FI68430C - Katod foer elektrolytisk rening av koppar - Google Patents

Description

rm KUULUTUSJULKAISU 684 30

·8*ΙπΡ LBJ 11 UTLÄGG Nl N G SSKRIFT

C Patentti myönnetty 10 09 1985

Patent oeddelat (51) Kv.ik.4/int.ci.* c 25 C 7/02 SUOMI —FINLAND (21) Patenttihakemus — Patentansöknlng 800337 (22) Hakemlspiivä — Ansökningsdag 04.02.80 <F») (23) Alkupäivä — Giltighetsdag 04.02.80 (41) Tullut {ulklseksi — Bllvlt offentlig q£ gg gg

Patentti- ja rekisterihallitus /44) Nähtäväksipanon ja kuul.julkaisun pvm. — nr ος

Patent- och registerstyrelsen v ' Ansökan utlagd och utl.skrlften publlcerad > · up ·°3 (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus — Begird prloritet 05.02.79

Australia-Australien(AU) **3909/79 Toteen-näytetty-Styrkt (71) Copper Refineries Pty. Limited, Box 5**84 M.S.O., Townsville,

Queensland 4810, Australia-Australien(AU) (72) lan James Perry, Townsville, Queensland, Australia-Austral ien(AU) (7**) Esko Friman (5**) Kuparin elektrolyyttisessä puhdistuksessa käytettävä katodi -Katod för elektrolytisk rening av koppar Tämän keksinnön kohteena on kuparin elektrolyyttisessä puhdistuksessa käytettävä katodi.

Jo viidenkymmenen vuoden ajan aina tähän päivään asti tavallisimmin käytetty, kyseessäolevaa tyyppiä oleva katodi on ollut muodoltaan sellainen, joka on esitetty oheisena olevien piirustusten kuviossa 1 perspektiivisenä kaaviokuvana.

Kuviossa 1 esitetyllä tavalla aikaisempi katodityyppi on muodostunut kuparisesta kannatustangosta 7, kuparisesta siemenle-vystä 8 ja kahdesta kuparisesta silmukasta tai sangasta 9, joilla levy on ripustettu tankoon. Tangon 7 pääteosat ulottuvat levyn 8 leveyden yli siten, että ne kannatusta varten voivat levätä allassivujen päällä, jolloin ne muodostavat tavallisen sähkökontaktin, ja siemenlevy on puhdistamatonta kuparia olevan anodilevyparin välissä molempien ollessa upotettuna elektrolyysiakaan elektrolyyttiin, tai parin liukenemattoman anodin välissä molempien ollessa upotettuna metallinerotuskennon elektrolyyttiin.

Z 68430

Huolimatta niiden pitkästä käytöstä teollisuudessa, on hyvin oltu selvillä siitä, että aikaisemmissa katodeissa on huomauttamista monessa suhteessa. Esimerkiksi: a) Kupariset siemenlevyt eivät ole uudelleenkäytettäviä. Tämä merkitsee sitä, ettei niistä voida poistaa niiden päälle kerrostunutta kuparia ja sitten pistää takaisin kennoon ottamaan vastaan uutta kuparikerrosta. Nykyinen ja kannattavin menetelmä on sulattaa siemenlevypari yhdessä sen päälle kerrostuneen kuparin kanssa ja valmistaa kuparisulatteesta johdinkuparia, kankia, harkkoja, valanteita ja muita käypää laatua olevia kuparituot-teita. Osa sulasta tuotteesta voitaisiin käyttää uusien siemen-levyjen valmistamiseen, kokemus on kuitenkin osoittanut, että on taloudellisempaa valmistaa uudet siemenlevyt elektrolyyttisesti; siinäkin tapauksessa miestyötuntien kulutus on erittäin korkea, koska se tuo mukanaan siemenlevyjen poistamisen emä-levyiltä, niiden tasaiseksi tekemisen ja silmukoiden kiinnittämisen ja silmukoilla varustetun levyn asentamisen kannatustan-koon.

b) Kuparisia siemenlevyjä ei ole helppo tehdä todella tasaisiksi ja joskin ne ovat olennaisesti tasaisia alkuvaiheessa, niin ne usein vääntyvät kieroon käytössä ja tämä lisää oikosulkuja katodin ja anodin välillä. Jo sielläkin, missä tasaisuuden puute ei ole näin paha, poikkeamat katodin ja anodin välisestä yhdensuuntaisuudesta aiheuttavat epätasaisuutta kupari-kerrokseen, jolloin "kärjissä" tai lähellä toisiaan olevissa pisteissä oleva liikakerrostus jouduttaa oikosulkuja noissa pisteissä. Oikosulut ovat vakava ongelma, koska on välttämätöntä käyttää joukkoa miehiä, joiden tehtävänä on pelkästään partioida elektrolyysihallia oikosulkujen korjaamiseksi.

c) Toisinaan silmukat 9 muodostavat tuskin muuta kuin viiva-tai jopa pistekosketuksen kannatustangon 7 kanssa. Tämä ei huononna itse kuparin kerrostumisprosessia, mutta se suurentaa vastusta ja niin muodoin voimakustannukset suurenevat.

Kupariteollisuudessa on suoritettu perusteellisia tutkimuksia 3 68430 ja kokeita emälevyjen parantamiseksi, joilla siemenlevyt valmistetaan. Muutamia yrityksiä tehtiin ruostumattomalla teräksellä, mutta yleensä ne epäonnistuivat, mikä johtui ristiriitaisuuksista tuloksissa, jotka toivat esille sellaisia ongelmia kuin passiivisuus, paikalliskorroosio ja kuparikerroksen vaihteleva adheesio .

Titaanikatodit ovat tulleet melkoisen suosituksi titaanin luontaisten ominaisuuksien vuoksi, jotka aikaansaavat oksidikalvon, joka näyttää hyvin soveltuvan kuparikerroksen liian pienen tai suuren adheesio-ongelman voittamiseen ja niiden syöpymiskestä-vyys on poikkeuksellisen hyvä. Edistynein muoto titaanisesta, uudelleenkäytettävästä katodista on yhdistelmä, joka käsittää yhdistetyn kannatustangon, joka pääasiassa koostuu kuparista ja siihen liittyvästä titaanikomponentista, johon titaania oleva katodilevy on hitsattu. Eräässä muodossa kannatustanko on kupa-ritanko, joka on suljettu titaanikuoren sisään, ja katodilevyn ylempi osa on muodostettu hanhenkaulaksi siten, että se osa voi olla hitsattu suoraan ripustustankokotelon yhteen sivuun. Eräässä toisessa muodossa kannatustanko on kuparitanko, jossa on titaania oleva sydäntanko, joka on sen sisäpuolella pituussuunnassa sen suhteen. Tässä tapauksessa katodilevy on taivutettu hanhenkaulaksi, kuten edellä, ja se on hitsattu sydäntankoon titaania olevien lyhyiden nastojen avulla, joilloin nastat pistävät kuparitangossa olevien reikien läpi ja kunkin nastan toinen pää on hitsattu kiinni sydäntankoon ja toinen pää on hitsattu kiinni katodilevyn reunaan.

Esimerkki edellä selitetystä tunnetusta "titaani"-laitteesta on esitetty GB-patenttijulkaisussa 1.415.793.

Kuitenkaan titaani ei ole ilman puutteita. Se on kallis ja sen valmistus on käytännössä monimutkainen. Tämän keksinnön alkuperäinen tarkoitus oli voitaa tai parantaa ainakin muutamia mainituista puutteista ja parhaassa suoritusmuodossa kaikki nämä puutteet erityisen yksinkertaisella ja halvalla tavalla käyttämällä katodia, joka on todella kokonaan ruostumatonta terästä, on rajoittamattomasti uudelleen käytettävä, säilyttää tasaisuu- 68430 tensa, aikaansaa vähentymättömän virrankulun kytkinkiskon ja kannatustangon välillä ja tämän tangon ja levyn välillä, muodostaa pysyvän oksidikalvon, joka toimii tehokkaana erotusker-roksena helpottaen kerrostuneen kuparin poistamista katodista ja muodostaa samalla riittävän adheesion kerrostuvan kuparin kiinnittämiseksi rakentumisen aikana, ja on erityisen sopiva mekaaniseen käsittelyyn sen valmistuksessa ja käytössä.

Keksinnön koekäyttö on osoittautunut niin menestykselliseksi, että on pidetty taloudellisena laajentaa tämän katodin käyttö hakijan koko kuparielektrolyysihalliin.

Perinteinen puhdistusmenetelmä käyttää hyväkseen tietyssä määrässä kennoja olevia emälevyjä kahden ohuen levyn tuottamisek-sipuhdistetusta kuparista kustakin levystä joka päivä. Nämä levyt asennetaan sitten kuviossa 1 esitettyihin katodeihin.

Erityinen siemenlevyjen valmistusoperaatio käsittäen lisätarkas-tuksen, korkeamman tehonkulutuksen tuotetonnia kohti ja huomattavasti työkuluja voidaan eliminoida käyttämällä tätä keksintöä kaikissa kennoissa ja pitemmän kasvuajan (viikko tai enemmän vain 24 tunnin sijasta) ennen irroitusta. Se siis tuottaa sopivan elektrodin mekaanista käsittelyä ja mekaanista irroitusta varten, josta saatava tuote on kauppapuhdasta katodikuparia.

Lisäksi katodin tarkat mitat, yhdessä tarkasti mitoitettujen anodien kanssa, tekevät mahdolliseksi toimia pienemmällä elektrodien välimatkalla ja täten vähennetään huomattavasti voimakustannuksia, ja tärkeintä on se, että suureksi osaksi eliminoidaan oikosulut ja siten vähennetään lisää työkustannuksia ja tehdään helpoksi oikosulkujen tietokonevalvonta. Lisäksi tehokkaampi toiminta, mikä on tehty mahdolliseksi pienemmillä etäisyyksillä, ja korkeampi virrantiheys, jolla puhdistusoperaatio voidaan suorittaa johtuen oikosulkujen poistamisesta, tarkoittavat sitä, että määrättyä vuosituotantoa varten oleva laitteisto voidaan sijoittaa pienempään rakennukseen, mikä tarjoaa huomattavia säästöjä pääomainvestointeihin tätä rakennusta varten.

Eliminoimalla siemenlevyt ja niiden vaatima erityinen suurempi 5 68430 välys, anodit ja erityisesti taipumus joutua lyhytsulkuihin vähennetään prosessissa jatkuvasti kiertävän kuparin määrää. Kun tämä vähennys voi olla jopa 20¾ sanokaamme 10.000 tonnista, niin prosessissa olevaan kupariin investoitu rahamäärä on huomattavasti pienentynyt. Tämän toteuttamiseksi on keksinölle tunnusomaista patenttivaatimuksessa 1 esitetyt seikat.

Keksinnön eräs edullinen toteutusesimerkki on kuvattu kuvioissa 2-6.

Kuvio 2 on perspektiivikuva katodista, jota ei ole esitetty oikeissa suhteissa.

Kuvio 3 on sivukuva samasta katodista.

Kuvio 4 on päätykuva projektiona kuviosta 3.

Kuvio 5 esittää suurennetussa sitä osaa kuviosta 4, mikä on merkitty numerolla 5.

Kuvio 6 on viivaa 6-6 pitkin otettu leikkaus vielä lisää suurennetussa mittakaavassa.

Kuvioihin 2-6 viitaten on ruostumatonta terästä oleva kannatustan-ko 11 sopivimmin poikkileikkaukseltaan ns. RSJ-palkki tai I-palkki kuten on esitetty. Se voisi olla jotakin muutakin profiilia mutta esitetty on paras, koska se on painoltaan kevyt ja tästä johtuen taloudellinen teräsvalmiste. Se on rakenteellisesti edullinen ja muodostaa suhtellisen suuren pinnan kuljetettavaa virtaa varten. Tangossa 11 on tasainen alapinta 12 ja pääteosat 13 on sovitettu lepäämään kannattimien ja sähköjohteiden päällä kuten tiedetään.

Tasainen ruostumatonta teräslevyä oleva katodilevy 14 on hitsattu kuten on esitetty kuvion 5 kohdassa 15, yläreunastaan kiinni alapintaan 12 siten, että levy lähtee pystysuoraan alapinnasta 12. Levyssä 14 on sopivimmin pari aukkoa 16, jotka on tehty siihen ennen hitsausta. Nämä aukot helpottavat katodijoukon massakäsit-telyä, kun pistetään kannatusvarret tai haarukan haarat aukkojen läpi.

Joukko ruostumattomia teräksiä voi palvella tehokkaasti katodile-vyinä tässä tarkoituksessa, mutta kuparin irroituksen helpot- 6 68430 tamiseksi suositellaan kuitenkin käytettäväksi sellaista ruostumattoman teräksen laatua, mitä merkitään "AISI 316 ELCM ja millä on pintakäsittely, mikä tunnetaan 2B-standardina. Tällä teräksellä on likimäärin seuraava koostumus: hiili 0,03 paino-% nikkeli 12,0 kromi 17,0 -"- molybdeeni 2,25 -"- ja 2B-pintakäsittely on kiiltävän ja himmeän välillä, ja on hopeanharmaa, jolloin puolikiiltävä pinta on valmistettu kylmä-valssauksella, pehmennyksellä ja peittauksella, ja sitten kevyellä loppuvalssauksella kiilloitetuilla valsseilla.

Esitettyä terästä ja pintakäsittelyä on pidetty parhaina, koska kokeet ovat osoittaneet, että ne aikaansaavat riittävän kiinni-tystarttuvuuden teräslevyn ja siihen kerrostuneen kuparin välille, jotta estetään kuparin kuoriutumunen tai irtoaminen itsestään; kuitenkaan tämä kiinnitys ei ole sellainen, että se estäisi valmiin kuparikerroksen irroittamisen teräslevystä. Irroitus voidaan suorittaa käyttämällä veitsimäisiä teriä tai veitsenterä-kiiloja, jotka pistetään teräslevyn ja kerrostuneen kuparin väliin kuparin yläreunassa; kuitenkin käytettäessä edellämainitun tyyppistä ruostumatonta terästä ja pintakäsittelyä meidän kokeemme ovat osoittaneet, että tehokas irroitus voidaan suorittaa automaatisesti kuljettamalla kuparilla ladatut katodit vasarointiaseman läpi, missä kerrostunutta kuparia naputellaan lujasti sen yläreunan läheltä molemmilta puolilta, tämä irroit-taa kuparin yläreunan ja irroitus suoritetaan loppuun johtamalla yksi tai useampia ilmasuihkuja teräksen ja kuparin irronneen yläreunan väliseen erittäin pieneen rakoon.

Ruostumaton teräs, mistä kannatustanko on tehty, voi olla samaa kuin mistä levy on tehty. Tanko voi kuitenkin olla jotakin muuta ruostumatonta terästä, kun huolehditaam siitä, että se on sellaista, johon levy voidaan hitsata.

Kuten tässä aikaisemmin on mainittu, ruostumaton teräs ei ole erityisen hyvä johdin, ja sellaisen kannatustangon käyttö, 7 68430 joka on tehty ainostaan teräksestä, ei ole riittävä virran kuljettamiseksi avokiskon ja katodilevyn välillä. On huomattu, että tämä voidaan yksinkertaisesti voittaa päällystämällä kan-natustanko ja siihen hitsatun levyn yläreuna kuparilla. Tämä päällystys voidaan suorittaa tunnetulla päällystystekniikalla ja noin 1 mm:n paksuus on katsottu parhaaksi aikaansaamaan riittävä sähkönjohtokyky ja kyky vastustaa syöpymistä. On syytä mainita, että aikaisemmin tässä oksidikalvon mukanaoloa emälevyn päällä on pidetty haluttuna sen johdosta, että se toimii erotus-kerroksena, jotta helpotetaan kuparin erottamista levystä;

Kuparilla päällystetyn reunan leveys emälevyn yläosassa ei ole kriittisesti määrätty, se päättyy hieman elektrolyytin pinnan yläpuolella. Ilmeisesti kuparin kerrostumista päälystettyyn pintaan ei tarvitse sallia. Samoin levypinta, johon puhdas kupari kerrostuu toiminnan aikana, ei tarvitse ulottua alareunoihin 17, jotka määrittelevät aukot 16. Siitä seuraa, että kupari-päällyste saattaa päättyä hieman ennen reunoja 17 ja sovitettuna siten, että se peittää (parhaiten hiekkapuhalletun) hitsaus-metallin kohdassa 15.

On selvää, että kuparin erotuksen helpottaminen vaatii katodi-levyn reunojen tehokasta rajausta siten, että kuparikerrostuma ei ulotu jatkuvasti näiden reunojen ympäri. Tämä koskee erityisesti levyn pystysuoria sivureunoja. Pohjareuna ei niin tarvitse rajausta ja tästä reunasta rajaus voidaan jättää pois; kuitenkin irroituksen varmuuden parantamiseksi pidämme parempana peittää pohjareuna ainoastaan antamalla sille kuumakastaminen noin 10 mm:n syvyyteen korkean sulamispisteen omaavalla joustavalla vahalla tai muulla päällystysmateriaalilla.

Mitä tulee katodin sivureunojen rajaamiseen, tämä keksintö ilmaisee tärkeän lisäedun aikaisemmin mainittuihin titaanilevyi-hin verrattuna.

Titaania olevissa katodeissa, tämän metallin suhteellisen korkean johtokyvyn johdosta, esiintyy taipumus kerrostuneen kuparin partikkeleiden valumiseen rajaussuikalemateriaalin alla.

Kun tämä tapahtuu, kuparisulkeumat jatkavat kasvamista rajaus- 8 68430 suikaleen (tavallisesti muovimateriaalia) alla ja pyrkivät siten kohottamaan suikaletta ja siten tekevät mitättömäksi rajauksen tarkoituksen ja siis aiheuttavat tarpeen uudelleenrajaukseen ennen jatkokäyttöä.

Ruostumatonta terästä olevilla katodilevyillä suhteellisen heikko johtokyky estää kuparikasvun rajausvälineiden alle ja sellainen kasvu on sillä tavalla vähennetty sellaiseen määrään, mikä on aivan vähäpätöinen.

Tästä huolimatta toivotaan edelleen tehokasta rajausta ainakin katodin sivureunoille; ja mielestämme paras rajaustapa, mitä me käytämme, on esitetty parhaiten kuviossa 6.

Viittaamalla pääasiassa tähän kuvioon, rajausvälineet käsittävät pituussuunnassa lovetun muovilistan, joka on kiinnitetty levyyn 14 muovitapeilla 19. Nämä tapit pistävät levyyn 14 tehtyjen reikien 20 läpi.

Lista 18 ja tapit 19 on edullisesti tehty samasta muovimateriaalista, ja sopiva materiaali on korkealaatuinen, lämpöä ja iskuja kestävä muovi, mikä tunnetaan nimellä CYCOLOY 800. Tämä on polymeerinen seos akryylinitriili-butadieeni-styreenistä (ABS) ja polykarbonaatista, kuten on kuvattu US-patentissa 3.130.177.

Lista 18 ja tapit 19 on kiinnitetty toisiinsa käyttämällä sopivaa sidosainetta, sellaista kuin 30 I Cycoloy 800 liuosta metyleeni-kloridissa.

Sellainen sidosaine jähmettyy elastiseksi ja sen lisäksi, että se toimii liitosaineena se palvelee hyödyllistä tarkoitusta seuraavaan tapaan.

Kokeiden aikana, jotka johtivat tähän keksintöön, huomattiin, että muutamissa tilanteissa listoilla oli taipumusta heikkoon pullistumiseen tappikiinnitysten välillä. Tämä oli tietenkin epämiellyttävää ja sen katsottiin johtuvan teräksen ja listan välisestä laajenemiserosta. Tämä tilanne korjattiin tekemällä reiät 20 ylisuuriksi, kuten on esitetty kuviossa 6. Käytettäessä listoja ja tappeja reiät 20 ovat täytetyt liuotinaineella, 9 68430 joka jähmettyy elastiseen tilaan toimiakseen siten laajenemis-liitoksena sallien riitävän pituussuuntaisen liikkeen listalle katodilevyn suhteen, mikä kompensoi laajenemiserot.

Listat on meiluimmin ensiksi muodostettu suulakepuristuksella tai ruiskupuristuksella, ja tässä vaiheessa on toivottavaa, että raon 22 aukon määrittelevät pisteet 21 sijaitsevat lähempänä toisiaan kuin kuviossa 6 on esitetty. Tämä siksi, että kun lista asennetaan levyyn, raon 22 reunoilla on itsessään joustava jän-nitystaipumus puristaa niitä kosketukseen levyn kanssa.

Ylimääräisenä varotoimenpiteenä pisteet 21 on parhaiten tiivistetty katodilevyn suhteen asettamalla vahaa tai muuta materiaalia oleva tiivistyssuikale, kuten on merkitty numerolla 23.

Claims (9)

1. 68430 10
2. 1. Kuparin elektrolyyttisessä puhdistuksessa käytettävä katodi, joka käsittää kannatustangon (11), jossa on tasainen alapinta (12) ja pääteosat (13), jotka on sovitettu lepäämään kannattimien ja sähkökoskettimien päällä sekä katodilevyn (14) , joka on ruostumatonta terästä ja kiinnitetty hitsaamalla yläreunastaan tunnettu siitä, että kannatustanko (11) on ruostumatonta terästä ja ruostumatonta terästä oleva katodilevy (14) on kiinnitetty hitsaamalla kannatustangon alapintaan (12) pääteosien (13) väliin ulottuen pystysuoraan mainitusta alapinnasta (12) alaspäin ja että kuparipäällyste ympäröi kannatustankoa (11) sekä ainakin katodilevyn ylempää reunaosaa ja että katodilevy (14) käsittää välineet ainakin pystysuorien sivureunojen peittämiseksi.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katodi, tunnettu siitä, että kannatustanko (11) vastaa poikkileikkausmuodoltaan I-palkkia.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen katodi, tunnettu siitä, että katodilevyssä (14) on nostokolot, jotka on muodostettu siihen katodilevyn (14) siinä reunassa olevista aukoista (16), josta levy (14) on hitsattu kiinni kannatustankoon (11).
5. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen katodi, tunnettu siitä, että mainittu kuparipäällystys on muodostettu galvanoinnilla. 1 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen katodi, tunnettu siitä, että mainitut peittämislaitteet käsittävät muovilistat (18), joissa on pituussuuntainen ura, johon lista (18) sulkee levyn (14), ja joukon muovitappeja (19), jotka pistävät levyssä (14) olevien reikien (20) läpi ja niiden osat on järjestetty loven kummallekin puolelle ja liitetty listaan. 11 68430
6. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen katodi, tunnettu siitä, että lista (18) on muodostettu suulakepuristuksella ja tapit (19) on asennettu siihen siten, että loven sivut on joustavasti kuormitettu lepäämään kiinteästi niiden väliin sijoitettua katodilevyosaa vasten.
7. 7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen katodi, tunnettu siitä, että emälevyssä (14) tappien (19) vastaanottamista varten olevat reiät (20) ovat ylimitoitetut mainittuihin tappeihin verrattuna ja näin muodostunut tyhjä tila on täytetty elastisella liuotinaineella, niin että jokainen mainittujen tappien kohdalle syntynyt liitos muodostaa liikuntaliitoksen.
8. 8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen katodi, tunnettu siitä, että peittämislaitteet käsittävät vahasuikaleet, joilla loven sisäpuoli on tiivistetty katodilevyn sen osan suhteen, joka on pistetty mainittuun loveen.
9. 9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen katodi, tunnettu siitä, että katodilevyn alapää on rajattu sen päälle sijoitetulla kalvolla, joka on korkean sulamispisteen omaavaa joustavaa vahaa. 68430 12