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 unterschiedlicher
Metallpartner wie Kupfer und Edelstahl. Zu den schmelzschweißtechnischen
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 Erfindungsgedankens
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:
- Figur 1
- technisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Kathodenanordnung in
der Seitenansicht;
- Figur 2
- einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Figur 1 entlang
der Linie A-B;
- Figur 3
- einen vertikalen Querschnitt durch die Tragschiene der Kathodenanordnung
gemäß Figur 1 entlang der Linie C-D und
- Figur 4
- einen vertikalen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Kathodenanordnung.
Anhand der Figuren 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 Figuren 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 Sprengschweißen
verbunden. Bei dieser Art der Kaltpreßverbindung durch Oberflächenpressung
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 Figur 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
Figur 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