CN103797161A - 用于连续检测互连的电解池中的电流分布的持久系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流收集汇流条，该汇流条包括多个电极壳体用于容纳多个与其电接触的电极。用于测量电流通过时局部建立的与那些电接触点相对应的电位的多个探针也连接到该汇流条上。本发明进一步涉及一种持久的监测系统，该监测系统允许连续评估金属电解提取或电解精炼设备的电解池的每一个电极上的电流分布，连接到一个报警系统上并且连接到用于在与预设值不符的情况下断开单独的电极的装置上。

Description

用于连续检测互连的电解池中的电流分布的持久系统

技术领域

本发明涉及一种电流收集汇流条，该汇流条包括多个电极壳体用于容纳多个与其电接触的电极。用于测量电流通过时局部建立的、与那些电接触点相对应的电位的探针也连接到该汇流条上。本发明进一步涉及一种持久的监测系统，该监测系统允许连续评估金属电解提取或电解精炼设备的电解池的每一个电极上的电流分布。

背景技术

提供给电化学设备（具体参考金属电解提取或电解精炼设备）的电池的电流可能以一种非常不同的并且不均匀的方式分摊到单独的电池电极上，从而负面地影响生产。这种现象可能由于多个不同的原因而发生。比如，在金属电解提取或电解精炼设备的具体情况下，时常将负极化的电极（阴极）从它们的底座上收回以便允许获取沉积到其上的产物，然后放回原处用于一个后续的生产周期。这种频繁的处理（通常在非常高数目的阴极上进行），还由于相关底座上的可能的水垢形成，经常导致这些汇流条上的不完美的复位以及远非完美的电接触。还可能的是产物沉积以一种不规则的方式发生在电极上，其中产物质量梯度的形成改变阴极表面的轮廓。当这种情况发生时，由于事实上不再是沿着整个表面恒定的阳极到阴极间隔，建立了一种电不均衡状况：电阻，它是每个阳极-阴极对之间的间隔的函数，变得可变从而使电流分布上的不均匀性问题更严重。

因此，由于这些电极本身与这些电流收集汇流条的较差的电接触以及该阴极表面轮廓的改变二者，电流可以不同的量值分摊到每个电极上。此外，甚至简单的阳极磨损也会影响电流分布。

电流分布上的这些不均匀性可以导致阳极-阴极短路现象。在短路的情况下，电流趋向于集中到该短路的阴极上，从而减少到其余的阴极上的电流并且严重阻碍生产，这在该短路的阴极从该电池上断开前不能恢复。

而且，一种不规则的电流分布，除了引起如上所述的品质和生产能力上的损失之外，将挑战现代概念的用钛网制造的阳极的完整性和寿命。

在工厂中，假如存在高数目的电池和电极，那么发现电流分布上的不规则性的任务是一项非常复杂的任务。这类检测事实上涉及数千的手动测量，这些测量由操作员借助红外的或磁性的检测器来进行。在金属电解提取或电解精炼设备的具体情况下，操作员在一种非常温暖的环境中并且在酸雾（主要含有硫酸）的存在下进行这样的检测。

此外，由操作员使用的常规的手动元件，例如磁强计或带有红外传感器的仪器，仅允许定位大的电流分布不均衡，因为它们实际所检测的是与磁场或温度变化相关联的不平衡。

这些手动的或半手动的系统具有不能连续工作、仅允许进行不经常的检查、而且非常昂贵的缺点。

存在用于电池监测的已知的无线系统，尽管这些系统是持久的并且连续工作，但它们仅可以检测每个电池的并且不是每个单个电极的电压和温度变化。由于以上解释原因，这种信息是基本上不准确的并且整体上是不充分的。此外，存在开发的项目，这些项目的目的是通过固定的电流传感器依赖霍尔效应来连续检测提供给单独的阴极的电流：这样的传感器是要求一个大尺寸的外部电源，比如一大组电池的有源部件。

基于磁性传感器的系统也是已知的，然而，它们不提供足够的测量精度。

因为这些原因，工业上对一种技术上并且经济上可行的、用于持久地并且连续地监测安装在一种电解提取或电解精炼设备中的所有的电极上的电流分布的系统存在需求。

发明内容

本发明允许在不使用外部供电的有源部件的情况下并且在不要求操作员在不健康的环境中进行手动测量的情况下连续地监测电化学设备中（比如，金属电解提取或电解精炼设备中）的数千电极的电流分布，其方式为通过一种报警系统来报告一个或多个具体电极的故障。

本发明额外地允许通过电接触移除装置切断汇流条与一个单独的电极之间的电流。

有源电子部件例如红外的或磁性的传感器的缺乏提供了一种便宜得多的并且几乎免维护的系统。

本发明的不同方面在所附的权利要求书中列出。

在一个方面中，本发明涉及一种用于电化学电池（比如，适用于电冶金设备的电池）的电流收集汇流条，该电流收集汇流条由一个狭长的主体组成，该主体具有一个均匀的电阻率，包括用于一个或多个任选地可移除的阳极和/或阴极电接触点的、均匀地间隔开的多个壳体，该电流收集汇流条进一步包括用于检测电位的多个探针，这些探针是通过固定手段连接到汇流条上，这些固定器件与那些建立在该汇流条与容纳在其上的那些电极之间的电接触点相对应。

在此使用术语“壳体”来表示适用于容纳和支撑阳极和阴极，以及有利于这些电极与该汇流条之间的最佳并且任选地可移除的电接触点的适当的底座。

诸位发明人观察到，通过选择适用于电流收集汇流条（其特征在于在所有的方向上都是不变的电阻率、提供在这些汇流条上的电极壳体的严格定义的几何形状以及适合的汇流条与电极之间的电接触点）的材料可以将分摊到这些电极上的电流直接与可以在这些电流收集汇流条上测量到的电位差值相对应。

在一个实施例中，该电流收集汇流条配备有安排成在纵向方向上交替地均匀间隔开的、一个或多个任选地可移除的阳极和阴极电接触点的壳体。

在一个另外的实施例中，该电流收集汇流条配备有在该汇流条宽度的相对侧面上的在纵向方向上安排成均匀间隔开的、一个或多个任选地可移除的阳极和阴极电接触点的壳体。

还观察到在所有电极之间分摊均匀的电流量的一种理想系统中，电位差结果对于每对相邻的电极都是不变的。

在本说明书的上下文中，术语壳体（具有可移除的电接触点）用于指适用于容纳电极（阳极或阴极）的适当的底座，这些底座结合有用于断开电极与汇流条之间的电接触的装置，例如包括弹簧的器件。

电流收集汇流条可以根据带有这些壳体（沿着该汇流条的长度以等距离定位）的不同形状来制造；在一个实施例中，汇流条可以具有足够的宽度以便允许沿着该汇流条的长度在两个相对的侧面上替代地定位这些壳体。

在另一个方面中，本发明涉及一种设备，该设备包括多个借助电流收集汇流条相互电串联连接的电解池，这些电流收集汇流条包括一个或多个任选地可移除的阳极和阴极电接触点的壳体。这些汇流条进一步包括多个用于检测电位的探针，这些探针通过与这些任选地可移除的电接触点相对应的固定手段连接到这些汇流条上。

在一个另外的方面中，本发明涉及一种用于连续地监测如上文中所述的电解池的每一个电极中的电流分布的系统，该系统包括多个电流收集汇流条，这些电流收集汇流条具有一个或多个任选地可移除的阳极和/或阴极电接触点的壳体、包括用于检测电位的多个探针，这些探针通过固定手段连接到这些电流收集汇流条上；一种模拟或数字的数据计算系统，该计算系统允许获得连接到一个报警器件上的每一个独立的阴极或阳极中的电流强度值；进一步包括一个处理器，该处理器适用于将每一个阳极和阴极的由该计算系统提供的电流强度测量结果与一组预定义的临界值进行比较并且适用于每当任一个阳极或阴极的计算的电流强度结果与所述相应的预定义的临界值不符时就启动该报警器件。

在又另一个方面中，本发明涉及一种用于连续地监测如上文中所述的电解池的每一个电极中的电流分布的系统，该系统包括多个电流收集汇流条，这些电流收集汇流条具有一个或多个可移除的阳极和/或阴极电接触点的壳体、包括用于检测电位的多个探针，这些探针通过固定手段连接到这些电流收集汇流条上；一种模拟或数字的数据计算系统，该计算系统允许获得连接到一个远程控制的器件上的每一个独立的阴极或阳极上的电流强度值，该远程控制的器件用于提升单独的电极、任选地配备有一个或多个弹簧；进一步包括一个处理器，该处理器适用于将每一个阳极和阴极的由该计算系统提供的电流强度测量结果与一组预定义的临界值进行比较并且适用于每当任一个阳极或阴极的计算的电流强度结果与所述相应的预定义的临界值不符时就启动该提升器件，由此断开该单独的不符合的阳极或阴极。

根据不同的实施例，这些探针到这些电流收集汇流条的固定手段可以选自螺栓连接与焊接之间；这些探针可以由电缆或导线组成。

本发明还可以在使电极从一侧馈电并且在另一侧依靠在一个附加的汇流条的电解池的情况下实施。

所述附加的汇流条，通常还称为补偿汇流条，对于阳极和阴极是独立的。

根据本发明所述的汇流条的一些实施例在下面参照附图进行了描述，这些附图仅具有解释本发明的具体实施例中的不同元件的相互安排的目的；具体地，这些附图将不旨在是成比例的复制品。

附图说明

图1和2示出了本发明的三个可能的实施例的一个三维简图，包括一个电流收集汇流条、多个阳极、多个阴极、多个电极/汇流条接触区域、与这些接触相关的检测点。

图3示出了一个设备的示意图，这个设备由3个串联连接的电解池构成，每个电池包括5个阳极和4个阴极。

图4示出了一个包括补偿汇流条的示意图。

图5示出了与电流收集汇流条存在电接触的一个电极的正视图（其中相关细节在(5a)中示出）以及不存在电接触的一个电极的正视图（其中相关细节在(5b)中示出）。

具体实施方式

在图1中，示出了一个电流收集汇流条，这个汇流条具有可变的几何形状轮廓0、阳极1、电极/汇流条电接触区域2、与这些电接触点相关的检测点3以及阴极4。

在图2中，示出了一个电流收集汇流条0、阳极1、电极/汇流条电接触区域2、与这些电接触点相关的检测点3以及阴极4。

在图3中，示出了一个电解设备的示意图，该电解设备由以下各项构成：3个电串联连接的电解池（电池1、电池2和电池3），每个电池包括5个阳极（阳极1、阳极2、阳极3、阳极4和阳极5）、4个阴极（阴极1、阴极2、阴极3和阴极4）；一个阳极电流收集汇流条（汇流条1）；一个阴极电流收集汇流条（汇流条4）；两个双极的电流收集汇流条（汇流条2和汇流条3）；箭头表示电流6的方向以及电位检测点（a_21-25、k_21-24、a_31-35、k_{31- 34}）。

在图4中，示出了一个电池的示意图，该电池包括一个补偿汇流条（新的阳极平衡汇流条），箭头表示主电流（I阳极Y）的方向，箭头表示补偿电流（I平衡阳极Y）的方向。

图5示出了一个正视图，该正视图包括一个汇流条0、一个与其电接触的电极1、用于断开这些电接触的装置7以及存在电接触的接触区域的细节(5a)和不存在电接触的同一接触区域的细节(5b)。

由诸位发明人获得的一些最重要的结果在下面的实例中呈现，这个实例不旨在作为对本发明的范围的限制。

实例

根据图3的示意图组装一个用于铜电解提取的设备。将三个电解池（每一个都包括5个由涂覆有基于铱氧化物的催化层的钛网制成的阳极和4个铜阴极）经由两个铜电流收集汇流条电串联连接，这两个铜电流收集汇流条具有用于阳极的梯形的底座以及用于阴极的三角形的底座（参见图1）。然后将36根电缆与产生的36个电接触点（每个电极两个）相对应地通过螺栓连接到这些汇流条上。然后将这些电缆依次连接到一个数据记录器上，这个数据记录器装配有微处理器和数据存储器、编程为每当检测到相对于预设数据10%的差异时就启动连接到其上的一个警报。

在这个具体的情况下用于计算电流分摊所采用的方法是基于由以下公式所表达的模型，其中相对于电池2的每一个阳极和每一个阴极的电流I由以下各项给出：

I(阳极1)=I’(k₂₁,a₂₁)

I(阳极2)=I”(k₂₁,a₂₂)+I’(k₂₂,a₂₂)

I(阳极3)=I”(k₂₂,a₂₃)+I’(k₂₃,a₂₃)

I(阳极4)=I”(k₂₃,a₂₄)+I’(k₂₄,a₂₄)

I(阳极5)=I”(k₂₄,a₂₅)

I(阴极1)=I’(k₃₁,a₃₁)+I”(k₃₁,a₃₂)

I(阴极2)=I’(k₃₂,a₃₂)+I”(k₃₂,a₃₃)

I(阴极3)=I’(k₃₃,a₃₃)+I”(k₃₃,a₃₄)

I(阴极4)=I’(k₃₄,a₃₄)+I”(k₃₄,a₃₅)

其中I’和I”标识流过电流收集汇流条的多个部分的电流，这些电流收集汇流条部分包含在桥接每一个阴极和每一个阳极的每对电接触点之间。

那么对于一个通用电池X，以下关系适用：

I(阳极Y)=I”[k_X(Y-1),a_XY]+I’(k_XY,a_XY)

I(阴极Y)=I’[k_(X+1)Y,a_(X+1)Y]+I”[k_(X+1)Y,a_(Y+1)(Y+1)]

由于材料的均匀性和电流收集汇流条的结构，一个汇流条的两个相邻的电接触点之间的电阻R的数值是相同的。

两个通用的相邻电接触点之间的电位差异是V时，那么相关的电流等于1/(RxV)。

如果I_tot是总电流并且每个电池存在N个阴极和N+1个阳极，那么对于一个通用电池来说，以下公式适用：

I_tot=∑I(阳极Y)（其中Y在从1至N+1的范围内）或I_tot=∑I(阴极Y)（其中Y在从1至N+1的范围内）。

遍及所有的电池：I_tot=(1/R)x{∑V[k_X(Y-1),a_XY]+V(k_XY,a_XY)}（其中Y在从1至N+1的范围内），这样使得在每一个电池中：1/R=I_tot/{∑V[k_X(Y-1),a_XY]+V(k_XY,a_XY)}，其中Y在从1至N+1的范围内。

可以从一个电池中的那些阴极电流开始进行相同的1/R评估。

对于所有的电流收集汇流条都进行这样的操作。

具体地，对于一个通用电池X的单个阳极和单个阴极来说，以下公式适用：

I(阳极Y)=1/Rx{V[(k_X(Y-1),a_XY)]+V(k_XY,a_XY)}

I(阴极Y)=1/Rx{V[k_(X+1)Y,a_(X+1)Y]+V[k_(X+1)Y,a_(Y+1)(Y+1)]}

本领域普通技术人员可以使用其他的模型，例如其中存在补偿汇流条的情况。

在这样的情况下，参考图4，如果I(平衡阳极（Banode）Y)是由该补偿汇流条（其中阳极靠在相对侧面上）的阳极接收到的电流并且b_X是补偿汇流条与阳极之间的接触点，那么以下公式适用：

I(平衡阳极Y)=I[b_X(Y+1),b_XY]-I[b_XY.b_X(Y-1)]

然后用R_b表示插入两个邻近的电接触点之间的补偿汇流条的那部分的电阻，获得了以下关系：

I(平衡阳极Y)=1/R_b*{V[b_X(Y+1),b_XY]-V[b_XY.b_X(Y-1)]}，并且对于这些阳极，总电流将是：

I(总电流阳极Y)=I(阳极Y)+I(平衡阳极Y)。

上述说明不应旨在限制本发明，本发明可以根据不同的实施例在不偏离其范围的情况下使用，并且它的范围仅有所附的权利要求书来限定。

遍及本说明和本申请的权利要求，术语“包括（comprise）”以及其变体例如“包括着（comprising）”及“包括了（comprises）”不旨在排除其他元件、部件或附加工艺步骤的存在。

Claims (11)

1.用于电化学设备电池的电流收集汇流条，该电流收集汇流条包括：

-一个具有均匀电阻率的狭长的主体，所述主体包括用于一个或多个任选地可移除的阳极和/或阴极电接触点的多个壳体，所述壳体是均匀地间隔开的；

-用于检测电位的多个探针，所述探针与所述一个或多个电接触点相对应地通过固定手段连接到所述电流收集汇流条上。

2.根据权利要求1所述的电流收集汇流条，其中所述用于一个或多个任选地可移除的阳极和阴极电接触点的壳体交替地定位于纵向方向上并且均匀地间隔开。

3.根据权利要求1所述的电流收集汇流条，其中将所述用于一个或多个任选地可移除的阳极和阴极电接触点的壳体在该纵向方向上均匀地间隔开并且定位于该汇流条宽度的多个相对的侧面上。

4.包括多个电解电池的电化学设备，所述电池借助根据权利要求1、2或3中任一项所述的电流收集汇流条相互电串联连接。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述多个电池是电串联连接到：

-一个阳极端电池上，该阳极端电池借助一个具有用于一个或多个阳极电接触点的多个壳体的电流收集汇流条连接到一个整流器的正极上；以及

-一个阴极端电池上，该阴极端电池借助一个具有用于一个或多个阴极电接触点的多个壳体的电流收集汇流条连接到一个整流器的负极上；

所述电流收集汇流条具有用于检测电位的多个探针，这些探针与所述一个或多个电接触点相对应地通过固定手段连接到所述电流收集汇流条上。

6.根据权利要求1、2或3中任一项所述的电流收集汇流条，其中所述固定手段是选自螺栓连接与焊接之间。

7.根据权利要求1、2或3中任一项所述的电流收集汇流条，其中所述用于检测电位的探针是电缆或导线。

8.用于连续监测电化学设备的电解池的每个电极中的电流分布的系统，该系统包括：

-具有用于一个或多个任选地可移除的阳极和/或阴极电接触点的多个壳体的电流收集汇流条，所述汇流条包括用于检测电位的、通过固定手段连接到所述汇流条上的多个探针；

-模拟或数字的计算装置，用于从由所述探针检测到的那些电位值开始测量每个单独的电极上的电流强度值；

-一个连接到每个电极上的报警器件；

-一个适用于将每个电极的由所述计算装置提供的该电流强度测量结果与一组预定义的临界值进行比较的处理器；

-用于每当任一个电极的所述电流强度结果与所述相应预定义的临界值不符合时就启动所述报警器件的装置。

9.根据权利要求8所述的用于连续监测电化学设备的电解池的每个电极中的电流分布的系统，该系统包括：

-一个连接到所有电极上的报警器件；

-用于每当任一个电极的所述电流强度结果与所述相应预定义的临界值不符合时就启动所述报警器件的装置。

10.根据权利要求8或9所述的用于连续监测电化学设备的电解池的每个电极中的电流分布的系统，该系统包括：

-用于提升单独的电极的器件；

-用于每当任一个单独的电极的所述电流强度结果与所述相应预定义的临界值不符合时就启动所述提升器件的装置。

11.根据权利要求10所述的用于连续监测电化学设备的电解池的每个电极中的电流分布的系统，其中所述提升器件包括至少一个弹簧。

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