KR101009075B1 - 캡슐화된 캐소드 행거 바 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

금속의 제련 또는 정제, 통상적으로 구리의 전기 정제 또는 제련에 사용되는 캐소드는 상부 에지를 따라 연장한 행거 바에 고정되게 부착되고 그에 의해 연결부를 형성하는 실질적으로 두꺼운 증착 플레이트를 포함한다. 보호 클래딩은 증착 플레이트에 부착되고 그리고 적어도 부분적으로 행거 바를 감싸고 그래서 연결부 영역에서 캐비티를 형성한다. 내부식성 물질은 캐비티를 채운다. 이런 방식으로 내부식성 물질은 부식성 물질이 연결부에 침투하는 것을 방지한다. 내부식성 물질은 부식성 전해질 용액 및 다른 액체에 의해 증착 플레이트와 행거 바 사이의 전도성 연결부가 부식되는 것을 방지하고, 만일 그렇지 않으면 캐소드의 효율이 감소된다.

캐소드, 증착 플레이트, 보호 클래딩, 내부식성 물질, 전해질 용액

Description

캡슐화된 캐소드 행거 바 및 제조 방법 {Encapsulated cathode hanger bar and method of manufacturing}

본 발명은 금속의 정제(winning) 또는 제련(refining)에 통상적으로 사용되는 증착 캐소드(deposition cathode)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 증착 플레이트 및 보호 클래딩(cladding)으로 씌워진 행거 바를 포함하고 여기서 행거 바의 증착 플레이트(deposition plate)의 내부 용접 이음새(internal welded joint)와 클래딩 사이의 갭은 채워지고 그에 따라 용접부는 내부식성 물질(corrosion resistant material)로 캡슐화하고 그리고 부식성 매체의 침입을 방지함을 특징으로 하는 증착 캐소드 어셈블리에 관한 것이다.

많은 비철금속(non-ferrous metal)의 정제나 제련은 전기분해에 의해 성취된다. 물보다 쉽게 산화와 환원이 되는 금속에서, 전기 정제(electro refining) 기법은 적당한 산성조(acid bath)에서 미정제된 금속으로 제조된 아노드(anode) 및 캐소드를 함께 배치하는 것을 포함한다.

아노드와 캐소드 사이의 전압의 적용은 미정제된 금속을 산화시키고 그리고 순수 금속 이온을 산성조를 통한 전기 분해 방법으로 캐소드까지 이동시킨다. 금속 이온은 고 순도의 정제된 금속으로 캐소드에 증착되고, 대부분의 불순물은 산성 조의 바닥에 가라앉는다. 선택적으로, 전기 정제 공정(electro winning process)에서 아노드는 정제된 금속과는 다른 물질로 제조되고, 예를 들면, 구리의 전기 정제에서 사용되는 하나의 아노드는 납(Pb), 주석(Sn), 칼슘(Ca)의 합금으로 제조된다. 정제되기 위한 금속, 이 경우에 구리는 가용성 형태(soluble form)로 주로 여과(leaching) 및 용매 추출 공정(solvent extraction process)에서 전해질 용액으로 전달된다. 캐소드와 아노드에 걸친 전압의 적용은 캐소드 위의 용해와 증착으로부터 제련된 금속성 상태로 구리를 이동시킨다.

캐소드는 통상적으로 평평한 상부 에지를 따라 전기 전도성 행거 바에 부착되는 사각형 증착 플레이트를 포함한다. 정제되는 동안 산성조를 수용하는 탱크(tank)에 걸쳐진 행거 바는 차례로 외부 전원을 이용하여 전기적으로 접촉하고, 이는 통상적으로 행거 바 받침대의 단부와 탱크의 반대편 에지를 따라 연결되는 한 쌍의 전기 전도성 버스 바들에 의한다. 그러므로 행거 바는 이중의 목적이 있다: 산성조 안에 증착 플레이트를 달기 위한 수단을 제공하고, 증착 플레이트와 동력 공급원 사이의 전기적 전류의 통전을 위한 경로를 제공한다.

충분한 구리가 아노드에서 캐소드로, 또는 가용성물질(용매)에서 캐소드로의 이동할 때 적당한 시간을 준 후에, 캐소드는 산성조로부터 제거된다. 선택적으로, 다른 금속들이 캐소드 제조에 사용될 수 있다. 이러한 금속들 중 하나가 사용되는 경우에, 정제된 금속은 스크랩핑(scraping), 담금질, 압축공기의 사용 등을 포함하는 널리 알려진 다양한 스트립핑(stripping) 기술에 의해 추출될 수 있다. 이것은 캐소드가 이전의 정제된 금속의 제거와 다른 요구되는 준비 작업을 적게 또는 준비 작업 없이 재사용될 수 있다는 이점을 갖는다.

종래기술은 정제하고자 하는 금속과 다른 금속으로 제조된 증착 시트 및 다른 구성요소들을 구비한 다수의 캐소드들을 나타낸다. 그러한 금속들의 예는 알루미늄, 티타늄 및 스테인리스강을 포함한다. 이들 금속들은 증착 플레이트로써 이용을 돕는 다수의 특징, 비교적 높은 인장강도 및 매우 좋은 내부식성을 포함하는 특징을 나타낸다. 그러나, 인장강도와 내부식성의 증가는 통상적으로 전도성의 감소 및 그에 따른 공정 효율의 감소와 상쇄된다.

종래기술은 행거 바가 증착 플레이트와 동일한 또는 유사한 물질로 제작된 캐소드 어셈블리를 나타낸다. 행거 바와 증착 플레이트는 서로 용접되고, 증착 플레이트의 작은 부분이나 용접된 부분은 전도성 레일과 증착 플레이트 사이의 전도성을 개선하기 위하여 구리와 같이 높은 전도성 클래딩으로 코팅된다. 이러한 종래기술의 캐소드 어셈블리는 전류가 흐르는 결점을 갖고 있고, 그것으로 인해 전기분해 공정의 효율은 전도 클래딩(cladding)의 두께로 크게 제한된다. 덧붙여, 전도 클래딩은 스플래싱 등에 의해 구멍 및 다른 부식 효과를 가져올 수 있는 산성조의 부식 용액에 노출되고 증착 플레이트의 표면에서 클래딩(cladding)의 전해의 이동과 함께 클래딩의 전도성을 더 감소시킨다.

상술한 그리고 다른 결점을 기술하기 위하여, 종래기술은 행거 바가 구리와 같이 매우 낮은 내부 내식성을 갖는 높은 전도성 물질로부터 제조되고 통상적으로 용접을 통하여 행거 바에 부착되는 증착 플레이트를 구비한 비교적인 어셈블리들을 나타낸다. 그러나 다른 금속들의 이용에 따라, 용접은 너무 이른 갈바니 전기의 부식을 할 여지가 있고, 그에 의해 행거 바, 증착 플레이트의 작은 부분과 용접부분은 증착 플레이트와 같거나 유사한 것의 적당한 형태와 편안한 클래딩(cladding)을 외장한다. 클래딩의 에지는 그 후 증착 플레이트에 용접되고 그것에 의해 전해질 용액의 부식 함유량의 효과로부터 어느 정도 행거 바를 보호한다. 부가적으로, 행거 바는 증착 공정의 완성으로 산성조의 밖에 증착 플레이트를 잡아당겨 사용하고, 증착 플레이트에 증착된 금속의 적지 않은 질량을 남기고, 클래딩은 어셈블리의 강화라는 추가된 이익을 또한 제공한다.

그러나 종래 기술의 주요 결점은 부식성 액체가 산성조로부터 벗어나려 하고, 덮개와 증착 플레이트 사이의 용접을 우회하고 그리고 행거 바와 증착 플레이트 사이의 이음새를 침투한다는 것이다. 이것은 이음새의 금속과 부식의 전해질 이동을 이끌어낸다. 추가적으로, 이음새는 클래딩(cladding)뒤에 숨겨져 있고, 부식 전해물을 없애는 세척은 만일 불가능하지 않고 그것에 의해 부식액체의 효과를 저지하는 것이 어렵다면 어렵다.

본 발명은 금속의 제련에 사용되는 캐소드를 제공함에 의해 상술한 그리고 다른 결점을 제시한다. 캐소드는 상부 에지를 따라 연장한 행거 바까지 고정되게 부착되고 그에 의해 연결부를 형성하는 실질적으로 평평한(flat) 증착 플레이트를 포함한다. 보호 클래딩은 증착 플레이트에 인접하고 그리고 적어도 부분적으로 행거 바를 감싸고 그래서 연결부 영역에서 캐비티(cavity)를 형성한다. 내부식성 물질(corrosion resistant material)이 캐비티를 채우기 위해 사용된다. 내부식성 물질은 부식성 물질(corrosive substance)이 연결부에 침투하는 것을 방지한다.

금속의 제련에 사용되는 캐소드 어셈블리의 제조 방법이 또한 제공된다. 캐소드는 금속을 전착(electrodepositing)시키기 위한 증착 플레이트를 포함하는 방식이다. 방법은 다음의 단계를 포함한다:

(a) 상부 에지를 구비한 실질적으로 평평한 증착 플레이트를 제공하는 단계;

(b) 증착 플레이트 어셈블리를 제공하기 위해 긴 행거 바를 상기 증착 플레이트의 상기 상부 에지에 고정하는 단계;

(c) 상기 행거 바와 상기 증착 플레이트의 상기 상부 에지 사이의 고정 영역을 실질적으로 덮어씌우도록 상기 증착 플레이트 어셈블리에 보호 클래딩을 잠그며, 그에 따라 상기 클래딩과 상기 증착 플레이트 어셈블리 사이에 캐비티를 형성하는 단계; 그리고

(d) 제조된 캐소드 어셈블리를 제공하기 위해 상기 캐비티를 내부식성 물질로 채우는 단계.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 캐소드의 측면 입면도; 그리고

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 캐소드의 도 1에서 2-2를 따른 횡단면도이다.

본 발명에 따른 실시형태가 이제 기술될 것이다.

도 1을 참조하면, 일반적으로 숫자 10으로 지시되는 캐소드 어셈블리가 도시 된다. 캐소드 어셈블리(10)는 실질적으로, 비교적 높은 인장강도(high tensile strength) 및 우수한 내식성(corrosion resistance)을 구비한 전기 전도성 물질로 제조된 사각형 증착 플레이트(12)를 포함한다. 실시형태에서, 대략 3.25㎜ 두께의 AISI 타입 316L 오스테나이트계 스테인리스강(austentic stainless steel)은 0.16 내지 0.60 미크론의 표면 거칠기(roughness)를 갖는, ASTM A480, 2B 형태로 바람직하게 마감된 증착 플레이트(12)의 표면을 구비한 증착 플레이트(12)를 제조하는데 사용된다.

증착 플레이트(12)의 표면에서 증착된 구리의 기계적 분리를 야기하는, 에지 주위의 증착 플레이트(12)의 표면에 증착되는 구리의 변형(creep)을 방지하기 위해, 하부 에지(18)로부터 증착 플레이트(12)가 잠기는 전해질(20; electrolyte)의 최대 수위를 넘어서는 부분까지 연장하는 증착 플레이트(12)의 에지(16)를 따라 한 쌍의 에지 보호대(14; edge-strip)가 부착된다. 에지 보호대(14)는 비전도성(non-conductive) 물질, 예를 들면 폴리프로필렌(polypropylene)으로 제조되고, 그리고 전해질 및 구리의 침입에 대항하는 밀봉(seal)을 측면 에지(16)에 제공한다. 에지 보호대(14)의 설치 이전에, 자체 접착식 밀봉 개스킷 테이프(도시되지 않음; self adhesive sealing gasket tape)가 밀봉을 더 개선하기 위해 측면 에지(16)에 설치된다.

도 2를 참조하면, 증착 플레이트(12)의 상부 에지(22)는 구리 행거 바(24)의 하부 표면(28)에 가공된 슬롯(26)으로 증착 플레이트(12)의 제 1 삽입에 의해 구리 행거 바(24)에 부착된다. 그 후 증착 플레이트(12)는 구리 행거 바(24)에 공지의 TIG 용접 기법을 사용해 용접된다. 이런 방식으로 제 1 심 용접쌍(30; seam weld)들은 표면 및 증착 플레이트(12)의 전체 폭(breadth)을 따라 증착 플레이트(12)의 표면이 행거 바(24)의 하부 표면과 만나는 부분에 형성된다.

선택적인 실시형태에서, 증착 플레이트의 상부 에지(22)는 슬롯이 아니라 오히려 행거 바(24)의 하부 표면(28)에 대향하는 버트(butt)에 삽입된다.

행거 바(24)는 고순도(high purity)의 비합금 고체 구리(unalloyed solid copper), 이를테면 UNS(Unified Numbering System) 지정 C11000 전해인성 구리(electrolytic tough pitch copper)로 제조되고, 그리고 제 1 심 용접쌍(30)은 주로 증착 플레이트(12)와 구리 행거 바(24)사이에 전류(electrical current)의 우수한 전도성(conduction)을 제공한다.
도 2를 참조하면, 특정 실시에 있어서 증착 플레이트(12)의 하부 에지는 역 V자-형태부(31)를 포함하도록 가공될 것이다.

도 2에 더하여 다시 도 1을 참조하면, 행거 바(24), 증착 플레이트(12)의 상부 에지(22) 그리고 제 1 심 용접쌍(30)은 길이가 긴(elongate) 스테인리스강 클래딩(32) 내에 캡슐화되고, 클래딩(32)은 1.5 ㎜ 두께의 AISI 316 스테인리스 강판으로 제조된다. 클래딩(32)은 적절하게 형성되고 그리고 헐거운 끼워맞춤(clearance fit)을 포함하며, 따라서 증착 플레이트(12)의 행거 바(24)의 심 용접에 이어 행거 바/증착 플레이트 어셈블리 위에서 자유롭게 미끄러진다

일단 행거 바(24) 및 증착 플레이트(12)위에 위치되면, 클래딩(32)의 하부 에지(34)는 증착 플레이트(12)의 표면 위에 용접된다. 용접은 증착 플레이트(12)의 전체 폭을 따라 제 1 심 용접쌍(30)의 하부에 인접하여 제 2 심 용접쌍(36)의 증착을 가져온다. 클래딩(32) 및 제 2 심 용접쌍(36)들은 부식성 전해질 용액 (corrosive electrolyte solution) 및 다른 액체의 제 1 심 용접쌍(30)으로 그리고 증착 플레이트(12)의 상부 에지(22)와 행거 바(24)의 하부 에지(28) 사이의 이음새로의 침입에 반하는 어떤 보호와 더불어 행거 바(24)의 재실행(re-enforcing)의 이중 목적을 제공한다. 부가적으로, 클래딩(32)의 단부(38)를 향한 하부 에지는 서로 연결 및 용접된다.

도 1을 참조하면, 상술된 전기적 정제 공정(electro-refining process) 동안에, 증착 플레이트(12)는 숫자 20으로 지시되는 근접한 수준까지 전해질 용액(electrolyte bath; 도시되지 않음)에 잠긴다. 증착 플레이트는 전해질 용액을 포함하는 탱크(tank; 모두 도시되지 않음)의 맞은편 에지를 따라 평행하게 가동하는 한 쌍의 전기 전도성 버스 바(electrically conductive bus bar)에 위치하는 구리 행거 바(24)의 단부(40)에 의해 이런 수준으로 유지된다. 상당히 많은 금속이 전기적 정제 공정 동안에 증착 플레이트(12)에 증착될 수 있으므로(1 ㎡ 판에 200 ㎏이상), 다량의 힘을 증착 플레이트(12)와 구리 행거 바(24) 사이의 이음새에 집중하도록 가할 수 있다. 재실행은 다량의 증착된 금속에 의해 제 1 심 용접쌍(30)에 가해지는 많은 압력을 완화하고, 그에 따라 제 1 심 용접쌍(30)이 파손 또는 깨어질 가능성을 감소시키고, 그에 따라 전도성을 감소시킨다. 이는 이어서 캐소드 어셈블리(10)의 견고성(robustness) 및 신뢰성을 향상시키고 그리고 결과적으로 그것의 사용 기간을 향상시킨다.

도 1에 더하여 도 2를 참조하면, 비록 클래딩(32)이 제 1 심 용접쌍(36)으로의 부식성 전해질 용액의 침입에 반하는 어떤 보호를 제공하는 장소에 용접된다하더라도, 제 2 심 용접쌍(36)에 의해 제공되는 밀봉은 밀폐되지 않는다. 그러므로, 만약 검사되지 않은 채 남아 있다면, 부식성 전해질 용액 또는 다른 액체가 결국 제 2 심 용접쌍을 침투하는 그리고 행거 바(24)와 증착 플레이트(12) 사이의 이음새에 불리하게 작용하는 잠재성이 존재한다. 이 문제점은 증착 플레이트(12)에서 정제된 금속의 제거 및 전해질 용액으로의 재삽입 전에 증착 플레이트(12)의 표면의 세척 및 재가공(refinishing)과 더불어 전해질 용액(도시되지 않음)으로 캐소드 어셈블리(10)의 반복되는 삽입 및 추출에서 발생하는 피할 수 없는 마손(wear and tear)에 의해 악화된다. 그러므로, 클래딩(32) 밑에 부식성 용액 또는 다른 액체의 침입에 반하는 부가의 보호를 제공하기 위해, 방부 방수제(42; corrosion resistant sealant), 예를 들면 에폭시 수지(epoxy resin)가 행거 바(24)의 하부 표면(28)과 클래딩(32)의 내부 표면(44) 사이에 형성된 공간으로 주입된다. 이는 구리 행거 바(24)와 증착 플레이트(12) 사이의 제 1 심 용접쌍(30)에 의해 제공되는 전기 전도성(electrical conductivity)이 연장된 기간동안 지속되는 것을 보장한다.

통상적으로, 내부식성 물질(42)은 작은 구멍(46)에 의해 보호 클래딩(32)에 주입된다. 그 후 내부식성 물질(42)은 구리 행거 바(24)의 하부 표면과 클래딩(32)의 내부 표면 사이에 클래딩(32)의 전체 길이를 따라 주입된다. 그 후 내부식성 물질(42)은 제 1 심 용접쌍(30) 주위의 용접 밀폐를 경화시킨다.

이제 도 1을 참조하면, 상술된 정제 공정 동안에, 상당히 많은 금속은 증착 플레이트(12)위에 증착될 수 있다. 그러므로, 전해질 탱크(도시되지 않음)에서 캐 소드 어셈블리(10)의 자동화된 추출을 돕기 위해 사각형 슬롯(48)이 증착 플레이트(12)를 통해 제 2 심 용접쌍(36)의 하부에 인접한 부분에 가공된다. 후크(hook; 도시되지 않음) 또는 다른 양력 장치, 예컨대 포크 리프트(fork lift)의 가지(tine)는 슬롯(48)에 삽입될 수 있고 그리고 캐소드 어셈블리가 상승된다.

비록 본 발명이 위에 그 바람직한 실시형태를 통하여 기술되어 있다 하더라도, 이 실시형태는, 본 발명의 범위 내에서 본 발명의 사상의 진의 및 개념으로부터 벗어남 없이 임의로 변형될 수 있다.

본 발명은 금속의 정제(winning) 또는 제련(refining)에 통상적으로 사용되는 증착 캐소드(deposition cathode)를 제공하며, 특히, 용접부가 내부식성 물질(corrosion resistant material)로 캡슐화됨에 따라 부식성 매체의 침입을 방지함을 특징으로 하는 증착 캐소드 어셈블리를 제공할 수 있다.

Claims (12)

1. 상부 에지(22)를 따라 긴 행거 바(24)에 고정되게 부착되고 그에 따라 연결부가 형성되는 실질적으로 평평한 증착 플레이트(12);

   상기 연결부 영역에 캐비티가 형성되도록 상기 증착 플레이트(12)에 인접하고 그리고 적어도 부분적으로 상기 행거 바(24)를 감싸는 보호 클래딩(32); 및

   상기 캐비티에 채워지는 경화가능 내부식성 물질(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속의 제련에 사용되기 위한 캐소드 어셈블리.
2. 제1항에 있어서, 상기 증착 플레이트(12)는 적어도 하나의 용접부에 의해 상기 행거 바(24)에 부착되는 것을 특징으로 하는 캐소드 어셈블리.
3. 제1항에 있어서, 상기 보호 클래딩(32)은 예비 성형되는 것을 특징으로 하는 캐소드 어셈블리.
4. 제1항에 있어서, 상기 내부식성 물질(42)은 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 캐소드 어셈블리.
5. 제1항에 있어서, 상기 증착 플레이트(12) 및 상기 클래딩(32)은 스테인리스강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 캐소드 어셈블리.
6. 제1항에 있어서, 상기 클래딩(32)은 적어도 하나의 용접부에 의해 상기 증착 플레이트(12)에 부착되는 것을 특징으로 하는 캐소드 어셈블리.
7. 제1항에 있어서, 역 V자-형태부(31)가 상기 증착 플레이트(12)의 하부 에지에 가공되는 것을 특징으로 하는 캐소드 어셈블리.
8. 금속의 제련에 사용되는 캐소드(10)의 제조 방법에 있어서, 상기 캐소드(10)는 금속을 전착시키기 위한 증착 플레이트(12)를 포함하는 방식이고, 상기 방법은:

   (a) 상부 에지(22)를 구비한 실질적으로 평평한 증착 플레이트(12)를 제공하는 단계;

   (b) 증착 플레이트 어셈블리를 제공하기 위해 긴 행거 바(24)를 상기 증착 플레이트(12)의 상기 상부 에지(22)에 고정하는 단계;

   (c) 상기 행거 바(24)와 상기 증착 플레이트(12)의 상기 상부 에지(22) 사이의 고정 영역을 실질적으로 덮어씌우도록 상기 증착 플레이트 어셈블리에 보호 클래딩(32)을 잠그며, 그에 따라 상기 클래딩(32)과 상기 증착 플레이트 어셈블리 사이에 캐비티를 형성하는 단계; 및

   (d) 제조된 캐소드(10)를 제공하기 위해 상기 캐비티를 경화가능 내부식성 물질(42)로 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 고정하는 단계는 상기 상부 에지(22)를 상기 행거 바(24)에 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드의 제조 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 채우는 단계는 상기 보호 클래딩(32)에 적어도 하나의 홀을 천공하는 단계 그리고 상기 캐비티 안으로 상기 내부식성 물질(42)의 액상을 주입하는 단계를 포함하고, 상기 내부식성 물질(42)은 그 후 고체상으로 경화되는 것을 특징으로 하는 캐소드의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 내부식성 물질(42)은 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 캐소드의 제조 방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 잠그는 단계는 상기 클래딩(32)을 적어도 하나의 용접부에 의해 상기 증착 플레이트(12)에 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드의 제조 방법.

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