FI110270B

FI110270B - Menetelmä elektrodin valmistamiseksi ja elektrodi

Info

Publication number: FI110270B
Application number: FI20000411A
Authority: FI
Inventors: Pekka Taskinen; Veikko Polvi; Tuija Suortti
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2002-12-31
Also published as: JP2003524077A; BR0108540A; FI20000411A; EP1257692A1; MXPA02008151A; FI20000411A0; CA2399980A1; BG106994A; PL357421A1; CN1406289A; EA200200887A1; KR20020081695A; PE20011199A1; US20030010630A1; ZA200206296B; EA004488B1; WO2001063013A1; AU2001240717A1

Description

110270

MENETELMÄ ELEKTRODIN VALMISTAMISEKSI JA ELEKTRODI

Tämä keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään elektrodin valmistamiseksi. Keksintö kohdistuu myös patenttivaa-5 timuksen 10 mukaiseen elektrodiin.

Metallien elektrolyysissä on kauan ollut käytössä menetelmä, jonka mukaan käytetään siemenlevyjä, jotka on ensin erikseen kasvatettu emälevyjen päälle. Tällaisten siemenlevyjen käyttö elektrodeina, erityisesti katodeina, jotka ovat 10 samaa metallia kuin elektrolyysissä saostettava metalli, kuten esimerkiksi kupari, on jäämässä syrjään, erityisesti kun on kysymys investointikohteesta. Uusissa elektrolyysilaitoksissa on monissa tapauksissa siirrytty kestokatodien käyttöön, joiden katodien levymäinen osa valmistetaan yleensä joko haponkes-tävästä teräksestä tai titaanista.

15

Kestokatodeja on valmistettu monella eri tavalla, joiden erona on lähinnä ollut katodin ripustustangon rakenne ja levyosan kiinnitys ripustustankoon. Koska ripustustangot toimivat myös virtajohtimina tulisi ripustustangot valmistaa niin, . että virtahäviöt ovat mahdollisimman pienet.

20

t I

Ennestään tunnetaan useita tapoja ratkaista kuparin ja toisen metallin yhdistä-minen katodien ripustustankojen valmistuksessa. Ripustustangon rakenteen ja .···. levyosan liittämisen tankoon tekee ongelmalliseksi se, että suuren sähkövirran I * .*··. johtamiseksi levyosaan on ripustustangossa oltava riittävästi hyvin sähköä 25 johtavaa materiaalia, kuten kuparia, sillä levyosana tyypillisesti käytettävä haponkestävä teräs on huono sähkönjohtaja, eikä se siten tule kysymykseen ripustustangon yksinomaisena materiaalina. Kaupallisilta markkinoita tunnetaan ,·’ ; rakennemuoto, jossa käytetään kokonaan kuparista olevaa ripustustankoa, ,···. johon on hitsattu haponkestävää terästä oleva levyosa käyttäen erikoisseos- • · 30 teista hitsauslankaa. Haittana on mm. se, että tarvittava erikoisteräshitsaus ei ole yhtä korroosion kestävä kuin katodin muut osat. Toinen haitta on ollut ' * kuparista olevan ripustustangon pehmeydestä johtuva tangon notkahdusalttius, 2 110270 erityisesti, jos käytetään suurempia katodipainoja. Vielä eräs tunnetun tekniikan haittapuoli on ollut vaikeus kiinnittää riittävän lujasti ripustustangon yläpuolelle tulevia erillisiä nostokorvia, joita nykyinen kehittynyt materiaalinkäsittely edellyttää kestokatodilta.

5 Tämän keksinnön tavoitteena on aikaansaada menetelmä elektrodin, erityisesti-katodin valmistamiseksi, jonka avulla vältytään tunnetun tekniikan mukaisten ratkaisujen haitoilta. Keksinnön eräänä tavoitteena on aikaansaada menetelmä virtakiskona toimivan kuparitangon ja jaloteräksestä valmistetun katodin 10 levyosan liittämiseksi toisiinsa niin, että saavutetaan sähköteknisesti hyvä kontakti, joka on samalla riittävän luja kantamaan katodilevyn ja sille elektroly-soitavan aineen aiheuttaman kuorman. Keksinnön tavoitteena on aikaansaada liitos, jonka sähkönjohto-ominaisuudet säilyvät hyvinä myös pitkään jatkuvissa korrodoivissa olosuhteissa.

15

Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on mainittu patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on lukuisia merkittäviä etuja. Menetelmällä varmistetaan sähkövirran tasainen jakautuminen virtakiskolta katodilevylle.

«· 20 Katodilevyn valmistuksessa ei tarvita hitsaamalla tehtyjä työvaiheita lainkaan.

f I

Liittämistapa on helposti automatisoitavissa. Käyttämällä liitosta muodostaessa nikkelikerrosta teräksen pinnalla kyetään estämään austeniittisesta ruostumat-tomasta teräksestä kupariin päin tapahtuva nikkelikato, joka aiheuttaa teräksen haurastumisen. Liitoksen muodostumista aktivoidaan juoteainekerroksella 25 kuparipinnan ja nikkelöidyn teräslevyn rajapinnalla. Aktivaattorin avulla voidaan .···. käyttää matalampia liittämislämpötiloja, jolloin liitosalueelle muodostuu pienem- .···. piä termisiä jännityksiä. Käyttämällä ripustustankona erään keksinnön sovellu- I · · .* , tusmuodon mukaista profiilitankoa aikaansaadaan edullinen ja kestävä !.. * konstruktio, jolla on riittävä jäykkyys.

30 ; ·’ Kuparilla tarkoitetaan hakemuksessa paitsi kuparia olevia kappaleita myös seosmateriaaleja, joiden kuparipitoisuus käsittää olennaisesti ainakin 50 % | 3 110270 kuparia. Ruostumattomalla teräksellä tarkoitetaan hakemuksessa lähinnä austeniittisiä teräksiä, kuten ruostumattomia ja haponkestäviä teräksiä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin 5 piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää erään keksinnön mukaisen liitoksen rakennetta ennen lämmitysvaihetta, 10 Kuvio 2 esittää erästä toista keksinnön mukaisen liitoksen rakennetta ennen lämmitysvaihetta ja

Kuvio 3 esittää erästä kolmatta keksinnön mukaisen liitoksen rakennetta ennen lämmitysvaihetta 15

Kuvio 4 esittää erään keksinnön mukaisen elektrodin, ja

Kuvio 5 esittää yksityiskohdan keksinnön mukaisesta elektrodista leikattuna pitkin kuvion 1 viivaa V- V.

20 * * . Keksintö kohdistuu menetelmään metallien elektrolyysissä käytettävän elektro- din valmistamiseksi, jossa menetelmässä elektrodin levyosa 2 kiinnitetään ··. ripustustankoon 1, joka toimii myös virranjohtimena. Menetelmän mukaisesti , ··. levyosa 2 kiinnitetään diffuusioliitoksella ripustustankoon 1. Tyypillisesti levyosa 25 2 kiinnitetään yläosastaan ainakin olennaiselta pituudeltaan ripustustankoon 1. .··*. Kuvioissa 1, 2 ja 3 on esitetty yksinkertaistettuna liitoksen muodostamisen eri ; sovellutusmuotoja yksinkertaistettuina ennen lämmitysvaihetta. Levyosan 2 ja . ripustustangon 1 liitospintojen väliin järjestetään ainakin yksi välikerros 3, 4, 5 • »· ···’ ennen liitoksen muodostamista. Yhteen liitettävien levyosan 2 ja ripustustangon 30 1 välisten liitospintojen väliin järjestetään ensimmäinen välikerros 3 levyosan 2 , ·* liitospintaan tai sitä vasten ja ainakin yksi toinen välikerros 4 ripustustangon 1 ' ' liitospintaan tai sitä vasten, jolloin liitospinnat välikerroksineen puristetaan 4 110270 yhteen ja jossa menetelmässä lämmitetään ainakin liitosaluetta. Ripustustan-kona 1 käytetään tyypillisesti kuparitankoa tai olennaisesti pääasiassa kuparia sisältävää kupariseostankoa. Elektrodin levyosana 2 käytetään jaloterästä, sopivimmin austeniittista Cr/Ni-terästä. Ensimmäinen välikerros 3 käsittää 5 pääasiassa nikkeliä Ni tai kromia Cr tai niiden seosta tai yhdistelmää. Toinen välikerros 4 käsittää aktivaattoria, jonka sulamispiste on alempi kuin yhteenliitet-tävien kappaleiden sulamislämpötila. Toinen välikerros 4 käsittää pääasiassa tinaa (Sn) ja/tai hopeaa (Ag) tai seoksena tai yhdistelmänä hopeaa ja kuparia (Ag+Cu), alumiinia ja kuparia (Al+Cu) tai tinaa ja kuparia (Sn+Cu).

10

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen liittämismenetelmän eräs sovellu-tusmuoto poikkileikkauksena, ennen lämpökäsittelyä. Siinä olennaisesti kuparia oleva ripustustanko 1 ja ruostumatonta terästä oleva levyosa 2 liitetään yhteen. Kappaleiden väliseen liitokseen on järjestetty välikerroksia. Terästä vasten 15 oleva välikerros 3 käsittää pääasiassa nikkeliä (Ni). Lisäksi liitosta muodostettaessa käytetään ns. aktivaattoriainetta 4, joka on esimerkin tapauksessa tinaa (Sn). Tina toimii aktivaattorina ja aikaansaa liitoksen muodostamiseen tarvitta-j van lämpötilan alenemisen, j I 1 » · ! 20 Välikerros 3 voidaan muodostaa levyosan 2 pintaan erillisellä käsittelyllä.

, Käytettäessä nikkeliä välikerroksena 3, se voidaan muodostaa esimerkiksi '.!t elektrolysoimalla. Nikkelöinti tehdään tyypillisesti niin, että ruostumattoman ! -!t teräksen pinnalla oleva passivaatiokerros ei muodostu esteeksi aineensiirrolle ’·, ruostumattoman teräksen ja nikkelin välisellä rajapinnalla. Välikerros voi olla 25 myös folion muodossa.

I » · « · t I * .···. Liitettävien kappaleiden 1, 2 rajapinnoille muodostuu diffuusioliitos 6 (kuvio 5), I t > .* . yhtäältä nikkelin diffuusion ja toisaalta kuparin ja teräksen komponenttien diffuu- !..* sion seurauksena. Diffuusioliitoksen muodostumista ja siinä syntyviä rakenteita 30 aktivoidaan hyvin ohuella, käytettävien valmistusolosuhteiden ja tavoitteena

- · I

• ·' olevan liitoksen edellyttämällä juoteainekerroksella tai usean juoteainekerrok- i t t '· sen kombinaatiolla nikkelöidyn teräslevyn ja kuparin välisellä rajapinnalla.

5 110270

Juoteaineena ja diffuusiota aktivoivana aineena on käytetty hopea-kupari-seok-sia ja tinaa puhtaina tai erityisinä kerrosrakenteina. Mekaanisesti lujia liitoksia on valmistettu 600-850 °C lämpötila-alueella. Lämpökäsittelyaikojen sekä juote-aineen että aktivaattoriaineen määräsuhteiden valinta suoritetaan siten, että 5 vältytään hauraiden intermetallisten faasien syntymiseltä lopullisessa liitoksessa. Juoteainepaksuudet, lämpökäsittelylämpötila ja -aika valitaan siten, että teräksen nikkelikato estyy sen pinnalla olevan nikkelirikkaan seoksen seurauksena. Matalasta liittämislämpötilasta etuna ovat liitosalueelle syntyvät vähäiset termiset jännitykset.

10

Kuviossa 2 on esitetty eräs toinen keksinnön mukaisen liitosmenetelmän edullinen sovellutusmuoto ennen lämpökäsittelyä. Siinä olennaisesti kuparia oleva ripustustanko 1 ja ruostumatonta terästä oleva levyosa 2 liitetään yhteen. Kappaleiden väliseen liitokseen on järjestetty välikerroksia 3, 4, 5. Terästä 15 vasten oleva välikerros 3 käsittää pääasiassa nikkeliä (Ni). Lisäksi liitosta muodostettaessa käytetään ns. aktivaattoriainetta 4, joka on esimerkin tapauksessa tinaa (Sn). Tina toimii aktivaattorina ja aikaansaa liitoksen muodostamiseen tarvittavan lämpötilan alenemisen. Tinakerroksen lisäksi liitoksessa on tinakerroksen 4 ja nikkelikerroksen 3 välissä kolmas välikerros 5 juoteainetta.

j ...

20 Eräässä edullisessa sovellutusmuodossa se on Ag+Cu-juoteainetta, edullisesti • · · foliomuodossa. Edullisen sovellutusmuodon mukaan juoteainekerros käsittää I * · ;; Ag 71% ja Cu 29 % sopivimmin eutektisessa koostumuksessa. Edullisesti juote- * * aineella on mainitulla seoskoostumuksella kuparin kanssa eutektinen koostu- « !!!_ mus. Liitosaluetta lämmitetään yhdessä vaiheessa. Keksinnön mukaisen 25 menetelmän erään edullisen sovellutusmuodon mukaisesti toinen välikerros 4 ,···, on tuotu kolmannen välikerroksen 5 pintaan. Tyypillisesti, mutta ei välttämättä, * · ,···, ainakin yksi välikerroksista 3, 4, 5 tuodaan folion muodossa liitosalueelle.

t · I · · ,· . Välikerroksien 4, 5 juoteaineena ja diffuusiota aktivoivana aineena voidaan

t · I

I · · käyttää hopea-kupari-seoksia ja tinaa puhtaina tai erityisinä kerrosrakenteina.

* · 30 Mekaanisesti lujia liitoksia on valmistettu 600-850 °C lämpötila-alueella. Lämpö-

i · I

• ·’ käsittelyaikojen valinta voidaan suorittaa siten, että vältytään hauraiden interme-

i · I

iällisten faasien syntymiseltä lopullisessa liitoksessa. Juoteainepaksuudet, 6 110270 lämpökäsittelylämpötila ja -aika valitaan siten, että teräksen nikkelikato estyy sen pinnalla olevan nikkelirikkaan seoksen seurauksena. Matalasta liittämisläm-pötilasta etuna ovat liitosalueelle syntyvät vähäiset termiset jännitykset.

5 Kuviossa 3 on esitetty vielä yksi keksinnön mukaisen menetelmän sovellutus-muoto ennen ripustustangon ja levyosan välisen liitoksen kuumennusta. Siinä toinen välikerros 4 on järjestetty kolmannen välikerroksen 5 kummallekin pinnalle tai niitä vasten. Tyypillisesti sovellutusmuodossa voidaan käyttää kerrosfoliota, jossa folion toinen tai molemmat pinnat on käsitelty, esimerkiksi 10 tinalla tai muulla kupariin liukenevalla, matalassa lämpötilassa sulavalla metallilla.

Menetelmässä käytetyt välikerrosten kerrospaksuudet vaihtelevat. Ensimmäisen välikerroksena 3 käytetyn Ni-kerroksen paksuus on tyypillisesti 2-50 pm. 15 Elektrolysoituna tyypillisesti 2-10 pm, foliona luokkaa 20 - 50 pm. Kolmantena välikerroksena 5 käytetyn Ag tai Ag+Cu-folion paksuus on tyypillisesti 10 - 500 pm, edullisimmin 20 - 100 pm. Toisen välikerroksen 4 paksuus riippuu tyypillisesti kolmannen välikerroksen 5 paksuudesta ja on esimerkiksi 10-50 % kolmannen välikerroksen paksuudesta. Käyttämällä esimerkiksi paksuudeltaan 20 50 pm Ag+Cu-juoteainefolion pinnoilla esimerkiksi 5-10 pm tinakerrosta on < · · * saavutettu eritäin hyvälaatuisia liitoksia. Tinakerrokset voidaan muodostaa I * · esimerkiksi upottamalla folion muodossa oleva juoteaine sulaan tinaan ja tarvit- * * · :: taessa vielä valssaamalia folio tasaiseksi.

25 esimerkki i

Haponkestävä teräs (AISI 316) ja kupari (Cu) liitettiin toisiinsa. Teräksen liitos-.···. pintaan oli järjestetty ensimmäiseksi välikerrokseksi paksuudeltaan 7 pm nikkeli .··. (Ni) kerros. Diffuusion aktivaattorina ja juoteaineena käytettiin eutektisen koostumuksen omaavaa Ag+Cu-juoteainetta, joka käsitti painoprosentteina 71% :30 Ag ja 29% Cu. Juoteaine oli folion muodossa, jonka paksuus oli 50 pm ja folion pintaan oli muodostettu lisäksi tina (Sn)-kerros, jonka paksuus oli luokkaa 5-10 : pm. Liitettävät kappaleet asetettiin toisiaan vasten niin, että folio jäi liitospintojen | 7 110270 väliin. Kappaleita puristettiin yhteen ja liitosalue lämmitettiin juoteaineen sulamislämpötilan yli noin 800 °C lämpötilaan. Pitoaika oli noin 10 minuuttia. Esimerkin mukainen liitos onnistui erinomaisesti. Aikaansaatiin metalliopillisesti kompakti liitos, jonka sähköäjohtavat ominaisuudet ovat erinomaiset.

5

Keksintö kohdistuu siis myös elektrodiin käytettäväksi erityisesti metallien elekt-rolyysilaitoksissa, joka elektrodi käsittää ripustustangon 1 ja ripustustankoon kiinnitetyn levyosan 2. Keksinnön mukaiselle elektrodille on tunnusomaista se, että levyosa 2 on kiinnitetty ripustustankoon 1 diffuusioliitoksella 6 (kuvio 5). 10 Edullisesti levyosa 2 on kiinnitetty olennaisesti koko pituudeltaan ripustustankoon 1. Ripustustanko 1 on kiinnitetty levyosan 2 molemmille puolille. On myös mahdollista käyttää kahdesta osasta koostuvaa ripustustankoa, jolloin ripustus-tangon osat on kiinnitetty levyosan vastakkaisille puolille.

15 Ripustustangon 1 levyosaa 2 vasten tuleva pinta on ainakin pääasiassa kuparia tai kupariseosta. Levyosa 2 on tyypillisesti jaloterästä, erityisesti haponkestä-vää terästä. Keksinnön mukaisen elektrodin erään edullisen sovellutusmuodon mukaisesti ripustustanko 1 käsittää uran 7 tai senkaltaisen, johon levyosan 2 vastaelin on järjestetty sopimaan.

20

Keksinnön mukainen elektrodi on erään edullisen sovellutusmuodon mukaan t »» » kestokatodi. Näitä käytetään tyypillisesti esimerkiksi kuparin elektrolyysissä.

;;; Keksinnön mukaiseen elektrodiin on helposti mahdollista järjestää kuljetukseen 25 käytettävät kannatusvälineet 8. Kannatusvälineet 8 voidaan esimerkiksi kiinnittää kiinnityselimillä, kuten ruuvilla tai niiteillä levyosan ripustustangon tason yläpuolelle ulottuviin osiin 9. On myös mahdollista muotoilla kannatuselimet levyosan 2 ripustustangon yläpuolelle ulottuvista osista 9.

*···: 30 » ·

Claims

110270

1. Menetelmä metallien elektrolyysissä käytettävän elektrodin valmistamiseksi, jossa menetelmässä elektrodin levyosa (2) kiinnitetään ripustustankoon (1), 5 joka toimii myös virranjohtimena, tunnettu siitä, että levyosa (2) kiinnitetään diffuusioliitoksella ripustustankoon (1), että ripustustankona (1) käytetään kuparitankoa tai olennaisesti pääasiassa kuparia sisältävää kupariseostankoa, ja että elektrodin levyosana (2) käytetään jaloterästä, jonka pintaan järjestetään ensimmäinen välikerros (3), joka käsittää pääasiassa nikkeliä (Ni) teräksen ίο nikkelikadon estämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että levyosa (2) kiinnitetään yläosastaan ainakin olennaiselta pituudelta ripustustankoon (1).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yhteen liitettävien levyosan ja ripustustangon liitospintojen väliin järjestetään toinen • · . välikerros (4) ripustustangon (1) liitospintaan tai vasten, jolloin liitospinnat • · välikerroksineen puristetaan yhteen ja jossa menetelmässä lämmitetään . · · ·. ainakin liitosaluetta. « · 20 .*··.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen välikerros (4) käsittää aktivaattoria, jonka sulamispiste on alempi kuin :' ·. · yhteenliitettävien kappaleiden sulamislämpötila. : 25

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen välikerros (4) käsittää pääasiassa hopeaa (Ag) ja/tai tinaa (Sn) tai ] , seoksena tai yhdistelmänä hopeaa ja kuparia (Ag+Cu), alumiinia ja kuparia • · . _ . (Al+Cu) tai tinaa ja kuparia (Sn+Cu).

6. Elektrodi käytettäväksi erityisesti metallien elektrolyysilaitoksissa, joka elektrodi käsittää ripustustangon (1) ja ripustustankoon kiinnitetyn levyosan (2) tunnettu siitä, että levyosa (2) on kiinnitetty ripustustankoon (1) 110270 diffuusioliitoksella, että ripustustangon (1) levyosaa (2) vasten tuleva pinta on ainakin pääasiassa kuparia tai kupariseosta, ja että levyosa (2) on jaloterästä, erityisesti haponkestävää terästä, jonka pintaan on järjestetty ensimmäinen välikerros (3) käsittäen pääasiassa nikkeliä (Ni) teräksen nikkelikadon 5 estämiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että levyosa (2) on kiinnitetty olennaisesti koko pituudeltaan ripustustankoon (1). ίο

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että ripustus-tanko (1) käsittää uran (6) tai senkaltaisen, johon levyosan vastaelin on järjestetty sopimaan.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 6-8 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että 15 ripustustanko (1) on kiinnitetty levyosan (2) molemmille puolille.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 6 - 9 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodi on kestokatodi. « • · · · • · 20 • · ·;· PATENTKRAV t**