KR101029222B1 - 음극 지지바에 양호한 접촉표면을 형성하는 방법 및 지지바 - Google Patents

Abstract

본 방법은 전기분해에서 사용되는 음극의 지지바의 양호한 전류 접촉을 얻는 것에 관한 것이다. 이 방법에서 고 전기전도성 층은, 특히 지점에서 극의 지지바의 단부의 접촉편에 형성되며, 전기분해 셀 부스바와 접촉하게 된다. 전기분해 층은 지지바의 접촉편과 야금학적 결합을 형성한다. 본 발명은 또한, 고 전기전도성 층이 특히 전기분해 셀 부스바를 접촉하는 영역에서 상기 바아의 단부의 접촉편에 형성되는 음극 지지바에 관한 것이다.

Description

음극 지지바에 양호한 접촉표면을 형성하는 방법 및 지지바{METHOD FOR THE FORMATION OF A GOOD CONTACT SURFACE ON A CATHODE SUPPORT BAR AND SUPPORT BAR}

본 발명은 금속 전기분해에 사용되는 음극의 지지바에 양호한 접촉표면을 얻을 수 있는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에서, 특히 전기분해 셀 부스바와 접촉하게 되는 지점에서 고 전기전도성 코팅이 음극의 알루미늄 지지바의 단부의 접촉편에 형성된다. 전기전도성 코팅층은 지지바의 접촉편과 금속적(metallic) 결합을 형성한다. 본 발명은 또한, 음극 지지바에 관한 것으로 고 전기전도성 층이 상기 바아의 단부의 접촉편, 특히 전기분해 셀 부스바와 접촉하는 접촉표면에 형성된다.

요즈음 전해채취, 특히 아연 전해채취에서, 알루미늄으로 이루어진 음극판이 사용되는데, 이 음극판은 지지바 (support bar) 에 연결되어 있다. 상기 음극은 지지바에 의해 전해 셀로 하강되어, 지지바의 일 단부가 상기 전지의 가장자리에 있는 부스바 (busbar) 의 위에 위치되고, 타 단부가 절연체 위에 위치된다. 양호한 전기전도성을 보장하기 위해, 구리로 이루어진 접촉편 (contact piece) 이 알루미늄 지지바의 단부에 부착되어 있고, 접촉편은 부스바의 위에 설정된다. 접촉편의 아래쪽 가장자리는 똑바르거나 노치부를 가지고 있고, 지지바는 상기 노 치부에 있는 부스바의 상부에 하강된다. 노치부의 양측 가장자리는 지지바와 부스바 사이에 이중 접촉을 형성하는 접촉점을 형성한다. 접촉편의 아래쪽 가장자리가 곧은 경우, 부스바와 접촉편 사이에 판형 접촉이 형성된다. 특히 점보음극 (jumbo cathode) 으로 알려진 대형 음극의 경우, 곧은 접촉편이 사용된다.

구리 접촉편이 예컨대 다양한 용접법에 의해 알루미늄 지지 바에 부착될 수 있다. 이러한 방법들 중 하나가 미합중국 특허 제 4,035,280 호에 개시되어 있다. 상기 특허에 의하면, 구리 접촉편은 용접 전에 은으로 코팅될 수 있다. 그러나, 상기 특허에서는 이 문장 이외에 접촉편의 코팅 방법에 대한 다른 설명을 하고 있지 않다.

전극 지지 바를 제조하는 또다른 방법이 일본국 특허 출원 55-89494호에 개시되어 있다. 실제 지지 바는 알루미늄이며, 그 단부에는 알루미늄 코어 및 구리 쉘을 갖춘 접촉편이 용접된다. 접촉편은 고압 압출에 의해 다각형 모양으로 된다.

종래 기술에서, 상기한 미국특허 제 4,035,280 호는 접촉편을 은으로 코팅할 것을 제안하였다. 은은 구리 편의 전기전도성을 확실히 향상시키지만, 접촉편 전체를 코팅하는 것은 그 목적에 적합하지 않고 비용이 많이 든다. 상기 일본출원에서 언급된 알루미늄과 구리 혼합 압출은 구리와 알루미늄 사이에 금속적 결합이 꼭 이루어지는 것이 아니므로, 결합이 전기적으로 약하고 전해질이 계면을 침투할 때 손상된다.

아연 전해채취에 있어서, 알루미늄 음극 지지바의 접촉편 특히 그 바아의 접 촉표면에서의 빠른 마모가 문제이다. 이 때문에 전해질의 영향 하에서 구리 산화물로의 구리의 산화와 황산구리로의 산화물의 부식이 생기게 된다. 접촉표면에 형성된 황산구리는 접촉편의 전기전도성을 더 약화시킨다.

본 발명에 따른 방법은, 전기분해, 특히 아연 전해채취에 사용되고 단부에는 별도의 접촉편이 부착되어 있는 알루미늄 음극 바아에서 우수한 접촉표면을 얻는 것에 관한 것이다. 접촉편에 사용되는 재료는 구리이다. 본 발명의 방법에 따르면, 전해 셀 부스바에 접촉되는 지지바 접촉편의 하부표면의 영역, 즉 접촉표면은 은 또는 은합금과 같은 고 전기전도성 금속 또는 합금으로 코팅된다. 음극은 음극판 및 지지바로 형성되는데, 상기 음극판은 전해 셀에 침지되고, 상기 지지바는 그 단부에서 전해 셀의 양측에 지지되어, 접촉편은 부스바 위에 위치된다. 지지바 접촉편과 그 하부 표면에 형성된 코팅 사이에 금속적 결합이 형성되는 경우, 접촉편의 하부 표면의 마모 또는 산화로 인한 상기 문제는 회피될 수 있다. 또한, 본 발명은 이 방법에 따라 제조된 전해채취용 음극 지지바에 관한 것이고, 상기 바아의 단부에 있는 접촉편은, 특히 접촉편이 전해 셀 부스바와 접촉하는 접촉 표면에서, 고 전기전도성 층이 형성된다.

도 1 은 통상적인 구리 접촉표면을 갖는 구형 바아에 대한 상대 전압 강하 차를 도시하고 있다.

본 발명의 본질적인 특징은 첨부된 청구범위에 나타나 있다.

음극 지지바 접촉편의 접촉표면이 전기전도성이 크다는 것은 중요하다. 코팅재로서 은 또는 은합금과 같이 전기전도성이 큰 금속을 사용하면, 음극으로의 효과적인 전류 공급이 보장된다. 은의 사용에 대한 금속학적 원리에 의하면, 은이 표면에서 산화물을 형성하지만, 비교적 낮은 온도에서 그 산화물은 안정적이지 않아 금속 형태로 도로 분해된다. 이러한 이유로 인해, 예컨대 구리 표면상에서와 마찬가지 방식으로 접촉편의 접촉표면을 위해 형성된 은 도금상에는 산화물 막이 형성되지 않는다.

은이 고접착성의 금속적 결합을 구리의 최상부에 직접 형성하지 않는 대신에, 얇은 전이층이 구리에 먼저 형성되어야만 하며, 이 경우 전이층은 주석 또는 주석계 합금인 것이 바람직하다. 이하, 명세서에서 간략화를 위해서, 단지 주석으로만 언급하지만, 이 용어는 주석계 합금도 포함하는 것이다. 주석층은 실제 코팅 이전에 가열을 통한 주석 도금, 전해 코팅 또는 표면 지점 위에 직접 열 분사를 하는 것과 같은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 이후, 주석 표면은 은 또는 은 합금으로 코팅될 수 있다. 부스바의 구리 접촉 표면에 은을 코팅하는 것은 예컨대, 열 분사 또는 납땜 기술에 의해 유리하게 실행될 수 있다.

접촉편의 접촉표면은 접촉편이 지지바에 부착되기 전에도 본 발명에 따라 다루기 용이하지만, 본 방법은 마모된 바아의 수리에 특히 유리하다. 음극의 상태를 체크할 때, 아연 전해채취 음극의 정기적인 관리가 실시된다. 음극판은 지지바보다 더 빨리 마모되기 때문에, 공지된 음극판을 수회 사용하는 동안 하나의 지지바가 계속 사용된다. 그러나, 지지바의 수명은 이 방법에 따라서, 필요에 따라 접촉표면 또는 접촉편의 표면의 코팅을 다시 실시하는 간단한 방식으로 연장될 수 있다.

접촉편의 하부 표면에서 노치부가 접촉표면에 형성되는 경우, 접촉표면의 마모로 인해 부스바와 지지바 사이에 단 하나의 접촉점만이 형성되기 때문에, 노치의 경사 측면 가장자리는 선형으로 곧게 된다. 마모 결과, 지지바는 하중을 바닥 부분으로만 견디기 시작하고, 따라서 접촉편의 기하학적 형상은 더이상 소망한 모양이 아니게 된다. 이는 음극으로의 전류 공급을 명백히 저해시킨다. 본 방법에 따르면, 전기전도성을 증가시키기 위한 연결편이 지지바 노치의 가장자리에 부착된다. 접촉편의 곧은 하부 가장자리가 접촉표면으로서 작용한다면, 다른 처리 전에 그것을 곧게 하는 것이 바람직하다.

납땜 기술을 사용하는 경우, 처리될 표면을 세척하고, 그 표면에 바람직하게는 50 ㎛ 보다 얇은 주석층을 형성한다. 그리고나서, 몇몇의 적절한 버너로 은 코팅을 실시한다. 상기 주석층은 녹고, 용융 주석 위에 코팅 시트를 놓으면, 정확한 위치에 위치시키기 용이하다.

은의 용융점이 960 ℃ 이기 때문에, 지지바 접촉편의 접촉표면은 열 분사 기술을 이용하여 은으로 코팅될 수 있다. 코팅재로서 예컨대 와이어 또는 분말 형태의 AgCu 합금이 또한 사용될 수 있다. 공정 AgCu 합금의 용융점이 은의 용융점보다 훨씬 더 낮고, 따라서 당해 기술을 이용한 접촉표면 코팅에 적합하다.

적용 가능한 열 분사 기술중, 실제로 적어도 가스 연소에 기초한 기술들이 실행가능한 것으로 증명되었다. 이들 중, 고속 산소 연료 (HVOF) 분사는 분사 건의 연소 챔버에서 발생하는 연료 가스 또는 연료 액체와 산소의 고압하의 연속 연소 및 분사 건에 의한 빠른 가스 흐름의 발생에 기초한 것이다. 코팅 재료는 캐리어 가스를 사용하여 분말 형태로 주로 축선방향으로 건 노즐에 공급된다. 분말 입자는 노즐에서 가열되며 매우 높은 운동 속도를 얻고 (수백 m/s), 코팅 대상물로 전달된다.

통상의 화염 분사에서는, 연료 가스와 산소의 혼합물이 연소함에 따라, 와이어 또는 분말 형태의 코팅 재료를 용융시킨다. 아세틸렌이 매우 고온의 화염을 발생시키기 때문에 통상적으로 연료 가스로 사용된다. 코팅 재료 와이어는 압축 공기 터빈 또는 전동 모터를 사용하는 공급 장치에 의해 와이어 노즐을 통해 공급된다. 이 와이어 노즐 전방에서 연소하는 가스 화염은 와이어의 단부를 용융시키고, 용융물은 압축 공기에 의해 금속성 안개상 (mist) 으로 코팅 대상물 위에 송풍된다. 입자 속도는 100 m/s 의 범위이다.

열 분사 기술에 의해 표면재료가 용해되고, 은함유 코팅의 용융 액적 (molten droplet) 은 고온이기 때문에, 구리, 주석 그리고 접촉편 노치부 또는 하부 표면의 코팅 내의 코팅재 사이에 금속적 결합이 형성된다. 따라서, 연결부의 전기전도성이 양호하다. 금속적 결합 방법은 연결영역, 즉 380 - 600 ℃의 온도범위에서 은, 주석 및 구리의 3원합금의 공정 (eutectic) 을 발생시킨다. 필요하다면, 분사 후 개별 열처리를 실시할 수 있고, 이는 금속적 결합의 형성을 촉진시킨다.

또한, 상기 방법은 전기분해에 사용되는 음극 지지바에 관한 것이다. 매우 양호한 전기전도성 층이 지지바의 단부에 위치한 접촉편, 특히 전해 셀 부스바와 접촉하게 되는 접촉편의 하부표면의 영역 (접촉표면) 에 형성된다. 고 전기전도성이 금속으로는, 은 또는 은 구리 합금과 같은 은합금이 사용된다. 접촉표면의 코팅은 예컨대 납땜 또는 열 분사 기술에 의해 실시되며, 접촉편과 코팅 사이에 금속적 결합이 형성된다.

본 발명은 첨부된 실시예 및, 접촉표면의 상대 전압을 나타내는 도 1 을 참조하여 더 설명된다.

제 1 예

아연 전해채취에 사용된 음극 지지부를 보수관리하기 위해 꺼냈고, 구리 접촉편의 하부표면의 접촉표면이 마모된 것으로 발견되었다. 노치는 접촉표면으로 작용하였고, 위를 향해 좁아지는 절두 원추형이었으며, 가장자리가 불규칙한 라운드 형상으로 마모되었다. 접촉표면은 오염물을 샌드블라스팅하여 우선 세정되었다. 그후, 측면은 평면 형태로 밀링가공되어, 1 - 3 ㎜ 의 재료가 표면으로부터 제거되었다. 동일한 크기의 1 - 2 ㎜ 두께의 은 편을 측면에 납땜하여 제거된 재료부를 대체하였다.

납땜은 적절한 강도의 산소 - 액체 가스 버너를 이용하고, 모세관 힘에 의해 퍼져있는 은 및 구리 표면 사이에 주석층을 코팅여 이루어졌다. 주석층이 더 용융되면, 은 시트를 위치시키는 것이 간단하다. 동시에 주석 납땜의 상태가, 바로 은 표면을 가열하여 온도가 수분 동안 약 500 ℃ 까지 상승되기 전에 점검되 었고, 납땜 영역에서 순금속으로부터 은 및 구리가 합금되었다.

수리된 지지바에 대한 조직 검사 결과, 가열시 은과 구리가 그 사이의 주석층과 합금화되고 주석 보다 훨씬 높은 온도에서 용융하는 3 원 합금을 형성하는 것으로 나타났다. 상기한 방식의 은으로 이루어진 접촉표면의 기계적 내구성 및 화학적 내구성은 우수한 것으로 판명되었다.

제 2 예

제 1 예와 유사한 지지바가 사용되었고, 동일하게 세정하고, 재료 제거 과정이 실시되었다. 접촉편의 하부표면의 노치측에 50 ㎛ 미만의 평균 두께의 주석 층이 형성되었다.

열 분사 기술로는 와이어 분사가 이용되었다. 두께가 3 ㎜ 인 은 와이어가 분사에 사용되었고, 얻어진 표면의 두께는 0.5 - 1.2 ㎜ 이었다. 미량분석 연구 결과 주석 코팅된 구리 표면에 고온 용융 액적이 집적되면서 금속적 합금이 형성되기 시작했다.

조직 검사 결과, 은은 완전히 콤팩트한 금속 조직을 형성하는 것을 나타났다. 접촉표면의 기계적 내구성 및 화학적 내구성은 실제로 양호한 것으로 판명되었다.

제 3 예

은 편이 아연 전해채취 음극 지지바의 접촉부의 하부표면의 접촉표면에 첨가되었다. 지지바는 반년 동안 제조에 사용되어, 접촉표면의 마모가 아주 조금 있었으며, 즉 전압 강하가 전체 기간 동안 동일하게 유지되었다. 도 1 은 통상 적인 구리 접촉표면을 갖는 구형 바아에 대한 상대 전압 강하 차를 나타낸다. 통상적인 구리 접촉표면의 상대 전압 강하의 값은 100 으로 주워졌으며, 본 발명에 따른 은 접촉표면의 전압 강하는 통상의 접촉표면에 대한 상대값으로 나타나있다.

Claims (23)

1. 단부에 구리 접촉편이 부착되며 전기분해에 사용되는 알루미늄 음극의 지지바에 양호한 접촉표면을 형성하는 방법으로서, 음극판은 전기분해 셀에 침지되고, 지지바는 그 단부에서 전기분해 셀의 측면에 지지되어 접촉편이 부스바 위에 위치되는 상기 방법에 있어서,

   전이층이 전기분해 셀 부스바에 접촉되는 지지바 접촉편의 하부표면의 영역 즉, 접촉표면에 형성되고, 그 후 접촉표면은 0.5 - 2 ㎜ 의 두께를 갖는 은 또는 은 합금으로 코팅되며, 전이층 및 코팅은 구리 접촉편과 금속적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 전이층은 주석 또는 주석계 합금 층인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 은 또는 은 합금층은 납땜 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 은 또는 은 합금층은 열 분사 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 열 분사 기술은 가스 연소를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 열 분사 기술은 고속 산소연료 분사인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 은 또는 은 합금은 분말 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 4 항에 있어서, 열 분사 기술은 화염 분사인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 은 또는 은 합금은 와이어 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 접촉표면은 코팅 후 열 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 구리 접촉편은 지지바의 한 단부에 부착되고, 전기분해에서 음극판은 전기분해셀 내로 침치되며 지지바의 접촉편은 전기분해 셀 부스바에 지지되는, 전기 분해에서 사용되는 알루미늄 음극 지지바의 접촉표면을 수리하는 방법에 있어서,

    지지바 접촉편의 접촉표면으로서 작용하는 하부표면은 우선 직선으로 곧게되고, 주석 전이층이 하부표면에 형성되며, 그후 0.5 - 2 ㎜ 의 두께를 갖는 은 또는 은 합금으로 접촉표면이 코팅되어, 구리, 주석 및 은 또는 은 합금 코팅이 금속적 결합을 형성하는 것을 특징으로하는 하는 방법.
12. 구리 접촉편은 지지바의 한 단부에 부착되고, 접촉편의 하부 가장자리에는 노치가 제공되며, 전기분해에서 음극판은 전기분해 셀 내로 침지되고 지지바는 노치에서 전기분해 셀 부스바에 지지되는, 전기 분해에서 사용되는 알루미늄 음극 지지바의 접촉표면의 수리 방법에 있어서,

    노치의 경사면은 지지바 접촉편의 접촉표면으로서 작용하며 우선 직선으로 곧게된 후, 주석 전이층이 상기 경사면에 형성되고, 그후 0.5 - 2 ㎜ 의 두께를 갖는 은 또는 은 합금으로 접촉표면이 코팅되어 구리, 주석 및 은 또는 은 합금 코팅이 금속적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 음극의 음극판은 전기분해 셀에 침지되며, 음극 지지바는 그 단부에서 전기분해 셀의 가장자리에 지지되어 구리의 접촉편이 지지바의 한 단부에 부착되는, 전기분해에 사용되는 알루미늄 음극용 지지바에 있어서,

    부스바와 접촉하는 지지바 접촉편의 하부표면 영역, 즉 접촉표면은 0.5 - 2 ㎜ 의 두께를 갖는 은 및 은 합금으로 코팅되어 있으며, 코팅 전에 전이층이 접촉표면에 형성되고, 은 또는 은 합금 코팅은 전이층 및 접촉편의 구리와 금속적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 지지바.
14. 제 13 항에 있어서, 전이층은 주석 또는 주석계 합금인 것을 특징으로 하는 지지바.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 은 또는 은 합금층은 납땜 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 지지바.
16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 은 또는 은 합금층은 열 분사 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 지지바.
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