[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere Anode aus beschichtetem Ventilmetall
zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden, mit einem stromführenden
Bauteil, z.B. einem Stromzuleiter und/oder einem Stromverteiler, das aus einem Mantel
aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern aus elektrisch gut leitendem Metall,
der mit dem Mantel in elektrisch leitender Verbindung steht, besteht.
[0002] Beschichtete Metallanoden dieser Art sollen auf dem Gebiet der elektrolytischen Gewinnung
von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, aus das zu gewinnende Metall enthaltende
Säurelösungen die ursprünglich hierfür eingesetzten Anoden aus Blei oder Bleilegierungen
oder aus Graphit ersetzen. Die arbeitende Fläche dieser beschichteten Metallanoden
besteht aus einem tragenden Kern aus einem Ventilmetall, wie z.B.Titan, Zirkonium,
Niob oder Tantal, auf den eine Beschichtung aus einem anodisch wirksamen Material,
z.B. aus Metallen der Platingruppe oder der Platinmetalloxide, aufgebracht ist. Der
wesentliche Vorteil der Metallanoden besteht in der Einsparung elektrischer Energie
gegenüber den herkömmlichen Blei- oder Graphitanoden. Die Energieersparnis resultiert
aus der bei beschichteten Metallanoden erzielbaren größeren Oberfläche, der hohen
Aktivität der Beschichtung und der Formstabilität. Diese Energieersparnis ermöglicht
eine beträchtliche Erniedrigung der Anodenspannung. Die beschichteten Metallanoden
erbringen eine weitere Betriebseinsparung dadurch, daß die Reinigung und Neutralisation
des Elektrolyten erleichtert wird, da die Beschichtung der Anoden durch Cl-, NO
3- oder freies H
2S0
4 nicht zerstört wird. Eine zusätzliche Kostenersparnis ergibt sich dadurch, daß bei
der Verwendung von beschichteten Metallanoden der Elektrolyt nicht mit teuren Zusätzen,
z.B. Kobalt oder Strontiumcarbonat, versetzt werden muß, wie dies bei der Verwendung
von Bleianoden erforderlich ist. Ferner entfällt die bei Bleianoden nicht zu verhindernde
Verschmutzung des Elektrolyten und des gewonnenen Metalls durch Blei. Schließlich
erlauben die beschichteten Metallanoden eine Erhöhung der Stromdichte und damit der
Produktivität.
[0003] Bei der Auslegung dieser beschichteten Metallanoden hat man sehr unterschiedliche
Wege beschritten.
[0004] Bei einer bekannten Metallanode der zur Rede stehenden Art (DE-OS 24 04 167) wird
das wesentliche Auslegungskriterium darin gesehen, daß die der Kathode gegenüberstehende
Anodenfläche 1,5 bis 20 mal kleiner ist als die Kathodenoberfläche und die Anode dementsprechend
bei einer Stromdichte betrieben wird, die 1,5 bis 20 mal größer ist als die Kathodenstromdichte.
Durch diese Maßnahmen soll angeblich auf wirtschaftliche Weise eine relativ reine
Metallabscheidung der gewünschten kristallinen Struktur und Reinheit auf den Kathoden
erhalten werden. Die Wirtschaftlichkeit der bekannten Anode soll offensichtlich darin
bestehen, daß aufgrund der gegenüber der Kathode reduzierten Fläche der Anode der
Werkstoffverbrauch für die Erzeugung der Anode erniedrigt und damit teurer Ventilmetall-Werkstoff
eingespart wird. Die Kostenreduzierung bei der Herstellung dieser Anode wird allerdings
durch nicht unerhebliche Nachteile erkauft. Einer der Nachteile besteht darin, daß
der anodische Anteil der Zellenspannung hoch ist, weil die Anode mit einer hohen Stromdichte
arbeitet. Dies bedingt als wesentlichen Nachteil einen hohen Energiebedarf für die
mit einer derartigen Anode ausgestatteten Zellen. Die große Stromdichte und der verkleinerte
Leiterquerschnitt der bekannten Anode aufgrund der verkleinerten wirksamen Fläche
und damit des kleinen Materialvolumens bedingen einen großen inneren Ohm'schen Spannungsabfall
mit der Folge einer weiteren Erhöhung der notwendigen elektrischen Energie. Um den
Nachteil des großen inneren Ohm'schen Spannungsabfalls zu beheben, bestehen die in
einer Ebene parallel zueinander angeordneten Profilstäbe, welche die wirksame Fläche
bilden, aus einem Mantel aus Titan, der mit einem Kern aus Kupfer versehen ist. Einen
vergleichbaren Aufbau weisen auch die Stromzuleitungs- und -verteilungsschienen auf.
Diese sind kompliziert geführt, um die Stromwege in der kleinen wirksamen Fläche der
Anode weitgehend zu verkürzen. Der komplizierte Aufbau der die wirksame Fläche bildenden
Profilstäbe sowie die erforderlich langen Stromzuleitungs- und -verteilungsschienen
verteuern die bekannte Konstruktion erheblich.
[0005] Bei einer weiteren bekannten beschichteten Metallanode (DE-OS 30 05 795) ist man
zur Vermiedung der prinzipiellen Nachteile der vorstehend geschilderten beschichteten
.Metallanode einen völlig anderen Weg gegangen, der darin besteht, daß die wirksame
Fläche dieser Anode dadurch sehr groß ausgebildet ist, daß die in einer Ebene im Abstand
voneinander und parallel zueinander angeordneten Stäbe, welche die wirksame Fläche
bilden, der Beziehung genügt, wonach die Gesamtoberfläche der Stäbe F
A und die von der Gesamtanordnung der Stäbe eingenommene Fläche Fp der Beziehung 6
> F
A : Fp > 2 genügt. Diese vorzugsweise aus Reintitan hergestellte Anodenkonstruktion weist
außer der Haupt-Stromzuleitungsschiene aus Kupfer keine weiteren Stromzuleiter und
-verteiler auf. Der Stromtransport in vertikaler Richtung wird mithin allein durch
die Stäbe aus Ventilmetall vorgenommen. Insgesamt hat sich diese Anode aufgrund der
groß ausgebildeten wirksamen Fläche bei vielen elektrolytischen Metallgewinnungsverfahren
bestens bewährt.
[0006] Der den steigenden Kilowattstundenpreisen anzupassende, d.h. zu erniedrigende innere
Ohm'sche Spannungsabfall der Titananoden erfordert inzwischen den Einsatz großer,
Leiterquerschnitte für die stromführenden Bauteile aus diesem kostspieligen Metall.
Bei Ausbildung der aktiven Fläche aus in einer Ebene parallel zueinander angeordneten
Titanstäben müssen diese mit entsprechend großem Querschnitt ausgelegt werden, um
mit dem bei den dicken, massiven Bleianoden auftretenden inneren Ohm'schen Spannungsabfall
Schritt halten zu können, was wiederum die technischen und kostenmäßigen Vorteile
der Ventil-Metallanoden schmälert.
[0007] Bei den schon erwähnten Stromleitungs- und -verteilungsschienen, bestehend aus einem
Kern aus Kupfer und einem diesen Kupferkern umgebenden Mantel aus Titan, wird angestrebt,
einen "metallurgischen Verbund" zwischen dem Metall des Kerns und dem Metall des Mantels
zu erreichen. Die Verringerung des inneren Spannungsabfalls, die durch die Ausbildung
des Kerns aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit erreicht werden soll,
wird aber nur dann tatsächlich erzielt, wenn der Stromübergang zum beschichteten Aktivteil
durch einen großflächigen, einwandfreien metallurgischen Verbund zwischen dem Werkstoff
des Mantels und dem Werkstoff des Kupfers gewährleistet ist. Diese Voraussetzung wird
aber allenfalls bei einer ' sehr kostspieligen Herstellung einigermaßen erreicht.
Trotzdem haben sich diese Stromzuleiter für Anoden bei der Chloralkalianalyse nach
dem Diaphragma-Verfahren bewährt. Die Temperaturempfindlichkeit des metallurgischen
Verbunds zwischen Kupfer und Titan setzt aber voraus, daß im Fall der Wiederbeschichtung
dieser DIA-Anoden der titanummantelte Kupferstab von dem zu beschichtenden Aktivteil
abgetrennt wird.
[0008] Im Zusammenhang mit einer Anode für die Chloralkalielektrolyse (GB-PS 1 267 985)
sind auch Stromzuleiter und Stromverteiler bekannt geworden, bei denen der Mantel
aus Titan mit einem Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgefüllt ist.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metall des Kerns und dem Metall des
Mantels soll durch eine Diffusionsschicht aus einer Legierung erreicht werden, die
zwischen dem Kernmetall und dem dieses umgebenden Mantelmetall erzeugt wird. Obwohl
auf ein exaktes Ausgießen des Mantels.aus Titan mit dem Kernmetall im flüssigen Zustand
großen Wert gelegt wird, ist nicht auszuschließen, daß das Kernmetall bei dessen Erstarren
soweit schrumpft, daß entweder keine Diffusionsschicht zwischen dem Kernmetall und
dem Mantelmetall erzeugt wird oder eine schon entstandene Diffusionsschicht wieder
reißt, jeweils mit der Folge, daß zumindestens bereichsweise Spalte zwischen dem Kernmetall
und dem Mantelmetall entstehen. Dies führt natürlich zu einem hohen Spannungsabfall
beim übergang des Stroms von dem Kernmetall auf das Mantelmetall.
[0009] Diese Problematik hat man schon lange bei stromführenden Bauteilen, wie Stromzuleiter
und Stromverteiler, bei Graphitanoden erkannt.
[0010] So ist eine Graphitelektrode mit metallischer Stromzuführung für die Chloralkalielektrolyse
bekannt geworden (DE-OS 15 71 735), bei der der Stromübergang Metall-Graphit durch
Quecksilber bzw. ein bei Außentemperatur flüssiges Amalgam vermittelt wird. Dadurch
soll ein guter elektrischer Kontakt zwischen Metall und Graphit gewährleistet sein,
da Schrumpfungsrisse nicht auftreten. Diese Entwicklung hat man auch bei Metallelektroden
weiterverfolgt. Bei einer bekannten Metallelektrode für
Elektro- lyseapparate zum elektrolytischen Herstellen von Chlor (
DE-OS 27 21 958) bestehen nämlich mindestens die Primärleiterschienen aus Rohren, in
deren Innenräume Metallstäbe angeordnet sind, die in einem unter Betriebstemperatur
vorwiegend flüssigen, stromleitenden Material eingebettet sind. Dieses unter Betriebstemperatur
vorwiegend flüssige, stromleitende Material kann aus niedrig schmelzenden Metallen
oder Legierungen, wie Wood's Metall, Roses Metall oder Lipowitz Metall, Natrium, Kalium
oder deren Legierungen oder einem anderen stromleitenden Material, wie Metalloxiden
oder Graphit, welches mit Metallegierungen getränkt sein kann, bestehen.
[0011] Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die elektrische Leitfähigkeit dieser Werkstoffe
relativ gering ist und bei niedrigen Betriebstemperaturen der Metallgewinnungsverfahren
zumindest manche dieser Werkstoffe sich nicht im flüssigen Zustand befinden. Darüber
hinausverkrusten
-die-Kontaktmetalle bei dem für die Elektroden üblichen Langzeiteinsatz.
[0012] Diese Entwicklung macht aber immerhin deutlich, daß es ein erhebliches Problem darstellt,
eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall
von stromführenden Bauteilen herbeizuführen.
[0013] Es ist Aufgabe der Erfindung eine Elektrode mit stromführenden Bauteilen zu schaffen,
die einen möglichst kleinen inneren Spannungsabfall im Langzeitbetrieb ergeben, die
sich darüber hinaus kostengünstig und wirtschaftlich herstellen lassen, durch eine
hohe Betriebssicherheit auszeichnen und gut in die Aktivteile der beschichteten Ventilmetallanoden
einfügen, so daß sich möglichst
'flachbauende Metallanoden ergeben.
[0014] Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der vorausgesetzten Art mit einem stromführenden
Bauteil, das aus einem Mantel aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern aus
elektrisch gut leitendem Metall besteht, dadurch gelöst, daß in das Kernmetall des
stromführenden Bauteils eine Kontaktstruktur eingebettet ist, die aus Ventilmetall
besteht und über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche des Mantels
verbunden ist.
[0015] Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrode, insbesondere deren stromführendes
Bauteil dahingehend, daß die zur Rede stehende Kontaktstruktur einerseits in das Kernmetall
eingebettet und andererseits über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche
des Mantels verbunden ist, ergibt sich eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen
dem Kernmetall und dem Mantelmetall mit. der Folge eines geringen Spannungsabfalls
auch bei hohen Spannungen und großen Stromstärken. Der erzielte innige.Kontakt zwischen
der Kontaktstruktur und dem Kernmetall bleibt über eine lange Betriebszeit auch bei
großen Temperaturdifferenzen erhalten. Darüber hinaus verbessert die Kontaktstruktur
die mechanische Festigkeit des entsprechend ausgebildeten stromführenden Bauteils
und damit der Metallelektrode insgesamt. Die erfindungsgemäße Elektrode ist kostengünstig
und wirtschaftlich herstellbar, weil die bei den bekannten Anordnungen gegebenen Schwierigkeiten
der metallurgischen Verbindung des Kernmetalls mit dem Mantelmetall bzw. das Einbringen
einer geeigneten Zwischenschicht, z.B. aus einem bei Betriebstemperaturen flüssigen
Werkstoff, entfallen. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode kann nämlich
das Kernmetall im flüssigen Zustand einfach in den Innenraum des Mantels eingegossen
werden. Aufgrund der entsprechenden Ausbildung der Kontaktstruktur umströmt das Kernmetall
innig die Kontaktstruktur und schrumpft auf dieses mit Vorspannung auf. Dadurch ergibt
sich der gewünschte innige Kontakt zwischen dem Kernmetall und der Kontaktstruktur.
Diese wiederum ist elektrisch gut leitend mit der Innenfläche des Mantels verschweißt.
[0016] Als Mantel für die stromführenden Bauteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind
Dreieck-, Rechteck-, Trapezsowie andere Vieleck-Profile, Wellblechbox-Profile, Rohre
oder dergleichen geeignet. Die Wandstärke des Mantels der erfindungsgemäßen stromführenden
Bauteile bewegt sich zweckmäßigerweise zwischen 0,5 mm und einigen Millimetern. Der
Mantel besteht aus einem der schon angesprochenen Ventilmetalle. Falls der Mantel
der erfindungsgemäßen stromführenden Bauteileaus zwei oder mehreren Profilteilen .
zusammengesetzt ist und diese Profilteile miteinander verschweißt sind, müssen die
Schweißnähte gas- und flüssigkeitsdicht sein.
[0017] Die bei den erfindungsgemäßen stromführenden Bauteilen vorgesehene Kontaktstruktur
kann ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen orientierten Oberflächen sein,
das von dem Kernmetall aus mehreren Richtungen her umgeben ist. Ein derartiges räumliches
Gebilde wird beim Eingießen des flüssigen Kernmetalls von diesem von mehreren Richtungen
her umflossen bzw. umgeben, so daß beim Erstarrungsprozeß das Kernmetall auf das räumliche
Gebilde von mehreren Seiten innig aufschrumpft.
[0018] Auf diese Weise ist ein großflächiger und einwandfreier Verbund zwischen dem Kernmetall
und der Kontaktstruktur gewährleistet. Die Problematik eines metallurgischen Verbunds
zwischen dem Kernmetall und dem Mantelmetall ist danach völlig umgangen.
[0019] Die Kontaktstruktur weist bei großer Oberfläche ein kleines Volumen auf, gemessen
am Volumen des Kernmetalls.
[0020] Als Kontaktstruktur bzw. räumliches Gebilde kommen Streifen aus Streckmetall,.Drahtnetz,
Lochblech oder dergleichen in Frage. Mindestens ein Streifen wird im Inneren des Mantels
des stromführenden Bauteils im wesentlichen parallel zur Stromfließrichtung verlegt
und mit der Innenfläche des Mantels mit einer Mehrzahl von Schweißpunkten verschweißt.
Dabei ist es möglich, den Streifen geradlinig oder gewellt verlaufen zu lassen. Im
letzteren Fall ergibt sich eine besonders vielfältige Orientierung der Oberflächen
des Streifens mit der Folge einer besonders .innigen Einbindung der Kontaktstruktur
in das Kernmetall.
[0021] Die Kontaktstruktur kann aber auch aus mindestens einem Draht gebildet sein, der
im wesentlichen in Stromfließrichtung im Bauteil gewellt verlegt ist und bevorzugt
an einer Seite mehrfach mit der Innenfläche des Mantels verschweißt ist. Durch diese
Anordnungsart bildet auch ein Draht ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen
orientierter Oberfläche bzw. orientierten Oberflächenanteilen, das von dem Kernmetall
beim Eingießen von mehreren Seiten her umflossen werden kann, so daß das Kernmetall
auf diese Kontaktstruktur innig und fest aufschrumpfen kann. Anstelle eines Drahtes
können auch Drahtabschnitte in Form von Drahtschlaufen verwendet werden, die mit der
Innenfläche des Mantels verschweißt sind.
[0022] Der gleiche Effekt ergibt sich dann, wenn die Kontaktstruktur aus einer Mehrzahl
von Körpern, wie Bolzen mit Verdickungen und/oder Verdünnungen, dargestellt ist. Die
Bolzen können senkrecht zur Stromfließrichtung im Bauteil verlaufen, aber auch jeden
anderen Winkel zu dieser und zueinander einnehmen. Entscheidend ist lediglich, daß
diese Körper ein ausreichendes Volumen bzw. einen ausreichenden Querschnitt besitzen,
um eine elektrisch gut leitende Verbindung mit möglichst geringem Spannungsabfall
zu dem Kernmetall einerseits und zu dem Mantelmetall andererseits herzustellen, so
daß selbst hohe Ströme mit niedrigem Spannungsabfall von dem Kernmetall auf das Mantelmetall
und weiter auf die aktive Fläche der Metallanode übertragen werden können. Die Anzahl
und der Querschnitt der Schweißpunkte zwischen Kontaktstruktur und Mantel werden bestimmt
anhand eines vorgegebenen, zulässigen Spannungsabfalls.
[0023] Zur weiteren Erniedrigung des elektrischen Ubergangswiderstandes zwischen dem Kernmetall
und der Kontaktstruktur kann letztere mit einer geeigneten Kontaktbeschichtung versehen
sein. Diese bietet sich an bei einer relativ kleinflächigen Kontaktstruktur oder bei
elektrisch besonders hochbelasteten stromführenden Bauteilen. Als Kontaktbeschichtung
kommen die in der Elektrotechnik üblicherweise hierzu verwendeten Werkstoffe infrage,
soweit diese mit dem jeweiligen Metall des Kerns verträglich sind. Als Werkstoffe
können edle Metalle bzw. der Oxide und/oder unedle Metalle und deren elektrisch leitenden
unterstöchiometrischen bzw. dotierten Oxide verwendet werden.
[0024] Als Vergußmetall zur Herstellung des Kerns eines stromführenden Bauteils einer erfindungsgemäßen
Elektrode eignen sich Metalle mit einem Schmelzpunkt, der um mindestens 500°C niedriger
liegt als der des Metalls des Mantels des stromführenden Bauteils. Das Kernmetall
soll darüber hinaus eine wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit besitzen als
das Ventilmetall des Mantels, z.B. Titan. Unter Berücksichtigung dieser Forderungen
kommen z.B. als Kernmetalle Zink, Aluminium, Magnesium, Zinn, Antimon, Blei, Kalzium,
Kupfer oder Silber und entsprechende Legierungen hiervon infrage. Selbstverständlich
muß die Auswahl des Metalls für den Kern auch den speziellen Erfordernissen des jeweiligen
Metallgewinnungsverfahrens Rechnung tragen. So hat sich beispielsweise bei der Zinkgewinnungselektrolyse
als Kernmetall für ein stromführendes Bauteil einer erfindungsgemäßen Elektrode metallisches
Zink mit seinem niedrigen.Schmelzpunkt von 420°C und seiner guten spezifischen elektrischen
Leitfähigkeit von 156 x 10
3 ausgezeichnet bewährt. Im Kurzschlußfall hat metallisches Zink noch den Vorteil,
daß seine Korrosionsprodukte weder die Wasserstoffüberspannung der Kathode noch die
Reinheit des abgeschiedenen Kathodenzinks beeinflussen.
[0025] Auch zur Gewinnung von Kupfer mittels der erfindungsgemäßen Elektroden erweist sich
Zink als Kernmetall für die stromführenden Bauteile geeignet. Es kommen hierfür allerdings
auch Aluminium, Magnesium oder Blei sowie die entsprechenden Legierungen infrage.
[0026] Dem Lösungsvorschlag, daß das Metall des Kerns eines stromführenden Bauteils einer
erfindungsgemäßen Elektrode entsprechend den speziellen Erfordernissen des jeweiligen
Metallgewinnungsverfahrens ausgewählt werden sollte, tragen die bekannten Elektroden
noch nicht Rechnung. Die Verbindung von titanummanteltem Kupfer als Aktivteil bzw.
Stromzuleiter und -verteiler, wie dies bei den bekannten Lösungen der Fall ist, ist
bei den meisten Metallgewinnungsverfahren nämlich nicht tragbar, da während der Elektrolyse
infolge Dendritenbildung des kathodisch abgeschiedenen Metalls manchmal Kurzschlüsse
auftreten, die den Titanmantel zerstören können. Bekanntlich löst sich das durch Kurzschluß
freigelegte Kupfer und Legierungs-Kontaktmetall anodisch auf. Die sich dabei bildenden
Metallionen werden an der Kathode niedergeschlagen, verunreinigen das Kathodenprodukt
und haben darüber hinaus Einfluß auf die Wasserstoffüberspannung und somit auf die
Stromausbeute des Metallgewinnungsprozesses. Dies ergibt ein unverkäufliches, weil
verunreinigtes Kathodenmetall, das zudem infolge verringerter Stromausbeute mit hohem
Kostenaufwand erzeugt wird. Dabei sollte nicht unerwähnt bleiben, daß ein einziger
Kurzschluß z.B. bei der elektrolytischen Zinkgewinnung, eine Vielzahl von Kathoden
negativ beeinflussen kann. Titanplattiertes Kupfer mit metallurgischem Verbund erscheint
selbst bei der elektrolytischen Kupfergewinnung wegen der hohen Kurzschlußrate und
der hohen Stabpreise als wirtschaftlich ungeeignet.
[0027] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das als
Stromverteiler dienende Bauteil dadurch in die aktive Fläche der Elektrode integriert
ist, daß der Mantel zumindest teilweise durch ein die aktive Fläche der Elektrode
darstellendes Elektrodenblech gebildet ist und eine Kontaktstruktur in einem derartig
ausgebildeten stromführenden Bauteil angeordnet ist.
[0028] Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß sich eine besonders kompaktbauende
Elektrode ergibt, die sich insbesondere durch eine kleine Dicke auszeichnet. Dadurch
läßt sich nicht nur eine besonders raumsparende Zelle konstruieren, sondern es gestaltet
sich das Einführen und Wiederherausnehmen der Elektroden in bzw. aus einer derartigen
Zelle besonders problemlos.
[0029] Zwar ist bereits eine Elektrode zur Metallgewinnung bekannt (US-PS 4 260 470), bei
der die aktive Fläche durch vertikal angeordnete Platten gebildet ist, die zueinander
überlappend angeordnet sind, wobei in den überlappungsbereichen jeweils ein parallel
zur Plattenerstreckung verlaufender Hohlraum, z.B. durch U-förmiges Aufbiegen eines
überlappenden Bereichs einer Platte, ausgebildet ist. In diese Hohlräume ist ein Metall
eingegossen.
[0030] Darüber hinaus sind in das gegossene Metall stromführende Stäbe eingebettet, die
mit einer horizontal verlaufenden Stromführungsschiene verbunden sind. Das Vergußmetall
dient hier in erster Linie als Versteifung der aus planen Platten bestehenden wirksamen
Fläche der Elektrode. Erst in zweiter Linie dient das Vergußmetall der elektrischen
Verbindung der darin eingebetteten Stäbe mit der wirksamen Fläche der Elektrode. Diese
Stäbe sind nicht mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Kontaktstruktur vergleichbar,
weil sie nicht ein räumliches Gebilde mit in verschiedenen Richtungen orientierten
Oberflächenanteilen darstellen, auf das das Vergußmeta-11 aufgeschrumpft ist. Dementsprechend
sind auch die stromführenden Stäbe nicht wie die erfindungsgemäße Kontaktstruktur
mit dem Mantel des stromführenden Bauteils bzw. dem entsprechenden Bereich der Elektrodenplatte
selbst unmittelbar durch Verschweißung verbunden.
[0031] Schließlich sind die Probleme gegeben, die im Zusammenhang mit dem Schrumpfen von
Vergußmetall erläutert worden sind.
[0032] Bei der erfindungsgemäßen integrierten Elektrode empfiehlt es sich, daß die Kontaktstruktur
mit dem den Mantel zumindest teilweise bildenden Bereich des Elektrodenblechs verschweißt
ist, da sich hierdurch eine direkte Uberleitung des Stroms vom Kernmetall des stromführenden
Bauteils auf die wirksame Elektrodenfläche ergibt.
[0033] Zur Ausbildung eines mit dem Kernmetall auszufüllenden Hohlraums für das erfindungsgemäße,
in die aktive Fläche integrierte stromführende Bauteil ist es zweckmäßig, daß zumindestens
der den Mantel teilweise bildende Bereich der Elektrodenplatte U-förmig oder wellenförmig
ausgebildet ist und dieser Bereich durch eine Abdeckplatte zu dem geschlossenen Mantel
ergänzt ist. Der dadurch ausgebildete Hohlraum innerhalb des Mantels kann in schon
beschriebener Weise mit einem geeigneten Kernmetall ausgegossen werden, das sich mit
der Kontaktstruktur innig verbindet.
[0034] Die angesprochene Abdeckplatte, die eine beliebige Form aufweisen kann, ist zweckmäßigerweise
mit der Elektrodenplatte gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt.
[0035] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die wirksame Fläche
der Elektrode durch eine Mehrzahl von in einer Ebene parallel zueinander angeordneten
Profilstäbe gebildet ist-und die
Kontaktstruktur durch Abschnitte der Profilstäbe gebildet ist, die durch den Kern des
stromführenden Bauteils hindurchgeführt ist.
[0036] Auch diese Ausführungsform unterscheidet sich von der bekannten Elektrode nach der
US-PS 4 260 470 dadurch,,daß bei der erfindungsgemäßen Lösung die Abschnitte der
Pro- filstäbe, die durch das stromführende Bauteil bzw. dessen Kern hindurchgeführt
sind, mit dem Mantel des stromführenden Bauteils verschweißt sind. Auf diese Weise
ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Lösung eine unmittelbare Verbindung der als
Kontaktstruktur dienenden Abschnitte der Profilstäbe mit der wirksamen Elektrodenfläche
mit dem Ergebnis einer guten Überleitung des Stroms. Darüber hin-. aus können die
Abschnitte der Profilstäbe, die als
Kon- taktstruktur wirken, bezüglich ihrer Oberfläche bzw. ihrer Form so ausgebildet
sein, daß diese den Anforderungen genügen, die an die erfindungsgemäße Kontaktstruktur
gestellt sind. Sie können schließlich eine Rontaktbeschichtung aufweisen.
[0037] Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Elektrode ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Stromzuleiter der Elektrode nach Fig. 1 gemäß der Schnittlinie
II-II,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Stromzuleiters,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Stromzuleiter der Elektrode nach Fig. 1 gemäß
der Schnittlinie IV-IV,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Stromzuleiters,
Fig. 6 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche der Elektrode nach Fig.
1 gemäß der Schnittlinie VI-VI mit separatem Stromverteiler,
Fig. 7 einen Schnitt durch den Stromverteiler der Elektrode nach Fig. 6 gemäß der
Schnittlinie VII-VII,
Fig. 8 einen horizontalen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Elektrode,
Fig. 9 ebenfalls einen horizontalen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 10 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Elektrode, bei der ein Stromverteiler in das Aktivteil integriert
ist,
Fig. 11 einen Schnitt durch die Elektrode nach Fig. 10 gemäß der Schnittlinie IX-IX,
Fig. 12 einen horizontalen Schnitt durch die wirksame Fläche eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer erfin-. dungsgemäßen Elektrode, bei der ebenfalls ein Stromverteiler in das
Aktivteil integriert ist,
Fig. 13 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Elektrode,
Fig'. 14 eine Ansicht der Elektrode gemäß der Fig. 13 nach der Linie XIV-XIV,
Fig. 15 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 16 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 17 einen Schnitt durch die Elektrode nach
Fig. 16 gemäß der Schnittlinie-XVII-XVII,
Fig. 18 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektrode, und
Fig. 19 ebenfalls eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektrode.
[0038] Aus Fig. 1 ergibt sich der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen beschichteten
Metallanode. Danach besteht diese Elektrode aus einem horizontal verlaufenden Stromzuleiter,
der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. An der Unterseite dieses Stromzuleiters ist etwa
mittig ein vertikal laufender Stromverteiler 20 angeschlossen. Dieser Stromverteiler
20 ist mit dem insgesamt mit 30 bezeichneten Aktivteil, d.h. der aktiven Fläche, der
Elektrode verbunden. Zur Versteifung insbesondere-der vertikalen Randbereiche des
Aktivteils 30 sind diese über Versteifungsstreben 40 mit dem Stromzuleiter 10 verbunden.
[0039] Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch den Stromzuleiter 10 nach Fig. 1. Danach
besteht der Stromzuleiter 10 aus einem insgesamt mit 50 bezeichneten Mantel, der aus
zwei U-Profilen 51 und 52 zusammengesetzt ist, die sich mit ihren freien Schenkeln
teilweise überlappen und in diesen Bereichen durch Schweißnähte 53 miteinander verbunden
sind. Der Mantel 50 besteht aus einem Ventilmetall, vorzugsweise Titan. An zwei gegenüberliegenden
Innenflächen des Mantels 50 ist jeweils ein Streifen 60 aus einem Streckmetall aus
demselben Ventilmetall wie der Mantel, nämlich Titan, über eine Vielzahl von Schweißpunkten
61 angeschweißt. Dadurch ergibt sich sowohl eine feste mechanische Verbindung als
auch eine gut elektrisch leitende Verbindung zwischen dem jeweiligen Streifen 60 aus
Streckmetall und dem Mantel 50. In den Hohlraum des Mantels ist ein Kern 70 aus einem
geeigneten, elektrisch gut leitenden Nicht-Ventilmetall eingegossen. Beim Eingießen
des Kernmetalls 70 umfließt dieses die Streifen 60 aus Streckmetall von allen Seiten
und schrumpft beim Erstarren innig auf die Oberfläche der Streifen 60 aus Streckmetall
auf. Dadurch ergibt sich auch eine-innige mechanische und elektrisch gut leitende
Verbindung zwischen dem Kernmetall 70 und den
Strei- fen 60 aus Streckmetall. Die Streifen 60 aus Streckmetall stellen deshalb die
erfindungsgemäß gewünschten Kontaktstrukturen dar.
[0040] Die Streifen 60 aus Streckmetall verlaufen parallel zum Stromverlauf im Stromzuleiter
10, und zwar von einem Anschlußkopf 11 des Stromzuleiters 10 bis mindestens zu der
Stelle, an der der Stromverteiler 20 abzweigt. Falls es gewünscht wird, daß ein Teil
des Stroms auch über den in Fig. 1 rechts liegenden Versteifungsstreifen 40 verlaufen
soll, empfiehlt es sich, die Streifen 60 aus Streckmetall bis etwa in den Bereich
der Abzweigungsstelle dieses Verstärkungsstreifens 40 verlaufen zu lassen.
[0041] Aus Fig. 3 ergibt sich im Querschnitt eine etwas abgewandelte Ausführungsform des
Stromzuleiters 10 der Elektrode nach Fig. 1. In diesem Fall besteht nämlich der Mantel
50 des Stromzuleiters 10 aus einem U-förmigen Profil 51a und einem planen Abschlußstreifen
54. Die beiden Teile 53 und 54 des Mantels 50 sind an ihren Stoßstellen durch Schweißnähte
53 miteinander verbunden. An der unteren Innenfläche des Mantels 50 ist ein Streifen
60 aus Streckmetall angeordnet, der die
Kontaktstruktur darstellt und zu diesem Zweck von dem Kernmetall 70 umgossen und mit
der Innenfläche des Mantels 50 verschweißt ist.
[0042] Fig. 5 stellt einen Stromzuleiter 10 mit einem einteiligen Mantel 50 dar. Zum Zwecke
der Herstellung dieser Ausführungsform geht man von einem U-Profil 55 aus, auf dessen
unterer Innenfläche ein Streifen 60 aus Streckmetall verschweißt wird. Danach wird
das Kernmetall 70 bis zu einer Höhe eingegossen, der der Höhe des inneren Querschnitts
der endgültigen Form des Mantels des Stromzuleiters 10 entspricht. Die freien Schenkel
55a des U-Profils 55 werden danach nach innen gebogen, wie in der Fig. 5 angedeutet,
und durch Aufbringen einer Schweißnaht 53 gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen.
[0043] Die Fig. 4 zeigt im Längsschnitt den Stromzuleiter 10 der Elektrode nach Fig. 1.
Jedoch ist in diesem Fall eine etwas anders aufgebaute Kontaktstruktur vorgesehen.
Die Kontaktstruktur besteht nämlich aus zwei Drähten 61, die in etwa in Stromverlaufsrichtung,
jedoch in Wellenform im Inneren des Mantels 50 verlegt sind. Die Drähte 61 berühren
in Abständen die Innenflächen des Mantels 50 und sind hier mit diesem verschweißt.
Einer der Drähte 61 kann mit seinem dem Anschlußkopf 11 zugewandten Ende mit einer
Zwischenplatte 12 verschweißt sein, um auf diese Weise eine direkte übertragung des
Stroms vom Anschlußkopf 11 über die Zwischenplatte 12 auf einen der Drähte 61 der
dadurch gebildeten Kontaktstruktur zu erreichen.
[0044] Fig. 6 zeigt einen horizontalen Schnitt durch den Stromverteiler 20 der Elektrode nach
Fig. 1 gemäß der Schnittlinie VI-VI. Aus der Fig. 6 ergibt sich, daß der Stromzuleiter
20 in das Aktivteil 30 integriert ist. Das Aktivteil 30 kann z.B. aus zwei beidseitig
von dem Stromverteiler 20 sich erstreckenden Platten 31 bestehen, die zur Vergrößerung
der Oberfläche und der Steifigkeit in Form eines Wellblechs ausgebildet sind. Der
Stromverteiler 20 selbst besteht aus einem Mantel 50, der zusammengesetzt ist aus
zwei U-Profilen 56 und 57, die Längsflansche 56a und 57a miteinander durch Schweißnähte
53 verschweißt sind. Mit den Flanschen 57a sind auch die beiden Platten 31 des Aktivteils
30 verschweißt.
[0045] In dem durch den Mantel 50 gebildeten Hohlraum sind in Stromverlaufsrichtung wellenförmig
verlegte Drähte 61 angeordnet, die die Kontaktstruktur darstellen. Der Hohlraum ist
durch ein entsprechendes Kernmetall 70 ausgegossen.
[0046] Wie sich aus Fig. 7 ergibt, berühren die wellenförmig verlegten Drähte 61 in Abständen
die Innenfläche des Mantels 50 des Stromverteilers 20 und sind an diesen Stellen,
bevorzugt nur an einer Stelle, mit dem Mantel 50 verschweißt.
[0047] Fig. 8 zeigt im horizontalen Schnitt eine sogenannte Box-Elektrode, bei der der Aktivteil
30 durch zwei Streckgitter-Bleche 32 gebildet ist, die sich zu einem Hohlprofil ergänzen,
in dessen Innerem der Stromverteiler 20 verläuft. Dieser Stromverteiler weist einen
Mantel 50 auf, der entsprechend der Fig. 2 aus zwei U-Profilen 51 und 52 zusammengesetzt
ist und an den die Bleche 32 angeschweißt sind. Der Hohlraum des Mantels 50 ist durch
ein geeignetes Kernmetall 70 ausgegossen. Die Kontaktstruktur besteht aus Zapfen 62,
die jeweils eine oder mehrere Verdünnungen.bzw. Einschnürungen 62a aufweisen.
[0048] Die Fig. 9 zeigt eine im wesentlichen der Fig. 8 vergleichbare Elektrodenanordnung.
Allerdings weisen bei der Konstruktion nach Fig. 9 die die Kontaktstruktur darstellenden
Zapfen 62 endseitige Verdickungen 62b auf.
[0049] Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Elektrode mit in das Aktivteil integriertem Stromverteiler.
Bei dieser Elektrode besteht das Aktivteil 30 bzw. die wirksame Fläche aus einem Wellblechprofil
33. Zur Ausbildung des Stromverteilers 20 sind in zwei benachbarte Wellentäler vorzugsweise
je ein Draht.61 in Wellenform eingelegt, die die Kontaktstruktur bilden. In diese
beiden Wellentäler ist zudem das Kernmetall 70 eingegossen. Dieser Bereich des Wellblechprofils
33 des Aktivteils 30 bildet danach einen Teil des Mantels des Stromverteilers 20.
Geschlossen wird der Mantel durch eine die beiden Wellentäler abdeckende Abdeckplatte
80, die entsprechend der Wellenform des Wellblechprofils 33 abgewinkelt ist und im
Bereich ihrer
Ab-winkelungen mit dem Wellblechprofil 33 verschweißt ist.
[0050] Eine ähnliche Ausbildung eines Aktivteils 30 mit integriertem Stromverteiler 20 ergibt
sich aus der Fig. 12. In diesem Fall weist das Wellblechprofil 33 einen breiter als
die übrigen Wellen gestalteten U-förmigen Bereich 33a auf, der als Teil des Mantels
des Stromverteilers 20 dient. Auf der Innenfläche des Bereichs 33a des Wellblechprofils
33 ist als Kontaktstruktur ein Streifen 60 aus Streckmetall aufgelegt, der mit dem
Wellblechprofil 33 an einer Mehrzahl von Stellen verschweißt ist. Der U-förmige Bereich
33a des Wellblechprofils 33 bildet gemeinsam mit einer Abdeckplatte 81, die mit dem
Wellblechprofil 33 in geeigneter Weise verschweißt ist, einen Hohlraum, in den das
Kernmetall 70 eingegossen ist.
[0051] Eine prinzipiell andere Ausführungsform einer Elektrode zeigen die Fig. 13 und 14.
Danach besteht das Aktivteil 30 der Elektrode aus in einer Ebene im Abstand und zueinander
parallel angeordneten Profilstäbe 34. Das Profil dieser Stäbe 34 ist beliebig. Im
dargestellten Fall handelt es sich um Rundstäbe. Der Stromverteiler 20 umfaßt einen
rohrförmigen Mantel 50 mit zwei Reihen von einander gegenüberliegenden Radialbohrungen,
durch die die Profilstäbe 34 hindurchgesteckt sind. Die Profilstäbe 34 sind durch
Schweißnähte 53 mit dem rohrförmigen Mantel 50 des Stromverteilers 20 mechanisch und
elektrisch leitend verbunden. In den rohrförmigen Mantel 50 ist ein geeignetes Kernmetall
70 eingegossen. Die innerhalb des rohrförmigen Mantels 50 des Stromverteilers 20 liegenden
Abschnitte 63 der Profilstäbe 34 stellen die Kontaktstruktur dar. Hierzu können diese
Abschnitte 63 eine entsprechende Form oder Oberflächengestaltung oder eine Kontaktbeschichtung
aufweisen, um das Ziel eines innigen Aufschrumpfens des Kernmetalls 70 auf diese Abschnitte
63 der Profilstäbe 34 zu erreichen.
[0052] Die Fig. 15 bis 17 zeigen eine weitere prinzipielle Ausführungsform einer einschlägigen
Metallelektrode. Bei dieser ist das Aktivteil 30 durch zwei gegenüberliegende Wellblechprofile
35 bzw. 36 gebildet, die einen Hohlraum -einschließen. Während das Wellblechprofil
35 gemäß Fig.15 eine Zick-Zack-Form aufweist, setzt sich das Wellblechprofil 36 nach
Fig. 16 aus U-förmigen Bereichen zusammen. In den Hohlraum zwischen den zwei Wellblechprofilen
35 bzw. 36 sind als Kontaktstruktur Drähte 61 eingelegt, die in Abständen mit den
Wellblechprofilen 35
bzw. 36 verschweißt sind. Der übrigbleibende Hohlraum zwischen den zwei Wellblechprofilen
35 bzw. 36 ist mit geeignetem Kontaktmetall 70 ausgegossen. Dadurch ergibt sich zugleich
das stromführende Bauteil 20.
[0053] Fig. 18 zeigt eine Elektrode, bei der zwei Stromverteiler 20 in das Aktivteil 30 entsprechend
den vorher geschilderten Ausbildungsmöglichkeiten integriert sind. Das Aktivteil 30
ist bis an die Unterseite des Stromzuleiters 10 herangeführt und mit dieser verbunden.
In diesem Fall empfiehlt es sich auf alle Fälle, daß die Kontaktstruktur im Inneren
des Stromzuleiters 10 im wesentlichen über die gesamte Länge des Aktivteils 30 verläuft.
[0054] Fig. 19 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Streckgitter-Box-Elektrode entsprechend
den Fig. 8 und 9 mit zwei Stromverteilern 20 und jeweils einer endseitigen Versteifungsstrebe
40.
[0055] Art und Herstellung der erfindungsgemäßen Elektroden werden noch anhand der nachfolgenden
Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
[0056] Zur Herstellung eines Stromzuleiters wird auf einem 985 mm langen, 50 mm breiten,
15 mm hohen und 1,5 mm dicken U-förmigen Titanprofilblech innenseitig auf einer Länge
von 500 mm entsprechend der Erstreckungslänge des Aktivteils ein ungewalzter, 30 mm
breiter Titan-Streckgitterstreifen als Kontaktstruktur mit einer Maschenlänge von
10 mm, einer Maschenbreite von 5 mm, einer Stegdicke von 1 mm und einer Stegbreite
von 1 mm durch Punktschweißen befestigt. Der Abstand der 10 mm großen Schweißpunkte
beträgt 30 mm. Das so vorbereitete U-förmige Titanprofilblech wird mit einem zweiten
Titanprofilblech der gleichen Abmessung, jedoch ohne eingeschweißtem Titan-Streckgitterstreifen,
zu einem Rechteckprofilmantel der Gesamtdicke 25 mm überlappt und gas- und flüssigkeitsdicht
zusammengeschweißt. Die eine Stirnseite des Rechteckprofilmantels wird mittels einer
3 mm dicken aufgeschweißten Titanplatte dicht verschlossen. Anschließend wird an diese
Titanplatte ein Kontaktkopf aus Kupfer mit Silberhartlot angelötet. Der Stromzuleiter
ist nun fertig zum Vergießen mit Kernmetall.
[0057] Ein Stromverteiler mit einem 1150 mm langen, 80 breiten und 12 mm dicken Mantel aus
Titan, in den jedoch zwei Titanstreckgitterstreifen als Kontaktstruktur, d.h. an jedem
der beiden U-Profile einen, beinhaltet, wird in gleicher Weise vorbereitet.
[0058] Stromzuleiter und Stromverteiler werden in einem Ofen in inerter Atmosphäre auf ca.
500°C erhitzt. In deren offene Enden wird anschließend 550°C heißes, schmelzflüssiges
Zink eingegossen. Nach Auffüllen, lunkerfreiem Erstarren und Abkühlen werden die Einfüllenden
der Mäntel vom überschüssigen Zink befreit und gereinigt. Es folgt nun das Verschließen
der noch offenen Enden der Mäntel durch Aufschweißen von Titanplatten.
[0059] Längs der beiden Schmalseiten des Stromverteilers werden zwei beschichtete Aktivteile
der Abmessung 990 x 242 mm aus 1 mm dickem Titanwellblech mit einer Wellenlänge von
ca. 24 mm, einer Amplitude von ca. 6 mm und einem Flächenfaktor Gesamtoberfläche :
projizierte Oberfläche von ca. 3 angeschweißt.
[0060] Das 160 mm aus dem Wellblechbereich herausragende obere Ende des Stromverteilers
wird inmitten der unteren Schmalseite des Stromzuleiters an diesen angeschweißt. Weiter
fixiert und versteift werden kann die Anodenkonstruktion durch Titanverbindungen zwischen
Stromzuleiter und der oberen Wellblechkante (ebenfalls Fig. 1).
[0061] Die beschriebene Anode ist für eine Stromstärke von 390 A entsprechend einer anodenseitigen
Stromdichte von 350A/m' ausgelegt. Bei einer stromstärke von 390 A tritt in der Anode
lediglich ein Ohm'scher Spannungsabfall von ca. 50 mV auf.
[0062] Die Anodenkonstruktion ist steif und robust. Dies resultiert aus der Wellblechstruktur
und dem wie geschildert ausgebildeten Stromverteiler.
[0063] Die Anode ist einfach im Aufbau, billig herstellbar aufgrund der geringen Menge an
Titan und der kostengünstigen Stromzuleiter und -verteiler mit Zinkkern und weist
eine sehr große geometrische Oberfläche auf. Sie wiegt ohne Kupferkontaktkopf 20 kg,
wovon lediglich 6 kg auf den teueren Werkstoff Titan entfallen.
[0064] Dank des günstigen Flächenfaktors 3 wird bei dieser Anode die anodenseitige Stromdichte
von 350 A/m
2 auf einen D
A-Wert (anodische Stromdichte) von ca. 235 A/m
2 gesenkt.
[0065] Im Falle der elektrolytischen Zinkgewinnung, für die diese Anode bestimmt ist, resultiert
aus dem oben Gesagten und aus der katalytischen Effektivität der aktiven Komponenten
der Beschichtung über lange Betriebszeit eine besonders niedrige Sauerstoffüberspannung
und Zellenspannung.
[0066] Als sehr vorteilhaft hat sich diese Anode auch bei der elektrolytischen Gewinnung
von Mangandioxid erwiesen. Die für die Abscheidung zur Verfügung stehende große Oberfläche
der erfindungsgemäßen Anode mit dem Flächenfaktor 3 und ihr äußerst geringer innerer
Spannungsabfall mit ca. 18 mV bei einer anodenseitigen Stromdichte von 120 A/m
2 bewirken neben den Qualitätsverbesserungen beim Elektrolytbraunstein auch beträchtliche
Energieeinsparungen pro Tonne erzeugten Produkts. Hinzu kommt eine beträchtliche Einsparung
an spezifischem Arbeitsaufwand je Tonne erzeugten Elektrolytbraunsteins dank der leichten
Entfernbarkeit der Mn0
2 - Beläge von dieser Anode.
Beispiel 2
[0067] Eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Anodenkonstruktion mit Stromzuleiter und -verteiler,
die sich besonders für den Einsatz in der elektrolytischen Gewinnung von Zink bei
hoher Strombelastung mit anodenseitiger Stromdichte von 600 A/m
2 eignet, wird in folgender Weise hergestellt.
[0068] Auf einem 985 mm langen, 25 mm breiten, 60 mm hohen und 1,5 mm dicken U-förmigen
Titanprofilblech wird innenseitig am Boden auf einer Länge von ca. 800 mm ein ungewalzter,
20 mm breiter Titanstreckgitterstreifen der gleichen Gittercharakteristik wie im Beispiel
1 beschrieben durch Punktschweißung befestigt. Der Abstand der 10 mm großen Schweißpunkte
beträgt 25 mm. Das U-förmige Titanprofil wird mittels eines 1,5 mm dicken Titanblechstreifens
passender Abmessung zu einem Rechteckprofilmantel gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt.
Die der Titan-Kontaktstruktur nahe Stirnseite des Rechteckprofilmantels wird mit einer
3 mm dicken Titanplatte passender Abmessung, die innenseitig ebenfalls ein Titanstreckgittergerüst
aufweist, dicht verschlossen. An ihr ist der Kontaktkopf aus Kupfer anzubringen. Das
Vergießen dieses Stromleiters mit Zink und das Verschließen der Eingießöffnung erfolgt
wie im Beispiel 1 beschrieben.
[0069] Als Aktivteil für diese Anode dient ein 1150 mm langes, 565 mm breites und 1 mm dickes
Titanwellblech der gleichen Charakteristik wie im Beispiel 1 beschrieben, jedoch versehen
mit zwei 1150 mm langen und 60 mm breiten, ebenen, mittig in den beiden Wellblechhälften
angeordneten Bereichen. In diesen ebenen Bereichen werden ungewalzte Titanstreckgitterstreifen
mit Kontaktbeschichtung in der bereits beschriebenen Weise angeschweißt. Durch überdeckende
1 mm starke Titanblechstreifen, die an die den ebenen Bereichen beidseitig angrenzenden
Wellenbergkanten dicht angeschweißt werden, entstehen zwei im Aktivteil integrierte
Stromverteilermäntel. Nach dem Vergießen mit Zink und dem Verschließen ergeben diese
sehr funktionstüchtige Stromverteiler.
[0070] Die danach beschichtete Wellblechanode, die zweckmäßigerweise auch einige der Elektrolytzirkulation
verbessernde Bohrungen aufweist, wird anschließend mit dem Stromzuleiter im Bereich
der Stromverteilerenden dicht und in den übrigen Zonen punktweise verschweißt.
[0071] Der Ohm'sche Spannungsfall dieser mit 670 A belasteten Anode beträgt nur 50 mV. Die
beiden im Aktivteil integriertenStromverteiler zusammen mit dem verschweißten Stromzuleiter
und dem wellenförmigen Aktivteil ergeben eine sehr steife, robuste und langlebige
Konstruktion bei gleichzeitig sehr geringer Titanmenge von ca. 6,5 kg pro Anode. Das
Gesamtgewicht der Anode beträgt ca. 23,5 kg. Der Flächenfaktor 3 des Aktivteils bewirkt
eine, die Zellenspannung vermindernde Absenkung der anodenseitigen Stromdichte von
600 A/m
2 auf eine D
A (anodische Stromdichte) von 400
A/m
2.
Beispiel 3
[0072] Bei der Kupfergewinnungselektrolyse mit einer anodenseitigen Stromdichte von 350
A/m
2 und einer Strombelastung von 590 A/Anöde hat sich folgende beschichtete Titananode
bestens bewährt.
[0073] Der für diese Anode benötigte 1220 mm lange Titan-Stromzuleitermantel und die beiden
1170 mm langen, 60 mm breiten und 12 mm dicken Titan-Stromverteilermäntel sind gemäß
Beispiel 1 ausgeführt.
[0074] Die Mäntel des Stromzuleiters und der beiden Stromverteiler wurden in einem Ofen
in inerter Atmosphäre auf ca. 750°C erhitzt. In die offenen Enden der Mäntel wurde
ahschließend 750°C heißes, schmelzflüssiges Aluminium gegossen. Nach dessen Erstarren
und der Reinigung der Eingieß- öffnungen sind diese mit 3 mm dicken Titanplättchen
dicht verschweißt worden.
[0075] Die beiden Stromverteiler wurden in eine 990 mm hohe, 852 mm breite und 14 mm dicke,
oben und unten offene, beschichtete Titan-Streckgitter-Box der Gittercharakteristik
Maschenlänge 31,75 mm, Maschenbreite 12,7 mm, Stegbreite 2,46 mm, Stegdicke 1,0 mm
inmitten der jeweiligen Boxhälften auf der gesamten Höhe der Box mit dieser verschweißt.
An die aus der Box herausragenden, oberen 180 mm langen Stromverteilerenden wurde
der Stromzuleiter mit seiner Schmalseite angeschweißt. Zusätzlich fixiert und versteift
wurde die Anodenkonstruktion durch Verbindungsstreifen aus Titan zwischen Stromzuleitermantel
und den oberen Boxecken.
[0076] Das Titangewicht dieser Anode beträgt 6 kg, ihr Gesamtgewicht 13,2 kg. Trotz dieses
geringen Titanbedarfs beträgt der Ohm'sche Spannungsabfall dieser Anode lediglich
35 mV.
1. Elektrode, insbesondere Anode aus beschichtetem Ven- tilmetall zur elektrolytischen Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden, mit einem
stromführenden Bauteil, z.B. einem Stromzuleiter und/oder einem Stromverteiler, das
aus einem Mantel aus Ventilmetall und einem darin angeordneten Kern aus elektrisch
gut leitendem Metall, der mit dem Mantel in elektrisch leitender Verbindung steht,
besteht, dadurch gekennzeichnet , daß in das Kernmetall (70) des stromführenden Bauteils
(10; 20) eine Kontaktstruktur (60-63) eingebettet ist, die aus Ventilmetall besteht
und über eine Mehrzahl von Schweißstellen mit der Innenfläche des Mantels (50) verbunden
ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur (60-63)
ein räumliches Gebilde mit in mehreren Richtungen orientierten Oberflächen ist, das
von dem Kernmetall (70) aus mehreren Richtungen her umgeben ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur
aus einem Streifen (60) aus Streckmetall, Drahtnetz, Lochblech oder dergleichen, gebildet
ist (z.B. Fig.2).
4. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Streifen (60) aus Streckmetall
oder dergleichen parallel zur Stromfließrichtung im Bauteil (10;20) verlegt ist.
5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Streifen (60) aus Streckmetall
oder dergleichen geradlinig verläuft.
6. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (60) aus Streckmetall
oder dergleichen gewellt verläuft.
7. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur
aus mindestens einem Draht (61) gebildet ist, der in Stromfließrichtung im Bauteil
(10; 20) gewellt verlegt ist (Fig. 4 und 7).
8. Elektrode nach Anspruch und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur
aus einer Mehrzahl von Körpern wie Bolzen (62) mit Verdickungen (62b) und/oder Verdünnungen
(62) dargestellt ist (Fig. 8 und 9).
9. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
die Kontaktstruktur (60-63) mit einer Kontaktbeschichtung versehen ist.
10. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
der Kern (70) des stromführenden Bauteils (10; 20) aus einem Metall besteht, dessen
Schmelzpunkt um mindestens 500°C niedriger liegt als der des Metalls des Mantels (50)
.
11. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
das Metall des Kerns (70) des stromführenden Bauteils (10; 20) eine wesentlich höhere
elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Ventilmetall des Mantels (50).
12. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
das als Stromverteiler (20) dienende Bauteil dadurch in die aktive Fläche (30) der
Elektrode integriert ist, daß der Mantel zumindest teilweise durch ein die aktive
Fläche der Elektrode darstellendes Elektrodenblech (30) gebildet ist und eine Kontaktstruktur
(60,61) in einem derartig ausgebildeten stromführenden Bauteil angeordnet ist (Fig.
6, 10 bis 12 und 15 bis 17).
13. Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontaktstruktur (60)
mit dem den Mantel zumindest teilweise.bildenden Bereich des Elektrodenblechs (30)
verschweißt ist (z.B. Fig. 12).
14. Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest der den Mantel
teilweise bildender Bereich des Elektrodenblechs (30) U- förmig oder wellenförmig ausgebildet ist und dieser Bereich durch eine Abdeckplatte
(80; 81) zu dem geschlossenen Mantel ergänzt ist (Fig. 10 und ,12).
15. Elektrode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Abdeckplatte (80;
81) mit dem Elektrodenblech verschweißt ist.
16. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
das Elektrodenblech als einstückiges oder mehrstückiges Wellblech (31) ausgebildet
ist.
17. Elektrode nach einem der.vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
das vorzugsweise als Wellblech (31) ausgebildete Elektrodenblech beidseitig an den
Mantel (50) des Stromverteilers (20) angeschweißt ist.
18. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche
(30) der Elektrode durch eine Mehrzahl von in einer Ebene parallel zueinander angeordneten
Profilstäben (34) gebildet ist und die Kontaktstruktur durch Abschnitte (63) der Profilstäbe
(34) gebildet ist, die durch den Kern (70) des stromführenden Bauteils (20) hindurchgeführt
sind (Fig. 13,14).