродного зазора и различных других, небольших по величине, сопротивлений. Площади каждой из сторон катодной пластины одинаковы. Поэтому плотность тока на каждой стороне пластин обратно пропорциональны сопротивлению МЭЗ (и другим, меньшим по величине, составляющим сопротивления). Сопротивление каждого МЭЗ примерно пропорционально ширине междуэлектродного зазора (МЭЗ). Если междуэлектродные зазоры имеют различную ширину, общий ток на каждой стороне катода (и, следовательно, плотность тока на каждой стороне) будут различными.

- 1 023794

Фиг. 15Ь изображает электрическую цепь, представляющую ситуацию при ЭВ. На фиг. 13 линия, обозначенная ЭВ, изображает зависимость напряжения между анодом и катодом от катодного тока для ЭВ. Расположение электродов является таким же, как показанное на фиг. 14. На фиг. 13 линия для ЭВ смещена вверх на величину, равную суммарному перенапряжению в ячейке, которое для ЭВ меди составляет около 1,5 В. Для других металлов оно может быть значительно больше, даже выше 3,0 В. Следовательно, общее напряжение на ячейке равно сумме перенапряжения и падения напряжения за счет прохождения тока через сопротивление электролита (а также некоторые другие, меньшие по величине, составляющие сопротивления). Примерная эквивалентная электрическая цепь для ЭВ изображена на фиг. 15Ь. Как и ранее для ЭР, при ЭВ любое различие в сопротивлении электролита в МЭЗ с каждой стороны катода может повышать различие в плотности тока на каждой стороне катода, если только каждый МЭЗ не регулируют индивидуально с помощью системы контролируемой подачи тока. Подобным образом, любое изменение фактического перенапряжения на каждом из МЭЗ будет повышать различие в плотности тока на МЭЗ, если только питание на каждый МЭЗ не подают индивидуально.

Терминология.

В ЭР и ЭВ исходным моментом является анод, помещенный рядом с катодом в электролите, находящемся в ванне. Но можно применять много чередующихся катодных и анодных пластин; при этом все соединенные параллельно анодные пластины и все соединенные параллельно катодные пластины находятся в одной ванне с электролитом. В электрическом отношении это выглядит как одна ячейка, и, таким образом, в промышленности это обычно называют ячейкой.

В ЭР и ЭВ промышленности термин ячейка почти универсально применяют для обозначения ванны, в которой находятся аноды и катоды, соединенные параллельно.

В ЭР и ЭВ промышленности термин ванна может означать то же самое, что и вышеприведенный термин ячейка, или он может означать только емкость, в зависимости от контекста.

Таким образом, имеется вероятность путаницы, если не сделано указание на совокупность соединенных параллельно пластин. Данное изобретение применимо к ячейке, состоящей из одного катода и одного анода с одним междуэлектродным зазором (МЭЗ). Следовательно, на базовом уровне слово ячейка может быть синонимом случая с одним МЭЗ. В последующем описании термин ячейка используют для обозначения совместно работающих электродов, разделенных междуэлектродными зазорами. Если для осаждения металла следует использовать обе стороны катода, необходимы два анода, что образует два МЭЗ. Для дополнительного увеличения площади поверхности катода следует добавить большее количество анодов и катодов и, следовательно, большее количество МЭЗ. Количество МЭЗ в два раза больше, чем количество катодов.

Обратимся сначала к фиг. 1, где изображена базовая ячейка, в целом обозначенная 24, состоящая из одного катода 1, одного анода 2 и одного междуэлектродного зазора (МЭЗ) 3. Катод 1 и анод 2 погружены в электролит 4, который содержится в ванне 5.

Фиг. 2 изображает один катод 1 и два анода 2, соединенные параллельно, при этом устройство в целом создает два МЭЗ 3.

В цехах ванны соединены последовательно. Таким образом, типичному цеху ЭР может потребоваться энергоснабжение порядка 36000 А при 250 В.

Проблемы с процессами существующего уровня техники

В обычном процессе множество анодных и катодных пластин чередуются, и при параллельном соединении энергию к ним подводят от положительной и отрицательной шин таким образом, чтобы эффективно снабжать каждую пару из анодной и катодной пластин от общего источника напряжения. Это приводит к некоторому распределению плотности тока в ячейках из-за различий в сопротивлении ячеек. Эти различия возникают в результате разброса по величине, помимо прочего, сепарации пластин, внутреннего сопротивления пластин, сопротивления контакта между пластинами и шинами, ровностью и плоскостностью пластин, состоянием пластин и условиями в электролите.

На эффективность и скорость электролитического процесса может отрицательно влиять то обстоятельство, что плотность тока в ячейке не поддерживают в определенных пределах. Качество осажденного металла также зависит от плотности тока.

Кроме того, плохо контролируемая плотность тока может вызывать рост металлических дендритов на пластинах, что может привести к коротким замыканиям между пластинами.

Многочисленные ячейки обычно соединяют параллельно, путем параллельного соединения всех анодов в ванне и параллельного соединения всех катодов в ванне, но возможно также последовательнопараллельное соединение или последовательное соединение. Соответственно, плотность тока в данной ячейке зависит от условий в других ячейках и, следовательно, может отличаться от идеальной.

Электроды должны быть изготовлены и расположены с высокой точностью, чтобы обеспечить однородность характеристик ячейки.

Плотность тока, которая является идеальной для одной ячейки, может быть неидеальной для другой ячейки.

Напряжение, которое является идеальным для одной ячейки, может быть неидеальным для других ячеек.

- 2 023794

Концентрация электролита может изменяться со временем, что динамически изменяет характеристику данной ячейки в процессе электрорафинирования или электровыделения металла.

Ток, подводимый к ячейкам, передают на большие расстояния при высокой величине тока. Поскольку потери в проводнике пропорциональны квадрату тока, этот процесс является неэкономичным в отношении энергии.

Напряжение, прилагаемое к каждой ячейке, может быть плохо регулируемым, особенно если энергию подают при высоком значении тока по длинным шинам, с которыми соединены ячейки, условия в которых являются изменяющимися.

Контактное сопротивление между пластинами и шинами может существенно изменяться, что приводит к плохому контролю тока, протекающего через пластины, и плотности тока на пластинах.

В некоторых системах, например, при рафинировании меди, иногда используют стальной катод, при этом полученную медь снимают, и пластину используют повторно. Стальные пластины могут разрушаться со временем и в ходе использования, и, следовательно, происходят изменения в их внутреннем сопротивлении, что приводит к ухудшению контроля тока, протекающего через пластину, и плотности тока на пластинах.

Толщина анода и его характеристики изменяются при наращивании металла (т.е. в ходе процесса электролитического получения) и между периодами наращивания, в результате трудно получить идеальную плотность тока в ходе любого конкретного периода наращивания.

Сущность изобретения

В соответствии с первым аспектом данного изобретения предложено устройство для применения при электролитическом получении металлов, включающее ряд анодов и ряд катодов, в чередующейся конфигурации, в котором каждая пара, состоящая из анода и катода, образует ячейку; множество источников питания, причем каждая ячейка соединена с одним или большим количеством соответствующих источников питания; и источники питания организованы так, чтобы контролировать постоянный ток в одной или большем количестве ячеек на заданном значении.

В соответствии со вторым аспектом данного изобретения предложено устройство для применения при электровыделении или электрорафинировании металлов, включающее первый и второй электроды; по меньшей мере одну шину; по меньшей мере один источник питания; в котором источник питания соединен с электродом и организован таким образом, чтобы регулировать подачу тока от шины к электроду.

В соответствии с третьим аспектом данного изобретения предложено устройство для электролитического получения или электролитического рафинирования материала, включающее электрод, содержащий первый проводящий слой и второй проводящий слой, при этом первый проводящий слой и второй проводящий слой разделены электроизолирующим слоем.

В соответствии с четвертым аспектом данного изобретения предложено устройство для электролитического получения материалов, содержащее первый и второй электроды и исполнительные механизмы для регулирования расстояний между ними в зависимости по меньшей мере от одного из параметров: изменения вольт-амперной характеристики между первым и вторым электродами; условий на электродах; времени.

В соответствии с пятым аспектом данного изобретения предложено устройство для электролитического получения, в котором, по меньшей мере, некоторые соединения между источниками питания, подвесными штангами и электродами содержат контакты, прижатые к общим электропроводным поверхностям.

Согласно шестому аспекту данного изобретения предложено устройство для электролитического получения, включающее ряд электродов; датчики тока, соединенные, по меньшей мере, с некоторыми электродами, и схемы для вывода или обработки данных, для вывода или обработки данных по измерению тока.

Описание чертежей

Ниже будут описаны примеры воплощения данного изобретения, в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 представляет собой иллюстрацию базовой ячейки или МЭЗ; фиг. 2 представляет вид сбоку двух анодов и катода, создающих два МЭЗ;

фиг. 3 представляет вид сбоку многочисленных анодов, соединенных параллельно, и многочисленных катодов, соединенных параллельно;

фиг. 4 представляет вид сверху нескольких ванн, соединенных последовательно;

фиг. 5 представляет иллюстрацию схемы преобразователя, представляющую собой пример воплощения данного изобретения, в которой напряжения на МЭЗ изменяются;

фиг. 6 представляет иллюстрацию преобразователя, представляющего собой пример воплощения данного изобретения, который может регулировать напряжение на электродах;

фиг. 7а-7с представляют вид сбоку электрода, иллюстрирующий, каким образом преобразователи или стабилизаторы могут быть вставлены между пластинами и шинами;

фиг. 8 представляет схему преобразователя с мостовым выпрямителем на выходе;

- 3 023794 фиг. 9 представляет схему преобразователя с вторичной обмоткой трансформатора, имеющей вывод от средней точки (автотрансформатора);

фиг. 10 представляет схему импульсного понижающего стабилизатора;

фиг. 11 представляет схему цепи для коррекции коэффициента мощности (сок φ);

фиг. 12 представляет схематическое изображение системы контроля ячейки в соответствии с одним из примеров воплощения данного изобретения;

фиг. 13 представляет графическое изображение зависимостей тока от напряжения для ЭР- и ЭВ-ячеек.

фиг. 14 представляет вид сбоку фиг. 2, дополнительно показывающий электрическое происхождение характеристик ЭР-ячейки;

фиг. 15а изображает электрическую схему, представляющую ЭР-ячейку; фиг. 15Ь изображает электрическую схему, представляющую ЭВ-ячейку;

фиг. 16 представляет вид спереди электрода, у которого стабилизаторы вставлены между проушинами электродов и шинами;

фиг. 17 представляет вид спереди электрода, у которого стабилизаторы введены в проушины; фиг. 18 представляет вид спереди электрода, у которого два стабилизатора включены в единый стабилизатор, разделяющий основную пластину и балку, на которой крепятся проушины;

фиг. 19 представляет иллюстрацию модификации примера воплощения, приведенного на фиг. 18, с несколькими стабилизаторами;

фиг. 20 является более надежной в механическом отношении версией примера воплощения, изображенного на фиг. 19;

фиг. 21 является перспективой развития примера воплощения, изображенного на фиг. 20;

фиг. 22 является перспективой развития устройства, изображенного на фиг. 20, в котором стабилизаторы расположены другим образом;

фиг. 23 представляет вид сбоку ванны, иллюстрирующий, каким образом источники питания могут быть расположены на несущей штанге над ваннами, контактируя с электродами посредством пружинных контактов, в соответствии с одним из примеров воплощения данного изобретения;

фиг. 24 представляет вид сверху устройства, показанного на фиг. 23;

фиг. 25 представляет вид сверху ванны, в которой в устройстве опорных балок используют две или более опорные балки;

фиг. 26 представляет вид сбоку ванны, иллюстрирующий, каким образом система опорной балки может быть использована для перемещения катодов;

фиг. 27 представляет вид сверху устройства, изображенного на фиг. 26; фиг. 28 изображает, каким образом рамы можно вынуть и сложить в стопку;

фиг. 29 представляет вид сверху, иллюстрирующий конфигурацию опорных балок в соответствии с другим примером воплощения данного изобретения;

фиг. 30 изображает способ удаления опорных балок и сборок крышки;

фиг. 31 представляет вид сбоку верхних концов трех электродов, иллюстрирующий способ применения поперечного элемента, остающегося на анодах для поддержки катода и стабилизатора;

фиг. 32 представляет вид, со стороны кромки, трехслойной катодной пластины в соответствии с одним из примеров воплощения данного изобретения;

фиг. 33 представляет вид сверху электродной конфигурации, иллюстрирующий средства перемещения пластин в ванне по ходу производственной линии;

фиг. 34 изображает продольную организацию производственной линии, проиллюстрированной на фиг. 33;

фиг. 35 изображает расположение по длине производственной линии, когда аноды, катоды и источники питания перемещаются совместно;

фиг. 36 изображает модификацию организации, изображенной на фиг. 35;

фиг. 37 представляет собой схему импульсного понижающего стабилизатора с синхронным выпрямителем, дающего нерегулируемый ток;

фиг. 38 представляет собой схему импульсного понижающего стабилизатора, приспособленного для перемещающихся катодов;

фиг. 39 определяет физические элементы при работе в сочетании со схемой, изображенной на фиг. 38;

фиг. 40 представляет схему упрощенного стабилизатора, работающего в импульсном режиме, который следует использовать с другими стабилизаторами, работающими в импульсном режиме, чередующимся во времени образом, чтобы поддерживать постоянный ток на подвесной штанге;

фиг. 41 представляет схему многофазного импульсного преобразователя;

фиг. 42 представляет схему устройства управления подачей энергии в соответствии с одним из аспектов данного изобретения.

- 4 023794

Описание предпочтительных примеров воплощения данного изобретения

На фиг. 3 показана конструкция ванны, которая является обычной на предприятиях электровыделения и электрорафинирования металлов существующего уровня техники. Многочисленные катоды 1 соединены параллельно, и многочисленные аноды 2 соединены параллельно, чтобы увеличить общую площадь поверхности катодов. Число междуэлектродных зазоров (МЭЗ) в два раза больше, чем число катодов.

Фиг. 4 изображает систему предшествующего уровня техники, имеющую многочисленные ванны 5, соединенные последовательно. Ванны соединены соединительным устройством 6, которое на практике является не единичным кабелем, но многочисленными соединениями, которые осуществлены через компенсирующие штанги, обеспечивающие соединение между ваннами в многочисленных точках.

Любое устройство, которое подает некоторое напряжение на катод (по отношению к находящимся рядом с ним анодам), или ток на катод, будет испытывать трудность в поддержании одинаковой плотности тока на каждой стороне катода. Аноды обычно отстоят от катода на фиксированное расстояние (обычно 10 см). В течение многих лет пытались поддерживать катодные пластины в плоском состоянии и точно располагать их внутри ванны. Тем не менее, хорошими достижениями считались погрешность 2,5 мм по точности расположения и 2,5 мм отклонения от плоскости. Следует понимать, что ошибка в 5 мм в междуэлектродном зазоре величиной 50 мм может привести примерно к 10% погрешности по плотности тока на каждой стороне катода. К тому же, толщина анода может изменяться в ходе наращивания металла и между циклами наращивания, что добавляет еще одну возможность возникновения неравномерности по ширине МЭЗ. Автор изобретения понял, что, для того чтобы достичь точной плотности тока на обеих сторонах катодной пластины, предпочтительно контролировать ток в МЭЗ или ток, подаваемый к отдельным катодам. Описанное здесь изобретение предлагает контролировать ток на каждом катоде или в МЭЗ в соответствии с версией, которую пользователь полагает более приемлемой; при этом наиболее точный контроль плотности тока получают при контроле за током в МЭЗ.

Автор изобретения обнаружил, что эффективность процесса электрорафинирования или электровыделения металлов можно повысить посредством индивидуального контроля за ячейками. В обычном процессе, в котором ток на каждой ячейке не регулируют индивидуально, одна из причин установления большого расстояния между пластинами заключается в том, что необходимо, чтобы на плотность тока не влияли в значительной степени погрешности расстояния между пластинами или проблемы с плоскостностью пластин. Если ток в каждой ячейке регулируют индивидуально, плотность тока можно сделать нечувствительной к расстоянию между пластинами и искривлениям пластин и, таким образом, пластины могут быть помещены ближе друг к другу. Это, в свою очередь, снижает напряжение на ячейке и, следовательно, мощность, потребляемую ячейкой для получения заданного количества металла.

Кроме того, эффективность каждой ячейки (в единицах количества металла, полученного на 1 кВт-ч используемой энергии) чувствительна к плотности тока в ячейке. Следовательно, возможность поддерживать плотность тока на желаемом уровне позволяет ячейке работать при оптимальной эффективности. Кроме того, плотность тока, необходимая для достижения оптимальной эффективности, может изменяться в ходе процесса рафинирования или выделения металла. Данное изобретение позволяет динамически изменять заданную плотность тока в соответствии с условиями в ячейке, которые можно определять по напряжению на ячейке или другим измеренным параметрам (таким как, например, концентрация электролита или температура).

Таким образом, для ячеек электрорафинирования или электровыделения металлов предусмотрено устройство преобразования энергии (которое можно также рассматривать как источник питания), в котором энергию получают от источника с достаточно высоким напряжением (переменным или постоянным) и превращают его в месте расположения ячейки в низковольтное постоянное напряжение, чтобы подавать его на отдельную ячейку, так чтобы в установке, состоящей из многих ячеек, каждая ячейка обладала своим собственным преобразователем энергии. Преобразователь энергии расположен вблизи ячейки или является ее частью и работает как источник тока, таким образом обеспечивая контроль по плотности тока для каждой ячейки. Плотность тока можно локально модифицировать в соответствии с условиями в ячейке, или же условия в ячейке могут быть переданы на центральное контрольное устройство, которое рассчитывает оптимальный ток для данной ячейки и дает команду преобразователю энергии подавать желаемый ток. В качестве альтернативы преобразователь энергии может подавать ток на электрод-катод, а аноды на каждой стороне катода могут быть соединены друг с другом и с преобразователем. Однако следует понимать, что при данной организации невозможно контролировать, каким образом катодный ток разделяется на две отдельные ячейки (по одной с каждой стороны катода); но данная организация является более приемлемой для модернизации существующих ЭР- и ЭВ-ванн.

На существующем уровне техники, когда из ванн извлекают полученный металл, их необходимо удалить из последовательной цепи ванн. Это включает обеспечение дорогостоящих контактных устройств, которые отключают ванну из цепи и обеспечивают байпасное соединение, по которому продолжает протекать ток. Преимуществом данного изобретения является то, что если каждый катод или МЭЗ питают от отдельного источника энергии, то необходимо отключить только эти источники питания, чтобы дать возможность извлечь металл или провести обслуживание ячеек.

- 5 023794

Фиг. 5 изображает, каким образом можно подавать ток на электроды, если междуэлектродные зазоры (МЭЗ) перемещают силовыми преобразователями 9. Чередующиеся катодные пластины 1 и анодные пластины 2 обозначены А, С, А, С, А и изображены в виде с торца (т.е. сверху, при вертикальной системе расположения пластин). Силовые преобразователи 9 представлены кружками. Пластины (и, следовательно, междуэлектродные зазоры 3) можно снабжать энергией с обеих кромок (углов), с использованием всех изображенных преобразователей (9А-9Н включительно). В альтернативном случае, пластины можно снабжать энергией с одной кромки (угла), используя только преобразователи 9Ά-9Ό включительно. В альтернативном случае, пластины можно снабжать энергией с обеих кромок (углов), но так, чтобы силовые преобразователи действовали только через один междуэлектродный зазор (при этом активны преобразователи 9А, 9С, 9Р и 9Н). Какое именно распределение преобразователей следует применять, решают, исходя из таких соображений, как снижение числа преобразователей, оптимальная мощность преобразователя и получение равномерного распределения тока.

В альтернативном примере воплощения можно подавать питание на электроды 1, 2 (а не междуэлектродные зазоры), как показано на фиг. 6. Эта конфигурация является особенно (но не исключительно) применимой, если преобразователь представляет собой импульсный стабилизатор, установленный между обычной шинной системой распределения и пластиной, конфигурация которого будет более подробно разъяснена ниже. Чередующиеся анодные пластины 2 и катодные пластины 1 обозначены А, С, А, С, А. Силовые преобразователи 9 представлены кружками. Преобразователи 9Λ-9Ϊ имеют один вывод, соединенный с пластиной, и другой - соединенный с общей шиной 10, напряжение на которой считают равным 0 В. Энергию на пластины можно подавать с одной стороны, используя преобразователи 9А-9Е включительно, или с обеих сторон, используя преобразователи 9Λ-9Ϊ включительно. Обычно все преобразователи будут создавать на МЭЗ сходное напряжение, так что если, например, напряжение на ячейке составляет 0,4 В, то преобразователи, соединенные с анодами, будут обеспечивать половину напряжения на ячейке (0,2 В), а преобразователи, обеспечивающие энергией катоды, также будут обеспечивать половину напряжения на ячейке (-0,2 В). По общей шине (0 В) может протекать некоторый ток, но большей частью это будет локально циркулирующий ток, так что его величина не должна превышать ток на ячейке или, самое большее, удвоенный ток на ячейке. В альтернативном случае, преобразователи можно использовать чередующимся образом, чтобы уменьшить количество преобразователей. Например, можно использовать только преобразователи 9А, 9С, 9Е, 90 и 91. Кроме того, можно не подавать энергию на некоторые пластины непосредственно от преобразователя. Например, катодная пластина может быть соединена непосредственно с шинами 0 В. Преобразователи 9А, 9С, 9Е, 9Р, 9Н и 9Ϊ могут подавать на анодные пластины ток при полном напряжении ячейки (0,4 В в вышеприведенном примере). И вновь количество применяемых преобразователей можно уменьшить, приводя в действие только преобразователи 9А, 9С, 9Е или только 9А, 9Н, 9Е.

В альтернативном случае, все аноды можно присоединить к общей шине. Тогда преобразователи 9В, 9Ό, 90 и 91 могут снабжать энергией катоды (например, при напряжении -0,4 В). Количество преобразователей можно уменьшить в два раза путем использования только преобразователей 9В и 9Ό или только преобразователей 90 и 91. В альтернативном случае, преобразователи можно расположить между различными сторонами ванны со смещением. Следует понимать, что если, как в данном примере, все аноды находятся в одинаковых условиях и только на катоды подают питание, то ток в ячейках определяется парой электродов, и связанный с ними междуэлектродный зазор не контролируют индивидуально.

Описанные в данном тексте схемы преобразователей, вероятно, являются кандидатами в типы схем, которые следует использовать. Следует понимать, что имеются разнообразные способы бс-бс или ас-бс преобразования тока, которые можно применять в описанных системах. Приведенные здесь примеры представляют собой дифференциальные (симметричные) преобразователи, но можно применять и несимметричные преобразователи. Если в преобразователях применяют очень высокие частоты переключения, чтобы увеличить удельную энергию преобразователей, может быть удобным применять резонансные или квазирезонансные схемы. Процесс выпрямления, проиллюстрированный в схемах данного описания, применяет синхронное выпрямление. Однако, если вопрос потерь мощности не является существенным, можно применять простые диодные выпрямители (Шоттки или рп).

Преимущественно в процессе преобразования энергии используют высокочастотную импульсную технологию, обеспечивающую преобразователь, который может быть небольшим, легким по массе, эффективным и в высокой степени контролируемым.

Фиг. 7 изображает, каким образом преобразователи фиг. 6 могут быть включены в обычно применяемую конфигурацию пластин. Фиг. 7а показывает, как в традиционной системе выступы электродов, изображенные в данном случае как проушины 11, лежат на шинах 12, для осуществления контакта между электродными пластинами и шинами. Как показывает фиг. 7Ь, схему 9 преобразователя или стабилизатора можно вставить между проушиной 11 и шиной 12, чтобы регулировать ток, протекающий между проушиной 11 и шиной 12.

В альтернативном случае, как показано на фиг. 7с, между проушиной 11 и шиной 12 можно вставить блок 13, к которому подводят энергию (т.е. блок, возможно получающий дополнительный подвод энергии). Этот блок может увеличивать напряжение, подаваемое на электрод, соединенный с проушиной

- 6 023794

11, добавляя его к напряжению шин 12 (вычитая из напряжения шины 12, если она является отрицательной шиной). Соединения осуществляют через контактные пластины 15а и 15Ь, отделенные друг от друга изолирующим слоем 16. Обычно проушина 11 является частью подвесной штанги, поддерживающей электродную пластину, если электрод является катодом.

Фиг. 8 изображает, каким образом можно осуществить схему 9 энергоснабжения преобразователя. Ввиду высокого отношения напряжений, которое обычно существует между напряжением на входе в преобразователь и напряжением на выходе из преобразователя, используют трансформатор 20. Применение трансформатора позволяет задействовать мощные полупроводниковые переключатели с рабочим циклом, который дает хороший форм-фактор для тока при этих переключениях, таким образом сводя к минимуму потери мощности. Первичная обмотка трансформатора 20 представляет собой полномостовой инвертор, но следует понимать, что можно использовать полумостовой инвертор. Трансформатор работает при высокой частоте, чтобы уменьшить размер и стоимость трансформатора и любых других применяемых пассивных компонентов (например, конденсаторов). Эта высокая частота может составлять от 20 кГц и выше. Следует понимать, что, в то время как переключающие устройства 21 (05-08), изображенные на первичной стороне, представляют собой мощные полевые МОП-транзисторы (ΜΟ8ΡΕΤ), здесь также можно применять другие полупроводниковые переключатели, такие как биполярный транзистор с изолированным затвором (ЮВТ) или биполярный плоскостной транзистор (ВТТ). Конденсатор 22 использован для циркуляции высокочастотных переключаемых токов. Выход с вторичной обмотки выпрямляют на полномостовом, полноволновом выпрямителе с получением постоянного тока (бе) для использования в ячейке. Для выпрямления переменно-токового выхода вторичной обмотки трансформатора можно использовать диоды с оттоком с корпуса (Ьобу-бгаш бюбсЦ мощных полевых МОП-транзисторов 23 (01-04), так, чтобы конец А ячейки 24 был положительным по отношению к концу В. Однако прямое падение напряжения на этих диодах привело бы к значительным потерям мощности в полевых МОП-транзисторах. Таким образом, полевые МОП-транзисторы преимущественно работают как синхронные выпрямители. Их каналы включаются, когда ожидается, что диоды с оттоком с корпуса являются электропроводными (т.е. мощные полевые МОП-транзисторы работают синхронно с переключающими устройствами на первичной стороне преобразователя). Кб8(ои) каждого полевого МОП-транзистора можно эффективно сделать столь малым, насколько это необходимо, либо выбирая полевой МОП-транзистор соответствующего номинала, либо соединяя полевые МОП-транзисторы параллельно, чтобы сформировать один переключатель на полевом МОП-транзисторе. Таким способом потери мощности в полевом МОП-транзисторе 23 можно поддерживать на разумном уровне. Например, если на выходе преобразователя получают 300 А при 0,4 В, переключатели на полевых МОП-транзисторах с Кб8(ои) 0,1 мОм могут создать падение напряжения на них 30 мВ. При наличии двух переключателей на полевых МОП-транзисторах на пути протекания тока общее падение напряжения может составить 60 мВ, или 15% от выходного напряжения. Обычно предпочтительными являются полевые МОП-транзисторы с η-каналом, поскольку для данного Кб8(ои) цена обычно является более низкой; но следует понимать, что, если это необходимо, можно применять полевые МОП-транзисторы с и- и р-каналом, в любой комбинации.

Если несколько полевых МОП-транзисторов соединены параллельно, чтобы создать устройство с более низким Кб8(ои), чем у устройства с одним полевым транзистором, при очень низких величинах Кбк(ои), которые можно получить в одном кристалле кремния, преимуществом является соединение этих кристаллов не в виде отдельных блоков, но в виде внутренне запараллеленных бескорпусных кристаллов в одном блоке. Например, полевой МОП-транзистор с Кб8(ои) 0,8 мОм может иметь сопротивление кремния до 0,3 мОм и сопротивление блока 0,5 мОм при изготовлении отдельных блоков. В таком случае преимущественным явно является соединение кристаллов кремния параллельно в пределах единого блока, так как взаимные соединения между кристаллами можно осуществить с меньшим сопротивлением, чем если вывод стока и вывод истока должны быть выведены из блока устройства на одном кристалле и в блок другого устройства на одном кристалле.

Если выходное напряжение вторичной обмотки трансформатора составляет в пике ниже 0,7 В, каждый из переключателей 23 на полевых МОП-транзисторах можно рассматривать как двухсторонний переключатель (т.е. способный блокировать в любом направлении и способный проводить ток в любом направлении). Следовательно, можно подключить вторичный мост, чтобы получить положительный выход в точке В относительно точки А на обеих половинах циклов формы сигнала напряжения вторичной обмотки трансформатора (т.е. напряжение ячейки и направление тока являются противоположными). Было показано, что временный реверс полярности ячейки дает благоприятный эффект в некоторых обстоятельствах (например, при восстановлении эффективности ячейки или уменьшении металлических дендритов на пластинах). При этих обстоятельствах следует понимать, что полевые транзисторы можно также соединить наоборот, в любой части моста, для удобства контроля. Если необходимо осуществить реверсирование при более высоких напряжениях (выше примерно 0,7 В), то переключатели Ц1, 02. 03 и 04 можно заменить парой противоположно включенных полевых МОП-транзисторов.

Поперек ячейки 24 можно добавить конденсаторы (не показаны), чтобы сгладить форму сигнала напряжения на ячейке. Если в ячейке и связанных с ней проводах имеется значительная индуктивность,

- 7 023794 можно обеспечить путь циркуляции тока посредством введения пары транзисторов (например, 01 и 02). чтобы регулировать циркулирующие токи.

Трансформаторы тока СТ1 и СТ2 можно расположить на первичной или вторичной стороне, соответственно, чтобы получить сигнал, который связан с постоянным током, выходящим из моста выпрямителя. СТ1 измеряет ток, который включает первичный намагничивающий ток и отраженный вторичный ток нагрузки. Это измерение может быть достаточно точным для целей регулирования постоянного тока, выходящего из преобразователя. Конечно, выходной сигнал постоянного тока можно измерить непосредственно на выходе, с использованием какой-либо формы первичного измерительного преобразователя постоянного тока (например, эффекта Холла).

Применяемый трансформатор предпочтительно обладает низкой индуктивностью рассеяния, так как вторичная обмотка обеспечивает большие величины тока. Плоский трансформатор с чередующимися первичными и вторичными обмотками может обеспечить необходимую низкую индуктивность рассеяния, а также обладает приемлемо низким профилем и пригоден для охлаждения за счет теплопроводности. Там, где переключатели на полевых МОП-транзисторах синхронного выпрямителя состоят из многочисленных полевых МОП-транзисторов, соединенных параллельно, существует возможность применения многочисленных вторичных обмоток, по одной на полевой МОП-транзистор, так, чтобы выпрямленные токи объединялись только после каждого синхронного выпрямителя - полевого МОП-транзистора. Известно также, что низкую индуктивность рассеяния обеспечивают трансформаторы с тороидальным сердечником.

Схеме преобразования энергии можно придать соответствующую конфигурацию для того, чтобы она могла быть обратимой. То есть напряжение и ток могут изменять направление. Было обнаружено, что в некоторых процессах некоторый период реверсированного тока является благоприятным для обеспечения более высокой эффективности при восстановлении прямого направления тока. Применение преобразователя, расположенного у каждой ячейки, позволяет использовать эту технологию наиболее преимущественным образом.

Выходной ток и выходное напряжение контролируют с использованием модуляции ширины импульса (РиЛе \νίύ11ι Мойи1айои, Р^М), хорошо известным образом. Этот Р^М-контроль можно применять на стороне первичной обмотки, или на стороне вторичной обмотки, или на обеих сторонах. Доступны и другие формы контроля, отличные от Р^М, но все зависит от включения и выключения полевых МОП-транзисторов таким образом, чтобы достичь желаемого результата. Р\УМ в данном случае применяют в качестве условного обозначения для проведения контроля одним из способов, обычно применяемых в импульсных преобразователях.

Фиг. 9 изображает схему преобразователя, в которой применяют трансформатор 30 с отводом от средней точки вторичной обмотки 31 (автотрансформатор). СТ1 и СТ2 указывают положения для трансформаторов тока, подходящие для целей получения сигнала обратной связи по выходу постоянного тока. Транзисторы 01 и 02 вторичной стороны работают как синхронные выпрямители, как и раньше. Возможность обеспечения реверсивного тока в ячейке ограничена выходными напряжениями примерно 0,3 В. Если требуется обратимость при более высоком напряжении, 01 и 02 можно заменить парой включенных в противоположных направлениях полевых МОП-транзисторов, которые, таким образом, будут вести себя как двухсторонние (симметричные) переключатели.

Силовые преобразователи классифицируют в соответствии с размером пластин, которые надо приводить в действие. Ячейки можно сделать больше или меньше, чем обычно, чтобы извлечь преимущества из описанной здесь технологии. Расстояния между электродами необязательно должны составлять обычно применяемые величины. Действительно, одним из преимуществ данного изобретения является то, что расстояние между пластинами можно уменьшить ввиду более точного и быстрого регулирования тока в ячейке, а также благодаря возможности приспособить плотность тока в ячейке к преобладающим условиям. Меньшее расстояние между пластинами приводит к снижению сопротивления ячейки, результатом чего является меньшая потеря мощности в ячейке. Возможные конфигурации пластин, включая изменения расстояний между пластинами, более подробно разъяснены ниже.

Там, где это выгодно, силовые преобразователи могут работать, непрерывно или периодически, на каком-либо другом принципе регулирования (например, работать в качестве источника напряжения).

Силовые преобразователи и их системы регулирования могут быть погружены (в электролит). Контакт с пластинами может быть обеспечен в нижней части пластин, если сила тяжести и масса пластин может обеспечить электрический контакт между пластинами и контактными вставками (возможно из некорродирующего, нерасходуемого материала) на дне ванны.

В простейших системах контроля (оптимизации) преобразователь может быть настроен на получение тока фиксированной величины. Величина подаваемого в ячейку тока может быть измерена непосредственно с помощью какого-либо способа измерения постоянного тока, если это необходимо; но, поскольку процесс преобразования тока происходит близко к единичной ячейке и именно для нее, сигнал тока можно соответствующим образом измерить в ходе процесса преобразования энергии (например, при использовании трансформатора переменного тока, в какой-либо удобной точке схемы импульсного преобразования энергии, как было изложено выше со ссылкой на фиг. 8 и 9).

- 8 023794

В более сложной системе контроля эта система контроля может приспосабливать плотность тока к состоянию ячейки. Состояние ячейки можно оценить с использованием ряда переменных, например напряжения на ячейке. Можно отслеживать другие параметры, например температуру электролита, концентрацию электролита и оптическое подтверждение роста дендритов. Для отслеживания условий в ячейке можно также использовать другие характеристики. Например, можно резко выключить на короткое время ток в ячейке и наблюдать его восстановление при наложении определенного напряжения или тока.

В традиционных установках ЭР и ЭВ можно предположить широкий разброс плотности тока на сторонах катода. Данное изобретение может обладать способностью поддерживать ток в МЭЗ (или, возможно, общий ток на катоде) с точностью, зависящей только от точности датчика или датчиков тока, применяемых для измерения тока. При использовании датчиков постоянного или переменного тока можно достичь точности 0,1%. Более дешевые датчики тока могут достигать точности 1%. Таким образом, стандартное отклонение по плотностям тока между многими ячейками в ЭР- или ЭВ-системах будет значительно меньше, чем стандартное отклонение, полученное при использовании существующих технологий, что приводит к меньшему количеству коротких замыканий и более высокому качеству меди.

В общем, существуют два типа измерения тока - ЭС и АС. Оба можно использовать с данным изобретением.

Как описано ранее, измерение переменного тока (ас) можно провести весьма экономично, используя трансформатор тока. На аноды, катоды и МЭЗ в данном изобретении подают постоянный ток (йс). Но если постоянные токи генерируют или регулируют с использованием импульсной технологии, то получают сигналы переменного тока, которые можно измерить с использованием дешевых преобразователей переменного тока на основе хорошо известного способа с использованием трансформатора переменного тока. Если в преобразователе или стабилизаторе существуют многочисленные пути прохождения тока, может быть необходимо только точно измерить абсолютное значение вклада одного из этих путей. Устройство измерения тока на других путях может затем понадобиться только для того, чтобы убедиться, что ток на всех путях является одинаковым, а не для того, чтобы провести абсолютные измерения. Общее измерение тока можно получить, умножая одно абсолютное измерение на количество путей.

Возможны и другие способы измерения тока.

Самый основной способ проведения измерения постоянного тока осуществляют, вставляя резистор известной величины в проводник, по которому идет ток. Однако, если подаваемое напряжение является низким (как в данном случае), а ток является большим (как в данном случае), требуется резистор с очень малым сопротивлением. Такие резисторы могут быть сложными в изготовлении и дороги при покупке. Величина сопротивления зависит также от температуры, что может привести к неточному измерению, если ток, протекающий через измерительный резистор, существенно его нагревает.

Провести измерение постоянного тока возможно также при использовании магнитного контура, который окружает проводник. Датчик эффекта Холла вставляют в зазор магнитопровода. Затем измеряют ток, измеряя поток в магнитном контуре, используя или способ с разомкнутым контуром, или способ с нулевым потоком. Такое устройство является практичным, но может быть габаритным и дорогим.

Фиг. 12 иллюстрирует схематически систему регулирования. Силовой преобразователь 50 для ячейки, питаемый от источника 48 постоянного тока 48В, обеспечивает контролируемый по току выход на ячейку 49 электрорафинирования или электровыделения. Необходимый уровень тока достигают путем использования подходящего цикла переключения (нагрузки) в преобразователе 50, контролируемом сигналом 51 Р\УМ рабочего цикла. Этот сигнал возникает в контуре 52 контроля тока, путем сравнения сигнала 53 необходимого тока с сигналом 54 измерения тока, представляющим измеренный ток. Сигнал 54 измерения тока поступает от детекторов тока в преобразователе 52 или на его выходе. Сигнал 53 необходимого тока может быть задан или может быть получен от регулирующего устройства 55 ячейки, которое измеряет напряжение 56 на ячейке и, возможно, получает информацию из других соответствующих источников 57 (например, датчиков в ячейке или вблизи нее), чтобы адаптировать потребности по току к изменяющимся обстоятельствам. Система контроля ячейки может также иметь двухходовое соединение 58 с центральным контрольным устройством для целей загрузки истории проведения осаждения металла или для сообщения об условиях в ячейке и рабочих параметрах в любой момент времени и для получения пересмотренных указаний по поводу того, как ячейка должна работать. Применение силового преобразователя для каждой ячейки одновременно обеспечивает устройство измерения тока для этой ячейки. Как отмечено выше, такие переменные, как напряжение на ячейке, также можно измерить в качестве составляющей процесса регулирования, и, таким образом, они являются доступными для проведения анализа и сообщения об условиях в ячейке. Условия в ячейке можно измерить, посылая на преобразователь, локально или дистанционно, команду провести какую-либо программу (например, ступенчатое изменение тока или добавление АС компонента к постоянному току на выходе из преобразователя), чтобы иметь возможность наблюдать условия в ячейке. Характеристики ячейки можно улучшить путем подачи (локально или дистанционно) на ячейку команды произвести действия, улучшающие характеристики, например кратковременный реверс тока.

- 9 023794

Если преобразователь имеет возможность изменять направление тока, то в интервале изменения направления тока можно обеспечить сигналы, которые дают хорошую индикацию условий в ячейке. Такую меру может быть необходимо применять одновременно к двум ячейкам, соединенным одним катодом.

В несколько преобразователей (или в каждый из них) или в их систему контроля можно ввести визуальную или звуковую систему оповещения, чтобы подавать сигнал тревоги при возникновении проблем. Дисплей на преобразователе может информировать проходящего оператора об условиях или поведении связанной с ним ячейки.

Система контроля позволяет получать из измерений тока и напряжения (или других переменных, если их измеряют) информацию о каждой пластине, так что данные о качестве пластины, ее размере, плоскостности и регулировке могут возвращаться к центральной системе управления для анализа. Эту информацию можно использовать при контроле качества и в схеме повышения качества, таким образом повышая эффективность перерабатывающей установки в целом. Следовательно, достоинством данного изобретения является возможность получать информацию об индивидуальных ячейках и электродах посредством мониторинга электрических величин на отдельных преобразователях.

Преимущество данного изобретения заключается в том, что напряжение, которое подают на ячейки, не определяется посредством компромисса между безопасностью и эффективностью. В то время как традиционный подход - работа ванн при последовательном соединении - может повышать применяемое постоянное напряжение и, следовательно, эффективность процесса очистки, увеличивается опасность поражения током и возникновения опасности при неисправностях. При локальном контроле процесса можно подавать энергию на преобразователи при любом подходящем напряжении, так как эту энергию подают по изолированным кабелям. Однако при рассмотрении фиг. 4 и 5 полагаем, что ни на одном электроде не имеется напряжения, превышающего напряжение одной ячейки относительно потенциала заземления. Это также будет минимизировать ток утечки на землю по пролитому электролиту. Там где, например, в ванне имеется много ячеек, один электрод (например, анод) может быть заземлен, так что все остальные катоды и аноды остаются под напряжением в пределах нескольких вольт относительно потенциала заземления.

Дополнительным преимуществом данного изобретения является то, что ток повреждения, протекающий между пластинами в результате короткого замыкания, можно контролировать, и можно быстро определять наличие короткого замыкания. Изменение вольт-амперных характеристик ячейки можно использовать для определения роста металлического дендрита, до того, как он полностью сформирует короткое замыкание, что позволяет дать предупреждение о возможной неисправности и предпринять необходимые меры до того, как полностью сформируется короткое замыкание.

Фиг. 16 иллюстрирует конфигурацию, идентичную изображенной на фиг. 7Ь, но здесь для полноты показаны обе стороны электрода. Проушины электрода, или концы подвесной штанги (11) остаются на стабилизаторе или преобразователе 9 и шине 12. Преобразователь 9 контролирует течение тока между проушинами 11 и шинами 12.

Для приведения в действие как катодов, так и МЭЗ можно использовать многочисленные источники питания, как показано на фиг. 16. При таких обстоятельствах может быть желательно подавать на каждый источник энергии больше тока или больше мощности, чем это было бы необходимо при нормальной работе. Следовательно, если один из преобразователей выйдет из строя, другие преобразователи могут взять на себя его нагрузку, в данном случае позволяя получить на катоде или на стороне катода полную долю металла через отведенное на это время, несмотря на выход из строя источника энергии.

В случае, когда на электрод используют более одного преобразователя, несколько преобразователей, связанных с каждой ячейкой, могут находиться под контролем общей системы управления и подавать на каждую ячейку соответствующую долю тока, необходимого для ячейки. Если пластина работала в сочетании с электродами, расположенными на каждой ее стороне (т.е. ячейки питают с каждой стороны, как показано на фиг. 5), то возможно, чтобы каждая проушина (например, как это показано на фиг. 16) имела два присоединенных преобразователя, что составляет четыре преобразователя на пластину (два на ячейку, где понятие ячейки используют для описания зазора между одной анодной пластиной и одной катодной пластиной). Таким образом, в одной ванне, содержащей множество чередующихся анодных и катодных пластин, могут находиться преобразователи между каждой парой катодной и анодной проушин, на каждой стороне ванны, так, чтобы используемых преобразователей было в два раза больше, чем пластин (объединенного числа анодов и катодов). Плотность тока между одной из сторон анодной пластины и обращенной к ней стороной катода, остается основной задачей системы управления, связанной с парой преобразователей. Преобразователи, связанные с одними и теми же пластинами, но на противоположных сторонах ванны, должны быть соединены, если они должны равномерно распределять токовую нагрузку для зазоров между анодом и катодом.

Фиг. 17 иллюстрирует пример воплощения, в котором множество стабилизаторов 9 введены в проушины 11, но электрически они играют такую же роль, как и в конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 7а-7с и 16.

- 10 023794

В альтернативном случае, два стабилизатора можно объединить в одном блоке и поместить их между штангой 66 с проушинами 11 и электродной пластиной 67, как показано на фиг. 18.

Для того чтобы достичь лучшего распределения тока в пластине 67, между подвесной штангой 66 и пластиной можно расположить несколько стабилизаторов 65, как проиллюстрировано на фиг. 19. Фиг. 20 изображает более надежную в механическом отношении версию расположения, изображенного на фиг. 19, как теперь будет описано по отношению к фиг. 21.

Фиг. 21 иллюстрирует подвесную штангу 66 фиг. 20, расположенную концом вперед, а не параллельно подвесной штанге 66 и пластине 67. Как показано, подвесную штангу 66 можно разделить на две части: 66а и 66Ь, чтобы получить механическое равновесие. Предпочтительно подвесная штанга электрически изолирована от пластины 77 изоляторами 68. Соединительный болт 69 предпочтительно изготовлен из изолирующего материала или другим способом изолирован как от подвесных штанг 66а и 66Ь, так и от пластины 69. Ток проходит (в случае катода) от пластины к подвесной штанге через стабилизаторы 65.

Стабилизаторы 65 можно поместить в другом положении. Например, как показано на фиг. 22, стабилизаторы 65 расположены выше подвесной штанги 66, при этом электрический изолятор 68 обеспечивает также термоизоляцию и подвесная штанга 66 рассеивает тепло от стабилизаторов 65 в окружающий воздух. Электрический проводник 70 обеспечивает электрическое соединение, не позволяя большому количеству тепла поступать в преобразователь 65.

Сопротивление подвесной штанги или проушины может не быть несущественным. В традиционной ЭР или ЭВ системе подвесная штанга или электрод остаются на шинах, проходящих вдоль кромок ванны, и контактируют с ними. Контакт двух соприкасающихся поверхностей имеет сопротивление, которое может создавать падение напряжения (обычно порядка 20 мВ для ЭР меди) в схеме электрода. Общее падение напряжения для обоих электродов может составлять 40 мВ. Автор изобретения понял, что это не только отвечает за серьезную потерю энергии, но и обеспечивает дополнительную потенциальную причину дисбаланса по плотности тока между сторонами катодных электродов, так как аноды на каждой стороне катодной пластины не могут иметь одинаковый потенциал, если падение напряжения на их контактах не является одинаковым для каждого анода.

На фиг. 10 изображен импульсный стабилизатор напряжения, который можно использовать в качестве альтернативы отдельным преобразователям напряжения, питающим отдельные ячейки, но, кроме того, применяющим принцип использования измерения тока и регулирования тока для улучшения характеристик ячейки. Преобразователь включает мощный полевой МОП-транзистор 32, индуктивность 33, конденсатор 34 и диод 35. Входное (У_т) и выходное (ν_ουί) напряжение будут более близкими по величине, чем в преобразователях, обсуждаемых ранее. Действительно, входное напряжение может только незначительно (на небольшой %) превышать выходное напряжение, и коэффициент использования переключателя преобразователя может быть близок к 100%. Однако схема действительно обеспечивает регулирование тока и возможность измерения тока с использованием трансформатора переменного тока (с обнулением), если это желательно. Преобразователь можно установить между шиной и пластинами обычной системы электрорафинирования или электровыделения. Диод 35 можно заменить фазочувствительным выпрямителем (другим мощным полевым МОП-транзистором), чтобы увеличить эффективность стабилизатора. Можно обойтись без индуктивности 33 (наряду с конденсатором 34), если приемлема пульсация тока в ячейке. К стабилизатору можно применить средства управления так, как это было описано ранее для других преобразователей. Там где этот тип преобразователя модифицируют для существующей установки, вероятно, будет необходимо слегка повысить напряжение на шине постоянного тока (вход в преобразователь), чтобы обеспечить некоторый запас по мощности, в пределах которого может работать схема контроля на основе широтно-импульсного модулятора. Может быть необходим вспомогательный преобразователь или вспомогательный источник питания для обеспечения питания для схемы контроля с адекватным напряжением. Ток можно измерять трансформатором переменного тока СТ1 25 до тех пор, пока коэффициент использования составляет менее 100%.

Величины тока, применяемые в ЭР и ЭВ, являются большими по сравнению с величиной тока, которую может выдержать один транзистор без вреда для себя. Одним из решений является работа преобразователей в параллельном соединении. Это решение является разумным, если его применяют для распределения подачи тока к различным участкам электрода.

Однако недостатком такого решения является то, что, если предусмотрена единственная точка подачи тока (или регулирования тока), параллельное соединение преобразователей может быть неэкономичным, поскольку каждый преобразователь будет иметь связанную с ним стоимость корпуса, выводов, электромагнитного фильтра и т.д.

Следовательно, предпочтительным решением является использование в каждом преобразователе мультифазной конструкции. Преимущество мультифазного решения заключается в том, что размеры индуктора становятся разумными. Индукторы, которые рассчитаны на очень высокое значение тока и в то же время имеют слишком высокое значение индуктивности, не являются оптимальными. Это также обладает преимуществом в версии трансформатора, в которой индуктивность рассеяния между первичной и вторичной обмотками, способная увеличить потери выходного напряжения, может быть улучшена при

- 11 023794 мультифазном подходе.

Фиг. 11 изображает преобразователь, работающий от источника 36 переменного тока со схемой коррекции коэффициента мощности (ККМ) на переднем конце в соответствии с одним из примеров воплощения данного изобретения. Преобразование переменного тока в постоянный на первичной стороне может происходить с использованием простого выпрямителя и мостового выпрямителя, но при больших нагрузках в определенной точке обычно требуется коррекция коэффициента мощности. Если мощность распределена на преобразователи, например, при 48 В постоянного тока, то питание 48 В можно генерировать в соответствующих точках по корпусу ванны, с коррекцией коэффициента мощности. Фиг. 11 изображает схему коррекции коэффициента мощности, которую легко может понять специалист в области силовой электроники. Переменно токовый ввод выпрямляют двухполупериодным выпрямителем, включающим диоды (В1-В4) для получения выпрямленного напряжения полного колебания. Конденсатор 38 представляет собой небольшой байпасный конденсатор для высокочастотного переключения токовых компонентов. Выход выпрямителя обеспечен на индуктор 40, диод 41 и накопительный конденсатор 42. Полупроводниковый переключатель 39 работает таким образом, что ток, проходящий через индуктор, имеет такую же форму сигнала (за исключением колебания в области высоких частот), как и форма сигнала напряжения полного колебания. После управления диодами в мосту 37 двухполупериодного выпрямителя эта форма сигнала тока выходит в виде формы сигнала постоянного тока, в фазе с формой сигнала переменного напряжения. Обычно имеется контур регулирования, который поддерживает среднее напряжение на накопительном конденсаторе 42 на заданном значении. Затем Ле выход используют в качестве входа на преобразователи индивидуальных ячеек, описанные в других местах. Это увеличивает возможность работы Лс-Лс преобразователя ячейки при полном коэффициенте использования (в случае преобразователей на основе трансформатора, т.е. при максимальном коэффициенте передачи напряжения) и при работе контура регулирования тока не на рабочем цикле преобразователя ячейки, но на схеме коррекции коэффициента мощности, чтобы преобразователь (ККМ) извлекал необходимое количество мощности из поступающего переменного тока, для получения желаемого тока в ячейке. Преимуществом этого является упрощение общей схемы управления. Контуры регулирования не дублируются излишним образом, и форм-фактор формы сигнала тока в мощных полевых МОП-транзисторах преобразователя ячейки является оптимальным, таким образом минимизируя потери в этих устройствах. Преимуществом использования мультифазных преобразователей является то, что пульсацию тока на выходе можно уменьшить до нуля, экономичным образом. Обычно для Лс-энергоснабжения является неприемлемым выдавать большое количество пульсаций в выходном напряжении или выходном токе. Следовательно, импульсные преобразователи обычно снабжают фильтром, который уменьшает эти компоненты пульсаций до приемлемых величин. Однако устройства фильтров являются дорогими. Если используют мультифазный конвертер, и он имеет коэффициент использования 1/Ν, где N - число используемых фаз, то ток пульсаций можно уменьшить до нуля без дополнительной фильтрации. Выходное напряжение (и, следовательно, выходной ток) можно затем регулировать, изменяя входное напряжение мультифазного источника питания. Если на вход преобразователя подают сигнал с ас-Лс стадии ККМ, то стадию ККМ можно контролировать таким образом, чтобы изменять ее выходное напряжение. Возможное двукратное изменение выходного напряжения обычно используемых ККМ-стадий, которое может быть адекватным для осуществления степени изменения напряжения и тока, необходимого для подачи на ЭВ- и ЭР-ячейки при нормальной работе.

В примерах воплощения, в которых стабилизатор вставляют между шинами традиционной системы ванны и пластиной электрода, обычно катода, можно осуществить регулирование тока, поступающего на пластину в обычной системе участка электролитических ванн, в которой питание подают от централизованного источника.

Возможно, напряжение, подаваемое от традиционного централизованного Лс-источника тока, можно слегка увеличить, чтобы создать для стабилизатора некоторый запас, в пределах которого он мог бы работать, обеспечивая протекание нормального тока, несмотря на падение напряжения, добавляемое стабилизатором.

В альтернативном случае, источник питания можно вставить между электродом и традиционной системой шин. Следовательно, этот источник питания может увеличить разницу напряжения между анодом и катодом. Например, если принять, что напряжение анода равно 0 В, если считать, что ячейка находится в изоляции и напряжение анода считают напряжением сравнения, то катодная шина обычно может находиться под напряжением -0,32 В. Если желательно поднять ток на электроде (обычно катодный ток) до величины, превышающей его нормальный уровень, можно ввести в систему анод-катод дополнительное напряжение с помощью источника питания, например, 0,39 В, добавляя 0,07 В к общему доступному напряжению. Следовательно, чтобы расширить данный пример, мог бы потребоваться вспомогательный источник питания 600 А, 0,07 В. Источник питания может представлять собой хорошо известную схему импульсного стабилизатора, или другую, хорошо известную импульсную схему источника питания. Этот вспомогательный источник питания способен (или не способен) выключать ток на электроде (например, в случае короткого замыкания), в зависимости от схемы, применяемой для источника питания. Большая часть энергии, используемой в ячейке, поступает от обычной шины и централизованного источника, и

- 12 023794 энергия, поступающая от вспомогательного источника питания, будет лишь частью общей энергии, и эта доля определяется соотношением общего напряжения, поступающего от вспомогательного источника питания. Преимуществом этого является то, что только часть общей энергии, поглощаемой в ванне, должна быть подана в ванну новым устройством источника питания, расположенного в ванне. Это небольшое количество энергии можно подавать с помощью традиционных средств (например, кабелей, контактов или коннекторов) или его можно подавать от альтернативных средств, таких как индукционные средства передачи энергии.

В примерах воплощения, в которых стабилизаторы или источники питания являются составными частями подвесной штанги и/или сборки электродной пластины, тепло, генерируемое в стабилизаторах или источниках питания, может передаваться к пластине и, таким образом, к электролиту. Однако температура электролита обычно составляет 55-60°С для ЭР и 40-45°С для ЭВ (например, в процессах для меди), и тепло, генерируемое в стабилизаторах, можно снизить почти до нуля, используя большое количество мощных полевых МОП-транзисторов, соединенных параллельно; практически единственным ограничивающим фактором в снижении сопротивления при параллельном соединении полевых МОПтранзисторов является цена; в этом случае вероятно, что электролит скорее будут нагревать транзисторы, чем охлаждать транзисторы. В этом случае транзисторы следует термоизолировать от пластины, погруженной в электролит, и снабдить транзисторы отдельным охлаждающим устройством. Это может быть ребристый (пластинчатый) теплоотвод, охлаждаемый атмосферным воздухом. В альтернативном случае, в качестве теплоотвода можно использовать подвесную штангу.

Если данное изобретение включают в существующую установку в порядке модификации, может быть практичным использовать преимущества существующей системы штанги компенсатора. Имеются различные доступные системы. Обычно задачей штанги компенсатора является соединение друг с другом катодов или анодов с каждой стороны ванны таким образом, чтобы в каждой ванне аноды и катоды находились при одинаковом напряжении. Другой задачей является поддержание пути для прохождения тока на электрод или от него в случае, если одна из его проушин (концов подвесной штанги) загрязнится и не сможет соответствующим образом обеспечивать соединение с анодной или катодной штангой, от которой она должна получать ток или отводить его. Это означает, что и положительная, и отрицательная штанга проходят вдоль кромок каждой стороны ванны, и потенциал между ними равен падению напряжения между анодом и катодом в отдельной ячейке. Это можно использовать как источник питания для преобразователя, расположенного на катоде, который повышает или понижает катодный потенциал выше или ниже его нормального напряжения, чтобы точно регулировать ток, протекающий по катоду. В альтернативном случае, штанги компенсатора можно использовать при модернизации для подвода переменного тока к источникам питания на катодах или на боковые стороны ванн при подаче питания на МЭЗ.

Обычно источником питания для участка электролитических ванн может быть трехфазная система подачи ас-энергии. Для ванны электрорафинирования меди с 60 катодами потребуется примерно 14 кВт. Для ванны электровыделения меди с 60 катодами потребуется примерно 75 кВт. Оба эти уровня энергии можно обеспечить от однофазного трансформатора. Однако может быть желательным предоставить для сбалансированной нагрузки трехфазный источник питания, который почти безусловно мог бы питать систему электрорафинирования или систему электровыделения металла. В интересах безопасности разные фазы трехфазной системы не должны находиться на близком расстоянии друг от друга, поскольку в трехфазной системе напряжение между фазами существенно выше, чем напряжение между фазой и нейтральным проводом. Таким образом, хорошо было бы, если каждая ванна работала от одной фазы, но чтобы ванны были разделены на блоки по три ванны, и каждый блок питался от одной из фаз трехфазного четырехпроводного источника питания.

Когда на источники питания подают энергию от однофазной системы переменного тока, может быть удобно использовать оба проводника как провода под напряжением, чтобы снизить напряжение между фазой и землей, в интересах безопасности. Так, например, вместо того, чтобы подавать питание по двум проводникам, один при 230 В относительно земли (провод под напряжением, фазовый провод) и один под напряжением 0 В относительно земли, было бы безопаснее подавать на оба проводника напряжение 115 В относительно земли (в противофазе). Это может быть особенно важным, если провода переменного тока проходят по сторонам ванн открытым (неизолированным) образом. Например, по смежным кромкам двух рядом расположенных ванн может проходить фазовый провод А под напряжением, например, 57 В, в то время как по другим сторонам этих ванн может проходить фазовый провод В (в противофазе с фазовым проводом А) под напряжением 57 В. Следовательно, при прикосновении к проводникам на противоположных сторонах любой данной ванны можно получить воздействие напряжением лишь 114-115 В. Для защиты пользователей от удара токов в результате прикосновения к любой из шин с напряжением 57 В можно использовать прерыватель цепи остаточного тока.

Если для подачи питания на преобразователь используют ас-питание, трансформаторы можно расположить в соответствующих положениях в помещении, содержащем большое количество ванн, чтобы ступенчато понижать напряжение таким образом, чтобы питание можно было направить в выбранные положения при высоком напряжении и там преобразовать его до более низкого напряжения, для распре- 13 023794 деления по индивидуальным преобразователям. Следовательно, передача энергии происходит при напряжении, приемлемом для уровня передаваемой энергии, что приводит к снижению потерь электрической энергии. В альтернативном случае, энергию можно преобразовать в выбранных положениях в бспитание более низкого напряжения. Корректировку коэффициента мощности можно применить в этих местоположениях или в преобразователях индивидуальных ячеек, если их питают переменным током. Подробности различных примеров воплощения будут объяснены ниже.

В качестве альтернативы питанию высокого напряжения (т.е. при напряжении, существенно более высоком, чем напряжение на отдельной ячейке) можно применять питание при напряжении, близком к напряжению на ячейке. Обычно это можно использовать, если необходимо применять преобразователь и его систему контроля на участке электролитических ванн, по конструкции очень близком к используемому в настоящее время. Между используемой в настоящее время системой распределения бс-энергии посредством шины и электродами можно использовать импульсный преобразователь, такой как показанный на фиг. 37. На фиг. 37 изображен импульсный стабилизатор, работающий в импульсном режиме, такой как описан на фиг. 10, за исключением того, что диод 35 замещен мощным полевым МОПтранзистором 130, работающим в режиме синхронного выпрямителя, чтобы повысить эффективность схемы. В этом случае ток, входящий в пластину и выходящий из нее, можно регулировать с помощью преобразователя (или преобразователей), помещенных между проушинами и бс-шиной низкого напряжения. Там, где ток проходит в пластину или из нее более чем через одну точку соединения (например, проушину), уставка по току для каждого преобразователя должна принимать это во внимание; и там, где уровень тока модифицирован при работе отдельных преобразователей, следует информировать об этом изменении, или необходимо соединять (преобразователи) друг с другом. Использование синхронного выпрямления можно применять в неконтролируемой части схемы для увеличения эффективности стабилизатора. В случае ЭВ аноды являются нерасходуемыми, но в случае ЭР аноды являются растворимыми. Следовательно, в случае ЭР более вероятно, что стабилизатором будет снабжен катод. Фиг. 38 изображает схему фиг. 37, приспособленную для оптимального использования катода. Добавлен конденсатор 131, чтобы обеспечить путь для высокочастотных ас-токов. Индуктор 33, совместно с конденсаторным фильтром 34, сглаживает полученную при включении форму сигнала на выходе полевого МОП-транзистора 32. Присутствие индуктора 33 в этой схеме фильтра делает необходимым включить второй полевой МОП-транзистор 130, чтобы обеспечить циркуляцию тока в индукторе 33, если полевой МОПтранзистор 32 выключен. Однако, это относительно дорогие компоненты.

Фиг. 39 идентифицирует некоторые физические элементы схемы, изображенной на фиг. 38. Ячейка 24 состоит из электролита, физически присутствующего между катодной пластиной 132 и анодной пластиной 133. Циркулирующий в индукторе 33 ток циркулирует через полевой МОП-транзистор 130, если полевой МОП-транзистор 32 отключен. Ветвь 134 схемы обеспечивает источник постоянного тока или источник втекающего тока при потенциале анода для циркулирующего тока. Из-за конденсатора 34 она является также заземлением переменного тока. Ветвь 135 схемы соединяет ветвь 134 с анодом, а также с положительным выводом источника питания, и может представлять отдельную физическую реальность.

Если на одном катоде используют многочисленные импульсные стабилизаторы, соединенные параллельно, возможно обойтись без фильтрующих элементов и диода свободного хода (или полевого МОП-транзистора синхронного выпрямителя) в каждом из стабилизаторов, что приводит к тому, что, когда переключатель выключен, существует путь, по которому ток циркулирует в паразитической индуктивности пластины. Обычно так и бывает, поскольку полевой МОП-транзистор 32 будет включен большую часть времени, так как источники питания, при работе в качестве стабилизаторов, которые точно регулируют ток в традиционной ситуации ЭР и ЭВ, будут работать с рабочим циклом широтноимпульсной модуляции, близким к единице. Если для полевых МОП-транзисторов 32 подобрана подходящая схема включения, ток в подвесной штанге можно поддерживать примерно постоянным, а в этом случае ток в подвесной штанге не будет изменяться с большой скоростью, что могло бы вызвать взаимодействие с паразитической индуктивностью и перенапряжение на полевых МОП-транзисторах. Даже если и так, возможно, что высокие значения взаимодействия 6ί/6ΐ с паразитической индуктивностью будет вызывать избыточное напряжение на полевых МОП-транзисторах, используемых для переключателей. Однако это необязательно является проблемой, так как большинство полевых МОП-транзисторов предназначены для работы в лавинообразных условиях. Для того чтобы дополнительно снизить возможность получения какого-либо избыточного напряжения из-за паразитической индуктивности, можно снизить скорость, при которой включается полевой МОП-транзистор 32 (и, следовательно, 6ΐ/6ΐ) - можно сказать, увеличить время включения и выключения. Это увеличит потери при переключении в полевых МОП-транзисторах, но это является приемлемым. Для того чтобы дополнительно смягчить переключение, амплитуду сигнала контроля переключения, применяемого к входу каждого полевого МОП-транзистора, можно сохранять относительно низкой, чтобы предотвратить слишком резкое переключение полевого МОП-транзистора. Основным преимуществом стабилизатора, работающего в импульсном режиме, такого как в данном случае, является то, что для обеспечения точного измерения тока для мониторинга и контроля можно использовать датчики тока низкой стоимости.

- 14 023794

Полевые МОП-транзисторы 32 соединены большими проводниками, что помогает снизить паразитическую индуктивность между полевыми МОП-транзисторами 32. Следовательно, в интересах экономии и в результате вышеприведенных наблюдений каждый из стабилизаторов на фиг. 39 можно свести к одному полевому МОП-транзистору 32, как показано на фиг. 40.

Фиг. 41 представляет схему мультифазного импульсного стабилизатора, пригодную для ступенчатого снижения напряжения в условиях высоких токов. Входной сигнал 140 преобразуют в выходной сигнал 141 более низкого напряжения. Переключатели 142 на полевых МОП-транзисторах, полевые МОПтранзисторы 143, используемые как синхронные выпрямители и индукторы 144, составляют компоненты каждой фазы. Все фазы вносят вклад в выходной сигнал 144, который сглаживают конденсатором 145. Выходной сигнал направляют на ячейку 146.

Фиг. 42 представляет схематическое изображение возможного устройства системы общего управления питанием. Нагрузка ячейки, представленная резистором 146, получает питание от импульсного (однофазного или мультифазного) преобразователя 150. Преобразователь 151 создает бс-питание 152 из ас-питания 153 (например, 230 В, 50 Гц). Этот преобразователь 151 может включать стадию коррекции коэффициента мощности (сок φ). Промежуточным питанием 152 может быть любое обычное бснапряжение; но также это может быть бс-напряжение, полученное со стадии коррекции коэффициента мощности, и оно может содержать существенную пульсацию напряжения, а также напряжение может быть больше, чем пиковое напряжение ас-питания 153. Для эффективного функционирования импульсного стабилизатора 150 промежуточное напряжение, подводимое к нему по промежуточным шинам 155 напряжения, не должно слишком отличаться от выходного напряжения (т.е. напряжения ячейки). Обычно входное напряжение этого преобразователя не должно более чем в десять раз превышать выходное напряжение, если преобразователь представляет собой простой импульсный преобразователь. Следовательно, может потребоваться промежуточный преобразователь 154 для того, чтобы преобразовать выходное напряжение преобразователя 151 в напряжение, приемлемое для ввода в преобразователь 150. Напряжение на входе в преобразователь 150 может быть значительно выше, если это преобразователь на основе трансформатора, примеры чего были описаны в отношении фиг. 8 и 9.

Для того чтобы передать бс-ток на катоды и аноды в ситуации ЭР и ЭВ, обеспечено возможное альтернативное решение. Соответственно, источники питания переносят на шину или раму (поддерживающую штангу), находящуюся по обеим сторонам ванны, или на сами электроды, и электричество пропускают на электроды с помощью пружинных контактных штырей или стержней, которые надавливают на электроды или их подвесные штанги. Эти штыри соединены с соответствующим выводом источника питания по гибким проводникам. Эти проводники обеспечивают возможность введения измерительных преобразователей постоянного тока, если это необходимо; при этом гибкий проводник способен легко и удобно проходить через окно обычно имеющихся измерительных преобразователей постоянного тока. Опорная штанга может быть самонесущей, или ее можно поддерживать пружинными штырями, находящимися на электродах. Давление штанги заставляет штыри контактировать с соответствующими им электродами либо под весом штанги и компонентов, которые она несет, либо посредством прижатия поддерживающей штанги к электродам с помощью каких-либо средств, фиксируя ее в этом положении. Поддерживающую штангу вместе со всеми компонентами, связанными с ней, можно удалить из ее рабочего положения, если требуется заменить аноды или удалить катоды для снятия металла. Можно применять две или более поддерживающие штанги, расположенные в продольном направлении и соединенные на концах изолирующей поперечной деталью. Различные примеры воплощения и возможности описаны ниже.

Фиг. 23 изображает, каким образом можно питать ячейки, а особенно МЭЗ, в ванне от источника питания, находящегося на штанге 75, расположенной над ванной 76. Ванна 76 стоит на земле 77 и показана сбоку, т.е. со стороны кромок электродов. Ванна содержит катоды 1 и аноды 2. Детали 79 представляют собой подвесные штанги или проушины, соединенные с каждым электродом, которые поддерживают эти электроды на изолированных несущих элементах вдоль боковых сторон ванны 76. Источники питания, которые подают постоянный ток на МЭЗ, находятся на опорной балке 75. Металлические штыри или стержни 81 проходят через поддерживающую штангу 75 или рядом с ней и изолированы от опорной балки 75 посредством трубчатой изоляции, если опорная балка 75 является проводником. Если опорная балка 75 изготовлена из изоляционного материала, то трубчатая изоляция не требуется. Штыри поджаты пружинами, так что в контакте с электродами, к которым они прижаты, они являются в некоторой степени эластичными. Штыри 81 контактируют с подвесными электродными штангами (обычно в случае катода) или с поверхностью электрода (обычно в случае анода).

Подвесные штанги (например, катодные) могут иметь специальный металлический участок в месте контакта со штырями 81, чтобы обеспечивать хороший электрический контакт. Электроды (например, аноды) могут иметь некоторый участок их металлической поверхности, специально подготовленный для контактирования со штырем 81, так, чтобы между ними был хороший электрический контакт. Источник 80 питания на опорной балке 75 обеспечивает подачу постоянного тока, который питает аноды и катоды. Провода 82 соединяют положительный выход источников 80 питания с анодами и отрицательный выход источников 80 питания - с катодами. Опорная балка 75 может быть самонесущей или ее могут поддер- 15 023794 живать пружинные штыри, покоящиеся на электродах. Принцип действия такого устройства заключается в том, что давление от штанги 75 заставляет штыри 81 быть прижатыми к соответствующим электродам, или под действием веса штанги 75 и компонентов, которые она несет, или же опорной балки 75 прижимают к электродам, в направлении сверху вниз, какими-либо средствами и фиксируют в этом положении. Опорную балку 75 вместе со связанными с ней компонентами, можно удалить из ее рабочего положения, если это необходимо для замены анодов или удаления катодов для снятия металла. Фиг. 24 изображает такое же устройство, как и на фиг. 23, но в виде сверху.

В альтернативном случае, две или более опорные штанги проходят вдоль ванны, как показано на фиг. 25. В качестве примера для иллюстрации используют две штанги 75, но можно применять любое число штанг 75. Штанги 75 соединены на каждом конце ванны и там, где это необходимо, поперечными элементами 83, при этом сборка поперечных элементов 83 и штанг 75 в целом образует, таким образом, раму. Преимущество рамы обнаруживается при помещении ее поверх ванны, а особенно - если ее поддерживают только штыри 81, опирающиеся на электроды 77 и 78. Следует понимать, что имеется множество способов изготовления стабильной рамы, и все они входят в данное изобретение.

Источники питания могут находиться на штангах 75, или на неактивных штангах, или на платформе, поддерживаемой опорными балками 75 или неактивными штангами.

Источники питания могут получать свою энергию, например, от:

1) однофазного ас-источника питания, питающего каждый из источников питания, с системой коррекции коэффициента мощности (ККМ), включенной в эти источники;

2) однофазного ас-источника питания, питающего каждый из источников питания, без системы коррекции коэффициента мощности, включенной в эти источники;

3) однофазного ас-источника питания, питающего несколько блоков ККМ (не обязательно количество, равное количеству источников питания); и каждый из этих блоков ККМ питает несколько источников питания постоянным током; в этом случае источники питания представляют собой Дс-Дс преобразователи;

4) трехфазного источника питания, выполняющего любую из описанных выше опций, но при распределении нагрузки тремя фазами трехфазного источника;

5) трехфазного ас-источника, питающего ас-Дс преобразователи (выпрямители), без стадий ККМ, преимущество которых заключается в возможности улучшенной коррекции коэффициента мощности и подавления гармонических колебаний, предоставляемой трехфазным источником. Созданное таким образом промежуточное Дс-питание можно подавать на источники питания, которые, таким образом, являются Дс-Дс преобразователями;

6) Дс-источника питания; в этом случае источники питания являются Дс-Дс преобразователями.

Гибкие кабели могут соединять раму или штангу с этими источниками питания. Кабели могут питать штангу или раму на конце (или на концах) штанги или рамы. В альтернативном случае, кабели могут питать штанги или рамы в какой-либо центральной или общей точке. Кабели могут доставлять энергию в любой форме из распределительной системы верхнего уровня или из распределительной системы, находящейся рядом с ваннами, или на конце (или концах) ванн. Подача питания по гибкому кабелю может включать штепсельный разъем для соединения и разъединения.

В альтернативном случае, энергию к раме можно доставить через прижимные контакты, проводящие ас или Дс. В этой ситуации раму можно переместить без необходимости разъединять какую-либо штепсельную систему.

Если систему разъединяют без отключения питания, предпочтительно имеется устройство для предотвращения образования дуги, например, отключая источники питания экономно (шопс1ап1у) в процессе разъединения без отключения питания.

Одной из проблем среды для ЭР или ЭВ является присутствие электролита, который может повреждать электрические контакты. Если передают ас-энергию, можно с успехом применять технологию индукционного переноса энергии. В такой систем переноса энергии имеется блок передачи энергии и блок приема энергии, которые помещены в непосредственной близости, предпочтительно соприкасаясь. Блок передатчика, по сути, представляет собой половину магнитного сердечника трансформатора и его первичной обмотки, в то время как блок приемника представляет собой другую половину магнитной цепи и вторичной обмотки. Ни в одной из половин нет необходимости использовать открытые электрические проводники. Магнитные сердечники приближают друг к другу как можно ближе, чтобы между магнитными сердечниками было как можно меньшее расстояние. Идеально они должны контактировать. Если есть вероятность повреждения материала магнитного сердечника электролитом, может быть необходимо покрытие поверхности сердечника тонкой защитной пленкой из химически инертного материала. Возможны различные конфигурации формы сердечника (например, язычок внутри раздвоенного сердечника, конус внутри конического приемника, или простой Ш-образный - Ш-образный сердечник, или круглый (типа горшка) сердечник в круглом сердечнике). Индуктивная передача энергии также устраняет необходимость схем, предотвращающих дугу, в случае, когда применяют разъединение без отключения питания.

- 16 023794

В альтернативном случае, энергию можно подавать на катод, в противоположность МЭЗ, как проиллюстрировано на фиг. 26 и 27. Фиг. 26 изображает вид сбоку ванны (подобный изображенному на фиг. 23).

Фиг. 27 изображает вид сверху (подобный виду на фиг. 25). Источники 80 питания имеют два общих положительных вывода 84 и один отрицательный вывод 85. Имеются три активные штанги, образующие раму, как описано ранее. Из вышеприведенного можно понять, что имеется много возможностей комбинировать активные и пассивные штанги в раме. Отрицательный вывод 85 источника 80 питания соединен со штырями, которые питают катод по проводам 82. Положительные выводы 84 источника 80 питания соединены со штырями, которые питают расположенные рядом аноды по проводам 82. Таким образом, все аноды находятся при одинаковом потенциале.

Фиг. 29 изображает альтернативную ориентацию рядов штырей, контактирующих с электродами. Фиг. 29 изображает вид ванны сверху. Аноды 96 и катоды 97 поддерживают проушины или подвесные штанги, расположенные на боковых сторонах ванны, которые являются изолирующими. Опорные балки 98 проходят через ванну над электродами и расположены в такой же ориентации, как и эти электроды. На опорных балках 98 расположены контактные штыри 99, как и раньше. Штыри в одной опорной балке можно соединить друг с другом посредством гибкого провода, если опорная балка 98 сделана из изолирующего материала; или опорная балка 98 может быть сделана из проводящего материала, в этом случае можно обеспечить соединение между штырями. Изолирующие концевые детали рамы, соединяющие опорные балки, могут придавать механическую жесткость и формировать раму. В устройстве, изображенном на фиг. 29, МЭЗ питают источники 100 питания. В этом примере каждый МЭЗ питает большое количество источников питания (в этом примере их четыре, хотя возможно любое количество источников питания, включая один). Следовательно, источники питания соединены, и их положительные выводы соединены с опорной балкой и штырями, расположенными над анодами, а их отрицательные выводы соединены с опорной балкой и штырями, расположенными над катодами. Соответственно, источники питания работают параллельно. Поскольку это источники, работающие в режиме подачи тока, они могут естественным образом распределять токовую нагрузку в соответствии с уставкой для каждого из них; или же, если это устройство имеет тенденцию приводить к нестабильности, их можно соединить друг с другом сигнальным проводом, чтобы контролировать их вклад в общий ток скоординированным образом. Соединение между источниками питания и поддерживающими штангами осуществляют штыри 101 (если поддерживающие штанги являются электропроводными) или система проводов (если поддерживающие штанги являются непроводящими).

Одним из достоинств устройства, изображенного на фиг. 29, является то, что если источник питания расположен только в крайних положениях междуэлектродных зазоров (т.е. вблизи боковых сторон ванны), то зазор между электродами является видимым и доступным сверху, так что состояние зазора можно исследовать визуально и, если это необходимо, короткие замыкания между электродами можно устранить физически (например разрывая их стержнем из изолирующего материала, вставленным между электродами).

Достоинством устройства с многочисленными штырями является уменьшение сопротивления контакта, так как все штыри для одного электрода соединены параллельно друг другу, и общее эффективное сопротивление снижается за счет многочисленных путей прохождения тока, которые обеспечивают штыри.

Вес рамы может быть достаточным для того, чтобы обеспечить хороший контакт поджатых пружинами штырей с электродами. Однако если требуется дополнительный вес (дополнительная нагрузка) на раму, то рама может также нести один или большее количество основных трансформаторов, чтобы снизить подачу энергии от основной сети к источникам питания. Нагрузка на раму может, например, состоять из одного однофазного трансформатора, трех однофазных трансформаторов, работающих от одной и той же фазы основной сети, или трех однофазных трансформаторов, работающих от трех различных фаз основной сети. Обычно эти трансформаторы могут ступенчато снижать напряжение от напряжения в области от 1 до 3 кВ до напряжения в диапазоне от 110 до 250 В для подачи энергии к источникам питания. Трансформаторы, понижающие напряжение основной сети, можно питать по гибкому кабелю, образующему верхнюю часть или боковую сторону ванн.

В то время как на фиг. 29 контакт с электродами осуществлен посредством подпружиненных штырей 99, необязательно именно это устройство используют для получения контакта с электродами. Альтернативное устройство может обеспечивать электропроводной опорной штанге возможность оставаться на верхней поверхности электрода или его подвесной штанги таким образом, чтобы получить непрерывный контакт по длине электрода. Посредством этого контактное сопротивление между источниками питания (посредством опорной штанги) и электродами можно снизить до очень низкого уровня. Это является преимуществом при снижении потерь в системе ЭР или ЭВ. Обычно в контактах между электродами и шинами традиционной системы можно потерять столь большое количество энергии, как 10%.

Обычно сверху имеется подъемный механизм для загрузки и выгрузки электродов из ванны, и его также можно использовать для подъема и опускания рамы, несущей трансформаторы и источники питания.

- 17 023794

Для того чтобы дать возможность загрузить свежие аноды или снять металл с катодов, необходимо обеспечить подъемному механизму доступ к анодам и/или катодам. Это будет требовать временного перемещения системы питания штанги или рамы.

Фиг. 28 изображает, каким образом можно удалить рамы из ванн с помощью подъемного механизма и хранить их сложенными стопкой, друг на друге, чтобы дать возможность доступа к электродам. Если используют единственную штангу, то можно уложить штангу на поддерживающую систему, проходящую вдоль ванны для этой цели. Если используют раму, то раму можно повернуть и подвесить вертикально, в каком-либо удобном положении по длине ванны. Рамы можно поднимать без поворота и складывать на находящуюся рядом ванну, как проиллюстрировано на фиг. 28, на котором 90 представляет собой ванну в виде сверху. Ванны стоят на земле 91. Источник питания и сборка штырей имеет ножки 93, которые остаются на боковых сторонах ванны при работе, или которые можно использовать для поддержки рамы, когда она стоит на другой раме, как показано.

Фиг. 30 изображает альтернативное устройство для удаления рамы и сборки крышки, если имеется свободное пространство на концах ванн. Источники питания, устройства контакта с электродами и крышки в этом примере удаляют в виде двух блоков 105, каждый из которых закрывает половину ванн. Эти блоки поднимают, чтобы разъединить их с электродами, а затем перемещают в продольном направлении от центра ванн, чтобы предоставить возможность доступа подъемного механизма к электродам.

В обычной практике при ЭР ванны накрывают тканью или другим покрытием, или колпаком, для того, чтобы, помимо прочего, снизить потери тепла. Если применяют устройство с рамой, то площадь между опорными штангами и штангами рамы может быть заполнена твердым листовым материалом или куском ткани, чтобы дополнительно закрыть ванну. На этих рамах могут находиться источники питания для электродов. В случае ЭВ, где происходит газовыделение и возможно получение кислотного тумана, в рамы также можно ввести колпаки, часто применяемые для контроля образования тумана.

Источники питания могут быть запараллелены друг с другом электропроводными опорными балками. Однако если штыри изолированы от опорной балки, или опорная балка изготовлена из непроводящего материала, и источник питания подает напряжение на штыри, а не на опорную балку, на электродах происходит запараллеливание источников питания. Это может быть преимуществом для получения равномерного распределения тока в электродах.

Если электроды подвешены обычным образом, посредством проушин, которые остаются на обеих сторонах ванны, то сборку катода и источника питания можно поддерживать прямоугольной электропроводной поперечной деталью, которая расположена на верхней поверхности анодов. Этим способом можно питать и катоды, и МЭЗ. Если питают МЭЗ, то необходимо, чтобы у поддерживающей поперечной детали две ее половины были электрически изолированы. Фиг. 31 представляет собой вид ванны со стороны кромки, и электроды видны со стороны кромки, иллюстрируя такой пример воплощения. Аноды 106 подвешены обычным образом, посредством проушин, которые остаются на сторонах ванны. Катод 109 и сборка источника питания (включая проводящую поперечную деталь 107 и источник питания 108) остаются на верхней поверхности анодов. Таким образом можно питать и катоды, и МЭЗ. Если питают МЭЗ, то будет необходимо, чтобы у поддерживающей поперечной детали 107 две ее половины были электрически изолированы.

В то время как проушины на каждой стороне электродных пластин упомянуты как типичное средство для поддерживания пластин и подачи тока на пластины и от них, преобразователи тока могут быть соединены с пластинами по центру, или зажаты между пластинами. Преимущество данной системы заключается в том, что подачу тока на пластины можно рассматривать как устройство, отдельное от системы подвешивания пластин. Таким образом, проблему падения напряжения в областях контакта между йс-источником и пластиной можно существенно уменьшить или радикально устранить.

Вышеописанную рамную систему используют для подачи йс-тока к электродам или электродным парам. В качестве альтернативы источники питания могут находиться на электродах. Например, преобразователи могут находиться на катодных подвесных штангах и подавать питание на катоды, относительно анодов, как это описано в данном тексте. В случае, если раму/штангу и систему штырей можно использовать для подачи переменного тока (ас) на преобразователи, сами преобразователи находятся не на штанге или раме, но на катодах. В альтернативном случае, систему штанги/рамы можно использовать для подачи постоянного тока (йс) на преобразователи или стабилизаторы, расположенные на катодах.

Любое устройство рамы может включать центральную панель дисплея для указания состояния всех отдельных катодов или МЭЗ, находящихся в одном месте. Это, например, может быть экран монитора или жидкокристаллическая панель. Такой дисплей обычно можно расположить на конце ванны, рядом с проходом.

Автор изобретения понял, что если питание на катод подают от источника питания или стабилизатора, то отсутствует контроль над тем, как ток разделяется по обеим сторонам катода, т.е. между МЭЗ. Однако катод может состоять из двух металлических листов с изолирующим слоем между ними.

Фиг. 32 показывает, как можно применять трехслойный катод для того, чтобы иметь возможность независимо контролировать плотность тока на обеих сторонах катода. Эти три слоя могут быть связаны или склеены друг с другом, чтобы механически образовать единый лист, у которого обе его стороны яв- 18 023794 ляются электрически изолированными. Каждую сторону такого катода в виде сэндвича можно затем независимо питать от отдельных источников питания или стабилизаторов 112а и 112Ь. Провода 113 и 113Ь соединяют преобразователи или стабилизаторы 112а и 112Ь с соответствующими металлическими пластинами 110а и 110Ь. Преобразователи или стабилизаторы поддерживают подвесной штангой 114. Следовательно, можно контролировать напряжение относительно соседнего анода для каждой стороны катодной пластины. Может существовать небольшая разница напряжения между сторонами катода и, следовательно, металлические листы в сэндвиче можно сделать несколько меньшими по ширине и длине, чтобы оставить поля из изолирующего материала по периферии катода в виде сэндвича на каждой стороне, таким образом обеспечивая существенное контрольное расстояние для любого тока, который пытается пройти с одной стороны катода-сэндвича на другую, таким образом устанавливая существенное сопротивление на пути любого такого тока.

Системы регулирования ширины и длины МЭЗ.

Как установлено ранее, подача питания на МЭЗ от отдельных источников питания потенциально придает анодам и катодам новую подвижность, которую можно использовать для того, чтобы сделать зазор между анодами и катодами регулируемым. Между циклами наращивания металла зазор можно регулировать, чтобы преодолеть проблему традиционных систем, в которых ширина МЭЗ увеличивается от одного наращивания до следующего, поскольку анод утончается. Это могло бы позволить применять минимально возможное напряжение для питания каждого катода или МЭЗ при необходимом токе или плотности тока, таким образом экономя энергию. Также расстояние между электродами в процессе ЭР или ЭВ можно сделать регулируемой переменной, чтобы оптимизировать процесс. Обычная практика заключается в применении фиксированной ширины и в расположении анодов и катодов на расстоянии друг от друга, которое сводит к минимуму возможность возникновения коротких замыканий между электродами. Применение локальных источников для питания катодов или МЭЗ облегчает применение регулируемой ширины МЭЗ. Например, если источник питания находится на подвесной штанге катода и питается входной ас-мощностью от гибкого кабеля или контакта, скользящего по проводу цепной подвески, то катоды могут свободно перемещаться.

Аноды также могут иметь скользящий контакт для прохождения возвратного тока, или могут иметь кабель, соединяющий их с источником питания, находящемся на катоде. В альтернативном случае, все электроды могут опираться на ролики, и ас-ток отбирают гибким кабелем посредством этих роликов или хомута, обеспечивая необходимый путь прохождения йс-тока между источником питания, смонтированным на катоде и на аноде. Средства перемещения электродов могут находиться на электродах или вне электродов. Например, вышеописанные ролики можно приводить в действие двигателем. На участке ванн по существующей технологии время между циклами наращивания металла обычно составляет семь суток. Следовательно, нет необходимости движения с высокой скоростью или быстрых изменений ширины МЭЗ. Их можно осуществлять с помощью очень малой мощности и двигателей или приводов низкой стоимости. Если в ванне используют многочисленные аноды и катоды, как в применяемых в настоящее время участках электролитических ванн, электроды можно медленно перемещать, чтобы регулировать их положение по отношению друг к другу со скоростью, которая может бы едва заметна.

Дополнительная или альтернативная возможность изображена на фиг. 33. Можно применять подход к производственной линии, при котором электроды 120 перемещают вдоль единой длинной ванны 121, начиная на одном конце и выгружая на другом конце, когда они готовы к съему металла. Таким способом стоимость производства на участке ванн можно существенно снизить. Если между электродами возникло или начинает возникать короткое замыкание, то зазор между электродами можно динамично отрегулировать, чтобы ликвидировать или предотвратить короткое замыкание. В другом случае электроды можно поместить как можно ближе друг к другу, чтобы минимизировать потери энергии из-за сопротивления электролита. Роликовые устройства 122 позволяют перемещать электроды вместе с их источниками 123 питания.

Дополнительно или в качестве альтернативы подвижные электроды можно использовать в новой ориентации, как это показано на фиг. 34. Традиционную ориентацию электродов можно повернуть на 90°, как показано на фиг. 34. Катоды можно перемещать по производственной линии между стационарными анодами, чтобы они входили на одном конце процесса и выгружались из ванны на другом конце, готовые к съему металлического отложения. Аноды являются неподвижными. Это устройство требует определенной формы скользящих контактов, чтобы замкнуть электрическую цепь постоянного тока между электродами-катодами и электродами-анодами.

Дополнительно или в качестве альтернативы, можно использовать продольно ориентированную систему получения, как проиллюстрировано на Фиг. 35. Катоды 125, аноды 126 и источники питания перемещаются вместе с производственной линией; при этом источники питания питают или МЭЗ, или катоды. Ас- или йс-энергию для источников питания получают от расположенной выше цепной линии; при этом или обе части питания отбирают от цепной линии, или отбирают только одну часть, а вторую подают по системе шин, несущих электроды. Фиг. 36 изображает, каким образом множество линий катодов и анодов могут перемещаться вдоль производственной линии, как описано на фиг. 35, позволяя использовать обе стороны анодов.

- 19 023794

В альтернативном случае и для того, чтобы устранить необходимость в скользящих контактах, через которые поступает ток на МЭЗ или на катод, аноды и источники питания могут совместно перемещаться вдоль производственной линии; при этом от источников питания питают либо МЭЗ, либо катоды. ас- или бс-энергию для источников питания отбирают от расположенной выше цепной линии, при этом либо отбирают обе части питания от цепной линии, либо отбирают только одну часть, а вторую подают по системе шин, несущих электроды. Ширина МЭЗ на каждой стороне катода может изменяться путем перемещения шин, несущих аноды, ближе к поддерживающей катоды шине или дальше от нее. Это можно осуществить динамично, по мере прохождения продукта далее по линии. Потенциально возможные короткие замыкания можно устранить, вставляя фиксированные изоляционные стержни в зазор между катодами и анодами, так, чтобы по мере прохождения катодов мимо этого стержня отбивать выступающие участки. Если желательно увеличить интенсивность производства, можно использовать многочисленные ряды катодов и анодов при перемещении вдоль производственной линии сборки анод-катод, а не одного катода и двух анодов.

Хотя до сих пор обсуждение проходило в отношении регулирования тока, подаваемого на электроды, и предпочтительно тока, проходящего в ячейке через междуэлектродный зазор, автор изобретения понял, что некоторые производители работ по электрорафинированию и электровыделению металлов могут прежде всего желать просто измерить электродный ток.

В одном из вариантов средства измерения тока могут быть связаны, по меньшей мере, с некоторыми (предпочтительно с каждым) из катодов и/или анодов. В предпочтительном примере воплощения оборудование для измерения тока связано с каждым электродом.

Если как в случае, изображенном на фиг. 7Ь и 7с, электрод имеет выступы, например проушины 11, которые контактируют с шинами 12, то источники 9 и 13 питания, которые электрически установлены между проушиной 11 и шиной 13, можно заменить первичными преобразователями для измерения тока. Если электрод имеет две проушины, устройство измерения должно быть связано с каждой проушиной.

Устройства для измерения тока могут иметь обратную связь с центральным блоком управления. Такое соединение может быть беспроводным или с помощью проводов. Соединение с помощью проводом можно осуществить посредством соответствующих измерительных проводов, общей шины для данных или даже модулируя данные в самих (токоведущих) шинах.

Измерения бс-токов можно осуществить путем измерения падения напряжения на сопротивлении известной величины. В альтернативном случае, ток можно направлять по некоторому пути протекания тока и измерять магнитное поле вокруг этого пути. Доступны соответствующие технологии в виде устройств, использующих эффект Холла и магниторезистивные датчики. Имеющиеся в продаже датчики часть включают смещающие и/или измерительные катушки, чтобы для датчиков, работающих по отдельности или в соединении, можно было скомпенсировать внешние магнитные поля, как, например, в случае шины.

Подобным образом, поскольку проушины 11 представляют собой короткие, но хорошо выраженные электропроводные пути, можно использовать первичный преобразователь тока на основе магнитного поля, для измерения тока в проушинах 11.

Подобным образом, если применяют электроды с конфигурацией, показанной на фиг. 21 и 22, стабилизаторы 65 можно заменить датчиками тока с соответствующими схемами обработки и передачи сигнала.

Предпочтительно, чтобы первичные преобразователи для измерения тока включали также схемы для измерения напряжения либо относительно соседнего электрода, либо относительно потенциала сравнения (например, земли), так чтобы напряжения на междуэлектродном зазоре можно было непосредственно измерить или рассчитать.

Таким образом, становится возможным измерить вольт-амперные характеристики между расположенными рядом электродами и, следовательно, иметь возможность зафиксировать образование металлических дендритов, чтобы понимать поведение электродов, связывать историю наращивания металла с протеканием тока и т.д.

Сходным образом, если питание на электроды подают по коротким (или длинным) проводам, схему измерения тока можно поместить вокруг каждого провода и измерять ток, протекающий к каждой ячейке, даже если это может потребовать проведения нескольких измерений, когда электрод получает питание от нескольких источников.

Такие измерения можно также выводить на аудио-видеоинформационные блоки. Таким образом, можно подать сигнал тревоги, если ток на электроде выходит за пределы заданного диапазона величин.

Даже просто измерение тока может дать некоторые выгоды при производстве, так как сравнение тока, протекающего между соседними электродами, может указывать на недостаточное регулирование электродов, что можно устранить небольшим перемещением электрода.

Следует отметить, что каждый источник питания или устройство для измерения тока могут включать локальную обработку и хранение данных. Это может быть приемлемо, если введение коммуникаций с центральным компьютером может быть сложным или дорогостоящим. При такой организации данные можно хранить на месте и периодически отбирать для анализа с помощью контактных или бесконтактных средств.

- 20 023794

В общем, данное изобретение обеспечивает несколько преимуществ. Электрод-катод и электроданод не обязательно должны быть одинакового размера. Если это удобно, электрод одного типа (анод или катод) может противостоять (т.е. быть включенным в ячейку) двум (или более) электродам другого типа (катод или анод), и на каждую пластину половинного размера (или уменьшенного размера) подают питание от преобразователя половинной (или меньшей) мощности, чем требовалось бы, если бы обе (все) пластины были полного размера. Такая организация могла бы быть особенно полезной, если питание на пластины подают от проушин или выводов, расположенных на каждой стороне (если пластины висят в ванне вертикально). На каждую сторону (пластину половинного размера) можно подавать питание от ее собственного преобразователя. Изолирующая штанга, проходящая поперек ванны, может обеспечивать механическую поддержку для двух листов половинного размера.

При рассмотрении как ЭР, так и ЭВ диапазон выходного напряжения, необходимого от источников питания, является значительным. Максимально, ЭВ цинка может требовать напряжения порядка 3,5 В. Минимально, типичное суммарное перенапряжение при ЭР меди составляет обычно немногим более 0,2 В. Традиционным предположением является то, что при наличии эффекта падения напряжения на сопротивлении электролита, контактных сопротивлениях и сопротивлении проводников необходимое напряжение может составлять порядка 0,3 В. Данное изобретение старается снизить это напряжение для того, чтобы сэкономить энергию (так как энергия, потребляемая ячейкой, равна произведению тока, проходящего через ячейку, на падение напряжения на ячейке). Данное изобретение позволяет разместить аноды и катоды ближе друг к другу, чем предполагает обычная промышленная практика, таким образом снижая сопротивление заполненного электролитом междуэлектродного зазора. Кроме того, источники питания, которые в данном изобретении питают МЭЗ (или отдельные электроды, если это необходимо), можно расположить очень близко к МЭЗ (или электродам), таким образом избегая падения напряжения на сопротивлении, возникающего, когда для соединения источников питания с электродами используют кабели длиной более нескольких сантиметров. В данном изобретении источники питания можно расположить на самих электродах (обычно на катодах), совсем отказываясь от использования кабеля. Если питают МЭЗ, то источники питания можно сконструировать так, чтобы они имели толщину, сходную с толщиной МЭЗ, и, следовательно, имели возможность располагаться на краю ванны близко к электродам. Следовательно, либо кабель не требуется, либо требуется лишь несколько сантиметров кабеля, чтобы осуществить соединение между источниками питания и электродами. Итог применения этих способов для снижения падения напряжения заключается в том, что при нормальной работе источники питания должны обеспечивать напряжение, которое значительно ниже обычно приемлемого рабочего напряжения. При ЭР меди перенапряжение отсутствует, так что отсутствует теоретический предел того, сколь низким может стать напряжение между анодом и катодом. Кроме того, и за пределами нормальной работы на катоде могут расти дендриты металла, создавая короткое замыкание между анодом и катодом или угрожая его создать. Эту ситуацию можно регулировать несколькими способами, например источник питания может снизить свое выходное напряжение, чтобы ограничить ток, протекающий через металлический дендрит или место короткого замыкания. В данном случае в этот момент потребуется очень низкое выходное напряжение источника питания.

Claims (15)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для применения при электролитическом получении металлов, включающее множество анодов (2) и множество катодов (1), чередующихся друг с другом, при этом каждая пара из соседних анода и катода образует ячейку (24); и множество источников питания (9), причем каждая ячейка (24) связана с одним или более соответствующим источником питания (9), при этом источники питания (9) подключены с возможностью регулирования постоянного тока в любой одной или более выбранных ячейках (24) до заданной величины.
2. 2. Устройство по п.1, в котором каждый источник тока связан с управляющим устройством (55), выполненным с возможностью регулирования постоянного тока таким образом, чтобы плотность тока в одной или более ячейках (24) была равна заданной величине.
3. 3. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором ток регулируют в зависимости по меньшей мере от одного параметра: расстояния между катодом и анодом внутри ячейки (24); напряжения между катодом и анодом в ячейке (24); размера электродов; конфигурации электродов; плоскостности электродов; качества электродов; импеданса электродов; температуры; концентрации электролита и изменения во времени зависимости тока от напряжения в ячейке (24).
4. 4. Устройство по п.2, в котором каждое управляющее устройство (55) связано с относящимся к нему источником тока (9) или является его частью.
5. 5. Устройство по п.2 или любому зависимому от него пункту, в котором каждый источник (9) тока включает устройство (СТ1) измерения тока и связанное с ним управляющее устройство (55) контролирует работу источника (9) тока в виде отклика на измерения тока, осуществляемые устройством (СТ1) измерения тока.

   - 21 023794
6. 6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором, по меньшей мере, некоторые из источников (55) питания включают устройство связи для обмена данными с компьютером (59) и одно или более управляющих устройств (55) или компьютер (59) реагируют на измерения тока в ячейке (24) и напряжения на этой ячейке с целью определения образования выступов или дендритов в ячейке (24).
7. 7. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором каждая ячейка (24) не соединена последовательно по току с соседней ячейкой.
8. 8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором две стороны одного или более анодов (2) и катодов (1) электрически изолированы друг от друга и один или более источников питания организованы таким образом, чтобы обеспечивать ток к соответствующим сторонам одного или более анодов (2) или катодов (1).
9. 9. Устройство по любому из пп.1-8, в котором каждый Ν-й анод (2) или катод (1) поддерживают при заданном напряжении или напряжении заземления.
10. 10. Устройство по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающее по меньшей мере один понижающий трансформатор (10) для снижения подаваемого напряжения до промежуточного напряжения, подаваемого на источники (9) питания, при этом трансформатор можно разделить на две части, которые при сведении их вместе образуют индуктивную связь.
11. 11. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором каждый источник (55) питания включает процессор для обработки данных или другое устройство для уменьшения силы тока в случае, если вольт-амперная характеристика связанной с ним ячейки указывает на наличие короткого замыкания, которое произошло или вероятно происходит в течение заданного периода времени.
12. 12. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором на анод (8) или катод (1) используют более одного источника (9) питания, в случае если множество источников (24) питания присоединены к общему аноду (2) или катоду (1), то их соответствующие управляющие устройства (55) взаимодействуют друг с другом, чтобы совместно участвовать в регулировании и получении информации о заданных токах.
13. 13. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором анод (2) или катод (1) разделены на субэлектроды (110а, 110Ь), каждый с соответствующим источником (9) питания или с соответствующим контролем тока.
14. 14. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором, по меньшей мере, некоторые из катодов (1) и/или анодов (2) подвешены на поддерживающем устройстве (66), проходящем над электролитом в электролитической ванне (76), и изолированы от этого поддерживающего устройства (66), источники (9) питания включают транзисторы, работающие при некоторой частоте переключения, в связи с резонансными или квазирезонансными схемами, частота переключения составляет более 20 кГ ц.
15. 15. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором зазор между анодом и катодом является регулируемым и его регулируют на основании плотности тока в ячейке или напряжения на ячейке (24).