KR101819219B1 - 전해 제련용 양극 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전해 제련 장지 - Google Patents

전해 제련용 양극 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전해 제련 장지 Download PDF

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KR101819219B1
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Abstract

본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 모재 상에 금속 코팅층이 형성된 전극; 상기 전극과 결합되며, 전극을 지지하는 통전용 지지체; 및 상기 통전용 지지체와 결합된 헤드바;를 포함하며,
상기 통전용 지지체의 일단부는 전극과 결합되며, 상기 통전용 지지체의 타단부는 헤드바와 결합된 것으로, 본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 모재를 보호하여 장기간 사용이 가능하며, 납 등의 용출을 방지하여 순도 높은 금속을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 소비전력으로도 비철금속을 효율적으로 제련할 수 있는 장점이 있다.

Description

전해 제련용 양극 구조체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전해 제련 장지{Anode structure for electrolytic refining, manufacturing method and Electrowinning Equipment using the same}
본 발명은 비철금속의 전해 제련에 사용되는 전해 제련용 양극 구조체에 관한 것이다.
일반적으로 전해란 전기분해를 의미하는 것으로, 이러한 전기분해는 전해액에 전류를 가함으로써, 전해액에 포함된 이온들이 음극 또는 양극으로 이동하는 현상을 의미한다. 이러한 전기 화학적 반응에 의해 음극 또는 양극에서는 가스가 발생하거나, 금속 이온이 환원되어 금속이 석출되는 등의 현상을 일으켜, 산업분야에서 다양하게 이용되고 있다. 특히 이러한 전해 공정을 통해 순도 높은 금속 물질을 제조하는 공정이 다수 이용되고 있으며, 전해 공정을 통해 생산되는 금속들은 구리, 니켈, 아연, 코발트, 납, 백금, 이리듐, 루테늄, 팔라듐, 금 및 은 뿐만 아니라 다수의 전이금속이 전해 제련 또는 전해 정련 공정을 통해 생산될 수 있다.
이러한 전해 제련은 여러 가지 방법이 있으나, 통상적으로 전해액이 수용된 전해조 내에서 수행되며, 여러 개의 양극판 및 음극판을 설치하여 수행되는 것이 통상적이다. 이러한 전해 제련에 이용되는 양극판은 아연, 구리 및 카드뮴 등이 있으며, 이러한 물질들은 상대적으로 전기 전도도가 높으며 비교적 화학적으로 안정하여 전해 제련용 양극에 다수 이용되고 있다. 그러나, 전해 제련의 특성상 산성 환경이며, 전기, 화학적 반응이 동시에 수반되는 공정 특성상 비교적 화학적으로 안정하다 하더라도 일부 양극판의 금속 물질이 용출될 수 있으며, 용출된 양극판의 금속 물질은 생산하고자 하는 금속에 불순물로 포함될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전해 제련 시 이용되는 양전극의 유출을 방지하여 순도 높은 비철금속을 제조할 수 있는 전해 제련용 양극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 장기간 사용 가능한 전해 제련용 양극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 낮은 소비전력으로 다량의 비철금속을 생산할 수 있는 전해 제련용 양극 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 모재 상에 금속 코팅층이 형성된 전극; 상기 전극과 결합되며, 전극을 지지하는 통전용 지지체; 및 상기 통전용 지지체와 결합된 헤드바;를 포함하며,
상기 통전용 지지체의 일단부는 전극과 결합되며, 상기 통전용 지지체의 타단부는 헤드바와 결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 금속 코팅층은 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 망간(Mn) 및 탄탈럼(Ta)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 금속 코팅층의 두께는 0.5 내지 50 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 헤드바는 통전용 금속바 및 상기 통전용 금속바 상에 형성된 금속바 피복층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 금속바 피복층은 티타늄(Ti), 스테인레스 스틸(stainless steel), 은(Ag), 주석(Sn) 및 니켈(Ni)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 헤드바는 통전용 금속바에 전류가 흐를 수 있도록 통전용 금속바가 외부에 노출된 통전용 개방부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 헤드바는 상기 통전용 금속바와 상기 금속바 피복층 사이에 개재되며, 주석(Sn), 백금(Pt) 및 은(Ag)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 상기 모재와 상기 통전용 지지체 또는 상기 통전용 지지체와 상기 헤드바는 티타늄(Ti) 또는 스테인레스 스틸(stainless steel)을 포함하는 결합부재에 의해 결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 모재는 납(Pb), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 망간(Mn)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체에서 상기 통전용 지지체는 구리(Cu), 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 은(Ag)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 지지바 및 상기 지지바 상에 형성된 티타늄(Ti) 또는 스테인레스 스틸(stainless steel) 코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 전해 제련용 양극 구조체를 제공하며, 본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체 제조방법은
금속 코팅층이 형성된 전극 제조 단계;
통전용 금속바 및 상기 금속바 상에 형성된 금속바 피복층을 포함하는 헤드바 제조 단계;
전류가 흐를 수 있는 통전용 지지체 제조단계; 및
상기 통전용 지지체의 일단부는 전극과 결합되며, 상기 통전용 지지체의 타단부는 헤드바와 결합되도록 결합하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체 제조방법에서, 상기 금속 코팅층이 형성된 전극 제조 단계는
모재 표면에 요철을 형성하는 요철 형성 단계; 및
상기 요철이 형성된 모재의 표면에 금속 코팅층을 형성하는 코팅단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체를 이용한 비철금속 전해 제련 방법을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 비철금속 전해 제련 방법에서, 상기 비철금속은 아연, 구리, 니켈, 코발트, 납, 백금, 이리듐, 루테늄, 팔라듐, 은 또는 금일 수 있다.
본 발명은 또한 비철금속 전해 제련 장치를 포함하며, 본 발명에 의한 비철금속 전해 제련 장치는 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체를 1개 이상 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 모재 상에 티타늄, 루테늄, 이리듐, 백금, 망간 및 탄탈럼에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 코팅층을 포함하여 모재를 보호함으로써 장기간 사용이 가능하며, 납 등의 용출을 방지하여 순도 높은 금속을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 소비전력으로도 비철금속을 효율적으로 제련할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 비철금속 전해 제련 장치를 도식화한 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전해 제련용 양극 구조체에 대해 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체는
모재 상에 금속 코팅층이 형성된 전극(300); 상기 전극과 결합되며, 전극을 지지하는 통전용 지지체(200); 및 상기 통전용 지지체와 결합된 헤드바(100);를 포함하며,
상기 통전용 지지체의 일단부는 전극과 결합되며, 상기 통전용 지지체의 타단부는 헤드바와 결합된 것일 수 있다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체를 이용하여 금속 제련 공정을 수행하는 경우, 모재 상에 형성된 금속 코팅층에 의해 모재의 용출을 방지할 수 있으며, 이러한 모재의 용출 방지에 의해 전해 제련에 의해 제조되는 금속의 순도를 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 나아가, 모재를 금속 코팅층이 보호함으로써 종래 사용되던 양극판 대비 오랜 기간 사용함으로써 전해 제련 장치의 유지비용을 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 모재 상에 형성된 금속 코팅층을 포함하며, 이러한 금속 코팅층은 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 망간(Mn) 및 탄탈럼(Ta)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 이때 하나 또는 둘 이상을 포함한다 함은 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 이리듐, 백금, 망간 및 탄탈럼은 단일 물질로 금속 코팅층을 형성하거나, 이들 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상이 단순히 혼합된 혼합물이거나, 이들 금속에 의해 형성된 합금일 수 있음을 의미한다. 상술한 바와 같이 티타늄, 루테늄, 이리듐, 백금, 망간 및 탄탈럼에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 금속이 모재 상에 코팅층을 형성하는 경우, 코팅층에 의해 모재의 유출을 방지함으로써 제조되는 금속의 순도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 금속 코팅층에 포함되는 금속의 전기 전도도가 상대적으로 높아 전극의 통전률을 높임으로써 전해 제련에 필요한 전압을 낮출 수 있고, 결과적으로 전해 제련에 소비되는 전력을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 금속 코팅층의 두께는 전해 제련에 의해 생산하고자 하는 금속의 종류 및 전해 제련 장치의 운전 환경에 따라 달라질 수 있으나, 구체적으로 0.5 내지 50 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 범위에서 과도한 두께의 금속 코팅층을 필요로 하지 않으면서도 모재를 보호할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극판에서 상기 모재는 통상적으로 전해 제련용으로 이용될 수 있는 통전 가능한 금속인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 납, 티타늄, 니켈, 구리 및 망간에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 아울러, 이러한 모재의 형상은 전해 제련 효율을 확보할 수 있는 형상인 경우 제한이 없다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 모재는 판형, 타공을 포함하는 판형, 메시망 형태, 절곡된 형태일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 나아가, 상기 금속 코팅층을 포함하는 전극 역시 모재와 동일한 형상일 수 있다. 이러한 모재는 전극 상에 고르게 전류를 공급하면서도, 전해 제련 효율을 확보할 수 있는 범위인 경우 제한이 없으나 구체적으로 두께가 0.1 내지 10 ㎜, 더욱 구체적으로는 0.5 내지 5 ㎜일 수 있다. 상기 범위에서 전류를 효율적으로 전달하여 전해 제련 효율을 확보할 수 있다. 이에 더하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 판형 전극의 넓이는 목적하는 금속의 종류, 공급되는 전류 및 전압의 세기에 의해 달라질 수 있다. 구체적이고 비한정적인 일 예로 상기 전극의 넓이는 1 내지 4 m2, 더욱 구체적으로는 2 내지 3 m2일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 모재는 표면 요철을 포함할 수 있으며, 이러한 표면 요철에 의해 모재와 금속 코팅층간의 높은 결착력을 나타낼 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 모재표면에 형성된 요철은 표면 조도(Ra)가 0.1 내지 100 ㎛, 구체적으로는 1 내지 60 ㎛일 수 있다. 모재 표면에 형성된 요철이 상기 범위를 만족하는 경우, 모재와 금속 코팅층의 결착력을 더욱 향상시킴으로써 장기간 사용에 의한 코팅층의 이탈과 같은 문제점을 예방할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 전해 제련 공정의 수행 시 발생할 수 있는 온도 변화에 의한 팽창 및 수축의 반복에도 높은 결착력을 나타내어, 열팽창계수 차이에 의한 크랙 등의 발생을 예방할 수 있으며, 결과적으로 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 전해 제련용 양극판을 오랜 기간 사용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극판은 상기 통전용 지지체와 결합된 헤드바를 포함한다. 이러한 헤드바는 전해 제련 공정의 수행 시 전해액과 직접 접촉하지 않고 외부에 노출되며, 이러한 헤드바를 통해 상기 전극에 전류를 공급함으로써 전해 제련 공정의 수행이 가능하다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 헤드바는 통전용 금속바(110) 및 상기 통전용 금속바 상에 형성된 금속바 피복층을 포함할 수 있다. 이러한 금속바 피복층을 통해, 통전용 헤드바의 손상을 예방할 수 있다. 구체적으로, 통상적인 전해 제련 공정은 황산 등의 산 조건에서 수행되는 경우가 많으며, 상기 헤드바가 산과 직접 접촉하지 않는다 하더라도 전해 제련 공정의 수행 중 황산 전해 제련용 전해액의 비산이 발생할 수 있으며, 이렇게 비산된 전해액에 의해 통전용 헤드바가 부식되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 나아가 이러한 부식에 의해 헤드바가 일부 전해액에 유입될 수 있으며, 결과적으로 이는 최종적으로 생산되는 금속에 포함되어 불순물이 유입되는 문제가 발생할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 헤드바는 통전용 금속바를 보호하고, 전해 제련에 의해 생산되는 금속의 순도를 높이기 위한 관점에서 금속바 피복층을 포함한다. 이때 금속바 피복층은 티타늄, 스테인레스 스틸, 은, 주석 및 니켈에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상술한 물질을 금속바 피복층에 이용함으로써, 생산비용을 절감하면서도 금속바의 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 상기 금속바 피복층은 상기 통전용 금속바를 전해액 등으로부터 보호할 수 있는 두께인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 1 내지 20 ㎜, 더욱 구체적으로는 5 내지 10 ㎜일 수 있다. 상기 두께 범위에서 과도한 두께의 금속바 피복층을 형성하지 않으면서도 상대적으로 통전용 금속바의 두께를 확보하여 전극상에 전류를 균일하게 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 헤드바에 포함되는 통전용 금속바는 통상적으로 이용되는 전기 전도도가 높은 금속 물질인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 구리, 백금, 알루미늄 및 은에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 아울러, 상기 통전용 금속바의 두께는 사용되는 전극의 두께, 전극의 넓이 및 통전용 지지체의 개수와 너비 등에 따라 달라질 수 있으나, 구체적으로 비한정적인 일 예로 상기 통전용 금속바는 단면적의 넓이가 10 내지 200 ㎟이며, 길이가 50 내지 1500 ㎜일 수 있다.
아울러 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 헤드바는 상기 통전용 금속바와 상기 금속바 피복층 사이에 개재되며, 주석, 백금 및 은에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 접합부를 포함할 수 있다. 이러한 접합부에 의해 상기 헤드바 및 상기 통전용 금속바의 온도 변화에 따른 구리바 피복층으 들뜸이나 갈라짐과 같은 결함이 발생하는 것을 방지하여 오랜 기간 사용할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 헤드바가 접합부를 포함하는 경우, 상기 접합부의 두께는 0.1 mm 내지 3 mm, 구체적으로는 0.1 내지 2 ㎜일 수 있다. 헤드바에 금속바 피복층 및 접합부가 상기 두께로 형성되는 경우, 헤드바 및 통전용 금속바의 결착력을 더욱 향상시킬 수 있으며, 나아가 상기 접합부의 두께가 상기 범위내인 경우, 이에 더하여 전해 제련 공정으로 인한 온도 상승에 의해 합금과 비슷한 효과를 낼 수 있으며, 이에 따라 통전용 금속바와 금속바 피복층과의 결착력을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 헤드바는 통전용 금속바에 전류가 흐를 수 있도록 통전용 금속바가 외부에 노출된 통전용 개방부(120)를 포함할 수 있다. 이러한 통전용 개방부에 의해 통전용 금속바가 전류 공급원과 직접 접촉할 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 전기 전도도가 낮은 금속바 피복층(130)이나 접합부를 거침으로써 유발될 수 있는 전력 손실을 예방할 수 있다. 이에 더하여, 추후 전해 제련용 양극판을 다수 개 포함하는 전해 제련 장치 내에서, 각각의 전해 제련용 양극판에 포함된 각각의 통전용 개방부가 전기적으로 연통되어 있을 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이에 더하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 추후 전해 제련 공정의 수행 시 전해 제련용 양극 구조체의 거치를 위한 거치부재(140)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 거치부재는 전해 제련용 양극 구조체를 고정할 수 있는 형상 또는 재질인 경우 제한이 없다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 거치부재는 티타늄 또는 스테인레스 스틸 재질의 후크일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 상기 전극과 결합되며, 전극을 지지하는 통전용 지지체를 포함하며, 이러한 통전용 지지체의 일단부는 전극과 결합되며, 통전용 지지체의 타단부는 헤드바와 결합되어 있을 수 있다. 구체적으로는 상기 통전용 지지체는 전류가 흐를 수 있는 전도성 물질을 포함할 수 있으며, 이러한 전도성 물질에 의해 헤드바, 구체적으로 통전용 금속바로 공급된 전류가 전극까지 흐를 수 있도록 할 수 있다.
상세하게는, 상기 통전용 지지체는 구리, 백금, 알루미늄 및 은에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 지지바 및 상기 지지바 상에 형성된 티타늄 또는 스테인레스 스틸 코팅층을 포함할 수 있다. 이러한 구조를 가짐으로써, 지지바에 의해 전류 이동이 원활할 뿐만 아니라 티타늄 또는 스테인레스 코팅층에 의해 장기간 통전률의 저하 없이 본 발명에 의한 전해 제련용 양극판을 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 1개 이상, 구체적으로 1 내지 20 개의 통전용 지지체를 포함할 수 있으며, 이러한 통전용 지지체는 각각 바 형상일 수 있다. 이렇게 다수개의 통전용 지지체를 포함하는 경우 각 통전용 지지체는 상기 전극 상에 평행하게 서로 이격 배열되어 있을 수 있다. 나아가, 각 지지체간의 간격은 서로 같거나 다를 수 있다.
이하, 평행하여 이격 배열된 통전용 지지체간의 이격 방향을 제 1 방향, 제 1방향에 수직인 방향을 제 2방향이라 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 구체적으로 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
Figure 112017020080372-pat00001
식 1에서,
Figure 112017020080372-pat00002
은 임의로 선택된 하나의 지지체 및 이와 인접한 지지체의 제 1 방향 기준 간격이며,
Figure 112017020080372-pat00003
은 제1 방향을 기준으로 한 전극의 길이이다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 구체적으로 상기 식 1과 동시에 하기 식 2를 만족할 수 있다
[식 2]
Figure 112017020080372-pat00004
식 2에서,
Figure 112017020080372-pat00005
는 임의로 선택된 하나의 지지체와 상기 전극이 오버랩된 제 2 방향 길이이며,
Figure 112017020080372-pat00006
는 제 2방향을 기준으로 한 전극의 길이이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 전극 구조체가 상기 식 1 및 식 2를 동시에 만족하는 경우, 전극 표면에 균일하게 전류의 공급이 가능하여 전해 제련 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 낮은 소비 전력으로도 다량의 금속을 생산할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 전극 구조체가 상기 식 1 및 식 2를 동시에 만족하는 경우, 전력 소비량을 최대 15% 까지 저감할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체는 상기 식 1 및 식 2를 만족하는 동시에, 제 1 방향을 기준으로 전극 1 m 당 2 내지 5 개의 통전용 지지체를 포함할 수 있다. 통전용 지지체가 전극 1 m 당 2 내지 5 개 포함되는 경우, 지나치게 많은 통전용 지지체를 포함하지 않으면서도 전극에 균일하게 전류 공급이 가능한 장점이 있다. 나아가, 상기 지지체가 2개 미만일 경우 전극 면에 전기를 고르게 인가하기 어려우며, 5개를 초과하는 경우 전해 제련용 양극 구조체의 생산에 과도한 비용이 소요되는 문제가 있을 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 모재와 상기 통전용 지지체 또는 상기 통전용 지지체와 상기 헤드바는 티타늄 또는 스테인레스 스틸을 포함하는 결합부재에 의해 결합되어 있을 수 있다. 이때 결합부재는 모재와 통전용 지지체 또는 통전용 지지체와 헤드바를 기계적으로 결합 가능한 수단인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 티타늄 또는 스테인레스 스틸을 포함하는 볼트 또는 나사일 수 있다.
본 발명은 또한 전해 제련용 양극 구조체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체의 제조방법은
금속 코팅층이 형성된 전극 제조 단계;
통전용 금속바 및 상기 금속바 상에 형성된 금속바 피복층을 포함하는 헤드바 제조 단계;
전류가 흐를 수 있는 통전용 지지체 제조단계; 및
상기 통전용 지지체의 일단부는 전극과 결합되며, 상기 통전용 지지체의 타단부는 헤드바와 결합되도록 결합하는 단계;를 포함한다. 구체적으로, 상기 전극 제조단계, 헤드바 제조 단계 및 통전용 지지체 제조 단계는 서로 독립적으로 수행될 수 있으며, 각 단계를 수행하는 순서는 본 발명의 권리범위에 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체 제조방법을 통해 제조된 전해 제련용 양극 구조체는, 전극 상에 형성된 코팅층을 통해 장기간 사용이 가능하며, 종래 이용되던 전극판의 용출을 방지함으로써 금속의 전해 제련 공정에 이용 시 불순물함량을 현저히 낮추고 순도를 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체 제조방법에서 상기 금속 코팅층은 티타늄, 루테늄, 이리듐, 백금, 망간 및 탄탈럼에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 티타늄, 루테늄, 이리듐, 백금, 망간 및 탄탈럼에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 금속이 모재 상에 코팅층을 형성하는 경우, 코팅층에 의해 모재의 유출을 방지함으로써 제조되는 금속의 순도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상술한 금속의 전기 전도도가 높아 통전률을 높임으로써 전해 제련에 필요한 전압을 낮출 수 있고, 결과적으로 전해 제련에 소비되는 전력을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 전극 제조 단계는
모재 표면에 요철을 형성하는 요철 형성 단계; 및
상기 요철이 형성된 모재의 표면에 금속 코팅층을 형성하는 코팅 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이 모재 표면에 요철을 형성한 뒤, 이러한 요철 상에 금속 코팅층을 형성하는 경우, 모재와 금속 코팅층의 결착력을 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 요철이 없는 경우 대비 금속 코팅층의 표면적이 넓어지게 되므로 보다 높은 통전률을 나타낼 수 있으며, 결과적으로 전해 제련에 필요한 전력소비를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 요철 형성 단계는 모재 상에 요철을 형성할 수 있는 방법인 경우 제한이 없으나, 연마 등과 같은 물리적인 방법을 이용하거나, 식각(etching)을 통해 요철을 형성할 수 있다. 이때 식각은 건식 식각 또는 습식 식각일 수 있으나, 이러한 요철 형성 단계는 모재의 종류 및 전해 제련에 의해 생산하고자 하는 금속의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 요철 형성 단계에 의해 형성되는 요철은 표면 조도(Ra)가 0.1 내지 100 ㎛ 구체적으로는 0.05 내지 0.3 ㎛일 수 있다. 모재 표면에 상기 표면 조도를 만족하는 요철을 형성하는 경우, 모재와 금속 코팅층의 결착력을 더욱 향상시킴으로써 장기간 사용에 의한 크랙이나 코팅층의 이탈과 같은 문제점을 예방할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 전해 제련 공정의 수행 시 발생할 수 있는 온도 변화에 의한 팽창 및 수축의 반복에도 높은 결착력을 나타내어, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 전해 제련용 양극판을 오랜 기간 사용할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체 제조방법은 상기 요철이 형성된 모재의 표면에 금속 코팅층을 형성하는 코팅단계;를 포함할 수 있다. 이러한 코팅단계는 모재 상에 상술한 티타늄, 루테늄, 이리듐, 백금, 망간 및 탄탈럼에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 금속 코팅층을 형성할 수 있는 방법인 경우 제한이 없다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 모재상에 무전해 도금 또는 전해 도금 등의 도금법, 브러싱, 침지 또는 스프레이 등의 방법으로 금속 코팅층을 형성할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 이러한 금속 코팅층의 두께는 전해 제련에 의해 생산하고자 하는 금속의 종류 및 전해 제련 장치의 운전 환경에 따라 달라질 수 있으나, 구체적으로 0.5 내지 50 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 범위에서 과도한 두께의 금속 코팅층을 필요로 하지 않으면서도 모재를 보호할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 전해 제련용 양극 구조체 제조방법은
통전용 금속바 및 상기 금속바 상에 형성된 금속바 피복층을 포함하는 헤드바 제조 단계;를 포함한다.
이렇게 피복층이 형성된 헤드바는 전해액에 의한 부식의 예방으로 장기간 사용이 가능하며, 통전용 금속바의 부식에 의해 전해 제련 공정을 통해 제조하고자 하는 금속에 불순물이 유입되는 문제 등을 예방할 수 있다.
이때 금속바 피복층은 티타늄, 스테인레스 스틸, 은, 주석 및 니켈에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상술한 물질을 금속바 피복층에 이용함으로써, 생산비용을 절감하면서도 헤드바의 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 상기 금속바 피복층은 상기 통전용 금속바를 전해액 등으로부터 보호할 수 있는 두께인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 1 내지 20 ㎜, 더욱 구체적으로는 5 내지 10 ㎜일 수 있다. 상기 두께 범위에서 과도한 두께의 금속바 피복층을 형성하지 않으면서도 상대적으로 통전용 금속바의 두께를 확보하여 전극상에 전류를 균일하게 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 통전용 금속바는 통상적으로 이용되는 전기 전도도가 높은 금속 물질인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 구리, 백금, 알루미늄 및 은에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 아울러, 상기 통전용 금속바의 두께는 사용되는 전극의 두께, 전극의 넓이 및 통전용 지지체의 개수와 너비 등에 따라 달라질 수 있으나, 구체적으로 비한정적인 일 예로 상기 통전용 금속바는 단면적의 넓이가 10 내지 200 ㎟이며, 길이가 50 내지 1500 ㎜일 수 있다. 나아가, 이러한 금속바 피복층이 형성된 헤드바의 제조는 통상적인 방법으로 수행될 수 있으나, 구체적으로 금속 몰드를 이용할 수 있다.
본 발명에 의한 상기 통전용 지지체 제조단계에서, 상기 통전용 지지체는 구리, 백금, 알루미늄 및 은에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 지지바 및 상기 지지바 상에 형성된 티타늄 또는 스테인레스 스틸 코팅층을 포함할 수 있다. 이러한 구조를 가짐으로써, 지지바에 의해 전류 이동이 원활할 뿐만 아니라 티타늄 또는 스테인레스 코팅층에 의해 장기간 통전률의 저하 없이 본 발명에 의한 전해 제련용 양극판을 이용할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 이러한 통전용 지지체 제조단계는 통상적으로 지지바 상에 코팅층을 형성할 수 있는 방법을 이용하는 경우 제한이 없으나, 구체적으로 금속 몰드 등을 이용하여 지지바 상에 티타늄 또는 스테인레스 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명에 의한 상기 통전용 지지체의 일단부는 전극과 결합되며, 상기 통전용 지지체의 타단부는 헤드바와 결합되도록 결합하는 단계;는 헤드바는 티타늄 또는 스테인레스 스틸을 포함하는 결합부재에 의해 결합는 단계일 수 있다. 이러한 결합단계는 모재와 통전용 지지체 또는 통전용 지지체와 헤드바를 기계적으로 결합 가능한 수단을 이용하는 경우 제한이 없으나, 구체적으로 티타늄 또는 스테인레스 스틸을 포함하는 볼트 또는 나사를 이용할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 전해 제련용 양극판을 포함하는 비철금속 전해 제련 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 비철금속 전해 제련 방법을 통해 비철금속 전해 제련 공정을 수행하는 경우, 순도 높은 비철금속 제련이 가능하며, 장기간 균일한 품질의 비철금속을 생산할 수 있는 장점이 있다. 본 발명에 있어서 비철금속이라 함은 철이 아닌 금속물질을 의미하며, 구체적으로 구리, 니켈, 아연, 코발트, 납, 백금, 이리듐, 루테늄, 팔라듐, 금, 은 또는 전이금속 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 전해 제련용 양극판을 포함하는 전해 제련 장치를 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련 장치는 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 제련용 양극판을 1개 이상, 좋게는 1 내지 200개 포함할 수 있다. 나아가, 전해 제련 효율의 향상을 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 양극판 및 음극판이 서로 교차하여 배열될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예]
-헤드바의 제조
길이 674 ㎜, 두께 6 ㎜, 높이 72 ㎜의 구리바를 준비한다. 준비된 구리바를 통전용 개방부가 형성 가능하도록 성형된 틀에 넣고 용융 알루미늄을 부은 다음 굳혀서 헤드바를 제조하였다.
-전극의 제조
가로 670 ㎜, 세로 1150 ㎜, 두께 1 ㎜인 티타늄 판을 준비한 뒤, 여기에 스프레이를 통해 두께 5 ㎛의 이리듐 코팅층을 형성하고, 400 ℃에서 2 시간 동안 열처리 하여 전극을 제조하였다.
-통전용 지지체의 제조
길이 1200 ㎜, 두께 6 ㎜의 구리막대를 준비한 뒤, 준비된 구리막대 상에 두께 1 ㎜의 티타늄 코팅층을 형성하여 통전용 지지체를 제조하였다.
-전해 제련용 양극 구조체의 제조
상기 전극 상에 5개의 통전용 지지체를 균일한 간격으로 위치한 뒤, 각 통전용 지지체 당 20 개의 용접을 통하여 통전용 지지체와 전극을 고정하였다. 전극과 결합되지 않은 통전용 지지체의 다른 일단부에 상기 헤드바를 결합하고, 헤드바와 통전용 지지체를 각각 티타늄 볼트를 이용하여 고정하는 방법으로 양극 구조체를 제조하였다.
[비교예]
상기 실시예와 같은 방법으로 제조하되, 상기 전극 대신 가로 670 ㎜, 세로 1150 ㎜, 두께 7 ㎜인 별도의 처리가 되지 않은 납 판을 이용하여 전해 제련용 양극 구조체를 제조하였다.
실시예에 의한 전해 제련용 양극 구조체를 이용하여 전해 제련 공정을 수행하는 경우 비교예에 의한 전해 제련용 양극 구조체를 이용하는 경우 대비 생산되는 금속의 순도가 높으며, 장기간 사용하여도 소비전력 증가 등의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다. 그러나 비교예에 의한 전해 제련용 양극 구조체를 이용하여 제련 공정을 수행한 경우, 상대적으로 순도가 낮고 소비전력이 낮은 문제점이 발생하였으며, 나아가 장기간 사용하는 경우 동일한 양의 금속을 생산하는데 필요한 소비전력이 증가하는 문제점이 발생하였다.
100 헤드바
110 통전용 금속바
120 통전용 개방부
130 금속바 피복층
140 거치부재
200 통전용 지지체
300 전극

Claims (15)

  1. 표면 조도(Ra)가 0.1 내지 100 ㎛인 요철을 포함하는 모재 상에 이리듐을 포함하는 금속 코팅층이 형성된 전극; 상기 전극과 결합되며, 전극을 지지하는 통전용 지지체; 및 상기 통전용 지지체와 결합되며, 통전용 금속바, 주석, 백금 및 은에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 접합부 및 상기 접합부 상에 형성된 금속바 피복층을 포함하는 헤드바;를 포함하며,
    상기 헤드바는 통전용 금속바에 전류가 흐를 수 있도록 통전용 금속바가 외부에 노출된 개방부를 포함하고,
    상기 통전용 지지체의 일단부는 상기 전극과 결합되며, 상기 통전용 지지체의 타단부는 상기 헤드바와 결합된 전해 제련용 양극 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 코팅층의 두께는 0.5 내지 50 ㎛인 전해 제련용 양극 구조체.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속바 피복층은 티타늄, 스테인레스 스틸, 은, 주석 및 니켈에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 전해 제련용 양극 구조체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 모재와 상기 통전용 지지체 또는 상기 통전용 지지체와 상기 헤드바는 티타늄 또는 스테인레스 스틸을 포함하는 결합부재에 의해 결합된 것인 전해 제련용 양극 구조체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 모재는 납, 티타늄, 니켈, 구리 및 망간에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 전해 제련용 양극 구조체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 통전용 지지체는 구리, 백금, 알루미늄 및 은에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 지지바 및 상기 지지바 상에 형성된 티타늄 또는 스테인레스 스틸 코팅층을 포함하는 전해 제련용 양극 구조체.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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