EA030918B1

EA030918B1 - Система для оценки распределения тока в электродах электрохимических установок

Info

Publication number: EA030918B1
Application number: EA201690034A
Authority: EA
Inventors: Феликс Прадо Пуэо
Original assignee: Индустрие Де Нора С.П.А.
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2018-10-31
Also published as: EA201690034A1; AU2014283356A1; KR20160021214A; CL2015003647A1; TWI647341B; ES2642124T3; CN105339526B; EP3011078A1; NO3011078T3; AR096604A1; CA2911219A1; US20160115608A1; PL3011078T3; PE20160104A1; PH12015502808B1; AP2016008974A0; BR112015031453A2; PH12015502808A1; MX2015017508A; CN105339526A

Abstract

Изобретение относится к системе для непосредственного обнаружения тока, подводимого к электродам электролитических ячеек, в частности, применяемых в установках для электролитического выделения или электролитического рафинирования цветных металлов. Распределение тока на практически неограниченном числе электродов может быть получено путем непосредственного измерения на электродных штангах без необходимости в ручном вмешательстве персонала установки.

Description

030918 Bl

Область изобретения

Изобретение относится к системе для непосредственного обнаружения тока, подводимого к электродам электролитических ячеек, используемых, в частности, в установках для электролитического выделения или электролитического рафинирования цветных металлов.

Уровень техники

Ток, подводимый к ячейкам, используемым в электрохимических установках, особенно в установках для электроосаждения металлов, например для электролитического выделения или электролитического рафинирования металлов, может быть распределен самым различным образом по различным установленным электродам, с негативными влияниями на производство. Это явление может возникать по нескольким причинам. Например, в конкретном случае установок для электролитического выделения или электролитического рафинирования металлов электроды отрицательной полярности (катоды) часто извлекают из их гнезд для обеспечения сбора осажденного на них продукта, с последующим возвращением электрода обратно на место для следующего производственного цикла. Эта повторяемая обработка, обычно выполняемая на очень большом числе катодов, часто приводит к неправильной переустановке на соответствующих шинах и к получению менее качественных электрических контактов, что также может служить причиной загрязнений, осаждающихся в приемных гнездах. Также возможно, что осаждение продукта происходит на электроде нерегулярным образом, с образованием градиента массопереноса, изменяющего профиль поверхности катода. Когда это происходит, из-за того, что зазор между анодом и катодом больше не является постоянным вдоль всей поверхности электрода, устанавливается электрический дисбаланс: электрическое сопротивление, являющееся функцией расстояния между каждой парой анодов и катодов, становится изменяемым, ухудшая проблему неравномерного распределения тока.

Следовательно, ток может быть распределен по каждому электроду в различных количествах, как из-за плохих электрических контактов между электродами и шинами, так и из-за изменений профиля поверхности катодов. Более того, даже простой износ анодов может отрицательно повлиять на распределение тока.

Эти неравномерности в распределении тока могут привести к анодно-катодным коротким замыканиям. Другой повторяемой причиной коротких замыканий, в частности, в случае электроосаждения меди, является случайное образование дендритных отложений, которые локально растут при повышенной скорости при условии, что локальный анодно-катодный зазор уменьшается, с увеличением доли тока, который концентрируется в точке роста дендрита, до возникновения режима короткого замыкания между катодом и анодом. В случае короткого замыкания ток имеет тенденцию к концентрации на закороченном катоде, ослабляя ток на остальных катодах и серьезно затрудняя производство, которое не может быть возобновлено до отсоединения закороченного катода.

Неравномерное распределение тока, помимо возникновения потерь в качестве и мощности производства, как указано выше, вносит риск для целостности современных анодов, полученных из титановых сеток, укорачивая срок их службы.

В промышленных установках при наличии большого числа имеющихся ячеек и электродов задача обнаружения ненормальностей в распределении тока является очень сложной. Такое обнаружение, на самом деле, влечет за собой тысячи ручных измерений, выполняемых операторами с использованием инфракрасных или магнитных детекторов. В конкретном случае установок для электролитического выделения и электролитического рафинирования металлов эти обнаружения осуществляются оператором в высокотемпературной окружающей среде и в присутствии кислотных паров, содержащих в основном серную кислоту.

Более того, традиционные ручные элементы, используемые операторами, такие как гауссметры или приборы с инфракрасными датчиками, позволяют определить местоположение только крупных дисбалансов в распределении тока, поскольку они фактически обнаруживают дисбалансы, связанные с изменениями в магнитном поле или в температуре.

Эти ручные или полуавтоматические системы имеют недостаток, обуславливающий то, что они не подходят для непрерывной работы (позволяя лишь точечные проверки), и являются очень дорогостоящими и потенциально опасными для здоровья оператора.

Существуют известные системы для беспроводного контроля ячеек, которые, хотя они являются постоянно действующими и работающими в непрерывном режиме, обнаруживают только изменения в напряжении и температуре для каждой ячейки, но не для каждого одиночного электрода. Данная информация, как разъяснено выше, является неточной и в целом недостаточной.

Попытка преодолеть вышеуказанные проблемы раскрыта, например, в WO 2013037899. Изобретение, описанное в данной патентной заявке, имеет недостаток, влекущий за собой фиксирование тысяч контактов непосредственно на шинах, что усложняет задачу достижения установки в ходе работы. Кроме того, такое опосредованное измерение тока требует использования сложной модели расчетов, для которой необходимо предусмотреть некоторые приближения.

По этим причинам существует выраженная промышленностью потребность получить технически осуществимую и экономически рентабельную систему для постоянного и непрерывного контроля и измерения распределения тока в каждом и всяком электроде, установленном в ячейках установки для элек

- 1 030918 троосаждения металлов.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение позволяет выявлять распределение тока фактически неограниченного числа электродов, установленных в электрохимических установках, например в установках для электролитического осаждения цветных металлов (например, электролитической экстракции или электролитического выделения и электролитического рафинирования или электрорафинирования), без необходимости во вмешательстве со стороны операторов для осуществления ручных измерений во вредной для здоровья окружающей среде, и способных сигнализировать о ненормальной работе одного или более конкретных электродов посредством системы оповещения. Изобретение также позволяет преодолеть сложность расчета и установки систем опосредованного измерения согласно уровню техники, причем система выполнена с возможностью непосредственной установки на электроде во время стадии изготовления последнего.

Различные аспекты изобретения изложены в прилагаемой формуле изобретения.

Согласно одному аспекту изобретение относится к системе для оценки распределения тока в катодах и анодах установки для электроосаждения металлов, причем упомянутая система содержит по меньшей мере одну электролизную ячейку, содержащую электролит;

токопроводящую шину, соединенную с упомянутой по меньшей мере одной электролизной ячейкой;

множество катодов и анодов, имеющих катодные и анодные штанги с однородным удельным сопротивлением и с правильной геометрией в электрическом контакте с ними, причем упомянутые штанги имеют конечную часть, примыкающую к упомянутой токопроводящей шине, и выполнены с возможностью удерживания соответствующих катодов и анодов внутри упомянутой по меньшей мере одной электролизной ячейки;

при этом упомянутые катодные и анодные штанги снабжены по меньшей мере одним электрическим зондом, соединенным по меньшей мере с двумя точками контактного обнаружения, расположенными на упомянутых катодных и анодных штангах в области, ограниченной электрическим соединением с токопроводящей шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом.

Термин первое электрическое соединение между катодными и анодными штангами и электродом (соответственно катодом или анодом), соединенным с ними, используется здесь для обозначения первой точки контакта, достигаемой электрическим током, начиная от стороны его возникновения.

Изобретатели обнаружили, что когда геометрия электродной штанги является правильной, можно предположить, исходя из этой меры, распределение тока на электроде, соединенном с электродной штангой.

Из уровня техники известны установки для электрохимического осаждения металлов, в которых ячейки выполнены с возможностью приема тока только с одной стороны или снабжены уравновешивающими вспомогательными токопроводящими шинами для перераспределения тока. В последнем случае система согласно изобретению выполнена таким образом, что она содержит по меньшей мере одну электролизную ячейку, содержащую электролит;

уравновешивающую вспомогательную шину;

множество катодов и анодов, имеющих катодные и анодные штанги с однородным удельным сопротивлением и с правильной геометрией в электрическом контакте с ними, причем упомянутые штанги имеют первую конечную часть, примыкающую к упомянутой токопроводящей шине, и вторую конечную часть, примыкающую к упомянутой уравновешивающей вспомогательной шине, причем упомянутые штанги выполнены с возможностью удерживания соответствующих катодов и анодов внутри упомянутой по меньшей мере одной электролизной ячейки;

при этом упомянутые катодные и анодные штанги снабжены по меньшей мере одним электрическим зондом, соединенным по меньшей мере с четырьмя точками контактного обнаружения, расположенными на упомянутых катодных и анодных штангах в областях, ограниченных электрическими соединениями соответственно с токопроводящей и уравновешивающей вспомогательной шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом.

В одном варианте воплощения системы согласно изобретению упомянутые катодные и анодные штанги снабжены по меньшей мере одной микросхемой с соединенным с ней микропроцессором, причем упомянутая микросхема электрически соединена с упомянутыми точками контактного обнаружения.

Во избежание соединения электродных штанг с множеством кабелей, что является сложной операцией для руководителей предприятия, результаты измерений омического падения напряжения могут быть переданы через радиопередатчик на центральный компьютер для необходимой обработки. По этой причине дополнительный вариант воплощения системы согласно изобретения обеспечивает микросхему микропроцессора, также снабженного радиопередатчиком. В некоторых случаях на удельное сопротивление электродных штанг могут повлиять локальные изменения в температуре, связанной с конкретными

- 2 030918 критическими рабочими условиями. Необходимая поправка становится возможной при выполнении дополнительного варианта воплощения системы согласно изобретению, обеспечивающему соединения упомянутых точек обнаружения контакта с устройством датчика температуры.

В дополнительном варианте воплощения системы согласно изобретению точки контактного обнаружения у штанг, радиопередатчик и устройство датчика температуры защищены от окружающей химической среды посредством химически стойких смол, например эпоксидных смол.

Согласно другому аспекту изобретение относится к способу оценки распределения тока в катодах и анодах установки для электроосаждения металлов, содержащему этапы снабжения упомянутых штанг по меньшей мере одним электрическим зондом, электрически соединенным по меньшей мере с двумя точками контактного обнаружения, расположенными на упомянутых катодных и анодных штангах в области, ограниченной электрическим соединением с токопроводящей шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом;

калибровки сопротивлений катодных и анодных штанг;

передачи результатов измерений тока на центральный компьютер посредством кабелей или радиопередатчика;

обработки данных посредством центрального компьютера;

приведения в действие системы предупреждения, соединенной с центральным компьютером, в случае заданных аномалий;

приведения в действие необязательного средства для отключения электродов, имеющих аномалии.

Согласно дополнительному аспекту изобретение относится к катодной или анодной штанге для применений в электроосаждении, имеющей однородное удельное сопротивление, правильную геометрию и оборудованной по меньшей мере одной микросхемой, снабженной микропроцессором, причем упомянутая микросхема соединена по меньшей мере с двумя точками обнаружения, расположенными в области, ограниченной электрическим соединением с токопроводящей шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом, причем упомянутая микросхема имеет внутреннюю цепь с активным сопротивлением.

Согласно дополнительному аспекту изобретение относится к способу оценки распределения тока в катодах и анодах установки для электроосаждения металлов, содержащему этапы нанесения микросхемы со встроенным в нее микропроцессором на каждую катодную и анодную штангу путем электрического соединения ее по меньшей мере с двумя точками контактного обнаружения, расположенными на каждой из катодных и анодных штанг в области, ограниченной электрическим соединением с соответствующей токопроводящей шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом;

приведения в действие средства для отключения электродов, имеющих аномалии.

Некоторые реализации, разъясняющие изобретение, далее будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые имеют единственную цель, состоящую в иллюстрации взаимного расположения различных элементов относительно упомянутых конкретных реализаций изобретения; в частности чертежи не обязательно приведены в масштабе.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает схематическое изображение связи электрод - электродная штанга согласно изобретению в конфигурации двойного электрического контакта.

Фиг. 2 показывает схему электрической микросхемы согласно изобретению в конфигурации двойного электрического контакта.

Подробное описание чертежей

На фиг. 1 показаны электродная штанга 1, прикрепленный к ней электрод 2, точки 3, 4, 5 и 6 обнаружения, направления тока 7, 8, 9, 10 и 11, токопроводящие шины 12 и 13, микросхема, снабженная микропроцессором 14.

На фиг. 2 показана схема электрической микросхемы, указывающая область 15, соответствующую цепи, эквивалентной электрической цепи электродной штанги по фиг. 1, область 16, соответствующую электрической цепи микросхемы, точки 17, 18, 19 и 20 обнаружения, электрические сопротивления, соответствующие участкам электродной штанги 23 и 24, точки измерения разности потенциалов на микросхеме 21 и 22, примененные резисторы 25 и 26.

Следующий пример включен для демонстрации конкретных вариантов воплощения изобретения, практическая применимость которых была широко подтверждена заявленным диапазоном значений. Специалистам в данной области техники следует учитывать, что составы и технологии, раскрытые в примере, который последует ниже, отображают составы и технологии, раскрытые изобретателями, и хо

- 3 030918 рошо функционируют при практической реализации изобретения; однако специалистам в данной области техники следует учитывать, в свете настоящего раскрытия, что в конкретных вариантах воплощения, которые раскрыты, могут быть выполнены множественные изменения, но все еще может быть получен одинаковый или сходный результат без отступления от объема изобретения.

Пример.

Система для оценки распределения тока катодов и анодов была собрана с применением цепи согласно схеме по фиг. 2. Способ, используемый для расчета распределения тока, в данном конкретном случае основан на модели, выраженной следующими формулами. A - напряжение в точке 17, C - напряжение в точке 19, B - напряжение в точке 18 и D - напряжение в точке 20. M - напряжение в точке 21, а N напряжение в точке 22. K - сопротивление электродной штанги, соответствующее участку между точками 17 и 18. PxK - сопротивление электродной штанги, соответствующее участку между точками 19 и 20. R - значение сопротивления резисторов, установленных соответственно между точками 17 и 21 и точками 18 и 22. PxR - сопротивления, установленные между точками 19 и 21 и 20 и 22. I1 - ток между точками 17 и 18, а I2 - ток между точками 19 и 20.

Разность потенциалов между точками M-N, следовательно, пропорциональна (I1+I2). Поэтому, зная полный ток I, можно вывести R, эквивалентное R1, R2, ..., Rn, а, следовательно, и отдельные токи.

Вышеприведенное описание не предназначено для ограничения изобретения, которое может быть использовано согласно различным вариантам воплощения, без отступления от его объемов, и чей объем правовой охраны определяется лишь прилагаемой формулой изобретения.

Во всем описании и формуле изобретения настоящей заявки термин содержать и его разновидности, такие как содержащий и содержит, не предназначены для исключения наличия других элемен тов, компонентов или дополнительных этапов процесса.

Обсуждение документов, действий, материалов, устройств, изделий и т.п. включено в данную спецификацию лишь с целью обеспечения контекста для настоящего изобретения. Не следует предполагать или представлять, что какие-либо или все из этих объектов формировали часть основы уровня техники или представляли собой общие сведения в области, соответствующей настоящему изобретению до даты

- 4 030918 приоритета каждого пункта формулы изобретения по данной заявке.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система для оценки распределения тока в катодах и анодах установки для электроосаждения металлов, содержащей по меньшей мере одну электролизную ячейку, содержащую электролит; токопроводящую шину, связанную с упомянутой по меньшей мере одной электролизной ячейкой; уравновешивающую вспомогательную шину; множество катодов и анодов, имеющих катодные и анодные штанги с однородным удельным сопротивлением и с правильной геометрией в электрическом контакте с ними, причем упомянутые штанги имеют первую конечную часть, примыкающую к упомянутой токопроводящей шине, и вторую конечную часть, примыкающую к упомянутой уравновешивающей вспомогательной шине, причем упомянутые штанги выполнены с возможностью удерживания соответствующих катодов и анодов внутри упомянутой по меньшей мере одной электролизной ячейки; при этом система содержит по меньшей мере один электрический зонд, который выполнен с возможностью установки на упомянутые катодные и анодные штанги и соединения по меньшей мере с четырьмя точками контактного обнаружения на упомянутых катодных и анодных штангах в областях, ограниченных электрическими соединениями, соответственно, с токопроводящей шиной и уравновешивающей вспомогательной шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом.
2. Система по п.1, при этом упомянутые катодные и анодные штанги содержат по меньшей мере одну микросхему с соединенным с ней микропроцессором, причем упомянутая микросхема электрически соединена с упомянутыми точками контактного обнаружения.
3. Система по п.2, при этом упомянутая по меньшей мере одна микросхема содержит радиопередатчик.
4. Система по любому из предыдущих пунктов, при этом упомянутые точки контактного обнаружения соединены с датчиком температуры.
5. Система по любому из пп.1-4, при этом упомянутые катодные и анодные штанги содержат по меньшей мере одну микросхему с упомянутым микропроцессором, встроенным в нее.
6. Система по п.5, при этом упомянутая микросхема с упомянутым микропроцессором, встроенным в нее, упомянутые точки контактного обнаружения у штанг, упомянутый радиопередатчик и упомянутый датчик температуры защищены от окружающей химической среды посредством химически стойких смол.
7. Способ оценки распределения тока в катодах и анодах установки для электроосаждения металлов с помощью системы по п.1, содержащий следующие этапы:

установка на катодных и анодных штангах по меньшей мере одного электрического зонда посредством электрического соединения его по меньшей мере с четырьмя точками контактного обнаружения, расположенными на упомянутых катодных и анодных штангах в областях, ограниченных электрическими соединениями, соответственно, с токопроводящей шиной и уравновешивающей вспомогательной шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом;

калибровка сопротивлений катодных и анодных штанг;

передача результатов измерений тока на центральный компьютер посредством кабелей или радиопередатчика;

обработка данных посредством упомянутого центрального компьютера;

приведение в действие системы предупреждения, соединенной с упомянутым центральным компьютером, в случае заданных аномалий;

приведение в действие средства для отключения электродов, имеющих аномалии.
8. Катодная или анодная штанга для применений с системой по п.1, имеющая однородное удельное сопротивление и правильную геометрию и имеющая по меньшей мере одну микросхему, снабженную соединенным с ней микропроцессором, причем упомянутая микросхема соединена по меньшей мере с четырьмя точками обнаружения, расположенными в областях, ограниченных электрическими соединениями, соответственно, с токопроводящей шиной и уравновешивающей вспомогательной шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом, причем упомянутая микросхема имеет внутреннюю цепь с активным сопротивлением.
9. Способ оценки распределения тока в катодах и анодах установки для электроосаждения металлов с помощью системы по п.1, содержащий следующие этапы:

наложение микросхемы со встроенным в нее микропроцессором на каждую катодную и анодную штангу посредством электрического соединения ее по меньшей мере с четырьмя точками контактного обнаружения, расположенными на каждой из катодных и анодных штанг в областях, ограниченных электрическими соединениями, соответственно, с токопроводящей шиной и уравновешивающей вспомогательной шиной и первым электрическим соединением с соответствующим катодом или анодом;

калибровка сопротивлений катодных и анодных штанг;

передача результатов измерений тока на центральный компьютер посредством кабелей или радиопередатчика;

- 5 030918 обработка данных посредством упомянутого центрального компьютера;

приведение в действие системы предупреждения, соединенной с упомянутым центральным компьютером, в случае заданных аномалий;

приведение в действие средства для отключения электродов, имеющих аномалии.

Фиг. 1