FI114927B - Menetelmä hyvän kontaktipinnan muodostamiseksi katodin kannatintankoon ja kannatintanko - Google Patents

Description

114927

MENETELMÄ HYVÄN KONTAKTIPINNAN MUODOSTAMISEKSI KATODIN KANNATINTANKOON JA KANNATINTANKO

Keksintö kohdistuu menetelmään hyvän kontaktipinnan aikaansaamiseksi 5 metallien elektrolyysissä käytettävän katodin kannatustankoon. Menetelmässä katodin alumiinisen kannatustangon päässä olevaan kontaktipalaan muodostetaan hyvin sähköä johtava pinnoite erityisesti elektrolyysialtaan virtakiskon kanssa kosketukseen tulevaan kohtaan. Sähköä johtava pinnoitekerros muodostaa metallisen sidoksen kannatustangon kontaktipalan ίο kanssa. Keksintö kohdistuu myös katodin kannatustankoon, jonka päässä olevaan kontaktipalaan on muodostettu sähköä hyvin johtava kerros erityisesti elektrolyysialtaan virtakiskon kanssa kosketukseen tulevaan kontaktipintaan.

15 Elektrolyysissä, erityisesti sinkkielektrolyysissä käytetään nykyisin alumiinista valmistettuja katodilevyjä, jotka liitetään kannatustankoihin. Katodi lasketaan kannatustankonsa varassa elektrolyysialtaaseen siten, että kannatus-tankojen toinen pää sijoitetaan altaan reunoilla olevan virtakiskon päälle ja toinen pää eristeen päälle. Hyvän sähkönjohtokyvyn varmistamiseksi on | . 20 alumiinista valmistetun kannatustangon päähän liitetty kuparista valmistettu .·. ; kontaktipala, joka asetetaan virtakiskon päälle. Kontaktipalan alareuna on .···. joko suora tai sinne muodostetaan lovi ja kannatustanko lasketaan lovikohdastaan virtakiskon päälle. Loven kumpikin sivureuna muodostaa kontaktipisteen, jolloin syntyy kaksoiskontakti kannatustangon ja virtakiskon 25 välille. Kun kontaktipalan alareuna on suora, virtakiskon ja kontaktipalan välinen kosketus muodostuu tasomaiseksi. Suoraa kontaktipalaa käytetään erityisesti suurissa, ns. jumbokatodeissa.

Kuparinen kontaktipala voidaan liittää alumiinia olevaan kannatustankoon ' 30 esimerkiksi erilaisilla hitsausmenetelmillä. Erästä tällaista menetelmää on kuvattu esim. US-patentissa 4,035,280. Patentissa on myös maininta, että kupariset kontaktipalat voidaan päällystää hopealla ennen hitsausta.

2 114927

Julkaisussa ei kuitenkaan tämän yhden lauseen lisäksi ole mitään tarkempaa kuvausta, miten kontaktipalojen päällystys suoritetaan.

Japanilaisessa hakemuksessa 55-89494 on kuvattu toinen menetelmä 5 elektrodin kannatustangon valmistamiseksi. Varsinainen kannatustanko on alumiinia ja sen päähän hitsataan kontaktipala, jonka ydin on alumiinia ja kuoriosa kuparia. Kontaktipalat on muodostettu monikulmiomuotoonsa korkeapainepursotuksella.

ίο Tekniikan tasossa mainitussa US-patentissa 4,035,280 on ehdotettu, että kontaktipalat päällystetään hopealla. On selvää, että hopea parantaa kontaktipalan sähkönjohtokykyä, mutta koko kontaktipalan päällystäminen ei vastaa tarkoitustaan ja tulee hintavaksi. Japanilaisessa hakemuksessa mainittu alumiinin ja kuparin yhteispursotus ei välttämättä saa aikaan 15 metallurgista liitosta kuparin ja alumiinin välille, jolloin liitos on sähkötekni-sesti heikkolaatuinen ja vaurioituu elektrolyytin päästessä rajapinnalle.

Sinkkielektrolyysissä alumiinikatodien kannatustangoissa olevien kontakti-palojen ja erityisesti niiden kontaktipintojen nopea kuluminen on ongelma.

20 Syynä lienee pääosin kuparin hapettuminen oksidikseen ja oksidin korrodoi-: tuminen kuparisulfaatiksi elektrolyytin vaikutuksesta. Kontaktipinnalle muo- .· ·. dostunut kuparisulfaatti heikentää edelleen kontaktipalan sähkönjohtokykyä.

Keksinnön mukainen menetelmä kohdistuu hyvän kontaktipinnan 25 aikaansaamiseksi elektrolyysissä, erityisesti sinkkielektrolyysissä käytettävän katodin alumiinitankoon, jonka päähän on liitetty erillinen kontaktipala. Kontaktipalojen materiaalina käytetään kuparia. Kehitetyn menetelmän ... : mukaisesti kannatustangon kontaktipalan alapinnalla oleva alue, kontakti- pinta, joka tulee kosketuksiin elektrolyysiakaan virtakiskon kanssa, pinnoi-‘ 30 tetaan hyvin sähköä johtavalla metallilla tai metalliseoksella kuten hopealla [··. tai hopeaseoksella. Katodi muodostuu katodilevystä ja kannatustangosta, jolloin katodilevy upotetaan elektrolyysialtaaseen ja kannatustanko tuetaan 3 114927 päistään elektrolyysiakaan reunoille siten, että kontaktipala sijoitetaan virtakiskon päälle. Kun kannatustangon kontaktipalan ja sen alapinnalle saatetun pinnoitteen välille muodostetaan metallinen liitos, vältytään kontaktipalan alapinnan kulumisen tai hapettumisen aiheuttamilta ongelmilta.

5 Keksintö kohdistuu myös menetelmän avulla valmistettuun, elektrolyysissä käytettävän katodin kannatustankoon, jonka päässä olevaan kontaktipalaan on muodostettu sähköä hyvin johtava kerros erityisesti elektrolyysiakaan virtakiskon kanssa kosketukseen tulevaan kohtaan, kontaktipintaan.

ίο Keksinnölle on olennaista se, mitä patenttivaatimuksissa esitetään.

On tärkeää, että katodin kannatustangon kontaktipalassa oleva kontaktipinta johtaa hyvin sähköä. Hyvin sähköä johtavan metallin kuten hopean tai hopeaseoksen käyttö pinnoitusmateriaalina varmistaa tehokkaan virransyö-15 tön katodille. Metallurginen peruste hopean käytölle on siinä, että vaikka se muodostaa oksidia pinnalleen, suhteellisen matalissa lämpötiloissa oksidit . . eivät enää ole stabiileja, vaan hajoavat takaisin metalliseen muotoon. Em.

syystä kontaktipalojen kontaktipinnalle valmistettuun hopeapinnoitteeseen ei . i_ muodostu oksidikalvoja samalla tavalla kuin esimerkiksi kuparin pinnalle.

.!,.: 20 : Hopea ei muodosta metallurgista, hyvin tarttuvaa liitosta suoraan kuparin . · ·. päälle, vaan kuparin pinnalle pitää muodostaa ensin ohut välityskerros, joka edullisesti muodostuu tinasta tai tinavaltaisesta seoksesta. Tekstissä puhutaan tämän jälkeen yksinkertaisuuden vuoksi vain tinasta, mutta sillä 25 tarkoitetaan myös muita, tinavaltaisia seoksia. Tinakerrokset voidaan muodostaa monella tavalla kuten edeltävällä, kuumentamisen kautta tapahtuvalla tinauksella, elektrolyyttisellä pinnoituksella tai varsinaista ... · pinnoitusta edeltävällä termisellä ruiskutuksella suoraan kohteen pintaan.

Tinapinta voidaan tämän jälkeen pinnoittaa hopealla. Katoditangon 30 kontaktipalan kontaktipinnan pinnoitus hopealla voidaan suorittaa esimerkiksi / * . juotostekniikalla tai termisellä ruiskutustekniikalla.

4 114927

Kontaktipalojen kontaktipinta on helppo käsitellä keksinnön mukaisesti jo ennen niiden liittämistä kannatustankoon, mutta erityisen edullinen menetelmä on kuluneiden tankojen korjauksessa. Sinkkielektrolyysin katodeille suoritetaan ajoittain huolto, jolloin katodin kunto tarkistetaan.

5 Katodilevy kuluu nopeammin kuin kannatustanko ja niinpä tanko kestää tunnetullakin tekniikalla useamman levyn käyttöiän. Kannatustangon elinikää on kuitenkin vielä mahdollista pidentää keksinnön mukaisesti yksinkertaisella tavalla, sillä kontaktipalojen kontaktipinnan tai -pintojen pinnoitus on mahdollista uusia tarpeen vaatiessa.

10

Kun kontaktipinta muodostuu kontaktipalan alapinnalle muodostetusta lovesta, loven vinot sivureunat oiotaan suoraviivaiseksi, sillä kontaktipintojen kuluminen on saattanut aiheuttaa sen, että virtakiskon ja kannatustangon välille on muodostunut vain yksi kosketuspiste. Kulumisen seurauksena 15 kannatustanko alkaa kantaa pohjaosastaan, jolloin kontakti ei ole enää geometrialtaan toivottu. On selvää, että tämä huonontaa virran syöttöä katodille. Menetelmän mukaisesti kannatustangon loven sivureunoihin liitetään sähkönjohtokykyä lisäävät liitospalat. Jos kontaktipintana toimii kontaktipalan suora alareuna, on myös se edullista oikoa ennen 20 jatkokäsittelyä.

.· · Kun käytetään juotostekniikkaa, käsiteltävä pinta puhdistetaan ja siihen muodostetaan tinakerros, joka on edullisesti alle 50 pm. Tämän jälkeen suoritetaan hopeapinnoitteen asennus jonkin sopivan polttimen avulla.

25 Tinakerros sulaa ja kun pinnoitelevy asetetaan sulan tinan päälle, se on :' ·,: helposti asemoitavissa oikeaan paikkaansa.

... · Kannatustangon kontaktipalan kontaktipinnat voidaan pinnoittaa hopealla ....· myös termisellä ruiskutustekniikalla, sillä hopean sulamispiste on 960 °C.

,,' ' 30 Pinnoitemateriaalina voidaan myös käyttää AgCu-seosta esimerkiksi langan ’... tai pulverin muodossa. Eutektisen AgCu-seoksen sulamispiste on vielä 5 114927 hopeankin sulamispistettä alhaisempi ja soveltuu siten kontaktipintojen pinnoittamiseen ko. tekniikalla.

Termisistä ruiskutustekniikoista ovat käytännössä ainakin kaasun palami-5 seen perustuvat tekniikat osoittautuneet käyttökelpoisiksi. Näistä suurno-peusliekkiruiskutus (HVOF = High Velocity Oxy-Fuel) perustuu ruiskutus-pistoolin polttokammiossa tapahtuvaan polttokaasun tai nesteen ja hapen jatkuvaan palamiseen korkeassa paineessa ja nopean kaasuvirtauksen synnyttämiseen ruiskutuspistoolin avulla. Pinnoitusmateriaali syötetään ίο jauheen muodossa kantokaasun avulla tavallisimmin aksiaalisesti pistoolin suuttimeen. Suuttimessa jauhepartikkelit kuumenevat ja saavat aikaan hyvin korkean liikenopeuden (useita satoja m/s) ja ne kohdistetaan pinnoitettavaan kappaleeseen.

15 Tavallisessa liekkiruiskutuksessa polttokaasun ja hapen seos palaessaan sulattaa lanka- tai jauhemuodossa olevan pinnoitusmateriaalin. Poltto-, , kaasuna käytetään yleisimmin asetyleeniä sen erittäin kuuman liekin vuoksi.

:;; Pinnoitemateriaalilanka johdetaan paineilmaturbiinin tai sähkömoottorin käyt- tämän syöttölaitteiston avulla lankasuuttimen läpi. Lankasuuttimen edessä ] _ 20 palava kaasuliekki sulattaa langan pään ja sula puhalletaan paineilman avulla metallisumuna pinnoitettavaan kappaleseen. Partikkelinopeus on · luokkaa 100 m/s.

Terminen ruiskutustekniikka sulattaa pinnoitemateriaalin ja koska hopeapi-25 toisten pinnoitteiden sulapisaroilla on korkea lämpötila, kontaktipalan loven :'·,· tai alapinnan pinnoituksessa syntyy kuparin, tinan ja pinnoitemateriaalin välil- le metallurginen sidos. Siten liitoksen sähköjohtokyky on hyvä. Metallien ..! · liitosmenetelmällä syntyy liitosalueelle hopean, tinan ja kuparin ternäärisen .... · seoksen muodostamaa eutektikumia esimerkiksi lämpötilavälillä 380 - 600 * 30 °C. Tarvittaessa voidaan ruiskutuksen jälkeen suorittaa erillinen lämpö- '... käsittely, joka edesauttaa metallurgisen liitoksen syntymistä.

6 114927

Keksintö kohdistuu myös elektrolyysissä käytettävän katodin kannatus-tankoon. Kannatustangon päissä oleviin kontaktipaloihin on erityisesti palojen alapinnalla olevalle alueelle, kontaktipintaan, joka tulee kontaktiin elektrolyysialtaan virtakiskon kanssa, muodostettu sähköä hyvin johtava 5 kerros. Sähköä hyvin johtavana metallina käytetään hopeaa, tai hopeaseosta kuten hopeakuparia. Kontaktipinnan pinnoitus on edullisesti suoritettu esimerkiksi juottamalla tai termisellä ruiskutustekniikalla, jolloin kontaktipalan ja pinnoitteen välille on muodostettu metallurginen liitos.

ίο Keksinnön mukaista menetelmää kuvataan vielä oheisten esimerkkien ja kuvan 1 avulla, jossa on esitetty kontaktipintojen suhteellinen jännitehäviö.

Esimerkki 1

Sinkkielektrolyysissä käytössä ollut katodin kannatustanko otettiin huoltoon, 15 jolloin sen kuparisten kontaktipalojen alapinnassa olevat kontaktipinnat todettiin kuluneeksi. Kontaktipintana toimivat lovet, jotka ovat olleet ylöspäin . kapenevan katkaistun kartion muotoiset ja olivat kuluneet sivureunoistaan i epämääräisen pyöreäksi. Kontaktipinnat puhdistettiin ensin hiekkapuhalluk- . sella niissä olevasta liasta. Tämän jälkeen sivupinnat jyrsittiin tasomaisiksi, 20 jolloin pinnoista poistui 1-3 mm materiaalia. Poistettu materiaali korvattiin juottamalla sivupinnoille niiden suuruiset, 1-2 mm:n paksuiset hopeapalat.

Juotostyö tehtiin käyttämällä sopivan tehoista happi-nestekaasupoltinta ja tinaamalla hopea- ja kuparipintojen väliin kapillaarivoimalla leviävä tina-25 kerros. Tinakerroksen ollessa vielä sulana hopealevy oli helppo asemoida. Samalla voitiin todeta tinajuotoksen tasaisuus ennen kuin lämpötila nostettiin Γ ” suoraan hopeapinnalle kohdistetulla kuumennuksella muutamaksi minuutiksi ... · lämpötilaan noin 500 °C, jolloin hopea ja kupari saostuvat juotosalueella ....; puhtaista metalleista.

Korjatulle kannatintangolle suoritettu rakennetutkimus todisti, että kuumennuksen aikana hopea ja kupari seostuvat niiden välissä olevaan :·! ’ 30 7 114927 tinakerrokseen ja muodostavat tinaa huomattavasti korkeammalla sulavan ternäärisen seoksen. Kuvatulla tavalla hopeasta valmistetun kontaktipinnan mekaaninen ja kemiallinen kestävyys on osoittautunut hyväksi.

5 Esimerkki 2 Käytettiin edellisessä esimerkissä kuvatun kaltaista kannatustankoa, jolle myös tehtiin edellä kuvatut puhdistus- ja materiaalinpoistotoimenpiteet. Kontaktipalan alapinnalla olevan loven sivupinnoille muodostettiin tinakerros, jonka vahvuus keskimäärin oli alle 50 pm.

10

Termisenä ruiskutusmenetelmänä käytettiin lankaruiskutusta. Ruiskussa käytettiin 3 mm:n vahvuista hopealankaa, jota käytettiin niin, että tuotetun pinnan paksuudeksi muodostui 0,5 - 1,2 mm. Mikroanalyysitutkimuksella todettiin metallurgisten seosten muodostumisen alkaneen jo kuumien 15 sulapisaroiden iskostuessa tinatulle kuparipinnalie.

Suoritettu rakennetutkimus osoitti lisäksi, että hopean on muodostanut täysin kompaktoituneen metallirakenteen. Kontaktipinnan mekaaninen ja kemialli-, ·: ·. nen kestävyys on käytännössä osoittautunut hyväksi.

20

Esimerkki 3 .· · Sinkkielektrolyysin katodin kannatustankoon on kuparisten kontaktipalojen

• I

alapinnassa oleville kontaktipinnoille liitetty hopeapalat. Kannatustanko on ollut tuotantokäytössä puoli vuotta ja toistaiseksi kontaktipinnan kuluminen 25 on ollut huomattavan vähäinen eli jännitehäviö on pysynyt samana koko ajan. Kuvassa 1 nähdään suhteellinen jännitehäviön ero vanhaan tankoon nähden, jossa on tavanomaiset, kupariset kontaktipinnat. Tavanomaisen ... kuparikontaktipinnan suhteellista jännitehäviötä on merkitty arvolla 100 ja keksinnön mukaisen, hopeasta valmistetun kontaktipinnan jännitehäviö 30 nähdään suhteessa perinteiseen kontaktipintaan.

Claims (14)

114927

1. Menetelmä hyvän kontaktipinnan muodostamiseksi elektrolyysissä käytettävän alumiinikatodin kannatustankoon, jonka päähän on liitetty 5 kuparia oleva kontaktipala, jolloin katodilevy upotetaan elektrolyysi- altaaseen ja katodin kannatustenko tuetaan päistään elektrolyysi-altaan reunoille siten, että kontaktipala sijoitetaan virtakiskon päälle, tunnettu siitä, että kannatustangon kontaktipalan alapinnalla olevaan alueeseen, kontaktipintaan, joka tulee kosketuksiin virtakiskon io kanssa, muodostetaan välityskerros, jonka jälkeen kontaktipinta pinnoitetaan hopealla tai hopeaseoksella, jonka paksuus on 0,5 - 2 mm ja joka muodostaa kuparisen kontaktipalan ja välityskerroksen kanssa metallurgisen liitoksen, jolloin pinnoite muodostetaan joko juotostekniikalla tai termisellä ruiskutustekniikalla. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että välityskerros on tinaa tai tinavaltainen kerros.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että « · I 20 terminen ruiskutustekniikka perustuu kaasun palamiseen. > I · :··· 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ; ’ *.: terminen ruiskutustekniikka on suurnopeusliekkiruiskutus. * ·

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, ,,;Γ tunnettu siitä, että hyvin sähköä johtava pinnoitemateriaali on pulverimuodossa.

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että . : 30 terminen ruiskutustekniikka on liekkiruiskutus. 114927

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1 - 3 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hyvin sähköä johtava pinnoitemateriaali on lankamuodossa.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kontaktipinnalle suoritetaan lämpökäsittely pinnoituksen jälkeen.

9. Menetelmä elektrolyysissä käytetyn alumiinikatodin kannatustangon io kontaktipinnan korjaamiseksi, jolloin kannatustangon toiseen päähän on liitetty kuparia oleva kontaktipala, elektrolyysissä katodilevy upotetaan elektrolyysialtaaseen ja kannatustangon kontaktipala tuetaan elektrolyysiakaan virtakiskoon, tunnettu siitä, että kannatus-tangon kontaktipalan kontaktipintana toimiva alapinta ensin oiotaan 15 suoraviivaiseksi ja tämän jälkeen pinnoitetaan hopealla tai hopeaseoksella, jolloin alapinnalle muodostetaan ensin välityskerros tinasta ja tämän päälle hyvin sähköä johtava pinnoitus, jonka paksuus on 0,5 - 2 mm, siten, että kupari, tina ja hopea- tai : hopeaseospinnoite muodostavat metallurgisen liitoksen. 20

10. Menetelmä elektrolyysissä käytetyn alumiinikatodin kannatustangon ·; -·; kontaktipinnan korjaamiseksi, jolloin kannatustangon toiseen päähän on liitetty kuparia oleva kontaktipala ja kontaktipalan alareuna on varustettu lovella, elektrolyysissä katodilevy upotetaan elektrolyysi-25 altaaseen ja kannatustanko tuetaan lovikohdasta elektrolyysiakaan virtakiskoon, tunnettu siitä, että kannatustangon kontaktipalan ·,.kontaktipintana toimivat loven vinot sivureunat, jotka ensin oiotaan : suoraviivaiseksi ja tämän jälkeen pinnoitetaan hopealla tai ·:* i hopeaseoksella, jolloin sivureunoille muodostetaan ensin 30 välityskerros tinasta ja tämän päälle pinnoituskerros, jonka paksuus ; on 0,5 - 2 mm, siten, että kupari, tina ja hopea- tai hopeaseos pinnoite muodostavat metallurgisen liitoksen. 114927

11. Elektrolyysissä käytettävän alumiinikatodin kannatustanko, jolloin katodin katodilevy on tarkoitettu upotettavaksi elektrolyysialtaaseen ja katodin kannatustanko tuettavaksi päistään elektrolyysialtaan 5 reunoille, jolloin kannatustangon toiseen päähän on liitetty kuparia oleva kontaktipala, tunnettu siitä, että kannatustangon kontaktipalan alapinnalla olevalle alueelle, virtakiskon kanssa kosketuksiin tulevaan kontaktipintaan, on ennen pinnoitusta muodostettu välityskerros ja tämän jälkeen pinnoitettu hopealla tai hopeaseoksella, jonka paksuus ίο on 0,5 - 2 mm, ja että pinnoitemateriaali muodostaa välityskerroksen ja kontaktipalan kuparin kanssa metallurgisen liitoksen.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kannatustanko, tunnettu siitä, että välityskerros on tinaa tai tinavaltaista seosta. 15

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen kannatustanko, tunnettu siitä, että hyvin sähköä johtava pinnoitekerros on muodostettu juotostekniikalla. • · I ► »

14. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 11-13 mukainen kanna- tustanko, tunnettu siitä, että hyvin sähköä johtava pinnoitekerros on : ·: muodostettu termisellä ruiskutustekniikalla. » * » • *» • · » • I • » • · · 1