CN105339526A - 用于电化学工厂的电极中的电流分布的评估的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直接检测提供给电解槽的电极的电流的系统，该系统在非铁金属电解沉淀或电解精炼工厂中特别有用。通过对电极吊架杆的直接测量可以获得实际上无限数量的电极上的电流分布，而不需要工厂员工的人工干预。

Description

用于电化学工厂的电极中的电流分布的评估的系统

技术领域

本发明涉及一种用于直接检测提供给特别用于非铁金属电解沉淀或电解精炼工厂中的电解槽的电极的电流。

背景技术

提供给用于电化学工厂，尤其是用于金属电沉积(诸如金属电解沉淀或电解精炼)工厂的电解槽的电流，可以以非常多样的方式分配给所安装的各个电极，对生产产生负面影响。这种现象可以由于若干原因发生。例如，在金属电解沉淀或电解精炼的特殊情况中，负极性的电极(阴极)被频繁地从其底座移除，以容许收集在其上沉积的产物，随后再被放回原位，以用于接下来的生产循环。这种通常对非常大量的阴极执行的频繁处理，常常导致在相关的汇流排上的不完美的重新定位以及不太理想的电接触，其也可以由在接收底座中沉积的污垢引起。产物的沉积也有可能以不规则的方式在电极上发生，形成改变阴极表面轮廓的质量运输梯度。当这种情况发生时，会建立电不平衡，因为沿着整个电极表面，阳极至阴极之间的间隙不再恒定：电阻作为每对阳极和阴极之间的距离的函数，成为可变化的，使得不规则电流分布的问题恶化。

因此，电流可以以不同的量分配给每一个电极，不仅因为电极与母线之间的电接触不良，也因为阴极表面轮廓的改变。此外，即使阳极的简单磨损也可以影响电流的分布。

这些电流分布的不均匀性可以导致阳极至阴极短路。另一个短路的常见原因，特别是在铜电沉积的情况中，是树枝状沉积物的偶然形成，只要局部阳极至阴极之间的间隙减小，所述树枝状沉积物就会以更快的速度局部生长，导致集中在树枝的生长点的电流部分的增加，直至阴极和阳极之间的短路状态开始发生。在短路的情况中，电流倾向于集中在短路的阴极上，减小到剩余阴极的电流，严重地阻碍了生产，直到短路的阴极被断开连接，否则无法恢复。

除了产生品质和生产能力的损失外，如上所指示的，不均匀的电流分布使从钛网获得的高级阳极的完整性面临风险，缩短它们的寿命。

在工厂中，考虑到存在大量的槽和电极，检测电流分布的不规则性的任务是非常复杂的。事实上，这种检测涉及由操作者经由红外或磁性检测器执行的数以千计的人工测量。在金属电解沉淀和电解精炼工厂的特殊情况中，这些检测是由操作者在高温环境和主要包含硫酸的酸雾存在的情况下完成的。

此外，操作者所使用的传统手动元件，如高斯计或者带有红外传感器的仪器，仅允许定位大的电流分布不平衡，因为它们实际上检测的是与磁场或温度改变相关联的不平衡。

这些人工或半人工系统具有不适合连续操作(仅允许抽查)、非常昂贵以及对操作者健康具有潜在危害的缺点。

已知的用于槽的无线监测的系统，尽管是永久的并且可以连续工作，但其仅检测每个槽(而不是每个单电极)的电压和温度变化。如以上所解释的，这项信息是不精确的并且整体上是不充分的。

例如在WO2013037899中公开了克服上述问题的尝试。在上述专利申请中描述的发明具有缺点，即需要把数以千计的接触直接固定在汇流排上，其在操作期间在工厂中是一项完成起来很复杂的任务。此外，这种间接的电流测量需要使用复杂的计算模型，该计算模型需要允许几种近似。

由于这些原因，工业上表示需要得到在技术上和经济上可行的系统，用于永久且连续地监测和测量在金属电沉积工厂的槽中安装的每一个电极中的电流分布。

发明内容

本发明允许检测电化学工厂(例如非铁金属电解沉积工厂(例如电解萃取或电解沉淀以及电解精制或电解精炼))中安装的几乎无限数量的电极的电流分布，而不需要操作者的干预，以在不健康环境中执行人工测量，并且能够通过警报系统发出一个或多个特定电极的故障的信号。本发明还允许克服现有技术中的间接测量系统的计算和安装的复杂性，该系统可适用于在电极制造阶段期间直接安装在电极上。

本发明的各个方面在随附的权利要求中陈述。

在一个方面中，本发明涉及一种用于评估金属电沉积工厂的阴极和阳极中的电流分布的系统，所述系统包括：

至少一个电解槽，包含电解质；

电流汇流排，与所述至少一个电解槽相关联；

多个阴极和阳极，其上放置有与其电接触的阴极和阳极吊架杆，所述阴极和阳极吊架杆具有均一电阻率和规则几何形状，所述吊架杆具有与所述电流汇流排邻接的端子部件，并且适用于使对应的阴极和阳极在所述至少一个电解槽内保持位置；

其中所述阴极和阳极吊架杆装配有至少一个电探针，在由与电流汇流排的电连接以及与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中，所述至少一个电探针与位于所述阴极和阳极吊架杆上的至少两个接触检测点连接。

阴极和阳极吊架杆与连接到其的电极(分别为阴极和阳极)之间的“第一电连接”术语，在本文中用来指电流从其来源侧开始到达的第一接触点。

发明人已经发现当电极吊架杆的几何形状是规则的时，通过本发明的测量可能推测耦接到电极吊架杆的电极上的电流分布。

本领域已知电化学金属沉积工厂，其中槽被配置成仅从一侧接收电流，或者装配平衡次级电流汇流排用于电流再分布。在后一种情况中，本发明的系统被布置，以便包括：

至少一个电解槽，包含电解质；

电流汇流排，与所述至少一个电解槽相关联；

平衡次级汇流排；

多个阴极和阳极，其上放置有与其电接触的阴极和阳极吊架杆，所述阴极和阳极吊架杆具有均一电阻率和规则几何形状，所述吊架杆具有与所述电流汇流排邻接的第一端子部件以及与所述平衡次级汇流排邻接的第二端子部件，所述吊架杆适用于使对应的阴极和阳极在所述至少一个电解槽内保持位置；

其中所述阴极和阳极吊架杆装配有至少一个电探针，在由分别与电流汇流排和平衡次级汇流排的电连接以及与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中，所述至少一个电探针与位于所述阴极和阳极吊架杆上的至少四个接触检测点连接。

在根据本发明的系统的一个实施例中，所述阴极和阳极吊架杆装配有至少一个微电路，所述至少一个微电路具有与其连接的微处理器，所述微电路与所述接触检测点电连接。

为了避免将电极吊架杆与多个线缆连接，其对于工厂管理人员来说是一个复杂的操作，欧姆电压降测量可以经由无线电发射机被传送到中央计算机，以进行必要处理。出于这个原因，根据本发明的系统的进一步的实施例，微处理器的微电路也装配有无线电发射机。在一些情况中，电极吊架杆的电阻率可以受到与特定关键操作条件相关联的局部温度变化影响。通过提供将所述接触检测点连接到温度传感器设备的根据本发明的系统的进一步实施例，必要的校正成为可能。

在根据本发明的系统的进一步实施例中，吊架杆的接触检测点、无线电发射机和温度传感器设备通过耐化学树脂(例如环氧基树脂)进行保护而免于遭受周围的化学环境的影响。

在另一方面中，本发明涉及一种用于评估金属电沉积工厂的阴极和阳极中的电流分布的方法，所述方法包括以下步骤：

在由与电流汇流排的电连接和与相应阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中，通过将至少一个电探针与位于所述阴极和阳极吊架杆的至少两个接触检测点电连接，给所述吊架杆装配至少一个电探针；

校准所述阴极和阳极吊架杆的电阻；

通过线缆或无线电发射机，将电流测量结果传送到中央计算机；

通过所述中央计算机阐释数据；

如果预定义的异常现象发生，则启动连接到所述中央计算机的警报系统；

启动用于断开出现异常现象的电极的可选装置。

在进一步的方面中，本发明涉及一种用于电沉积应用的阴极或阳极吊架杆，所述阴极或阳极吊架杆具有均一电阻率和规则的几何形状，并且具有至少一个微电路，所述至少一个微电路设有与其连接的微处理器，所述微电路与至少两个检测点连接，所述至少两个检测点位于由与电流汇流排的电连接和与相应阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中，所述微电路具有内部电阻电路。

在进一步的方面中，本发明涉及一种用于评估金属电沉积厂的阴极和阳极中的电流分布的方法，所述方法包括以下步骤：

在由与相应的电流汇流排的电连接和与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中，通过将集成有微处理器的微电路电连接到，位于每个阴极和阳极吊架杆上的至少两个接触检测点，将集成有微处理器的微电路应用在每个阴检和阳极吊架杆上；

校准阴极和阳极吊架杆的电阻；

通过线缆或无线电发射机将电流测量结果传送到中央计算机；

通过所述中央计算机阐释数据；

如果预定义的异常现象发生，则启动连接到所述中央计算机的警报系统；

启动用于断开呈现异常现象的电极的可选装置。

现在将参考附图描述例示本发明的一些实现，其唯一的目的在于相对于本发明的所述特定实现说明不同元件的相互配置；特别地，附图不必按比例尺描绘。

附图说明

图1示出了双电接触配置的根据本发明的电极至电极吊架杆耦接的示意图。

图2示出了双电接触配置的根据本发明的电子微电路的示意图。

具体实施方式

图1中，示出了电极吊架杆1，附接到其的电极2，检测点3、4、5和6，电流方向7、8、9、10和11，电流汇流排12和13，配备有微处理器的微电路14。

图2中，示出了电子微电路的示意图，指示对应于与图1的电极吊架杆的电子电路等价的电路的区域15，对应于微电路的电子电路的区域16，检测点17、18、19、20，对应于电极吊架杆的各部分的电阻23和24，微电路的电位差的测量点21和22，所应用的电阻器25和26。

下面的示例被包括，以展示本发明的特定实施例，其实用性已经在所要求保护的值的范围内被极大地证实。本领域技术人员应该理解随后示例中公开的构造和技术代表了本发明人所发现的在本发明的实践中运作良好的构造和技术；然而，根据本公开内容，本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在已公开的具体实施例中做出很多改变，并且仍可以得到相似或类似的结果。

示例

通过应用根据图2的示意图的电路，组装了一种用于评估阴极和阳极的电流分布的系统。在这个具体情况中用于计算电流分配的方法基于以下公式所表达的模型。A是点17处的电压，C是点19处的电压，B是点18处的电压，并且D是点20处的电压。M是点21处的电压，并且N是点22处的电压。K是电极吊架杆的对应于点17和点18之间的部分的电阻。P^＊K是电极吊架杆的对应于点19和点20之间的部分的电阻。R是分别安装在点17和点21之间以及点19和点21之间的电阻器的值。P^＊R是安装在点19和点21以及点20和点22之间的电阻。I1是点17和点18之间的电流，并且I2是点19和点20之间的电流。

$M-C=\frac{P\·R}{R+P\·R}(A-C)$

$M=\frac{P\·R}{R+P\·R}(A-C)+C$

$N-D=\frac{P\·R}{R+P\·R}(B-D)$

$N=\frac{P\·R}{R+P\·R}(B-D)+D$

$M-N=\frac{P\·R}{R+P\·R}(A-C)+C-\left(\frac{P\·R}{R+P\·R}\right(B-D)+D)$

$M-N=(C-D)+\frac{P\·R}{R+P\·R}(A-C)-\frac{P\·R}{R+P\·R}(B-D)$

$M-N=(C-D)+\frac{P}{1+P}(A-C)-\frac{P}{1+P}(B-D)$

$M-N=C-D+\frac{P\·A}{1+P}-\frac{P\·C}{1+P}-\frac{P\·B}{1+P}+\frac{P\·D}{1+P}$

$M-N=(C-D)-(C-D)\frac{P}{1+P}+\frac{P\·A}{1+P}-\frac{P\·B}{1+P}$

$M-N=(C-D)(1-\frac{P}{1+P})+\frac{P\·A}{1+P}-\frac{P\·B}{1+P}$

$M-N=(C-D)\frac{1}{1+P}+(A-B)\frac{P}{1+P}$

$M-N=I1\·K\frac{P}{1+P}+I2\·P\·K\frac{1}{1+P}$

$M-N=I1\·K\frac{P}{1+P}+I2\·K\frac{P}{1+P}$

$M-N=K\·\frac{P}{1+P}(I1+I2)$

因此，点M-N之间的电位差与(I1+I2)成比例。知道I的总数，则可能推导出R等于R1，R2...Rn，并且因此推导出单个电流。

之前的描述不意在限制本发明，其可以在不脱离其范围的情况下根据不同的实施例使用，并且本发明的范围仅由随附的权利要求限定。

贯穿本申请的说明书和权利要求，术语“包括”及其变化形式不意在排除存在其它元件、组件和附加的处理步骤。

本说明书包括文件、行动、材料、设备、物品等的讨论，仅是出于为本发明提供上下文的目的。并非建议或表示这些对象的任何部分或全部形成现有技术基础的一部分，也不是在本申请的每项权利要求的优先权日之前本发明相关领域内的公知常识。

Claims (10)

1.一种用于评估金属电沉积工厂的阴极和阳极中的电流分布的系统，所述系统包括：

至少一个电解槽，包含电解质；

电流汇流排，与所述至少一个电解槽相关联；

多个阴极和阳极，其上放置有与其电接触的阴极和阳极吊架杆，所述阴极和阳极吊架杆具有均一电阻率和规则几何形状，所述吊架杆具有与所述电流汇流排邻接的端子部件，并且适用于使对应的阴极和阳极在所述至少一个电解槽内保持位置；

其中所述阴极和阳极吊架杆装配有至少一个电探针，，所述至少一个电探针与至少两个接触检测点连接，所述接触检测点位于所述阴极和阳极吊架杆上的由与电流汇流排的电连接以及与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中。

2.一种用于评估金属电沉积工厂的阴极和阳极中的电流分布的系统，所述系统包括：

至少一个电解槽，包含电解质；

电流汇流排，与所述至少一个电解槽相关联；

平衡次级汇流排；

多个阴极和阳极，其上放置有与其电接触的阴极和阳极吊架杆，所述阴极和阳极吊架杆具有均一电阻率和规则几何形状，所述吊架杆具有与所述电流汇流排邻接的第一端子部件以及与所述平衡次级汇流排邻接的第二端子部件，所述吊架杆适用于使对应的阴极和阳极在所述至少一个电解槽内保持位置；

其中所述阴极和阳极吊架杆装配有至少一个电探针，，所述至少一个电探针与至少四个接触检测点连接，所述接触检测点位于所述阴极和阳极吊架杆上的由分别与电流汇流排和平衡次级汇流排的电连接以及与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述阴极和阳极吊架杆装配有至少一个微电路，所述至少一个微电路具有与其连接的微处理器，所述微电路与所述接触检测点电连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述至少一个微电路装配有无线电发射机。

5.根据前述权利要求中任何一项所述的系统，其中所述接触检测点连接到温度传感器设备。

6.根据权利要求2至5中任何一项所述的系统，其中所述阴极和阳极吊架杆装配有至少一个微电路，所述至少一个微电路具有与其集成的所述微处理器。

7.根据权利要求6所述的系统，其中具有与其集成的所述微处理器的所述微电路、所述吊架杆的所述接触检测点、所述无线电发射机以及所述温度传感器设备通过耐化学树脂进行保护而免于遭受周围的化学环境的影响。

8.一种用于评估金属电沉积工厂的阴极和阳极中的电流分布的方法，所述阴极和阳极上方放置有对应的吊架杆，其中所述方法包括以下步骤：

通过将至少一个电探针与至少两个接触检测点电连接，给所述吊架杆装配至少一个电探针，所述接触检测点位于所述阴极和阳极吊架杆的由与电流汇流排的电连接和与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中；

校准所述阴极和阳极吊架杆的电阻；

通过线缆或无线电发射机，将电流测量结果传送到中央计算机；

通过所述中央计算机阐释数据；

如果预定义的异常现象发生，则启动连接到所述中央计算机的警报系统；

启动用于断开出现异常现象的电极的可选装置。

9.一种用于电沉积应用的阴极或阳极吊架杆，所述阴极或阳极吊架杆具有均一电阻率和规则的几何形状，并且具有至少一个微电路，所述至少一个微电路设有与其连接的微处理器，所述微电路与至少两个检测点连接，所述至少两个检测点位于由与电流汇流排的电连接和与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中，所述微电路具有内部电阻电路。

10.一种用于评估金属电沉积工厂的阴极和阳极中的电流分布的方法，所述阴极和阳极上方放置有对应的吊架杆，其中所述方法包括以下步骤：

通过将集成有微处理器的微电路电连接到至少两个接触检测点，将集成有微处理器的微电路应用在每个阴极和阳极吊架杆上，所述接触检测点位于每个阴极和阳极吊架杆上的由与相应的电流汇流排的电连接和与对应的阴极或阳极的第一电连接所限定的区域中；

校准阴极和阳极吊架杆的电阻；

通过线缆或无线电发射机将电流测量结果传送到中央计算机；

通过所述中央计算机阐释数据；

如果预定义的异常现象发生，则启动连接到所述中央计算机的警报系统；

启动用于断开呈现异常现象的电极的可选装置。