EP0089475A1 - Beschichtete Ventilmetallanode zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden - Google Patents

Beschichtete Ventilmetallanode zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden Download PDF

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EP0089475A1
EP0089475A1 EP83101018A EP83101018A EP0089475A1 EP 0089475 A1 EP0089475 A1 EP 0089475A1 EP 83101018 A EP83101018 A EP 83101018A EP 83101018 A EP83101018 A EP 83101018A EP 0089475 A1 EP0089475 A1 EP 0089475A1
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EP
European Patent Office
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metal
current
electrode
jacket
electrode according
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EP83101018A
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English (en)
French (fr)
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EP0089475B1 (de
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Konrad Dipl.-Chem. Koziol
Erich Ing.-Grad. Wenk
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Conradty GmbH and Co Metallelektroden KG
Original Assignee
Conradty GmbH and Co Metallelektroden KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • the invention relates to an electrode, in particular anode made of coated valve metal for the electrolytic extraction of metals or metal oxides, with a current-carrying component, e.g. a current feeder and / or a current distributor, which consists of a jacket made of valve metal and a core arranged therein made of electrically highly conductive metal, which is in electrically conductive connection with the jacket.
  • a current-carrying component e.g. a current feeder and / or a current distributor, which consists of a jacket made of valve metal and a core arranged therein made of electrically highly conductive metal, which is in electrically conductive connection with the jacket.
  • Coated metal anodes of this type are intended to replace the anodes of lead or lead alloys or graphite originally used for this purpose in the field of the electrolytic extraction of metals, in particular non-ferrous metals, from the acid solutions containing metal to be obtained.
  • the working surface of these coated metal anodes consists of a supporting core made of a valve metal, such as titanium, zirconium, niobium or tantalum, to which a coating of an anodically active material, for example metals of the platinum group or the platinum metal oxides, is applied.
  • a valve metal such as titanium, zirconium, niobium or tantalum
  • the energy savings result from the larger surface area that can be achieved with coated metal anodes, the high activity of the coating and the dimensional stability. These Energy saving enables the anode voltage to be reduced considerably.
  • the coated metal anodes provide further operational savings in that the cleaning and neutralization of the electrolyte is facilitated, since the coating of the anodes is not destroyed by Cl-, NO 3 - or free H 2 S0 4 .
  • An additional cost saving results from the fact that when using coated metal anodes, the electrolyte does not have to be mixed with expensive additives, for example cobalt or strontium carbonate, as is required when using lead anodes. Furthermore, the contamination of the electrolyte and the metal obtained by lead, which cannot be prevented with lead anodes, is eliminated. Finally, the coated metal anodes allow an increase in current density and thus productivity.
  • the profiled bars which are arranged in a plane parallel to one another and form the effective surface, consist of a titanium sheath which is provided with a copper core.
  • the power supply and distribution rails also have a comparable structure. These are complicated in order to largely shorten the current paths in the small effective area of the anode. The complicated structure of the profile bars forming the effective area and the long power supply and distribution rails required make the known construction considerably more expensive.
  • the internal ohmic voltage drop of the titanium anodes to be reduced now requires the use of large conductor cross-sections for the current-carrying components made of this expensive metal.
  • the active surface is formed from titanium rods arranged parallel to one another in a plane, these must be designed with a correspondingly large cross section in order to keep pace with the internal ohmic voltage drop occurring in the thick, massive lead anodes, which in turn has the technical and cost advantages of Valve metal anodes narrow.
  • the aim is to achieve a "metallurgical bond" between the metal of the core and the metal of the sheath.
  • the reduction in the internal voltage drop which is to be achieved by forming the core from a metal with good electrical conductivity, is actually only achieved if the current transfer to the coated active part by a large-area, perfect metallurgical bond between the material of the jacket and the Material of the copper is guaranteed.
  • this prerequisite is at least somewhat achieved with a 'very expensive production.
  • these current feeders for anodes have proven their worth in chloralkali analysis using the diaphragm method.
  • the temperature sensitivity of the metallurgical bond between copper and titanium assumes that in the case the re-coating of these DIA anodes, the titanium-coated copper rod is separated from the active part to be coated.
  • a graphite electrode with a metallic power supply for chlor-alkali electrolysis has become known (DE-OS 15 71 735), in which the metal-graphite current transfer is mediated by mercury or an amalgam which is liquid at outside temperature. This should ensure good electrical contact between the metal and graphite, since shrinkage cracks do not occur. This development has also been followed up on metal electrodes.
  • a known metal electrode for E lektro- lyseapparate for electrolytic manufacture of chlorine (DE -OS 27 21 958) are namely at least the primary conductor rails made of pipes, metal rods are arranged in their interiors, which current-conducting material are embedded in a liquid primarily under operating temperature.
  • This current-conducting material which is predominantly liquid at operating temperature, can be made from low-melting metals or alloys, such as Wood's metal, Roses metal or Lipowitz metal, sodium, potassium or their alloys, or another current-conducting material, such as metal oxides or graphite, which can be impregnated with metal alloys. consist.
  • an electrode of the presupposed type with a current-carrying component which consists of a jacket made of valve metal and a core of electrically good conductive metal arranged therein, in that a contact structure is embedded in the core metal of the current-carrying component, which consists of valve metal exists and is connected to the inner surface of the jacket via a plurality of welds.
  • the inventive design of the electrode in particular its current-carrying component in such a way that the contact structure in question is embedded on the one hand in the core metal and on the other hand connected to the inner surface of the jacket via a plurality of welds, results in an electrically highly conductive connection between the core metal and with the cladding metal. the consequence of a low voltage drop even at high voltages and large currents.
  • the intimate contact achieved between the contact structure and the core metal is maintained over a long operating time, even with large temperature differences.
  • the contact structure improves the mechanical strength of the correspondingly designed current-carrying component and thus the metal electrode as a whole.
  • the electrode according to the invention is inexpensive and economical to manufacture because the difficulties associated with the known arrangements of metallurgical connection of the core metal with the cladding metal or the introduction of a suitable intermediate layer, for example of a material which is liquid at operating temperatures, are eliminated.
  • the core metal in the liquid state can simply be poured into the interior of the jacket. Due to the corresponding design of the contact structure, the core metal flows intimately around the contact structure and shrinks onto it with prestress. This results in the desired intimate contact between the core metal and the contact structure. This, in turn, is welded to the inner surface of the jacket with good electrical conductivity.
  • Triangle, rectangle, trapezoidal and other polygonal profiles, corrugated iron box profiles, pipes or the like are suitable as a jacket for the current-carrying components of the configuration according to the invention.
  • the wall thickness of the jacket of the current-carrying components according to the invention expediently moves between 0.5 mm and a few millimeters.
  • the jacket consists of one of the valve metals already mentioned. If the jacket of the current-carrying components according to the invention consists of two or more profile parts. is assembled and these profile parts are welded together, the welds must be gas and liquid tight.
  • the contact structure provided in the current-carrying components according to the invention can be a spatial structure with surfaces oriented in several directions, which is surrounded by the core metal from several directions.
  • a spatial structure is surrounded or surrounded by it from several directions, so that the core metal shrinks intimately onto the spatial structure from several sides during the solidification process.
  • the contact structure With a large surface area, the contact structure has a small volume, measured by the volume of the core metal.
  • Strips made of expanded metal, wire mesh, perforated sheet metal or the like are used as the contact structure or spatial structure Chen in question. At least one strip is laid inside the jacket of the current-carrying component essentially parallel to the direction of current flow and welded to the inside surface of the jacket with a plurality of welding spots. It is possible to have the strip run straight or wavy. In the latter case, there is a particularly varied orientation of the surfaces of the strip, with the result that the contact structure is particularly integrated into the core metal.
  • the contact structure can also be formed from at least one wire which is laid in a corrugated manner in the component essentially in the current flow direction and is preferably welded to the inner surface of the jacket several times on one side.
  • a wire also forms a spatial structure with a surface or surface portions oriented in several directions, which can be flowed around by the core metal when pouring in from several sides, so that the core metal can shrink intimately and firmly onto this contact structure.
  • wire sections in the form of wire loops can also be used, which are welded to the inner surface of the jacket.
  • the contact structure is made up of a plurality of bodies, such as bolts with thickened portions and / or thinned portions.
  • the bolts can run perpendicular to the direction of current flow in the component, but can also take any other angle to it and to one another.
  • these bodies have a sufficient volume or a sufficient cross-section in order to produce an electrically highly conductive connection with the lowest possible voltage drop to the core metal on the one hand and to the jacket metal on the other hand, so that even high currents with a low voltage drop from the core metal the jacket metal and further on the active surface of the metal anode can be transferred.
  • the number and the cross section of the welding points between the contact structure and the jacket are determined on the basis of a predetermined, permissible voltage drop.
  • the latter can be provided with a suitable contact coating.
  • a suitable contact coating This lends itself to a relatively small-area contact structure or to electrically conductive components that are particularly highly stressed.
  • the materials usually used for this purpose in electrical engineering can be used as contact coatings insofar as they are compatible with the respective metal of the core.
  • Noble metals or the oxides and / or base metals and their electrically conductive substoichiometric or doped oxides can be used as materials.
  • Metals with a melting point which is at least 500 ° C. lower than that of the metal of the jacket of the current-carrying component are suitable as casting metal for producing the core of a current-carrying component of an electrode according to the invention.
  • the core metal should also have a significantly higher electrical conductivity than the valve metal of the jacket, for example titanium. Taking these requirements into account, zinc, aluminum, magnesium, tin, antimony, lead, calcium, copper or silver and corresponding alloys thereof can be used as core metals.
  • the selection of the metal for the core must also take into account the special requirements of the respective metal extraction process. For example, in zinc extraction electrolysis, metallic zinc with its low melting point of 420 ° C.
  • metallic zinc has the advantage that its corrosion products do not affect the hydrogen overvoltage of the cathode or the purity of the deposited cathode zinc.
  • Zinc has also proven to be suitable as a core metal for the current-carrying components for the production of copper by means of the electrodes according to the invention.
  • aluminum, magnesium or lead and the corresponding alloys can also be used.
  • the known electrodes do not yet take into account the proposed solution that the metal of the core of a current-carrying component of an electrode according to the invention should be selected in accordance with the special requirements of the respective metal extraction process.
  • the connection of titanium-coated copper as an active part or current feeder and distributor, as is the case with the known solutions, is in fact not feasible in most metal extraction processes, since short circuits occur during electrolysis due to the formation of dendrites in the cathodically deposited metal, which form the titanium jacket can destroy.
  • the copper and alloy contact metal exposed by short circuit dissolves anodically.
  • the metal ions that are formed are deposited on the cathode, contaminate the cathode product and also have an influence on the hydrogen overvoltage and thus on the current efficiency of the metal extraction process. This results in an unsalable, because contaminated cathode metal, which is also produced at high cost due to reduced current efficiency. It should not go unmentioned that a single short circuit e.g. in electrolytic zinc extraction, can negatively affect a variety of cathodes. Titanium-plated copper with a metallurgical composite appears to be economically unsuitable even in the electrolytic copper extraction because of the high short-circuit rate and the high rod prices.
  • a particularly advantageous development of the invention is that the component serving as a current distributor is integrated into the active surface of the electrode in that the jacket is at least partially formed by an electrode plate representing the active surface of the electrode and a contact structure in such a current-carrying component is arranged.
  • This measure according to the invention ensures that a particularly compact electrode is obtained, which is particularly characterized by a small thickness. As a result, not only can a particularly space-saving cell be constructed, but the insertion and removal of the electrodes in or from such a cell is particularly easy.
  • current-carrying rods are embedded in the cast metal, which are connected to a horizontally running current guide rail.
  • the potting metal primarily serves to stiffen the effective surface of the electrode consisting of flat plates. Only in second place is the potting metal used for the electrical connection of the rods embedded therein to the effective surface of the electrode.
  • These rods are not comparable with the contact structure provided according to the invention because they do not represent a spatial structure with surface portions oriented in different directions, onto which the potting metal 11 has been shrunk. Dementspre Accordingly, the current-carrying rods are not, like the contact structure according to the invention, directly connected to the jacket of the current-carrying component or the corresponding region of the electrode plate itself by welding.
  • the contact structure be welded to the region of the electrode sheet which at least partially forms the jacket, since this results in a direct transfer of the current from the core metal of the current-carrying component to the effective electrode surface.
  • the region of the electrode plate which partially forms the jacket is U-shaped or undulating and this area is covered by a cover plate to form the closed jacket is added.
  • the cavity formed in this way within the jacket can be poured out in the manner already described with a suitable core metal which intimately connects to the contact structure.
  • the cover plate mentioned which can have any shape, is expediently welded to the electrode plate in a gastight and liquid-tight manner.
  • Another embodiment of the invention is that the effective area of the electrode and formed by a plurality of parallel to each other in a plane arranged profile bars which K ontaktfigured by Ab sections of the profile bars is formed, which is passed through the core of the current-carrying component.
  • This embodiment also differs from the prior art electrode of US-PS 4,260,470 characterized ,, that in the inventive solution the portions of the P ro- filstäbe which are passed through the current-carrying component or the core, with the shell of the current-carrying Are welded component.
  • the solution according to the invention results in a direct connection of the sections of the profiled bars serving as the contact structure with the effective electrode surface, with the result of a good conduction of the current.
  • Beyond. may be formed from with respect to its surface or its shape so the portions of the profiled bars which act as K on- clock structure, that these meet the requirements that are placed on the contact structure according to the invention.
  • they can have a Rontact coating.
  • this electrode shows the basic structure of a coated metal anode according to the invention. Thereafter, this electrode consists of a horizontal current feeder, which is designated by 10 in total. A vertically running power distributor 20 is connected to the underside of this power supply approximately in the middle. This power distributor 20 is connected to the active part, designated as a whole by 30, i.e. the active area, the electrode connected. To stiffen in particular the vertical edge regions of the active part 30, these are connected to the current feeder 10 via stiffening struts 40.
  • Fig. 2 shows a vertical section through the current feeder 10 according to Fig. 1.
  • the current feeder 10 consists of a jacket designated overall by 50, which is composed of two U-profiles 51 and 52, which partially overlap with their free legs and are connected to one another in these areas by weld seams 53.
  • the jacket 50 consists of a valve metal, preferably titanium.
  • a strip 60 of expanded metal made of the same valve metal as the cover, namely titanium, is welded to a plurality of welding spots 61 on two opposite inner surfaces of the cover 50. This results in both a fixed mechanical connection as well as a good electrically conductive connection between the respective strip 60 of expanded metal and the jacket 50.
  • a core 70 made of a suitable, electrically highly conductive non-valve metal is cast into the cavity of the jacket.
  • the core metal 70 When the core metal 70 is poured in, it flows around the strips 60 of expanded metal from all sides and, when it solidifies, shrinks intimately onto the surface of the strips 60 made of expanded metal. This also results in an intimate-mechanical and good electrical connection between the core metal 70 and the S tri- fen 60 of expanded metal.
  • the strips 60 made of expanded metal therefore represent the contact structures desired according to the invention.
  • the strips 60 of expanded metal run parallel to the current profile in the current feeder 10, specifically from a connection head 11 of the current feeder 10 to at least the point at which the current distributor 20 branches off. If it is desired that part of the current should also run over the stiffening strip 40 on the right in FIG. 1, it is advisable to let the strips 60 of expanded metal run approximately into the region of the branching point of this reinforcing strip 40.
  • the jacket 50 of the current lead 10 consists of a U-shaped profile 51a and a flat end strip 54.
  • the two parts 53 and 54 of the jacket 50 are connected to one another at their joints by welds 53.
  • a strip 60 is arranged made of expanded metal, which is the K ontakt Quilt and cast in for this purpose by the core metal 70 and is welded to the inner surface of the shell 50 is.
  • FIG. 5 shows a current feeder 10 with a one-piece jacket 50.
  • a U-profile 55 is assumed, on the lower inner surface of which a strip 60 of expanded metal is welded. Thereafter, the core metal 70 is poured in to a height that corresponds to the height of the inner cross section of the final shape of the jacket of the power supply 10. The free legs 55a of the U-profile 55 are then bent inwards, as indicated in FIG. 5, and sealed gas and liquid-tight by applying a weld 53.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of the current feeder 10 of the electrode according to FIG. 1.
  • the contact structure consists of two wires 61 which are laid approximately in the direction of the current flow, but in wave form in the interior of the jacket 50.
  • the wires 61 touch the inner surfaces of the jacket 50 at intervals and are welded to it here.
  • One of the wires 61 can be welded with its end facing the connection head 11 to an intermediate plate 12, in order in this way to achieve a direct transmission of the current from the connection head 11 via the intermediate plate 12 to one of the wires 61 of the contact structure formed thereby.
  • F ig. 6 shows a horizontal section through the current distributor 20 of the electrode according to FIG. 1 according to the section line VI-VI. 6 that the current feeder 20 is integrated in the active part 30.
  • the active part 30 can consist, for example, of two plates 31 which extend from the current distributor 20 on both sides and which are designed in the form of a corrugated sheet to increase the surface area and the rigidity.
  • the power distributor 20 itself consists of a jacket 50, which is composed of two U-profiles 56 and 57, the longitudinal flanges 56a and 57a are welded together by welds 53.
  • the two plates 31 of the active part 30 are also welded to the flanges 57a.
  • wires 61 which are laid in a wave-shaped manner in the current flow direction and which represent the contact structure.
  • the cavity is poured out by a corresponding core metal 70.
  • the corrugated wires 61 touch the inner surface of the jacket 50 of the current distributor 20 at intervals and are welded to the jacket 50 at these points, preferably only at one point.
  • Fig. 8 shows in horizontal section a so-called box electrode, in which the active part 30 is formed by two expanded metal sheets 32, which complement each other to form a hollow profile, in the interior of which the current distributor 20 runs.
  • This power distributor has a jacket 50 which, according to FIG. 2, is composed of two U-profiles 51 and 52 and to which the metal sheets 32 are welded.
  • the cavity of the jacket 50 is poured out by a suitable core metal 70.
  • the contact structure consists of pins 62, each one or more dilutions. Have constrictions 62a.
  • FIG. 9 shows an electrode arrangement that is essentially comparable to FIG. 8. However, in the construction according to FIG. 9, the pins 62 which represent the contact structure have thickenings 62b at the end.
  • the active part 30 or the effective surface consists of a corrugated sheet profile 33.
  • a wire 61 in wave form which form the contact structure, is preferably inserted in two adjacent wave troughs.
  • the core metal 70 is also cast into these two wave troughs.
  • This area of the corrugated sheet profile 33 of the active part 30 then forms part of the jacket of the power distributor 20.
  • the jacket is closed by a cover plate 80 covering the two troughs, which is angled according to the wave shape of the corrugated sheet profile 33 and in the area of its A b angled with the Corrugated sheet profile 33 is welded.
  • the corrugated sheet profile 33 has a U-shaped region 33a which is wider than the other shafts and serves as part of the jacket of the current distributor 20.
  • a strip 60 of expanded metal is placed as a contact structure, which is welded to corrugated sheet profile 33 at a plurality of locations.
  • the U-shaped area 33a of the corrugated sheet profile 33 forms, together with a cover plate 81, which is welded to the corrugated sheet profile 33 in a suitable manner, a cavity into which the core metal 70 is cast.
  • FIGS. 13 and 14 show a fundamentally different embodiment of an electrode.
  • the active part 30 of the electrode consists of profiled bars 34 which are spaced apart and parallel to one another.
  • the profile of these bars 34 is arbitrary. In the case shown, these are round bars.
  • the current distributor 20 comprises a tubular jacket 50 with two rows of opposing radial bores through which the profile bars 34 are inserted.
  • the profile bars 34 are mechanically and electrically conductively connected by welds 53 to the tubular jacket 50 of the power distributor 20.
  • a suitable core metal 70 is cast into the tubular jacket 50.
  • the sections 63 of the profile bars 34 which lie within the tubular jacket 50 of the current distributor 20 represent the contact structure. For this purpose, these sections 63 can have a corresponding shape or surface design or a contact coating in order to achieve an intimate shrinking of the core metal 70 onto these sections 63 of the profile bars 34 to achieve.
  • the active part 30 is formed by two opposing corrugated iron profiles 35 and 36, which enclose a cavity.
  • the corrugated sheet profile 36 according to FIG. 16 is composed of U-shaped areas.
  • wires 61 are inserted as a contact structure, which are spaced at intervals with the corrugated sheet profiles 35 and . 36 are welded.
  • the remaining cavity between the two corrugated sheet profiles 35 and 36 is filled with a suitable contact metal 70. This also results in the current-carrying component 20.
  • F ig. 18 shows an electrode in which two current distributors 20 are integrated in the active part 30 in accordance with the training options described above.
  • the active part 30 is brought up to the underside of the power supply line 10 and connected to it. In this case, it is recommended in any case that the contact structure in the interior of the power supply line 10 extends essentially over the entire length of the active part 30.
  • FIGS. 8 and 9 shows a perspective view of an expanded mesh box electrode corresponding to FIGS. 8 and 9 with two current distributors 20 and one stiffening strut 40 at each end.
  • a non-rolled, 30 mm wide expanded iron strip is used on a 985 mm long, 50 mm wide, 15 mm high and 1.5 mm thick U-shaped titanium profile sheet on the inside for a length of 500 mm corresponding to the extension length of the active part
  • Contact structure with a mesh length of 10 mm, a mesh width of 5 mm, a web thickness of 1 mm and a web width of 1 mm fastened by spot welding.
  • the distance between the 10 mm welding spots is 30 mm.
  • the U-shaped titanium profile sheet prepared in this way is overlapped with a second titanium profile sheet of the same dimensions, but without a welded-in titanium expanded metal strip, to form a rectangular profile jacket with a total thickness of 25 mm, and welded together in a gas and liquid-tight manner.
  • One end of the rectangular profile jacket is 3 mm thick welded titanium plate tightly closed.
  • a copper contact head with silver hard solder is then soldered onto this titanium plate.
  • the power supply is now ready to be cast with core metal.
  • Power feeders and power distributors are heated in an oven to approx. 500 ° C in an inert atmosphere. Hot, molten zinc is then poured into its open ends. After filling, void-free solidification and cooling, the filling ends of the coats are freed of excess zinc and cleaned. Now the still open ends of the sheaths are closed by welding titanium plates on.
  • the upper end of the power distributor protruding 160 mm from the corrugated sheet area is welded to the middle of the lower narrow side of the power supply line.
  • the anode construction can be further fixed and stiffened by titanium connections between the current feeder and the upper edge of the corrugated iron (likewise FIG. 1).
  • the anode described is designed for a current of 390 A corresponding to a current density of 350 A / m 'on the anode side. At a current of 390 A occurs in the Anode only has an ohmic voltage drop of approx. 50 mV.
  • the anode construction is stiff and robust. This results from the corrugated sheet structure and the current distributor designed as described.
  • the anode is simple in construction, inexpensive to produce due to the small amount of titanium and the inexpensive power supply and distribution with zinc core and has a very large geometric surface. It weighs 20 kg without a copper contact head, of which only 6 kg is accounted for by the expensive material titanium.
  • the anode-side current density of 350 A / m 2 is reduced to a D A value (anodic current density) of approximately 235 A / m 2 in this anode.
  • This anode has also proven to be very advantageous for the electrolytic extraction of manganese dioxide.
  • the large surface area of the anode according to the invention with the area factor 3 available for the deposition and its extremely low internal voltage drop of approx. 18 mV with an anode-side current density of 120 A / m 2 result in not only the quality improvements in the electrolytic manganese dioxide but also considerable energy savings per ton of product produced .
  • Example 2 On a 985 mm long, 25 mm wide, 60 mm high and 1.5 mm thick U-shaped titanium profile sheet, a rolled, 20 mm wide titanium grating strip with the same grating characteristics as described in Example 1 is described on the inside on the floor for a length of approx. 800 mm fixed by spot welding. The distance between the 10 mm welding spots is 25 mm.
  • the U-shaped titanium profile is welded gas-tight and liquid-tight using a 1.5 mm thick sheet of titanium sheet of suitable dimensions to form a rectangular profile jacket.
  • the front side of the rectangular profile cladding, which is close to the titanium contact structure, is sealed with a 3 mm thick titanium plate of suitable dimensions, which also has a titanium expanded mesh structure on the inside.
  • the copper contact head must be attached to it.
  • the casting of this conductor with zinc and the closing of the pouring opening is carried out as described in Example 1.
  • An 1150 mm long, 565 mm wide and 1 mm thick corrugated titanium sheet serves as the active part for this anode and has the same characteristics as described in Example 1, but provided with two 1150 mm long and 60 mm wide, flat areas arranged in the middle of the two corrugated metal halves. In these flat areas, unwrought titanium expanded metal strips with a contact coating are welded on in the manner already described. Covering 1 mm thick titanium sheet strips, which are welded tightly to the wave crests bordering the flat areas on both sides, create two power distribution jackets integrated in the active part. After casting with zinc and sealing, these result in very functional power distributors.
  • corrugated sheet metal anode coated thereafter which expediently also has some bores which improve the electrolyte circulation, is then sealed to the current supply conductor in the region of the current distributor ends and spot-welded in the other zones.
  • the ohmic voltage drop of this anode loaded with 670 A is only 50 mV.
  • the two power distributors integrated in the active part together with the welded power supply and the wave-shaped active part result in a very stiff, robust and durable construction with a very small amount of titanium of approx.6.5 kg per anode.
  • the total weight of the anode is approximately 23.5 kg.
  • the area factor 3 of the active part brings about a reduction in the cell voltage which reduces the anode-side current density from 600 A / m 2 to a D A (anodic current density) of 400 A / m 2 .
  • coated titanium anode has proven its worth in copper extraction electrolysis with an anode-side current density of 350 A / m 2 and a current load of 590 A / anode.
  • the 1220 mm long titanium current supply jacket and the two 1170 mm long, 60 mm wide and 12 mm thick titanium current distribution jackets required for this anode are designed according to example 1.
  • the jackets of the power supply line and the two power distributors were heated to about 750 ° C. in an oven in an inert atmosphere. 750 ° C hot molten aluminum was then poured into the open ends of the coats. After it solidified and the pouring openings had been cleaned, they were sealed with 3 mm thick titanium plates.
  • the two power distributors were in a 990 mm high, 852 mm wide and 14 mm thick, coated titanium expanded mesh box open at the top and bottom with the mesh characteristics mesh length 31.75 mm, mesh width 12.7 mm, web width 2.46 mm, web thickness 1.0 mm in the middle of the respective box halves, welded to the entire height of the box.
  • the narrow side of the power feeder was welded to the top 180 mm long power distribution ends protruding from the box.
  • the anode construction was additionally fixed and stiffened by titanium connecting strips between the power supply jacket and the upper box corners.
  • the titanium weight of this anode is 6 kg, its total weight is 13.2 kg. Despite this low titanium requirement, the ohmic voltage drop of this anode is only 35 mV.

Abstract

Es handelt sich um eine beschichtete Ventilmetallanode zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden mit einem stromführenden Baute, z.B. einem Stromzuleiter und/oder einem Stromverteiler (20), das aus einem Mantel (50) aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern (70) aus einem elektrisch gut leitendem Metall besteht. Um den inneren Ohm'schen Spannungsabfall bei einer derartigen Elektrode möglichst weitgehend zu verkleinern, ist in das Kernmetall (70) des stromführenden Bauteils (20) eine Kontaktstruktur (60) eingebettet, die aus Ventilmetall besteht und über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche des Mantels (50) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere Anode aus beschichtetem Ventilmetall zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden, mit einem stromführenden Bauteil, z.B. einem Stromzuleiter und/oder einem Stromverteiler, das aus einem Mantel aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern aus elektrisch gut leitendem Metall, der mit dem Mantel in elektrisch leitender Verbindung steht, besteht.
  • Beschichtete Metallanoden dieser Art sollen auf dem Gebiet der elektrolytischen Gewinnung von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, aus das zu gewinnende Metall enthaltende Säurelösungen die ursprünglich hierfür eingesetzten Anoden aus Blei oder Bleilegierungen oder aus Graphit ersetzen. Die arbeitende Fläche dieser beschichteten Metallanoden besteht aus einem tragenden Kern aus einem Ventilmetall, wie z.B.Titan, Zirkonium, Niob oder Tantal, auf den eine Beschichtung aus einem anodisch wirksamen Material, z.B. aus Metallen der Platingruppe oder der Platinmetalloxide, aufgebracht ist. Der wesentliche Vorteil der Metallanoden besteht in der Einsparung elektrischer Energie gegenüber den herkömmlichen Blei- oder Graphitanoden. Die Energieersparnis resultiert aus der bei beschichteten Metallanoden erzielbaren größeren Oberfläche, der hohen Aktivität der Beschichtung und der Formstabilität. Diese Energieersparnis ermöglicht eine beträchtliche Erniedrigung der Anodenspannung. Die beschichteten Metallanoden erbringen eine weitere Betriebseinsparung dadurch, daß die Reinigung und Neutralisation des Elektrolyten erleichtert wird, da die Beschichtung der Anoden durch Cl-, NO3 - oder freies H2S04 nicht zerstört wird. Eine zusätzliche Kostenersparnis ergibt sich dadurch, daß bei der Verwendung von beschichteten Metallanoden der Elektrolyt nicht mit teuren Zusätzen, z.B. Kobalt oder Strontiumcarbonat, versetzt werden muß, wie dies bei der Verwendung von Bleianoden erforderlich ist. Ferner entfällt die bei Bleianoden nicht zu verhindernde Verschmutzung des Elektrolyten und des gewonnenen Metalls durch Blei. Schließlich erlauben die beschichteten Metallanoden eine Erhöhung der Stromdichte und damit der Produktivität.
  • Bei der Auslegung dieser beschichteten Metallanoden hat man sehr unterschiedliche Wege beschritten.
  • Bei einer bekannten Metallanode der zur Rede stehenden Art (DE-OS 24 04 167) wird das wesentliche Auslegungskriterium darin gesehen, daß die der Kathode gegenüberstehende Anodenfläche 1,5 bis 20 mal kleiner ist als die Kathodenoberfläche und die Anode dementsprechend bei einer Stromdichte betrieben wird, die 1,5 bis 20 mal größer ist als die Kathodenstromdichte. Durch diese Maßnahmen soll angeblich auf wirtschaftliche Weise eine relativ reine Metallabscheidung der gewünschten kristallinen Struktur und Reinheit auf den Kathoden erhalten werden. Die Wirtschaftlichkeit der bekannten Anode soll offensichtlich darin bestehen, daß aufgrund der gegenüber der Kathode reduzierten Fläche der Anode der Werkstoffverbrauch für die Erzeugung der Anode erniedrigt und damit teurer Ventilmetall-Werkstoff eingespart wird. Die Kostenreduzierung bei der Herstellung dieser Anode wird allerdings durch nicht unerhebliche Nachteile erkauft. Einer der Nachteile besteht darin, daß der anodische Anteil der Zellenspannung hoch ist, weil die Anode mit einer hohen Stromdichte arbeitet. Dies bedingt als wesentlichen Nachteil einen hohen Energiebedarf für die mit einer derartigen Anode ausgestatteten Zellen. Die große Stromdichte und der verkleinerte Leiterquerschnitt der bekannten Anode aufgrund der verkleinerten wirksamen Fläche und damit des kleinen Materialvolumens bedingen einen großen inneren Ohm'schen Spannungsabfall mit der Folge einer weiteren Erhöhung der notwendigen elektrischen Energie. Um den Nachteil des großen inneren Ohm'schen Spannungsabfalls zu beheben, bestehen die in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Profilstäbe, welche die wirksame Fläche bilden, aus einem Mantel aus Titan, der mit einem Kern aus Kupfer versehen ist. Einen vergleichbaren Aufbau weisen auch die Stromzuleitungs- und -verteilungsschienen auf. Diese sind kompliziert geführt, um die Stromwege in der kleinen wirksamen Fläche der Anode weitgehend zu verkürzen. Der komplizierte Aufbau der die wirksame Fläche bildenden Profilstäbe sowie die erforderlich langen Stromzuleitungs- und -verteilungsschienen verteuern die bekannte Konstruktion erheblich.
  • Bei einer weiteren bekannten beschichteten Metallanode (DE-OS 30 05 795) ist man zur Vermiedung der prinzipiellen Nachteile der vorstehend geschilderten beschichteten .Metallanode einen völlig anderen Weg gegangen, der darin besteht, daß die wirksame Fläche dieser Anode dadurch sehr groß ausgebildet ist, daß die in einer Ebene im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäbe, welche die wirksame Fläche bilden, der Beziehung genügt, wonach die Gesamtoberfläche der Stäbe FA und die von der Gesamtanordnung der Stäbe eingenommene Fläche Fp der Beziehung 6 > FA : Fp > 2 genügt. Diese vorzugsweise aus Reintitan hergestellte Anodenkonstruktion weist außer der Haupt-Stromzuleitungsschiene aus Kupfer keine weiteren Stromzuleiter und -verteiler auf. Der Stromtransport in vertikaler Richtung wird mithin allein durch die Stäbe aus Ventilmetall vorgenommen. Insgesamt hat sich diese Anode aufgrund der groß ausgebildeten wirksamen Fläche bei vielen elektrolytischen Metallgewinnungsverfahren bestens bewährt.
  • Der den steigenden Kilowattstundenpreisen anzupassende, d.h. zu erniedrigende innere Ohm'sche Spannungsabfall der Titananoden erfordert inzwischen den Einsatz großer, Leiterquerschnitte für die stromführenden Bauteile aus diesem kostspieligen Metall. Bei Ausbildung der aktiven Fläche aus in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Titanstäben müssen diese mit entsprechend großem Querschnitt ausgelegt werden, um mit dem bei den dicken, massiven Bleianoden auftretenden inneren Ohm'schen Spannungsabfall Schritt halten zu können, was wiederum die technischen und kostenmäßigen Vorteile der Ventil-Metallanoden schmälert.
  • Bei den schon erwähnten Stromleitungs- und -verteilungsschienen, bestehend aus einem Kern aus Kupfer und einem diesen Kupferkern umgebenden Mantel aus Titan, wird angestrebt, einen "metallurgischen Verbund" zwischen dem Metall des Kerns und dem Metall des Mantels zu erreichen. Die Verringerung des inneren Spannungsabfalls, die durch die Ausbildung des Kerns aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit erreicht werden soll, wird aber nur dann tatsächlich erzielt, wenn der Stromübergang zum beschichteten Aktivteil durch einen großflächigen, einwandfreien metallurgischen Verbund zwischen dem Werkstoff des Mantels und dem Werkstoff des Kupfers gewährleistet ist. Diese Voraussetzung wird aber allenfalls bei einer ' sehr kostspieligen Herstellung einigermaßen erreicht. Trotzdem haben sich diese Stromzuleiter für Anoden bei der Chloralkalianalyse nach dem Diaphragma-Verfahren bewährt. Die Temperaturempfindlichkeit des metallurgischen Verbunds zwischen Kupfer und Titan setzt aber voraus, daß im Fall der Wiederbeschichtung dieser DIA-Anoden der titanummantelte Kupferstab von dem zu beschichtenden Aktivteil abgetrennt wird.
  • Im Zusammenhang mit einer Anode für die Chloralkalielektrolyse (GB-PS 1 267 985) sind auch Stromzuleiter und Stromverteiler bekannt geworden, bei denen der Mantel aus Titan mit einem Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgefüllt ist. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metall des Kerns und dem Metall des Mantels soll durch eine Diffusionsschicht aus einer Legierung erreicht werden, die zwischen dem Kernmetall und dem dieses umgebenden Mantelmetall erzeugt wird. Obwohl auf ein exaktes Ausgießen des Mantels.aus Titan mit dem Kernmetall im flüssigen Zustand großen Wert gelegt wird, ist nicht auszuschließen, daß das Kernmetall bei dessen Erstarren soweit schrumpft, daß entweder keine Diffusionsschicht zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall erzeugt wird oder eine schon entstandene Diffusionsschicht wieder reißt, jeweils mit der Folge, daß zumindestens bereichsweise Spalte zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall entstehen. Dies führt natürlich zu einem hohen Spannungsabfall beim übergang des Stroms von dem Kernmetall auf das Mantelmetall.
  • Diese Problematik hat man schon lange bei stromführenden Bauteilen, wie Stromzuleiter und Stromverteiler, bei Graphitanoden erkannt.
  • So ist eine Graphitelektrode mit metallischer Stromzuführung für die Chloralkalielektrolyse bekannt geworden (DE-OS 15 71 735), bei der der Stromübergang Metall-Graphit durch Quecksilber bzw. ein bei Außentemperatur flüssiges Amalgam vermittelt wird. Dadurch soll ein guter elektrischer Kontakt zwischen Metall und Graphit gewährleistet sein, da Schrumpfungsrisse nicht auftreten. Diese Entwicklung hat man auch bei Metallelektroden weiterverfolgt. Bei einer bekannten Metallelektrode für Elektro- lyseapparate zum elektrolytischen Herstellen von Chlor (DE-OS 27 21 958) bestehen nämlich mindestens die Primärleiterschienen aus Rohren, in deren Innenräume Metallstäbe angeordnet sind, die in einem unter Betriebstemperatur vorwiegend flüssigen, stromleitenden Material eingebettet sind. Dieses unter Betriebstemperatur vorwiegend flüssige, stromleitende Material kann aus niedrig schmelzenden Metallen oder Legierungen, wie Wood's Metall, Roses Metall oder Lipowitz Metall, Natrium, Kalium oder deren Legierungen oder einem anderen stromleitenden Material, wie Metalloxiden oder Graphit, welches mit Metallegierungen getränkt sein kann, bestehen.
  • Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die elektrische Leitfähigkeit dieser Werkstoffe relativ gering ist und bei niedrigen Betriebstemperaturen der Metallgewinnungsverfahren zumindest manche dieser Werkstoffe sich nicht im flüssigen Zustand befinden. Darüber hinausverkrusten-die-Kontaktmetalle bei dem für die Elektroden üblichen Langzeiteinsatz.
  • Diese Entwicklung macht aber immerhin deutlich, daß es ein erhebliches Problem darstellt, eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall von stromführenden Bauteilen herbeizuführen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine Elektrode mit stromführenden Bauteilen zu schaffen, die einen möglichst kleinen inneren Spannungsabfall im Langzeitbetrieb ergeben, die sich darüber hinaus kostengünstig und wirtschaftlich herstellen lassen, durch eine hohe Betriebssicherheit auszeichnen und gut in die Aktivteile der beschichteten Ventilmetallanoden einfügen, so daß sich möglichst 'flachbauende Metallanoden ergeben.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der vorausgesetzten Art mit einem stromführenden Bauteil, das aus einem Mantel aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern aus elektrisch gut leitendem Metall besteht, dadurch gelöst, daß in das Kernmetall des stromführenden Bauteils eine Kontaktstruktur eingebettet ist, die aus Ventilmetall besteht und über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche des Mantels verbunden ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrode, insbesondere deren stromführendes Bauteil dahingehend, daß die zur Rede stehende Kontaktstruktur einerseits in das Kernmetall eingebettet und andererseits über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche des Mantels verbunden ist, ergibt sich eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall mit. der Folge eines geringen Spannungsabfalls auch bei hohen Spannungen und großen Stromstärken. Der erzielte innige.Kontakt zwischen der Kontaktstruktur und dem Kernmetall bleibt über eine lange Betriebszeit auch bei großen Temperaturdifferenzen erhalten. Darüber hinaus verbessert die Kontaktstruktur die mechanische Festigkeit des entsprechend ausgebildeten stromführenden Bauteils und damit der Metallelektrode insgesamt. Die erfindungsgemäße Elektrode ist kostengünstig und wirtschaftlich herstellbar, weil die bei den bekannten Anordnungen gegebenen Schwierigkeiten der metallurgischen Verbindung des Kernmetalls mit dem Mantelmetall bzw. das Einbringen einer geeigneten Zwischenschicht, z.B. aus einem bei Betriebstemperaturen flüssigen Werkstoff, entfallen. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode kann nämlich das Kernmetall im flüssigen Zustand einfach in den Innenraum des Mantels eingegossen werden. Aufgrund der entsprechenden Ausbildung der Kontaktstruktur umströmt das Kernmetall innig die Kontaktstruktur und schrumpft auf dieses mit Vorspannung auf. Dadurch ergibt sich der gewünschte innige Kontakt zwischen dem Kernmetall und der Kontaktstruktur. Diese wiederum ist elektrisch gut leitend mit der Innenfläche des Mantels verschweißt.
  • Als Mantel für die stromführenden Bauteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind Dreieck-, Rechteck-, Trapezsowie andere Vieleck-Profile, Wellblechbox-Profile, Rohre oder dergleichen geeignet. Die Wandstärke des Mantels der erfindungsgemäßen stromführenden Bauteile bewegt sich zweckmäßigerweise zwischen 0,5 mm und einigen Millimetern. Der Mantel besteht aus einem der schon angesprochenen Ventilmetalle. Falls der Mantel der erfindungsgemäßen stromführenden Bauteileaus zwei oder mehreren Profilteilen . zusammengesetzt ist und diese Profilteile miteinander verschweißt sind, müssen die Schweißnähte gas- und flüssigkeitsdicht sein.
  • Die bei den erfindungsgemäßen stromführenden Bauteilen vorgesehene Kontaktstruktur kann ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen orientierten Oberflächen sein, das von dem Kernmetall aus mehreren Richtungen her umgeben ist. Ein derartiges räumliches Gebilde wird beim Eingießen des flüssigen Kernmetalls von diesem von mehreren Richtungen her umflossen bzw. umgeben, so daß beim Erstarrungsprozeß das Kernmetall auf das räumliche Gebilde von mehreren Seiten innig aufschrumpft.
  • Auf diese Weise ist ein großflächiger und einwandfreier Verbund zwischen dem Kernmetall und der Kontaktstruktur gewährleistet. Die Problematik eines metallurgischen Verbunds zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall ist danach völlig umgangen.
  • Die Kontaktstruktur weist bei großer Oberfläche ein kleines Volumen auf, gemessen am Volumen des Kernmetalls.
  • Als Kontaktstruktur bzw. räumliches Gebilde kommen Streifen aus Streckmetall,.Drahtnetz, Lochblech oder dergleichen in Frage. Mindestens ein Streifen wird im Inneren des Mantels des stromführenden Bauteils im wesentlichen parallel zur Stromfließrichtung verlegt und mit der Innenfläche des Mantels mit einer Mehrzahl von Schweißpunkten verschweißt. Dabei ist es möglich, den Streifen geradlinig oder gewellt verlaufen zu lassen. Im letzteren Fall ergibt sich eine besonders vielfältige Orientierung der Oberflächen des Streifens mit der Folge einer besonders .innigen Einbindung der Kontaktstruktur in das Kernmetall.
  • Die Kontaktstruktur kann aber auch aus mindestens einem Draht gebildet sein, der im wesentlichen in Stromfließrichtung im Bauteil gewellt verlegt ist und bevorzugt an einer Seite mehrfach mit der Innenfläche des Mantels verschweißt ist. Durch diese Anordnungsart bildet auch ein Draht ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen orientierter Oberfläche bzw. orientierten Oberflächenanteilen, das von dem Kernmetall beim Eingießen von mehreren Seiten her umflossen werden kann, so daß das Kernmetall auf diese Kontaktstruktur innig und fest aufschrumpfen kann. Anstelle eines Drahtes können auch Drahtabschnitte in Form von Drahtschlaufen verwendet werden, die mit der Innenfläche des Mantels verschweißt sind.
  • Der gleiche Effekt ergibt sich dann, wenn die Kontaktstruktur aus einer Mehrzahl von Körpern, wie Bolzen mit Verdickungen und/oder Verdünnungen, dargestellt ist. Die Bolzen können senkrecht zur Stromfließrichtung im Bauteil verlaufen, aber auch jeden anderen Winkel zu dieser und zueinander einnehmen. Entscheidend ist lediglich, daß diese Körper ein ausreichendes Volumen bzw. einen ausreichenden Querschnitt besitzen, um eine elektrisch gut leitende Verbindung mit möglichst geringem Spannungsabfall zu dem Kernmetall einerseits und zu dem Mantelmetall andererseits herzustellen, so daß selbst hohe Ströme mit niedrigem Spannungsabfall von dem Kernmetall auf das Mantelmetall und weiter auf die aktive Fläche der Metallanode übertragen werden können. Die Anzahl und der Querschnitt der Schweißpunkte zwischen Kontaktstruktur und Mantel werden bestimmt anhand eines vorgegebenen, zulässigen Spannungsabfalls.
  • Zur weiteren Erniedrigung des elektrischen Ubergangswiderstandes zwischen dem Kernmetall und der Kontaktstruktur kann letztere mit einer geeigneten Kontaktbeschichtung versehen sein. Diese bietet sich an bei einer relativ kleinflächigen Kontaktstruktur oder bei elektrisch besonders hochbelasteten stromführenden Bauteilen. Als Kontaktbeschichtung kommen die in der Elektrotechnik üblicherweise hierzu verwendeten Werkstoffe infrage, soweit diese mit dem jeweiligen Metall des Kerns verträglich sind. Als Werkstoffe können edle Metalle bzw. der Oxide und/oder unedle Metalle und deren elektrisch leitenden unterstöchiometrischen bzw. dotierten Oxide verwendet werden.
  • Als Vergußmetall zur Herstellung des Kerns eines stromführenden Bauteils einer erfindungsgemäßen Elektrode eignen sich Metalle mit einem Schmelzpunkt, der um mindestens 500°C niedriger liegt als der des Metalls des Mantels des stromführenden Bauteils. Das Kernmetall soll darüber hinaus eine wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit besitzen als das Ventilmetall des Mantels, z.B. Titan. Unter Berücksichtigung dieser Forderungen kommen z.B. als Kernmetalle Zink, Aluminium, Magnesium, Zinn, Antimon, Blei, Kalzium, Kupfer oder Silber und entsprechende Legierungen hiervon infrage. Selbstverständlich muß die Auswahl des Metalls für den Kern auch den speziellen Erfordernissen des jeweiligen Metallgewinnungsverfahrens Rechnung tragen. So hat sich beispielsweise bei der Zinkgewinnungselektrolyse als Kernmetall für ein stromführendes Bauteil einer erfindungsgemäßen Elektrode metallisches Zink mit seinem niedrigen.Schmelzpunkt von 420°C und seiner guten spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von 156 x 103
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     ausgezeichnet bewährt. Im Kurzschlußfall hat metallisches Zink noch den Vorteil, daß seine Korrosionsprodukte weder die Wasserstoffüberspannung der Kathode noch die Reinheit des abgeschiedenen Kathodenzinks beeinflussen.
  • Auch zur Gewinnung von Kupfer mittels der erfindungsgemäßen Elektroden erweist sich Zink als Kernmetall für die stromführenden Bauteile geeignet. Es kommen hierfür allerdings auch Aluminium, Magnesium oder Blei sowie die entsprechenden Legierungen infrage.
  • Dem Lösungsvorschlag, daß das Metall des Kerns eines stromführenden Bauteils einer erfindungsgemäßen Elektrode entsprechend den speziellen Erfordernissen des jeweiligen Metallgewinnungsverfahrens ausgewählt werden sollte, tragen die bekannten Elektroden noch nicht Rechnung. Die Verbindung von titanummanteltem Kupfer als Aktivteil bzw. Stromzuleiter und -verteiler, wie dies bei den bekannten Lösungen der Fall ist, ist bei den meisten Metallgewinnungsverfahren nämlich nicht tragbar, da während der Elektrolyse infolge Dendritenbildung des kathodisch abgeschiedenen Metalls manchmal Kurzschlüsse auftreten, die den Titanmantel zerstören können. Bekanntlich löst sich das durch Kurzschluß freigelegte Kupfer und Legierungs-Kontaktmetall anodisch auf. Die sich dabei bildenden Metallionen werden an der Kathode niedergeschlagen, verunreinigen das Kathodenprodukt und haben darüber hinaus Einfluß auf die Wasserstoffüberspannung und somit auf die Stromausbeute des Metallgewinnungsprozesses. Dies ergibt ein unverkäufliches, weil verunreinigtes Kathodenmetall, das zudem infolge verringerter Stromausbeute mit hohem Kostenaufwand erzeugt wird. Dabei sollte nicht unerwähnt bleiben, daß ein einziger Kurzschluß z.B. bei der elektrolytischen Zinkgewinnung, eine Vielzahl von Kathoden negativ beeinflussen kann. Titanplattiertes Kupfer mit metallurgischem Verbund erscheint selbst bei der elektrolytischen Kupfergewinnung wegen der hohen Kurzschlußrate und der hohen Stabpreise als wirtschaftlich ungeeignet.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das als Stromverteiler dienende Bauteil dadurch in die aktive Fläche der Elektrode integriert ist, daß der Mantel zumindest teilweise durch ein die aktive Fläche der Elektrode darstellendes Elektrodenblech gebildet ist und eine Kontaktstruktur in einem derartig ausgebildeten stromführenden Bauteil angeordnet ist.
  • Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß sich eine besonders kompaktbauende Elektrode ergibt, die sich insbesondere durch eine kleine Dicke auszeichnet. Dadurch läßt sich nicht nur eine besonders raumsparende Zelle konstruieren, sondern es gestaltet sich das Einführen und Wiederherausnehmen der Elektroden in bzw. aus einer derartigen Zelle besonders problemlos.
  • Zwar ist bereits eine Elektrode zur Metallgewinnung bekannt (US-PS 4 260 470), bei der die aktive Fläche durch vertikal angeordnete Platten gebildet ist, die zueinander überlappend angeordnet sind, wobei in den überlappungsbereichen jeweils ein parallel zur Plattenerstreckung verlaufender Hohlraum, z.B. durch U-förmiges Aufbiegen eines überlappenden Bereichs einer Platte, ausgebildet ist. In diese Hohlräume ist ein Metall eingegossen.
  • Darüber hinaus sind in das gegossene Metall stromführende Stäbe eingebettet, die mit einer horizontal verlaufenden Stromführungsschiene verbunden sind. Das Vergußmetall dient hier in erster Linie als Versteifung der aus planen Platten bestehenden wirksamen Fläche der Elektrode. Erst in zweiter Linie dient das Vergußmetall der elektrischen Verbindung der darin eingebetteten Stäbe mit der wirksamen Fläche der Elektrode. Diese Stäbe sind nicht mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Kontaktstruktur vergleichbar, weil sie nicht ein räumliches Gebilde mit in verschiedenen Richtungen orientierten Oberflächenanteilen darstellen, auf das das Vergußmeta-11 aufgeschrumpft ist. Dementsprechend sind auch die stromführenden Stäbe nicht wie die erfindungsgemäße Kontaktstruktur mit dem Mantel des stromführenden Bauteils bzw. dem entsprechenden Bereich der Elektrodenplatte selbst unmittelbar durch Verschweißung verbunden.
  • Schließlich sind die Probleme gegeben, die im Zusammenhang mit dem Schrumpfen von Vergußmetall erläutert worden sind.
  • Bei der erfindungsgemäßen integrierten Elektrode empfiehlt es sich, daß die Kontaktstruktur mit dem den Mantel zumindest teilweise bildenden Bereich des Elektrodenblechs verschweißt ist, da sich hierdurch eine direkte Uberleitung des Stroms vom Kernmetall des stromführenden Bauteils auf die wirksame Elektrodenfläche ergibt.
  • Zur Ausbildung eines mit dem Kernmetall auszufüllenden Hohlraums für das erfindungsgemäße, in die aktive Fläche integrierte stromführende Bauteil ist es zweckmäßig, daß zumindestens der den Mantel teilweise bildende Bereich der Elektrodenplatte U-förmig oder wellenförmig ausgebildet ist und dieser Bereich durch eine Abdeckplatte zu dem geschlossenen Mantel ergänzt ist. Der dadurch ausgebildete Hohlraum innerhalb des Mantels kann in schon beschriebener Weise mit einem geeigneten Kernmetall ausgegossen werden, das sich mit der Kontaktstruktur innig verbindet.
  • Die angesprochene Abdeckplatte, die eine beliebige Form aufweisen kann, ist zweckmäßigerweise mit der Elektrodenplatte gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die wirksame Fläche der Elektrode durch eine Mehrzahl von in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Profilstäbe gebildet ist-und die Kontaktstruktur durch Abschnitte der Profilstäbe gebildet ist, die durch den Kern des stromführenden Bauteils hindurchgeführt ist.
  • Auch diese Ausführungsform unterscheidet sich von der bekannten Elektrode nach der US-PS 4 260 470 dadurch,,daß bei der erfindungsgemäßen Lösung die Abschnitte der Pro- filstäbe, die durch das stromführende Bauteil bzw. dessen Kern hindurchgeführt sind, mit dem Mantel des stromführenden Bauteils verschweißt sind. Auf diese Weise ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Lösung eine unmittelbare Verbindung der als Kontaktstruktur dienenden Abschnitte der Profilstäbe mit der wirksamen Elektrodenfläche mit dem Ergebnis einer guten Überleitung des Stroms. Darüber hin-. aus können die Abschnitte der Profilstäbe, die als Kon- taktstruktur wirken, bezüglich ihrer Oberfläche bzw. ihrer Form so ausgebildet sein, daß diese den Anforderungen genügen, die an die erfindungsgemäße Kontaktstruktur gestellt sind. Sie können schließlich eine Rontaktbeschichtung aufweisen.
  • Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Elektrode ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:
    • Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrode,
    • Fig. 2 einen Schnitt durch den Stromzuleiter der Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie II-II,
    • Fig. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Stromzuleiters,
    • Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Stromzuleiter der Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie IV-IV,
    • Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Stromzuleiters,
    • Fig. 6 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche der Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie VI-VI mit separatem Stromverteiler,
    • Fig. 7 einen Schnitt durch den Stromverteiler der Elektrode nach Fig. 6 gemäß der Schnittlinie VII-VII,
    • Fig. 8 einen horizontalen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode,
    • Fig. 9 ebenfalls einen horizontalen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode,
    • Fig. 10 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode, bei der ein Stromverteiler in das Aktivteil integriert ist,
    • Fig. 11 einen Schnitt durch die Elektrode nach Fig. 10 gemäß der Schnittlinie IX-IX,
    • Fig. 12 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfin-. dungsgemäßen Elektrode, bei der ebenfalls ein Stromverteiler in das Aktivteil integriert ist,
    • Fig. 13 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode,
    • Fig'. 14 eine Ansicht der Elektrode gemäß der Fig. 13 nach der Linie XIV-XIV,
    • Fig. 15 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode,
    • Fig. 16 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode,
    • Fig. 17 einen Schnitt durch die Elektrode nach
    • Fig. 16 gemäß der Schnittlinie-XVII-XVII,
    • Fig. 18 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektrode, und
    • Fig. 19 ebenfalls eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektrode.
  • Aus Fig. 1 ergibt sich der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen beschichteten Metallanode. Danach besteht diese Elektrode aus einem horizontal verlaufenden Stromzuleiter, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. An der Unterseite dieses Stromzuleiters ist etwa mittig ein vertikal laufender Stromverteiler 20 angeschlossen. Dieser Stromverteiler 20 ist mit dem insgesamt mit 30 bezeichneten Aktivteil, d.h. der aktiven Fläche, der Elektrode verbunden. Zur Versteifung insbesondere-der vertikalen Randbereiche des Aktivteils 30 sind diese über Versteifungsstreben 40 mit dem Stromzuleiter 10 verbunden.
  • Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch den Stromzuleiter 10 nach Fig. 1. Danach besteht der Stromzuleiter 10 aus einem insgesamt mit 50 bezeichneten Mantel, der aus zwei U-Profilen 51 und 52 zusammengesetzt ist, die sich mit ihren freien Schenkeln teilweise überlappen und in diesen Bereichen durch Schweißnähte 53 miteinander verbunden sind. Der Mantel 50 besteht aus einem Ventilmetall, vorzugsweise Titan. An zwei gegenüberliegenden Innenflächen des Mantels 50 ist jeweils ein Streifen 60 aus einem Streckmetall aus demselben Ventilmetall wie der Mantel, nämlich Titan, über eine Vielzahl von Schweißpunkten 61 angeschweißt. Dadurch ergibt sich sowohl eine feste mechanische Verbindung als auch eine gut elektrisch leitende Verbindung zwischen dem jeweiligen Streifen 60 aus Streckmetall und dem Mantel 50. In den Hohlraum des Mantels ist ein Kern 70 aus einem geeigneten, elektrisch gut leitenden Nicht-Ventilmetall eingegossen. Beim Eingießen des Kernmetalls 70 umfließt dieses die Streifen 60 aus Streckmetall von allen Seiten und schrumpft beim Erstarren innig auf die Oberfläche der Streifen 60 aus Streckmetall auf. Dadurch ergibt sich auch eine-innige mechanische und elektrisch gut leitende Verbindung zwischen dem Kernmetall 70 und den Strei- fen 60 aus Streckmetall. Die Streifen 60 aus Streckmetall stellen deshalb die erfindungsgemäß gewünschten Kontaktstrukturen dar.
  • Die Streifen 60 aus Streckmetall verlaufen parallel zum Stromverlauf im Stromzuleiter 10, und zwar von einem Anschlußkopf 11 des Stromzuleiters 10 bis mindestens zu der Stelle, an der der Stromverteiler 20 abzweigt. Falls es gewünscht wird, daß ein Teil des Stroms auch über den in Fig. 1 rechts liegenden Versteifungsstreifen 40 verlaufen soll, empfiehlt es sich, die Streifen 60 aus Streckmetall bis etwa in den Bereich der Abzweigungsstelle dieses Verstärkungsstreifens 40 verlaufen zu lassen.
  • Aus Fig. 3 ergibt sich im Querschnitt eine etwas abgewandelte Ausführungsform des Stromzuleiters 10 der Elektrode nach Fig. 1. In diesem Fall besteht nämlich der Mantel 50 des Stromzuleiters 10 aus einem U-förmigen Profil 51a und einem planen Abschlußstreifen 54. Die beiden Teile 53 und 54 des Mantels 50 sind an ihren Stoßstellen durch Schweißnähte 53 miteinander verbunden. An der unteren Innenfläche des Mantels 50 ist ein Streifen 60 aus Streckmetall angeordnet, der die Kontaktstruktur darstellt und zu diesem Zweck von dem Kernmetall 70 umgossen und mit der Innenfläche des Mantels 50 verschweißt ist.
  • Fig. 5 stellt einen Stromzuleiter 10 mit einem einteiligen Mantel 50 dar. Zum Zwecke der Herstellung dieser Ausführungsform geht man von einem U-Profil 55 aus, auf dessen unterer Innenfläche ein Streifen 60 aus Streckmetall verschweißt wird. Danach wird das Kernmetall 70 bis zu einer Höhe eingegossen, der der Höhe des inneren Querschnitts der endgültigen Form des Mantels des Stromzuleiters 10 entspricht. Die freien Schenkel 55a des U-Profils 55 werden danach nach innen gebogen, wie in der Fig. 5 angedeutet, und durch Aufbringen einer Schweißnaht 53 gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen.
  • Die Fig. 4 zeigt im Längsschnitt den Stromzuleiter 10 der Elektrode nach Fig. 1. Jedoch ist in diesem Fall eine etwas anders aufgebaute Kontaktstruktur vorgesehen. Die Kontaktstruktur besteht nämlich aus zwei Drähten 61, die in etwa in Stromverlaufsrichtung, jedoch in Wellenform im Inneren des Mantels 50 verlegt sind. Die Drähte 61 berühren in Abständen die Innenflächen des Mantels 50 und sind hier mit diesem verschweißt. Einer der Drähte 61 kann mit seinem dem Anschlußkopf 11 zugewandten Ende mit einer Zwischenplatte 12 verschweißt sein, um auf diese Weise eine direkte übertragung des Stroms vom Anschlußkopf 11 über die Zwischenplatte 12 auf einen der Drähte 61 der dadurch gebildeten Kontaktstruktur zu erreichen.
  • Fig. 6 zeigt einen horizontalen Schnitt durch den Stromverteiler 20 der Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie VI-VI. Aus der Fig. 6 ergibt sich, daß der Stromzuleiter 20 in das Aktivteil 30 integriert ist. Das Aktivteil 30 kann z.B. aus zwei beidseitig von dem Stromverteiler 20 sich erstreckenden Platten 31 bestehen, die zur Vergrößerung der Oberfläche und der Steifigkeit in Form eines Wellblechs ausgebildet sind. Der Stromverteiler 20 selbst besteht aus einem Mantel 50, der zusammengesetzt ist aus zwei U-Profilen 56 und 57, die Längsflansche 56a und 57a miteinander durch Schweißnähte 53 verschweißt sind. Mit den Flanschen 57a sind auch die beiden Platten 31 des Aktivteils 30 verschweißt.
  • In dem durch den Mantel 50 gebildeten Hohlraum sind in Stromverlaufsrichtung wellenförmig verlegte Drähte 61 angeordnet, die die Kontaktstruktur darstellen. Der Hohlraum ist durch ein entsprechendes Kernmetall 70 ausgegossen.
  • Wie sich aus Fig. 7 ergibt, berühren die wellenförmig verlegten Drähte 61 in Abständen die Innenfläche des Mantels 50 des Stromverteilers 20 und sind an diesen Stellen, bevorzugt nur an einer Stelle, mit dem Mantel 50 verschweißt.
  • Fig. 8 zeigt im horizontalen Schnitt eine sogenannte Box-Elektrode, bei der der Aktivteil 30 durch zwei Streckgitter-Bleche 32 gebildet ist, die sich zu einem Hohlprofil ergänzen, in dessen Innerem der Stromverteiler 20 verläuft. Dieser Stromverteiler weist einen Mantel 50 auf, der entsprechend der Fig. 2 aus zwei U-Profilen 51 und 52 zusammengesetzt ist und an den die Bleche 32 angeschweißt sind. Der Hohlraum des Mantels 50 ist durch ein geeignetes Kernmetall 70 ausgegossen. Die Kontaktstruktur besteht aus Zapfen 62, die jeweils eine oder mehrere Verdünnungen.bzw. Einschnürungen 62a aufweisen.
  • Die Fig. 9 zeigt eine im wesentlichen der Fig. 8 vergleichbare Elektrodenanordnung. Allerdings weisen bei der Konstruktion nach Fig. 9 die die Kontaktstruktur darstellenden Zapfen 62 endseitige Verdickungen 62b auf.
  • Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Elektrode mit in das Aktivteil integriertem Stromverteiler. Bei dieser Elektrode besteht das Aktivteil 30 bzw. die wirksame Fläche aus einem Wellblechprofil 33. Zur Ausbildung des Stromverteilers 20 sind in zwei benachbarte Wellentäler vorzugsweise je ein Draht.61 in Wellenform eingelegt, die die Kontaktstruktur bilden. In diese beiden Wellentäler ist zudem das Kernmetall 70 eingegossen. Dieser Bereich des Wellblechprofils 33 des Aktivteils 30 bildet danach einen Teil des Mantels des Stromverteilers 20. Geschlossen wird der Mantel durch eine die beiden Wellentäler abdeckende Abdeckplatte 80, die entsprechend der Wellenform des Wellblechprofils 33 abgewinkelt ist und im Bereich ihrer Ab-winkelungen mit dem Wellblechprofil 33 verschweißt ist.
  • Eine ähnliche Ausbildung eines Aktivteils 30 mit integriertem Stromverteiler 20 ergibt sich aus der Fig. 12. In diesem Fall weist das Wellblechprofil 33 einen breiter als die übrigen Wellen gestalteten U-förmigen Bereich 33a auf, der als Teil des Mantels des Stromverteilers 20 dient. Auf der Innenfläche des Bereichs 33a des Wellblechprofils 33 ist als Kontaktstruktur ein Streifen 60 aus Streckmetall aufgelegt, der mit dem Wellblechprofil 33 an einer Mehrzahl von Stellen verschweißt ist. Der U-förmige Bereich 33a des Wellblechprofils 33 bildet gemeinsam mit einer Abdeckplatte 81, die mit dem Wellblechprofil 33 in geeigneter Weise verschweißt ist, einen Hohlraum, in den das Kernmetall 70 eingegossen ist.
  • Eine prinzipiell andere Ausführungsform einer Elektrode zeigen die Fig. 13 und 14. Danach besteht das Aktivteil 30 der Elektrode aus in einer Ebene im Abstand und zueinander parallel angeordneten Profilstäbe 34. Das Profil dieser Stäbe 34 ist beliebig. Im dargestellten Fall handelt es sich um Rundstäbe. Der Stromverteiler 20 umfaßt einen rohrförmigen Mantel 50 mit zwei Reihen von einander gegenüberliegenden Radialbohrungen, durch die die Profilstäbe 34 hindurchgesteckt sind. Die Profilstäbe 34 sind durch Schweißnähte 53 mit dem rohrförmigen Mantel 50 des Stromverteilers 20 mechanisch und elektrisch leitend verbunden. In den rohrförmigen Mantel 50 ist ein geeignetes Kernmetall 70 eingegossen. Die innerhalb des rohrförmigen Mantels 50 des Stromverteilers 20 liegenden Abschnitte 63 der Profilstäbe 34 stellen die Kontaktstruktur dar. Hierzu können diese Abschnitte 63 eine entsprechende Form oder Oberflächengestaltung oder eine Kontaktbeschichtung aufweisen, um das Ziel eines innigen Aufschrumpfens des Kernmetalls 70 auf diese Abschnitte 63 der Profilstäbe 34 zu erreichen.
  • Die Fig. 15 bis 17 zeigen eine weitere prinzipielle Ausführungsform einer einschlägigen Metallelektrode. Bei dieser ist das Aktivteil 30 durch zwei gegenüberliegende Wellblechprofile 35 bzw. 36 gebildet, die einen Hohlraum -einschließen. Während das Wellblechprofil 35 gemäß Fig.15 eine Zick-Zack-Form aufweist, setzt sich das Wellblechprofil 36 nach Fig. 16 aus U-förmigen Bereichen zusammen. In den Hohlraum zwischen den zwei Wellblechprofilen 35 bzw. 36 sind als Kontaktstruktur Drähte 61 eingelegt, die in Abständen mit den Wellblechprofilen 35 bzw. 36 verschweißt sind. Der übrigbleibende Hohlraum zwischen den zwei Wellblechprofilen 35 bzw. 36 ist mit geeignetem Kontaktmetall 70 ausgegossen. Dadurch ergibt sich zugleich das stromführende Bauteil 20.
  • Fig. 18 zeigt eine Elektrode, bei der zwei Stromverteiler 20 in das Aktivteil 30 entsprechend den vorher geschilderten Ausbildungsmöglichkeiten integriert sind. Das Aktivteil 30 ist bis an die Unterseite des Stromzuleiters 10 herangeführt und mit dieser verbunden. In diesem Fall empfiehlt es sich auf alle Fälle, daß die Kontaktstruktur im Inneren des Stromzuleiters 10 im wesentlichen über die gesamte Länge des Aktivteils 30 verläuft.
  • Fig. 19 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Streckgitter-Box-Elektrode entsprechend den Fig. 8 und 9 mit zwei Stromverteilern 20 und jeweils einer endseitigen Versteifungsstrebe 40.
  • Art und Herstellung der erfindungsgemäßen Elektroden werden noch anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Zur Herstellung eines Stromzuleiters wird auf einem 985 mm langen, 50 mm breiten, 15 mm hohen und 1,5 mm dicken U-förmigen Titanprofilblech innenseitig auf einer Länge von 500 mm entsprechend der Erstreckungslänge des Aktivteils ein ungewalzter, 30 mm breiter Titan-Streckgitterstreifen als Kontaktstruktur mit einer Maschenlänge von 10 mm, einer Maschenbreite von 5 mm, einer Stegdicke von 1 mm und einer Stegbreite von 1 mm durch Punktschweißen befestigt. Der Abstand der 10 mm großen Schweißpunkte beträgt 30 mm. Das so vorbereitete U-förmige Titanprofilblech wird mit einem zweiten Titanprofilblech der gleichen Abmessung, jedoch ohne eingeschweißtem Titan-Streckgitterstreifen, zu einem Rechteckprofilmantel der Gesamtdicke 25 mm überlappt und gas- und flüssigkeitsdicht zusammengeschweißt. Die eine Stirnseite des Rechteckprofilmantels wird mittels einer 3 mm dicken aufgeschweißten Titanplatte dicht verschlossen. Anschließend wird an diese Titanplatte ein Kontaktkopf aus Kupfer mit Silberhartlot angelötet. Der Stromzuleiter ist nun fertig zum Vergießen mit Kernmetall.
  • Ein Stromverteiler mit einem 1150 mm langen, 80 breiten und 12 mm dicken Mantel aus Titan, in den jedoch zwei Titanstreckgitterstreifen als Kontaktstruktur, d.h. an jedem der beiden U-Profile einen, beinhaltet, wird in gleicher Weise vorbereitet.
  • Stromzuleiter und Stromverteiler werden in einem Ofen in inerter Atmosphäre auf ca. 500°C erhitzt. In deren offene Enden wird anschließend 550°C heißes, schmelzflüssiges Zink eingegossen. Nach Auffüllen, lunkerfreiem Erstarren und Abkühlen werden die Einfüllenden der Mäntel vom überschüssigen Zink befreit und gereinigt. Es folgt nun das Verschließen der noch offenen Enden der Mäntel durch Aufschweißen von Titanplatten.
  • Längs der beiden Schmalseiten des Stromverteilers werden zwei beschichtete Aktivteile der Abmessung 990 x 242 mm aus 1 mm dickem Titanwellblech mit einer Wellenlänge von ca. 24 mm, einer Amplitude von ca. 6 mm und einem Flächenfaktor Gesamtoberfläche : projizierte Oberfläche von ca. 3 angeschweißt.
  • Das 160 mm aus dem Wellblechbereich herausragende obere Ende des Stromverteilers wird inmitten der unteren Schmalseite des Stromzuleiters an diesen angeschweißt. Weiter fixiert und versteift werden kann die Anodenkonstruktion durch Titanverbindungen zwischen Stromzuleiter und der oberen Wellblechkante (ebenfalls Fig. 1).
  • Die beschriebene Anode ist für eine Stromstärke von 390 A entsprechend einer anodenseitigen Stromdichte von 350A/m' ausgelegt. Bei einer stromstärke von 390 A tritt in der Anode lediglich ein Ohm'scher Spannungsabfall von ca. 50 mV auf.
  • Die Anodenkonstruktion ist steif und robust. Dies resultiert aus der Wellblechstruktur und dem wie geschildert ausgebildeten Stromverteiler.
  • Die Anode ist einfach im Aufbau, billig herstellbar aufgrund der geringen Menge an Titan und der kostengünstigen Stromzuleiter und -verteiler mit Zinkkern und weist eine sehr große geometrische Oberfläche auf. Sie wiegt ohne Kupferkontaktkopf 20 kg, wovon lediglich 6 kg auf den teueren Werkstoff Titan entfallen.
  • Dank des günstigen Flächenfaktors 3 wird bei dieser Anode die anodenseitige Stromdichte von 350 A/m2 auf einen DA-Wert (anodische Stromdichte) von ca. 235 A/m2 gesenkt.
  • Im Falle der elektrolytischen Zinkgewinnung, für die diese Anode bestimmt ist, resultiert aus dem oben Gesagten und aus der katalytischen Effektivität der aktiven Komponenten der Beschichtung über lange Betriebszeit eine besonders niedrige Sauerstoffüberspannung und Zellenspannung.
  • Als sehr vorteilhaft hat sich diese Anode auch bei der elektrolytischen Gewinnung von Mangandioxid erwiesen. Die für die Abscheidung zur Verfügung stehende große Oberfläche der erfindungsgemäßen Anode mit dem Flächenfaktor 3 und ihr äußerst geringer innerer Spannungsabfall mit ca. 18 mV bei einer anodenseitigen Stromdichte von 120 A/m2 bewirken neben den Qualitätsverbesserungen beim Elektrolytbraunstein auch beträchtliche Energieeinsparungen pro Tonne erzeugten Produkts. Hinzu kommt eine beträchtliche Einsparung an spezifischem Arbeitsaufwand je Tonne erzeugten Elektrolytbraunsteins dank der leichten Entfernbarkeit der Mn02 - Beläge von dieser Anode.
    • Beispiel 2
  • Eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Anodenkonstruktion mit Stromzuleiter und -verteiler, die sich besonders für den Einsatz in der elektrolytischen Gewinnung von Zink bei hoher Strombelastung mit anodenseitiger Stromdichte von 600 A/m2 eignet, wird in folgender Weise hergestellt.
  • Auf einem 985 mm langen, 25 mm breiten, 60 mm hohen und 1,5 mm dicken U-förmigen Titanprofilblech wird innenseitig am Boden auf einer Länge von ca. 800 mm ein ungewalzter, 20 mm breiter Titanstreckgitterstreifen der gleichen Gittercharakteristik wie im Beispiel 1 beschrieben durch Punktschweißung befestigt. Der Abstand der 10 mm großen Schweißpunkte beträgt 25 mm. Das U-förmige Titanprofil wird mittels eines 1,5 mm dicken Titanblechstreifens passender Abmessung zu einem Rechteckprofilmantel gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt. Die der Titan-Kontaktstruktur nahe Stirnseite des Rechteckprofilmantels wird mit einer 3 mm dicken Titanplatte passender Abmessung, die innenseitig ebenfalls ein Titanstreckgittergerüst aufweist, dicht verschlossen. An ihr ist der Kontaktkopf aus Kupfer anzubringen. Das Vergießen dieses Stromleiters mit Zink und das Verschließen der Eingießöffnung erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben.
  • Als Aktivteil für diese Anode dient ein 1150 mm langes, 565 mm breites und 1 mm dickes Titanwellblech der gleichen Charakteristik wie im Beispiel 1 beschrieben, jedoch versehen mit zwei 1150 mm langen und 60 mm breiten, ebenen, mittig in den beiden Wellblechhälften angeordneten Bereichen. In diesen ebenen Bereichen werden ungewalzte Titanstreckgitterstreifen mit Kontaktbeschichtung in der bereits beschriebenen Weise angeschweißt. Durch überdeckende 1 mm starke Titanblechstreifen, die an die den ebenen Bereichen beidseitig angrenzenden Wellenbergkanten dicht angeschweißt werden, entstehen zwei im Aktivteil integrierte Stromverteilermäntel. Nach dem Vergießen mit Zink und dem Verschließen ergeben diese sehr funktionstüchtige Stromverteiler.
  • Die danach beschichtete Wellblechanode, die zweckmäßigerweise auch einige der Elektrolytzirkulation verbessernde Bohrungen aufweist, wird anschließend mit dem Stromzuleiter im Bereich der Stromverteilerenden dicht und in den übrigen Zonen punktweise verschweißt.
  • Der Ohm'sche Spannungsfall dieser mit 670 A belasteten Anode beträgt nur 50 mV. Die beiden im Aktivteil integriertenStromverteiler zusammen mit dem verschweißten Stromzuleiter und dem wellenförmigen Aktivteil ergeben eine sehr steife, robuste und langlebige Konstruktion bei gleichzeitig sehr geringer Titanmenge von ca. 6,5 kg pro Anode. Das Gesamtgewicht der Anode beträgt ca. 23,5 kg. Der Flächenfaktor 3 des Aktivteils bewirkt eine, die Zellenspannung vermindernde Absenkung der anodenseitigen Stromdichte von 600 A/m2 auf eine DA (anodische Stromdichte) von 400 A/m2.
    • Beispiel 3
  • Bei der Kupfergewinnungselektrolyse mit einer anodenseitigen Stromdichte von 350 A/m2 und einer Strombelastung von 590 A/Anöde hat sich folgende beschichtete Titananode bestens bewährt.
  • Der für diese Anode benötigte 1220 mm lange Titan-Stromzuleitermantel und die beiden 1170 mm langen, 60 mm breiten und 12 mm dicken Titan-Stromverteilermäntel sind gemäß Beispiel 1 ausgeführt.
  • Die Mäntel des Stromzuleiters und der beiden Stromverteiler wurden in einem Ofen in inerter Atmosphäre auf ca. 750°C erhitzt. In die offenen Enden der Mäntel wurde ahschließend 750°C heißes, schmelzflüssiges Aluminium gegossen. Nach dessen Erstarren und der Reinigung der Eingieß- öffnungen sind diese mit 3 mm dicken Titanplättchen dicht verschweißt worden.
  • Die beiden Stromverteiler wurden in eine 990 mm hohe, 852 mm breite und 14 mm dicke, oben und unten offene, beschichtete Titan-Streckgitter-Box der Gittercharakteristik Maschenlänge 31,75 mm, Maschenbreite 12,7 mm, Stegbreite 2,46 mm, Stegdicke 1,0 mm inmitten der jeweiligen Boxhälften auf der gesamten Höhe der Box mit dieser verschweißt. An die aus der Box herausragenden, oberen 180 mm langen Stromverteilerenden wurde der Stromzuleiter mit seiner Schmalseite angeschweißt. Zusätzlich fixiert und versteift wurde die Anodenkonstruktion durch Verbindungsstreifen aus Titan zwischen Stromzuleitermantel und den oberen Boxecken.
  • Das Titangewicht dieser Anode beträgt 6 kg, ihr Gesamtgewicht 13,2 kg. Trotz dieses geringen Titanbedarfs beträgt der Ohm'sche Spannungsabfall dieser Anode lediglich 35 mV.

Claims (18)

1. Elektrode, insbesondere Anode aus beschichtetem Ven- tilmetall zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden, mit einem stromführenden Bauteil, z.B. einem Stromzuleiter und/oder einem Stromverteiler, das aus einem Mantel aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern aus elektrisch gut leitendem Metall, der mit dem Mantel in elektrisch leitender Verbindung steht, besteht, dadurch gekennzeichnet , daß in das Kernmetall (70) des stromführenden Bauteils (10; 20) eine Kontaktstruktur (60-63) eingebettet ist, die aus Ventilmetall besteht und über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche des Mantels (50) verbunden ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur (60-63) ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen orientierten Oberflächen ist, das von dem Kernmetall (70) aus mehreren Richtungen her umgeben ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur aus einem Streifen (60) aus Streckmetall, Drahtnetz, Lochblech oder dergleichen, gebildet ist (z.B. Fig.2).
4. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Streifen (60) aus Streckmetall oder dergleichen parallel zur Stromfließrichtung im Bauteil (10;20) verlegt ist.
5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Streifen (60) aus Streckmetall oder dergleichen geradlinig verläuft.
6. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (60) aus Streckmetall oder dergleichen gewellt verläuft.
7. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur aus mindestens einem Draht (61) gebildet ist, der in Stromfließrichtung im Bauteil (10; 20) gewellt verlegt ist (Fig. 4 und 7).
8. Elektrode nach Anspruch und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur aus einer Mehrzahl von Körpern wie Bolzen (62) mit Verdickungen (62b) und/oder Verdünnungen (62) dargestellt ist (Fig. 8 und 9).
9. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur (60-63) mit einer Kontaktbeschichtung versehen ist.
10. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern (70) des stromführenden Bauteils (10; 20) aus einem Metall besteht, dessen Schmelzpunkt um mindestens 500°C niedriger liegt als der des Metalls des Mantels (50) .
11. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall des Kerns (70) des stromführenden Bauteils (10; 20) eine wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Ventilmetall des Mantels (50).
12. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das als Stromverteiler (20) dienende Bauteil dadurch in die aktive Fläche (30) der Elektrode integriert ist, daß der Mantel zumindest teilweise durch ein die aktive Fläche der Elektrode darstellendes Elektrodenblech (30) gebildet ist und eine Kontaktstruktur (60,61) in einem derartig ausgebildeten stromführenden Bauteil angeordnet ist (Fig. 6, 10 bis 12 und 15 bis 17).
13. Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur (60) mit dem den Mantel zumindest teilweise.bildenden Bereich des Elektrodenblechs (30) verschweißt ist (z.B. Fig. 12).
14. Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest der den Mantel teilweise bildender Bereich des Elektrodenblechs (30) U- förmig oder wellenförmig ausgebildet ist und dieser Bereich durch eine Abdeckplatte (80; 81) zu dem geschlossenen Mantel ergänzt ist (Fig. 10 und ,12).
15. Elektrode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Abdeckplatte (80; 81) mit dem Elektrodenblech verschweißt ist.
16. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Elektrodenblech als einstückiges oder mehrstückiges Wellblech (31) ausgebildet ist.
17. Elektrode nach einem der.vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das vorzugsweise als Wellblech (31) ausgebildete Elektrodenblech beidseitig an den Mantel (50) des Stromverteilers (20) angeschweißt ist.
18. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche (30) der Elektrode durch eine Mehrzahl von in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Profilstäben (34) gebildet ist und die Kontaktstruktur durch Abschnitte (63) der Profilstäbe (34) gebildet ist, die durch den Kern (70) des stromführenden Bauteils (20) hindurchgeführt sind (Fig. 13,14).
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