JP6337740B2

JP6337740B2 - 電解槽用の短絡器及びそれを用いた電解精錬の非定常操業方法

Info

Publication number: JP6337740B2
Application number: JP2014222894A
Authority: JP
Inventors: 範幸長瀬; 達也秋山; 一成亀井
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: JP2016089202A

Description

本発明は、複数の電解槽を有する電解精錬設備においてその内の一部の電解槽内に浸漬しているアノード（陽極）または陰極（カソード）を引き上げる際に一時的にその部分をバイパスさせるために使用する電解槽用の短絡器に関するものである。

銅やニッケル等の非鉄金属の精錬方法として、非鉄電解精錬法が広く知られている。非鉄電解精錬法は、電解槽内の電解液に浸漬させたアノード（陽極板）とカソード（陰極板）との間に通電して電解液に溶解しているＣｕやＮｉなどの精錬対象金属（以降、目的金属と称する）をカソード表面上に電着させ、これにより高純度の目的金属を得るものである。

この非鉄電解精錬法は、電解液中の目的金属をアノードから供給する電解精製法と、電解液に目的金属を別途溶解させる電解採取法とに分類することができ、前者はアノードに精製前の目的金属からなる目的金属アノードを用い、後者はアノードに不溶性電極からなる不溶性アノードを用いる。また、電着を終えた目的金属をカソードから剥ぎ取るパーマネントカソード法と、電着したカソードのまま製品とする種板電解法とがあり、前者は電着前のカソードにチタンやステンレス等のいわゆる母板を使用し、後者はパーマネントカソード法などで剥ぎ取った目的金属を矩形板状に加工したいわゆる種板を使用する。

上記のような各種のアノードやカソードは、いずれも略矩形の板状部とその上部の係合部とで構成されており、該係合部を電解槽の対向する両側壁上部に架け渡すことで、板状部の大部分を電解槽内の電解液に浸漬させるようになっている。この係合部が係合する電解槽の両側壁上部には、後述するようにブスバーとも称される電解槽上導電体が設けられており、この電解槽上導電体を介してアノードとカソードに通電し、電解液に浸漬したアノードをプラス側、カソードをマイナス側にすることで、目的金属をカソード表面上に電着させることができる。

ところで、工業的な電解精錬では一度に数多くのアノードおよびカソードに通電して効率を高めるため、特許文献１に示すように、一列に並べた複数の電解槽の各々に上記したような複数の不溶性アノードまたは目的金属アノードと、複数の母板または種板とを交互に且つ互いに平行となるように配置して同時に通電することが行われている。例えば、銅精錬工場では、一列に並べた複数の電解槽の各々に、並列接続された５０枚のアノードと、並列接続された４９枚のカソードとを１枚ずつ交互に且つ互いに平行に浸漬させ、更に隣接する２つの電解槽間においてこれら複数のアノードと複数のカソードとを直列に接続している。

上記した複数のカソードおよび複数のアノードの電気的接続を実現するため、電解槽上導電体が用いられている。電解槽上導電体は、一般に長尺の導電性部材で形成されており、電解槽を構成する側壁部のうち互いに隣接する電解槽の間に位置する隔壁若しくは仕切り板の上端面の一端部から他端部にまで延在して載置されている。そして、例えば特許文献２に示すように、電解槽上導電体はその一方の側部に当該一方の側部側に位置する電解槽内に装入されている複数のカソード群の係合部に電気的に接続すると共に、もう一方の側部に当該もう一方の側部側に位置する電解槽内に装入されている複数のアノード群の係合部に電気的に接続している。

この状態で通電を継続して各カソードの表面上に所定の厚さまで目的金属を電着させた後、電解槽内の電解液からカソードを引き上げて電着した目的金属を回収し、再度電着前のカソードを電解槽に浸漬させて通電することが繰り返される。アノードについても、時間経過と共にアノードは消耗するので、消耗したアノードは電解槽中から引き上げて新品に交換される。このようにカソードやアノードを引き上げる場合は、クレーンを用いて１つの電解槽内に入っている全枚数を同時に引き上げることが望ましい。全枚数を同時に引き上げることによって、引き上げの作業回数が少なくすむだけでなく、これと並行して行われる電解槽の掃除や電解槽上導電体の交換も容易となる。しかし、このように電解槽内からカソード群またはアノード群の全枚数を引き上げると、当該電解槽内にはカソード群またはアノード群が１枚もない状態になるので上記した直列が断絶し、その期間は他の電解槽に送る電流が途絶するので生産ができなくなるという問題があった。

この問題を解決するため、特許文献３には１つの電解槽に入っているカソード群のうちの半分のみを引き上げ、残る半分に流せる程度まで電流を抑える方法が提案されている。この特許文献３の方法により他の電解槽への通電を継続することはできるものの、電流を抑える必要があるため生産量が大きく低下することになる。そこで、特許文献４には、離れた２つの電解槽上導電体を短絡用の導体（以下、短絡器とも称する）を用いて電気的に接続する方法が提案されている。この方法によれば、電流を抑えることなく一部の電解槽のみを停電することが可能になる。

特許第３９２５９８３号公報実開昭６０−０００３６９号公報特許第３２２１０９１号公報特開２０００−１０４１９３号公報

上記したように、カソード群またはアノード群が引き上げられた電解槽をバイパスして当該電解槽以外の電解槽への通電を継続するには、バイパス接続が必要な２つの電解槽上導電体の位置関係に合わせて短絡器を電気的に接続する必要がある。しかし、カソード群またはアノード群の引き上げが行われる電解槽の位置によって当該バイパス接続される２つの電解槽上導電体が離間する距離は様々に変わる場合が生じ得る。さらに、電解槽上導電体は長年の使用によって減肉していたりねじれていたりするため、短絡器との接続部分は様々な高さや傾きになっている場合がある。また、複数の電解槽のうち横一列全体をバイパスさせる場合は、隣接する末端の電解槽の電解槽上導電体同士を接続するいわゆる大型導電体をその隣の大型導電体に短絡させたり、該大型導電体と電解槽上導電体とを短絡させたりすることが必要になる場合もある。

本発明は上記した従来の問題に鑑みてなされたものであり、様々な距離で離間していたり、高さや傾きなどの位置関係が様々に異なっていたりする２つの導電体同士であっても容易に短絡させることが可能な短絡器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る電解槽用の短絡器は、交互に且つ互いに平行に配置されているアノード群およびカソード群にそれぞれ接続する第１および第２導電体を対向する両側壁部の上部にそれぞれ有する電解槽が複数個並べられた電解精錬装置において、いずれか１つ以上の電解槽の両端側にそれぞれ位置する第１および第２導電体を短絡させる短絡器であって、該第１および第２導電体にそれぞれ電気的に接続する１対の導電性基部と、該１対の導電性基部の間で延在してこれらを電気的に連結する連絡部とからなり、該１対の導電性基部はそれぞれ該第１および第２導電体に接続する面が銅からなり、該連絡部は複数のアルミニウム板またはアルミニウム合金板が重ねられた構造を有しており且つその延在方向の中央部が延在方向に湾曲していることを特徴としている。

本発明によれば、様々な距離で離間していたり、高さや傾きなどの位置関係が様々に異なっていたりする２つの導電体同士であっても容易に短絡させることが可能になる。

本発明の短絡器が好適に用いられる複数の電解槽を有する銅電解精錬設備の模式的な平面図である。通常の操業時に図１の複数の電解槽内のアノード群およびカソード群に流れる電流の向きを模式的に示す平面図である。図１に示す複数の電解槽のうちの一部の電解槽の導電体同士が本発明の一具体例の短絡器で短絡されている様子を示す平面図である。本発明の短絡器の一具体例を示す斜視図である。本発明の一具体例の短絡器がクランプで導電体に固定されている様子を示す斜視図である。本発明の短絡器の他の具体例を示す斜視図である。

以下、本発明の電解槽用の短絡器の一具体例について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、以降の説明では、本発明の一具体例の短絡器を銅電解精錬における電解槽の導電体に使用する場合を例に挙げて説明するが、本発明の短絡器はかかる銅電解精錬の用途に限定されるものではなく、他の電解精錬の電解槽の導電体にも適用することができる。

銅精錬工場では効率よく電解精錬を行うため、たとえば図１に示すように複数の電解槽を並べて一度に複数のアノードおよびカソードに通電することが行われている。すなわち、この図１の配置例では、紙面横方向に並べられた６個の電解槽Ｖ_１〜Ｖ_６からなる電解槽の列が縦方向に４列配置された６×４個のマトリックス状の構成になっており、各電解槽の横方向の両壁部に前述した電解槽上導電体１が１つずつ配置されている。そして、横方向に隣り合う２つの電解槽同士のアノードＡ群とカソードＣ群とは、それらの間に位置する電解槽上導電体１を介して電気的に接続されている。

そして、横方向の末端に位置する電解槽（以下、端末電解槽とも称する）Ｖ_１およびＶ_６は、横方向では片側の電解槽Ｖ_２またはＶ_５にのみ隣接するので、電源に接続される末端に位置する左下および左上の電解槽を除いて末端側の電解槽上導電体１は、縦方向に隣接する端末電解槽Ｖ_１およびＶ_６の末端側の電解槽上導電体１に大型導電体２を介して接続している。これにより、縦横に並べられた複数の電解槽内のアノードＡ群およびカソードＣ群は、電解槽上導電体１および大型導電体２との共働により全体として直列回路を構成し、この直列回路の両端部に位置する左下の端末電解槽Ｖ_１の左側の電解槽上導電体１と左上の端末電解槽Ｖ_１の左側の電解槽上導電体１とを電源３に接続することによって、図２に示すように、複数の電解槽内のアノードＡ群およびカソードＣ群に矢印の方向に通電することが可能になる。

上記した図１に示す複数の電解槽のうち、一部の電解槽に収められているアノードＡ群またはカソードＣ群の引き上げを行う場合、たとえば図３に示すように下から１列目の電解槽群の左側に位置する大型導電体２と下から２列目の電解槽群の左側に位置する大型導電体２との端部同士を本発明の一具体例の短絡器１０を用いて短絡させる。これにより、これら下から１列目と２列目の電解槽群内に浸漬しているアノードＡ群およびカソードＣ群をバイパスする短絡回路が形成されるので、図３の矢印で示すようにこれらアノードＡ群およびカソードＣ群には電流がほとんど流れなくなる。よって、これら下から１列目と２列目の電解槽群内に浸漬しているアノードＡ群またはカソードＣ群を引き上げることが可能になる。

本発明の一具体例の短絡器１０は、たとえば図４に示すようにアノード群に電気的に接続している第１導電体およびカソード群に電気的に接続している第２導電体にそれぞれ電気的に接続する１対の導電性基部１１と、これら１対の導電性基部１１の間で延在してこれらを電気的に連結する延在方向に略Ｕ字状に湾曲した連絡部１２とからなる。１対の導電性基部１１の各々は、直方体形状を有しているのが好ましく、これにより一般的に長尺の板形状を有している導電体の表面上に導電性基部１１を載置した時に、導電体の下面と導電性基部１１の上面とが互いに平行になるので、図５に示すようにクランプ１３を用いて確実に固定できる。さらに、導電体の表面上に導電性基部１１を載置した時に、導電体の表面と導電性基部１１の下面とを長方形の面で密着させることができるので、接触面積を最大限広く確保することができ、接触抵抗を減らして大電流を流すことができる。

連絡部１２は、線材を撚り線のようにして束ねた構造にしてもよいが、本発明の一具体例の短絡器１０では、複数の長尺の板状部材を面同士摺動自在に重ね合わせた構造を有しており、且つその延在方向の略中央部が延在方向に湾曲している。これにより、連絡部１２に対して湾曲の曲率を変えるような応力や連絡部１２をねじるような応力が働いても、各板状部材は自在に変形でき、また隣接する板状部材同士はそれらの当接面で自在に摺動できるので、導電性を保ったままこれら応力に柔軟に対応することができる。よって、バイパス接合させる両導電体が様々な距離で離間していたりそれらの高さや傾きなどの位置関係が様々であったりしても、確実に接続することが可能になる。また、連絡部１２を構成する各板状部材は幅方向の電位が等しいので、局所的な電流の集中を抑制でき、短絡器の抵抗値を小さくできる。

上記のように連絡部１２を自在に変形させるべく各板状部材は可撓性のアルミニウム製板材またはアルミニウム合金製板材で形成されており、その両端部が導電性基部１１に取り付けられている。連絡部１２の両端部を導電性基部１１に取り付ける方法としては、限定するものではないが、たとえば溶接により簡便に取り付けることができる。その他の方法として、たとえば導電性基部１１の縁部に設けた段差部に連絡部１２の端部を嵌合させ、該端部に予め穿孔しておいた厚み方向に貫通する貫通孔に導電性部材で形成されるネジを挿通してその先端部を導電性基部１１に螺合させることにより電気的に接合することが可能になる。なお、前述したように板状部材同士が当接面で摺動できるように、上記貫通孔はネジ径より大きくするか長穴にするのが好ましい。

これにより、様々な距離や位置関係で離間している両導電体に対して治具等を特に用いることなく比較的小さな力で変形させながら取り付けることができるうえ、繰り返し変形するように用いても破損しにくくなる。また、単位質量あたりの導電率が高いので短絡器１０全体として軽量で可搬にでき、極めて取扱いが容易になる。連絡部１２は、錆や漏電や感電を防止するために塗装してもよく、そのため、各板状部材の厚みは０.１ｍｍ以上とするのが好ましい。０.１ｍｍ未満では塗膜の総量が大きくなって嵩張り、これに対し板材の占める体積を減らせば抵抗値が大きくなってしまう。一方、各板状部材の厚みは５０ｍｍ以下が好ましい。５０ｍｍを超えると、変形させるのに大きな力が必要となる。

上記したように、連絡部１２に互いに重ね合わせられた複数の板状部材をあらかじめ略Ｕ字形状に湾曲して用いることにより、そのたわみ量をより簡易に大きくしたり小さくしたりでき、さらに略Ｊ字形に変形させたりねじったりすることも容易にできる。よって、様々な距離で離間していたり様々な高さや傾きの位置関係にある導電体同士であっても、柔軟に変形させて確実に短絡させることが可能になる。また、小さな力で繰り返し変形させることも可能になる。このような構造の連絡部１２は、たとえば板材を重ねて束ねたものを曲げることで得られる。

上記した連絡部１２に電気的に接続する１対の導電性基部１１は、各々電解槽の導電体に接続する面が銅で形成されている。一般的に銅は酸化されにくいので、電解槽の導電体との接触抵抗を小さくすることができる。このような銅の接続面を備えた導電性基部１１は、たとえば図４に示すように、連絡部１２が電気的に接続されるアルミニウム母材１１Ａと、銅層１１Ｂ_１およびアルミニウム層１１Ｂ_２からなる異種金属接合材１１Ｂとを用意し、アルミニウム同士をたとえばガスバーナを用いたロウ付けで溶接することで得られる。このように銅層を有する異種金属接合材であるにも関わらず、アルミニウム母材に対して異種金属接合材のアルミニウム側を溶接するので、一般的なアルミニウム接合用のロウ材とフラックスで簡易に製作や補修できる。さらに銅とアルミニウムとの溶接よりも、アルミニウム同士の溶接の方が強固に溶接できるので、機械的衝撃や大電流や高温環境に対しても溶接部が剥離しにくく、耐久性に優れている。

銅とアルミニウムとの複合材からなる異種金属接合材は、圧延接着法によるクラッド接合材か、爆着法による爆発圧着材を用いて作製するのが好ましい。これらの製法で得た異種金属接合材は、一般的な溶接よりも強固な異種金属間結合が得られる利点がある。よって、このような異種金属接合材を用いて製作した短絡器は、機械的衝撃や大電流や高温環境に対しても、銅とアルミニウムが剥離しにくく、耐久性に優れる。

図６に示す本発明の他の具体例の短絡器２０のように、１対の導電性基部２１を複数の連絡部２２で連結させてもよい。このように複数の連絡部２２を用いることによって、単一の連絡部を有する短絡器よりも１つ１つの連絡部２２を小型化できるので、全体として小さな力で変形させることができる。これら複数の連絡部２２は互いに離間しているのが好ましく、これにより連絡部２２を変形させる際に隣り合う連絡部２２に接触しにくくなるので容易に微調整することができ、また放熱性もよくなる。あるいは、連絡部を構成する各板状部材にその延在方向に延びるスリットを設けてもよい。これにより、嵩張らせることなく上記した複数の連絡部２２と同様の効果を得ることが可能になる。

Ｖ_１〜Ｖ_６電解槽
Ａアノード
Ｃカソード
１電解槽上導電体
２大型導電体
３電源
１０、２０短絡器
１１、２１基部
１２、２２連絡部
１３クランプ

Claims

交互に且つ互いに平行に配置されているアノード群およびカソード群にそれぞれ接続する第１および第２導電体を対向する両側壁部の上部にそれぞれ有する電解槽が複数個並べられた電解精錬装置において、いずれか１つ以上の電解槽の両端側にそれぞれ位置する第１および第２導電体を短絡させる短絡器であって、該第１および第２導電体にそれぞれ電気的に接続する１対の導電性基部と、該１対の導電性基部の間で延在してこれらを電気的に連結する連絡部とからなり、該１対の導電性基部はそれぞれ該第１および第２導電体に接続する面が銅からなり、該連絡部は複数のアルミニウム板またはアルミニウム合金板が重ねられた構造を有しており且つその延在方向の中央部が延在方向に湾曲していることを特徴とする短絡器。
前記１対の導電性基部の各々は、前記連絡部が電気的に接続するアルミニウム母材と、銅材およびアルミニウム材からなり前記第１または第２導電体に電気的に接続する異種金属接合材とをそれぞれのアルミニウム面側を対向させて溶接したものであることを特徴とする、請求項１に記載の短絡器。
前記異種金属接合材は、圧延接着法によるクラッド接合材または爆着法による爆発圧着材であることを特徴とする、請求項２に記載の短絡器。
前記１対の導電性基部が、複数の互いに離間する前記連絡部で連絡されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の短絡器。
前記アルミニウム板またはアルミニウム合金板の厚みが０.１〜５０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の短絡器。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の１対の導電性基部を、前記いずれか１つ以上の電解槽内のアノード群およびカソード群への通電を停止するために該１つ以上の電解槽の両端側に位置する第１および第２導電体にそれぞれ当接させ、クランプを用いて該１対の導電性基部をそれぞれ第１および第２導電体に固定することで電気的な短絡回路を形成することを特徴とする電解精錬の非定常操業方法。