專利名稱：用于獲得電解槽匯流排上良好接觸表面的方法和匯流排的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在電解金屬所使用的電解槽匯流排(busbar)上形成良好接觸表面的方法。匯流排的接觸表面，即，要被浸入到槽中的電極的支撐棒或接線柱(lug)被降低放到其上的表面，涂覆有高導(dǎo)電金屬。本發(fā)明還涉及電解槽匯流排，在其表面上形成高導(dǎo)電的涂層。
許多金屬例如銅、鋅和鎳的制造包括電解步驟，在該步驟中，使用電流要生產(chǎn)的純金屬沉積在陰極上，將雜質(zhì)留在溶液中。電解回收例如在充入含硫酸的電解質(zhì)的電解槽中進行，并且由導(dǎo)電材料制成的電極(陽極和陰極)依次浸入電解質(zhì)中。電極通過支撐在槽邊緣上的支撐棒或接線柱被懸吊在電解槽中。
電解槽串連成組地連接，使得前一個槽的陽極通過各槽間壁頂上的匯流排而電連接到下一個槽的陰極。匯流排一般由銅制成，或者至少是銅涂覆的。構(gòu)造典型地還包括在匯流排頂上經(jīng)過的有凹口的絕緣托架，其將在前槽的陰極與在后槽的陽極匯流排隔開。電極支撐棒的一端放在匯流排頂上，另一端通常在絕緣托架頂上。將要生產(chǎn)的金屬可以作為可溶解陽極——術(shù)語稱為活性陽極——而被引入到工藝中(電解精煉)，或者，金屬可以溶解在電解質(zhì)中，在這種情況下，陽極是不能溶解的或者惰性的陽極(電解沉積)。
匯流排的幾何形狀可以改變。例如在美國專利3,682,809中描述了橫截面為三角形的連續(xù)匯流排。在其他情況中，電極在槽中的放置通過匯流排的設(shè)計來安排。這種匯流排在例如美國專利4,035,280中有介紹，其中，電極被放在匯流排邊緣上的傾斜凹槽上。
另一方面，美國專利6,342,136描述了一種主匯流排，其在長度方向上是連續(xù)的，并且具有不同高度的突起，在突起之間放置絕緣結(jié)構(gòu)(insulating profile)。陰極支撐棒的一端放在主匯流排頂上，另一端設(shè)定在位于絕緣結(jié)構(gòu)頂上的銅電壓平衡棒頂上。當(dāng)匯流排是連續(xù)的時，電極的支撐棒或接線柱可以放下在所述排的期望點頂上。這樣，整個匯流排可以作為對于支撐棒或接線柱的接觸表面。如果匯流排具有凹口或者被成形為能夠使得電極的位置被確定，那么凹口或被成形的點作為所述排的接觸表面。
接觸表面的快速磨損是銅匯流排的一個問題。這主要是由于在電解質(zhì)的作用下，銅氧化成氧化物，氧化物腐蝕成硫酸銅。在接觸表面上形成的硫酸銅進一步弱化了匯流排的電導(dǎo)率，此外，硫酸銅溶解到電解質(zhì)中。氧化致使電壓下降的增加，這是因為銅氧化物的電導(dǎo)率遠遠小于純銅的電導(dǎo)率。此外，在鋅電解中從匯流排溶解下來的銅例如將不必要地增加陰極鋅中銅的水平。
現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)了一種方法，其涉及在電解金屬中使用的電解槽匯流排上獲得良好的接觸表面，其中，至少所述排的表面部分由銅制成。
根據(jù)現(xiàn)在研發(fā)的方法，電極將被降放到其上的匯流排區(qū)域，即接觸表面，涂覆有高導(dǎo)電的金屬或金屬合金，例如銀或銀合金。銅和銀通過傳遞層而彼此相接。當(dāng)在形成于匯流排的銅上的傳遞層與涂層材料之間形成金屬接合時，就避免了由于接觸件下表面的磨損或氧化而引起的問題。本發(fā)明還涉及通過該方法制造的匯流排，用于在電解金屬的電解槽中使用，其中，至少與電極接觸的點即接觸表面由高導(dǎo)電的層形成。當(dāng)在文中使用術(shù)語匯流排時，它也意味著在現(xiàn)有技術(shù)中所說的電壓平衡棒(potential balancing bar)。
在權(quán)利要求中給出的特征是本發(fā)明的特性。
匯流排中的接觸表面可以良好地導(dǎo)電是很重要的。使用例如銀或銀合金的高導(dǎo)電金屬作為涂層材料，確保了從匯流排到電極的有效電流饋送。使用銀的冶金學(xué)原理是，雖然它在表面上形成氧化物，但是在較低溫度下氧化物不再穩(wěn)定并分解回到金屬形態(tài)。由于上述原因，在匯流排的鍍銀接觸表面上不會類似在例如銅表面上形成的氧化物膜。涂層有助于確保電解的電學(xué)質(zhì)量水平在較長時間上也能維持較高。
銀不會直接在銅上形成附著牢固的冶金接合，所以必須首先在銅上形成薄的傳遞層，優(yōu)選為錫或主要含錫的合金中的一個。在下文中為了簡便，我們將只談到錫，但是該術(shù)語也包括主要含錫的合金。錫層可以以許多方式形成，例如預(yù)先經(jīng)過加熱、電解涂覆形成，或者通過在實際涂覆之前直接在表面點上熱噴涂來形成。之后，可以用銀或銀合金涂覆錫表面。例如可以通過熱噴涂或釬焊技術(shù)來有利地進行對匯流排銅接觸表面的銀涂覆。
在形成涂層之前，將氧化物從匯流排的作為接觸表面的部分上去除。在新匯流排上進行該工序也是有利的，但是特別地，當(dāng)該方法是被用來改進使用過的匯流排的導(dǎo)電性時，去除氧化物才是必要的。這種去除例如可以通過噴砂來完成。
對匯流排進行涂覆的方法在一定程度上取決于排或棒的幾何尺寸。當(dāng)匯流排或電壓平衡棒在長度方向上是連續(xù)的時，沿著排或棒的整個長度進行涂覆，并且在這種情況下，通過熱噴涂技術(shù)來進行涂覆是優(yōu)選的，當(dāng)然也可以使用釬焊技術(shù)。如果在匯流排上已經(jīng)形成了作為對電極的接觸表面的凹口或凹槽，那么自然就不值得在除這些接觸表面之外的區(qū)域上進行涂覆了。同樣，在這些情況下，釬焊技術(shù)也是形成涂層的有利方法。
可以使用熱噴涂技術(shù)來用銀涂覆匯流排，因為銀的熔點是960℃。也可以使用AgCu合金作為涂層材料，例如以絲狀或粉末的形式。低共熔AgCu合金的熔點甚至比Ag的熔點還低，因此適于通過所討論的技術(shù)涂覆接觸表面。
在可應(yīng)用的熱噴涂技術(shù)中，在實踐中，已經(jīng)證明至少基于氣體燃燒的技術(shù)是可行的。在這些技術(shù)中，高速氧燃料(HVOF)噴涂是基于高壓下噴槍燃燒室中存在的燃料氣體或液體與氧氣連續(xù)燃燒，并通過噴槍產(chǎn)生快速氣流而實現(xiàn)的。涂層材料最常見的是以粉末形式通過載氣沿軸向被送入槍噴嘴。粉末顆粒在噴嘴中加熱，獲得非常高的運動速度(每秒幾百米)，并被導(dǎo)向待涂覆的物件。
在普通的火焰噴涂中，當(dāng)燃料氣體和氧氣的混合物燃燒時，會使絲狀或粉末形式的涂層材料熔化。一般使用乙炔作為燃料氣體，因為它具有極熱的火焰。涂層材料絲由使用壓縮空氣渦輪機或電動機的送料設(shè)備經(jīng)由絲管口被送入。在絲管口前面燃燒的氣焰使絲端熔化，并用壓縮空氣將熔體吹成金屬霧并吹到待涂覆的物件上。顆粒速度在100m/s的數(shù)量級上。
熱噴涂技術(shù)使表面材料熔化，由于含銀涂層的熔融液滴具有很高的溫度，所以在銅、錫與在匯流排接觸表面的涂層中的涂層材料之間生成冶金結(jié)合。因此，接合處的導(dǎo)電性是很好的。該金屬接合方法在例如380～600℃溫度范圍在接合區(qū)域中會引起銀、錫和銅的三元合金的共晶。如果需要，在噴涂之后可以進行單獨的熱處理，這會促進冶金接合的形成。
當(dāng)使用釬焊技術(shù)來在匯流排的接觸表面上形成涂層時，對待處理的表面進行清潔，然后在其上形成錫層，優(yōu)選地小于50μm厚。然后，使用某種合適的燃燒器來進行銀涂覆。錫層熔化，并且在將涂層片放到熔融錫上時，定位在正確的位置是很容易的。
該方法還涉及在電解槽中使用的匯流排或電壓補償桿(rail)。在匯流排的銅表面上，尤其是在那些與電極支撐棒或接線柱接觸的接觸表面上，形成高導(dǎo)電層。關(guān)于高導(dǎo)電的金屬或金屬合金，使用銀，或者銀合金，例如銀銅合金。優(yōu)選地通過例如釬焊或熱噴涂技術(shù)來進行接觸表面的涂覆，其中，在接觸表面與涂層之間形成冶金接合。如果匯流排是在長度方向上連續(xù)的，那么優(yōu)選地沿匯流排的整個長度對其進行涂覆。如果使接觸表面位于具有用于電極的凹口或凹槽的排或棒上，那么只對這些接觸表面進行根據(jù)本發(fā)明的涂覆。
通過下面的實例和附

圖1對根據(jù)本發(fā)明的方法做了進一步的描述，圖1示出了在根據(jù)本發(fā)明的電解槽匯流排中以及在對比匯流排中的相對電壓下降。
實例在銅電解(電解精煉)中的三個電解槽，每一個都有81個電極，其到達電解槽匯流排的接觸表面?zhèn)鹘y(tǒng)地由銅制成。槽中的一個按照本發(fā)明的實施例配置，其中，槽匯流排的接觸表面涂覆有銀。另兩個槽具有標(biāo)準(zhǔn)的銅匯流排。圖1顯示，銀涂覆排的電壓下降比傳統(tǒng)匯流排的小很多。電壓下降計算為電極的平均值。使最嚴(yán)重的槽匯流排電壓下降的值為100，其他槽中的匯流排的電壓下降參照此值給出。
權(quán)利要求
1.一種用于在電解金屬中使用的電解槽匯流排上形成良好接觸表面的方法，其中，至少匯流排的表面由銅制成，并且接觸表面形成電極將被降放到其上的區(qū)域，其特征在于，在所述匯流排的銅接觸表面上形成傳遞層，之后，用高導(dǎo)電的金屬或金屬合金對接觸表面進行涂覆，其中，涂層材料與銅和傳遞層形成冶金接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，傳遞層由錫或主要含錫的合金制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，高導(dǎo)電的涂層是銀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，高導(dǎo)電的涂層是銀銅合金。
5.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的方法，其特征在于，除了匯流排之外，電解槽還配備有電壓平衡棒，在該電壓平衡棒上，在與電極接觸的銅表面上形成傳遞層，之后用高導(dǎo)電的金屬或金屬合金對接觸表面進行涂覆，其中，涂層材料與銅和傳遞層形成冶金接合。
6.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的方法，其特征在于，匯流排在長度方向上是連續(xù)的，這樣涂層沿著匯流排的整個長度形成。
7.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的方法，其特征在于，電極被降低放到其上的匯流排接觸表面形成有凹口或凹槽，其中，涂層在匯流排的凹口或凹槽區(qū)域上形成。
8.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的方法，其特征在于，高導(dǎo)電涂層通過釬焊技術(shù)形成。
9.根據(jù)任何權(quán)利要求1至7的方法，其特征在于，高導(dǎo)電涂層通過熱噴涂技術(shù)形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，熱噴涂技術(shù)是基于氣體燃燒的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其特征在于，熱噴涂技術(shù)是高速氧燃料噴涂。
12.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的方法，其特征在于，高導(dǎo)電涂層材料是粉末形式的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其特征在于，熱噴涂技術(shù)是火焰噴涂。
14.根據(jù)任何權(quán)利要求1至11或13的方法，其特征在于，高導(dǎo)電涂層材料是絲狀的。
15.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的方法，其特征在于，在涂覆之后對接觸表面進行熱處理。
16.一種在電解金屬時使用的電解槽匯流排，至少匯流排的表面部分由銅制成，并且接觸表面形成電極被降低放到其上的區(qū)域，其特征在于，傳遞層形成在匯流排的接觸表面上，之后，接觸表面用高導(dǎo)電金屬或金屬合金進行涂覆，其中，銅、傳遞層和涂層材料已經(jīng)形成冶金接合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的匯流排，其特征在于，傳遞層是錫或主要含錫的合金。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17的匯流排，其特征在于，高導(dǎo)電的涂層是銀。
19.根據(jù)權(quán)利要求16或17的匯流排，其特征在于，高導(dǎo)電的涂層是銀銅合金。
20.根據(jù)任何權(quán)利要求16至19的匯流排，其特征在于，高導(dǎo)電涂層通過釬焊技術(shù)形成。
21.根據(jù)任何權(quán)利要求16至19的匯流排，其特征在于，高導(dǎo)電涂層通過熱噴涂技術(shù)形成。
22.根據(jù)任何權(quán)利要求16至21的匯流排，其特征在于，匯流排在長度方向上是連續(xù)的，其中，涂層沿著匯流排的整個長度形成。
23.根據(jù)任何權(quán)利要求16至21的匯流排，其特征在于，電極被降低放到其上的匯流排接觸表面形成有凹口或凹槽，其中，涂層在匯流排的凹口或凹槽區(qū)域上形成。
24.根據(jù)任何權(quán)利要求16至21的匯流排，其特征在于，匯流排是電壓平衡棒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在電解金屬中使用的電解槽匯流排上形成良好接觸表面的方法。匯流排的接觸表面，即將被浸入到槽中的電極的支撐棒或接線柱被降放到其上的表面，涂覆有高導(dǎo)電金屬。本發(fā)明還涉及電解槽匯流排，在其表面上形成高導(dǎo)電的涂層。
文檔編號C25C7/02GK1703538SQ200380101338
公開日2005年11月30日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月7日
發(fā)明者K·歐薩拉, V·泊爾維 申請人:奧托庫姆普聯(lián)合股份公司