EP1386024A2 - Verfahren zur reparatur von elektrolysekathoden - Google Patents

Verfahren zur reparatur von elektrolysekathoden

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EP1386024A2
EP1386024A2 EP02729785A EP02729785A EP1386024A2 EP 1386024 A2 EP1386024 A2 EP 1386024A2 EP 02729785 A EP02729785 A EP 02729785A EP 02729785 A EP02729785 A EP 02729785A EP 1386024 A2 EP1386024 A2 EP 1386024A2
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EP
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cutting edge
cross member
cathode
electrolysis
area
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EP02729785A
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EP1386024B1 (de
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Heinrich BRÖHAN
Günter HEYFELDER
Günter KROLL
Joachim Lemke
Dieter Marr
Uwe-Jens Hansen
Michael Landau
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Aurubis AG
Original Assignee
Norddeutsche Affinerie AG
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for repairing electrolysis cathodes which are connected together with anodes in a galvanic bath to carry out galvanic electrolysis to a power source and which consist of a cross member arranged above the galvanic bath for electrical connection with at least one supply rail and one into the galvanic Bad protruding cathode sheet are made of metal.
  • cathodes can be used, for example, in the production of electrolyte copper.
  • the anodes consist of impure cast copper plates, which are dissolved in the electrolyte during the electrolysis and whose copper is then deposited as pure copper on the stainless steel plates. Collect the contaminants mainly as soil sludge in the electrolysis bath.
  • a typical procedure is carried out in such a way that the cathodes are removed from the galvanic bath about once a week, freed of the copper and used again. After about 3 weeks, the copper anodes have dissolved to such an extent that the copper anodes are replaced.
  • the cross member of the cathodes typically consists of a copper-coated support rod in order to ensure a low contact resistance between the cross members and the busbars used for the electrical supply.
  • the cathodes can therefore no longer be used to carry out the electrolysis.
  • Many thousands of cathodes are used simultaneously in the industrial implementation of galvanic electrolysis for copper deposition.
  • the service life of the cathodes is therefore an important cost factor in copper production.
  • the object of the present invention is therefore to specify a method of the type mentioned in the introduction in such a way that repaired electrolysis cathodes are provided with a sufficiently long service life.
  • This object is achieved in that at least a portion of the cathode sheet is separated from the cross member by a thermally substantially uniform application in the area of a first cut edge, that a replacement sheet is provided at least in the area of its extension which can be turned towards the cross member by a thermally substantially even application a second cut edge is cut and that the replacement sheet is welded to the first cut edge by a thermally substantially uniform application in the region of the second cut edge.
  • the provided first cutting edge can be one without any further processing subsequent welding process. This avoids any additional thermal and mechanical loads during an additional processing step.
  • Separation process can be achieved in that the used cathode sheet is separated from the cross member with a laser in the region of the first cutting edge.
  • the replacement plate is cut with a laser at least in the area of its extension that can be turned towards the cross member in order to provide the second cutting edge.
  • a uniform weld seam and uniform heat dissipation can also be supported in that the components to be connected to one another are aligned parallel to one another before the welding process is carried out.
  • the first cut edge be clamped relative to the second cut edge while the welding process is being carried out.
  • cross-sectional reductions in the area of the weld seam and resulting increases in electrical resistance can be avoided by producing an overlap between the weld seam and the root in the area of the weld seam.
  • 1 is a side view of an electrolysis cathode
  • Fig. 2. is a side view in viewing direction II in Fig. L
  • FIG. 3 is an enlarged view of detail III in Fig. 2,
  • FIG. 5 is a perspective view of the electrolysis cathode of FIG. 1,
  • Fig. 6 shows a cross section through a
  • Electrolysis cathode which is clamped in the area of a welding device and which is provided with a new cathode sheet and
  • Fig. 7 is an enlarged cross-sectional view in the area of the weld.
  • Fig. 1 shows an electrolysis cathode (1) which is provided with a cross member (2) and a cathode plate (3).
  • the cathode sheet (3) is made of stainless steel and is welded to the cross member (2).
  • the cross member (2) is preferably designed as a copper-coated support rod.
  • the cathode sheet (3) is provided with insulating rails (6, 7) in the region of side edges (4, 5).
  • the insulating rails (6, 7) can be designed as plastic strips.
  • the cathode sheet (3) has recesses through which fastening elements extend.
  • the cross member (2) projects over the insulating rails (6, 7) with end segments (8, 9). As a result, the electrolysis cathode (1) can be suspended in the region of an electrolysis bath, not shown.
  • Fig. 1 shows an electrolysis cathode (1), in which an original cathode sheet (3) was separated and replaced by a new sheet. As a result, a weld seam (10) runs from the side edge (4) to the side edge (5).
  • the electrolysis cathode (1) has two recesses (11, 12) below the cross member (2), through which holding devices of a transport device can be inserted.
  • the positioning of the weld seam (10) at a distance below the recesses (11, 12) has the advantage that the welding process can be carried out in one operation without having to re-attach the welding electrode.
  • the weld seam (10) should run at the level of the lower boundaries of the recesses (11, 12).
  • the welding electrode has to be applied three times, but the distance of the weld seam from the surface of the electrolyte after insertion into the electrolysis bath can be increased as a result.
  • the actual length of the weld seam is reduced by the expansion of the recesses (11, 12).
  • FIG. 2 illustrates that the cross member (2) can be designed as an I-profile.
  • the insulating rails (6,7) cover essentially the entire area of the side edges (4, 5).
  • Fig. 4 shows a cross section through one of the end segments (8, 9). It can be seen that a lower region of the end segments (8, 9) is designed as a taper (14). As a result, when the end segments (8, 9) rest on a busbar (15), a high contact pressure per unit area and thus a low contact resistance for an electric current is achieved.
  • FIG. 5 illustrates the structure of the electrolysis cathode (1) again through the perspective illustration.
  • the stable design of the cross member (2) and the lateral protrusion of the end segments (8, 9) of the cross member (2) can be seen.
  • FIG. 6 illustrates the arrangement of the electrolysis cathode (1) in the area of a welding device (25) for producing the weld seam (10).
  • Both the new cathode sheet (3) and the cross member (2) with a remaining segment (16) of the original cathode sheet (3) are held by clamping devices (17, 18) and subjected to clamping forces (19, 20, 21, 22).
  • a transverse force (24) is generated by a pushing device (23), which brings the new cathode sheet (3) and the remaining segment (16) together with a defined surface pressure.
  • the welding device (25) is moved along the weld seam (10) to be produced.
  • the structure of the weld seam (10) can be seen in detail in FIG. 7.
  • the weld seam (10) has a seam root (26) and a seam cover (27) which run in the region of opposite sides of the electrolysis cathode (1).
  • the seam root (26) and the seam cover (27) are connected to one another by a welded structure (28) which runs between a first cut edge (29) of the remaining segment (16) and a second cut edge (30) of the new cathode sheet (3).

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Description

Verfahren zur Reparatur von Elektrolysekathoden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von Elektrolysekathoden, die gemeinsam mit Anoden in einem galvanischen Bad zur Durchführung einer galvanischen Elektrolyse an eine Stromquelle angeschlossen werden und die aus einem oberhalb des galvanischen Bades zur elektrischen Verbindung mit mindestens einer Versorgungsschiene angeordnetem Querträger und einem in das galvanische Bad hineinragenden Kathodenblech aus Metall hergestellt sind.
Derartige Kathoden können beispielsweise bei der Produktion von Elektrolyt-Kupfer verwendet werden. Die Anoden bestehen hierbei aus unreinen gegossenen Kupferplatten, die während der Elektrolyse im Elektrolyten aufgelöst werden und deren Kupfer sich anschließend als Reinkupfer auf den Edelstahlplatten abscheidet. Die Verunreinigungen sammeln sich überwiegend als Bodenschlamm im Elektrolysebad an. Ein typischer Verfahrensablauf wird derart durchgeführt, daß etwa einmal pro Woche die Kathoden aus dem galvanischen Bad entnommen, vom Kupfer befreit und wieder eingesetzt werden. Die Kupferanoden haben sich nach ca. 3 Wochen soweit aufgelöst, daß ein Austausch der Kupferanoden erfolgt. Der Querträger der Kathoden besteht typischer Weise aus einer kupferummantelten Tragstange, um einen geringen Übergangswiderstand zwischen den Querträgern und den zur elektrischen Versorgung verwendeten Stromschienen zu gewährleisten.
Aufgrund der wöchentlichen mechanischen Bearbeitung der Kathoden sowie aufgrund der sonstigen auf die Kathoden einwirkenden Prozeßbedingungen unterliegen diese einem Verschleiß. Dieser Verschleiß führt dazu, daß bei einer Entfernung des Kupfers von den Edelstahlblechen eine Verformung der Kathoden auftritt . Die Verformung der Kathoden hat einen verschlechterten Wirkungsgrad bei der Elektrolyse und somit eine geringere Abseheidüngsrate von Kupfer auf den Kathoden zur Folge.
Ab einem bestimmten Verformungsgrad können die Kathoden deshalb nicht mehr für die Durchführung der Elektrolyse verwendet werden. Bei der industriellen Durchführung von galvanischen Elektrolysen zur Kupferabscheidung werden gleichzeitig viele tausend Kathoden verwendet. Die Lebensdauer der Kathoden stellt deshalb einen wichtigen Kostenfaktor bei der Kupferproduktion dar.
Da die Querträger der Kathoden nahezu keine Verschleißeffekte zeigen, ist es bereits versucht worden, verbrauchte Edelstahlbleche abzuschneiden und neue Edelstahlbleche an den Querträger anzuschweißen. Es zeigte sich hierbei jedoch, daß mit den ausprobierten Verfahren erhebliche Spannungen im Edelstahlblech erzeugt werden, die dazu führen, daß derart reparierte Kathoden sich im warmen Elektrolysebad sehr schnell verziehen. Die bekannten Reparaturverfahren haben sich deshalb nicht bewährt, was zur Folge hat, daß bei Erreichen eines nicht mehr tolerierbaren Verformungsgrades der Kathodenbleche die komplette Kathode mit Querträger gegen eine neue Kathode ausgetauscht und die alte Kathode komplett verschrottet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart anzugeben, daß reparierte Elektrolysekathoden mit einer ausreichend hohen Lebensdauer versehen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil des Kathodenbleches durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beaufschlagung im Bereich einer ersten Schnittkante vom Querträger abgetrennt wird, daß ein Ersatzblech mindestens im Bereich seiner dem Querträger zuwendbaren Ausdehnung durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beaufschlagung zur Bereitstellung einer zweiten Schnittkante zugeschnitten wird und daß das Ersatzblech durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beaufschlagung im Bereich der zweiten Schnittkante mit der ersten Schnittkante verschweißt wird.
Durch das Abtrennen des verbrauchten Kathodenbleches durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beaufschlagung vom verbleibenden Teilstück der Kathode wird auf das verbleibende Teil nur eine sehr geringe thermische Belastung ausgeübt . Darüber hinaus kann die bereitgestellte erste Schnittkante ohne jede weitere Bearbeitung einem nachfolgenden Schweißvorgang unterzogen werden. Eventuelle zusätzliche thermische und mechanische Belastungen bei einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt werden hierdurch vermieden .
Die gleichen Vorteile werden auch durch das Zuschneiden mit Hilfe einer thermisch im wesentlichen gleichmäßigen Beaufschlagung im Bereich des Ersatzbleches erreicht . Schließlich führt die Durchführung des Schweißvorganges durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beaufschlagung ebenfalls zu einer sehr geringen thermischen Belastung, die verbleibende thermische Belastung erfolgt mit einer sehr hohen Gleichmäßigkeit. Praktische Versuche zeigen, daß derart reparierte Elektrolysekathoden nahezu die gleiche Verformungsstabilität wie neue Kathoden aufweisen. Gegenüber einem vollständigen Ersatz der Kathoden kann hierdurch ein deutlicher Kostenvorteil erreicht werden.
Eine sehr hohe Gleichmäßigkeit bei der Durchführung des
Trennvorganges kann dadurch erreicht werden, daß das verbrauchte Kathodenblech mit einem Laser im Bereich der ersten Schnittkante vom Querträger abgetrennt wird.
Im Hinblick auf die Konfektionierung des Ersatzbleches erweist es sich als vorteilhaft, daß das Ersatzblech mindestens im Bereich seiner dem Querträger zuwendbaren Ausdehnung mit einem Laser zur Bereitstellung der zweiten Schnittkante zugeschnitten wird.
Minimale thermische Verspannungen können auch dadurch erreicht werden, daß die zweite Schnittkante mit der ersten Schnittkante durch einen Laser verschweißt wird. Zur Erzeugung einer sehr gleichmäßigen Schweißnaht erweist es sich als vorteilhaft, daß die zu verbindenden Bauelemente vor einer Durchführung des Schweißvorganges eingespannt werden.
Ebenfalls können eine gleichmäßige Schweißnaht und eine gleichmäßige Wärmeableitung dadurch unterstützt werden, daß die miteinander zu verbindenden Bauelemente vor einer Durchführung des Schweißvorganges relativ zueinander parallel ausgerichtet werden.
Zur Gewährleistung eines geringen zusätzlichen elektrischen Widerstandes im Bereich der Schweißnaht wird vorgeschlagen, daß während der Durchführung des Schweißvorganges die erste Schnittkante relativ zur zweiten Schnittkante verspannt ist.
Ebenfalls können Querschnittverringerungen im Bereich der Schweißnaht und hieraus resultierende Erhöhungen des elektrischen Widerstandes dadurch vermieden werden, daß im Bereich der Schweißnaht eine Überdeckung zwischen der Schweißnaht und der Wurzel hergestellt wird.
Zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer der Elektrolysekathoden trägt es ebenfalls bei, daß Ausnehmungen im Kathodenblech zur Befestigung von Isolierschienen mit Hilfe eines Lasers hergestellt werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Elektrolysekathode,
Fig. 2. eine Seitenansicht gemäß Blickrichtung II in Fig. l
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit III in Fig. 2,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Endbereiches eines Querträgers der Elektrolysekathode,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Elektrolysekathode gemäß Fig. 1,
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine
Elektrolysekathode, die im Bereich einer Schweißeinrichtung eingespannt ist und die mit einem neuen Kathodenblech versehen wird und
Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung im Bereich der Schweißnaht .
Fig. 1 zeigt eine Elektrolysekathode (1) , die mit einem Querträger (2) und einem Kathodenblech (3) versehen ist. Das Kathodenblech (3) besteht aus Edelstahl und ist mit dem Querträger (2) verschweißt. Der Querträger (2) wird vorzugsweise als eine kupferummantelte Tragstange ausgebildet .
Das Kathodenblech (3) ist im Bereich von Seitenkanten (4, 5) mit Isolierschienen (6,7) versehen. Die Isolierschienen (6, 7) können als Kunststoffleisten ausgebildet sein. Zur Halterung der Isolierschienen (6, 7) weist das Kathodenblech (3) Ausnehmungen auf, durch die sich Befestigungselemente hindurch erstrecken. Der Querträger (2) überragt mit Endsegmenten (8, 9) die Isolierschienen (6, 7). Hierdurch kann die Elektrolysekathode (1) im Bereich eines nicht dargestellten Elektrolysebades aufgehängt werden.
Fig. 1 zeigt eine Elektrolysekathode (1) , bei der ein ursprüngliches Kathodenblech (3) abgetrennt und durch ein neues Blech ersetzt wurde. Hierdurch verläuft von der Seitenkante (4) zur Seitenkante (5) eine Schweißnaht (10) . Zur Erleichterung eines Transportes weist die Elektrolysekathode (1) unterhalb des Querträgers (2) zwei Ausnehmungen (11, 12) auf, durch die Halteeinrichtungen eines Transportgerätes hindurch gesteckt werden können.
Die Positionierung der Schweißnaht (10) mit einem Abstand unterhalb der Ausnehmungen (11, 12) weist den Vorteil auf, daß der Schweißvorgang in einem Arbeitsgang ohne erneutes Ansetzen der Schweißelektrode durchgeführt werden kann. Zur Unterstützung eines möglichst großen Abstandes der Schweißnaht (10) von der Oberfläche des Elektrolysebades ist aber auch daran gedacht, die Schweißnaht (10) auf dem Niveau der unteren Begrenzungen der Ausnehmungen (11, 12) verlaufen zu lassen. Bei der Durchführung des Schweißvorgangs muß hierdurch die Schweißelektrode zwar dreimal angesetzt werden, der Abstand der Schweißnaht von der Oberfläche des Elektrolyten nach einem Einsetzen in das Elektrolysebad kann jedoch hierdurch erhöht werden. Darüber hinaus wird die tatsächliche Länge der Schweißnaht durch die Ausdehnung der Ausnehmungen (11, 12) reduziert.
Die Seitenansicht in Fig. 2 veranschaulicht, daß der Querträger (2) als ein I-Profil ausgebildet sein kann. Darüber hinaus ist erkennbar, daß die Isolierschienen (6,7) im wesentlichen den gesamten Bereich der Seitenkanten (4, 5) abdecken.
Aus der vergrößerten Darstellung in Fig. 3 ist erkennbar, daß das Kathodenblech (3) mit dem Querträger (2) über Schweißnähte (13) verbunden ist.
Fig . 4 zeigt einen Querschnitt durch eines der Endsegmente (8, 9) . Es ist erkennbar, daß ein unterer Bereich der Endsegmente (8, 9) als eine Verjüngung (14) ausgebildet ist. Hierdurch wird bei einem Aufliegen der Endsegmente (8, 9) auf einer Stromschiene (15) ein hoher Anpreßdruck je Flächeneinheit und damit ein geringer Übergangswiderstand für einen elektrischen Strom erreicht.
Fig. 5 veranschaulicht durch die perspektivische Darstellung nochmals den Aufbau der Elektrolysekathode (1) . Insbesondere sind die stabile Ausführung des Querträgers (2) sowie das seitliche Überstehen der Endsegmente (8, 9) des Querträgers (2) zu erkennen.
Fig. 6 veranschaulicht die Anordnung der Elektrolysekathode (1) im Bereich einer Schweißeinrichtung (25) zur Herstellung der Schweißnaht (10) . Sowohl das neue Kathodenblech (3) als auch der Querträger (2) mit einem Restsegment (16) des ursprünglichen Kathodenbleches (3) werden hierbei von Spanneinrichtungen (17, 18) gehaltert und mit Klemmkräften (19, 20, 21, 22) beaufschlagt. Über eine Schubeinrichtung (23) wird eine Querkraft (24) erzeugt, die das neue Kathodenblech (3) und das Restsegment (16) mit einer definierten Flächenpressung zusammenführen. In diesem Zustand wird die Schweißeinrichtung (25) entlang der herzustellenden Schweißnaht (10) bewegt. Der Aufbau der Schweißnaht (10) ist aus Fig. 7 im Detail zu erkennen. Die Schweißnaht (10) weist eine Nahtwurzel (26) und eine Nahtüberdeckung (27) auf, die im Bereich einander gegenüberliegender Seiten der Elektrolysekathode (1) verlaufen. Die Nahtwurzel (26) und die Nahtüberdeckung (27) werden von einem Schweißgefüge (28) miteinander verbunden, das zwischen einer ersten Schnittkante (29) des RestSegmentes (16) und einer zweiten Schnittkante (30) des neuen Kathodenbleches (3) verläuft.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Reparatur von Elektrolysekathoden, die gemeinsam mit Anoden in einem galvanischen Bad zur Durchführung einer galvanischen Elektrolyse an eine Stromquelle angeschlossen werden und die aus einem oberhalb des galvanischen Bades zur elektrischen Verbindung mit mindestens einer Versorgungsschiene angeordnetem Querträger und einem in das galvanische Bad hineinragenden Kathodenblech aus Metall hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Kathodenbleches (3) durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beau schlagung im Bereich einer ersten Schnittkante vom Querträger (2) abgetrennt wird, daß ein Ersatzblech mindestens im Bereich seiner dem Querträger (2) zuwendbaren Ausdehnung durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beau schlagung zur Bereitstellung einer zweiten Schnittkante zugeschnitten wird und daß das Ersatzblech durch eine thermisch im wesentlichen gleichmäßige Beaufschlagung im Bereich der zweiten Schnittkante mit der ersten Schnittkante verschweißt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verbrauchte Kathodenblech (3) mit einem Laser im Bereich der ersten Schnittkante vom Querträger (2) abgetrennt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Ersatzblech mindestens im Bereich seiner dem Querträger zuwendbaren Ausdehnung mit einem Laser zur Bereitstellung der zweiten Schnittkante zugeschnitten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schnittkante mit der ersten Schnittkante durch einen Laser verschweißt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Bauelemente vor einer Durchführung des Schweißvorganges eingespannt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Bauelemente vor einer Durchführung des Schweißvorganges relativ zueinander parallel ausgerichtet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Durchführung des Schweißvorganges die erste Schnittkante relativ zur zweiten Schnittkante verspannt ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Schweißnaht eine Überdeckung zwischen der Schweißnaht und der Wurzel hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ausnehmungen im Kathodenblech (3) zur Befestigung von Isolierschienen (6, 7) mit Hilfe eines Lasers hergestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kathodenblech (3) Platten aus Edelstahl verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Anoden Platten aus Kupfer verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle eine Gleichstromquelle verwendet wird.
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