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(11) | EP 0 175 395 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Stromzuführende Aufhängevorrichtung für Kathoden |
| (57) Die Erfindung betrifft eine stromzuführende Aufhängevorrichtung für Kathoden mit
einer metallummantelten Trägerschiene aus Kupfer (3) und einem mit einer Längskante
mindestens teilweise verschweissten Dauerkathodenblech (1) aus einem der Ummantelung
(2) entsprechenden Werkstoff, wobei wenigstens ein Schienenende längs wenigstens eines
Teils frei von der Ummantelung (2) ist. Zwecks Erhöhung der Dauerstandfestigkeit bei
gutem Stromübergang ist die Trägerschiene ein Kupfer-Hohlprofil (3) und die Ummantelung
(2) besteht aus Edelstahl, wobei die Ummantelung mit der Trägerschiene poren-und diffusionsdicht
verschweisst ist und die Dauerkathode aus Edelstahl über eine unterbrochene Schweissnaht
mit der Ummantelung verbunden ist. Zweckmässig besteht die Trägerschiene aus einem Kupferrohr. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das mit einem Edelstahlmantel versehene Kupferrohr zu einem Verbundkörper mit elliptischem (ovalen) oder zwei parallele Wandungen aufweisendem Querschnitt verformt, dessen lange Achse in der Ebene des Kathodenblechs liegt. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine stromzuführende Aufhängevorrichtung für Kathoden, insbesondere Kathoden für die Kupferraffination.
[0002] Bei der Kupferraffination durch elektrolytische Verfahren sind für die Elektrolyse-Kathoden unterschiedliche Konstruktionen bekannt, die sich in der Auswahl der Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen im Hinblick auf gute elektrische Leitfähigkeit zur Minimierung der Energieverluste, mechanische Stabilität zur Minimierung von Reparaturaufwand und Minimierung von Produktions- sowie Qualitätseinbußen und ferner im Hinblick auf Korrosionsbeständigkeit voneinander unterscheiden. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit hat man im allgemeinen Kupfer als Werkstoff für die Trageschienen verwendet, an denen die z.B. Dauerkathodenbleche befestigt sind. Die Enden der Trageschienen ruhen auf Stromschienen, die beiderseits einer elektrolytischen Zelle verlaufen. Kupfer weist indessen die Nachteile relativ geringer Festigkeit (Verformungsschäden im Betrieb) und nur mäßige Korrosionsbeständigkeit gegenüber z.B. dem Kupferelektrolyten auf. Zwecks Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit hat man daher beispielsweise in Winning-Elektrolysen die Kupferträger bis an die Kontaktstelle (Stromschienen-Auflagepunkt) vollständig durch einen Bleimantel geschützt, der konsequenterweise homogen aufgelötet werden muß und somit ein für Raffinationselektrolysen allgemein unwirtschaftliches Verfahren darstellt.
[0003] Aus DE-OS 24 34 214 ist eine Aufhänge-Schiene aus z.B. Kupfer für Dauerkathoden bekannt, die mit einem Ventilmetall durch Coextrusion ummantelt ist. Als Metallmantel dient insbesondere Titan. An den Enden der Trageschiene ist im Bereich der Kontaktpunkte mit der Stromschiene der Titanmantel entfernt. Ein Dauerkathodenblech aus Titan ist längs einer Kante durch Punktschweißung mit der Trägerschiene verbunden. Der Einsatz von Titan-Dauerkathoden der vorbekannten Anordnung bringt auch Nachteile mit sich. Der Herstellungsprozeß für die titanummantelten massiven Kupferprofile mittels Coextrusion ist in hohem Maße aufwendig, so daß der Einsatz solcher Profile auf spezielle Anwendungsfälle bei im allgemeinen nicht zu großer Stückzahl beschränkt bleibt. Des weiteren erfährt die prozeßwirksame Plattenoberfläche durch Oxidationsvorgänge eine nennenswerte Passivierung.
[0004] Andererseits ist eine an sich wünschenswerte Kombination einer titanummantelten Trägerschiene aus Kupfer mit einem Kathodenblech aus korrosionsbeständigem Edelstahl wegen Nichtverschweißbarkeit der Werkstoffe nicht möglich. Man hat daher in bekannter Weise gemäß DE-OS 30 03 927 für die elektrolytische Raffination von Kupfer eine Hängeschiene aus nichtrostendem Stahl mit einer angeschweißten Dauerkathode aus ebensolchem Stahl eingesetzt. Bei der vorbekannten Vorrichtung ist die Hängeschiene mit einer Kupferauflage ausgerüstet, und es ist auch im Bereich der Schweißstelle des Kathodenbleches eine Kupferauflage vorgesehen. Galvanisch aufgebrachte Kupferauflagen haben sich als nicht ausreichend erwiesen. Die Dicke des erforderlichen Kupferbelages geht über den Bereich des allgemeinen galvanischen Verkupferns (/um-Bereich) weit hinaus. Die Belagstärke beträgt 1,3 bis 2,5 mm, um nennenswerte Leistungsverluste infolge Spannungsabfall zu vermeiden und dem Korrosionsabtrag Rechnung zu tragen. Für die Verkupferung müssen daher spezielle aufwendige Anlagen vorgesehen werden, die die Fertigungsgänge Sandstrahlen, Reinigen, Ätzen, Vernickeln, Verkupfern beinhalten.
[0005] Einer breiten Anwendung der vorbekannten Vorrichtung stehen ferner auch die technischen Schwierigkeiten wie auch der hohe Investitionsaufwand entgegen, der für die Herstellung der ummantelten massiven Profile der Trägerschiene durch Coextrusion erforderlich ist.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die insbesondere vorgenannten Nachteile der vorbekannten Kathoden für die elektrolytische Kupferraffination zu vermeiden und eine Aufhängevorrichtung mit Dauerkathode bereitzustellen, die einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und die eine hohe Dauerstandfestigkeit bei gutem Stromübergang besitzt.
[0007] Die Aufgabe wird gelöst, indem eine stromzuführende Aufhänge- vorrichtung der vorgenannten Art für Kathoden mit einer metallummantelten Trägerschiene aus Kupfer und einem mit einer Längskante mindestens teilweise verschweißten Dauerkathodenblech aus einem der Ummantelung entsprechenden Werkstoff und wobei wenigstens ein Schienenende längs wenigstens eines Teils frei von der Ummantelung ist, gemäß der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß die Trägerschiene ein Kupfer-Hohlprofil ist und die Ummantelung aus Edelstahl besteht, wobei die Ummantelung mit der Trägerschiene poren- und diffusionsdicht verschweißt ist und die Dauerkathode aus Edelstahl über eine unterbrochene Schweißnaht mit der Ummantelung verbunden ist.
[0008] Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die hervorragende elektrische Leitfähigkeit des Kupfers völlig genutzt und damit geringster Spannungsabfall in der Tragkonstruktion gewährleistet. Des weiteren wird eine hohe Formstabilität auch bei robuster maschineller Handhabung sichergestellt.
[0009] Zweckmäßig ist das Kupferhohlprofil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Kupferrohr. Im allgemeinen hat es eine Wandstärke von 4 bis 6 mm bei einem äußeren Durchmesser im allgemeinen von 30 bis 45 mm, je nach gefordertem Endgewicht und Abmessung der Produktionskathode. Auf das Kupferrohr ist förmschlüssig ein Mantelrohr aus Edelstahl aufgebracht. Im einfachsten Fall geschieht dies durch Aufschieben eines Edelstahlrohres mit einem Innendurchmesser, der nur geringfügig größer als der Außendurchmesser des Kupferrohres ist. Zweckmäßig wird jedoch ein Edelstahlrohr eingesetzt, das über seine gesamte Länge geschlitzt ist. In diesem Fall kann der Innendurchmesser des Edelstahlrohres gleich oder kleiner als der Außendurchmesser des Kupferrohres sein. Hierdurch wird sowohl eine hervorragende Formschlüssigkeit erzielt als auch eine zusätzliche Möglichkeit geschaffen, durch Verschweißen des Längsschlitzes, beispielsweise durch Einlegen einer Schweißraupe, einen verbesserten und gleichmäßigen Stromübergang von der stromführenden Kupferschiene auf die Ummantelung herbeizuführen. Der Längsschlitz liegt im allgemeinen auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite. Es kann aber auch zweckmäßig sein, den Längsschlitz der Ummantelung dem Elektrolyten zuzukehren. In diesem Fall ist das Kathodenblech mindestens mit Teilen seiner Oberkante in den Schlitz eingeschoben und sowohl mit dem Kupferrohr als auch mit dem Edelstahlmantel im Schlitzbereich verschweißt.
[0010] In besonders zweckmäßiger und wirtschaftlicher Weise kann der Verbundkörper entsprechend der Herstellungsweise längsnahtgeschweißter Rohre gefertigt werden. Hierbei wird das Kupfer- hohlprofil, wie Kupferrohr, innerhalb der Walz/Schweißwerk-Strecke in das dort für die Rohrherstellung üblicherweise verwendete Edelstahl-Blechband eingebracht. Im Bereich des verbleibenden Profilspaltes zwischen Kupferrohr und Edelstahlmantel wird die Verschweißung vorgenommen.
[0011] Selbstverständlich kann die Ummantelung auch aus einem Edelstahlblech bestehen, das durch an sich bekannte Verfahren der spanlosen Formgebung formschlüssig aufgebracht ist.
[0012] In allen Fällen ist die Ummantelung mindestens an einem Ende der Trägerschiene ausgenommen bzw. ausgeklinkt, so daß der Kupferwerkstoff des Hohlprofils freiliegt und mit der kupfernen Stromschiene der Elektrolysezelle kontaktiert werden kann. Die angeschnittenen Bereiche des Edelstahlmantels wie auch alle Enden des Verbundkörpers sind mit dem Kupferhohlprofil poren- und gasdiffusionsdicht verschweißt. Der dichte Abschluß zwischen Kupferhohlkörper und Edelstahlmantel verhindert das Eindiffundieren von Flüssigkeit und Gas und bewirkt einen einwandfreien definierten Stromübergang über die Schweißnahtquerschnitte.
[0013] In vielen Fällen ist ein Verbundkörper aus edelstahlummanteltem Kupferrohr als Trageschiene bei guter mechanischer Stabilität und guter elektrischer Leitfähigkeit ausreichend. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität in Beanspruchungsrichtung wie auch zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit ist jedoch der Verbund-Hohlkörper der Erfindung preßverformt. Hierbei ist das mit einem Edelstahlmantel versehene Kupferrohr zu einem Verbundkörper mit elliptischem oder zwei parallele Wandungen aufweisendem Querschnitt verformt, dessen lange Achse in der Ebene des Kathodenblechs liegt. Selbstverständlich sind auch alle dazwischenliegenden Querschnittsformen geeignet. Der elliptisch/ovale Querschnitt der erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung ergibt an den Stromzuführungsenden ohne besonderen Fertigungsgang den vorteilhaften Punktkontakt und führt, infolge indifferenter Auflage auf der Stromzuführungsschiene, zu der für den Elektrolyse-Erfolg wichtigen Senkrechtposition des Kathodenbleches. Darüber hinaus wird auch mit dieser Form der erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung eine Platzersparnis innerhalb des Bereichs der Tageschiene erzielt.
[0014] Vorteilhaft weist der verformte Verbundkörper zusätzliche Kontakt-Preßpunkte auf, die durch z.B. Körnerschläge bewirkt sind und zu einem Stromübergang mit geringeren Verlusten beitragen. Insbesondere weist die untere Profillinie Körnerreihen auf. Die Körnerreihen sind in diesem Fall in ihrer Länge auf die Länge der Schweißnähte begrenzt und werden durch sie abgedeckt.
[0015] An der Unterseite der erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung ist eine Dauerkathode aus Edelstahl, entsprechend dem Werkstoff der Ummantelung, an den Mantel angeschweißt. Die Schweißverbindung ist zur Vermeidung übermäßiger Längsspannung und Verwölbung des Kathodenblechs als unterbrochene Schweißnaht ausgeführt. Zweckmäßig ist jedoch die obere Kante des Kathodenbleches über mehrere Stege mit der Unterseite der Ummantelung verschweißt.
[0016] Als Werkstoff für Kathodenblech und Ummantelung eignen sich Edelstähle auf Basis Chrom, Nickel oder Chrom/Nickel/Molybdän, beispielsweise austenitische Cr/Ni-Stähle der Zusammensetzung 17 bis 18 % Cr, 10 bis 12 % Ni, 2 bis 2,5 % Mo, je nach C-Gehalt stabilisiert z.B. mit Ti, Nb, Ta.
[0017] Die Vorteile der erfindungsgemäßen Aufhängevorrichtung liegen in der einfachen und wirtschaftlichen Fertigung, in der hohen Korrosionsbeständigkeit der gesamten, praktisch nur Edelstahloberflächen aufweisenden Vorrichtung, in dem guten Stromübergang zwischen Kupferprofil und Edelstahlmantel über Schweißverbindungen und zusätzliche, durch Pressung und Körnerreihen bewirkte Kontaktpunkte. Ferner gewährleistet die Aufhängevorrichtung eine sichere Einstellung des Kathodenbleches in lotrechter Position in dem Elektrolysebehälter.
[0019] Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht der Aufhänge-Vorrichtung im Ausschnitt,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Unterkante der Trageschiene gemäß Schnitt A-B der Figur 1 (in vergrößertem Maßstab),
Figur 3 einen Querschnitt durch den Rohrverbundkörper vor der Pressung,
Figur 4 einen Querschnitt durch den verformten und verschweißten Verbundkörper mit Kathodenblech,
Figur 5 einen Querschnitt des spanlos verformten Verbundkörpers entlang der Linie C-D der Fig. 2 (in vergrößertem Maßstab),
Figur 6 eine Seitenansicht des Schienenendes der Aufhängevorrichtung mit Kathode, wobei das Ende der Trageschiene auf dem Stromkontakt des Elektrolysebehälters aufliegt,
Figur 7 eine Seitenansicht entsprechend der Fig. 6 mit einer anderen Ausführungsform der Ausnehmung des unteren Mantelendes.
[0020] In Fig. 1 ist das Kathodenblech 1 mit dem Edelstahlmantel 2, der das Kupferhohlprofil 3 umschließt, verschweißt. Am Ende der Trageschiene liegt das Kupferprofil infolge der Ausnehmung bzw. Ausklinkung im Mantel als Kontaktstelle offen.
[0021] In Fig. 2 ist in der Draufsicht von unten ein Schnitt entlang der Linie A-B der Fig. 1 dargestellt. Im Bereich des Verbundes von Kathodenblech 1 mit dem Mantel 2 ist mit Bezugszeichen 3 eine kontaktverbessernde Körnerreihe angedeutet.
[0022] Fig. 3 zeigt einen Verbundkörper aus einem Kupferrohr 3 mit einer Ummantelung 2 aus einem Edelstahlrohr vor der spanlosen Formgebung.
[0023] In Fig. 4 ist die ovale Trageschiene aus Verbundrohr mit dem Kathodenblech im Schnitt nach der spanlosen Formgebung dargestellt. Das Kathodenblech 1 ist über die Schweißnaht 7 mit der Ummantelung 2 verbunden. Die Schweißstellen 6 dichten den Übergang Kupferprofil/Edelstahlmantel an der Ausnehmung im Mantel diffusionsdicht ab. Bezugszeichen 5 gibt eine Schweißnaht an, die einen Längsschlitz in der oberen Mantellinie des Edelstahlprofils abdichtet und einen Stromübergang vom stromführenden Kernprofil zum Mantelprofil bewirkt.
[0024] Fig. 5 ist ein Schnitt entlang der Linie C-D der Fig. 2. Mit 4 ist eine kräftige Körnung bezeichnet, die auf die Ummantelung 2 und das innere Hohlprofil 3 einwirkt und einen zusätzlichen Kontaktpunkt schafft.
[0025] In Fig. 6 ist in einer Seitenansicht der Endteil der Aufhänge- vorrichtung dargestellt. Der Verbundkörper aus Kupferhohlprofil 3 und Edelstahlmantel 2, durch Schweißungen 6 mit diesem verbunden, liegt mit dem mantelfreien Teil auf der Stromschiene 8 der Wandung 9 des Elektrolysebehälters auf.
1. Stromzuführende Aufhängevorrichtung für Kathoden mit einer metallummantelten Trägerschiene
aus Kupfer und einem mit einer Längskante mindestens teilweise verschweißten Dauerkathodenblech
aus einem der Ummantelung entsprechenden Werkstoff und wobei wenigstens ein Schienenende
längs wenigstens eines Teils frei von der Ummantelung ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerschiene ein Kupfer- Hohlprofil ist und die Ummantelung aus Edelstahl
besteht, wobei die Ummantelung mit der Trägerschiene poren- und diffusionsdicht verschweißt
ist und die Dauerkathode aus Edelstahl über eine unterbrochene Schweißnaht mit der
Ummantelung verbunden ist.
2. Stromzuführende Kathoden-Aufhängevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerschiene aus einem Kupferrohr besteht.
3. Stromzuführende Kathoden-Aufhängevorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ummantelung aus einem das Kupferrohr formschlüssig umgreifenden,
gegebenenfalls mit einem durchgehenden Längsschlitz versehenen Edelstahlrohr besteht.
4. Stromzuführende Kathoden-Aufhängevorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das mit einem Edelstahlmantel versehene Kupferrohr zu einem Verbundkörper
mit elliptischem (ovalen) oder zwei parallele Wandungen aufweisendem Querschnitt verformt
ist, dessen lange Achse in der Ebene des Kathodenblechs liegt.
5. Stromzuführende Kathoden-Aufhängevorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß im Bereich der das Kathodenblech haftenden Schweißnaht Kontakt-Preßpunkte
in Form von Schweißpunkten und oder Körnerschlägen in der Ummantelung angebracht sind.
6. Stromzuführende Kathoden-Aufhängevorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der durchgehende Längsschlitz der Ummantelung zur Vergleichmäßigung
des Stromübergangs mit einer Schweißraupe auf der gesamten Länge ausgelegt ist.