JP2003160893A - 電解槽電圧の管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操業条件の違い又は変化に対応した適切な電
解槽電圧を個別的に計算によって求め、その計算電圧値
と実際の測定電圧値との比較により、適切な操業ができ
且つ異常電圧を示す電解槽を簡単に発見することが可能
な電解槽電圧の管理方法を提供する。 【解決手段】 非鉄金属の塩化浴における電解槽電圧を
管理するにあたり、アノードとカソードの接触抵抗から
求めた電圧降下△Ｅ_ａ及び△Ｅ_ｃ、電解液液抵抗から求
めた電圧降下△Ｅ_Ｌａ及び△Ｅ_Ｌｃ、隔膜抵抗から求め
た電圧降下△Ｅ_ｆ、非鉄金属イオンと塩素イオンを含む
電解液から目的金属が電析する際の理論電解電圧Ｅ
_Ｔｈｅ、及び過電圧ηの合計として計算電圧Ｅ(ca)を予
め求めておき、この計算電圧(ca)と電解槽で実測した測
定電圧Ｅ(me)とを比較管理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ニッケル、コバル
ト、銅などの非鉄金属を塩化浴から電解採取又は電解精
製する際に、操業中の電極の接触不良やショート等の異
常を発見するために電解槽の電圧を管理する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ニッケルなどの非鉄金属の電解採取又は
電解精製においては、数十から数百の電解槽で同時に操
業が行われる。これら多数の電解槽の中からアノードや
カソードの接触不良、あるいはショート等の異常を発見
するために、従来から電解槽の電圧を管理することが一
般的に行われている。

【０００３】従来の電解槽電圧の管理方法としては、1
日のある時刻における各電解槽電圧を定期的に測定し、
その測定値を取り込んだ一覧表を作成して、電解槽電圧
の測定値の最も高い槽及び最も低い槽、若しくは電解槽
電圧の推移をチェックしていた。これにより、電解槽電
圧が大幅に上昇し又は下降した電解槽については、アノ
ードやカソードの接触不良あるいはショート等の異常が
発生したと判断することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の管理方
法では、単に電解槽電圧の測定値の相対的な高低や推移
をチェックするに過ぎないため、操業条件に適した電解
槽電圧であるか判断する方法がなく、適切な電解槽電圧
の管理ができなかった。例えば、操業条件を変更した際
には、電解槽電圧の測定値が変更後の操業条件に対応し
た適切な値かどうかを判断することは困難であった。

【０００５】また、多数の電解槽の操業条件に差がある
場合には、その中から高い確度で異常を発見することは
困難であった。例えば、電極枚数が少ない槽や、給液中
で非鉄金属イオン濃度が低い条件で操業している槽が、
常に高い電解槽電圧を示す槽として優先的にチェックさ
れてしまい、接触抵抗の上昇やショートが原因で電解槽
電圧に異常がある槽が見逃される可能性が大きかった。

【０００６】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
操業条件の違い又は変化に対応した適切な電解槽電圧を
個別的に計算によって求め、その計算電圧値と実際の測
定電圧値との比較により、適切な操業ができ且つ異常電
圧を示す電解槽を簡単に発見することができる電解槽電
圧の管理方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する非鉄金属の塩化浴における電解槽
電圧の管理方法は、カソード及びアノードの電極接触抵
抗、電解液抵抗、及び隔膜抵抗からそれぞれ計算により
求めた電圧降下、非鉄金属イオンと塩素イオンを含む電
解液から目的金属が電析する際の理論電解電圧、及び過
電圧の合計として計算電圧Ｅ(ca)を予め求めておき、こ
の計算電圧Ｅ(ca)に対して電解槽で実測した測定電圧Ｅ
(me)を比較管理することを特徴とする。

【０００８】また、上記本発明の電解槽電圧の管理方法
は、操業条件の異なる複数の電解槽について、それぞれ
予め求めた計算電圧Ｅ(ca)と各電解槽で実測した測定電
圧Ｅ(me)とを比較して、両者の差△Ｅが所定の値以上と
なった電解槽を検知することを特徴とするものである。

【０００９】上記本発明の電解槽電圧の管理方法におい
て、前記電解液抵抗は、少なくとも非鉄金属イオン濃
度、塩素イオン濃度、ＳＯ_４イオン濃度、Ｎａイオン濃
度を含む塩化浴の液組成、通電電流、電極枚数、通電時
間、電極板面積、電解槽内温度をパラメータ―として計
算することを特徴とする。また、前記隔膜抵抗は、電解
槽内温度及び隔膜の通水度をパラメータ―として計算す
ることを特徴とする。

【００１０】更に、上記本発明の電解槽電圧の管理方法
において、前記過電圧を前記各電圧降下及び理論電解電
圧の合計と、通常操業で測定された電解槽電圧との差と
して定め、その値を目的非鉄金属イオン濃度、通電電
流、及び電解槽内温度をパラメータ―として計算するこ
とを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】電解槽電圧を決定する構成要因と
しては、図１に概念的に示すように、アノードの接触抵
抗による電圧降下△Ｅ_ａ、カソードの接触抵抗による電
圧降下△Ｅ_ｃ、溶液中を電流が通過する際に発生する電
解液抵抗に起因するアノード電解浴での電圧降下△Ｅ
_Ｌａ及びカソード電解浴での電圧降下△Ｅ_Ｌｃがある。
また、塩化浴からの電解採取ではアノードより塩素ガス
が発生するため、アノードは対極面が濾布によって覆わ
れたアノードボックス内に設置されており、この濾布に
よる隔膜抵抗に起因する電圧降下△Ｅ_ｆが生じる。

【００１２】更に、アノード及びカソードの表面では、
電気化学反応に基づく電極電位Ｅ_Ａ及びＥ_Ｃが生じる。
このアノードとカソードの電極電位は、各電極表面での
酸化還元反応の平衡電位Ｅ(eq)と過電圧ηの和として次
のように表される。 アノードの電極電位Ｅ_Ａ＝Ｅ_Ａ(eq)＋η_ａ カソードの電極電位Ｅ_Ｃ＝Ｅ_Ｃ(eq)＋η_ｃ

【００１３】従って、電解槽電圧Ｅは、上記の各電圧降
下△Ｅ_ａ、△Ｅ_ｃ、△Ｅ_Ｌａ、△Ｅ _Ｌｃ及び△Ｅ_ｆと、
電極電位の合計として以下のように表わすことができ
る。 Ｅ＝△Ｅ_ａ＋△Ｅ_ｃ＋△Ｅ_Ｌａ＋△Ｅ_Ｌｃ＋△Ｅ_ｆ＋
｛Ｅ_Ａ(eq)＋η_ａ｝−｛Ｅ_Ｃ(eq)＋η_ｃ｝

【００１４】ここで、アノード電解浴とカソード電解浴
の液質は同じと考え、△Ｅ_Ｌ＝Ｅ_{Ｌ ａ}＋△Ｅ_Ｌｃとす
る。また、平衡電極電位の差Ｅ_Ａ(eq)−Ｅ_Ｃ(eq)、即ち
理論電解電圧をＥ_Ｔｈｅと表記する。更に、アノード及
びカソードの過電圧を総合して評価するために、過電圧
η＝η_ａ−η_ｃとすると、電解槽電圧Ｅは以下のように
表わすことができる。 Ｅ＝△Ｅ_ａ＋△Ｅ_ｃ＋△Ｅ_Ｌ＋△Ｅ_ｆ＋Ｅ_Ｔｈｅ＋η

【００１５】即ち、電解槽電圧Ｅは、アノード及びカソ
ードの電極接触抵抗による電圧降下△Ｅ_ａ及び△Ｅ_ｃ、
電解液抵抗による電圧降下△Ｅ_Ｌ、隔膜抵抗による電圧
降下△Ｅ_ｆ、理論電解電圧Ｅ_Ｔｈｅ、及び過電圧ηの合
計として、計算により求めることができる。

【００１６】以下、各構成要因に電圧の計算方法につい
て更に詳細に説明する。 （１）電極接触抵抗による電圧降下（△Ｅ_ａ、△Ｅ_ｃ） アノード及びカソードの接触抵抗値をそれぞれＲ_ａ及び
Ｒ_ｃとし、通電電流をＩ、電極枚数をｎとすると、アノ
ード及びカソードの接触抵抗による電圧はオームの法則
に従って次のように示される。 △Ｅ_ａ＝Ｒ_ａ×Ｉ／ｎ △Ｅ_ｃ＝Ｒ_ｃ×Ｉ／ｎ

【００１７】（２）隔膜抵抗による電圧降下（△Ｅ_ｆ） 隔膜抵抗に起因する電圧降下もアノード及びカソードの
電極接触抵抗に起因する電圧降下と同様に、隔膜抵抗Ｒ
_ｆと通電電流Ｉ及び電極枚数ｎによりオームの法則に従
って以下の式で示される。 △Ｅ_ｆ＝Ｒ_ｆ×Ｉ／ｎ また、隔膜抵抗Ｒ_ｆは、電解槽内温度及び隔膜の通水度
によって変化し、以下の式で表される。 Ｒ_ｆ＝ａ×電解槽内温度＋ｂ×通水度＋ｃ

【００１８】（３）電解液抵抗による電圧降下（△
Ｅ_Ｌ） 電解液中でイオンが移動する時、即ち電流が流れる時に
液の流れ・対流はないものと仮定すると、電解液抵抗を
Ｒ_Ｌ、通電電流をＩ及び電極枚数をｎとしたとき、電解
液にはオームの法則で表わされる以下の電位差が生じ
る。 △Ｅ_Ｌ＝Ｒ_Ｌ×Ｉ／ｎ また、電解液抵抗Ｒ_Ｌは、電解液の比抵抗ρ、電極板面
積Ｓ、電極間距離ｄと下記関係式で表される。ここで、
電解液の比抵抗ρは電解液の組成と温度から、及び電極
間距離ｄは通電電流と通電時間から、それぞれ求めるこ
とができる。 Ｒ_Ｌ＝ρ×ｄ／Ｓ

【００１９】（４）理論電解電圧（Ｅ_Ｔｈｅ） ニッケル電解を例に挙げると、アノード電極表面では塩
素イオンが酸化されて塩素ガスが発生し、カソード電極
表面ではニッケルイオンが電気ニッケルとして電析す
る。この電気化学反応が起こっているとき、アノード平
衡電位Ｅ_Ａ(eq)及びカソード平衡電位Ｅ_Ｃ(eq)は、それ
ぞれ下記数式１及び数式２により求められることが知ら
れている。

【００２０】

【数１】

【００２１】

【数２】

【００２２】理論電解電圧Ｅ_Ｔｈｅとは、このアノード
平衡電位Ｅ_Ａ(ｅｑ)とカソード平衡電位Ｅ_Ｃ(ｅｑ)の差
であって、この理論電解電圧以上の電位をかけなければ
ニッケルの電解が成り立たない電圧のことである。つま
り、理論電解電圧Ｅ_Ｔｈｅは、下記数式３により求める
ことができる。

【００２３】

【数３】

【００２４】（５）過電圧（η） 過電圧ηは、アノード及びカソード電極電位の平衡電位
からのずれ、即ち分極の程度で電流を流す駆動力を意味
し、ターフェルの式に示されるように電流との関係で表
わされるものである。

【００２５】本発明においては、前述した（１）〜
（３）の各電圧降下及び（４）の理論電解電圧の合計
と、通常の実操業の電解槽で測定された電解槽電圧との
差をもって過電圧ηと定義し、目的とする非鉄金属イオ
ン濃度、通電電流、電解槽内温度の３種のパラメータに
回帰する以下の式を用いて計算する。 η＝ａ×非鉄金属イオン濃度＋ｂ×通電電流＋ｃ×電解
槽内温度＋ｄ

【００２６】上記の通り、電解槽電圧を決定する全ての
構成要因に基づいて、アノード及びカソードの接触抵抗
による電圧降下△Ｅ_ａ及び△Ｅ_ｃ、電解液抵抗による電
圧降下△Ｅ_Ｌ、隔膜抵抗による電圧降下△Ｅ_ｆ、理論電
解電圧Ｅ_Ｔｈｅ、過電圧（η）を、それぞれ（１）〜
（５）に従って実際の操業条件より計算し、これらの値
の合計として計算電圧Ｅ(ca)を求めることができる。

【００２７】本発明においては、このようにして求めた
計算電圧Ｅ(ca)を、電解槽で実測した測定電圧Ｅ(me)と
比較し、両者の差に基づいて電解槽電圧を管理する。そ
のため、両者の差を小さく維持することで常に適切な操
業を行うことができ、また操業条件を変更した場合に
も、変更後の操業条件に対して適切な電解槽電流となっ
ているか直ちに判断することができる。

【００２８】また、操業条件の異なる複数の電解槽を同
時に操業している場合おいても、それぞれ予め求めた計
算電圧Ｅ(ca)と各電解槽で実測した測定電圧Ｅ(me)とを
比較して、両者の差が所定の値以上となった電解槽を検
知することにより、アノードやカソードの接触不良ある
いはショート等の異常が発生した電解槽を容易に発見す
ることが可能である。尚、接触不良あるいはショート等
の異常は、電解槽が一つのみの場合も両者の差から容易
に発見できることは言うまでもない。

【００２９】

【実施例】ニッケルを塩化浴から電解採取する工場にお
いて、操業している全ての電解槽について測定電圧値を
毎朝５時に取込み、同時にその時のＮｉ濃度、通電電
流、電解槽内温度、通電時間等の操業条件から前述の計
算式（１）〜（５）に基づいて計算した計算電圧値Ｅ(c
a)を各電解槽について求めた。各電解槽について測定電
圧Ｅ(me)と計算電圧Ｅ(ca)との差△Ｅ（△Ｅ＝Ｅ(me)−
Ｅ(ca)）を一覧表に作成し、電解槽電圧が異常に高いか
又は異常に低い電解槽のチェックを行った。

【００３０】このようにして電解槽電圧を管理しながら
操業を行った結果、下記表１に示すように、１２９号槽
において１２月９〜１１日にかけて測定電圧Ｅ(me)と計
算電圧Ｅ(ca)との差△Ｅが異常に高い日が続いた。１２
９号槽を点検してみると、カソードビームが発熱し、表
面が酸化により黒色化しており、接触抵抗が増加してい
ることが判明した。カソードビームを交換することによ
り、１２月１２日から電解槽電圧は正常値に戻った。

【００３１】

【表１】

【００３２】また、下記表２に示すように、１３０号槽
において５月１９日から△Ｅが徐々に上昇したため、５
月２１日にカソードビームを交換したところ、一時的に
電解槽電圧が低下したものの再び異常電圧値を示した。
更に１３０号槽を点検したところ、カソードビームを置
くコマ型台座のニッケルめっきが剥離しており、コマ型
台座とカソードビームの間の接触抵抗が上昇したため、
電解槽電圧が高くなっていたことが判明した。そこで５
月２４日に台座を交換することにより、電解槽電圧は正
常値に戻った。

【００３３】

【表２】

【００３４】更に、下記表３に示すように、２０７号槽
において８月１２日より△Ｅが通常より低い値を示し
た。そこで８月１５日にカソードを引揚げてみると、ニ
ッケルが濾布を巻き込んで電着することによりショート
している部分が見つかった。８月１５日から新しいアノ
ードボックスを用いることにより、電解槽電圧は正常値
に戻った。

【００３５】

【表３】

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、電解槽電圧に影響を与
える操業条件を全て考慮して計算電圧を求めているた
め、その計算電圧値と実際の測定電圧値を比較するだけ
で、適切な操業ができ、しかも異常を示す電解槽を簡単
且つ的確に発見することができる。特に本発明に係わる
計算電圧によれば、実際の電解槽電圧が計算電圧よりも
高い値を示す原因は電極接触抵抗の上昇によるもののみ
となるため、異常の原因発見も極めて容易である。

【００３７】また、本発明に係わる計算電圧は操業条件
に対応した理想に近い電解槽電圧を表すので、実際の操
業を行わずに様々な操業条件に応じた電解槽電圧の予測
が可能であって、特に実操業と大きく異なる条件におけ
る電解槽電圧を推定する場合においても高い信頼性を有
している。

【図面の簡単な説明】

【図１】電解槽電圧を決定する構成要因の概念図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 家守 伸正 愛媛県新居浜市西原町３−５−３ 住友金 属鉱山株式会社別子事業所内 Ｆターム(参考） 4K058 AA13 AA25 BA17 BA21 BB03 BB04 CA04 CA05 CA07 FB01 FB03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非鉄金属の塩化浴における電解槽電圧を
   管理する方法において、カソード及びアノードの電極接
   触抵抗、電解液抵抗、及び隔膜抵抗からそれぞれ計算に
   より求めた電圧降下、非鉄金属イオンと塩素イオンを含
   む電解液から目的金属が電析する際の理論電解電圧、及
   び過電圧の合計として計算電圧Ｅ(ca)を予め求めてお
   き、この計算電圧Ｅ(ca)に対して電解槽で実測した測定
   電圧Ｅ(me)を比較管理することを特徴とする電解槽電圧
   の管理方法。
2. 【請求項２】 操業条件の異なる複数の電解槽につい
   て、それぞれ予め求めた計算電圧Ｅ(ca)と各電解槽で実
   測した測定電圧Ｅ(me)とを比較して、両者の差△Ｅが所
   定の値以上となった電解槽を検知することを特徴とす
   る、請求項１に記載の電解槽電圧の管理方法。
3. 【請求項３】 前記電解液抵抗は、少なくとも非鉄金属
   イオン濃度、塩素イオン濃度、ＳＯ_４イオン濃度、Ｎａ
   イオン濃度を含む塩化浴の液組成、通電電流、電極枚
   数、通電時間、電極板面積、及び電解槽内温度をパラメ
   ータ―として計算することを特徴とする、請求項１又は
   ２に記載の電解槽電圧の管理方法。
4. 【請求項４】 前記隔膜抵抗は、電解槽内温度及び隔膜
   の通水度をパラメータ―として計算することを特徴とす
   る、請求項１〜３のいずれかに記載の電解槽電圧の管理
   方法。
5. 【請求項５】 前記過電圧を前記各電圧降下及び理論電
   解電圧の合計と、通常操業で測定された電解槽電圧との
   差として定め、その値を目的非鉄金属イオン濃度、通電
   電流、及び電解槽内温度をパラメータ―として計算する
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の電
   解槽電圧の管理方法。