DE10003012A1 - Kathodenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung, bestehend aus einer Tragschiene 1 und einem mit der Tragschiene 1 verbundenen Kathodenblech 2. An der Unterseite 5 der Tragschiene 1 sind zwei sich in ihrer Längsrichtung erstreckende parallele Flansche 8, 9 ausgebildet, zwischen denen das Kathodenblech 2 aufgenommen und mit den Flanschen 8, 9 durch Sprengschweißen verbunden ist. Hierdurch entsteht ein vollflächiger Metallverbund mit sehr guten Stromübergangseigenschaften an den Kontaktflächen zwischen den Flanschen 8, 9 und dem Kathodenblech 2. Die über das Kathodenblech 2 vorstehenden Enden der Tragschiene 1 sind flanschlos ausgebildet und weisen unterseitig keilförmig aufeinander zulaufende Schrägflächen 6, 7 auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei der Raffination von Rohmetallen mit Hilfe der Elektrolyse zur Gewinnung von Reinmetallen wird das Metall in einem Elektrolysebecken aus der unreinen Anode herausgelöst und an der Kathode in reiner Form abgeschieden. Die Verunreinigungen bleiben im Elektrolyten gelöst oder bilden den Anodenschwamm.

In diesem Zusammenhang zählen unterschiedliche Konstruktionen für die Elektrolyse-Kathoden zum Stand der Technik. Diese unterscheiden sich vornehmlich in der Auswahl der Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen von Tragschiene und Kathodenblech im Hinblick auf eine gute elektrische Leitfähigkeit zur Minimierung der Energieverluste, der mechanischen Stabilität und der Korrosionsbeständigkeit. Für die Kupferraffination sind Anordnungen bekannt, bei denen die Tragschiene aus einem Nichteisenmetallkern besteht, der eine Stahlummantelung aufweist, oder einen Stahlkern besitzt, der elektrolytisch verkupfert ist. Die Verbindung des Kathodenblechs mit der stromzuführenden Tragschiene erfolgt bei den bekannten Kathodenanordnungen über das Verschweißen artgleicher Metalle für Tragschiene und Kathodenblech wie Stahl/Stahl oder dem Verlöten bei unterschiedlichen Metallpartnern. Im Umfang der US-A-5,492,609 oder der EP 0 175 395 A1 zählt ferner die schweißtechnische Verbindung einer Tragschiene aus Kupfer mit einem Kathodenblech aus Edelstahl zum Stand der Technik.

Die EP 0 301 115 A1 offenbart eine Tragschiene mit einem Stahlkern, der elektrolytisch dick verkupfert wird, wobei die Verbindungsflächen für das Stahlkathodenblech anschließend mit einem Stahlblechstreifen sprengplattiert wird, um hieran das Stahlkathodenblech anzuschweißen.

Den bekannten Kathodenanordnungen stehen hohe Herstellungskosten entgegen.

Insbesondere wenn stahlarmierte Tragschienen zur Vermeidung von Leistungsverlusten infolge Spannungsabfall elektrolytisch dickverkupfert werden müsen, ist die Fertigung äußerst kosten- und zeitintensiv.

Technisch problematisch ist auch die schweißtechnische Verbindung unter­ schiedlicher Metallpartner wie Kupfer und Edelstahl. Zu den schmelz­ schweißtechnischen Verbindungsverfahren ist ferner anzumerken, daß es hierbei zu einer starken Wärmeeinwirkung in den Werkstücken kommt, welche zu Längsspannungen führen können, die Verformungen der Tragschiene und in ungünstigen Fällen zum Beulen des Kathodenblechs führen können. Aus diesem Grund werden in der Praxis nur unterbrochene Schweißnähte oder Punktschweißnähte gesetzt, was jedoch zu erheblichen Spannungsverlusten an den Kontaktstellen und zur Minderung der Stromausbeute führt.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine fertigungs- und anwendungstechnisch verbesserte Kathodenanordnung zu schaffen, welche eine Minimierung der Leistungsverluste beim Stromübergang von der Tragschiene auf das Kathodenblech erreicht und wirtschaftlich herzustellen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Kathodenanordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Tragschiene im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist und an ihrer Unterseite zwei sich in Längsrichtung der Tragschiene erstreckende parallele Flansche aufweist, zwischen denen das Kathodenblech aufgenommen und durch Kaltpreßschweißung mit den Flanschen verbunden ist. Die über das Kathodenblech vorstehenden Enden sind mindestens in den Bereichen, welche an den Stromschienen des Elektrolysebeckens zur Anlage gelangen, flanschlos ausgebildet und weisen unterseitig keilförmig aufeinander zulaufende Schrägflächen auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des grundsätzlichen. Er­ findungsgedankens bilden Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.

Vorzugsweise kommt ein gezogenes Kupferprofil als Tragschiene zum Einsatz (Anspruch 6), welches auch als Hohlprofil ausgebildet sein kann. Das Kathodenblech, welches fachsprachlich auch als Mutterblech bezeichnet wird, besteht aus korrosionsbeständigem Edelstahl. In besonderen Fällen kann auch ein Kathodenblech aus gewalztem Kupfer zum Einsatz gelangen.

Zweckmäßigerweise ist die Höhe der Tragschiene größer als deren Breite, wie dies Anspruch 3 vorsieht. Diese Maßnahme bewirkt ein hohes Widerstandsmoment. Die damit verbundene Biegesteifigkeit wirkt sich positiv auf die Gesamtstabilität der Kathodenanordnung aus, was insbesondere beim mechanischen Entfernen (Abstrippen) der abgeschiedenen Metallschichten von Vorteil ist.

Die an der Unterseite der Tragschiene einstückig an dieser ausgebildeten Flansche dienen zur Aufnahme und Befestigung des Kathodenblechs. Das Kathodenblech ist lotrecht zur Profilmittelebene der Tragschiene ausgerichtet. Die Verbindung der Flansche mit dem Kathodenblech wird durch Kaltpreßschweißung realisiert, wobei dies gemäß Anspruch 2 vorzugsweise durch Sprengschweißen erfolgt. Hierzu wird das Kathodenblech in die Flanschöffnung zwischen den beiden Flanschen geschoben, deren Außenflächen mit Sprengstoff überzogen sind. Dieser wird so gezündet, daß sich eine über die Oberfläche fortschreitende Detonationsfront ausbildet, die die Flansche gegen das Kathodenblech drückt. In der Kollisionszone fließen durch die sehr hohe Flächenpressung die Grenzschichten ineinander und führen zu einer stoffschlüssigen Bindung. Es entsteht ein vollflächiger Metallverbund mit sehr guten Stromübergangseigenschaften von den Kontaktflächen der Flansche auf das Kathodenblech. Die vollflächige metallische Verbindung stellt einen gleichmäßigen Stromübergang über die gesamte Verbindungsfläche von Tragschiene und Kathodenblech sicher. Spannungsverluste an den Kontaktstellen werden minimiert und die Stromausbeute erhöht. Auch werden durch die Art der Verbindung mittels Sprengschweißen unzulässige Längsspannungen infolge von Wärmeeinwirkungen und damit Verformungen der Kathodenanordnung vermieden.

In den Bindezonen wird keine nachteilige Wärme eingeleitet. Hierdurch werden Diffusionsvorgänge, aus denen Bindefehler resultieren können, ebenso wie Schlacken- oder Gaseinschlüsse ausgeschlossen. Widerstandserhöhende Störstellen sind folglich eliminiert.

Der vollflächige metallische Verbund von Tragschiene und Kathodenblech steigert zudem die mechanische Festigkeit der Kathodenanordnung.

Die Länge bzw. Höhe der Flansche kann in Abstimmung auf den jeweiligen Anwendungsfall bestimmt werden. Vorteilhaft ist, daß bei einem Kathodenblech aus korrosionsbeständigem Edelstahl der kupferfreie Bereich zwischen Elektrolytspiegel und Tragschiene anwendungsgerecht optimiert werden kann. Hierdurch lassen sich nachteilige Leistungsverluste in diesen Bereichen reduzieren.

Zur Auflage der Kathodenanordnung auf den parallel zu den Elektrolysebecken angebrachten Stromschienen sind die Tragschienen flanschlos ausgebildet und unterseitig mit keilförmig aufeinander zulaufenden Schrägflächen versehen. Hierdurch erfolgt eine linienberührende Auflage der Tragschiene an den Stromschienen, die in der Mittellängsebene der Tragschiene liegt. Der Vorteil dieser Auflagegeometrie besteht in einer sicheren und stets lotrechten Fixierung der Kathodenanordnung im Elektrolysebecken. Dies trägt zu einem störungsfreien Elektrolysebetrieb bei.

Zu einer verbesserten Wärmeableitung an der Tragschiene führt die Maßnahme gemäß Anspruch 4. Danach sind die Seitenflächen und die Oberfläche der Tragschiene profiliert ausgebildet. Über die so vergrößerte Oberfläche erfolgt eine entsprechend größere Wärmeableitung.

Ferner ist gemäß Anspruch 5 vorgesehen, daß an der Tragschiene und/oder dem Kathodenblech Aussparungen vorgesehen sind. Die Aussparungen können als Hebehilfen herangezogen werden und erleichtern das Handling der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung bei deren Fertigung und im Betrieb. Üblicherweise sind die Ausnehmungen im Kathodenblech unterhalb der Tragschiene angeordnet, so daß hier notwendige Hebemittel angreifen können. Die Aussparungen dienen ferner als Durchströmöffnung für den Elektrolyten.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 technisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Kathodenanordnung in der Seitenansicht;

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 1 entlang der Linie A-B;

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt durch die Tragschiene der Katho­ denanordnung gemäß Fig. 1 entlang der Linie C-D und

Fig. 4 einen vertikalen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathodenanordnung.

Anhand der Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathodenanordnung beschrieben.

Die Kathodenanordnung umfaßt eine Tragschiene 1 aus Kupfer und ein mit der Tragschiene 1 unlösbar verbundenes Kathodenblech 2 aus korrosionsbeständigem Edelstahl. An der Tragschiene 1 hängend wird das Kathodenblech 2 zur Raffination von Rohkupfer in ein hier nicht dargestelltes Elektrolysebecken eingehängt, wobei die Enden 3, 4 der Tragschiene 1 an parallel zum Elektrolysebecken verlaufenden Stromschienen unter Herstellung eines elektrischen Kontakts zur Anlage gelangen.

Anhand der Fig. 2 und 3 erkennt man, daß die Tragschiene 1 einen Querschnitt rechteckiger Konfiguration aufweist, an deren Unterseite 5 keilförmig aufeinander zulaufende Schrägflächen 6, 7 ausgebildet sind. An der Unterseite 5 sind parallel zur Mittellängsebene MLE der Tragschiene 1 zwei Flansche 8, 9 angezogen.

Die beiden Flansche 8, 9 erstrecken sich über die Länge des Kathodenblechs 2 und bilden eine Aufnahme 10 für die obere Längsseite 11 des Kathodenblechs 2 aus. Das Kathodenblech 2 ist mit der Tragschiene 1 über die Flansche 8, 9 durch Spreng­ schweißen verbunden. Bei dieser Art der Kaltpreßverbindung durch Ober­ flächenpressung erfolgt ein Ineinanderfließen der Grenzschichten zwischen den Flanschen 8, 9 und dem Kathodenblech 2, was zu einer vollflächigen stoffschlüssigen Bindung führt. Die flächige Metallverbindung ist mechanisch hochfest und stellt bei geringen Übergangswiderständen einen optimalen Stromübergang von der Tragschiene 1 auf das Kathodenblech 2 sicher.

Zur Auflage der Tragschiene 1 auf den parallel zu den Elektrolysebecken angebrachten Stromschienen sind die Flansche 8, 9 an den Enden 3, 4 mechanisch entfernt, und zwar in der Verlängerung der Schrägflächen 6, 7. Die Schrägflächen 6, 7 verlaufen folglich an den Enden keilförmig, wodurch sich eine linienberührende Auflage an den Stromschienen ergibt, die in der Mittellängsebene MLE der Tragschiene 1 liegt. Diese Auflagegeometrie der Enden 3, 4 auf der Stromzuführungsschiene stellt eine für den Elektrolyseerfolg wichtige senkrechte Ausrichtung des Kathodenblechs 2 sicher.

Die Höhe H der Tragschiene 1 ist größer bemessen als deren Breite B. Das .Widerstandsmoment der Tragschiene 1 stellt eine hohe Biegesteifigkeit sicher. Diese Maßnahme wirkt sich zusammen mit dem vollflächigen metallischen Verbund der Flansche 8, 9 mit dem Kathodenblech 2 positiv auf die Gesamtstabilität der Kathodenanordnung aus. Die Scher- und Haftfestigkeit entspricht den mechanischen Werkstoffeigenschaften der Flansche 8, 9.

Mit 12 gekennzeichnet sind in der Fig. 1 Aussparungen im Kathodenblech 2 unter der Tragschiene 1, die als Hebehilfen bei der Handhabung der Kathodenanordnung dienen.

Eine grundsätzlich gleichartige Ausführungsform einer Kathodenanordnung zeigt die Fig. 4. Von daher tragen einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen.

An der Tragschiene 1' dieser Kathodenanordnung sind die Seitenflächen und die Oberfläche durch Kühlrippen 16 profiliert, was zu einer verbesserten Wärmeableitung an der Tragschiene 1' beiträgt.

Bezugszeichenaufstellung

1

- Tragschiene

1

' - Tragschiene

2

- Kathodenblech

3

- Ende v.

1

4

- Ende v.

1

5

- Unterseite

6

- Schrägfläche

7

- Schrägfläche

8

- Flansch

9

- Flansch

10

- Aufnahme

11

- ebene Längsseite v.

2

12

- Aussparung

13

- Seitenfläche v.

1

'

14

- Seitenfläche v.

1

'

15

- Oberfläche v.

1

'

16

- Kühlrippe
B - Breite v.

1

H - Höhe v.

1

MLE - Mittellängsebene

Claims (6)

1. Kathodenanordnung für ein Elektrolysebecken zur elektrolytischen Gewinnung von Reinmetallen, insbesondere Kupfer, welche eine stromzuführende Tragschiene (1, 1') und ein mit der Tragschiene (1, 1') verbundenes Kathodenblech (2) umfaßt, wobei die Tragschiene (1, 1') mit ihren Enden (3, 4) Stromschienen des Elektrolysebeckens kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschiene (1, 1') im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist und an ihrer Unterseite (5) zwei sich in Längsrichtung der Tragschiene (1, 1') erstreckende parallele Flansche (8, 9) aufweist, zwischen denen das Kathodenblech (2) aufgenommen und durch Kaltpreßschweißung mit den Flanschen (8, 9) verbunden ist, wobei die über das Kathodenblech (2) vorstehenden Enden (3, 4) der Tragschiene (1, 1') flanschlos ausgebildet sind und unterseitig keilförmig aufeinander zulaufende Schrägflächen (6, 7) aufweisen.

2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (8, 9) durch Sprengschweißen mit der Kathodenplatte (2) verbunden sind.

3. Kathodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Höhe (H) der Tragschiene (1, 1') größer ist als deren Breite (B).

4. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (13, 14) und die Oberfläche (15) der Tragschiene (1') profiliert sind.

5. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an 'der Tragschiene (1, 1') und/oder der Kathodenplatte (2) Aussparungen (12) vorgesehen sind.

6. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschiene (1, 1') aus Kupfer ist.