FI114925B

FI114925B - Menetelmä hyvän kontaktipinnan aikaansaamiseksi elektrolyysialtaan virtakiskoon ja virtakisko

Info

Publication number: FI114925B
Application number: FI20021992A
Authority: FI
Inventors: Karri Osara; Veikko Polvi
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2005-01-31
Also published as: KR20050072106A; CA2504290A1; MXPA05004854A; ZA200502206B; PE20040436A1; AU2003276298A1; CN1703538A; NO20052570L; EP1558793A1; US20050268997A1; EA200500431A1; BR0315978A; AR041907A1; FI20021992A; JP2006505692A; NO20052570D0; FI20021992A0; WO2004042120A1

Description

114925

MENETELMÄ HYVÄN KONTAKTIPINNAN AIKAANSAAMISEKSI ELEKTROLYYSILTAAN VIRTAKISKOON JA VIRTAKISKO

Keksintö kohdistuu menetelmään hyvän kontaktipinnan muodostamiseksi 5 metallien elektrolyysissä käytettävän elektrolyysialtaan virtakiskolle. Virta-kiskon kontaktipinta eli pinta, johon altaaseen laskettavan elektrodin kannatustanko tai korva lasketaan, pinnoitetaan hyvin sähköä johtavalla metallilla. Keksintö kohdistuu myös elektrolyysialtaan virtakiskoon, jonka pintaan on muodostettu hyvin sähköä johtava pinnoite.

10

Monien metallien kuten kuparin, sinkin ja nikkelin valmistus sisältää elektrolyyttisen vaiheen, jossa tuotettava puhdas metalli saostetaan katodille sähkövirran avulla ja epäpuhtaudet jäävät liuokseen. Elektrolyyttinen talteenotto suoritetaan esimerkiksi rikkihappoa sisältävällä elektrolyytillä 15 täytetyissä elektrolyysialtaissa ja elektrolyyttiin upotetaan vuorotellen säh- köäjohtavasta materiaalista valmistettuja elektrodeja; anodeja ja katodeja.

Elektrodi riippuu elektrolyysialtaassa kannatustankojen tai korvien varassa, :. ‘ · jotka on tuettu altaan reunoille.

• * * 20 Elektrolyysialtaat on kytketty ryhmittäin sarjaan siten, että edellisen altaan anodi on sähköisesti yhdistetty seuraavan altaan katodiin altaiden välisen • ’ seinämän päällä olevalla virtakiskolla. Virtakisko on yleensä kuparia tai ainakin kuparilla päällystetty. Rakenteeseen kuuluu tyypillisesti myös virtakiskon päälle tuleva, lovettu eristekisko, joka erottaa edellisen altaan 25 katodin seuraavan altaan anodin virtakiskosta. Elektrodin kannatustangon toinen pää sijaitsee virtakiskon päällä ja toinen yleensä eristekiskon päällä. Tuotettava metalli tuodaan prosessiin joko liukenevina anodeina, niin '! . sanottuina aktiivianodeina (electrorefining) tai metalli on elektrolyytissä liuenneena, jolloin käytettävät anodit ovat liukenemattomia eli passiivisia 30 anodeja (electrowinning).

• I » 2

11492E

Virtakiskon geometria voi vaihdella. Yhtenäistä, poikkileikkaukseltaan kolmiomaista virtakiskoa on kuvattu esimerkiksi US-patentissa 3,682,809. Toisissa tapauksissa elektrodien paikoitus altaassa järjestetään virtakiskon muotoilun avulla. Tällainen on esitetty esimerkiksi US-patentissa 4,035,280, jossa 5 elektrodit sijoitetaan virtakiskon reunoistaan viistottuihin uriin.

US-patentissa 6,342,136 on puolestaan kuvattu pituussuunnassa yhtenäinen päävirtakisko, joka on varustettu erikorkuisilla kohoumilla, joiden väliin on sijoitettu eristeprofiili. Katodin kannatustangon toinen pää on sijoitettu ίο päävirtakiskon päälle ja toinen pää asetetaan eristeprofiilin päälle sijoitetun kuparisen potentiaalintasauskiskon päälle. Kun virtakisko on yhtenäinen, elektrodien kannatustangot tai korvat voidaan asettaa haluttuun kohtaan kiskon päälle. Tällöin koko virtakisko voi toimia kontaktipintana kannatus-tangolle tai korvalle. Jos virtakisko on lovettu tai muuten muotoiltu siten, että 15 elektrodien paikat on määritelty, kiskon kontaktipintana toimivat lovetut tai muotoillut kohdat.

ψ

Kuparisilla virtakiskoilla on kontaktipinnan nopea kuluminen ongelma. Syynä

• I I

: < ’ lienee pääosin kuparin hapettuminen oksidikseen ja oksidin korrodoituminen ’·’ 20 kuparisulfaatiksi elektrolyytin vaikutuksesta. Kontaktipinnalle muodostunut kuparisulfaatti heikentää edelleen virtakiskon sähkönjohtokykyä ja lisäksi ku-| parisulfaatti liukenee elektrolyyttiin. Hapettuminen saa aikaan jännitehäviön kasvun, sillä kuparioksidin sähkönjohtokyky on huomattavasti heikompi kuin puhtaan kuparin. Lisäksi esimerkiksi sinkkielektrolyysissä virtakiskoista 25 liukeneva kupari nostaa tarpeettomasti katodisinkin kuparitasoa.

« I > * * _!., Nyt on kehitetty menetelmä, joka kohdistuu hyvän kontaktipinnan aikaansaa- ' - miseksi metallien elektrolyysissä käytettävän elektrolyysiakaan virtakiskoon, jossa ainakin kiskon pintaosa on muodostettu kuparista. Kehitetyn 30 menetelmän mukaisesti ainakin virtakiskon se alue, johon elektrodi ; ' lasketaan, kontaktipinta, pinnoitetaan hyvin sähköä johtavalla metallilla tai ;. metalliseoksella kuten hopealla tai hopeaseoksella. Kupari ja hopea liitetään 114925 3 toisiinsa välityskerroksen avulla. Kun virtakiskon kuparipinnalle muodostetun välityskerroksen ja pinnoitemateriaalin välille muodostetaan metallinen liitos, vältytään kontaktipinnan kulumisen tai hapettumisen aiheuttamilta ongelmilta. Keksintö kohdistuu myös menetelmän avulla valmistettuun, metallien 5 elektrolyysin elektrolyysialtaissa käytettävään virtakiskoon, jossa ainakin elektrodien kanssa kontaktiin tulevaan kohtaan, kontaktipintaan, on muodostettu sähköä hyvin johtava kerros. Kun tekstissä puhutaan virtakis-kosta, tarkoitetaan sillä myös tekniikan tason kuvauksessa mainittua potentiaalintasauskiskoa.

10

Keksinnölle on olennaista se, mitä patenttivaatimuksissa esitetään.

On tärkeää, että virtakiskossa oleva kontaktipinta johtaa hyvin sähköä. Hyvin sähköä johtavan metallin kuten hopean tai hopeaseoksen käyttö pinnoi-15 tusmateriaalina varmistaa tehokkaan virransyötön virtakiskolta elektrodille. Metallurginen peruste hopean käytölle on siinä, että vaikka se muodostaa oksidia pinnalleen, suhteellisen matalissa lämpötiloissa oksidit eivät enää ole '· stabiileja, vaan hajoavat takaisin metalliseen muotoon. Em. syystä virta- '·' kiskon kontaktipinnalle valmistettuun hopeapinnoitteeseen ei muodostu '·' 20 oksidikalvoja samalla tavalla kuin esimerkiksi kuparin pinnalle. Pinnoitteen avulla voidaan varmistaa, että elektrolyysin sähkötekninen laatutaso säilyy : korkealaatuisena myös pitkällä aikavälillä.

Hopea ei muodosta metallurgista, hyvin tarttuvaa liitosta suoraan kuparin 25 päälle, vaan kuparin pinnalle pitää muodostaa ensin ohut välityskerros, joka edullisesti muodostuu tinasta tai tinavaltaisesta seoksesta. Tekstissä puhutaan tämän jälkeen yksinkertaisuuden vuoksi vain tinasta, mutta sillä tarkoitetaan myös muita, tinavaltaisia seoksia. Tinakerrokset voidaan muodostaa monella tavalla kuten edeltävällä, kuumentamisen kautta . . 30 tapahtuvalla tinauksella, elektrolyyttisellä pinnoituksella tai varsinaista : ” pinnoitusta edeltävällä termisellä ruiskutuksella suoraan kohteen pintaan.

'··· Tinapinta voidaan tämän jälkeen pinnoittaa hopealla. Virtakiskon kuparisen 114925 4 kontaktipinnan pinnoitus hopealla on edullista suorittaa esimerkiksi termisellä ruiskutustekniikalla tai juotostekniikalla.

Kontaktipintana toimivasta virtakiskon osasta poistetaan hapettumat ennen 5 pinnoitteen muodostamista. Toimenpide on edullista suorittaa myös uusille kiskoille, mutta erityisesti kun menetelmää sovelletaan käytettyjen kiskojen sähkönjohtokyvyn parantamiseen, hapettumien poistaminen on tarpeellista. Poistaminen tapahtuu esimerkiksi hiekkapuhalluksella.

ίο Virtakiskojen pinnoitustapa riippuu jonkin verran kiskon geometriasta. Kun virtakisko tai potentiaalintasauskisko on pituussuunnassa yhtenäinen, pinnoitus muodostetaan koko kiskon pituudelle ja silloin pinnoitus on edullista muodostaa termisen ruiskutustekniikan avulla, vaikka tietenkin myös juotostekniikkaa voidaan käyttää. Jos virtakiskoon on muodostettu lovia tai 15 uria kontaktipinnoiksi elektrodeja varten, ei tietenkään ole kannattavaa pinnoittaa muuta aluetta kuin nämä kontaktipinnat. Näissäkin tapauksissa juotostekniikka on edullinen tapa pinnoitteen muodostamiseksi.

Termistä ruiskutustekniikkaa voidaan käyttää virtakiskon pinnoittamiseksi 20 hopealla, sillä hopean sulamispiste on 960 °C. Pinnoitemateriaalina voidaan . . myös käyttää AgCu-seosta esimerkiksi langan tai pulverin muodossa.

.' .' Eutektisen AgCu-seoksen sulamispiste on vielä hopeankin sulamispistettä alhaisempi ja soveltuu siten kontaktipintojen pinnoittamiseen ko. tekniikalla.

25 Termisistä ruiskutustekniikoista ovat käytännössä ainakin kaasun pala-: miseen perustuvat tekniikat osoittautuneet käyttökelpoisiksi. Näistä suurno- peusliekkiruiskutus (HVOF = High Velocity Oxy-Fuel) perustuu ruiskutus-’ : pistoolin polttokammiossa tapahtuvaan polttokaasun tai nesteen ja hapen . jatkuvaan palamiseen korkeassa paineessa ja nopean kaasuvirtauksen · 30 synnyttämiseen ruiskutuspistoolin avulla. Pinnoitusmateriaali syötetään • jauheen muodossa kantokaasun avulla tavallisimmin aksiaalisesti pistoolin ·· suuttimeen. Suuttimessa jauhepartikkelit kuumenevat ja saavat aikaan hyvin 114925 5 korkean liikenopeuden (useita satoja m/s) ja ne kohdistetaan pinnoitettavaan kappaleeseen.

Tavallisessa liekkiruiskutuksessa polttokaasun ja hapen seos palaessaan 5 sulattaa lanka- tai jauhemuodossa olevan pinnoitusmateriaalin. Poltto-kaasuna käytetään yleisimmin asetyleeniä sen erittäin kuuman liekin vuoksi. Pinnoitemateriaalilanka johdetaan paineilmaturbiinin tai sähkömoottorin käyttämän syöttölaitteiston avulla lankasuuttimen läpi. Lankasuuttimen edessä palava kaasuliekki sulattaa langan pään ja sula puhalletaan ίο paineilman avulla metallisumuna pinnoitettavaan kappaleseen. Partikkeli-nopeus on luokkaa 100 m/s.

Terminen ruiskutustekniikka sulattaa pinnoitemateriaalin ja koska hopeapi-toisten pinnoitteiden sulapisaroilla on korkea lämpötila, virtakiskon kontakti-15 pinnan pinnoituksessa syntyy kuparin, tinan ja pinnoitemateriaalin välille metallurginen sidos. Siten liitoksen sähköjohtokyky on hyvä. Metallien liitos-. , menetelmällä syntyy liitosalueelle hopean, tinan ja kuparin ternäärisen seok sen muodostamaa eutektikumia esimerkiksi lämpötilavälillä 380 - 600 °C. Tarvittaessa voidaan ruiskutuksen jälkeen suorittaa erillinen lämpökäsittely, 20 joka edesauttaa metallurgisen liitoksen syntymistä.

,· · Kun käytetään juotostekniikkaa pinnoitteen muodostamiseksi virtakiskon kontaktipintaan, käsiteltävä pinta puhdistetaan ja siihen muodostetaan tinakerros, joka on edullisesti alle 50 pm. Tämän jälkeen suoritetaan 25 hopeapinnoitteen asennus jonkin sopivan poittimen avulla. Tinakerros sulaa ja kun pinnoitelevy asetetaan sulan tinan päälle, se on helposti asemoitavissa oikeaan paikkaansa.

...,· Keksintö kohdistuu myös elektrolyysialtaassa käytettävään virtakiskoon tai .,· · 30 potentiaalintasauskiskoon. Virtakiskon kuparisiin pintoihin on erityisesti niiden kontaktipinnalle, joka tulee kontaktiin elektrodin kannatustangon tai korvan kanssa, muodostettu sähköä hyvin johtava kerros. Sähköä hyvin 114925 6 johtavana metallina tai metalliseoksena käytetään hopeaa, tai hopeaseosta kuten hopeakuparia. Kontaktipinnan pinnoitus on edullisesti suoritettu esimerkiksi juottamalla tai termisellä ruiskutustekniikalla, jolloin kontaktipinnan ja pinnoitteen välille on muodostettu metallurginen liitos. Jos virtakisko 5 on pituussuunnassa yhtenäinen, pinnoitus on edullisesti muodostettu koko virtakiskon matkalle. Jos kiskoon on valmistettu kontaktipinnat elektrodeja varten loveamalla tai urittamalla, vain nämä kontaktipinnat on pinnoitettu keksinnön mukaisesti.

ίο Keksinnön mukaista menetelmää kuvataan vielä oheisen esimerkin ja siihen liittyvän kuvan 1 avulla, joka esittää suhteellisia jännitehäviöitä sekä keksinnön mukaisen elektrolyysiakaan virtakiskossa että vertailukiskoissa.

15 Esimerkki

Kuparielektrolyysin (electrorefining) kolmessa elektrolyysialtaassa oli kussakin 81 elektrodia, joiden virtakiskoa varten tulevat kontaktipinnat olivat perinteisesti kuparia. Yksi altaista oli varustettu keksinnön mukaisella ratkaisulla, jolloin altaan virtakiskojen kontaktipinta oli pinnoitettu hopealla.

20 Kahdessa muussa altaassa oli normaalit kupariset virtakiskot. Kuvasta 1 nähdään, että hopeapinnoitettujen kiskojen jännitehäviö on selvästi pienempi ! . kuin perinteisten virtakiskojen jännitehäviöt. Jännitehäviö on laskettu elektrodien keskiarvona. Arvoksi 100 on otettu huonoimman altaan virtakiskon jännitehäviö ja toisten altaiden virtakiskojen jännitehäviö on 25 ilmoitettu tämän suhteena.

Claims

114925 7

1. Menetelmä hyvän kontaktipinnan muodostamiseksi elektrolyysiakaan virtakiskoon metallien elektrolyysissä, jolloin ainakin kiskon pintaosa s on muodostettu kuparista ja kontaktipinnan muodostaa alue, johon elektrodi lasketaan, tunnettu siitä, että virtakiskon kupariseen kontaktipintaan muodostetaan välityskerros, jonka jälkeen kontaktipinta pinnoitetaan hopealla tai hopeaseoksella, jolloin pinnoitemateriaali muodostaa kuparin ja välityskerroksen kanssa ίο metallurgisen liitoksen ja pinnoite muodostetaan juotostekniikalla tai termisellä ruiskutustekniikalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että välityskerros on tinaa tai tinavaltainen seos. 15

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hopeaseos on hopea-kupari.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, • * : 20 tunnettu siitä, että elektrolyysiallas on virtakiskon lisäksi varustettu :T; potentiaalintasauskiskolla, jonka kupariseen, elektrodin kanssa *: * *: kontaktiin tulevaan pintaan muodostetaan välityskerros, jonka jälkeen j pinta pinnoitetaan hyvin sähköä johtavalla hopealla tai hopea- seoksella, jolloin pinnoitemateriaali muodostaa kuparin ja välitys-25 kerroksen kanssa metallurgisen liitoksen.

♦ > · .·’ 5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, : tunnettu siitä, että virtakisko on pituussuunnassa yhtenäinen, jolloin ‘ i pinnoitekerros muodostetaan koko virtakiskon matkalle. 30

» : 6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että virtakiskon kontaktipinnat, joihin elektrodi 114925 8 lasketaan, on muodostettu loveamalla tai urittamalla, jolloin pinnoitekerros muodostetaan virtakiskon lovetuille tai uritetuille alueille. 5

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että terminen ruiskutustekniikka perustuu kaasun palamiseen.

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että terminen ruiskutustekniikka on suurnopeusliekkiruiskutus. 10

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hyvin sähköä johtava pinnoitemateriaali on pulverimuodossa. 15

10. Patenttivaatimuksen 1 tai 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että terminen ruiskutustekniikka on liekkiruiskutus.

11. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1 -7 tai 10 mukainen '·.· menetelmä, tunnettu siitä, että hyvin sähköä johtava pinnoitemate- 20 riaali on lankamuodossa. * ·

12. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, : tunnettu siitä, että kontaktipinnalle suoritetaan lämpökäsittely .,,' pinnoituksen jälkeen. 25

13. Metallien elektrolyysissä käytettäväksi tarkoitettu elektrolyysiakaan ,: virtakisko, jolloin ainakin kiskon pintaosa on muodostettu kuparista ja kontaktipinnan muodostaa alue, johon elektrodi lasketaan, tunnettu : siitä, että virtakiskon kontaktipintaan on muodostettu välityskerros, 30 jonka jälkeen kontaktipinta on pinnoitettu hopealla tai hopeaseok- sella, jolloin kupari, välityskerros ja pinnoitusmateriaali ovat 114925 9 muodostaneet metallurgisen liitoksen, ja että pinnoitekerros on muodostettu juotostekniikalla tai termisellä ruiskutustekniikalla.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen virtakisko, tunnettu siitä, että 5 välityskerros on tinaa tai tinavaltaista seosta.

15. Patenttivaatimuksen 13 tai 14 mukainen virtakisko, tunnettu siitä, että hopeaseos on hopea-kuparia. ίο

16. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 13 - 15 mukainen virtakisko, tunnettu siitä, että virtakisko on pituussuunnassa yhtenäinen, jolloin pinnoitekerros on muodostettu koko virtakiskon matkalle. 15

17. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 13 - 15 mukainen virtakisko, tunnettu siitä, että virtakiskon kontaktipinnat, joihin elektrodi lasketaan, on valmistettu loveamalla tai urittamalla, jolloin pinnoitekerros on muodostettu virtakiskon lovetuille tai uritetuille alueille. .··'· 20 > ·

18. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 13 - 15 mukainen •: i virtakisko, tunnettu siitä, että kisko on potentiaalintasauskisko.