ES1186663U - Cátodo permanente y dispositivo para la electroextracción de metales que incluye dicho cátodo permanente - Google Patents

Abstract

1. Un cátodo permanente (1) que se utilizará como un electrodo en la electroextracción de metales, incluyendo una placa de cátodo permanente (4) al menos parcialmente hecha de acero y proporcionando la posibilidad de depositar el metal electroquímicamente desde una solución electrolítica sobre su superficie (6, 6a, 6b), caracterizado porque la placa de cátodo permanente (4) comprende un área de superficie (6a) con propiedades de adhesión fuerte que está en contacto con el electrolito y está grabada, porque la placa de cátodo permanente (4) comprende un área de superficie (6b) con propiedades de adhesión débil que está en contacto con el electrolito y no está grabada, porque las dimensiones en la superficie (6) de la placa de cátodo permanente (4) en la superficie (6a) con propiedades de adhesión fuerte y que está en contacto con el electrolito y está grabada son las siguientes: (i) el tamaño de grano (1) de los granos (8) medido por la fórmula 1 = 1/NL en la que NL es el número de límites de grano (7) dividido por la distancia de medición es de 1 a 40 micrómetros (ii) la anchura media (W) del límite de grano de la placa de cátodo permanente según medida con un microscopio de fuerza atómica es de 1 a 3 micrómetros, y (iii) la profundidad media del límite de grano (d) de la placa de cátodo permanente según medida con un microscopio de fuerza atómica es menos de 1 micrómetro, y porque el área de superficie (6b) con propiedades de adhesión débil y que está en contacto con el electrolito y que no está grabada está ubicada en un punto donde la separación del depósito de metal (11) pretende empezar.

Description

Catodo permanente y metodo para tratar la superficie de un catodo permanente.

CAMPO DE LA INVENCION

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La presente invencion se refiere a un catodo permanente definido en las reivindicaciones independientes para el uso en la recuperacion electrolftica y la electroextraccion de metales. Asimismo, esta invencion se refiere a un metodo para tratar la superficie de una placa de catodo permanente.

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ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Los metodos hidrometalurgicos como el refinado electrolftico o la recuperacion son usados cuando la intencion es fabricar metales puros tal como el cobre. En 15 el refinado electrolftico, los anodos de cobre impuro son disueltos electroqufmicamente, y el cobre disuelto de los mismos es reducido sobre el catodo. En la recuperacion electrolftica, el cobre es reducido directamente de la solucion electrolftica, que es tfpicamente una solucion de sulfato de cobre. La velocidad de deposito de metal, como el cobre, en las superficies del catodo 20 depende principalmente de la densidad de corriente usada. Los catodos usados en el proceso pueden ser laminas de arranque de metal que seran reducidos o, por ejemplo, catodos permanentes de acero. Una transicion al uso de catodos permanentes ha sido una tendencia predominante en las plantas electrolfticas durante mucho tiempo, y en la practica, todos los

procesos de electrolisis de cobre nuevo estan basados en esta tecnologia. Un catodo permanente, por si solo, esta formado por una placa de catodo y una barra de suspension adjunta en el que el catodo esta suspendido en el bano electrolftico. El cobre puede ser separado mecanicamente de la placa de 5 catodo del catodo permanente, y los catodos permanentes pueden ser reutilizados. Los catodos permanentes pueden ser usados tanto en la refinacion electrolftica como en la recuperacion de los metales. La simple resistencia a la corrosion del grado de acero usado como una placa de catodo permanente en el electrolito, no es suficiente para garantizar que las 10 propiedades requeridas del catodo se cumplan. Se debe prestar bastante atencion a las propiedades de adhesion de la superficie de la placa del catodo. Las propiedades de la superficie de una placa de catodo permanente deben ser apropiadas para que el deposito de metal no se separe espontaneamente de la superficie durante el proceso electrolftico sino que se adhiera lo suficiente, por 15 ejemplo no impidiendo que el metal depositado se separe utilizando una maquina de separacion. Las propiedades requeridas mas importantes de una placa de catodo permanente incluyen la resistencia a la corrosion, rectitud, y propiedades de la superficie con respecto a la adhesion y extraccion del deposito.

20 Un metodo de la tecnica anterior es la fabricacion de placas de catodo permanente de acero inoxidable. El acero inoxidable es una aleacion a base de hierro que contiene mas de 10.5% de cromo y menos de 1.2% de carbon. El cromo forma una capa delgada de oxido sobre la superficie de acero, conocida como pelfcula pasiva, que mejora sustancialmente la resistencia a la corrosion 25 del acero. Otros elementos de aleacion tambien pueden ser usados para influir

en las propiedades de la pelfcula pasiva, y asf la resistencia a la corrosion. Por ejemplo, el molibdeno mejora la resistencia de la pelfcula pasiva contra picaduras causadas por cloruros, en la que la pelfcula pasiva protectora esta localmente danada. Los elementos de aleacion tambien son usados para 5 influenciar otras propiedades, por ejemplo las propiedades mecanicas y las propiedades de fabricacion tales como la soldabilidad.

Los aceros inoxidables son ampliamente utilizados en aplicaciones que requieren buena resistencia a la corrosion tales como: la industria de procesos, la industria qufmica y la industria de pulpa y papel. Debido al gran volumen de 10 uso, los aceros inoxidables son, por lo general, fabricadas por laminacion en caliente. Despues de esto, la escala de laminacion es retirada de la superficie de acero. Al hacer placas mas delgadas con tolerancias de espesor mas ajustados, se utiliza la laminacion en frfo. El proceso despues de la laminacion en frfo depende de la calidad de superficie deseada. Por ejemplo, el estandar 15 SFS-EN 10088-2 define que una superficie de tipo 2B sera laminado en frfo, tratado termicamente, decapado y laminado skin pass. Asf, el tipo 2B describe la ruta de fabricacion del material y, por lo tanto, solo especifica las propiedades de la superficie en un nivel muy general con los parametros basicos siendo estas lo llano de la superficie y el brillo.

20 La rugosidad de la superficie es tfpicamente usada para describir superficies. La rugosidad de la superficie puede definirse de muchas formas pero, por ejemplo, el fndice Ra ampliamente usado se refiere a la desviacion media de la rugosidad de la superficie. Sin embargo, no abarca el perfil de la superficie en absoluto, si la funcion rugosidad de la superficie esta formada por picos o 25 valles. En otras palabras, las superficies de cualidades muy diferentes pueden

tener exactamente el mismo indice Ra. Esto esta ilustrado en las Figuras 1a, 1b y 1c.

De acuerdo con la publicacion de la patente US 7807028 B2, se propone que una placa de catodo permanente sea hecha de una aleacion, al menos 5 parcialmente, compuesta de acero duplex. Un grado de acero duplex se refiere al acero que contiene de 30% a 70% de austenita siendo el resto de estructura ferrftica. La estructura deseada puede ser creada a traves de una aleacion adecuada. De acuerdo con la publicacion, la rugosidad de la superficie de placa de catodo es un factor esencial para la adhesion del deposito de metal. La 10 publicacion tambien presenta estructuras que se realizaran en la superficie de placa de catodo para asegurar la adhesion del deposito de metal. Dichas estructuras incluyen, por ejemplo, varios tipos de agujeros, ranuras y salientes.

De acuerdo con la publicacion de la patente US 7807029 B2, se propone que una placa de catodo permanente sea hecha de acero Grado 304. Este grado es 15 un acero inoxidable universal que tiene una composicion muy cerca a la del grado conocido como acero resistente a los acidos y la estructura austenftica. De acuerdo con esta publicacion, la rugosidad de la superficie de placa del catodo es un factor esencial para la adhesion del deposito de metal, asimismo esta publicacion presenta estructuras que se realizaran en la superficie de la 20 placa del catodo para asegurar la adherencia del deposito de metal. Ademas, se propone que el acero sea fabricado con acabado 2B para lograr una adherencia adecuada del deposito de metal.

Una superficie optima es definida tfpicamente usando parametros como el parametro de rugosidad de la superficie Ra. Una manera de describir una

superficie con cierto acabado es el AISI 316 2B (Instituto Americano del
Hierro y el
Acero, por sus siglas en ingles), que describe un cierto grado de acero que ha sido laminado skin-pass. La ruta de fabricacion caracterfstica produce una superficie lisa, semibrillante, pero no una superficie de reflejo. La 5 publicacion US 7807028 B2 propone el parametro 2B para el acabado de la superficie del catodo, lo que significa que la superficie ha sido procesada por metodos que incluyen: laminacion en frfo, tratamiento termico y decapado. El procesamiento de materiales y los parametros de procesamiento son usados para influenciar las propiedades de la superficie final. Sin embargo, solo las 10 formas de definir las superficies, mencionadas anteriormente, no pueden ser consideradas suficientes para determinar una superficie optima para un catodo permanente.

Muchos problemas se enfrentan en la electrodeposicion de metales rfgidos como el nfquel sobre un catodo permanente. La adherencia a la placa de 15 catodo debe ser muy fuerte ya que el deposito de metal empieza facilmente a desprenderse de la placa. Por otro lado, si la adhesion es muy fuerte, es diffcil quitar el deposito porque es casi imposible deslizar un cuchillo entre el deposito y la placa del catodo.

20 OBJETO DE LA INVENCION

Uno de los objetivos de la invencion es presentar un nuevo tipo de catodo permanente para la purificacion electrolftica y la recuperacion del metal con propiedades utilizables y preferencia sobre la tecnica anterior. Tambien es un objetivo de la invencion, definir los parametros de acabado de la superficie para

una placa de catodo permanente optima teniendo en cuenta los problemas mencionados anteriormente con el uso de catodos permanentes.

Ademas, otro objetivo de la invencion es proporcionar un catodo permanente mejorado para la electrodeposicion de metales rfgidos.

RESUMEN DE LA INVENCION

Las caracterfsticas esenciales de la invencion son evidentes a partir de las reivindicaciones adjuntas.

La invencion se refiere a un catodo permanente que sera utilizado como un 10 electrodo en la electroextraccion de metales, que incluye una placa de catodo permanente, al menos parcialmente, de acero y que proporciona la posibilidad de depositar metal electroqufmicamente a partir de una solucion electrolftica sobre su superficie. Las dimensiones lfmites del grano de la superficie de placa de catodo permanente fueron dispuestas apropiadamente para la adhesion del 15 metal depositado sobre la superficie y la separacion de metal de la superficie, al menos en una parte de la superficie que esta en contacto con el electrolito.

De acuerdo con una realizacion de la invencion, el tamano de los granos en la placa de catodo permanente es de 1 a 40 micrometros medidos por el metodo de interceptacion lineal. De acuerdo con una realizacion de la invencion, el 20 promedio de la anchura W del lfmite de grano en la placa de catodo permanente es de 1 a 3 micrometros. El promedio de profundidad del lfmite de grano d en la placa de catodo permanente es menos de 1 micrometro. De acuerdo con la invencion, un catodo permanente optimo puede ser creado para

influir en las propiedades de limite de grano de la superficie de placa de catodo permanente.

De acuerdo con la realizacion de la invencion, la placa de catodo permanente es, al menos parcialmente, de acero ferrftico. De acuerdo con otra realizacion 5 de la invencion, la placa de catodo permanente es, al menos parcialmente, de acero austenftico. Segun con la realizacion de la invencion, la placa de catodo permanente es, al menos parcialmente, de acero duplex. Las propiedades de la superficie del material de la placa de catodo permanente segun la invencion hizo posible utilizar grados diferentes de acero para la electroextraccion de 10 metales.

De acuerdo con la realizacion de la invencion, la placa de catodo permanente comprende un area de superficie que cuenta con propiedades de adhesion fuerte, y un area de superficie con propiedades de adhesion debil, siendo dichas propiedades de adhesion dependientes de las dimensiones de los 15 lfmites de grano en dicha area de la superficie. Preferiblemente, el area de la superficie con propiedades de adhesion debil forma una parte de la superficie que esta en contacto con el electrolito, y dicha area de la superficie esta ubicada en un punto donde el deposito de la separacion de metal pretende empezar.

20 La invencion tambien se refiere a una disposicion que sera utilizada para la electroextraccion de metales, dicha disposicion que contiene un bano electrolftico de una solucion electrolftica en donde los anodos y catodos permanentes estan dispuestos alternativamente, y dichos catodos permanentes

apoyandose en el bano por un elemento de soporte, el catodo permanente de acuerdo a la invencion es por lo tanto una parte de la disposicion.

La invencion tambien se refiere a un metodo para el tratamiento de la superficie de una placa de catodo permanente, en la que la placa de catodo permanente 5 se forma, al menos parcialmente, de la placa de acero. Segun el metodo, los lfmites de grano de la superficie de la placa de catodo permanente, al menos sobre una parte de la superficie que esta en contacto con el electrolito, son tratados qufmica o electroqufmicamente para alcanzar las propiedades de superficie deseados para la adhesion del metal depositado sobre la superficie y 10 la separacion del metal de la superficie.

De acuerdo con un rasgo caracterfstico de la invencion, la superficie de la placa de catodo permanente es tratada hasta que se logre la fuerza de separacion deseada, por ejemplo grabando la superficie de la placa de catodo permanente.

De acuerdo con una realizacion de la invencion, las areas diferentes de la 15 superficie de placa de catodo permanente que estan en contacto con el electrolito son tratadas de forma diferente para producir un area con fuerte adhesion y un area con adhesion debil. Preferiblemente, el area con adhesion debil es producida sobre una parte de la superficie de placa de catodo donde el deposito de separacion de metal pretende empezar.

20 LISTA DE FIGURAS

La invencion esta descrita de forma mas detallada con referencia a los dibujos,

donde

Las figuras 1a, 1b y 1c ilustran la rugosidad de una superficie de placa de catodo permanente,

La Figura 2 ilustra una disposicion de acuerdo con la invencion,

La Figura 3a ilustra un catodo permanente,

5 La Figura 3b ilustra la superficie del catodo permanente,

La figura 4 ilustra la superficie de una pieza de muestra de una placa de catodo permanente,

La figuras 5a y 5b ilustran catodos permanentes con areas de diferentes propiedades de adhesion,

10 La figura 6 ilustra la separacion de un deposito del catodo permanente.

La figura 7 ilustra la trayectoria de la fractura preferida entre el deposito y la placa de catodo.

15 DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Las figuras 1a, 1b y 1c ilustran versiones diferentes de la rugosidad de la superficie de la placa de catodo 4 en un catodo permanente 1. Las figuras 1a, 1b y 1c tienen el mismo fndice Ra que describe la rugosidad de la superficie aun cuando de cerca no se parecen, como se ilustra esquematicamente en las 20 Figuras. Segun la invencion, el simple fndice de rugosidad de la superficie no

es suficiente para lograr una superficie de catodo permanente suficientemente optima.

De acuerdo con la invencion, el catodo permanente 1 es ilustrado en su entorno operativo en la Figura 2. Se pretende usar el catodo permanente para 5 la electroextraccion de los metales. En este caso, el catodo permanente esta ubicado en una solucion electrolftica en un bano electrolftico 3 alternativamente con los anodos 2 sobre toda la longitud de la banera, y el metal deseado es depositado desde la solucion electrolftica sobre la superficie de la placa de catodo 4 en los catodos permanentes 1. La placa de catodo permanente 4 es 10 apoyada en el bano usando un elemento de soporte 5.

Las tecnicas anteriores han descrito catodos permanentes en donde la rugosidad de la superficie constituye un factor crucial para la adhesion del deposito de metal. Sin embargo, ademas de la rugosidad de la superficie causada por el proceso de fabricacion, la superficie de metal tambien tiene 15 lfmites de grano que juegan un papel importante en la adhesion de cobre sobre la superficie. El metal solido tiene una estructura cristalina, lo que significa que los atomos se encuentran bien ajustados en una matriz regular, y la misma matriz se extiende sobre una larga distancia comparada con la distancia interatomica. Estos cristales son denominados colectivamente como granos. 20 Los granos forman areas de volumen irregular porque su crecimiento esta limitado por granos adyacentes que crecen al mismo tiempo. En el metal multigranular, cada grano se une con sus granos vecinos bien ajustada su superficie al lfmite del grano. El lfmite de grano es un area de alta energfa superficial en la que el cobre depositado forma principalmente un nucleo. Por lo

tanto, se debe prestar especial atencion al numero y las propiedades de los limites de grano.

Los limites de grano pueden ser vistos con un microscopio optico o un microscopio electronico de barrido, pero el examen de las dimensiones de los 5 limites de grano requiere un microscopio de fuerza atomica (AFM). Un AFM tiene una sonda afilada conectada a un brazo de soporte flexible. Cuando la sonda se mueve sobre la superficie de la muestra que esta siendo examinada, las interacciones entre la superficie y la sonda se registran como flexion del brazo de soporte. La flexion puede medirse con un rayo laser, permitiendo 10 generar una imagen tridimensional del perfil de la superficie de la muestra. Un AFM puede utilizarse para medir las dimensiones, profundidad y anchura del lfmite del grano. La anchura y profundidad de los limites de grano varfan naturalmente hasta cierto punto. Esta variacion puede ser representada como una desviacion normal permitiendo el procesamiento estadfstico de las 15 dimensiones.

El tamano de grano de un material puede definirse de varias formas diferentes. Uno de los metodos es el metodo de interceptacion lineal (Metals Handbook, Desk Edition, ASM International, Metals Park, Ohio, USA, 1998 pp 1405-1409), en el que el tamano de grano I es:

20 I = 1/Nl

En donde Nl es el numero de limites de grano divididos por la distancia de la medicion. Segun la formula, el tamano del grano es inversamente proporcional al numero de limites de grano por longitud unitaria.

De acuerdo con la invencion, las figuras 3a y 3b ilustran la superficie 6 de una placa de catodo permanente 4 en un catodo permanente 1, y el dibujo esquematico presenta la anchura W y profundidad d del lfmite de grano entre los granos 8 en la superficie. La anchura de lfmite de grano puede calcularse 5 desde una imagen tomada utilizando un microscopio optico o un microscopio electronico de barrido, o puede ser medida a partir de los resultados AFM. De acuerdo con la invencion, se trata al menos una parte de la superficie de la placa de catodo permanente 6 que esta en contacto con el electrolito. Los lfmites del grano 7 entre los granos 8 en la superficie de placa de catodo 10 permanente 6 son tratados con el fin de ser adecuados para la adhesion del metal depositado sobre la superficie y la separacion del metal del mismo. Una superficie optima para el crecimiento del metal puede alcanzarse de acuerdo con la invencion. De acuerdo con la invencion, las dimensiones de los lfmites 7 en la superficie 6 se modifican con el fin de alcanzar una superficie de catodo 15 permanente optima. El tamano del grano de los granos 8 en la superficie 6 de una placa de catodo permanente optima 4, medido por el metodo de interceptacion lineal es de 1 a 40 micrometros, el promedio de la anchura del lfmite del grano W es de 1 a 3 micrometros, y la profundidad del lfmite de grano d es de menos de 1 micrometro. Por ejemplo, una placa de catodo permanente 20 de acuerdo con la invencion puede ser fabricado de acero austenftico. De acuerdo con la invencion, la superficie de placa de catodo permanente es tratada por electrograbado, por ejemplo, hasta que se alcance la fuerza de separacion deseada. La fuerza separadora representa la separabilidad del material depositado desde la superficie. Si la fuerza separadora es muy 25 pequena, el deposito del metal sera prematuramente autoextrafdo de la

superficie de placa de catodo permanente, mientras que una fuerza de separacion excesivamente grande hace que sea diffcil remover el deposito de metal de la superficie de placa de catodo permanente.

Ya que el deposito lleno de metal rfgido necesita una fuerte adhesion sobre la 5 superficie del catodo con el fin de prevenir que se pele o se autoextraiga, tambien hace que el inicio de la extraccion sea mas diffcil. Puede ser diffcil insertar un cuchillo entre la placa de catodo y deposito para extraer el deposito de la placa. La flexion de la placa puede ser imposible debido a la rigidez del deposito de metal. Este problema puede ser resuelto mediante la disposicion 10 de un area con menos adhesion cerca al nivel del electrolito, es decir, cerca al nivel donde se inicia la deposicion. Esta area de adhesion debil quita facilmente y da un buen punto de partida para la extraccion del deposito. Dos o mas areas de diferentes propiedades de adhesion se pueden fabricar facilmente, por ejemplo, mediante el grabado de un area y el no grabado de otra.

15 La figura 5a ilustra un catodo permanente provisto de tres areas de superficie 6a, 6b y 6c con propiedades de adhesion diferente. La lfnea L indica el nivel de solucion electrolftica cuando la placa de catodo permanente 4 es sumergida en un bano electrolftico. La parte principal de la superficie de placa del catodo, area 6a, esta grabado de tal manera que las dimensiones relativas deseadas 20 de los lfmites de grano se logran para mejorar la adhesion del deposito de metal sobre la placa de catodo permanente 4. La parte de la placa del catodo permanente 4 sobre el nivel electrolito L, area 6c, puede no ser grabado o grabado ligeramente. Entre el area grabada mas fuerte 6a y el no grabado o el area 6c ligeramente grabado por debajo del nivel de electrolito L, existe una 25 tercera area 6b que no esta grabada o grabada de tal forma que las

dimensiones de granos causan solo una adhesion debil. Las propiedades de adhesion de las dos areas 6b y 6c no grabadas o ligeramente grabadas pueden ser similares o diferentes. Es importante que la placa de catodo permanente 4 contenga, al menos, un area 6a con adhesion fuerte y al menos un area 6b con 5 adhesion debil, al menos parcialmente, situada por debajo del nivel de electrolito L.

La figura 5b muestra una realizacion alternativa donde el area 6b con baja adhesion esta ubicada en el area central del ancho de la placa del catodo 4 y los bordes del area debajo de la lfnea de electrolito L forman una parte de la 10 mas fuerte area grabada 6a.

Las realizaciones de las Figuras 5a y 5b hacen que sea facil empezar la extraccion cuando la parte principal 6a de la placa de catodo permanente 4 tiene una fuerte adhesion de depositos. En el caso del cobre, la separacion puede ser facilmente iniciada por la flexion de la placa de catodo permanente 4 15 con el fin de aflojar la adhesion de la deposicion sobre la placa. Sin embargo, si el nfquel es depositado como un deposito grueso utilizando los llamados catodos permanentes de deposito lleno, la flexion de la placa de catodo permanente 4 puede ser diffcil, ya que el nfquel es un metal rfgido que no se deforma facilmente.

20 Las buenas propiedades de adhesion se consiguen preferiblemente mediante el grabado de, al menos, una parte de la placa de catodo 4. En las realizaciones de las Figuras 5a y 5b, la parte 6b de la placa de catodo 4 ubicado justo debajo del nivel electrolito L, se mantiene no grabado o es grabado solo ligeramente para obtener un area 6b con propiedades de

adhesion mucho mas debiles que la mayor parte 6a de la placa de catodo 4. La fabricacion de este tipo de placa de catodo permanente 4 es en principio facil. Las areas 6b, 6c que no deben grabarse son, por ejemplo, cubiertas por una cinta, o incluso simplemente, la placa esta solo sumergida a una cierta 5 profundidad dentro de un solvente grabado.

La figura 6 ilustra la operacion de una placa de catodo permanente segun la Figura 5a. En la practica, los depositos de metal 11 estan a ambos lados de la placa de catodo 4, pero por razones de simplificacion, solo se muestran un deposito de metal 11 en la Figura 6.

10 Al extraer el deposito de metal 11, la placa de catodo permanente 4 se inicia empujando un cuchillo 10, o una cuna de una maquina de separacion entre la placa de catodo permanente 4 y el deposito de metal 11. La mayor parte del deposito de metal 11 esta fuertemente adherido a la superficie 6a de la placa del catodo 4 con fuerte adhesion. En la parte superior del deposito del metal 15 11, existe un deposito 11b que tiene solamente una adhesion debil al de la

superficie 6b de la placa del catodo 4. En consecuencia, en esa area es facil presionar el cuchillo 10 entre el deposito de metal 10b y la placa 4. Este es un buen punto de partida para extraer el deposito de metal 11.

El principio detras del funcionamiento del punto de partida de la separacion 20 puede explicarse teoricamente con mecanicas de fractura basica. La fuerza requerida para generar una fractura, por ejemplo remover el metal depositado 11 de la superficie de catodo permanente 6a, 6b pueden aproximarse por medio de la siguiente formula:

1.12 Vim

Donde F es la fuerza requerida, A es el area que sera extrafda, Ki es el factor de intensidad de tensiones, y a es el tamano de la grieta inicial.

5 Si el tamano de la grieta inicial a es muy pequena, en consecuencia la fuerza requerida F sera muy alta. En cambio, cuando el valor de a se incrementa, por ejemplo, generando un punto de partida descrito anteriormente para la separacion, la fuerza F puede reducirse sustancialmente.

La figura 7 ilustra la autoalineacion de la trayectoria de fractura preferida 13 en 10 la interfaz entre el deposito de metal 11 y la placa de catodo permanente 4 al extraer en presencia de las imperfecciones 12 en el extremo superior del deposito 11. Ya que la interfaz entre el deposito de metal 11 y la placa de catodo 4 es el punto mas debil, la fractura ocurrira preferentemente a lo largo de la interfaz, a pesar de que los bordes 12 del deposito de metal 11 fueron 15 "similar a una pluma”, como se ilustra en la Figura 7.

A continuacion, la invencion se ilustra con la ayuda de ejemplos.

Ejemplo 1

Las placas de catodo permanente usados teniendo materiales con diferentes propiedades de lfmites de grano. Los materiales fueron: AISI 316L (EN 1.4404) 20 en estado de entrega 2B (muestra 1), AISI 316L (EN 1.4404) fuertemente grabado (muestra 2), LDX 2101 (EN 1.4162) en estado de entrega 2E (muestra3) ja AISI 444 (EN 1.4521) 2B con dos diferentes grados de grabado (muestras 4 y 5). El material AISI 316L fue grabado para ampliar los lfmites del

grano, y el material AISI 444 fue grabado para abrir los lfmites del grano. El metodo de grabado usado fue el grabado electrolftico. Se cortaron pequenas muestras, los materiales de placa de catodo permanente y sujeto a la inspeccion AFM para determinar las dimensiones de lfmite del grano de los 5 materiales. Las dimensiones medidas son presentadas en la Tabla 1. En la tabla, W se refiere a la anchura del lfmite del grano y d se refiere a la profundidad del lfmite del grano.

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Tabla 1. Promedio de las dimensiones del lfmite de grano en los materiales de placa de catodo permanente.

Numero de muestra

Material de placa de catodo permanente Dimensiones de lfmite de grano W/pm d/ pm W/d d/W

1

AISI 316L 2B 2.2 0.5 4.2 0.2

2

AISI 316L 2B, grabado 4.1 1.4 2.8 0.4

3

LDX 2101 2E 2.8 0.7 3.7 0.3

4

444 2B, grabado 1.5 0.4 3.7 0.3

5

444 2B, grabado 2.2 1.1 2.1 0.5

15 Los experimentos de electrolisis a escala de laboratorios fueron conducidos para depositar el cobre sobre estas superficies seleccionadas de catodo permanente. La superficie de catodo permanente estaba cubierta con una

lamina de plastico perforada de manera que era posible depositar un total de cuatro discos de hierro de 20 mm de diametro en cada catodo permanente durante un experimento de electrolisis. El anodo usado en los experimentos fue una placa cortada de la hoja de catodo de cobre. La distancia entre el catodo y 5 las superficies del anodo fue de 30 mm. Despues de la deposicion, los discos de cobre se separaron de la placa de catodo permanente utilizando un dispositivo especial de separacion que puede medir la fuerza requerida para la separacion.

El equipo de electrolisis consistfa de una celda electrolftica de 3 litros y un 10 tanque de circulacion de 5 litros. El electrolito bombeaba desde el tanque de circulacion hacia la celda electrolftica, que volvio al tanque de circulacion por el desbordamiento a una tasa de circulacion de solucion de 7 litros por minuto. El tanque de circulacion fue equipado con los equipos de calefaccion y un agitador.

15 El electrolito usado para los experimentos fue hecho de sulfato de cobre y acido sulfurico y contenfa 50 g/l de cobre y 150 g/l de acido sulfurico. Tambien se anadio acido clorhfdrico al electrolito para que asf el electrolito tenga un contenido de cloruro de 50 mg/l. El pegamento de huesos y la tiourea fueron usados como aditivos y se alimentaban continuamente en el tanque de 20 circulacion como solucion acuosa. La temperatura del electrolito en la celda electrolftica se mantuvo a 65 C° mediante la regulacion de la temperatura del electrolito en el tanque de circulacion. La densidad de corriente catodica en los

•y

experimentos fue de 30 mA/cm2, que corresponde bien a la densidad corriente utilizado en la escala de produccion de electrolisis. La duracion de la electrolisis 25 en cada experimento fue de 20 horas. Despues de la electrolisis, se elimino la

placa de la mascara del catodo permanente, y los discos de cobre se separaron del catodo permanente transcurrido un perfodo de tiempo determinado desde el fin del experimento. Se midio la fuerza requerida para la separacion, y se presentaron las fuerzas en la Tabla 2 como fuerzas relativas 5 donde la referencia es AISI 316L en la condicion de entrega 2B. La eleccion de referencia se basa en el hecho de que dicho material de catodo permanente se utiliza generalmente en las plantas de electrolisis de cobre.

Sobre la base de los resultados experimentales, la magnitud de la fuerza de separacion depende en gran manera de las dimensiones de lfmites de grano 10 del material de catodo permanente. El grabado puede ser utilizado para abrir aun mas los lfmites de grano de los materiales tanto en la anchura y la dimension de la profundidad. El material duplex LDX 2101 no fue tratado de ninguna forma antes de los experimentos, asimismo la fuerza de separacion medida en ese material es mayor que la fuerza de separacion medida en el 15 material de referencia.

Tabla 2. Fuerzas de separacion medidas en diferentes materiales de catodo permanente

Numero de muestra

Material de la placa de catodo permanente Fuerza de separacion relativa

1

AISI 316L 2B 1.0

2

AISI 316L 2B, grabado 3.9

3

LDX 2101 2E 1.8

4

444 2B, grabado 0.8

5

444 2B, grabado 2.5

Una comparacion de las fuerzas de separacion medidas con las dimensiones de limites de grano medidas en el analisis AFM (Tabla 1) muestra que mientras mas amplio y profundo son los limites del grano, se requiere una mayor fuerza de separacion. Particularmente, la relacion entre la anchura y la profundidad de 5 los limites de grano tienen un efecto substancial sobre la fuerza de separacion requerida.

La rugosidad de la superficie (indices Ra) de los materiales de catodo permanente elegidos para los experimentos de separacion tambien se midieron, y los valores medidos son presentados en la Tabla 3. Cabe senalar 10 que el tratamiento de grabado, entre otras cosas, ha cambiado la rugosidad de la superficie hasta cierto punto. Sin embargo, no se puede encontrar una clara correlacion en la comparacion de la rugosidad de la superficie y los resultados de las mediciones de los experimentos de separacion. El fndice de rugosidad de la superficie no mide las dimensiones de los limites de grano. Por lo tanto, el 15 fndice de rugosidad, por si solo, no puede ser considerado un criterio suficiente para lograr la adhesion deseada y la fuerza de separacion.

Tabla 3. Indices Ra de los materiales de placa de catodo permanente

Numero de muestra

Material de placa de catodo permanente Rugosidad de la superficie, Ra/gm

1

AISI 316L 2B 0.2

2

AISI 316L 2B, grabado 0.8

3

LDX 2101 2E 2.8

4

444 2B, grabado 0.1

5

444 2B, grabado 0.8

Ademas, el promedio de los tamanos del grano de los materiales de catodo permanente se midieron utilizando un microscopio y el metodo de interceptacion lineal. Los resultados de medicion son presentados en la Tabla 4.

Tabla 4. Tamanos de grano de los materiales de placa de catodo permanente.

Numero de muestra

Material de placa de catodo permanente Tamano del grano /pm

1

AISI 316L 2B 16

2

AISI 316L 2B, grabado 24

3

LDX 2101 2E 8

4

444 2B, grabado 19

5

444 2B, grabado 22

10 Ejemplo 2

Cuando los catodos permanentes fueron probados en la escala de produccion de electrolisis de cobre, un fenomeno llamado autoextraccion aparecio inmediatamente despues de haberse iniciado. Esto significa que el cobre depositado sobre la superficie de catodo permanente se extrae 15 espontaneamente de la superficie de placa de catodo permanente, ya sea durante el proceso de deposicion o cuando el catodo permanente sea

levantado del bano electrolitico. El fenomeno causa, naturalmente, problemas en una planta electrolftica, y dichos catodos permanentes no pueden ser utilizados. Se corto una pieza de muestra del catodo permanente de autoextraccion (material AISI 316L) para analizar su superficie. La estructura de 5 la superficie de la placa de catodo permanente esta ilustrada en la Figura 4 como una imagen microscopica electronica de barrido.

La estructura de la superficie de la placa del catodo permanente revela inmediatamente que los lfmites de grano del material se han abierto demasiado durante el decapado, y que ya no se puede contar con una superficie de

10 adhesion adecuada para el cobre. El estado de entrega de la placa de catodo

permanente era 2B, y de acuerdo con las mediciones, el fndice Ra de su superficie varfa entre un 0.4 y 0.5 pm. La anchura del lfmite de grano de la muestra, medida de una imagen microscopica electronica de barrido, era de 8 a 10 pm.

15 La ocurrencia de la autoextraccion en el catodo muestra que el estado de

entrega y los indices de rugosidad de la superficie de una placa de catodo

permanente no son criterio suficiente para la operacion apropiada de la placa en la electrolisis de cobre, sino que las dimensiones del lfmite de grano tienen que ser gestionados.

20 Es obvio para una persona experta en la materia que con el progreso de la tecnologfa, la idea basica de la invencion puede ser aplicada de diferentes maneras. Es asf que la invencion y sus realizaciones no estan restringidas a los ejemplos descritos anteriormente pero muchos podrfan variar dentro del

alcance de las reivindicaciones.

Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

   10

   15

   20

   1. Un catodo permanente (1) que se utilizara como un electrodo en

   la electroextraccion de metales, incluyendo una placa de catodo permanente (4) al menos parcialmente hecha de acero y proporcionando la posibilidad de depositar el metal electroqufmicamente desde una solucion electrolftica sobre su superficie (6, 6a, 6b), caracterizado

   porque la placa de catodo permanente (4) comprende un area de superficie (6a) con propiedades de adhesion fuerte que esta en contacto con el electrolito y esta grabada,

   porque la placa de catodo permanente (4) comprende un area de superficie (6b) con propiedades de adhesion debil que esta en contacto con el electrolito y no esta grabada,

   porque las dimensiones en la superficie (6) de la placa de catodo permanente (4) en la superficie (6a) con propiedades de adhesion fuerte y que esta en contacto con el electrolito y esta grabada son las siguientes:

   (i) el tamano de grano (1) de los granos (8) medido por la formula

   1 = 1/Nl

   en la que Nl es el numero de lfmites de grano (7) dividido por la distancia de medicion es de 1 a 40 micrometros

   (ii) la anchura media (W) del lfmite de grano de la placa de catodo permanente segun medida con un microscopio de fuerza atomica es de 1 a 3 micrometros, y

   (iii) la profundidad media del lfmite de grano (d) de la placa de catodo permanente segun medida con un microscopio de fuerza atomica

   y porque el area de superficie (6b) con propiedades de adhesion debil y que esta en contacto con el electrolito y que no esta grabada esta ubicada en un punto donde la separacion del deposito de metal (11) pretende empezar.

   5 2. El catodo permanente segun la Reivindicacion 1, caracterizado

   porque la placa de catodo permanente (4) es al menos parcialmente de acero ferrftico.
2. 3. El catodo permanente segun la Reivindicacion 1, caracterizado 10 porque la placa de catodo permanente (4) es al menos parcialmente de acero

   austenftico.
3. 4. El catodo permanente segun la Reivindicacion 1, caracterizado porque la placa de catodo permanente (4) es al menos parcialmente de acero

   15 duplex.
4. 5. Una disposicion (9) que se utilizara para la electroextraccion de metales, incluyendo un bano electrolftico (3) que contiene una solucion electrolftica en donde los anodos (2) y los catodos permanentes (1) estan

   20 alternativamente dispuestos, estando dichos catodos permanentes apoyados en el bano por un elemento de soporte (5), caracterizada porque la disposicion incluye un catodo permanente (1) segun cualquiera de las Reivindicaciones 1 a